57 Perancangan Pengendali Sistem Otomasi pada DTA Menggunakan Programmable Logic Control MASTER Heri Nugraha 1), Marga Asta Jaya Mulya 2) 1) Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI, Kawasan Puspiptek Gd. 470, Serpong, Tangerang Selatan 15314 2) Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kawasan Puspiptek Gd. 440, Serpong, Tangerang Selatan 15314 nugrahalipi@yahoo.com Abstrak - Sistem otomasi sangat mendukung atas terlaksananya suatu proses kerja dari objek. Proses monitoring secara visual berbasis teknologi memudahkan manusia mengetahui suatu sistem sedang beroperasi dan mengontrol dengan mudah. Telah dilakukan perancangan sistem otomasi pada alat Differential Thermal Analysis (DTA) yang dikembangkan oleh Pusat Penelitian Fisika LIPI dengan menggunakan Programmable Logic Control (PLC) type Master. Sistem otomasi ini dikembangkan untuk menghindari efek terjadinya pergeseran posisi sampel-referensi didalam tungku dengan membuat sistem penggerak pada DTA oleh motor DC yang dikontrol dengan menggunakan PLC. Hasil yang diperoleh berupa prototype sistem otomasi pada DTA. Rangkaian ini diimplementasikan sebagai pengembangan dari sistem manual sebelumnya dan menghasilkan data yang lebih baik pada pengujian sampel DTA dibandingkan dengan metode sebelumnya. Kata kunci : Sistem Otomasi,DTA,Programmable Logic Control Abstract - The automation system supports for the implementation of a working process of the object. Process-based visual monitoring technologies enable people to know the system is operating and control it easily. Design automation system for equipment Differential Thermal Analysis (DTA) developed by Research Center for Physics LIPI using a Programmable Logic Control (PLC) type has been done. Automation system was developed to avoid the effects of a shift in the position of the sample-reference inside the furnace with make the drive system on the DTA by a DC motor which is controlled using a PLC. The results obtained on a prototype system automation DTA. The circuit is implemented as a development of the previous manual system and better results on the test data acquisition DTA samples compared to previous methods. Keyword : Automation System, DTA, Programmable Logic Control I. PENDAHULUAN Karateristik thermal material pada proses rekayasa material, ekstraksi dan nano material sangatlah diperlukan. Salah satu metode untuk mengetahui karakteristik material adalah dengan perbedaan temperatur. Alat yang digunakan adalah Differential Thermal Analysis (DTA). DTA merupakan alat analisis thermal dengan menggunakan metode pembandingan perubahan temperatur terhadap sampel referensi [1-3]. Pusat Penelitian Fisika LIPI pada saat ini sedang mengembangkan alat analisa thermal Differential Thermal Analysis (DTA). Di dalam sistem control DTA terdapat sistem control furnace hingga temperatur 1000 0 C [4]. Untuk mencapai kestabilan pembacaan temperatur sampel dan referensi didalam tungku, salah satu solusinya diperlukan sistem penggerak tungku DTA yang stabil secara mekanik dan dapat dikontrol dengan mudah. Pada penelitian ini dibuat perancangan sistem otomasi pada DTA menggunakan motor DC yang dikontrol oleh Programmable Logic Control (PLC) Master sebagai pengembangan dari sistem sebelumnya yang menggunakan metode manual pompa hidrolik. Programmable Logic Controller (PLC) merupakan komputer digital yang digunakan untuk otomatisasi dalam proses industri, seperti kontrol-kontrol mesin dalam pabrik perakitan. Tidak seperti komputer pada umumnya, PLC didesain untuk susunan input dan output yang beragam, kebal terhadap kegaduhan elektrik, ketahanan terhadap getaran dan benturan [5]. Definisi PLC menurut National Electrical Manufactures Association (NEMA) adalah suatu alat elektonika digital yang menggunakan memori yang dapat diprogram untuk menyimpan instruksi-instruksi dari suatu fungsi tertentu seperti logika, sekuensial, pewaktu, pencacah dan aritmatika untuk mengendalikan mesin dari proses. Konfigurasi PLC secara umum ditunjukkan pada Gambar 1. Komputer untuk pemograman PLC Kontroler PLC Catu Daya Komunikasi Jalur Tambahan Pengaturan Masukan CPU Pengaturan keluaran Gambar 1. Diagram Konfigurasi PLC Memori Terminal skrup untuk jalur masukan Terminal skrup untuk jalur keluaran
58 Heri Nugraha / Perancangan Pengendali Sistem Otomasi Pada DTA Menggunakan Programmable Logic Control MASTER Gambar 3. Desain manual DTA (kiri) dan Desain sistem otomatis pemasangan tungku DTA PPF-LIPI (kanan). Gambar 2. Konfigurasi PLC Master Gambar 2 menggambarkan konfigurasi PLC Master. PLC ini merupakan jenis PLC yang cukup ekonomis untuk kebutuhan pengontrolan sistem objek yang tidak terlalu banyak. PLC yang digunakan pada sistem ini memiliki 6 DC input (24 VDC) dan 4 relay output, juga serial komunikasi RS232 dan RS485 [5-6]. PLC pada DTA ini digunakan untuk mengontrol Motor DC penggerak tungku secara mekanik yang dapat dioperasikan melalui computer dengan menggunakan serial komunikasi RS 232 pada PLC yang dikonversi melalui USB pada komputer. Metode ini sebagai pengembangan dari metode manual sebelumnya berupa dorongan pompa hidrolik ke arah tungku. Berdasarkan hasil percobaan yang telah dilakukan, dorongan pompa kearah tungku ini dapat menimbulkan pergeseran posisi saat memasukkan sampel dan referensi ke dalam tungku. Pergeseran ini menyebabkan kesalahan dalam pengukuran suhu sampel dan referensi di dalam tungku [7]. Oleh karena itu, hasil yang diharapkan pada pembacaan temperatur didalam tungku ini menggunakan sistem otomatis mekanik yang terkontrol akan mendapatkan hasil yang lebih baik. II. METODE PENELITIAN Desain sistem otomatis mekanik pemasangan tungku pada alat DTA di Pusat Penelitian Fisika ditunjukkan pada Gambar 3. Sistem desain tersebut kemudian dirangkai dengan rangkaian mekanik. Untuk otomasi pergerakannya dikembangkan dengan sistem switching PLC yang dikontrol dengan menggunakan programming ladder diagram. Sistem input output/io dikontrol menggunakan programming ladder diagram dengan software KGL Win. Sistem programming pembacaan temperatur dilakukan menggunakan LabView, dan Kontrol tampilan visual computer ON OFF Motor DC menggunakan software Cimon (trial). Hasil otomasi diuji coba untuk melakukan analisa material. Untuk mendapatkan sistem otomatis seperti pada Gambar 3 tersebut, tahap pertama dilakukan pengembangan sistem desain elektronik otomatisnya. Sistem desain elektronik otomatis yang dikembangkan ditunjukkan pada Gambar 4. Hasil desain menunjukkan bahwa mekanis naik turun digerakkan oleh motor DC dengan sumber listrik yang disesuaikan. Untuk menggerakkan mekanis naikturun, digunakan motor DC komersial. Switch motor diletakkan pada relay dan dirangkai untuk dapat juga mengubah kutub positif dan negative pada motor, serta mampu memberi sinyal menggunakan limit switch atas (batas pergerakan ke atas) dan limit switch ke bawah (batas pergerakan ke bawah). Sistem relay di gerakkan oleh Input Output dengan menggunakan PLC Master K 120 S yang diprogram dengan software KGL win dan tampilan visual dengan software Cimon (trial). Sedangkan sistem kontrol komputer pada pembacaan temperatur sampel dan referensi dilakukan menggunakan interface LabVIEW. Pemasangan tungku yang dikembangkan menggunakan sistem lift posisi naik turun yang bisa mengontrol pemasangan tungku secara presisi dan berulang, oleh karena itu dikembangkan sistem lift dengan memiliki 4 tuas, dengan pergeseran kenaikan menggunakan ulir yang digerakkan motor DC 12 volt, 8 ampere. Sistem lift diinstalasikan kedalam sistem DTA yang ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 4. Hasil desain elektronik untuk pergerakan otomatisasi tungku. Gambar 5. Sistem lift untuk penggerak tungku.
59 Programmable Logic Control Master diinstalasikan kedalam sistem otomasi DTA. PLC ini memiliki 6 buah input dan 4 output. Ladder diagram dari PLC ini ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 6. Ladder Diagram control motor DC penggerak tungku. Untuk mengatur sumber listrik yang masuk ke motor DC digunakan input dan output dari PLC yang ditunjukkan pada Tabel 1. Wiring diagram sistem instalasi listrik dari PLC ke Relay dan motor DC ditunjukkan pada Gambar 7. Sumber listrik 220 volt digunakan untuk menghidupkan PLC. Dua buah input P00 sebagai saklar naik dan P01 sebagai saklar turun yang memberikan sinyal perintah pada luaran PLC untuk menggerakkan relay naik (P40) dan relay turun (P41). Polaritas positif dan negatif motor DC diatur dengan relay dan sebagai pengaman digunakan sistem interlock pada relay juga MCB sebagai pengaman rangkaian ketika terjadi hubung singkat dan beban lebih. Rangkaian PLC yang telah diujicobakan ditunjukkan pada Gambar 8. Tabel 1. Daftar Alokasi Input No. Alamat Simbol Perangkat Keterangan 1. P.00 SW_ Naik Switch Naik Switch mode Tungku Naik 2. P.01 SW_ Turun Switch Turun Switch mode Tungku Turun Tabel 2. Daftar Alokasi Output No. Alamat Simbol Perangkat Keterangan 1. P.40 K1 Relay 1 Relay Mode Tungku Naik 2. P.41 K2 Relay 2 Relay Mode Tungku Turun Gambar 7. Diagram instalasi kontrol PLC dan Motor DC Gambar 8. Rangkaian PLC Untuk menjalankan sistem otomatis, dikembangkan programing berbasis LabView, dan Cimmon (trial). LabView merupakan programing berbasis grafik, yang memiliki keunggulan interaksi dengan pemrogram menggunakan visual grafik yang mudah. Hasil programing yang telah dikembangkan ditunjukkan pada Gambar 9. Sedangkan Cimon (trial) digunakan untuk memudahkan kontrol motor DC ON dan OFF melalui tampilan visual pada komputer (gambar 9, kanan), dimana fungsinya adalah untuk menaikkan tungku DTA pada saat akan memasukkan sampel, dan menurunkan tungku pada saat akan mengopersikan DTA pada temperatur tertentu. Uji coba efek penggunaan sistem manual tungku dilakukan pada Gambar 10 menggunakan sensor tipe K menggunakan sampel timah (Sn) dan referensi alumina. Hasil analisa menunjukkan ketika sample dan referensi menggunakan sample yang sama yang dipasang mengalami pergeseran posisi pemanasan pada center/tengah, kiri dan kanan. Ini adalah posisi pergeseran penempatan sampel dan referensi, sebagai akibat dari hidrolik, sehingga mengakibatkan nilai selisih suhu dan referensi juga bergeser cukup besar. Penggunaan mekanik hidrolik mengakibatkan perubahan posisi yang signifikan terhadap pembacaan temperatur, sehingga yang terjadi adalah temperatur salah satu cawan sampel dan referensi mengalami perbedaan panas. Cawan yang lebih dekat dengan furnace mengalami pemanasan berlebih, sehingga selisih suhu sampel dan referensi menjadi besar. Ujicoba untuk sistem otomatis dilakukan pada suhu (480 0 C) ditunjukan pada Gambar 11 menggunakan sensor type K dan sampel alumina. Gambar 11 menunjukkan bahwa hasil analisa yang didapatkan masih sedikit bergeser, namun pergeserannya sangat stabil untuk pengukuran yang pertama dan yang kedua pada sampel yang sama. Pergeseran ini masih terjadi karena adanya sistem tungku yang menyisakan panas yang berbeda ketika pada pemanasan yang pertama dan pemanasan yang kedua. Penempatan cawan sampel dan referensi yang simetris sangat penting dalam pembacaan temperatur, sehingga metode otomatis ini dilakukan untuk menjaga posisi tersebut berada pada titik sampel dan referensi yang center. Walaupun demikian masih diperlukan penyempurnaan desain otomatis dan kelistrikan sistem pembacaaan temperatur,
60 Heri Nugraha / Perancangan Pengendali Sistem Otomasi Pada DTA Menggunakan Programmable Logic Control MASTER dikarenakan ada beberapa pengaruh kejut listrik terhadap saluran kabel pembacaan thermocouple agar pembacaan sensor temperatur bisa lebih optimal. Gambar 9. Gambar 10. Gambar 11. Sistem programing DTA Lab.View (Kiri), Software Cimon (Kanan). Hasil analisa DTA ketika menggunakan sistem manual dengan sensor tipe K Hasil analisa DTA ketika menggunakan sistem otomatis, dengan sensor tipe K. III. KESIMPULAN Pada penelitian ini dilakukan pengembangan sistem otomatis mekanik DTA sebagai pengembangan sistem manual DTA sebelumnya yang telah dikembangkan Pusat Penelitian Fisika LIPI. Sistem otomatis DTA dibangun sehingga memungkinkan untuk tungku dapat dilepas dan dipasangkan kembali pada sekitar sample pada posisi semula. Sistem otomatis DTA tersebut dibangun dengan sistem mekanik, sistem elektronik relay, sistem PLC dan interface menggunakan Cimon (trial) dan LabVIEW dengan hasil uji coba yang baik, tidak ada lagging dalam pengoperasian tampilan visual kontrol pada komputer. Hasil pengembangan menunjukkan bahwa sistem otomatis DTA telah dapat digunakan dan dikontrol secara otomatis dari komputer. Analisa data DTA menunjukkan bahwa hasil pembacaan temperatur yang diperoleh dapat diulang dengan jauh lebih baik, dibandingkan dengan data DTA yang diperoleh manual pada saat menggunakan pompa hidrolik. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih atas terlaksananya kegiatan ini adalah hasil dari kegiatan Kompetitif Pusat Penelitian Metalurgi LIPI sub bidang Material Maju dan Nanoteknologi dengan Peneliti Utama Dr. Agus Sukarto Wismogroho dan rekan-rekan Pusat Penelitian Fisika LIPI yang bekerja keras membantu penelitian ini. PUSTAKA [1] A. S. Wismogroho dan W. B. Widayatno, Pengembangan Alat Differential Thermal Analysis untuk AnalisaTermal Material Ca(OH)2, Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012, pp.40-43. [2] A. S. Wismogroho, Studi Awal Kalibrasi Differential Thermal Analysis (DTA) Pusat Penenlitian Fisika LIPI Menggunakan Material Standar Sn, Zn dan Al Pada Sensor Tipe K, Proc. Seminar Nasional Fisika XXV, 19-20 Oktober 2012, Palangka Raya, inpress. [3] A. S. Wismogroho, Studi Awal Kalibrasi Differential Thermal Analysis (DTA) Buatan LIPI Menggunakan Material Standar Sn, Zn, dan Al Dengan Sistem Sensor Thermocouple Tipe R, Prosiding Seminar Material Metalurgi 2012, 27 November 2012, Serpong, hlm: 379-384. [4] B. Hermanto, Pengembangan Sistem Pemasangan Tungku Otomatis pada Alat Differential Thermal Analysis (DTA) Buatan Pusat Penelitian Fisika - LIPI, Prosiding IKIP PGRI Semarang (September 2013). [5] W. Budiharto dan S. Firmansyah.. Elektronika digital dan Mikroprosessor. Yogyakarta : Andi Publisher, 2010. [6] W. Budiharto, Interfacing Komputer dan Mikrokontroller. Jakarta : PT.Elex Media Komputindo, 2004. [7] M. A. J. Mulya, Studi Efek Pergeseran Posisi Sampel Pada Alat Differential Thermal Analysis di Pusat Penelitian Fisika - LIPI, Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, ISSN No. 0853-0823 (Maret 2013). TANYA JAWAB Dewita, BATAN? 1. Alat DTA tersebut dibuat sendiri atau beli jadi? 2. Apakah sampelnya mempunyai sifat endotermis atau eksotermis? 3. Apa alasan teknis sehingga digunakan PLC type K120S? Heri Nugraha, LIPI @ 1. DTA dikembangkan/dibuat sendiri di pusat penelitian fisika LIPI, spare part pendukungnya dibeli kemudian dirakit.
61 2. Sampel pada DTA mempunyai sifat endotermis dan atau eksotermis dan itu untuk dianalisa sifat materialnya. 3. PLC type K120S cukup ekonomis dan pada perancangan ini hanya memerlukan 2 input dan 2 output, PLC ini juga memiliki kehandalan dan kemudahan pengoperasian, mengurangi delay sinyal perintah operasi kontrol dari komputer.