MAKALAH SEMINAR KERJA PRAKTEK

MAKALAH SEMINAR KERJA PRAKTEK PERANCANGAN PERANGKAT KERAS PENGENDALIAN TEMPERATUR PANEL LINE D-8 BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S51 PADA MESIN CARTONNING DAN WRAPPING PADA PT. UNILEVER RUNGKUT - SURABAYA Sarah Qotrunnada NH (L2F006080) Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro ABSTRAK Kemajuan yang sangat pesat dengan dukungan teknologi yang canggih dan ekonomis akan menghasilkan efektifitas dan efisiensiyang baik dari sumber dayayang di miliki suatu perusahaan. Seirfng dengan gerak majunya dun ia industri saat in i, perkem bangan teknologi elektronika digital yang berm uara pada s istem komputer digital secara tidak langsung menjadikan teknologi kon^frol turut terlibai dan mengambil bagian dari kemajuan tersebut. Aplikasinya dapat di jumpai pada industri modern yang menggunakan sistem kontrol yang di dalamnya terdapat sistem mikroprosesor, bahkan melibatkan sistem komputer canggih secara modern. Sistem kontrol yang digunakan pada suatu perusahaan biasanya ditempatkan pada suatu ruangan khusus yang bisa berupa sebuah control room ataupun sebuah panel kontrol. Ketika sistem kontrol yang digunakan semakin kompleks, maka komponen kontrol yang terpasang pun akan semakin baryak. Layaknya sebuah komponen elektronika, komponen kontrol menghasilkan suatu disipasi panas, maka sejumlah komponen kontrol yang terpasang pada suatu ruangan akan mempengaruhi suhu dalam ruangan itu sendiri. Pada sisi lain, setiap komponen kontrol memiliki kisaran suhu yang dapat membuatnya bekerja secara optimal, oleh karena itu pada Kerja Praktek ini akan dirancang sebuah desain pengontrolan suhu ruangan suatu panel mesin. Panel yang digunakan adalah panel mesin Cartonning dan Wrapping pada Line D-8. Pengontrolan ini didesain untuk menjaga suhu ruangan panel pada suhu 30° C Suhu yang diukw oleh sebuah sensor akan diolah menggunakan mikrokontroler AT89S51 yang kemudian akan mempengaruhi putaran sebuah fan, untuk monitoring suhu digunakan LCD M1632. Kata kunci: Suhu, mikrokontroler AT89S51, fan

1. 1.1

Pendahuluan Latar blakang PT. Unilever Indonesia selama ini telah mengaplikasikan teknologi tinggi dalam operasinya, salah satunya adalah pada proses pengemasan atau packaging. Sebagai contoh, PT. Unilever Indonesia telah memanfaatkan dan mengembangkan sistem kontrol otomatis (autornatic control system). Dengan sistem otomatis ini, diharapkan perusahaan dapat menghasilkan produktivitas yang maksimal dengan biaya yang efisien. Salah satu dari sekian banyak teknologi yang dimanfaatkan adalab penggunaan PLC (Programable Logic Controller). PLC dan berbagai komponen pengendalian tertanam dala n panel setiap mesin, dimana untuk proses pengemasan digunakan mesin cartonning dan wrapping. Pada prakteknya, proses produksi di PT. Unilever Indonesia merupakan proses yang terus berjalan selama 24 jam setiap hari selama enam hari. Kondisi ini menuntut PLC dan berbegai komponen pengendalian untuk selalu on sehingga menimbulkan suatu persoalan, yaitu dissipasi panas komponen. Komponen yang bekerja akan menghasilkan dissipasi panas yang akan mempengaruhi suhu dalam panel dan kemudian kembali mempengaruhi kinerja komponen. Untuk itu diperlukan sebuah pengontrol temperatur dalam panel agar suhu dalam panel dapat dipertahankan pada batas yang aman. Tujuan Pembuatan laporan kerja praktek ini bertujuan untuk membuat rancangan desain sistem pengendalian

temperatur pada panel line D-8 PT Unilever Indonesia Tbk . 1.3

Batasan masalah Pada laporan kerja praktek ini, perancangan dibatasi pada perancangan perangkat keras dari sistem pengendalian, dan tidak merancang perangkat lunak mikrokontroler 2. 2.1

Dasar Teori Kontroler PID Kontroler proposional memiliki keluaran yang sebanding atau proposional derpgan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya). Secara lebih sederhana dapat dikatakan, bahwa keluaran kontroler proporsional merupakan perkalian antara konstanta proporsional dengan masukannya. Fungsi alih dari pengendali proporsional adalah: ( ) = ( ) dengan Kp adalah penguatan proporsional. Diagram blok kontroler proporsional ditunjukkan pada Gambar 1.

1.2

Gambar 1. Diagrarn blok kontroler proporsional.

Ciri-ciri kontroler proporsional harus diperhatikan ketika kontroler tersebut diterapkan pada suatu sistem. Secara eksperimen, pengguna kontroler proporsional harus memperhatikan ketentuan-ketentuan berikut ini: 1. Jika nilai Kp kecil, kontroler proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat. 2. Jika nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan mantabnya. 3. Jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil atau respon sistem akan berosilasi. Kontroler integral memiliki karakteristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran kontroler sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal kesalahan. Keluaran kontroler ini merupakan jumlahan van~ terus menerus dari perubahan masukannya. Sinyal kesalahan yang tidak mengalami perubahan akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Fungsi alih dari pengendali integral adalah: ( ) = ( ) Jika harga e(t) diduakalikan, maka harga u(t) dapat berubah dengan laju-perubahan menjadi dua kali semula. Jika kesalahan penggerak nol, maka harga u(t) tetap stasioner. Aksi kontrol integral seringkali disebut kontrol "reset". Diagram blok kontroler integral ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 3. Blok Diagram untuk kontroler diferensial. Karakteristik kontroler diferensial adalah sebagai berikut: 1. Kontroler ini tidak dapat menghasilkan keluaran bila tidak ada perubahan pada masukannya (berupa sinyal kesalahan). 2. Jika sinyal kesalahan berubah terhadap waktu, maka keluaran yang dihasilkan kontroler tergantung pada nilai Td dan laju perubahan sinyal kesalahan.. 3. Kontroler diferensial mempunyai suatu karakter untuk mendahului, sehingga kontroler ini dapat menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum pembangkit kesalahan menjadi sangat besar. Jadi kontroler diferensial dapat mengantisipasi pembangkit kesalahan, memberikan aksi yang bersifat korektif, dan cenderung meningkatkan stabilitas sistem. Gabungan aksi kontrol proporsional, aksi kontrol diferensial, dan aksi kontrol integral membentuk aksi kontrol proporsional plus diferensial plus integral. Persamaan kontroler dengan aksi gabungan ini diberikan oleh: u(t)=Kpe(t)+ Ti e(t)dt+Kp/Td e(t) dt Dimana Kp menyatakan kopekaan proporsional, Td menyatakan waktu turunan, dan Ti menyatakan waktu integral. Aksi kontrol Proporsional, Integral dan Diferensial ditunjukkan pada Gambar.4.

Gambar 2. Diagram blok kontroler integral. Ketika digunakan, kontroler integral mempunyai beberapa karakteristik berikut ini: 1. Keluaran kontroler membutuhkan selang waktu tertentu, sehingga kontroler integral cenderung memperlambat respon. 2. Ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran kontroler akan bertahan pada nilai sebelumnya. 3.Ketika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan dan nilai Ki 4. Konstanta integral Ki yang berharga besar akan mempercepat hilangnya offset. Tetapi semakin besar nilai konstanta Ki akan mengakibatkan peningkatan osilasi dari sinyal keluaran kontroler . 5. Kontroler diferensial memiliki sifat seperti halnya suatu operasi derivatif. Perubahan yang mendadak pada masukan kontroler, akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Blok diagram hubungan antara sinyal kesalahan dengan keluaran kontroler ditunjukkan pada Gambar 3.

(a). Diagram blok kontroler.

(b) Masukan fungsi ramp.

(c) Keluaran kontroler. Gambar 4. Aksi kontrol Proporsional,Integral dan Diferensial. Selain dalam bentuk diagram blok pada Gambar 4 (a), kontroler PID memiliki bentuk diagram blok lain seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

LCD digunakan sebagai penampil data yang dimasukkan dan pemantau suhu keadaan nyata. Sedangkan keypad 12 tombol befungsi sebagai input data ke dalam mikrokontroler. Diagram blok perancanaan sistem ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 5. Blok diagram kontroler PID. Karakteristik kontroler PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari ketiga parameter P. I dan D. Penyetelan konstanta Kp, Ti, dan Td akan mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari ketiga konstanta tersebut dapat disetel lebih menonjol dibanding yang lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan

3. 3.1

Perancangan Perangkat Keras Gambaran Umum Panel Mesin Cartoning dan Wrapping merupakan mesin yang digunakan dalam pengemasan suatu produk pada Personal Care Factory PT Unilever Indonesia. Pada kedua.mesin ini dipasangkan suatu panel yang ditujukan untuk mengatur sistem kendali mesin. Pada bagian dalarn mesin ini terdapat berbagai komponen elektronika dan komponen kontrol seperti PLC. Penampang bagian dalam panel ditunjukkan Pada Gambar 6.

Gambar 6. Penampang bagian dalam panel. Setiap komponen elektronika dan kontrol yang terpasang pada panel sebagaimana Gambar 6 menimbulkan panas yang berbeda beda, yang kemudian akan mempengaruhi suhu ruangan dalam panel. Pada kerja praktek ini dikehendaki suatu sistem pengendalian yang dapat mengontrol suhu dalam panel berada pada suatu kisaran suhu tertentu. 3.2

Desain Sistem Pengendalian Perancangan pengendalian suhu ini menggunakan Mikrokontroler AT89S5 1, yang digunakan untuk menghitung selisih suhu referensi dengan suhu keadaan nyata. Selain itu mikrokontroler juga digunakan sebagai pengendali Pl digital dan pemodulasi lebar pulsa (PWM) untuk tegangan masukan motor DC. Mikrokontroler juga dihubungkan dengan LCD dan sebuah keypad 12 tombol.

Gambar 7. Diagram blok perangkat keras sistem pengendalian suhu. A.

Sensor Suhu LM35 IC LM 35 sebagai sensor suhu yang teliti dan terkemas dalam bentuk integrated Circuit (IC), dimana output tegangan keluaran sangat linear berpadanan dengan perubahan suhu. Sensor ini berfungsi sebagai pegubah dari besaran fisis suhu ke besaran tegangan yang memiliki koefisien sebesar 10 mV PC yang berarti bahwa kenaikan suhu 1° C maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mV. Rangkaian sensor LM35 ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 8. Rangkaian umum pengukur suhu. Jangkauan pengukuran sistem ini antara 25°C sampai dengan 45°C, sehingga tegangan yang dikeluarkan sensor LM35 berada dalam jangkauan O volt sampai 0,20 volt. Tegangan keluaran sensor suhu akan dibaca oleh mikroprosesor melalui ADC, sedangkan tegangan masukan ADC berada dalam jangkauan O volt sampai 5 volt. Karena itu, sinyal keluaran sensor dengan jangkau~n O volt sampai 0,20 volt hsrus dikondisikan menjadi tegangan dengan jangkauan O volt sampai 5 volt. Rangkaian pengkondisi sinyal digunakan untuk mengubah tegangan keluaran LM35 sebesar 0 volt sampai 0.20 volt menjadi 0 volt sampai 5 volt. Rangkaian pengkondisi sinyal (op - amp) yang dipilih untuk mengubah jangkauan tegangan adalah penguat tak membalik LM 741CN. B. ADC 0804 ADC pada rancangan ini digunakan untuk mengubah-masukan analog keluaran sensor suhu yang sudah dikuatkan menjadi data digital X bit yang akan diolah dalam mikrokontroler. Pengaturan nilai referensi pengendalian dilakukan sebelum pengandalian PID dijalankan. Nilai referensi ini digunakan sebagai acuan pengendalian. Nilai referensi akan dibandingkan dengan nilai keluaran plant yang akan diterima mikrokontroler dalam bentuk tegangan melaui ADC. ADC akan-

mengukur keluaran plant dalam jangkauan suhu sebesar 25°C sampai dengan 45°C. Tegangan yang dihasilkan oleh sensor pada suhu sebesar 25° C akan setara dengan tegangan nol yang dihasilkan ADC dan tegangan yang dihasilkan sensor pada suhu 45°C akan setara dengan tegangan 5 volt yang dihasilkan ADC. Nilai referensi ditetapkan pada suhu 30° C. Nilai referensi hasil pengaturan akan dibandingkan dengan nilai ADC saat pengendalian dilakukan. Pembacaan data dari ADC berada dalam jangkauan suhu 25° C sampai dengan 45° C yang setara dengan data 0000 0000 sampai dengan I I I I I I 11.- Nilai referensi yang berada pada suhu 30° C, tersimpan dalam mikrokontroler sebagai bilangan 0011 1111. Rangkaian ADC 0804 dengan mikrokontroler ditunjukkan pada Gambar 9.

Gambar l0. Sistem minimum mikrokontroler AT89S5 1. D.

LCD M1632 Perangkat ini digunakan untuk menampilkan nilai pengesetan ,parameter PID dan nilai suhu saat sistem kendali sedang berjalan. Jenis kendali yang digunakan adalah LCD M1632 2x16. LCD ini dihubungkan dengan Port 1 mikrokontroler AT89S51. Pemrograman LCD menggunakan metode 4 bit untuk menghemat penggunaan jumlah port mikrokontroler yang digunakan. Rangkaian untuk mengoperasikan LCD ditunjukkan pada Gambar 11.

Gambar 9. Rangkaian ADC 0804. Gambar 11. Rangkaian LCD M1632 C.

Mikrokontroler AT89S51 Mikrokontroler AT89S51 adalah salah satu tipe dari mikrokontroler atmel keluarga MCS5 1. AT89S5 I merupkan sebuah mikrokontroler yang mengkonsurnsi daya rendah dengan CM~S 8 bit yang handal serta memiliki memori flash internal sebesar 4 kByte. Perangkat ini dibentuk menggunakan teknologi kepadatan tingkat tinggi (high density) dan non volatile dari Atmel. Perangkat keras ini juga kompatibel dengan pin-pin keluaran dan instruksi-instruksi standar industri 80C51. Flahs internal memungkinkan memori program deprogram ulang dalam sebuah sistem rangkaian atau dengan sebuah memori pemrogram non volatile konsensional. Pada perancangan sistem pengaturan ini, Port 0.0 sampai dengan Port 0.6 digunakan untuk driver keypad, Port I digunak^!an sebag~u port pengiriman data ke LCD. Pada Port2, Port 2.2 dihubungkan dengan Port INTR ADC, Port 2.6 dihubungkan dengan Port WR ADC, Port 2.7 dihubungkan dengan Port RD ADC, sedangkan Port 2.4 dihubungkan dengan driver PWM. Port 3 mikrokontroler digunakan sebagai pembaca data dari ADC- 0804. Mikrokontroler dalam sistem pengendali ini dibuat sesuai dengan sistem minimumnya Adapun rangkaian sistem minimum mikrokontroler AT8955 1 sesuai dengan Gambar 10.

Driver LCD seperti HD44780 memiliki dua register yang aksesnya diatur rnenggunakan pin RS. Pada saat RS berlogika 0, register yang diakses adalah perintah, sedangkan pada saat RS berlogika 1, register yang diakses adalah register data Agar dapat mengaktifkan LCD, proses inisialisasi harus dilakukan dengan cara mengeset bit RS dan meng-clear-kan bit E dengan delay minimal 15 ms. Kemudian mengirimkan data 30H dan ditunda lagi selarna 5 ms, lalu mengirim inisial 20H dan interface data length dengan lebar 4 bit saja (28H). Setelah itu display dimatikan (08H) dan di-clearkan (01 H). Selanjutnya dilakukan pengesetan display dan cursor, serta blinking apakah ON atau OFF. Garnbar berikut menampilkan hubungan antara LCD dengan port mikrokontroler, Terdapat potensiometer untuk mengatur kontras/kecerahan dari LCD tersebut. Mode kerja yang digunakan adalah mode 4 bit, sehingga bus data yang digunakan hanyalah DB4-DB7, DB4-DB7 dari LCD M 1632 dihubungkari langsung dengan kaki' Pl.4-PI.7 mikrokontroler. Kendali kerja LCD dilakulcan oleh Pl.0 untuk pin RS (kaki 4), Pl.l untuk pin R/W(kaki S), dan pin 1.2 untuk pin E(kaki 6) pada LCD. E. Keypad Untuk mengatur pengesetan masukan parameter PID yang diingin digunakan keypad 3x4. Prinsip dari keypad biasa disebut driver. Tiap tombol Iceypad 3x4 dihubungkan ke mikrokontroler PortC.0 sampai PortC.6. Rangkaian keypad ditunjukkan pada Gambar 12.

Gambar 12. Rangkaian keypad. F.

Fan Pada perancangan sistem kontrol suhu ini, sebuah fan akan diatur kecepatannya sebanding dengan suhu dalam panel. Hal ini dilakukan untuk meminimalkan konsurnsi energi, mengurangi noise yang ditimbulkan oleh fan serta meningkatkan reliability dari fan yang digunakan. Kecepatan fan akan diatur-dengan kontroler PlD, dengan metode tuning trial and error. Tipe fan yang digunakan dalam perancangan ini adalah fan yang memiliki 2 wire, dengan sumber tegangan dc. Fan 2 wire hanya memiliki terminal untuk power dan ground. Tegangan yang dibangkitkan menuju fan dapat bervariasi, untuk kecepatan yang rendah (misalnya saat suhu dalam panel sudah mendekati referensi) tegangan akan turun, sedangkan saat kecepatan yang tinggi maka tegangan akan naik. G.

Driver PWM Dalam desain pengontrol ini digunakan PWM digital, yaitu PWM yang dibuat dalam bentuk perangkat lunak yang disimpan dalam mikrokontroler, sedangkandriver PWM digunakan untuk menghubungkan Port2.5 mikrokontroler yang digunakan sebagai keluaran PWM dari mikrokontroler dengan kipas angin yang membutuhkan tegangan 12 volt sehingga kecepatan putar kipas angin-sebagai pendingin dapat dikendalikan. Skema dari drrver PWM ini ditunjukkan pada Gambar 13 dapat dikendalikan. Skema dari driver PWM ini ditunjukkan pada Gambar 13

Gambar 13. Skema plant pengatur suhu dengan PWM driver. 4. Penutup 4.1 Kesimpulan 1. Pada perancangan sistem kontrol suhu ini digunakan mikrokontroler AT89S51 dengan beberapa perangkat masukan yaitu sensor suhu LM35, ADC 0804, keypad matriks 3x4 dan perangkat keluaran berupa LCD, PWM dan fan.

2. Sensor suhu yang digunakan adalah LM35 dengan jangkauan suhu pengukuran 25° C sampai dengan 45° C. 3. ADC 0804 berfimgsi untuk mengubah nilai suhu terukur menjadi sebuah data BCD, dimana nilai referensi pada suhu 30° C memiliki data 0011 1111. 4. Pada perancangan sistem kontrol suhu ini digunakan keypad matriks 4x3 untuk mengeset nilai parameter PID yang akan diujikan. 5. LCD yang digunakan adalah LCD M1632 2x16 dengan mode kerja 4 bit. 6. PWM yang digunakan pada sistem ini adalah PWM yang dibuat dalam bentuk perangkat lunak. Program PWM ini disimpan dalam mikrokontroler AT89S5 1. 7. Aktuator pada sistem kontrol ini adalah sebuah fan. Fan berfungsi untuk menarik udara panas dari dalam panel. Fan yang digunakan adalah fan 2 wire, satu wire yang dihubungkan pada power dan dan satu wire menuju ground. 8. Pada mikrokontroler AT89S51, PORT0 digunakan . untuk scanning keypad, PORTI dihubungkan dengan LCD, PORT3 dihubungkan dengan ADC. Pada PORT 2, tiga kaki yaitu PORT2.2, PORT 2.6 dan PORT 2.7 dihubungkan dengan ADC dan satu kaki yaitu PORT2.5 menuju driver PWM. 9. Batas bawah pengukuran sistem ini ditetapkan pada suhu 25° C dan batas atas pada suhu 45° C, dengan nilai referensi pada suhu 30°C 4.2 Saran 1. Fan yang digunakan sebagai untuk ventilasi udara hendaknya selalu dibersihkan agar tidak tersumbat debu, karena apabila tersumbat debu maka akan terjadi perbedaan yang cukup bearti antara udara yang seharusnya dapat dialirkan dengan keadan sebenarnya 2. Setiap penggantian bagian dari sistem sebaiknya dilakukan kalibrasi ulang agar nilai ukur sistem dapat lebih balk DAFTAR PUSTAKA . [1] Bleier, P Frank, 1997. Fan Handbook Selection, Application, and Design. Chicago: McGraw-Hill [2] Gopal, M, 2008. Digital Control, Manchester: Tata McGraw Publishing Company Limited. [3] Ogata, Katsuhiko, 1994. Teknik Kontrol Automatic Sistem Pengaturan. lakarta: Erlangga. [4] Puba, Agfianto Eko, 2002. Belajar mikrokontrolerAT89C51/52/S5. Jakarta : Penerbit Gaya Media. [5] Setiawan, Iwan, 2002. Kontrol PID untuk Proses Industri. Jakarta: PT Elex Media Komputindo.

Sarah Qotrunnada Nur H (L2F006080)

Mengetahui dan mengesahkan, Lahir di Bogor 25 September 1988. Saat ini sedang melanjutkan studi pendidikan strata I di Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Konsentrasi Kontrol.

Pembimbing I

Wahyudi, ST,MT. NIP. 196906121994031001 Tanggal: ______________