Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
IMPLEMENTASI SISTEM KENDALI KECEPATAN MOTOR ARUS SEARAH MENGGUNAKAN KENDALI PID BERBASIS PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLER Winarso*, Itmi Hidayat Kurniawan Program Studi Teknik Elektro FakultasTeknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Jl Raya Dukuh Waluh, PO BOX 202 Purwokerto 53182 Telp. (0281) 636751 ext 130 *Email :
[email protected]
ABSTRAK Sistem penggerak merupakan salah satu komponen mesin listrik yang penting pada proses industri. Salah satu jenis penggerak yang banyak digunakan adalah motor DC. Algoritma PID merupakan pengendali berumpan balik yang paling popular dalam pengendalian motor DC. Parameter-parameter performansi suatu sistem kendali yang digunakan antara lain maximum overshoot, error steady state, rise time dan settling time. Hal krusial yang berkaitan dengan penggunakan pengendali PID yaitu tuning atau pemberian parameter Kp, Ti dan Td agar didapatkan respon sistem yang diinginkan. PLC yang umumnya digunakan sebagai alat pengatur urutan bisa dimanfaatkan sebagai kontroler PID digital dengan memanfaatkan fungsi PID internal (PLC Twido TWDLCAE40DRF). Dengan mengintegrasikan PLC sebagai kontroler dan motor DC sebagai plant, algoritma pengendali PID dapat diimplementasikan. Dari hasil percobaan, terbukti bahwa penggunaan kontroler PID duntuk pengaturan kecepatan motor DC memberikan perbaikan kriteria performansi pada plant yang signifikan jika dibandingkan dengan plant tanpa kontroler. Kata kunci : Motor DC, Pengendalian Kecepatan, PID, PLC PENDAHULUAN Sistem penggerak merupakan salah satu komponen mesin listrik yang penting pada proses industri. Salah satu jenis penggerak yang banyak digunakan adalah motor DC. Dalam penggunaan motor DC terdapat beberapa parameter yang dapat dikendalikan yaitu kecepatan dan respon transien. Pengendali merupakan komponen sistem yang berguna untuk meminimalisir sinyal kesalahan sehingga dapat diperoleh performansi sistem yang diinginkan. Dalam mendesain sistem kendali yang terpenting adalah spesifikasi atau kriteria performansi sistem yang ditampilkan. Sistem pengendalian merupakan sistem dinamik sehingga spesifikasi sistem memiliki tanggapan transien. Algoritma pengendalian yang digunakan juga bervariasi, misalnya Proporsional Integral Differensial (PID), Logika Fuzzy dan Sistem kecerdasan buatan. Algoritma PID merupakan pengendali berumpan balik yang popular di bidang kendali industri. Selama lebih dari 50 tahun, pengendali PID terbukti dapat memberikan performansi kendali yang baik meskipun algoritma yang digunakan sederhana. Parameter-parameter performansi suatu sistem kendali yang digunakan antara lain maximum overshoot, error steady state, rise time dan settling time (Amiri et al., 2013). Saat ini di dunia industri terdapat banyak perangkat pengendali elektronis yang digunakan untuk mengendalian motor DC. Berdasarkan berbagai literatur contoh perangkat kendali sistem analog menggunakan rangkaian penguat operasional, serta perangkat kendali dengan sistem digital menggunakan FPGA, microcontroler dan PLC. Meskipun pengendali berbasis sistem digital saat ini lebih banyak digunakan di industri, akan tetapi perangkatnya tetap memiliki kelebihan dan kekurangan dibandingkan dengan sistem analog. Field Programmable Gate Array (FPGA) lebih disukai untuk aplikasi pengendalian dalam skala laboratorium. Microcontroler dipilih dalam pengembangan aplikasi skala laboratorium karena harga kapasitas memori yang rendah. Diantara yang lainnya perangkat pengendali
198
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
berbasis Programmable Logic Controller (PLC) sering digunakan dalam aplikasi industri karena operasi yang stabil dan memiliki struktur hardware yang fleksibel (Bayindir et al., 2014). Selain itu, PLC juga mendukung untuk pengendalian motor listrik, panel sentuh dan komputer yang digunakan sebagai Human Machine Interface (HMI) sehingga memudahkan pengguna dalam melakukan pengendalian, pemantauan pada sistem yang dikendalikan (Patel et al., 2014). Berdasarkan referensi pustaka dari berbagai literatur dalam perancangan kendali PID, hal yang penting yaitu dalam penentuan parameter Kp, Ti dan Td agar dapat diperoleh performansi sistem yang optimal. Handy Wicaksono dkk. (2004) telah melakukan studi komparatif metode tunning Pengendali PID. Literatur lain yang berkaitan dengan sistem pengendalian putaran motor DC berbasis PLC yaitu Bayindir dkk. (2014) yang membangun sistem pengendalian motor DC berbasis PLC dengan metode pengaturan pulse width modulation (PWM) untuk mengatur kecepatan putarannya serta menampilkan set-point kecepatan putaran dan respon motor pada komputer. Sedangkan Krunal Patel dkk. (2014) mengembangkan sistem pengendali motor pada mesin crane yang dapat dilakukan menggunakan Human Machine Interface (HMI) berbasis PLC. Dengan menggunakan HMI, pengguna dimudahkan untuk mengatur parameter yang ingin dikendalikan misalnya untuk pengaturan kecepatan dan arah putaran motor DC. Berdasarkan latar belakang yang dijelaskan didepan, pada penelitian ini dilakukan perancangan dan implementasi pengendalian kecepatan motor DC menggunakan pengendali PID berbasis PLC. Dengan menggunakan PLC dan HMI diharapkan dapat mempermudah pengguna dalam mengatur dan memantau respon sistem pada motor DC.
METODE PENELITIAN Proses perancangan dan implementasi pengendali PID untuk pengaturan kecepatan motor DC berbasis PLC diperlihatkan pada Gambar 1. Mulai Pembuatan Perangkat Lunak Studi Literatur Kalibrasi Sistem Perancangan Perangkat Keras
Pembuatan Perangkat Keras
Pengujian Sistem
Tidak Apakah Performansi plant sudah optimal?
Ya Selesai Gambar 1. Diagram alir penelitian
HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah melaksanakan studi literatur yang berkaitan dengan topik penelitian, proses perancangan dan implementasi sistem dilaksanakan dalam tiga tahapan yaitu : Tahap Perancangan Sistem Tahap perancangan sistem terdiri dari beberapa parameter yang harus ditentukann, yaitu desain hardware dan desain software. Desain hardware meliputi rangkaian pengendalian menggunakan
199
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
Programmable Logic Controller, rangkaian Driver motor DC, rangkaian sensor kecepatan pada motor DC dan skema HMI (Human Machine Interface). Sedangkan untuk desain software meliputi program utama PLC untuk pengendalian motor DC dan program untuk komunikasi PLC dengan HMI. Dari konsep tersebut dapat digambarkan dengan diagram blok perancangan seperti pada gambar 2.
Human Machine Interface
PID KONTROLER PLC TWIDO
SENSOR KECEPATAN
Driver Motor DC
MOTOR DC
Gambar 2. Diagram blok sistem kendali kecepatan Motor DC dengan PLC Tahap Pembuatan Sistem Pengendali kecepatan motor DC dengan kendali PID pada penelitian ini menggunakan perangkat PLC Twido TWDLCAE40DRF. Perangkat ini berfungsi untuk mengendalikan kecepatan putaran motor DC dengan menggunakan Pulse Witdh Modulation (PWM) untuk mengatur tegangan efektif pada sumber daya motor DC. Perangkat ini juga terdapat fitur kendali PID internal yang dapat diatur parameter-parater kendalinya. Untuk skema secara keseluruhan rangkaian antarmuka PLC dengan komponen pengendalian kecepatan motor DC diperlihatkan pada gambar 3.
HMI
Programmable Logic Controller
%Q0.5 Output Status Indicator
TSCXUSB
%Q0.0
RS-485
Driver Motor DC
%I0.12 dan % I0.13
%I0.0 MOTOR DC
Saklar Pengatur Mode Pengendalian
Magnetic EncoderSensor Kecepatan
Gambar 3. Skema elektronis masukan dan keluaran PLC Motor DC merupakan aktuator yang sistem kontrolnya relatif mudah dibandingkan aktuator jenis lainnya. Dikarenakan keluaran arus pada PLC cukup kecil, maka untuk memenuhi kebutuhan arus yang cukup besar untuk motor DC digunakan rangkaian driver. Pada penelitian ini motor DC yang digunakan memiliki spesifikasi sumber tegangan sebesar 12-24 Volt dengan arus minimal 2 Ampere. Sehingga ditentukan rangkaian driver motor DC yang mampu memberikan sumber daya yang diperlukan oleh motor DC. Arus keluaran pada PLC adalah 400 mA sehingga untuk menguatkan arus yang dibutuhkan digunakan rangkaian driver motor DC menggunakan MOSFET IRFZ540. Untuk skema rangkaian driver motor DC yang digunakan pada penelitian ini diperlihatkan pada gambar 4. Untuk mengetahui kecepatan putaran motor DC digunakan sensor kecepatan. Sinyal masukan perangkat ini dikoneksikan dengan motor DC, dan untuk keluarannya dijadikan umpan balik dengan dikoneksikan pada masukan PLC pada alamat %I0.0. Pada motor DC yang digunakan pada penelitian ini memiliki magnetic encoder yang berfungsi sensor kecepatan. Magnetik encoder mengukur putaran dengan memanfaatkan efek magnetis pada Motor DC. Pada Gambar 5 diperlihatkan skema dan prinsip kerja magnetic encoder yang digunakan.
200
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
Gambar 5. Skema keluaran magnetic encoder
Gambar 4. Skema rangkaian driver Motor DC
,
Pada gambar 6, diperlihatkan perangkat pengendalian yang digunakan dalam yaitu PLC Twido dengan type TWDLCAE40DRF dan aktuator motor DC yang digunakan serta perangkat pendukungnya berupa perangkat komunikasi PLC dan HMI, Driver Motor DC, Sensor Kecepatan dan Rangkaian Sumber Daya.
Power Supply Driver Motor DC Motor DC
PLC
Gambar 6. Perangkat keras yang digunakan dalam penelitian saklar Tahap Pengujian Sistem Pengatur Mode Tahap Pengujian Sistem Pada tahap ini dilakukan untuk mengetahui performasi sistem yang dibangun yang terdiri pengujian sistem kendali motor DC tanpa menggunakan kendali PID dan pengujian sistem kendali motor DC dengan menggunakan menggunakan PID. Langkah awal yang dilakukan dalam pengujian sistem yaitu dengan melakukan proses kalibrasi pengukuran kecepatan putaran motor DC dalam satuan RPM (Rotary Per Minute) yang digunakan sebagai parameter yang dikendalikan. Implementasi pengukuran kecepatan putaran motor DC dilakukan dengan menghitung sinyal masukan yang berasal dari keluaran magnetic encoder pada Motor. Sesuai dengan datasheet pada Motor DC diketahui magnetik encoder akan mengeluarkan sinyal berupa gelombang persegi sebanyak 115 buah tiap satu putaran motor. Sinyal ini digunakan sebagai masukan fungsi Fast Counter (%FC0) pada PLC yang diambil nilainya setiap 1 detik. Pengaturan waktu sampling dilakukan menggunakan fungsi Timer (%TM0) Pada PLC. Jumlah putaran setiap detik selanjutnya dikirimkan dalam memory word internal PLC yaitu pada alamat %MW10. Untuk meningkatkan kepresisian hasil pengukuran kecepatan putar proses perhitungan dilakukan dalam format floating point yaitu pada alamat %MF2. Proses kalibrasi dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran kecepatan putaran motor DC menggunakan optical tachometer dan hasil pengukuran RPM pada PLC yaitu nilai hasil perhitungan
201
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
alamat %MF2. Berdasarkan perbandingan hasil pengukuran kecepatan putaran motor DC diperoleh perbedaan sebesar 4,28 % dari hasil pengukuran kecepatan putaran menggunakan Tachometer dengan pengukuran pada PLC. Pada gambar 7 diperlihatkan data pengukuran dalam proses kalibrasi.
Kecepatan (RPM)
250 200 150 Series1
100
Series2
50
Pengukuran Tachometer
0 1
2
3
Uji ke-
Pengukuran PLC
4
5
6
Gambar 7. Data pengamatan kalibrasi pengukuran kecepatan Motor DC
Untuk mengetahui performansi sistem kendali kecepatan motor DC tanpa menggunakan algoritma PID dilakukan dengan memberikan nilai Kp=1, Ti=0 dan Td=0 pada pengaturan konstanta PID dalam sistem yang buat. Pada Gambar 8(a) dan (b) diperlihatkan kurva pengamatan performasi sistem beserta tampilan HMI yang digunakan serta kurva respon open loop.
Kecepatan (RPM)
Output Trace Error Steady State
waktu (menit)
Gambar 8. (a) Human Machine Interface yang digunakan dalam sistem kendali kecepatan motor DC (b)Respons sistem kendali tanpa PID Pada pengujian sistem kendali kecepatan motor DC dengan Algoritma PID dilakukan dengan mengatur parameter-parameter yang dibutuhkan dalam sistem kendali menggunakan Human Machine Interface (HMI) yang dibuat menggunakan fasilitas yang ada pada aplikasi Twido Suite yang juga berfungsi sebagai perangkat pemrograman PLC. HMI yang dibuat dengan menggunakan fitur Animation table yang berfungsi mengatur dan melihat memori internal pada PLC yaitu %MW13 (nilai RPM terukur), % MW31 (nilai Setpoint), % MW40 (Nilai Output PID), %MW60 (nilai Konstanta Proporsional (Kp)), %MW61 (Nilai Konstanta Integral (Ti)), dan % MW62 (Nilai Konstanta Diferensial(Td)). Untuk mengetahui performansi dari sistem kendali dalam bentuk grafik dibuat dengan menggunakan fitur Output Trace pada fungsi PID PLC. Berdasarkan Gambar 8 (b), diperlihatkan hasil pengamatan respon sistem yang tidak menggunakan algoritma PID yaitu memiliki tingkat kesalahan tunak (error steady state) yang cukup besar. Pada kurva respon terdapat sinyal setpoint kecepatan motor DC yang yang diharapkan dan sinyal sinyal terukur
202
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
(measure) kecepatan motor DC. Pada setpoint kecepatan sebesar 150 RPM, nilai terukur kecepatan putaran sebesar 95 RPM. Sehingga tingkat kesalahan tunak pada sistem kendali adalah sebesar 63%. Pengujian awal untuk mengukur perfomansi sistem kendali kecepatan motor DC dengan algoritma PID, dilakukan dengan menentukan setpoint sebesar 100 RPM. Kurva respon sistem pada pengujian ini diperlihatkan pada gambar 9(a). Pada pengujian pada setpoint pada kecepatan 100-120 RPM, ditentukan kontanta PID yaitu nilai Kp=8, Ti=0,1 dan Td=0. Diperoleh nilai kecepatan stabil pada kecepatan 100110RPM dengan rise time mendekati 0 detik, sedangkan pada nilai setpoint lebih dari 110 RPM diperoleh respon sistem kendali dalam keadaan berosilasi karena nilai parameter kontanta proporsional yang besar sehingga menyebabkan tingkat kesalahan tunak yang cukup besar.
Kecepatan (RPM)
Kecepatan (RPM)
rpm measure
rpm setpoint
waktu (menit) Gambar 9(a) Kurva Respon Sistem Kendali pada set Point 100 - 120 RPM, b) Kurva Respon Sistem pada setpoint 115 RPM Pengujian selanjutnya dilakukan dengan mengubah parameter PID dengan nilai Kp =50, Ti=0,1 dan Td = 0, diperoleh perfomansi yang cukup stabil pada pengaturan kecepatan 100 s/d 115 RPM dengan rise time mendekati setpoint. tetapi belum diperoleh performansi yang stabil pada kecepatan motor pada kecepatan lebih dari 115 rpm. Kurva Respons sistem pada pengujian ini diperlihatkan pada gambar 9(b). Kp=4, Kp=3, Ti=0,0,Td=0 Ti=0,3,Td=0
Set point 200 rpm Kp=5, Ti=0,1,Td=0
Kecepatan (RPM)
Kecepatan (RPM)
Kp=1, Ti=0,1,Td=0
Kp=2, Ti=0,1,Td=0
waktu (menit) Kp=4, Ti=0,1,Td=0
Set point 200 – 220rpm Kp=5, Ti=0,1,Td=0
Set point 200 rpm Kp=5, Ti=0,1,Td=0
waktu (menit)
Gambar 10(a)Kurva Respon Sistem Kendali pada setpoint 180 – 200 RPM, (b) setpoint 200 – 220 RPM Pada gambar 10(a) diperlihatkan performansi sistem kendali untuk pengendalian kecepatan pada set point 180 sampai dengan 200 RPM, dengan melakukan beberapa pengaturan parameter konstanta PID yang digunakan parameter PID dengan nilai KP=2; Ti=0,1 dan Td=0 memiliki respon yang paling baik pada dibandingkan dengan respon pada pengaturan kontanta PID yang lain. Tetapi untuk pengendalian kecepatan lebih dari 185 RPM pengendalian dengan parameter ini respon sistem sangat tidak stabil. Pengujian yang diperlihatkan pada gambar 10(b) dilakukan untuk mendapatkan nilai parameter PID yang paling optimal untuk pengendalian kecepatan putaran motor DC pada kecepatan 200 sampai
203
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
dengan 220 RPM. Hasil pengujian sistem diperlihatkan pada gambar 13. Perdasarkan hasil pengamatan untuk mencari nilai parameter PID yang paling optimal untuk pengendalian kecepatan putaran motor DC pada kecepatan 200-220 RPM diperoleh nilai kontanta PID yang paling optimal pada nilai Kp=5, Ti=0,1, dan Td=0. Performansi sistem menunjukkan rise time yang mendekati setpoint dengan nilai kesalahan tunak yang paling kecil dibandingkan dengan penggunaan konstanta PID yang lainnya.
KESIMPULAN Berdasarkan hasil pembahasan dalam penelitian ini, maka dapat disimpulkan bahwa: 1) Implementasi kendali PID pada pengaturan kecepatan motor DC menggunakan PLC Twido TWDLCAE40DRF dapat dilakukan. 2) Tingkat kesalahan pengukuran kecepatan motor DC menggunakan PLC sebesar 4,28% dibandingkan pengukuran kecepatan menggunakan tachometer. 3) Penentuan Kontanta PID (Kp, Ti dan TD) sangat berpengaruh terhadap performasi plant, semakin besar nilai Kontanta proporsional (Kp) dapat mempercepat rise-time tetapi akan menyebabkan respon kurang stabil berosilasi, penentuan nilai konstanta integral (Ti) dapat mengurangi osilasi tetapi dapat memperlambat rise-time. 4) Implementasi kontroler PID memberikan kriteria performansi plant yang cukup baik yaitu pada pengaturan setpoint pada kecepatan 100-120 RPM menggunakan kontanta PID (Kp=8, Ti=0,1 dan Td=0), pada set point 180-200 RPM menggunakan konstanta PID (KP=2; Ti=0,1 dan Td=0), dan pada setpoint 200-220 RPM diperoleh nilai kontanta PID yang paling optimal pada nilai Kp=; Ti=0,1, dan Td=0.
DAFTAR PUSTAKA Avinash P. K. & Sachin A. K., (2014), PLC Based PID Speed Control Syste. IOSR Journal Of Engineering Vol.4. Bayindir, R. & Vadi, S., (2014), Implementation of a PLC and OPC-Based DC Motor Control Laboratory, 4th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives – IEEE. Handriansyah & Eka, F, (2012), Pengendalian Beban generator Secara Otomatis Dengan Algoritma PID pada PLTMH Berbasis PLC, Jurnal Teknologi Vol 5. Handy, W, (2004), Analisa Performansi dan Robustness Beberapa Metode Tuning Kontroler PID pada Motor DC, Jurnal Teknik Elektro Universitas Kristen Petra Vol.4. Handy, W. & Josaphat, P, (2004), Kontrol PID untuk Pengaturan Motor DC dengan Metode Tuning Direct Synthesis, Jurnal Teknik Elektro Vol.4. Krunal, P., Bhavesh, B. & Hiren, C, (2010), Touch Screen Based Industrial Crane Controlling, International Journal Of Scientific Research Engineering & Technology (IJSRET) Vol 3. Ogata, K, (2010), Modern control Engineering 5th edition, Prentice-Hall. Parviz, A. & Mahsa.B, (2013) , Speed Control of DC Motor by Programmable Logic Control with High Accuracy, Universal Journal of Control and Automation. Pramudijanto, J. & Fitriadi, P, (2005), Implementasi Adaptive PID dengan PLC C200H Untuk Sistem Pengaturan Motor DC, Journal of Electrical and Electronics Engineering Vol.3.
204
