TUGAS AKHIR
PERANCANGAN MINIATUR SISTEM KENDALI DAN MONITORING SUHU TANGKI BERPENGADUK MENGGUNAKAN PLC DAN LABVIEW DENGAN METODE FUZZY MAMDANI
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Oleh : DWI BUDI PRASETYO 090402046
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
2
i
ABSTRAK Pada proses kimia dalam memanaskan cairan dibutuhkan sistem yang dapat membuat suhu cairan tersebut menjadi homogen. Oleh karena itu dalam tugas akhir ini dirancang miniatur sistem tangki berpengaduk yang menggunakan PLC (Programmable Logic Controller) sebagai sistem kendali. Penggunaan software LabVIEW sebagai antarmuka membutuhkan NI OPC Server sebagai protokol penghubung antara PLC dengan PC. Dalam mencapai suhu cairan yang homogen sistem kendali ini memanfaatkan fuzzy inference system dengan metode Mamdani sebagai sistem pengendali kecepatan putaran motor yang diproses menggunakan LabVIEW. Dalam tugas akhir ini pengaturan kecepatan motor DC menggunakan IC DAC0808 dengan tambahan IC shift register CD4094 dan op-amp LM324 sebagai pengganti modul analog output PLC. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa terjadi perubahan kecepatan motor dengan nilai perbedaan suhu antara kedua sensor di atas 5°C. Perubahan kecepatan motor ini akan semakin besar atau signifikan jika perbedaan suhu yang terjadi semakin besar. Untuk proses kalibrasi sensor RTD sudah sesuai dengan thermometer digital pada umumnya dengan perbedaan hanya sebesar 0.1 hingga 0.3°C. Untuk pengujian perubahan suhu air terhadap kecepatan putaran motor menunjukkan bahwa perbedaan suhu antara sensor RTD bagian atas dan RTD bagian bawah sebesar 45°C mengakibatkan kecepatan motor mengalami perubahan kecepatan sebesar 92.244705 duty cycle pembulatan menjadi 92 duty cycle dan untuk pengujian perubahan suhu air terhadap pemanas air menunjukkan bahwa suhu dengan set point 60°C sudah tercapai dengan nilai hysteresis 3°C.
ii
KATA PENGANTAR Bismillahirrahmanirrahim Dengan segala kerendahan hati, penulis mengucapkan puji syukur kepada Allah SWT yang telah memberikan anugerah dan rahmat-Nya yang berlimpah kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul : “Perancangan Miniatur Sistem Kendali dan Monitoring Suhu Tangki Berpengaduk Menggunakan PLC dan LabVIEW dengan Metode Fuzzy Mamdani” Tugas akhir ini dibuat sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan Sarjana (S-1) di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penulis berharap ke depannya Tugas Akhir ini dapat menjadi inspirasi bagi mahasiswa dalam mengembangkan penelitian ini. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa, yang telah menyayangi, mendidik serta menjadi inspirasi penulis yaitu Ayahanda tercinta Surya Indra Buana Nst. yang sampai saat ini dan kapanpun akan sangat penulis rindukan, dengan semangat darinya penulis banyak mendapat pelajaran yang berharga
dan Ibunda tercinta Nurmawita yang selalu menjaga, merawat dan
mendidik penulis hingga setiap kata yang terucap olehnya menjadikan pelajaran yang sangat berharga. Beliaulah alasan penulis akan selalu berusaha dan bekerja bahagia untuk dapat memberikan yang terbaik buat mereka di dunia dan di akhirat hingga kelak bisa membawa mereka ke Baitullah. Serta Abangda Andhika Eka Putra Nst, S.Hut. yang selalu mendukung dan memberikan motivasinya kepada penulis agar bisa menyusulnya dan bisa bersama-sama menjaga ibunda tercinta.
iii Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1.
Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
2.
Bapak Rahmad Fauzi, ST., MT, selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis, atas segala kesabaran dan motivasi yang besar dari beliau kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini dan bimbingan dari beliau yang selalu dan selalu memberikan kesempatan kepada penulis untuk dapat berkarya hingga bisa merasakan kompetisi di tanah air yakni Yogyakarta, Bandung hingga Lampung walaupun masih duduk di bangku kuliah. Penulis berharap agar terus mendapatkan bimbingan dari beliau. Terima kasih bapak.
3.
Bapak Yulianta Siregar, ST., MT. selaku Dosen Wali penulis, atas bimbingan dan arahan dari beliau hingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan dan Tugas Akhir ini. Terima kasih bapak.
4.
Bapak Ir. Zulkarnain Pane, MT. selaku Dosen Pembimbing penulis dalam memperlajari bidang ilmu teknik kontrol industri, dan selalu memberikan kepercayaannya kepada penulis untuk selalu dapat mengembangkan kemampuan bidang kendali PLC serta atas bimbingannya penulis dapat merasakan secara langsung praktik dibidangnya. Terima kasih bapak.
5.
Bapak Ir. Bambang Trisakti, MT. selaku Dosen Pembimbing penulis dalam bimbingan dan kepercayaannya kepada penulis agar dapat mempelajari lebih dalam mengenai teknik-teknik pengendali industri, khusunya Biogas USU. Terima kasih sebesar-besarnya kepada beliau karena dedikasinya yang tinggi untuk seluruh mahasiswa bimbingannya yang terbaik. Semoga semua dosen USU bisa seperti beliau dalam mendedikasikan ilmunya. Terima kasih bapak.
iv 6.
Bapak Husaini, bapak Irfan selaku dosen pembimbing penulis bersama dengan pak Bambang. Beliau semua adalah dosen berkualitas yang sangat memotivasi penulis. Terima kasih bapak.
7.
Bapak Emerson Pascawira Sinulingga, ST., M.Sc, Ph.D selaku dosen yang telah memberikan motivasi dan dukungan yang besar dengan rekomendasi yang diberikan oleh Bapak Rahmad Fauzi, ST., MT. dan Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, MT. Terima kasih bapak.
8.
Seluruh Staf Pengajar Departemen Teknik Elektro, khususnya bapak Ir. T. Ahri Bahriun, M.Sc. bapak Ir. Kasmir Tanjung, MT. bapak Ir. Pernantin Tarigan, M.Sc. bapak Fahmi, ST., M.Sc. bapak Fakhruddin Rizal Batubara, ST., MTI. bapak Soeharwinto, ST., MT. dan bapak Ori Novanda, ST., MT. yang telah banyak memberi inspirasi dan masukan bagi penulis untuk lebih baik dalam bersikap.
9.
Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Elektro Abangda penulis Arbi Divo dan Kakanda penulis Ummi dan Ester yang telah banyak membantu.
10. Saudara penulis yang sudah seperti keluarga Reza Al-Kautsar Lubis, ST. Teguh Triantoro, ST. Arif Azhari, ST. Adityas Zardika, ST. Mahdi Masykur, ST. Aras Dewanto, ST. Hamdan Hamid, ST. Rhobby Maulana, ST. Nur Trihardi Utomo, ST. Jepri Purwanto, S.Si. Nuril Akhyar, S.Si. Faqih Harseno Sabil, S.Si. Royansyah Putra Ginting, ST. Kharisma Muhammad, ST. Bang Recky Suharmon, ST. Bang Teguh Putra Utama, ST. Bang Robin, ST. Bang Fahrur Roji, ST. Bang Muhfi Asbin Sagala, ST., MT. Bang Prindi Wibowo, ST. InsyaAllah semua bisa dapat MT. nya termasuk penulis. 11. Motivasi besar penulis selama ini dan dalam pengerjaan tugas akhir yaitu Irfayani, Amd (*S.Si). atas doa dan dukungannya yang sangat berharga bagi
v penulis. Bobby Putra Johan, S.Kom. Nurhennida Br. Sitepu, S.Kom. Betty Widya Oktaria, S.Si. Saddam Husain, S.Kom. Maizal Isnen, S.Si. Rafika Rahmi, Nurul Husna dan Ibu kami yang sangat baik dan menjadi pengingat serta merawat penulis kalau sedang sakit di LPPM. 12. Semua adik-adik SIKONEK yang membanggakan yakni Dolly, Robby Yetsun, Ibnu, mba’ wana, mba’mbem, neng maya, iid, anie nawawaw, sesep, irwan, robby karibo, agung, twin ani ana, eka, nopi, puja, mida dan semua anggota lainnya. 13. Adik-adik penulis yakni Fadlan, Habib, Stif, Irwan, Ipan, Iqbal, Gading, Arif, Ihsan, Mian, Frans, Winner, Robby, Saidul, Faisal, Rizky, Andika, Silvester, Andreas, Albert, Sakinah, Fikri, Sahlan dan semuanya. 14. Serta semua pihak yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun Tugas Akhir ini. Akhir kata, penulis berharap semoga penulisan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi kita semua.
Medan, Oktober 2015 Penulis
Dwi Budi Prasetyo NIM. 090402046
vi
DAFTAR ISI ABSTRAK ...........................................................................................................i KATA PENGANTAR ..........................................................................................ii DAFTAR ISI ...................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR ........................................................................................viii DAFTAR TABEL ................................................................................................ x BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. 1 1.1
Latar Belakang Masalah ......................................................................... 1
1.2
Rumusan Masalah .................................................................................. 3
1.3
Tujuan Penulisan.................................................................................... 4
1.4
Batasan Masalah .................................................................................... 5
1.5
Metode Penulisan................................................................................... 6
1.6
Sistematika Penulisan............................................................................. 6
BAB II DASAR TEORI ..................................................................................... 8 2.1
Programmable Logic Controller............................................................. 8
2.1.1
Komponen Pendukung Sistem ...................................................... 10
2.1.2
Software Pemrograman ................................................................. 13
2.1.3
Ladder Diagram............................................................................ 14
2.2
Sistem Tangki Berpengaduk ................................................................. 14
2.2.1.
Sensor Suhu RTD ......................................................................... 15
2.2.2.
Heater .......................................................................................... 17
2.2.3.
Motor DC ..................................................................................... 17
2.3
LabVIEW............................................................................................. 18
2.3.2.
Block Diagram ............................................................................. 20
2.3.3.
OPC ( OLE for Process Control ).................................................. 20
2.4
Logika Fuzzy........................................................................................ 21
2.4.1.
Fuzzy Inference System dengan Metode Mamdani......................... 23
BAB III PERANCANGAN SISTEM KENDALI............................................... 25 3.1.
Umum.................................................................................................. 25
3.2.
Perancangan Sistem Kendali Tangki Berpengaduk ............................... 26
3.3.
Perancangan Miniatur Tangki Berpengaduk ......................................... 28
3.4.
Resistance to Voltage Converter ........................................................... 30
vii 3.5.
Analog to Digital Converter (ADC) ..................................................... 30
3.6.
Digital to Analog Converter (DAC) ..................................................... 31
3.7.
Keluaran Digital dan Analog ................................................................ 32
3.8.
Sistem Komunikasi Data ...................................................................... 33
3.9.
Perancangan Fuzzy Inference System dengan Metode Mamdani ........... 34
BAB IV IMPELEMENTASI DAN PENGUJIAN .............................................. 40 4.1.
Parameter Asumsi OPC Server ............................................................. 40
4.2.
Grafik Hubungan Antara Input Suhu dengan Output Kecepatan Motor. 41
4.3.
Analisis Hasil Pengujian Sensor RTD................................................... 42
4.3.1
Kalibrasi Sensor RTD ................................................................... 42
4.3.2
Pengujian Sensor RTD Terhadap Thermometer Digital ................. 45
4.4.
Analisis Hasil Pengujian Motor DC...................................................... 46
4.5.
Analisis Hasil Pengujian Sistem Kendali Suhu Tangki Berpengaduk .... 48
4.5.1
Pengaruh Perubahan Suhu Air Terhadap Kecepatan Putaran Motor48
4.5.2
Pengaruh Perubahan Suhu Air Terhadap Pemanas Air ................... 49
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 51 5.1.
Kesimpulan .......................................................................................... 51
5.2.
Saran.................................................................................................... 52
DAFTAR PUSTAKA......................................................................................... 53 LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Programmable Logic Controller Mitsubishi FX3G-40MT/ES........... 8 Gambar 2.2 Modul Analog Input Mitsubishi FX2N-2AD................................... 10 Gambar 2.3 RTD PT100 Temperature Sensor Transmitter .................................. 11 Gambar 2.4 Kabel SC09 .................................................................................... 13 Gambar 2.5 Contoh Ladder Diagram................................................................. 14 Gambar 2.7 Grafik perubahan nilai resistansi terhadap perubahan suhu.............. 16 Gambar 2.8 Pemanas Air.................................................................................... 17 Gambar 2.9 Motor DC ....................................................................................... 18 Gambar 2.10 Front Panel LabVIEW .................................................................. 19 Gambar 2.11 Block Diagram LabVIEW............................................................. 20 Gambar 2.12 OPC Server/Client ........................................................................ 21 Gambar 2.13 Proses Fuzzy Inference System ..................................................... 23 Gambar 3.2 Blok Diagram Sistem LabVIEW..................................................... 27 Gambar 3.3 Gambar Rangkaian Sistem Tangki Berpengaduk ............................. 28 Gambar 3.4 Miniatur Sistem Tangki Berpengaduk ............................................. 29 Gambar 3.5 Grafik perubahan nilai resistansi terhadap tegangan........................ 30 Gambar 3.6 Grafik perubahan nilai tegangan terhadap nilai digital..................... 31 Gambar 3.7 Grafik perubahan nilai digital terhadap nilai tegangan..................... 31 Gambar 3.8 NI OPC Server Shared Variable Data .............................................. 34 Gambar 3.9 Fungsi keanggotaan masukan.......................................................... 35 Gambar 3.10 Fungsi keanggotaan keluaran ........................................................ 35 Gambar 3.11 Aplikasi fungsi implikasi MIN dan komposisi antar-rule menggunakan fungsi MAX .................................................................. 39 Gambar 4.1 Grafik Defuzzifikasi hubungan input suhu dengan output PWM ...... 41 Gambar 4.2 Grafik Defuzzifikasi hubungan input suhu dengan output PWM ...... 42
ix Gambar 4.3 Grafik Kalibrasi Sensor RTD Bagian Atas ...................................... 44 Gambar 4.4 Grafik Kalibrasi Sensor RTD Bagian Bawah................................... 44 Gambar 4.5 Grafik Pengukuran Sensor RTD atas terhadap Thermometer Digital46 Gambar 4.6 Grafik Pengukuran Sensor RTD bawah terhadap Thermometer Digital ............................................................................................................. 46 Gambar 4.7 Grafik perubahan nilai PWM terhadap nilai tegangan motor ........... 48 Gambar 4.8 Grafik Perubahan Suhu Air Terhadap Kecepatan Putaran Motor ..... 49 Gambar 4.9 Grafik Perubahan Suhu Air Terhadap Pemanas Air ......................... 50
x
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Spesifikasi PLC Mitsubishi FX3G-40MT/ES........................................ 9 Tabel 2.2 Spesifikasi RTD PT100 Temperature Sensor Transmitter.................... 11 Tabel 3.1 Aturan-aturan fuzzy ............................................................................. 38 Tabel 4.1 Parameter Asumsi Shared Variable OPC Server.................................. 40 Tabel 4.2 Kalibrasi Nilai Sensor RTD terhadap thermometer digital................... 43 Tabel 4.3 Data Sensor Suhu RTD terhadap Thermometer Digital ....................... 45 Tabel 4.4 Data pengujian nilai PWM terhadap perubahan tegangan.................... 47
