Desain dan Realisasi Ethernet Extended Module PLC Mikro Berbasis Prosesor ARM Cortex

C-014

Prosiding Conference on Smart-Green Technology in Electrical and Information Systems Bali, 14-15 November 2013

Desain dan Realisasi Ethernet Extended Module PLC Mikro Berbasis Prosesor ARM Cortex Nahdatin Hasanah

Muhammad Ary Murti

Telkom Engineering School Telkom University Bandung, Indonesia [email protected]

Telkom Engineering School Telkom University Bandung, Indonesia [email protected]

Agung Nugroho Jati Telkom Engineering School Telkom University Bandung, Indonesia [email protected]

Abstrak— Sebagai upaya penelitian dan pengembangan bidang elektronika dan control, telah dirancang dan direalisasikan PLC mikro berbasis prosesor ARM Cortex di Fakultas Teknik – Telkom University. Untuk melakukan ekspansi komunikasi, maka dikembangkan modul ethernet yang compatible dengan PLC tersebut. Dari hasil rancangan dan realisasi modul ethernet yang menggunakan WIZ812MJ, diperoleh kesimpulan bahwa modul tersebut compatible terhadap PLC mikro yang ada, dan hanya memerlukan daya sebesar 0,5934 W dengan konsumsi arus sebesar 78,9 mA dari sumber catuan main module PLC mikro. Kata Kunci—Programmable Logic Controller (PLC), Extended Module PLC, Ethernet Module

I.

PENDAHULUAN

Programmable Logic Controller (PLC) adalah suatu kontroler berbasis mikroprosesor dimana didalamnya terdapat memori yang dapat diprogram dan berfungsi untuk menjalankan beberapa perintah, contohnya adalah sekuensial, pewaktuan, logika, aritmatika, dan lain-lain.[5] Bahasa yang digunakan di PLC adalah bahasa logika, karena pemrograman ditekankan kepada implementasi logika dan operasi switch. PLC terdiri dari device input dan output, dimana input dapat berupa sensor, saklar, dan output berupa motor, valve,dan lainlain. Keuntungan PLC dibandingkan kontroler yang lain adalah dapat digunakan untuk sistem yang besar, contohnya sistem automasi pabrik. PLC hampir sama dengan komputer, dimana komputer digunakan untuk kalkulasi dan display, sedangkan PLC digunakan untuk sistem kontrol dan automasi industri. Maka dari itu, PLC tahan terhadap getaran, noise, temperatur, dan kelembapan. PLC memiliki interface antara input dan outputnya yang terletak didalam kontrolernya. Sistem PLC terdiri dari beberapa komponen fungsional, seperti halnya terlihat pada gambar 1.

ISBN: 978-602-7776-72-2 © Universitas Udayana 2013

Gambar 1. Diagram Sistem PLC[1]

Ada beberapa hardware penyusun PLC, yaitu : 1. CPU, adalah unit yang berisi mikroprosesor berfungsi untuk menerjemahkan sinyal input dan melakukan aksi kontrol sesuai dengan program yang telah ditanam dimemori. 2. Power supply unit, berfungsi sebagai pengkonversi tegangan AC ke tegangan DC(5V) yang dibutuhkan oleh prosesor dan rangkaian input serta output module interfacenya agar dapat bekerja. 3. Programming device, digunakan sebagai penghubung antara program yang telah dibuat kedalam memori di prosesor. 4. Memory unit, berisi program mengenai aksi kontrol yang akan dieksekusi oleh mikroprosesor dimana data diberikan dari input untuk memproses keluaran outputnya. 5. Input and output sections, pada bagian ini, prosesor menerima informasi dari devais eksternal dan mengkomunikasikannya ke devais eksternal lainnya. 6. Communication interface berfungsi untuk menerima dan mentransmit data pada jaringan komunikasi dari atau ke PLC lainnya. Pada bagian ini biasanya terjadi proses verifikasi devais, akuisisi data, dan sinkronisasi antara aplikasi user dan manajemen koneksi. PLC mikro berbasis

191

C-014

Prosiding Conference on Smart-Green Technology in Electrical and Information Systems Bali, 14-15 November 2013 VCC3.3

ARM Cortex adalah PLC hasil riset Fakultas Teknik – Telkom University yang menggunakan MCU STM32 sebagai prosesor PLC tersebut. PLC tersebut memiliki fitur-fitur dasar standar yang dibutuhkan oleh industri.

L1 ferrite bead D1a

C1 10uF

C2 100n

DIODE SCHOTTKY D2a

X8 1 2 BATT

DIODE SCHOTTKY

VCC3.3 VCC3.3 R1

S1

32 48 19 64

VDD_1 VDD_2 VDD_4 VDD_3

S2

VCC3.3

31 47 63 18

1 2

4 3

1 R2 1100k 2 1 1 22 2 100k R3

C4 100n

C5 100n

VSS_1 VSS_2 VSS_3 VSS_4

7

NRST

BOOT0

60

BOOT0

PA0_RESET

14 15 16 17 20 21 22 23 41 42 43 44 45 46 49 50

PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PA8 PA9 PA10 PA11 PA12 PA13 PA14 PA15

C6 100n

C7 100n

BOOT1 2

SW DIP-2

VCC3.3

C3 100n

RESET

R4 2 1

2 1

100k

R5 100k

1

1

GND

PA2_INT PA3_CS PA4_SPI1_NSS PA5_SPI1_SCK PA6_SPI1_MISO PA7_SPI1_MOSI

GND

USART1_RX USART1_TX

VCC3.3

R6 R7 R8 R9 10k 10k 10k 10k

PD0 PD1 PD2

5 6 54

II.

DESAIN DAN REALISASI

Tujuan utama dibuatnya extended module ethernet adalah untuk menghubungkan PLC dengan ladder programmer (PC) melalui jaringan LAN. Hal ini memungkinkan komunikasi kedua perangkat dapat dilakukan pada jarak yang cukup jauh. Secara umum, sistem yang diinginkan dapat dilihat pada gambar 2 di bawah ini.

A0 A1 A2

1 2 3

10pF C16a

Y1 XTAL

C17a 10pF

8 7 6 5 SW DIP-4

Secara umum, paper ini dibagi dalam empat bab, bab pertama akan menjelaskan mengenai pendahuluan dilakukannya penelitian ini. Kemudian, pada bab kedua akan dijelaskan mengenai desain modul ethernet. Bab ketiga akan memberikan hasil pengukuran dan pengujian perangkat. Serta bab terakhir berupa kesimpulan penelitian.

AT24C256

SCK SDA WP

GND

STM32F103

1 2 3 4

6 5 7

2

S3

8 9 10 11 24 25 37 38 39 40 51 52 53 2 3 4

1

Pengembangan lebih lanjut dari PLC ini bertujuan agar PLC mampu terhubung dengan PC user melalui jaringan. Oleh karena itu, dikembangkan extended module ethernet interface sebagai antarmuka PC ke jaringan LAN.

PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 PC8 PC9 PC10 PC11 PC12 PC13 PC14 PC15

VCC3.3

VCC GND 4

VBAT

26 R11 R12 27 10k 10k 28 BOOT1 55 56 57 PB6_SCL 58 PB6_SCL 59 PB7_SDA PB7_SDA 61 62 29 30 33 SPI2_CS_ETH 34 SPI2_SCK 35 SPI2_MISO 36 SPI2_MOSI

8

1

NetLabel38

PB0 PB1 BOOT1/PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PB8 PB9 PB10 PB11 PB12 PB13 PB14 PB15

3

U1 VDDA VSSA

4

13 12 10k

2

PLC ini memiliki 32 I/O dgital yang terdiri dari 20 input digital dan 12 output digital, dan 6 I/O analog yang terdiri dari 4 input analog dan 2 output analog. PLC RAPID menggunakan bahasa pemprograman ladder Visual Basic dan JAVA. Penggunaan 2 bahasa ladder ini di tujukan untuk perancangan PLC system yang berbasis smart phone, sehingga lebih fleksibel digunakan oleh penggunanya nanti.[2]

R10 1M

22pF Y2 C18a 8MHz C19a 22pF

Gambar 3. MCU STM32 Minimum System

B. USB dan UART Interface Untuk berkomunikasi dengan perangkat luar, digunakan port PA9 sebagai pernerima data (RX) dan PA10 sebagai pengirim data (TX). Perancangan rangkaian USB-UART seperti gambar 4 di bawah ini digunakan sebagai interface antara MCU dengan PC, dimana dengan komunikasi serial yang digunakan berfungsi untuk menanamkan program pada MCU STM 32. VCC

R108 470 VCC

PC

LAN

C23 0.1uF

PLC

X3

FERRITE BEAD

FB

Extended Module Ethernet

C21 C24 0.1uF 10uF TANT

7

GND1

5 4 3 2 1

C25 10nF

VCC

VBUS DD+ ID GND

C22 GND

GND

GND

6

GND2

0.1uF

MINI USB-B U3 30 AVCC

VCC-IO

VCC

VCC

3V3OUT USBDM USBDP

D47

LED

D48

LED

R109 220 GND

VCC R110 220 GND VCC

10

6 8

R111

7

R112 R113

5 RSTOUT# 27 XTIN XTOUT

16 15 14 12 11

TXDEN PWREN# PWRCTL TXLED# RXLED#

RESET# EECS

27 27

1K5 6 MHz

Y3

28 4

U4

VCC

32

1 EESK 2 EEDATA 31 TEST

SLEEP AGND 29

17

GND 9

GND

Pada gambar 3, ditunjukkan skematik rangkaian minimum system yang dibuat sebagai penunjang kinerja MCU. Komponen minimum system sudah tidak dapat dikurangi untuk tetap dapat bekerja.

TXD RXD RTS# CTS# DTR# DSR# DCD# RI#

3

A. MCU Minimum System Rangkaian sistem minimum adalah rangkaian elektronik yang diperlukan agar MCU dapat bekerja. Sistem minimum yang dirancang kali ini terdiri dari beberapa blok, yaitu blok pembangkit clock utama, pembangkit clock RTC, reset, boot loader, memori, power supply analog, dan switch.

USART1_TX 25 USART1_RX 24 23 22 21 20 19 18

26

13

Gambar 2. Blok Diagram Sistem PLC Mikro – LAN

R114

1 2 3 4 2K2

CS SK DIN DOUT

VCC

8 VCC 7 NC 6 NC 5 GND 93C46 GND R115

GND

FT232BM

C26 0.1uF GND

10K

Gambar 4. Desain Hardware Extended Module I/O Digital

C. Desain Software Software yang dirancang berupa program embedded OS pada MCU STM32 sebagai master pada extended module ethernet. Program yang dibuat meliputi komunikasi antara extended modul ethernet dengan WIZ812MJ dengan menggunakan protokol komunikasi SPI bus. Komunikasi data yang digunakan pada perancangan software ini adalah berbasis protokol TCP. Protokol TCP ini

192


C-014


akan mengirimkan data melalui IP Adress dan nomor port sistem. Ada dua metode yang digunakan, yaitu mode client dan mode server.

Gambar 5. Diagram Alir Server Mode TCP[3]

Perbedaan mode server dan client adalah pada listen dan connect. Step listen dimulai dengan membuka socket, lalu mengganti status socket menjadi mode listen, sehingga dapat terhubung dengan client. Mode server ini termasuk mode pasif, sehingga pada mode ini socket hanya menunggu request yang diberikan oleh client. Proses pada mode client adalah sama dengan proses pada mode server. Mode client ini termasuk mode aktif, karena pada mode ini, sistem akan terus mengirimkan request kepada server.

Gambar 6. Diagram Alir Client Mode TCP[3]

D. Realisasi Extended Module Ethernet Realisasi hardware extended module ethernet ini disusun dalam satu board. Sistem penyusunan dalam satu board ini bertujuan agar desain alat lebih compact, sehingga tidak memerlukan banyak kabel penghubung rangkaian satu dengan yang lainnya. Sumber catu daya yang digunakan berasal dari power supply dengan spesifikasi keluaran 3,3 Volt DC sebagai sumber tegangan MCU STM32.

Gambar 7. Board Extended Module Ethernet


193

C-014


III.

Mikrokontroller ST sebesar 0,5934 Watt untuk dapat mencatu modul Ethernet yang telah diimplentasikan.

HASIL PENGUJIAN

A. Konsumsi Daya Pengujian konsumsi daya ini bertujuan untuk mengetahui konsumsi daya extended module sehingga diketahui apakah modul ini dapat diimplementasikan bersama dengan PLC mikro yang ada. Hal ini berkaitan dengan seberapa besar PLC mikro harus mampu memberikan catuan pada ethernet. Pengujian konsumsi daya dilakukan dengan memberikan tegangan masukan sebesar 3.3 Volt / 0,5 Ampere dari PLC ke ethernet. Pengujian konsumsi daya ini dilakukan dengan cara mencari nilai arus yang terpakai. Pengujian ini dilakukan dalam empat tahap, tanpa menggunakan WIZ812MJ, dengan menggunakan WIZ812MJ, saat sistem idle, dan yang terakhir pada saat sistem melakukan komunikasi.

Konsumsi Daya Daya (Watt)

0,4

Sebelum Menggunakan WIZ812MJ

0,3

Setelah Menggunakan WIZ812MJ

0,2 0,1 0

Gambar 8. Grafik Perbandingan Konsumsi Daya Sebelum dan Setelah Koneksi PLC dengan WIZ812MJ

Dari selisih nilai rata – rata tersebut dapat disimpulkan bahwa modul Ethernet WIZ182MJ masih bekerja dengan baik dan sesuai dengan fungsinya karena konsumsi daya dari WIZ182MJ yang terukur masih masuk ke dalam jangkauan konsumsi arus dari WIZ812MJ yang terdapat di dalam datasheet, dimana konsumsi arus maksimal bernilai 185 mA. [4]

Daya (Watt)

Konsumsi Daya Idle Komunikasi

1

3 5 7 9 Pengujian Ke -

Gambar 9. Grafik Perbandingan Konsumsi Daya Saat Idle dan Komunikasi

Konsumsi daya pada saat Idle 0,5823 Watt dan pada saat sedang melakukan komunikasi 0,5934 Watt, sehingga dapat disimpulkan bahwa daya yang harus disediakan PLC

194

Tabel 1. Hasil Pengujian Komunikasi Data 15 Karakter Melalui UTP Sepanjang 1 m dan 2 m

1

Banyaknya Data yang Terkirim (Bytes/Second) UTP 1 m 657,7540

Banyaknya Data yang Terkirim (Bytes/Second) UTP 2 m 61287,0360

2

789,7060

61259,6680

3

563,5790

61330,8790

4

563,7270

61259,6680

5

563,5790

61307,9820

Rata Rata Deviasi Rata Rata

627,6690

61289,0466

99,3286

18,9354

Pengujian Ke-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Pengujian Ke -

0,6 0,595 0,59 0,585 0,58 0,575 0,57

B. Kecepatan Komunikasi Data Pengujian ini dilakukan dengan mengirim sebuah paket/ data yang diketikkan pada software Hercules_3-2-4 dan ESI Serial Debug-latest. Pertama atur IP PC yang digunakan sesuai dengan IP yang telah diatur, yaitu 192.168.0.71. Kemudian atur port pada software Hercules_3-2-4.exe yaitu 3000. Kemudian klik tombol listen lalu lakukan proses pengiriman data. Proses pengiriman data ini dilakukan 2 tahap, yaitu pengiriman data dari Modul Ethernet ke PC, dan dari PC ke modul Ethernet .Perintah yang diberikan pada saat mengirim command dari PC ke modul Ethernet adalah “#readeth,601186”. Sedangkan perintah yang diberikan pada saat mengirim command dari modul Ethernet ke PC adalah “#sendeth,601186,perintah yang akan dikrimkan”. Untuk pengujian pengiriman data ini, digunakan bantuan software wireshark sebagai Analisa kecepatan pengiriman data. Standar parameter pengujian ini adalah perbedaan panjang kabel UTP yang digunakan, yaitu 1m dan 2m, dan dengan banyaknya bytes yang dikirim.

Setelah dilakukan pengujian, didapatkan jangkauan kemampuan pengiriman data dari sistem yang telah diimplementasikan adalah rata-rata diantara 627,7036 bytes/second – 886,7740 bytes/second, sedangkan untuk pengiriman dari modul Ethernet ke PC, dan 61289,0466 bytes/second – 74058,1960 bytes/second untuk pengiriman data dari PC ke modul Ethernet. Hasil kecepatan pengiriman data dipengaruhi oleh jarak dan panjang karakter data yang dikirimkan. C. Delay Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui delay atau waktu yang dibutuhkan untuk mengirimkan data dari PC ke modul ethernet, ataupun sebaliknya, dari modul Ethernet ke PC. Delay dapat disebabkan oleh media fisik, dan juga waktu proses dibutuhkan untuk mengeksekusi program dalam pengiriman dan penerimaan data. Pengujian ini dilakukan dengan melakukan pengiriman data dari modul ethernet ke


C-014


PC, dan sebaliknya dengan melihat data yang ter-capture pada Wireshark. Parameter delay yang dibandingkan adalah panjang kabel UTP dan juga banyaknya karakter data yang dikirimkan. Tabel 2. Hasil Pengujian Delay 15 Karakter Melalui UTP Sepanjang 1 m dan 2 m Banyaknya Data yang Banyaknya Data yang Pengujian Terkirim (Bytes/Second) Terkirim (Bytes/Second) KeUTP 1 m UTP 2 m 0,009 0,009 1 2

0,009

0,009

3

0,009

0,009

4

0,009

0,009

5

0,009

0,009

Rata Rata Deviasi Rata Rata

0,009

0,009

0

0

Berdasarkan hasil pengujian nilai delay terhadap perangkat yang digunakan, didapatkan nilai 0,008s untuk pengiriman data 5 dan 10 karakter dengan panjang kabel UTP 1m dan 2m, dengan 0,009s dengan pengiriman data 15 karakter pada panjang kabel 1m dan 2m. Hal ini disebabkan oleh proses kerja MCU yang membutuhkan waktu untuk memproses data pada saat penerimaan dan pengiriman data. IV.

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil perancangan, implementasi dan ujicoba sistem Ethernet untuk PLC yang diimplementasikan, terdapat beberapa hal yang dapat disimpulkan, antara lain: 1. Modul Ethernet yang diimplentasikan di dalam Tugas Akhir ini sudah diuji dengan cara membandingkan konsumsi arus pada saat sebelum dan setelah sistem ditambahkan modul Ethernet WIZ107SR, nilai selisih yang didapatkan sebesar 0,0789A atau 78,9 mA. Nilai tersebut masih masuk di dalam nilai jangkauan dari konsumsi arus dari modul Ethernet dimana nilai maksimal arus yang diperbolehkan sebesar 185 mA. 2. Setelah dilakukan pengujian, bahwa daya yang harus disediakan PLC berbasis Mikrokontroler ST untuk dapat mencatu modul Ethernet yang telah diiimplementasikan sebesar 0,5934Watt. REFERENSI [1] [2]

[3] [4] [5]

Bolton, W. 2009. Programmable Logic Controllers, fifth edition. UK : Elsavier Wahyu, Lukman Mawardi. 2009. Perancangan dan Implementasi PLC Mikro Berbasis Mikrokontroler ST uPSD3254BV. Bandung : IT Telkom. WIZnet.Co. 2006. W5100 Datasheet (Ver 1.0.1). Wiznet.Inc. 2008. WIZ812MJ Datasheet (Ver 1.1). Wicaksono, Handy, (2009), Programmble Logic Controller Teori, Pemrograman dan Aplikasinya dalam Otomasi Sistem, Surabaya, Graha Ilmu.


195

C-014


Halaman Ini Sengaja Dikosongkan

196


Desain dan Realisasi Ethernet Extended Module PLC Mikro Berbasis Prosesor ARM Cortex

Recommend Documents