198 IMPLEMENTASI SISTEM KENDALI

Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto
Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
IMPLEMENTASI SISTEM KENDALI KECEPATAN MOTOR ARUS SEARAH
MENGGUNAKAN KENDALI PID BERBASIS PROGRAMMABLE LOGIC
CONTROLER
Winarso*, Itmi Hidayat Kurniawan
Program Studi Teknik Elektro FakultasTeknik,
Universitas Muhammadiyah Purwokerto
Jl Raya Dukuh Waluh, PO BOX 202 Purwokerto 53182
Telp. (0281) 636751 ext 130
*Email : [email protected]
ABSTRAK
Sistem penggerak merupakan salah satu komponen mesin listrik yang penting pada
proses industri. Salah satu jenis penggerak yang banyak digunakan adalah motor
DC. Algoritma PID merupakan pengendali berumpan balik yang paling popular
dalam pengendalian motor DC. Parameter-parameter performansi suatu sistem
kendali yang digunakan antara lain maximum overshoot, error steady state, rise
time dan settling time. Hal krusial yang berkaitan dengan penggunakan pengendali
PID yaitu tuning atau pemberian parameter Kp, Ti dan Td agar didapatkan respon
sistem yang diinginkan. PLC yang umumnya digunakan sebagai alat pengatur
urutan bisa dimanfaatkan sebagai kontroler PID digital dengan memanfaatkan
fungsi PID internal (PLC Twido TWDLCAE40DRF). Dengan mengintegrasikan
PLC sebagai kontroler dan motor DC sebagai plant, algoritma pengendali PID
dapat diimplementasikan. Dari hasil percobaan, terbukti bahwa penggunaan
kontroler PID duntuk pengaturan kecepatan motor DC memberikan perbaikan
kriteria performansi pada plant yang signifikan jika dibandingkan dengan plant
tanpa kontroler.
Kata kunci : Motor DC, Pengendalian Kecepatan, PID, PLC
PENDAHULUAN
Sistem penggerak merupakan salah satu komponen mesin listrik yang penting pada proses industri.
Salah satu jenis penggerak yang banyak digunakan adalah motor DC. Dalam penggunaan motor DC
terdapat beberapa parameter yang dapat dikendalikan yaitu kecepatan dan respon transien.
Pengendali merupakan komponen sistem yang berguna untuk meminimalisir sinyal kesalahan
sehingga dapat diperoleh performansi sistem yang diinginkan. Dalam mendesain sistem kendali yang
terpenting adalah spesifikasi atau kriteria performansi sistem yang ditampilkan. Sistem pengendalian
merupakan sistem dinamik sehingga spesifikasi sistem memiliki tanggapan transien. Algoritma
pengendalian yang digunakan juga bervariasi, misalnya Proporsional Integral Differensial (PID), Logika
Fuzzy dan Sistem kecerdasan buatan.
Algoritma PID merupakan pengendali berumpan balik yang popular di bidang kendali industri.
Selama lebih dari 50 tahun, pengendali PID terbukti dapat memberikan performansi kendali yang baik
meskipun algoritma yang digunakan sederhana. Parameter-parameter performansi suatu sistem kendali
yang digunakan antara lain maximum overshoot, error steady state, rise time dan settling time (Amiri et
al., 2013).
Saat ini di dunia industri terdapat banyak perangkat pengendali elektronis yang digunakan untuk
mengendalian motor DC. Berdasarkan berbagai literatur contoh perangkat kendali sistem analog
menggunakan rangkaian penguat operasional, serta perangkat kendali dengan sistem digital menggunakan
FPGA, microcontroler dan PLC. Meskipun pengendali berbasis sistem digital saat ini lebih banyak
digunakan di industri, akan tetapi perangkatnya tetap memiliki kelebihan dan kekurangan dibandingkan
dengan sistem analog. Field Programmable Gate Array (FPGA) lebih disukai untuk aplikasi
pengendalian dalam skala laboratorium. Microcontroler dipilih dalam pengembangan aplikasi skala
laboratorium karena harga kapasitas memori yang rendah. Diantara yang lainnya perangkat pengendali
198
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto
Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
berbasis Programmable Logic Controller (PLC) sering digunakan dalam aplikasi industri karena operasi
yang stabil dan memiliki struktur hardware yang fleksibel (Bayindir et al., 2014). Selain itu, PLC juga
mendukung untuk pengendalian motor listrik, panel sentuh dan komputer yang digunakan sebagai Human
Machine Interface (HMI) sehingga memudahkan pengguna dalam melakukan pengendalian, pemantauan
pada sistem yang dikendalikan (Patel et al., 2014).
Berdasarkan referensi pustaka dari berbagai literatur dalam perancangan kendali PID, hal yang
penting yaitu dalam penentuan parameter Kp, Ti dan Td agar dapat diperoleh performansi sistem yang
optimal. Handy Wicaksono dkk. (2004) telah melakukan studi komparatif metode tunning Pengendali
PID. Literatur lain yang berkaitan dengan sistem pengendalian putaran motor DC berbasis PLC yaitu
Bayindir dkk. (2014) yang membangun sistem pengendalian motor DC berbasis PLC dengan metode
pengaturan pulse width modulation (PWM) untuk mengatur kecepatan putarannya serta menampilkan
set-point kecepatan putaran dan respon motor pada komputer. Sedangkan Krunal Patel dkk. (2014)
mengembangkan sistem pengendali motor pada mesin crane yang dapat dilakukan menggunakan Human
Machine Interface (HMI) berbasis PLC. Dengan menggunakan HMI, pengguna dimudahkan untuk
mengatur parameter yang ingin dikendalikan misalnya untuk pengaturan kecepatan dan arah putaran
motor DC.
Berdasarkan latar belakang yang dijelaskan didepan, pada penelitian ini dilakukan perancangan
dan implementasi pengendalian kecepatan motor DC menggunakan pengendali PID berbasis PLC.
Dengan menggunakan PLC dan HMI diharapkan dapat mempermudah pengguna dalam mengatur dan
memantau respon sistem pada motor DC.
METODE PENELITIAN
Proses perancangan dan implementasi pengendali PID untuk pengaturan kecepatan motor DC
berbasis PLC diperlihatkan pada Gambar 1.
Mulai
Pembuatan Perangkat Lunak
Studi Literatur
Kalibrasi Sistem
Perancangan
Perangkat Keras
Pembuatan
Perangkat Keras
Pengujian Sistem
Tidak
Apakah Performansi
plant sudah optimal?
Ya
Selesai
Gambar 1. Diagram alir penelitian
HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah melaksanakan studi literatur yang berkaitan dengan topik penelitian, proses perancangan
dan implementasi sistem dilaksanakan dalam tiga tahapan yaitu :
Tahap Perancangan Sistem
Tahap perancangan sistem terdiri dari beberapa parameter yang harus ditentukann, yaitu desain
hardware dan desain software. Desain hardware meliputi rangkaian pengendalian menggunakan
199
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto
Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
Programmable Logic Controller, rangkaian Driver motor DC, rangkaian sensor kecepatan pada motor
DC dan skema HMI (Human Machine Interface). Sedangkan untuk desain software meliputi program
utama PLC untuk pengendalian motor DC dan program untuk komunikasi PLC dengan HMI. Dari konsep
tersebut dapat digambarkan dengan diagram blok perancangan seperti pada gambar 2.
Human
Machine
Interface
PID
KONTROLER
PLC TWIDO
SENSOR KECEPATAN
Driver
Motor DC
MOTOR DC
Gambar 2. Diagram blok sistem kendali kecepatan Motor DC dengan PLC
Tahap Pembuatan Sistem
Pengendali kecepatan motor DC dengan kendali PID pada penelitian ini menggunakan perangkat
PLC Twido TWDLCAE40DRF. Perangkat ini berfungsi untuk mengendalikan kecepatan putaran motor
DC dengan menggunakan Pulse Witdh Modulation (PWM) untuk mengatur tegangan efektif pada sumber
daya motor DC. Perangkat ini juga terdapat fitur kendali PID internal yang dapat diatur parameter-parater
kendalinya. Untuk skema secara keseluruhan rangkaian antarmuka PLC dengan komponen pengendalian
kecepatan motor DC diperlihatkan pada gambar 3.
HMI
Programmable
Logic Controller
%Q0.5
Output Status
Indicator
TSCXUSB
%Q0.0
RS-485
Driver Motor
DC
%I0.12 dan % I0.13
%I0.0
MOTOR DC
Saklar Pengatur
Mode Pengendalian
Magnetic EncoderSensor Kecepatan
Gambar 3. Skema elektronis masukan dan keluaran PLC
Motor DC merupakan aktuator yang sistem kontrolnya relatif mudah dibandingkan aktuator jenis
lainnya. Dikarenakan keluaran arus pada PLC cukup kecil, maka untuk memenuhi kebutuhan arus yang
cukup besar untuk motor DC digunakan rangkaian driver. Pada penelitian ini motor DC yang digunakan
memiliki spesifikasi sumber tegangan sebesar 12-24 Volt dengan arus minimal 2 Ampere. Sehingga
ditentukan rangkaian driver motor DC yang mampu memberikan sumber daya yang diperlukan oleh
motor DC. Arus keluaran pada PLC adalah 400 mA sehingga untuk menguatkan arus yang dibutuhkan
digunakan rangkaian driver motor DC menggunakan MOSFET IRFZ540. Untuk skema rangkaian driver
motor DC yang digunakan pada penelitian ini diperlihatkan pada gambar 4.
Untuk mengetahui kecepatan putaran motor DC digunakan sensor kecepatan. Sinyal masukan
perangkat ini dikoneksikan dengan motor DC, dan untuk keluarannya dijadikan umpan balik dengan
dikoneksikan pada masukan PLC pada alamat %I0.0.
Pada motor DC yang digunakan pada penelitian ini memiliki magnetic encoder yang berfungsi
sensor kecepatan. Magnetik encoder mengukur putaran dengan memanfaatkan efek magnetis pada Motor
DC. Pada Gambar 5 diperlihatkan skema dan prinsip kerja magnetic encoder yang digunakan.
200
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto
Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
Gambar 5. Skema keluaran magnetic encoder
Gambar 4. Skema rangkaian driver Motor DC
,
Pada gambar 6, diperlihatkan perangkat pengendalian yang digunakan dalam yaitu PLC Twido
dengan type TWDLCAE40DRF dan aktuator motor DC yang digunakan serta perangkat pendukungnya
berupa perangkat komunikasi PLC dan HMI, Driver Motor DC, Sensor Kecepatan dan Rangkaian
Sumber Daya.
Power Supply
Driver
Motor DC
Motor DC
PLC
Gambar 6. Perangkat keras yang digunakan dalam penelitian
saklar
Tahap Pengujian Sistem
Pengatur
Mode
Tahap Pengujian Sistem
Pada tahap ini dilakukan untuk mengetahui performasi sistem yang dibangun yang terdiri
pengujian sistem kendali motor DC tanpa menggunakan kendali PID dan pengujian sistem kendali motor
DC dengan menggunakan menggunakan PID.
Langkah awal yang dilakukan dalam pengujian sistem yaitu dengan melakukan proses kalibrasi
pengukuran kecepatan putaran motor DC dalam satuan RPM (Rotary Per Minute) yang digunakan
sebagai parameter yang dikendalikan. Implementasi pengukuran kecepatan putaran motor DC dilakukan
dengan menghitung sinyal masukan yang berasal dari keluaran magnetic encoder pada Motor. Sesuai
dengan datasheet pada Motor DC diketahui magnetik encoder akan mengeluarkan sinyal berupa
gelombang persegi sebanyak 115 buah tiap satu putaran motor. Sinyal ini digunakan sebagai masukan
fungsi Fast Counter (%FC0) pada PLC yang diambil nilainya setiap 1 detik. Pengaturan waktu sampling
dilakukan menggunakan fungsi Timer (%TM0) Pada PLC. Jumlah putaran setiap detik selanjutnya
dikirimkan dalam memory word internal PLC yaitu pada alamat %MW10. Untuk meningkatkan
kepresisian hasil pengukuran kecepatan putar proses perhitungan dilakukan dalam format floating point
yaitu pada alamat %MF2.
Proses kalibrasi dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran kecepatan putaran motor DC
menggunakan optical tachometer dan hasil pengukuran RPM pada PLC yaitu nilai hasil perhitungan
201
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto
Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
alamat %MF2. Berdasarkan perbandingan hasil pengukuran kecepatan putaran motor DC diperoleh
perbedaan sebesar 4,28 % dari hasil pengukuran kecepatan putaran menggunakan Tachometer dengan
pengukuran pada PLC. Pada gambar 7 diperlihatkan data pengukuran dalam proses kalibrasi.
Kecepatan (RPM)
250
200
150
Series1
100
Series2
50
Pengukuran Tachometer
0
1
2
3
Uji ke-
Pengukuran PLC
4
5
6
Gambar 7. Data pengamatan kalibrasi pengukuran kecepatan Motor DC
Untuk mengetahui performansi sistem kendali kecepatan motor DC tanpa menggunakan algoritma
PID dilakukan dengan memberikan nilai Kp=1, Ti=0 dan Td=0 pada pengaturan konstanta PID dalam
sistem yang buat. Pada Gambar 8(a) dan (b) diperlihatkan kurva pengamatan performasi sistem beserta
tampilan HMI yang digunakan serta kurva respon open loop.
Kecepatan (RPM)
Output Trace
Error Steady
State
waktu (menit)
Gambar 8. (a) Human Machine Interface yang digunakan dalam sistem kendali kecepatan
motor DC (b)Respons sistem kendali tanpa PID
Pada pengujian sistem kendali kecepatan motor DC dengan Algoritma PID dilakukan dengan
mengatur parameter-parameter yang dibutuhkan dalam sistem kendali menggunakan Human Machine
Interface (HMI) yang dibuat menggunakan fasilitas yang ada pada aplikasi Twido Suite yang juga
berfungsi sebagai perangkat pemrograman PLC. HMI yang dibuat dengan menggunakan fitur Animation
table yang berfungsi mengatur dan melihat memori internal pada PLC yaitu %MW13 (nilai RPM
terukur), % MW31 (nilai Setpoint), % MW40 (Nilai Output PID), %MW60 (nilai Konstanta Proporsional
(Kp)), %MW61 (Nilai Konstanta Integral (Ti)), dan % MW62 (Nilai Konstanta Diferensial(Td)). Untuk
mengetahui performansi dari sistem kendali dalam bentuk grafik dibuat dengan menggunakan fitur
Output Trace pada fungsi PID PLC.
Berdasarkan Gambar 8 (b), diperlihatkan hasil pengamatan respon sistem yang tidak menggunakan
algoritma PID yaitu memiliki tingkat kesalahan tunak (error steady state) yang cukup besar. Pada kurva
respon terdapat sinyal setpoint kecepatan motor DC yang yang diharapkan dan sinyal sinyal terukur
202
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto
Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
(measure) kecepatan motor DC. Pada setpoint kecepatan sebesar 150 RPM, nilai terukur kecepatan
putaran sebesar 95 RPM. Sehingga tingkat kesalahan tunak pada sistem kendali adalah sebesar 63%.
Pengujian awal untuk mengukur perfomansi sistem kendali kecepatan motor DC dengan algoritma
PID, dilakukan dengan menentukan setpoint sebesar 100 RPM. Kurva respon sistem pada pengujian ini
diperlihatkan pada gambar 9(a). Pada pengujian pada setpoint pada kecepatan 100-120 RPM, ditentukan
kontanta PID yaitu nilai Kp=8, Ti=0,1 dan Td=0. Diperoleh nilai kecepatan stabil pada kecepatan 100110RPM dengan rise time mendekati 0 detik, sedangkan pada nilai setpoint lebih dari 110 RPM
diperoleh respon sistem kendali dalam keadaan berosilasi karena nilai parameter kontanta proporsional
yang besar sehingga menyebabkan tingkat kesalahan tunak yang cukup besar.
Kecepatan (RPM)
Kecepatan (RPM)
rpm measure
rpm setpoint
waktu (menit)
Gambar 9(a) Kurva Respon Sistem Kendali pada set Point 100 - 120 RPM, b) Kurva Respon
Sistem pada setpoint 115 RPM
Pengujian selanjutnya dilakukan dengan mengubah parameter PID dengan nilai Kp =50, Ti=0,1
dan Td = 0, diperoleh perfomansi yang cukup stabil pada pengaturan kecepatan 100 s/d 115 RPM dengan
rise time mendekati setpoint. tetapi belum diperoleh performansi yang stabil pada kecepatan motor pada
kecepatan lebih dari 115 rpm. Kurva Respons sistem pada pengujian ini diperlihatkan pada gambar 9(b).
Kp=4,
Kp=3,
Ti=0,0,Td=0
Ti=0,3,Td=0
Set point 200 rpm
Kp=5, Ti=0,1,Td=0
Kecepatan (RPM)
Kecepatan (RPM)
Kp=1,
Ti=0,1,Td=0
Kp=2,
Ti=0,1,Td=0
waktu (menit)
Kp=4,
Ti=0,1,Td=0
Set point 200 – 220rpm
Kp=5, Ti=0,1,Td=0
Set point 200 rpm
Kp=5, Ti=0,1,Td=0
waktu (menit)
Gambar 10(a)Kurva Respon Sistem Kendali pada setpoint 180 – 200 RPM, (b) setpoint 200 –
220 RPM
Pada gambar 10(a) diperlihatkan performansi sistem kendali untuk pengendalian kecepatan pada
set point 180 sampai dengan 200 RPM, dengan melakukan beberapa pengaturan parameter konstanta PID
yang digunakan parameter PID dengan nilai KP=2; Ti=0,1 dan Td=0 memiliki respon yang paling baik
pada dibandingkan dengan respon pada pengaturan kontanta PID yang lain. Tetapi untuk pengendalian
kecepatan lebih dari 185 RPM pengendalian dengan parameter ini respon sistem sangat tidak stabil.
Pengujian yang diperlihatkan pada gambar 10(b) dilakukan untuk mendapatkan nilai parameter
PID yang paling optimal untuk pengendalian kecepatan putaran motor DC pada kecepatan 200 sampai
203
Prosiding SENATEK 2015 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto
Purwokerto, 28 November 2015, ISBN 978-602-14355-0 -2
dengan 220 RPM. Hasil pengujian sistem diperlihatkan pada gambar 13. Perdasarkan hasil pengamatan
untuk mencari nilai parameter PID yang paling optimal untuk pengendalian kecepatan putaran motor DC
pada kecepatan 200-220 RPM diperoleh nilai kontanta PID yang paling optimal pada nilai Kp=5, Ti=0,1,
dan Td=0. Performansi sistem menunjukkan rise time yang mendekati setpoint dengan nilai kesalahan
tunak yang paling kecil dibandingkan dengan penggunaan konstanta PID yang lainnya.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pembahasan dalam penelitian ini, maka dapat disimpulkan bahwa:
1) Implementasi kendali PID pada pengaturan kecepatan motor DC menggunakan PLC Twido
TWDLCAE40DRF dapat dilakukan.
2) Tingkat kesalahan pengukuran kecepatan motor DC menggunakan PLC sebesar 4,28% dibandingkan
pengukuran kecepatan menggunakan tachometer.
3) Penentuan Kontanta PID (Kp, Ti dan TD) sangat berpengaruh terhadap performasi plant, semakin
besar nilai Kontanta proporsional (Kp) dapat mempercepat rise-time tetapi akan menyebabkan respon
kurang stabil berosilasi, penentuan nilai konstanta integral (Ti) dapat mengurangi osilasi tetapi dapat
memperlambat rise-time.
4) Implementasi kontroler PID memberikan kriteria performansi plant yang cukup baik yaitu pada
pengaturan setpoint pada kecepatan 100-120 RPM menggunakan kontanta PID (Kp=8, Ti=0,1 dan
Td=0), pada set point 180-200 RPM menggunakan konstanta PID (KP=2; Ti=0,1 dan Td=0), dan
pada setpoint 200-220 RPM diperoleh nilai kontanta PID yang paling optimal pada nilai Kp=;
Ti=0,1, dan Td=0.
DAFTAR PUSTAKA
Avinash P. K. & Sachin A. K., (2014), PLC Based PID Speed Control Syste. IOSR Journal Of
Engineering Vol.4.
Bayindir, R. & Vadi, S., (2014), Implementation of a PLC and OPC-Based DC Motor Control
Laboratory, 4th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives –
IEEE.
Handriansyah & Eka, F, (2012), Pengendalian Beban generator Secara Otomatis Dengan Algoritma PID
pada PLTMH Berbasis PLC, Jurnal Teknologi Vol 5.
Handy, W, (2004), Analisa Performansi dan Robustness Beberapa Metode Tuning Kontroler PID pada
Motor DC, Jurnal Teknik Elektro Universitas Kristen Petra Vol.4.
Handy, W. & Josaphat, P, (2004), Kontrol PID untuk Pengaturan Motor DC dengan Metode Tuning
Direct Synthesis, Jurnal Teknik Elektro Vol.4.
Krunal, P., Bhavesh, B. & Hiren, C, (2010), Touch Screen Based Industrial Crane Controlling,
International Journal Of Scientific Research Engineering & Technology (IJSRET) Vol 3.
Ogata, K, (2010), Modern control Engineering 5th edition, Prentice-Hall.
Parviz, A. & Mahsa.B, (2013) , Speed Control of DC Motor by Programmable Logic Control with High
Accuracy, Universal Journal of Control and Automation.
Pramudijanto, J. & Fitriadi, P, (2005), Implementasi Adaptive PID dengan PLC C200H Untuk Sistem
Pengaturan Motor DC, Journal of Electrical and Electronics Engineering Vol.3.
204