Implementasi Modul Kontrol Temperatur Nano-Material ThSrO Menggunakan Mikrokontroler Digital PIC18F452 Moh. Hardiyanto 1,2 1 Program Studi Teknik Industri, Institut Teknologi Indonesia 2 Laboratory of LHC CERN - Lyon, France 2 Betha Group - Lab. Micro Hadron-Muon Collider, Deyna, Darmstadt, Germany E-mail: moh hardiyanto iti@yahoo.com Abstrak Kontrol otomatis telah memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan nano-material ThSrO. Sistem kontrol ini bekerja dengan membandingkan keluaran plant dengan harga yang diinginkan, menentukan deviasi (error) dan menghasilkan sinyal kontrol yang akan memperkecil error sampai nol atau sampai harga yang kecil. Secara garis besar kontroler di industri dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu kontroler on-off, proporsional, integral, proporsional-turunan (PD), proporsionalintegral (PI), dan kontroler proporsional-turunan-integral (PID). Salah satu arah perkembangan sistem kontrol adalah implementasi sistem kontrol pada sistem terintegrasi (embedded system). Kontroler Digital PI merupakan salah satu aplikasi dari sistem terintegrasi yang menggunakan sistem kontrol PI yang bekerja secara digital. Sistem ini memanfaatkan karakteristik dari mikrokontroler PIC18F452 yang bisa diisi program sebagai pengontrol pada nano-material ThSrO. Apabila sistem ini diaplikasikan dalam pengontrolan temperatur, maka dengan mengunakan algoritma PI, kita dapat mencapai nilai suhu yang kita inginkan tanpa menghasilkan error steady state. Pengontrol PI bekerja dengan mengalikan dan mengintegralkan error pada rising time ekuivalen 68 dengan Kt mendekati limit 0,755 yang dihasilkan. Kata kunci: Nano-material ThSrO, PIC18F452, kontroler, PI Digital. Pendahuluan Digital PI controller merupakan salah satu jenis kontroler konvensional yang mengunakan algoritma proporsionalintegral yang dipakai pada jenis nanomaterial ThSrO. Sistem kontrol ini bekerja dengan cara membandingkan keluaran dari kontroler dengan setting point untuk mencari error dari setting point, kemudian nilai error ini dikuatkan dan kemudian diintegralkan. Apabila kontroler ini diimplementasikan pada mikrokontroler untuk mengontrol temperatur maka akan dihasilkan suatu sistem kontrol temperatur yang bisa berjalan sendiri dengan temperatur keluaran sesuai dengan setting point dan error yang sangat kecil. Salah satu arah perkembangan sistem kontrol adalah implementasi sistem kontrol pada sistem terintegrasi (embedded system). Gambar 1 memperlihatkan modul kontroler PI lengkap dengan plant yang akan dikontrol temperaturnya. Kontroler ini memanfaatkan karakteristik dari PIC18F452 yang bisa diprogram sebagai kontroler dan pengolahan data. Teori Dasar Sistem Kontrol Sebuah pengontrol otomatik bekerja dengan membandingkan keluaran aktual dari plant (process variable / PV) terhadap masukan referensi (set point / SP) sebagai nilai yang diinginkan. Dari perbandingan tersebut diperoleh nilai error yang menyatakan deviasi dari kedua parameter. Selanjutnya pengontrol akan menghasilkan sinyal kontrol sebagai upaya korektif yang akan mereduksi error sampai ke titik nol atau sebuah nilai steady state error tertentu. Mekanisme bagaimana pengontrol otomatik menghasilkan sinyal kontrol lazim disebut sebagai aksi kontrol (control action). Berdasarkan jenis sistem kontrolnya yang di- 37
implementasikan, kontroler dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu kontroler konvensional dan kontroler nonkonvensional. Kontroler konvensional terdiri dari kontroler on-off, proporsional, proporsional-integral, proporsionalderivatif, proporsional-integral-derivatif. Masingmasing kontroler ini memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. lebih dibahas mengenai kontroler proporsionalintegral (PI) karena dengan kontroler jenis ini sudah bias dihasilkan temperatur yang cukup stabil. Perangkat Keras Kontroler Digital PI Kontroler Digital PI dilengkapi dengan resistor variabel yang berfungsi untuk mengatur nilai setting point dan parameter-parameter kontrol yang diperlukan, mikrokontroler PIC18F452 sebagai pengontrol, LCD sebagai penampil nilai temperatur yang terukur, sensor temperatur LM 35, plant, serta komunikasi serial RS232. Diagram blok dari sistem kontrol temperatur secara keseluruhan terlihat pada Gambar 3. Gambar 1 Board kontroler PI. Gambar 2 Diagram blok sistem kontrol lingkar tertutup. Kontroler on-off merupakan jenis kontroler yang paling sederhana, namun sistem yang menggunakan kontroler ini memiliki kelemahan yaitu masih terdapat dead band serta dapat merusak hardware kontroler karena aktivitas on dan off (relay) yang terlalu sering. Dalam kontroler proporsional, error yang terjadi dikuatkan terlebih dahulu sebelum dihubungkan ke aktuator. Kontroler mempercepat proses, meningkatkan overshoot, tidak menghilangkan offset dan tidak merubah orde sistem. Kontroler proporsional-integral merupakan kontroler dimana error-nya dikuatkan kemudian diintegralkan. Kontroler ini mempercepat proses dan menghilangkan offset tetapi meningkatkan orde sistem sehingga akan menimbulkan osilasi. Kontroler proporsional-derivatif bekerja dengan cara menguatkan error dan mendiferensialkan error tersebut. Kontroler jenis ini akan meredam osilasi dan mengurangi overshoot tetapi tidak menghilangkan offset. Kontroler PID merupakan kontroler konvensional yang paling baik karena kontroler ini merupakan gabungan dari kontroler proporsional, integral, dan derivatif. Kontroler ini akan menghasilkan temperatur tanpa overshoot dan tanpa offset pada nano-material ThSrO. Dalam penulisan ini akan Gambar 3 Diagram blok sistem kontrol temperatur spesifik untuk nano-material ThSrO. Gambar 4 Rangkaian sensor temperatur. Dalam sistem pengontrol temperatur yang dibuat, digunakan sensor temperatur dengan tipe LM35. Sensor tipe ini dapat merepresentasikan temperatur ke dalam tegangan listrik dengan hubungan 10 mv untuk setiap derajat celcius serta memiliki ketelitian sampai 0,5 o C. Sebagai contoh temperatur 30 o C akan direpresentasikan oleh LM35 ke dalam tegangan 300 mv. Sinyal dari LM35 kemudian dikuatkan tiga kali terlebih dulu sebelum masuk ke mikrokontroler PIC18F452. 38
Proses konversi ADC dilakukan dengan menggunakan ADC internal yang terdapat dalam PIC18F452 yang memiliki resolusi 10 bit. Untuk menyederhanakan proses pengolahan data pada mikrokontroler, hanya 8 bit MSB dari 10 bit hasil konversi ADC yang diambil untuk merepresentasikan sinyal yang masuk. Mikrokontroler akan mengolah data ini untuk kemudian disalurkan ke DAC untuk menyalakan pemanas dan pendingin. PWM internal PIC16F877 merepresentasikan besaran data digital ke dalam besaran analog melalui parameter duty cycle yang memiliki resolusi maksimal 10 bit. Sinyal yang dihasilkan oleh modul PWM tidak dapat langsung diumpankan ke aktuator lampu dan kipas karena mikrokontroler memiliki keterbatasan dalam menyuplai arus listrik. Oleh karena itu diperlukan rangkaian driver untuk menyuplai daya yang cukup ke aktuator. Rangkaian ini pada dasarnya terdiri atas dua buah transistor NPN yaitu BD139 dan TIP3055 dalam konfigurasi Darlington. Gambar 6 Rangkaian aplikasi LCD. Sistem komunikasi yang disertakan dalam sistem pengontrol temperatur ini adalah antarmuka serial melalui port COM pada komputer. Sistem antarmuka ini dipilih karena sudah lazim digunakan serta ketersediaan modul USART dalam PIC18G4520 yang memudahkan implementasinya. Gambar 7 Rangkaian aplikasi komunikasi serial. Gambar 5 Rangkaian driver PWM. Implementasi Perangkat Lunak Kontroler Digital PI Persamaan umum dalam kontroler PID seperti pada Persamaan 1. Peraga LCD yang digunakan adalah tipe matrik yang dapat menampilkan 16 karakter sebanyak dua baris. Peraga ini merupakan media untuk menampilkan status maupun parameter-parameter proses. Selain itu peraga ini juga dapat digunakan untuk mengakses menu dalam mengkonfigurasi sistem. Dalam berkomunikasi dengan peraga LCD, mikrokontroler terhubung melalui jalur data yang lebarnya 8 bit serta tiga buah pin untuk kontrol. Untuk jalur data menggunakan seluruh pin pada port D mikrokontroler, sedangkan untuk untuk jalur kontrol menggunakan port E. u(t) = K p e(t) + K i t 0 e(t)dt + K d de(t) dt (1) Dimana K i = Kp T i dan K d = K p T d, dengan memberi nilai K d = 0 akan diperoleh persamaan untuk sistem kontrol proporsional-integral (Persamaan 2). t u(t) = K p e(t) + K i e(t)dt (2) Program utama yang disusun untuk PIC18F452 adalah rangkaian rutin-rutin yang dieksekusi 0 39
oleh mikrokontroler sebagai alur utama program. Bagian ini meliputi tahap inisialisasi dimana konfigurasi awal dari modul-modul yang digunakan serta fungsi-fungsinya didefinisikan. Tahap yang penting adalah ketika mikrokontroler menjalankan algoritma aksi kontrol yang diimplementasikan yakni aksi kontrol proporsional-integral-derivatif. Kontroler proporsionl-integral (PI) diperoleh dengan memberi nilai K d = 0. Tahap ini meliputi pembacaan set point dan membandingkannya dengan variabel proses untuk menghitung error. Pada tahap ini juga dibaca parameter K p, K i, K d yang digunakan untuk menghitung sinyal kontrol. Sinyal kontrol yang telah dihitung selanjutnya digunakan untuk memperbarui duty cycle sinyal PWM yang dihasilkan untuk menggerakkan aktuator. Secara garis besar struktur dari program utama dapat dilihat Gambar 8. Gambar 9 Respons temperatur nano-material ThSrO dengan SP = 100, K i = 0, K d = 0. Gambar 10 Respons temperatur nano-material ThSrO dengan SP = 100, K p = 20, K d = 0. Rise time untuk K i = 01 dan K i = 02 berturutturut adalah 68 dan 48 s. Respons suhu untuk K i = 02 berbentuk sinusoidal yang bersifat divergen. Gambar 8 Diagram alir program utama kontroler proporsional-integral (K d = 0) pada mikrokontroler PIC18F452. Data Pengamatan Dengan memasukan berbagai nilai K p, K i, dan K d = 0 diperoleh data seperti pada Gambar 9, Gambar 10, dan Gambar 11. Gambar 11 Respons temperatur nano-material ThSrO dengan SP = 100, K p = 20, K i = 01, K d = 0. 40
Kesimpulan Respons kontrol temperatur nano-material ThSrO paling stabil terjadi pada saat K p = 20, K i = 01, K d = 0 dengan rising time (waktu mencapai setting point) sebesar 68 s. Referensi [1] K. Ogata. IEEE Int l. J. 8, 209 (2013). [2] S. Hingis. British Elec. J. 4, 304 (2013). [3] Thomas, Kluger. IEEE Int l. J. 9, 421 (2013). [4] Ziermann, Ludovitch. British Elec. J. 4, 422 (2013). [5] A. Zuveth. Am. Elec. Eng. J. 7, 156 (2013). 41