ANALISIS DAN PEMBUATAN PROGRAM SISTEM PEMANTAU VAKUM BERBASIS PLC T100MD1616+ UNTUK PERANGKAT NITRIDASI PLASMA BEJANA GANDA

Transkripsi

1 ANALISIS DAN PEMBUATAN PROGRAM SISTEM PEMANTAU VAKUM BERBASIS PLC T100MD1616+ UNTUK Saminto, Suprapto Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb Yogyakarta 55281, Tel. (0274) , Fax. (0274) saminto@batan.go.id ABSTRAK ANALISIS DAN PEMBUATAN PROGRAM SISTEM PEMANTAU VAKUM BERBASIS PLC T100MD1616+ UNTUK. Telah dilakukan pembuatan program sistem pemantau vakum untuk perangkat nitridasi plasma bejana ganda. Sistem ini berguna untuk memantau vakum pada perangkat nitridasi plasma bejana ganda. Sistem pemantau vakum terdiri dari perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat keras dibangun menggunakan komponen utama modul PLC T100MD1616+, modul jembatan Wheatstone dan detektor vakum Pirani tipe PR10-K. Perangkat lunak berupa program yang ditanam pada PLC T100MD1616+ menggunakan program diagram ladder dan Tbasic. Uji fungsi sistem dilakukan dengan memvakumkan bejana nitridasi dan akuisisi data vakum dengan PLC T100MD Hasil uji menunjukkan bahwa sistem pemantau vakum dapat bekerja mulai dari 1,0 x 10 0 mbar sampai 8,0 x 10-2 mbar. Sistem pemantau vakum telah dikalibrasi dengan meter vakum Edward tipe Hasil kalibrasi menunjukkan bahwa terdapat perbedaan pembacaan rata-rata adalah ± 6,4 %. Kata kunci: Perangkat nitridasi plasma bejana ganda, detektor Pirani, jembatan Wheatstone, PLC T100MD1616+ ABSTRACT CONSTRUCTION AND ANALYSIS OF VACUUM MONITORING SYSTEM PROGRAM BASED ON T100MD1616+PLC FOR DOUBLE CHAMBER PLASMA NITRIDING DEVICE. The vacuum monitoring system program based on PLC for double chamber plasma nitriding device has been done. This system is used to vacuum monitoring of the double chamber plasma nitriding device. The system consists of hardware and software. The hardware was constructed using main components T100MD1616+PLC module and supported by Wheatstone bridge module and PR10-K type Pirani vacuum gauge. A software program was planted on T100MD1616+ PLC using ladder diagrams and Tbasic program. Functioned test of the system was performed by vacuumming of the chamber and vacuum data acquisition with the T100MD1616+ PLC. The test results show that the measurement range of the vacuum monitoring system is 1.0x10 0 mbar to 8.0x10-2 mbar. The vacuum monitoring system has been calibrated with the 1001 type Edward vacuum meter. Calibration result shows that threre is average reading differences is 6.4 %. Key words : Double chamber plasma nitriding device, Pirani gauge, Wheatstone bridge, T100MD1616+ PLC. PENDAHULUAN Dalam rangka untuk mendukung rancangbangun perangkat nitridasi plasma bejana ganda, maka telah dilakukan tahap konstruksi pada tiap bagian/komponen. Diantara komponen mesin nitridasi plasma yang dibuat adalah sistem pemantau vakum menggunakan programable logic controller (PLC). Keberadaan sistem pemantau vakum sangat diperlukan untuk mengetahui kondisi vakum selama mesin nitridasi plasma beroperasi. Dengan menggunakan sistem pemantau vakum berbasis PLC, maka perangkat SIK nitridasi menjadi lebih kompak karena bacaan vakum ditampilkan lewat layar LCD pada human machine interface (HMI) yang terpasang pada panel operasi nitridasi plasma. [1] Selain itu PLC dapat sekaligus difungsikan pula sebagai sistem kendali, sehingga penggunaan PLC cukup efektif. [2] Proses pembuatan sistem pemantau vakum diawali dengan proses rancangbangun rangkaian jembatan Wheatstone, perakitan modul, perancangan dan ANALISIS DAN PEMBUATAN PROGRAM SISTEM PEMAN- TAU VAKUM BERBASIS PLC T100MD1616+ UNTUK Saminto, dkk. 119

2 pembuatan program komputer dan pengujian sistem. Rangkaian jembatan Wheatstone berfungsi sebagai pengkondisi sinyal yaitu mengkonversi parameter perubahan resistansi dari detektor Pirani sebagai transduser akibat perubahan tekanan menjadi besaran listrik. Keluaran jembatan Wheatstone berupa tegangan analog dihubungkan ke port ADC PLC T100MD Data masukan selanjutnya diproses PLC T100MD1616+ menggunakan perangkat lunak ladder diagram dan Tbasic. Data hasil perhitungan di dalam data memory (DM) PLC kemudian dikonversi ke nilai kevakuman dalam satuan milibar dan ditampilkan lewat LCD HMI. Untuk mengetahui kinerjanya dilakukan kalibrasi dengan meter vakum pabrikan (merek Edward tipe 1001). Tujuan penelitian ini adalah dapat dibuat program untuk sistem pemantau kevakuman berbasis PLC T100MD Sedang sasaran penelitian ini adalah dapat diwujudkan dan diaplikasikannya sistem pemantau kevakuman berbasis PLC pada nitridasi bejana ganda. Dengan dioperasikan sistem pemantau vakum berbasis PLC diharapkan tampilan mesin menjadi lebih kompak, kerja operator lebih mudah, aman dan mesin dapat bekerja baik. TATA KERJA Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam pembuatan sistem pemantau vakum adalah: Kabel pengubah USB ke RS-232, digital multimeter, komputer, PLCT100MD1616+, detektor Pirani PR10-K, rangkaian jembatan Wheatstone dan power supply 24V DC. Rancangan Sistem Sistem pemantau vakum berbasiskan PLC merupakan alat untuk memantau vakum didalam bejana pada perangkat nitridasi plasma. Komponen utama sistem pemantau vakum terdiri dari perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat keras yaitu: detektor Pirani PR10-K buatan Edward, rangkaian jembatan Wheatstone, modul PLC T100MD16+ berserta HMI lengkap dengan LCD dan catu daya, sedang perangkat lunak yaitu: diagram LADDER dan TBasic. Blok diagram rancangan sistem pemantau vakum berbasis PLC T100MD1616+ ditunjukkan pada Gambar 1. Adapun diagram instalasi sistem pemantau vakum pada perangkat nitridasi plasma bejana ganda ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 1. Blok diagram rancangan sistem pemantau vakum berbasis PLC. Gambar 2. Blok diagram instalasi sistem pemantau vakum perangkat nitridasi plasma. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 :

3 Proses operasi alat diawali dengan menghidupkan pompa rotary untuk memvakumkan bejana sampai pada orde vakum 10-2 mbar. Bersamaan dengan proses vakum juga dilakukan akuisisi data vakum yaitu pembacaan sinyal lewat port ADC#1 PLC. Data dari ADC#1 diubah ke bilangan desimal kemudian disimpan di data memory (DM) selanjutnya dikonversi menjadi data vakum. Nilai vakum selanjutnya disimpan di data memory (DM) pada alamat tertentu dan ditampilkan pada layar LCD HMI. PLC T100MD1616+ PLC T100MD1616+ modul perangkat keras berfungsi mengolah sinyal masukan dari pengkondisi sinyal vakum dan ditampilkan dalam satuan mbar pada layar LCD PLC. PLC T100MD1616+ merupakan bagian dari keluarga Super PLC seri-m dari Triangle Research. Diagram blok dan perangkat modul PLC T100MD1616+ ditunjukkan pada Gambar 3. Adapun spesifikasi lengkap pada PLC T100MD1616+ adalah: [2] a. Terdapat 4 saluran masukan analog 10-bit, 2 saluran keluaran analog 8-bit, 16 saluran masukan/keluaran digital. b. Memori program 6016 word pada EEPROM, memori data 1770 word pada EEPROM dan 4000 word pada volatile RAM. c. Kecepatan eksekusi hingga 160 MIPS (Million Instructions Per Second) pada frekuensi 160 MHz. d. Tersedia 16 saluran komputasi PID yang dapat diprogram secara langsung untuk membentuk kendali PID digital dan saluran koneksi RS232 dan RS485. Saluran keluaran digital dapat dikembangkan menjadi 96 digital output dengan menambahkan EXP1616R atau EXP4040. Pada PLC T100MD1616+ juga terdapat fasilitas pulse width modulator (PWM), kendali stepper motor, interrupt, encoder input, Real-Time Clock (RTC), kendali PID dan HMI (Human-Machine Interface) beserta LCD. Sistem Masukan ADC Pada PLC T100MD1616+ Blok analog dari PLC T100MD1616+ memerlukan sumber daya +12 V sampai +24 V DC. Pemakaian sumber daya ini menghasilkan tegangan stabil 5 V yang digunakan secara internal sebagai tegangan referensi. Tegangan referensi analog dapat dikalibrasi dengan mengatur potensiometer yang terdapat pada board PLC. Karakteristik kelistrikan ADC PLC T100MD1616+ yaitu, 4 masukan A/D converter dengan resolusi 10-bit, Built-in Sample & Hold dan waktu konversi 10µs tiap channel. ADC #1 dan ADC #2 dapat menerima masukan sinyal analog 0V sampai 1V, sedangkan ADC #3 dan ADC #4 untuk masukan sinyal analog 0V sampai 5V. Untuk mengubah tegangan di luar batas ADC digunakan tahanan pembagi tegangan seperti ditunjukkan pada Gambar 4. a. Diagram blok penyusun PLC T100MD1616+ b. Perangkat Modul PLC T100MD1616+ Gambar 3. Diagram blok dan perangkat modul PLC T100MD [2] ANALISIS DAN PEMBUATAN PROGRAM SISTEM PEMAN- TAU VAKUM BERBASIS PLC T100MD1616+ UNTUK Saminto, dkk. 121

4 Jembatan Wheatstone Jembatan wheatstone digunakan untuk mengukur tahanan yang belum diketahui nilainya dengan cara menyeimbangkan dua kaki pada rangkaian jembatan. Satu kaki terdiri dari komponen resistor yang belum diketahui nilainya. Skematik jembatan ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 4. Sistem tegangan masukan analog pada ADC #1 PLC T100MD Detektor Vakum Pirani PR10-K Pengukur Pirani (Pirani Gauge) bekerja atas dasar perubahan tahanan suatu filamen sebagai sensor tekanan karena adanya perubahan suhu di dalam sistem vakum. Perubahan suhu filamen dipengaruhi oleh perubahan kevakuman di dalam sistem vakum. Jadi perubahan kevakuman akan mengubah nilai tahanan dari filamen (sensor) yang selanjutnya dikonversi ke dalam perubahan tegangan listrik yang terbaca pada meter. Pengukur Pirani tipe PR10-K bekerja pada tekanan 0,5 mbar sampai 10-3 mbar. [3] Keluaran detektor Pirani PR10- K selanjutnya dihubungkan ke rangkaian pengkondisi sinyal (jembatan Wheatstone). Rangkaian detektor Pirani dan foto detektor Pirani tipe PR10-K ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 6. Rangkaian jembatan Wheatstone. Pada Gambar 6, tampak R x merupakan tahanan yang belum diketahui nilainya sedang R 1, R 2, dan R 3 telah diketahui. R 2 merupakan tahanan yang dapat diubah-ubah nilainya. Jika perbandingan tahanan (R 2 /R 1 ) sama dengan perbandingan (R x /R 3 ), maka tegangan antara B dan D adalah nol (0) dan tidak ada arus yang mengalir ke galvanometer Vg. Jika jembatan tidak seimbang, arah arus tergantung nilai R 2. Keadaan seimbang jika memenuhi persamaan berikut: [4] R R 2 1 Rx = (1) R 3 Sehingga dari persamaan (1) didapatkan persamaan berikut: (a) R = R3 (2) R 2 R x 1 Tegangan yang terbaca galvanometer sesui dengan persamaan berikut: V G Rx = R3 + Rx R2 R + R 1 2 V S (3) (b) Gambar 5. a. Diagram rangkaian detektor Pirani, b. foto detektor vakum Pirani PR10- K. Dari persamaan 2 dan 3 kemudian direalisasikan ke dalam bentuk rangkaian dimana Rx adalah resistor probe vakum dari detektor Pirani tipe PR10-K. Untuk pengkondisian sinyal vakum dari detektor Pirani tipe PR10-K, maka perlu dilakukan rancangbangun jembatan Wheatstone ditunjukkan pada Gambar 7. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 :

5 a. Rancangan rangkaian jembatan Wheatstone. b. Jembatan Wheatstone. Gambar 7. Rangkaian jembatan Wheatstone. Rangkaian pengkondisi sinyal vakum (jembatan Wheatstone) mengkondisikan sinyal keluaran dari sensor pirani menjadi tegangan analog yang dapat dibaca oleh ADC PLC, yaitu di set dari 0V sampai 1,0V. Data hasil pembacaan kemudian disimpan di data memory (DM) dan dikonversi menjadi satuan vakum selanjutnya ditampilkan pada layar LCD PLC. Sistem Pemprograman Program yang digunakan pada PLC T100MD1616+ adalah diagram ladder dan bahasa Tbasic. Diagram Ladder dan Tbasic dibuat menggunakan software internet Trilogy dari Triangle research merupakan program open source yang disediakan untuk Super PLC. [5] Dari hasil rancangan kemudian dibuat diagram alir terdiri dari: akuisisi data, konversi sinyal keluaran sensor Pirani ke kevakuman (tekanan) dan tampilan LCD. Dari diagram alir selanjutnya dituangkan dalam bentuk program menggunakan perangkat lunak bentuk ladder. Hasil rancangan diagram alir dan perangkat lunak bentuk ladder sistem pemantau vakum berbasis PLC ditunjukkan pada Gambar 8. Di dalam diagram ladder terdapat perintah dcusf, yaitu perintah mengeksekusi suatu fungsi tertentu dalam bahasa TBasic. Isi perintah dcusf dalam bahasa TBasic berturut-turut adalah F_bacaADC berfungsi untuk akuisisi data masukan, F_rmstek berfungsi untuk mengolah dan mengkonversi data ADC ke dalam satuan milibar. Sedang DISPLAY berfungsi menampilkan data vakum pada layar LCD PLC dalam satuan mbar. Diagram alir Diagram ladder Gambar 7. Diagram alir dan diagram ladder sistem pemantau vakum berbasis PLC. ANALISIS DAN PEMBUATAN PROGRAM SISTEM PEMAN- TAU VAKUM BERBASIS PLC T100MD1616+ UNTUK Saminto, dkk. 123

6 HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian sistem pemantau vakum berbasis PLC meliputi pengujian pengkondisi sinyal berupa rangkaian jembatan Wheatstone dan pengujian program perangkat lunak akuisisi data tekanan. Instalasi peralatan pengujian sistem pemantau vakum berbasis PLC ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar 8. Instalasi uji fungsi sistem pemantau vakum berbasis PLC. Pengujian Program Akuisisi Data Tekanan Program akuisisi data tekanan berfungsi untuk membaca dan mengolah sinyal masukan yang telah dikondisikan lewat rangkaian jembatan Wheatstone. Pembacaan data keluaran jembatan Wheatstone (masukan ADC #1) merupakan data rata-rata dari tiap 20 pembacaan data masukan. Data hasil rata-rata tersebut selanjutnya disimpan pada data memori (DM). Command TBASIC yang digunakan untuk membaca ADC #1 adalah ADC(1). Data tersebut berupa bilangan desimal antara 0 sampai 4092 yang akan dikonversi ke data tekanan dalam mbar. Hasil konversi disimpan di dalam variabel J. Pengujian program akuisisi data tekanan dilakukan dengan mengukur tekanan dalam bejana, tegangan masukan ADC (keluaran jembatan Wheatstone) dan keluaran ADC desimal. Data hasil pengujian jembatan Wheatstone dan akuisisi data tekanan ditunjukkan pada Tabel 1. Dari data pengukuran Tabel 1, selanjutnya dapat dibuat kurva hubungan antara tekanan (mbar) terhadap output ADC (desimal) seperti ditunjukkan pada Gambar 9. Tabel 1. Data hasil pengujian jembatan Wheatstone dan akuisisi data tekanan. No Vakum Output Jemb. Output ADC Vakum Output Jemb. Output ADC No (mbar) Wheatstone (Volt) (Desimal) (mbar) Wheatstone (Volt) (Desimal) Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 :

7 Gambar 9. Grafik hubungan tekanan terhadap keluaran ADC desimal. Dari Gambar 9 dapat diketahui bahwa perubahan tekanan tidak linier terhadap keluaran ADC desimal. Oleh karena itu dari data masukan ADC #1 (output jembatan Wheatstone) diambil tiap dua titik pengukuran untuk dibuat persamaan garis lurus. Gabungan hasil hitungan persamaan garis lurus tersebut digunakan sebagai dasar untuk mengkonversi ADC menjadi satuan vakum lewat perintah program TBasic. Penggalan program Tbasic untuk konversi data vakum ke satuan milibar ditampilkan pada layar komputer ditunjukkan pada Gambar 10. Data vakum dimasukkan ke program dengan dikalikan terlebih dahulu. Notasi J adalah variabel yang digunakan untuk menyimpan data vakum dari konversi nilai ADC. Dm[2901] merupakan alamat memory yang berisi nilai ADC. Sebagai contoh untuk nilai ADC = 1800, maka dengan menggunakan rumus ladder function Rms_Tek, nilai vakum adalah: ( p o) ( dm[2901] m) J = + o ( n m) ( ) ( ) = ( ) = 778,75 (data dibagi dengan 10000) = 0, atau 7, mbar Gambar 10. Tampilan penggalan program TBasic untuk fungsi Rms_Tek. ANALISIS DAN PEMBUATAN PROGRAM SISTEM PEMAN- TAU VAKUM BERBASIS PLC T100MD1616+ UNTUK 125 Saminto, dkk.

8 Hasil Pengujian Program Akuisisi Data Tekanan Hasil eksekusi program akuisisi data tekanan sistem pemantau vakum berbasis PLC ditampilkan pada layar LCD PLC dan di kalibrasi dengan meter vakum Edward. Data hasil pengujian sistem pemantau vakum berbasis PLC dan meter vakum Edward ditunjukkan pada Tabel 2. Dari Tabel 2 selanjutnya dapat dibuat grafik hubungan antara perubahan ADC PLC terhadap tampilan hasil pengukuran tekanan sistem pemantau vakum berbasis PLC dan meter vakum Edward, seperti ditunjukkan pada Gambar 11. No Tabel 2. Data hasil pengujian sistem pemantau vakum berbasis PLC dan meter vakum Edward. AD C Tampilan bacaan Tekanan (mbar) Meter vkm standard (Edward) Perbedaan tampilan bacaan PLC (mbar) % No ADC Tampilan bacaan Tekanan (mbar) Meter vkm standard (Edward) PLC Perbedaan tampilan bacaan (mbar ) % Gambar 11. Kurva hasil pengukuran tekanan sistem pemantau vakum PLC dan meter vakum Edward. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 :

9 1, mbar 1, mbar 7, mbar 8, mbar Tampilan meter vakum Edward 1, mbar 1, mbar 7, mbar 8, mbar Tampilan Layar LCD PLC Gambar 12. Tampilan sebagian hasil pengukuran vakum pada PLC dan meter vakum Edward. Hasil pengukuran tekanan sistem pemantau vakum PLC dan meter vakum Edward pada masing-masing orde tekanan berbeda. Pada tekanan tinggi (vakum rendah), beda tekanannya relatip besar. Sedang pada tekanan rendah (vakum tinggi), beda pembacaan vakum sangat rendah. Yang terpenting adalah proses nitridasi beroperasi pada orde tekanan 1 x 10 0 mbar sampai 8 x 10-2 mbar perbedaan rata-ratanya 6,4%. Pada Gambar 11 tampak bahwa secara umum hasil akuisisi vakum pada PLC dan hasil pengukuran meter vakum Erward mendekati kesamaan sehingga sistem pemantau vakum berbasis PLC layak dipakai sebagai sistem pemantau vakum pada perangkat nitridasi plasma. Untuk daerah tekanan di atas 1 x 10 0 mbar tampilan tekanan pada layar LCD PLC adalah Tek:, tinggi, sedang untuk tekanan di bawah 8,0 x 10-2 mbar tampilan tekanan pada layar LCD PLC adalah Tek:,rendah. Kalibrasi pembacaan vakum dilakukan dari 1x10 0 mbar sampai 8x10-2 mbar, sedang untuk tekanan di luar daerah tersebut tidak dilakukan. Dari pengalaman operasi nitridasi sebelumnya daerah jangkauan vakum tersebut sudah memenuhi syarat untuk operasi nitridasi. Tampilan sebagian hasil pengukuran vakum berbasis PLC dan meter vakum Edward ditunjukkan pada Gambar 12. KESIMPULAN Berdasarkan pengujian sistem pemantau vakum berbasis PLC pada perangkat nitridasi plasma bejana ganda dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Sistem pemantau vakum berbasis PLC T100MD1616+ dapat memantau kevakuman dari mbar sampai mbar. 2. Hasil pengukuran vakum menggunakan program ladder dan TBasic pada PLC T100MD1616+ telah dikalibrasi dengan alat ukur vakum standar Edward tipe 1001 dengan perbedaan (tingkat kesalahan) 6,4%. 3. Pada kevakuman rendah (tekanan lebih tinggi dari mbar) tampilan pada layar LCD PLC yaitu, Tek:,tinggi, sedang pada kevakuman tinggi (tekanan lebih kecil dari mbar) ditampilkan Tek:,rendah. DAFTAR ACUAN [1] SAMINTO, dkk., Perancangan Casing dan Panel Operasi Mesin Nitridasi Plasma dengan sample changer Otomatis, Prosiding Seminar Penelitian dan pengelolaan Perangkat Nuklir, PTAPB-BATAN, Yogyakarta,28 September [2] Triangle Research, T100MD1616+ (Rev D-1) PLC Installation Guide, Triangle Research International, Singapore., 2006 [3] Edwards Pirani gauge, PR10K_ Pirani_ Vacuum_Gauge_Head. diakses 14 Agustus 2012 [4] Wikipedia, Wheatstone bridge, wikipedia.org/wiki/wheatstone-bridge,19 Agustus 2011, diakses 7 oktober [5] Triangle Research, Internet Trilogi Version Programmer s Reference, Triangle Research International, Singapore, ANALISIS DAN PEMBUATAN PROGRAM SISTEM PEMAN- TAU VAKUM BERBASIS PLC T100MD1616+ UNTUK Saminto, dkk. 127

10 TANYA JAWAB Volume 14, November 2012 ISSN Taxwim Apakah PLC T100MD tsb hanya digunakan sebagai pemantau vakum saja atau paralel dengan pemantau yang lain? Jika digunakan hanya pemantau vakum saja apakah tidak sebaiknya menggunakan mikrokontroler yang lebih murah, karena akan meningkatkan prosentase kandungan lokal, jelaskan? Saminto PLC T100MD juga digunakan sebagai kendali suhu dan penyalaan elemen power (SSR) untuk valve gas, sumber daya, Instrumen dan sistem tegangan tinggi yang dapat diprogram secara otomatis maupun manual. Jadi satu buah PLC T100MD digunakan untuk seluruh operasi SIK pada Perangkat Nitridasi Plasma termasuk untuk sistem interloknya, sehingga penggunaan PLC ini cukup efisien. Jika dibanding dengan mikrokontroler, memang PLC lebih mahal, tetapi PLC T100MD lebih stabil dalam operasinya dan lebih kompak. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 14, November 2012 :