bab ii tinjauan pustaka dan landasan teori ii.1. tinjauan...
TRANSCRIPT
II-1
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
II.1. Tinjauan Pustaka
Dalam banyak industri proses, pengendalian zat cair sangatlah diperlukan.
Hal tersebut diwakili oleh data bahwa 25% dari gangguan darurat pada
pembangkit listrik tenaga nuklir disebabkan oleh lemahnya kontrol pada
ketinggian air yang digunakan untuk boiler. Gangguan seperti itu akan
menurunkan kehandalan dari suatu pembangkit dan ini haruslah diminimalisasi.
Pengendalian level air merupakan sistem yang sangat kompleks karena memiliki
karakteristik yang tidak linier dan tidak pasti. Oleh karena itu pemilihan sistem
kendali yang tepat harus tepat agar sistem berfungsi dengan baik. [5].
Sistem otomasi digunakan untuk mengontrol seluruh sistem dan teknologi
dalam mikrokontroler digunakan untuk mengurangi pekerjaan yang sebelumnya
dilakukan manual (dengan bantuan manusia). Mikrokontroler memerankan peran
yang sangat penting dalam industri berbasis otomasi. Mikrokontroler berperan
sebagai inti dari sistem otomasi yang bertujuan untuk mengurangi kompleksitas,
meningkatkan keamanan, dan meningkatkan keefisienan sistem.
Pada sistem yang menggunakan mikrokontroler PIC 16 yang dilakukan
oleh Namrata Dey et al [6], masih dapat perbaikan yang dapat dilakukan karena
pompa yang dipakai hanya menggunakan relai sebagai driver-nya. Akan lebih
baik jika yang dikontrol adalah tegangan pada pompanya sehingga aliran air dapat
dikontrol tanpa menutup valve sehingga tidak merusak pompa.
Penulis pada penelitian ini akan mengaplikasikan pengendalian level air
dengan metode PID dengan mengatur tegangan pompa menggunakan output pulse
width modulation (PWM) dari mikrokontroler sehingga proses dapat berjalan
secara maksimal dan responsif. Selain itu peneliti akan menggunakan sistem
monitoring melalui HMI berupa LCD 4x20 agar sistem dapat dimonitor dengan
baik, karena dengan memasang display tersebut dapat menampilkan parameter
yang penting dengan mudah.
II-2
II.2. Landasan Teori
Setelah pembahasan mengenai tinjauan pustaka, akan disampaikan juga
pembahasan mengenai landasan teori yang menjadi dasar untuk penulis dalam
melakukan penelitian. Tahapan ini akan menjelaskan penjelasan yang lebih detail
mengenai teori yang diacu dalam pelaksanaan penelitian ini.
II.2.1. Sistem kendali
Sistem kendali adalah kombinasi dari beberapa komponen yang dirancang
untuk bekerja secara bersama-sama untuk melakukan tujuan tertentu dalam
sebuah proses. Menurut kamus Merriam-Webster, “proses” memiliki definisi
sebagai operasi atau perkembangan alamiah dari deretan perubahan kecil yang
bergerak menuju suatu hasil atau keadaan akhir tertentu. Secara umum, sistem
kendali memiliki nilai masukan (input), proses, dan nilai keluaran (output). Pada
dasarnya sistem kendali terbagi menjadi 2 jenis, diantaranya adalah sistem kendali
loop (lup) terbuka dan loop (lup) tertutup.
II.2.1.1. Sistem kendali lup terbuka
Sistem kendali lup terbuka adalah sistem kendali yang nilai keluarannya
tidak memiliki pengaruh terhadap aksi pengontrolan. Jadi pada jenis sistem
kendali ini, nilai keluaran tidak diukur atau diumpan-balikkan untuk dibandingkan
dengan parameter yang ditetapkan.
Gambar II-1. Sistem kendali lup terbuka
Gambar II.1 menjelaskan secara umum prinsip kerja dari sistem kendali
lup terbuka. Sebuah contoh sederhana yang dapat ditemukan dalam kehidupan
sehari-hari mengenai sistem lup terbuka adalah kipas angin. Hembusan angin
yang dihasilkan oleh kipas angin dioperasikan pada basis putaran motor. Mesin ini
tidak mengukur sinyal keluaran, misalnya seberapa sejuk udara pada ruangan.
II-3
Sistem lup terbuka tidak membandingkan nilai keluaran dengan masukan
acuan. Sehingga, setiap nilai masukan memengaruhi suatu kondisi keluaran
operasi yang tetap sehingga sistem harus memiliki kalibrasi yang baik karena
sistem tidak dapat bekerja dengan baik apabila ditengah pengoperasiannya
terdapat kesalahan kalibrasi. Jenis kendali seperti ini sebaiknya digunakan jika
nilai masukan dan keluaran sudah memiliki hubungan tertentu serta tidak
memiliki gangguan internal maupun eksternal.
Sistem jenis ini memliki kelebihan dalam hal kepraktisan dalam
pembuatannya. Pada umumnya sistem ini diterapkan pada plant yang sederhana
dan diperkirakan tidak akan terjadi gangguan yang dapat terjadi sewaktu-waktu.
Dikarenakan sistem lup terbuka lebih sering dipakai untuk sistem yang sederhana,
maka biaya yang diperlukan juga lebih rendah dibanding sistem kendali lup
tertutup.
II.2.1.2. Sistem kendali lup tertutup
Sistem kendali lup tertutup adalah sistem kendali yang mengukur nilai
keluaran dan memiliki pengaruh terhadap aksi dari sistem berikutnya atau dapat
juga disebut sistem kontrol berumpan-balik. Nilai error atau selisih antara nilai
keluaran dengan nilai setpointt yang diinginkan akan dikirim ke kontroler untuk
dilakukan penyesuaian, sehingga nilai keluaran mendekati atau bahkan sama
dengan setpointt yang diinginkan.
Gambar II-2 sistem kendali lup tertutup
Dari gambar di atas dapat disimpulkan hubungan antar nilai keluaran
terhadap sistem. Gambar di atas disebut juga sebagai diagram blok. Contoh
II-4
sederhana dari sistem lup tertutup yang dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-
hari adalah sistem pendingin ruangan. Dalam sistem ini kita dapat menentukan
suhu ruangan yang diinginkan yang berfungsi sebagai input. Lalu keluaran yang
didapat adalah udara dingin yang keluar dari penyejuk ruangan. Setelah itu, sensor
akan mengukur suhu sebenarnya di ruangan tersebut sehingga akan didapat data
berupa selisih suhu pada input dan suhu yang sebenarnya. Dengan data tersebut,
kontroler akan mengatur agar udara dingin yang keluar menyesuaikan dengan
nilai masukan yang telah ditetapkan.
II.2.1.3. Teori Fungsi Alih
Dalam teori kontrol, fungsi alih seringkali digunakan untuk membuat
karakteristik hubungan antara input dan output dari komponen atau sistem yang
dapat dideskripsikan secara linear, waktu konstan, atau persamaan diferensial.
Fungsi alih adalah rasio transformasi laplace dari output terhadap input dalam
asumsi bahwa kondisi awal sistem adalah nol. Persamaan waktu konstan
didefinisikan dngan persamaan diferensial sebagai berikut:
A0y + a1y +…+ an-1y + any = b0x + b1x +…+ bm-1x + bmx (n ≥ m)..............(2.1)
Dimana y adalah output dari sistem dan x adalah input. Fungsi alih dari sistem ini
didapat dari mentransformasikan laplace pada kedua sisi, dengan asumsi bahwa
kondisi awal adalah nol. Sehingga fungsi alih dari persamaan 2.1 menjadi :
G(s)=
G(s)=
………………………….......................(2.2)
II.2.1.4. Sistem kendali 2 posisi
Dalam sistem kendali 2 posisi (on dan off), elemen aktuasi hanya memiliki
2 posisi pasti, pada umumnya adalah on dan off. Sistem kontrol 2 posisi relatif
lebih sederhana dan lebih murah, oleh karena itu sistem ini banyak digunakan baik
II-5
pada sistem kendali industri maupun rumah-rumah. Misalkan sinyal keluaran dari
kontroler adalah u(t) dan nilai error adalah e(t). Dalam sistem kendali ini, sinyal
u(t) akan tetap pada nilai maksimum atau minimumnya, tergantung pada sinyal
error keluarannya apakah bernilai positif atau negatif, oleh karena itu didapat:
.....................................................................(2.3) Gambar II-3. Persamaan keluaran pada metode on off
Nilai U1 dan U2 konstan, nilai minimum dari U2 biasanya antara 0 hingga
U1. Sistem kendali 2 posisi umumnya berupa peralatan listrik, dan perangkat yang
umum digunakan seperti solenoid valve. Kontrol proporsional pneumatik dengan
penguatan yang besar, terkadang disebut kontrol pneumatik 2 posisi.
Gambar II.4 (a) dan (b) menujukkan diagram blok untuk sistem kendali 2
posisi. Jarak antara sinyal keluaran aktuator harus bergerak sebelum aktuator
dapat berfungsi. Jarak tersebut dinamakan differential gap. Gambar II.4 (b)
menunjukkan letak differential gap. Jarak yang terjadi pada sinyal keluaran
aktuator mengakibatkan keluaran kontroler u(t) menjaga nilainya hingga gap
sedikit melebihi nol. Dalam beberapa kasus, gap itu terjadi dikarenakan gesekan
yang tidak diinginkan dan kelambanan gerak; meski demikian, sering diinginkan
adanya celah diferensial untuk mencegah operasi mekanisme on-off yang
terlampau sering.
Gambar II-4. Diagram blok sistem kendali 2 posisi
II-6
Contoh lain dari penerapan sistem kendali 2 posisi adalah sistem kendali
tinggi air yang ditunjukkan pada gambar II.4. Dengan kontrol 2 posisi, maka
katup akan membuka secara penuh atau menutup secara penuh. Sehingga laju
aliran air adalah konstan positif atau nol. Seperti ditunjukkan pada gambar II.4 ,
nilai keluaran akan terus bergerak secara kontinyu diantara dua batas (gap),
sebagai syarat untuk mengakrifkan aktuator dari suatu posisi yang tetap ke posisi
lainnya. Perhatikan bahwa kurva keluaran tersebut mengikuti salah satu diantara
dua kurva eksponensial, yaitu kurva pengisian dan kurva pengosongan. Osilasi
antara dua batas adalah karakteristik respon khas sistem kendali 2 posisi.
Dari gambar II.6, kita dapat mengetahui bahwa amplitudo dari output
osilasi dapat dikurangi dengan menambah differential gap. Akan tetapi, jika
differential gap dikurangi, maka akan menambah frekuensi on-off dari sistem dan
akan mengurangi masa pakai dari komponen yang dipakai. Differential gap harus
diperhitungkan dengan pertimbangan dari akurasi yang diperlukan dan masa pakai
dari komponen itu sendiri.
Gambar II-5. sistem kendali ketinggian air
Gambar II-6. Perbandingan kurva ketinggian h(t) dan t
II-7
II.2.1.5. Sistem kendali PID
Sistem kendali PID terdiri dari tiga komponen, yaitu: kontrol proporsional
(P), kontrol integral (I) dan kontrol diferensial (D). Sistem kendali PID memiliki
keunggulan dibandingkan dengan masing-masing dari ketiga komponen kontrol
tersebut. Aksi kontrol PID memiliki hubungan antara keluaran kontroler m(t) dan
sinyal kesalahan penggerak e(t) adalah:
………………………………….…(2.4)
atau fungsi alihnya adalah:
………………………………………………………..(2.5)
dimana Kp menyatakan penguatan proporsional, Ti adalah waktu integral, dan Td
adalah waktu derivatif. Diagram blok dari sistem kendali PID, fungsi ramp, dan
keluaran kontroler u(t) ditunjukkan pada gambar II-7.
II-8
Gambar II-7. (a), (b), (c), Karakteristik sistem kendali PID
II.2.1.6. Aturan tuning pada sistem kendali PID
Gambar II.8 menunjukkan diagram blok pengendalian sistem PID. Jika
model matematika dari plant dapat didapat, maka ada kemungkinan menerapkan
berbagai teknik untuk menentukan parameter dari kontroler, yang akan memenuhi
nilai transien dan spesifikasi steady-state dari sistem lup tertutup. Tetapi, jika
plant sangat rumit maka model matematika tidak dapat didapat dengan mudah,
maka analisis pendekatan sistem kendali PID tidak dapat diterapkan. Maka kita
harus melakukan pendekatan eksperimental dengan pengaturan dari sistem
kendali PID.
Proses memilih parameter untuk mencapai performa spesifikasi, disebut
pengaturan sistem kendali. Ziegler dan Nichols menganjurkan sebuah aturan
untuk mengatur parameter pada sistem kendali PID (mengendalikan nilai dari Kp,
Ti, dan Td) berdasarkan dari respon input step dari sistem atau berdasarkan dari
nilai Kp yang didapat dari nilai stabil saat sistem hanya menggunakan kontrol
proporsional. Aturan Ziegler Nichols sangat berguna saat model matematika dari
sistem tidak diketahui. Namun tentu saja aturan ini dapat diaplikasikan pada
sistem yang memiliki model matematika.
Ziegler dan Nichols membuat aturan untuk menentukan nilai dari
penguatan proporsional Kp, waktu integral Ti, dan waktu derivatif Td berdasarkan
karakteristik respon transien dari sistem. Sama seperti parameter PID yang dapat
diatur oleh insinyur secara eksperimen di plant. Metode Ziegler-Nichols memiliki
II-9
2 metode, pada kedua metodenya, mereka menargetkan overshoot maksimum dari
sistem adalah 25%. (lihat gambar II.8)
Gambar II-8. Diagram blok sistem kendali PID
Gambar II-9. Respon overshoot maksimum sebesar 25%
Pada metode pertama, kita mendapatkan respon dari sistem melalui
eksperimen dari input step yang diberikan, seperti yang ditunjukkan gambar
II.10. Jika sistem tidak melibatkan integrator atau dominant complex-conjugate
poles, maka respon yang dihasilkan dari fungsi step yang diberikan akan terlihat
seperti kurva-S seperti yang ada di gambar II.11 (Jika respon tidak berbentuk
kurva-S, maka metode ini tidak berlaku). Respon kurva-S dapat dihasilkan secara
coba-coba ataupun simulasi dinamis dari plant.
Kurva-S memiliki karakteristik yang dipengaruhi oleh dua konstanta yaitu
waktu delay (L) dan waktu konstan (T). Waktu delay dan konstan didapatkan dari
menggambar garis singgung dari titik perubahan kurva-S antara sumbu t dan c(t).
II-10
Gambar II-10 Respon unit step dari sistem
Gambar II-11 Respon kurva S dari sistem
Gambar II-12 Tabel aturan metode 1 Ziegler Nichols
II-11
…………………………………………(2.6)
II.2.2. Teori Dasar Sistem Pengendalian Zat Cair
Teori dasar dari sistem pengendalian zat cair meliputi perbandingan antara nilai resistansi dan kapasitansi dari zat cair tersebut. Anggap aliran yang mengalir dari pipa pendek menghubungkan 2 tangki. Resistansi R untuk aliran zat cair dalam pipa didefinisikan sebagai perubahan dari ketinggian air (perbedaan ketinggian pada dua tangki)adalah suatu hal penting yang menyebabkan perubahan pada aliran air. Persamaannya adalah sebagai berikut:
………………………………….....(6)
Gambar II-13 (a) Sistem zat cair; (b) perbandingan ketinggian dan aliran
Sementara kapasitansi C didefinisikan sebagai perubahan dari jumlah cairan yang tersimpan yang menyebabkan perubahan unit pada potensial (ketinggian pada tangki air). Potensial yang dimaksud adalah jumlah yang mengindikasikan tingkatan energi pada sistem. Persamaannya adalah sebagai berikut:
…….…………………………………...(6)
II-12
Harus diperhatikan bahwa kapasitas (m3) dan kapasitansi (m2) adalah 2 variabel yang berbeda. Kapasitasi tangki sama dengan luas penampang . Jika konstan, maka kapasitansi bernilai sama pada setiap ketinggian.
Dari gambar II.13, variabel didefinisikan sebagai berikut:
Q = Aliran cairan stabil (sebelum ada perubahan), m3/s qi = Deviasi dari aliran masuk , m3/s q0 = Deviasi dari aliran keluar, m3/s Ĥ = Ketinggian stabil (sebelum ada perubahan), m h = Deviasi dari ketinggian cairan, m
Seperti dinyatakan sebelumnya, sistem dapat dianggap linear jika alirannya laminer. Bahkan jika alirannya turbulen, sistem dapat dibuat linear jika perubahan dari variabel tetap kecil. Berdasarkan asumsi bahwa sistem adalah linear ataupun dibuat linear, persamaan diferensial dari sistem dapat ditentukan sebagai berikut: karena aliran masuk dikurangi dengan aliran keluar dalam interval waktu yang singkat dt sebanding dengan pertambahan jumlah cairan di tangki, maka:
C dh = (q1-q0) dt….………………………………………………………………………(7)
dari definisi resistansi sebelumnya, maka hubungan antara q0 dan h adalah
.................................................................................................(8)
Persamaan diferensial dari sistem untuk nilai R yang konstan menjadi
……………………………………………………(9)
Catatan bahwa RC adalah waktu konstan dari sistem. Buat persamaan di atas menjadi transformasi laplace dari kedua sisi, asumsikan kondisi awal adalah nol, sehingga didapat:
……………………………………………………….(10)
dimana
[ ] [ ]
Jika q1 ditentukan menjadi input dan h adalah output, maka fungsi alih sistem adalah
II-13
…………………………………………………….....(11)
Jika q0 ditetapkan menjadi output, input sama, maka fungsi alihnya adalah
…………………………………………………….....(12)
Dimana kita telah menggunakan hubungan antara
………………………………………………….....(13)
II.2.3. Sensor Ultrasonik
Sensor ultrasonik seri HC-SR04 diletakkan di atas tangki air yang
berfungsi untuk mengukur ketinggian air. Nilai pengukuran yang didapat oleh
sensor akan dikirimkan ke kontroler untuk diolah. Berikut adalah bentuk dan
spesifikasi sensor ultrasonik HC-SR04:
Gambar II-14 Sensor Ultrasonik
Tabel II-1 Spesifikasi sensor HS-SR04
Tegangan Kerja DC 5V
II-14
Arus Kerja 15mA Frekuensi Kerja 40 Hz Jarak Maksimum 4 m Jarak Minimum 2 cm
Sudut Pengukuran 15 derajat Input Sinyal Trigger 10 uS pulsa TTL Output Sinyal Echo Input TTL lever signal
Dimensi 45*20*15mm
Sensor ini akan bekerja setelah menerima input singkat berupa pulsa
selama 10uS dan setelah itu pin Trigger akan bekerja untuk memulai pengukuran,
lalu modul akan mengirimkan 8 siklus gelombang ultrasonik pada frekuensi
40kHz dan membangkitkan pin echo. Echo adalah jarak yang berupa lebar pulsa
dan kisaran dalam proporsi. Timing diagram dapat dilihat pada gambar II.9.
Gambar II-15 Timing Diagram Sensor Ultrasonik
Pengukuran jarak melalui waktu antara input saat trigger dan waktu saat echo
menerima sinyal dapat dilakukan dengan menerapkan formula berupa:
Jarak = high level time * kecepatan (340m/s) / 2 ………… ……………….....(14)
II.2.4. Sensor Aliran
Sensor Aliran YF-S201 digunakan untuk mengukur banyaknya fluida yang
melewati pipa. Hasil pengukuran akan ditampilkan pada LCD. Sensor ini
II-15
menghasilkan pulsa setiap sejumlah air melewati pipa. Output dari sensor juga
mudah dihubungkan ke mikrokontroler untuk diproses. Berikut adalah gambar
dan spesifikasi sensor:
Gambar II-16 Sensor aliran YF-S201
Tabel II-2 Spesifikasi Sensor YF-S201
Tegangan Kerja DC 5V-18V, min (4.5V)
Arus Kerja 15mA @5V Debit Kerja 1-30 Liter/menit
Temperatur Kerja -25 – 800C Kelembaban Kerja 35%-80% RH
Pulsa per liter 450 Ukuran Sambungan Pipa 1/2” inchi
Daya Tahan Minimum 300.000 siklus Dimensi 2.5*1.4*1.4 inch
II.2.5. Pompa Celup DC
Aktuator yang dipakai dalam sistem ini adalah pompa celup DC dengan
tegangan 12 V. Pompa ini akan diatur tegangan keluarnya berdasarkan metode
PID sehingga volume air yang dikeluarkan dapat bervariasi. Pompa DC dipilih
karena lebih mudah dalam pengaturannya karena dapat dikontrol dari
II-16
mikrokontroler. Gambar dan spesifikasi dapat dilihat di gambar II.12 dan Tabel
II.3.
Gambar II-17 Pompa Celup DC
Tabel II-3 Spesifikasi Pompa
Tegangan Kerja DC 24 V
Arus Kerja 2.5 A
Temperatur Maksimum 600C
Daya Maksimum 60 Watt
RPM 5.800
Ketinggian Maksimum 4 Meter
Debit Maksimum 70 liter / menit
Output Selang 1 Inch
Panjang Kabel 2,5 meter
II.2.6. Mikrokontroler ATmega 328P
Mikrokontroler ATMega 328P adalah salah satu produk dari ATMEL
yang menggunakan arsitektur Reduce Instruction Set Computing (RISC). Dengan
mengeksekusi instruksi dalam 1 siklus clock, ATmega 328P mencapai kecepatan
hampir 1MIPS per MHz. Sistem ini dirancang untuk menghemat konsumsi daya
dan mengoptimalkan kecepatan proses. Mikrokontroler ini digunakan untuk
II-17
mengubah sinyal setiap sensor kedalam bentuk tegangan dan akan dikirimkan ke
mikrokontroler STM32. Berikut adalah beberapa kelebihan dari ATmega328P:
1. Advanced RISC Architecture
2. Memiliki 32 x 8 Register serbaguna
3. Up to 20 MIPS pada 20 MHz
4. On-chip 2-cycle Multiplier
5. 32KB flash memory
6. 1KB EEPROM
7. 2KB SRAM
8. dua buah 8-bit timer/counter dengan prescaler dan compare mode terpisah
9. satu buah 16-bit timer/counter dengan prescaler, compare, dan capture
mode terpisah
10. Real time counter dengan oscillator terpisah
11. 6 buah channel PWM
12. 8 buah Channel 10-bit ADC
13. kompatibel dengan komunikasi I2C
14. 23 programmable I/O
15. 1.8-5.5 V Operating Voltage
16. -400C to 1050C Temperature range
II-18
Gambar II-18 Konfigurasi Pin Atmega328p
Deskripsi Pin:
VCC: Tegangan suplai
GND: Ground
Port B (PB[7:0]) XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2: Port B adalah port I/O
bi-directional 8 bit yang memiliki pull-up resistor (dipilih pada setiap bit).
Output buffer memiliki karakteristik yang simetrik dengan kemampuan
serap dan sumber yang tinggi. Jika digunakan sebagai input,
karakteristiknya adalah pulled low, dan akan mengalirkan arus jika pull-up
resistor diaktifkan. Karakteristik Port B sama seperti Port C (PC[5:0]) dan
Port D (PD[7:0]).
PC6/RESET: Jika RSTDISBL fuse diprogram, PC6 digunakan sebagai pin
I/O. Namun jika tidak diprogram akan menjadi input reset .
Avcc: merupakan suplai tegangan untuk A/D converter, PC[3:0], dan PE
[3.2] dan harus dihubungkan secara eksternal ke Vcc, meskipun ADC
tidak digunakan. Namun jika ADC digunakan maka harus dihubungkan ke
Vcc melalui rangkaian low-pass filter.
II-19
AREF: merupakan pin referensi analog untuk A/D converter
Gambar II-19 Diagram Blok Atmega328p
II.2.7. DAC MCP4725
Modul dac diperlukan untuk mengkonversi pulsa dari sensor kedalam
sinyal analog berupa tegangan. Jenis dac yang digunakan adalah MCP4725 yang
menggunakan data 12 bit sehingga dapat mengeluarkan sinyal analog yang halus.
MCP4725 menggunakan metode komunikasi berupa I2C atau biasa disebut
komunikasi 2 kabel karena hanya menghubungkan port Serial data (SDA) dan
serial clock (SCL) ke mikrokontroler untuk berkomunikasi. Berikut adalah
gambar dari modul dac MCP4725:
Gambar II-20 DAC MCP4725