O Extended Module PLC Mikro Berbasis Prosesor ARM Cortex

C-011

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

Desain dan Realisasi I/O Extended Module PLC Mikro Berbasis Prosesor ARM Cortex Agung Nugroho Jati

Muhammad Ary Murti

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


Retno Fitriani

Ica Marisa Hanifah



Abstrak— PLC mikro berbasis prosesor ARM Cortex yang telah dihasilkan pada penelitian sebelumnya memiliki 32 port I/O digital dan 6 port I/O analog. Untuk meningkatkan jumlah port I/O baik analog maupun digital tanpa menambah jumlah PLC, maka perlu ditambahkan extended module I/O. Paper ini menjelaskan bagaimana extended module I/O dirancang sampai dengan direalisasikan bersama dengan PLC mikro. Adapun hasil yang diperoleh dari hasil rancangan adalah extended module I/O digital 20 input dan 12 output, yang bekerja pada range tegangan 2-24 Vdc. Serta extended module I/O analog 4 input dan 2 output, yang bekerja pada range tegangan 0-5 Vdc. Keduanya bekerja dengan konsumsi daya yang rendah.

harga produksi yang rendah. Hasil penelitian tersebut berupa PLC mikro yang berbasis prosesor ARM Cortex. PLC mikro yang dihasilkan 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 mikro ini juga dilengkapi dengan ladder programmer yang dapat digunakan untuk memberikan perintah maupun mengawasi perilaku perangkat yang terhubung dengan PLC. Secara umum, deskripsi PLC mikro dapat dilihat pada diagram sistem di bawah ini.

Kata Kunci—Programmable Logic Controller (PLC), Extended Module PLC, Analog I/O, Digital I/O

I.

PENDAHULUAN

Menurut NEMA (National Electrical Manufacturers Association), definisi PLC ialah “Alat elektronika digital yang menggunakan programmable memory untuk menyimpan instruksi dan untuk menjalankan fungsi-fungsi khusus seperti: logika, sequence (urutan), timing (pewaktuan), perhitungan dan operasi aritmetika untuk mengendalikan mesin dan proses”[2] Sedangkan definisi lain (Crispin,1990) menyebutkan bahwa PLC ialah “Komputer industri khusus untuk mengawasi dan mengendalikan proses industri menggunakan bahasa pemprogarman khusus untuk kontrol industri (ladder diagram), didesain untuk tahan terhadap lingkungan industri yang banyak gangguan (noise, vibration, shock, temperature, humidity).”[2] Saat ini di Fakultas Teknik Telkom University, sedang dikembangkan penelitian mengenai PLC yang bertujuan untuk menghasilkan PLC produksi Indonesia yang memiliki fitur lengkap untuk dapat digunakan dalam standar industri dengan

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

Gambar 1. Diagram Sistem PLC[1]

Pengembangan lebih lanjut dari PLC ini, dibuatlah extended module I/O yang mampu meningkatkan jumlah I/O tanpa menambah jumlah PLC. Hal ini bertujuan untuk meminimalkan biaya, sehingga ebih terjangkau oleh industri yang kecil sekalipun. Paper ini akan dibagi dalam empat bab, di mana pada bab pertama akan menjelaskan mengenai pendahuluan dilakukannya penelitian ini. Kemudian, pada bab kedua akan dijelaskan tentang rancangan extended module I/O, baik analog maupun digital. Bab ketiga akan memberikan penjelasan hasil rancangan yang telah dibuat dan diujikan. Serta bab terakhir menjelaskan kesimpulan yang didapatkan pada penelitian.

173

C-011


II.

DESAIN DAN REALISASI

VCC5

U42A MCP6242-E/SN 1

8

Sistem koneksi antara PLC mikro dengan extended module dapat dideskripsikan seperti gambar di bawah ini. Catuan energi pada extended module disuplai dari PLC mikro utama melalui port komunikasi yang digunakan untuk transfer data antarkeduanya.

2 P1

R97

PC0

3 C1

100K

100n

4

ADC0 GND ADC1 GND

1 2 3 4

R98a R98b R98c 180K 12K 2K2

Header 4

GND

GND

GND

Gambar 4. Desain Input Analog I/O P L C

Extended Extended modul modul I/O lainnya Analog Gambar 2. Blok Diagram Sistem PLC Mikro – Extended

VCC5

VCC5

VCC5

11

13

MCP4922

1

U41

P3 DAC0 GND DAC1 GND

14 9 10

Header 4 C10

GND

GND 100n

VOUTB

CS SDI SCK LDAC

3 5 4 8

PA4 PA7 PA5 PA3

12

100n

SHDN

AVSS

C9

VOUTA VREFB NC 7 VREFA NC 6 NC 2

1 2 3 4

VDD

A. I/O Analog Extended Module Secara spesifik pada sistem extended modul I/O analog yang berdiri sendiri, extended modul akan menerima input berupa sinyal analog yang akan diubah menjadi sinyal digital oleh ADC internal MCU ARM Cortex. Sinyal digital tersebut akan diolah dalam MCU ARM Cortex sebagaimana yang telah terprogram dalam mikroprosesor tersebut dan mengeksekusi keputusan untuk selanjutnya diubah kembali menjadi sinyal analog oleh DAC tipe MCP4922. Keluaran sinyal analog tersebut akan menjadi perintah ke aktuator.

Rangkaian output analog hanya terdiri dari DAC MCP4922 saja. DAC MCP4922 terhubung dengan MCU ARM Cortex melalui SPI pada port PWM output. Tegangan output dari MCU sebesar 3,3 V DC akan diubah menjadi tegangan AC dengan jangkauan 0 – 5 V.

GND GND

Gambar 5. Desain Output Analog I/O

A.2. Desain Algoritma Analog I/O Pembacaan input analog dimulai dengan inisialisasi ADC MCU ARM Cortex. Frekuensi ADC yang digunakan adalah 12 MHz dimana frekuensi tersebut didapat dari frekuensi PLL dibagi 6, frekuensi PLL yang digunakan adalah 72 MHz[3]. Secara lengkap, algoritma yang dirancang ditunjukkan pada diagram alir di bawah.

Gambar 3. Blok Diagram Extended Module I/O Analog

Namun secara keseluruhan extended modul ini harus bekerja dengan register yang dapat dikenali di dalam PLC dan perangkat programer. Jika extended modul di pasang dengan spesifikasi atau urutan yang berbeda, PLC harus dapat mengenali identitas modul yang dipakai dan memberikan alamat sesuai dengan urutan dan banyaknya tambahan I/O yang tersedia. Begitu juga dalam perangkat programer, program harus dapat mengidentifikasi register-register yang pakai di setiap urutan extended modul yang tersedia agar program ladder dapat berjalan sesuai yang diinginkan sehingga sistem dapat bekerja dengan sempurna. A.1. Desain Hardware Analog I/O Extended module I/O analog yang dirancang memiliki 4 input analog dengan range tegangan input 0 – 5 V dan menggunakan ADC internal pada MCU ARM Cortex. Rangkaian input analog terdiri dari resistor 100k Ω dan resistor seri 194,2k Ω sebagai rangkaian pembagi tegangan, dan OpAmp MCP6242 sebagai rangkaian penguat tegangan. Rangkaian pembagi tegangan berfungsi untuk membagi nilai tegangan masukan dari 0 – 5 V menjadi 0 – 3,3 V untuk tegangan referensi ADC. Sedangkan rangkaian penguat tegangan berfungsi sebagai penyangga dengan menghasilkan hambatan keluaran yang rendah dengan hambatan masuk yang sangat tinggi, dan memiliki penguatan = 1.

174

Gambar 6. Diagram Alir Analog Input Flow

Sementara itu, penulisan output dilakukan dengan menggunakan komunikasi SPI antara MCU ARM Cortex sebagai Master dan DAC MCP4922 sebagai slave. Komunikasi


C-011


SPI yang digunakan hanya satu arah, yaitu dari MCU ke DAC, sehingga hanya dibutuhkan pin MOSI saja. Diagram alir dapat dilihat sebagai berikut di bawah ini.

B.2. Desain Algoritma Digital I/O Algoritma sistem secara keseluruhan untuk extended module I/O digital dijelaskan pada diagram alir dibawah ini:

Gambar 7. Diagram Alir Analog Output Flow A.3. Realisasi Perangkat Extended Module Analog I/O Realisasi perangkat Analog I/O ini menggunakan MCU ARM Cortex jenis STM32F103RET6 sebagai core. Kemudian, dirangkai dalam sebuah single layer PCB bersama dengan komponen inti DAC MCP4922 dan USART controller.

Gambar 8. Extended Module Board Analog I/O

B. I/O Digital Extended Module B.1. Desain Hardware Digital I/O Secara umum, extended module I/O digital ini dibuat sama dengan PLC mikro yaitu dengan jumlah port 20 input dan 12 output. Namun, terdapat penyederhanaan pada bagian catu daya, analog I/O, dan wiring system.

Gambar 10. Diagram Alir Extended Module I/O Digital

U1 VDDA VSSA VBAT VCC3.3

1 32 48 19 64

VCC3.3 R1 10k

13 12

C4 100n

C5 100n

C6 100n

C7 100n

31 47 63 18 7

S1 RESET

C3 100n

S2

VCC3.3 1 2

4 3

R2 1 R31 2 1 100k 1 2 100k

2 2

BOOT0

60

BOOT1

SW DIP-2 2

2 1

R5 100k

VDD_1 VDD_2 VDD_4 VDD_3 VSS_1 VSS_2 VSS_3 VSS_4 NRST BOOT0

PD0 PD1 PD2

L1

VDDA

ferrite bead C1 C2 10uF 100n SCHOTTKY DIODE

B.3. Realisasi Perangkat Extended Module Digital I/O

D1a

VSSA

X8 D2a VBAT

8 9 10 11 24 25 37 38 39 40 51 52 53 2 3 4 5 6 54

DIODE SCHOTTKY

2 1 BATT

10pF C16a Y1 XTAL C17a 2

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

VCC3.3

1

1

1

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

26 27 28 55 56 57 58 59 61 62 29 30 33 34 35 36

3

2 1

2

100k

VBAT

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

4

R4

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

VDDA VSSA

10pF

22pF C18a R10 1M

Y2 8MHz

STM32F103

C19a 22pF

Gambar 9. Desain Hardware Extended Module I/O Digital


Board extended modul I/O terbagi 2 yaitu board MCU ARM STM32 dan board I/O, dengan tujuan untuk meminimalisasi board agar mudah di packaging dan flexible. Untuk komunikasi antar extended maupun dengan PLC extended module I/O dilengkapi dengan perancangan komunikasi SPI. Sedangkan komunikasi dengan PC dan extended module dilengkapi dengan komunikasi data serial dengan mini USB pada port USART.

175

C-011


A.2. Input – Output Extended Module Digital I/O

Gambar 11. Board Extended Module I/O Digital

III.

HASIL PENGUJIAN

A. Pengujian Input – Output System Pengujian input – output bertujuan untuk mengetahui respon nilai dan waktu terhadap proses yang diinginkan. Kemudian, pada analog I/O juga dipakai untuk melakukan validasi linieritas nilai ADC maupun DAC. A.1. Input – Output Extended Module Analog I/O Pengujian sistem input dilakukan dengan memberikan input tegangan pada input analog extended module sebesar 0,5V, 1V hingga 5V. Nilai input tegangan tersebut merupakan tegangan sebelum memasuki rangkaian pembagi tegangan. Sehingga nilai input tegangan ADC adalah nilai tegangan dari hasil rangkaian pembagi tegangan. Extended module dihubungkan dengan personal computer untuk mengetahui nilai digital dari hasil konversi ADC melalui serial debug.

Pengujian input digital dilakukan dengan cara mengetahui respon elektrik tengangan ON-OFF pada optocoupler PC817 sebagai komponen input. Respon elektrik optocoupler ditandai dengan saturasinya transistor yang akan menyalakan indikator LED input. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa kinerja respon elektrik dari optocoupler agar menghasilkan daerah saturasi ketika range tegangan rata-rata 2,685-24V dengan arus ratarata 0.574mA. Perbedaan kondisi ON pada setiap optocoupler dipengaruhi dari konfigurasi dari nilai arus untuk menjadikan optocoupler dalam keadaan saturasi dari masing-masing optocoupler dan toleransi dari LED indikator Selanjutnya, pengujian komponen output dilakukan dengan mengetahui dan membuktikan kinerja dari relay OMRON G6DS-1A dengan kehndalan 30Vdc 5 Ampere dan 220Vac 5 Ampere. Ketahanan relay akan diuji dengan meberikan beban berupa resistor dummy load yang di-tuning sampai batas maksimal yang dapat ditahan oleh kinerja relay.

Gambar 14. Grafik Linieritas Respon Output terhadap Beban

Gambar 12. Grafik Linieritas Konversi ADC

Kemudian, pengujian sistem output dilakukan dengan cara mengatur nilai input dari DAC MCP 4922 menggunakan serial debug. Format pengaturan nilai input DAC yaitu “#setoutput,601186,11,<port output>,”. Setelah mengatur nilai input tersebut, dilakukan pengukuran tegangan output dari DAC MCP 4922.

Hasil pengujian dan grafik keliniearitasan dari ketahan relay dapat dilihat gambar di atas. Hasil pengujian pennunjukan keadaan stabil dengan nilai batas 20% dibawah keadaan standar dari relay. Pemberian beban yang terlalu besar kepda relay akan membuat kinerjanya tidak optimal dan cenderung akan merusak relay. B. Konsumsi Daya Pengujian konsumsi daya diperlukan untuk menentukan sumber tenaga yang cukup pada PLC mikro sehingga mampu mencatu seluruh extended module yang terhubung. Dengan kata lain, maka setiap extended module harus memiliki konsumsi daya sekecil mungkin. Adapun konsumsi daya PLC mikro tanpa adanya extended module adalah + 5 Watt. B.1. Konsumsi Daya Analog I/O

Gambar 13. Grafik Linieritas Konversi DAC

Dari hasil pengujian respon input – output ADC dan DAC terdapat nilai error yang cukup besar dari nilai digital ideal hasil konversi. Error tersebut dikarenakan nilai tegangan input ADC MCU yang merupakan nilai hasil pembagi rangkaian tegangan. Kemudian, hal tersebut juga dialami pada output nilai digital yang dikonversi menggunakan MCP 4922.

176

Skenario yang digunakan dalam pengujian konsumsi daya analog I/O ini yaitu dengan mengukur besar konsumsi daya pada 2 kondisi. Pertama, konsumsi daya ketika tanpa beban, dan selanutnya dengan beban 100%. Beban disini diartikan saat input analog MCU diberikan tegangan sebesar 5 Volt. Hasil pengukuran konsumsi arus saat tanpa beban atau dengan kata lain DAC tidak bekerja dan saat beban 100% yang terdapat pada gambar di bawah. Hasil menunjukkan terdapat selisih nilai arus rata-rata sebesar 0,6807 mA. Dari selisih nilai rata-rata tersebut dapat disimpulkan bahwa DAC


C-011


MCP 4922 masih bekerja dengan baik dan sesuai fungsinya karena konsumsi arus dari DAC MCP4922 yang terukur masih masuk ke dalam jangkauan konsumsi arus dari DAC MCP4922 sesuai datasheet, dimana konsumsi arus maksimal saat beroperasi bernilai 0,700 mA[5].

IV.

KESIMPULAN

Berdasarkan rancangan extended module analog I/O dan digital I/O, diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Extended module analog I/O mampu bekerja dengan baik meski ADC-DAC terdapat error akibat ketidaksesuaian nilai tegangan referensi, namun tetap pada batas nilai selisih yaitu 0,6807 mA dari maksimum 0,700 mA. Serta, untuk dapat bekerja memerlukan konsumsi daya rendah yaitu 166,5722 mWatt. 2. Extended module digital I/O bekerja dengan konsumsi daya rendah sebesar 42,21591 mW ketika beban OFF dan 51,39717 mW ketika beban ON. Kemudian, kinerja ON sistem input optocoupler sumber DC berada pada range 2,685V hingga 24V dengan arus sebesar 0,561mA.

Gambar 15. Grafik Hasil Pengujian Konsumsi Daya Analog I/O

Selain itu, dari hasil pengujian diperoleh daya rata-rata minimum extended module I/O analog sebesar 37.181936 mW, dan daya rata-rata maksimum sebesar 116.5722 mW. B.2. Konsumsi Daya Digital I/O Pengujian konsumsi daya pada digital I/O dilakukan dengan menggabungkan board MCU dengan board I/O dalam keadaan semua output berada pada kinerja aktif high atau ON. Catuan yang diujikan adalah 3,3 Vdc sebagai catuan MCU dan 5 Vdc sebagai catuan komponen seperti komponen relay. Catuan didapat dari main module PLC mikro yang dihubungkan dengan board extended module I/O digital.

REFERENSI [1] [2] [3]

[4]

[5] Gambar 16. Hasil Pengujian Konsumsi Daya Digital I/O catudaya 3,3 V

[6]

Wahyu, Lukman Mawardi. 2009. Perancangan dan Implementasi PLC Mikro Berbasis MCU ST uPSD3254BV. Bandung : IT Telkom. Bolton, W. 2009. Programmable Logic Controllers Fifth Edition. UK: Elsavier. Ltd, Hitex (UK). 2009. The Insider’s Guide To The STM32 ARM Based Microcontroller: An Engineer’s Introduction To The STM32 Series Version 1.8. United Kingdom: University Of Warwick Science Park Conventry. Wicaksono, Handy, (2009), Programmble Logi Controller Teori, Pemrograman dan Aplikasinya dalam Otomasi Sistem, Surabaya, Graha Ilmu. Microchip Technology Incorporated, (2010), Datasheet MCP4902/4912/4922, USA, Microchip Technology Incorporated. Kalinsky, David, & Kalinsky, Roe, (2002). Introduction to Serial Pheriperal Interface, New York, UBM Electronics.

Gambar 17. Hasil Pengujian Konsumsi Daya Digital I/O catudaya 5 V


177

C-011


Halaman Ini Sengaja Dikosongkan

178


O Extended Module PLC Mikro Berbasis Prosesor ARM Cortex

Recommend Documents