bab ii landasan teori
advertisement
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sistem SCADA Sistem pengontrolan merupakan sistem yang tidak bisa dipisahkan dari sebuah sistem ketenagalistrikan. Dimulai dari sistem konvensional yang semuanya dilakukan secara manual sampai pada sistem pengontrolan otomatis yang dapat mengefisiensikan waktu, tenaga dan juga biaya. Sesuai dengan penjelasan di atas, maka sistem pengontrolan secara otomatis menjadi pilihan yang tepat sesuai dengan kondisi dan keadaan sistem saat ini. Salah satu sistem pengontrolan yang dikenal dan biasa digunakan pada sistem tenaga listrik adalah sistem SCADA. 2.1.1 Pengertian sistem SCADA SCADA merupakan singkatan dari Supervisory Control and Data Acquisition merupakan sebuah sistem yang mengumpulkan informasi atau datadata dari lapangan dan kemudian mengirimkannya ke sebuah komputer pusat yang akan mengatur, mengolah mengontrol, data-data tersebut. Sistem SCADA digunakan dalam berbagai industri dan sistem proses, khususnya dalam bidang ketenagalistrikan. Sistem SCADA diperlukan untuk menangani suatu sistem plant dengan melakukan pengendalian, pengawasan, penandaan, perekaman dan pengambilan data dengan tingkat kompleksitas yang tinggi bahkan bisa menangani hingga ratusan ribu I/O secara terpusat. Gambar 2.1. Konfigurasi sistem SCADA 5 6 Sebuah sistem SCADA terdiri dari Master Terminal Unit (MTU), Human Machine Interface (HMI), Front End Processor (FEP), Media Komunikasi Data, Remote Terminal Unit (RTU), dan plant. semua itu menjadi satu sistem, istilah SCADA merujuk pada sistem pusat keseluruhan. Sistem pusat ini biasanya melakukan pemantauan data-data dari berbagai macam sensor di lapangan atau bahkan dari tempat yang lebih jauh. 2.1.2 Komponen sistem SCADA Sistem SCADA digunakan untuk memonitor dan mengendalikan pabrik atau alat-alat pada bidang industri seperti telekomunikasi, kendali air dan limbah, energi, minyak,pemurnian gas, transportasi, dan dibidang ketenagalistrikan . sistem SCADA ini dibentuk oleh empat komponen yang memiliki sinergitas fungsi satu sama lain, komponen tersebut antara lain: 1) Peralatan Lapangan : Peralatan instrumentasi di lapangan pada sebuah plant berupa sensor digunakan untuk membaca sinyal analog atau digital yang diukur, sedangkan aktuator digunakan untuk mengendalikan peralatan seperti motor,saklar,katup,dan sebagainya. 2) Remote Terminal Unit (RTU) umumnya berupa sebuah unit yang dilengkapi dengan sistem mandiri seperti sebuah komputer, yang ditempatkan pada lokasi dan tempat-tempat tertentu di lapangan. RTU bertindak sebagai pengumpul data lokal yang mendapatkan datanya dari sensor-sensor dan mengirimkan perintah langsung ke peralatan di lapangan yang berfungsi untuk mengendalikan aktuator, membaca sinyal dari sensor dan berkomunikasi dengan pengendali. 3) Jaringan komunikasi digunakan untuk menghubungkan RTU dengan stasiun pusat pengendali MTU yang dapat berupa jaringan kabel,atau radio 4) Master Terminal Unit (MTU) merupakan komputer yang digunakan sebagai pengolah pusat dari sistem SCADA. MTU ini menyidiakan Human Machine Interface(HMI) bagi pengguna, dan secara otomatis mengatur sistem sesuai dengan masukan-masukan dari sensor yang diterima. 7 2.1.3 Aplikasi sistem SCADA SCADA bukanlah teknologi khusus, tapi lebih merupakan sebuah aplikasi, SCADA digunakan untuk melakukan proses industri yang kompleks secara otomatis, menggantikan tenaga manusia, dan biasanya merupakan proses-proses yang melibatkan faktor-faktor kontrol yang lebih banyak, faktor-faktor kontrol dengan gerakan cepat yang lebih banyak, dan lain sebagainya, dimana pengontrolan oleh manusia menjadi tidak efektif lagi. Sebagai contoh, SCADA digunakan di seluruh dunia misalnya antara lain: 1) Pembangkit, transmisi dan distribusi listrik, SCADA digunakan untuk mendeteksi besarnya arus dan tegangan, pemantauan operasional circuit breaker, dan untuk mematikan atau menghidupkan the power grid. 2) Penampungan dan distribusi air, SCADA digunakan untuk pemantauan dan pengaturan laju aliran air, tinggi reservoir, tekanan pipa dan berbagai macam faktor lainnya. 3) Bangunan, fasilitas dan lingkungan, manajer fasilitas menggunakan SCADA untuk mengontrol unit-unit pendingin, penerangan, dan sistem keamanan. 4) Produksi, sistem SCADA mengatur inventori komponen-komponen, mengatur otomasi alat atau robot, memantau proses dan kontrol kualitas 5) Transportasi KA listrik, menggunakan SCADA bisa dilakukan pemantauan dan pengontrolan distribusi listrik, otomasi sinyal trafik KA, melacak dan menemukan lokasi KA, mengontrol palang KA dan lain sebagainya. 6) Lampu lalu lintas, SCADA memantau lampu lalu lintas, mengontrol laju lalu lintas, dan memdeteksi sinyal-sinyal yang salah. 2.1.4 SCADA pada sistem tenaga listrik Fasilitas SCADA diperlukan untuk melaksanakan pengusahaan tenaga listrikterutama pengendalian operasi secara realtime. Suatu sistem SCADA terdiri dari sejumlah RTU, sebuah MTU, dan jaringan telekomunkasi data antara RTU dan FEP. RTU dipasang disetiap Gardu Induk atau Pusat Pembangkit yang hendak dipantau. RTU ini bertugas untuk mengetahui setiap kondisi peralatan tegangan tinggi melalui pengumpulan data besaran-besaran listrik, status peralatan, dan sinyal alarm yang kemudian diteruskan ke FEP melalui jaringan 8 telekomunikasi data. RTU juga dapat menerima dan melaksanakan perintah untuk merubah status peralatan tegangan tinggi melalui sinyal-sinyal perintah yang dikirim dari FEP. Dalam sistem SCADA dispatcherkita dapat mendapatkan data dengan cepat setiap saat atau realtime bila diperlukan, disamping itu SCADA dapat dengan cepat memberikan peringatan pada dispatcher bila terjadi gangguan pada sistem sehingga gangguan dapat dengan mudah dan cepat diatasi atau dinormalkan. Data yang dapat diamati berupa kondisi ON/OFF peralatan transmisi daya, kondisi sistem SCADA sendiri, dan juga kondisi tegangan dan arus pada setiap bagian di komponen transmisi. Setiap kondisi memiliki indikator bebeda, bahkan apabila terdapat indikasi yang tidak valid maka operator akan mengetahui dengan mudah. MTU secara berurutan memindai seluruh RTU dengan mengirimkan pesan pendek pada tiap RTU untuk mengetahui jika RTU mempunyai informasi yang perlu dilaporkan. Jika RTU mempunyai sesuatu yang perlu dilaporkan, RTU akan mengirim pesan balik pada MTU, dan data akan diterima dan dimasukan ke dalam memori komputer. Siklus pindai membutuhkan waktu relatif pendek, sekitar 7 detik (maksimal 10 detik). Siklus pindai yaitu pemindaian seluruh remote terminal unit dalam sistem. Ketika MTU memberikan perintah kepada sebuah RTU, maka semua RTU akan menerima perintah itu, akan tetapi hanya RTU yang alamatnya sesuai dengan perintah itulah yang akan menjalankannya. Sistem ini dinamakan dengan istem polling. Pada pelaksanaanya terdapat waktu tunda untuk mencegah kesalahan yang berkaitan dengan umur data analog. Selain dengan pemindaian, pertukaran data juga dapat terjadi secara incidental (segera setelah aksi manuver terjadi) misalnya terjadi penutupan CB oleh operator gardu induk, maka RTU secara otomatis akan segera mengirimkan status CB di gardu induk tersebut ke MTU. Dispatcher akan segera mengetahui bahwa CB telah tertutup. Secara umum pengaplikasian SCADA pada sistem tenaga listrik memilki fungsi antara lain: 9 1) Pengawasan dan Pengendalian Pengawasan dan pengendalian dioperasikan secara jarak jauh pada peralatan yang berada di gardu dan memberikan sinyal balik dan memberitahukan aksi kendali telah dilaksanakan. Fungsi-fungsi pengawasan dan pengendalian diantaranya adalah: a) Telesignallling (TS) berfungsi untuk pengiriman sinyal atas gejala atau perubahan keadaan pada sistem generator kepada pusat pengaturan pembangkit, serta pembacaan data status peralatan diplant, seperti status dari load generator close atau open. Dengan ini diharapkan gangguan padaplant bisa dideteksi lebih cepat karena pemantauan dari pusat kontrol terhadap saklar pembebanan bisa diketahui dalam waktu yang realtime. b) Telecontrol (TC) berfungsi mengeluarkan dan memasukan beban generator pada plant generator. TC dilaksanakan dari pusat pengaturan pembangkit. Sistem ini sebelumnya melakukan aktivitas polling yaitu aktivitas rutin selama waktu tertentu untuk menanyakan informasi dari setiap RTU. Seleksi ini memastikan ada atau tidaknya hubungan dari RTU ke pusat kontrol. Jika ada hubungan akan di jawab siap (in scan), sebaliknya jika tidak ada hubungan akan dijawab (out scan). Kondisi out of scan atau tidak adanya hubungan dengan RTU dengan pusat kontrol bisa disebabkan oleh beberapa sebab, misalnya kerusakan pada sisi kabel atau media transmisi, RTU yang bermasalah. Pada kondisi out of scan tidak dapat dilakukan Remote Control. c) Telemetering (TM) yang berfungsi sebagai pembaca data. Hasil pemantauan ini selaindigunakan sebagai pencatat data, beroperasinya tegangan plant generator juga dapat digunakan kaitannya untuk melakukan Remote Control. 2) Pengarsipan Data Fungsi lainnya dari sistem SCADA yang terdapat di pusat kontrol yaitu pencatat status dan data pengukuran yang ada di bawah pengendalinya. Pencatatan ini berisi status dari plant generator, data pengukuran semua generator, energi total yang digunakan dan dibangkitkan pada periode tertentu, kondisi darurat, yang semuanya dilengkapi dengan dengan waktu terjadinya peristiwa. Hasil pencatatan akan dicetak oleh printer, sehingga tersedia dokumentasi yang tetap. Selain itu juga dapat ditampilkan pada 10 layar peraga bila diinginkan oleh operator. Pusat kontrol mampu melakukan perhitungan besaran yang diperoleh dengan waktuyang relatif singkat. Hal ini yang menyebabkan sistem dapat dioperasikan dengan tingkat keandalan dan keamanan yang lebih tinngi. 2.2 Sistem Pembangkitan Sistem pembangkitan merupakan salah satu bagian dari sistem tenaga listrik. Sistem ini merupakan sistem yang paling awal dari sistem tenaga listrik dimana sistem ini berfungsi sebagai penghasil energi listrik. Tenaga listrk ini diperoleh dari proses konversi dari energi mekanik menjadi energi listrik. 2.2.1 Proses pembangkitan sistem tenaga listrik Pada dasarnya proses pembangkitan tenaga listrik adalah proses memutar generator sinkron sehingga didapatkan tenaga listrik arus bolak –balik tiga fasa. Generator dapat diputar oleh tenaga mekanik, tenaga ini didapat dari mesin penggerak generator listrik atau biasa disebut penggerak mula (primover). Mesin penggerak generator listrik yang banyak digunakan adalah mesin diesel, turbin uap, turbin air, dan turbin gas. Mesin penggerak generator melakukan konversi tenaga primer menjadi tenaga mekanik. Tenaga primer ini dapat dihasilkan dari bahan bakar, potensi tenaga air, panas bumi bahkan reaksi nuklir. Energi yang terkandung dalam tenaga primer digunakan sebagai tenaga penggerak untuk turbin, kemudian turbin ini akan menjadi mesin yang menggerakan generator. Ketika generator berputar akibat mesin penggerak generator, generator akan mengalami induksi yang pada akhirnya generator akan menghasilkan tenaga listrik. Gambar 2.2 menunjukan diagram proses pembangkitan tenaga listrik, mulai dari tenaga primer sampai dengan konsumen : (a) Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA); (b) Pusat Listrik Tenaga Panas(PLTP); dan (c) Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). 11 Gambar 2.2 Diagram Proses Pembangkitan Tenaga Listrik 2.2.2 Generator Induksi Generator adalah suatu mesin yang mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik melalui proses induksi elektromagnetik, generator memperoleh energi mekanik dari prime mover. Mesin-mesin pengubah energi ini perkembangannya dimulai dari diketemukannya hukum induksi elektromagnetik oleh faraday, hukum itu berbunyi sebagai berikut : “ Jika fluksi magnet menembus suatu rangkaian tertutup dan berubah terhadap waktu, maka akan timbul suatu tegangan induksi yang sebanding dengan perubahan fluksi terhadap waktu didalam rangkaian tersebut “ dan bila dinyatakan dalam persamaan adalah : e = fluksi (Ø) dinyatakan dalam weber. volt,dimana 12 Untuk mesin-mesin pembangkit listrik yang berputar, yaitu bila konduktorbergerak relatif dengan kecepatan v terhadap fluksi yang konstan terhadap waktu,maka hukum faraday dapat dinyatakan dengan “ Tegangan induksi yang dibangkitkan didalam konduktor adalah sebanding dengan besarnya fluksi yang di potong oleh konduktor dalam waktu satu detik, “ atau dinyatakan dalam persamaan sebagai : e = - Blv volt dimana dalam satuan mks dan dalam karapatan fluksi dinyatakan dalam weber/m2 panjang l dalam meter dan kecepatan v dalam meter / detik. Untuk membangkitkan tegangan pada kumparan jangkar dari altenator generator sinkron dapat dilakukan dengan memutar kumparan jangkar atau dalam sebuah medan magnet stasioner. Jika sebuah lilitan konduktor diputarkan diantara dua buah kutub utara dan selatan dan ujung dari konduktor dihubungkan dengan sliprings, maka pada sliprings akan timbul tegangan bila kita hubungkan dengan rangkaian luar misalnya dengan tahanan R. Bilamana kerapatan fluksi antara kutub utara dan kutub selatan itu uniform maka tegangan yang dibangkitkan merupakan tegangan bolak balik. Gambar 2.3 Diagram generator tiga fasa 2.3Motor induksi sebagai generator Motor induksi tiga fasa merupakan motor yang banyak digunakan. Salah satunya motor induksi rotor sangkar yang banyak digunakan karena kelebihannya sangat kokoh, sederhana, murah, dan mudah perawatannya. Motor induksi tiga fasa dapat digunakan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada 13 kecepatan diatas kecepatan medan putar. Motor listrik tiga fasa dapat dioperasikan sebagai generator satu fasa atau generator tiga fasa. Agar motor induksi dapat berfungsi sebagai generator, maka diperlukan arus eksitasi, arus eksitasi tersebut didapat dari kapasitor. Pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak terdapat pengatur tegangan, oleh karena itu tegangan keluarannya sangat dipengaruhi oleh besarnya beban dan nilai kapasitor eksitasi. Pada umumnya pengendalian tegangan generator induksi mengunakan Induction Generator Controller (IGC). IGC merupakan piranti elektronis yang menyensor tegangan, kemudian mengatur besar beban penyeimbang. IGC berbasis komputar dan berbasis komparator, kelemahan IGC adalah menggunakan teknologi yang tidak sederhana. Kemudian salah satu cara untuk mngendalikan tegangan dan frekuensi pada generator ini adalah dengan cara mengatur beban pada (output) generator. Apabila beban nyata berkurang maka ada mekanisme yang mengatur beban penyeimbang (ballast load) agar terjadi keseimbangan antara masukan dan keluaran. 2.4. Perangkat keras Perangkat keras merupakan salah satu komponen pembentuk sebuah sistem. perangkat ini merupakan perangkat yang dapat dilihat dan dirasakan oleh indera peraba. 2.4.1. Definisi trafo tegangan Trafo tegangan / voltage transformator / potensial transformator adalah suatu peralatan listrik yang dapat memperkecil tegangan tinggi menjadi tegangan rendah, yang dipergunakan dalam rangkaian arus bolak-balik. Fungsi trafo tegangan adalah untuk memperoleh tegangan yang sebanding dengan tegangan yang hendak dipergunakan dan untuk memisahkan sirkuit dari sistem dengan tegangan tinggi ( yang selanjutnya disebut sirkuit primer) terhadap siskut dimana terdapat alat ukur (instrumen) tersambung (yang selanjutnya disebut sirkuit sekunder). Perbedaan dengan transformator tenaga adalah pada transformator tenaga yang dibutuhkan adalah tegangan dan daya keluarannya tetapi pada transformator tegangan yang dibutuhkan adalah tingkat ketelitiannya dan penurunan tegangannya yang disesuaikan dengan alat ukur. 14 Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan Gambar 2.4 Transformator tegangan 2.4.2 Definisitrafo arus Trafo arus / current transformator (CT) adalah suatu peralatan listrik yang dapat memperkecil arus besar menjadi arus kecil, yang digunakan dalam rangkaian arus bolak-balik. Fungsi CT adalah untuk memperoleh arus yang sebanding dengan arus yang hendak diukur (sisi sekunder 5 A atau 1 A) dan untuk memisahkan sirkuit dari sistem yang arus nya hendak diukur (yang selanjutnya di sebut sirkuit primer) tehadap sirkuit dimana instrument 15 tersambung (yang selanjutnya disebut sirkuit sekunder). Berbeda dari transformator tenaga yang arusnya tergantung beban disisi sekunder, tetapi pada trafo arus seperti haknya ampere meter yang disisipkan ke dalam sirkuit primer, arusnya tidak tergantung beban disisi sekunder, melainkan tergantung pada arus disisi primernya. I1=(I2*N2)/N1 Ket : I1 =Arus primer (Amper) I2 = Arussekunder (Amper) N1= Lilitan primer N2= Lilitansekunder Gambar . 2.5 Transformator Arus 2.4.3. Sensor tegangan Variabel tegangan mempunyai satuan volt yang merupakan satuan standar kelistrikan. Pendeteksi tegangan sangatlah penting dalam instrumentasi. Hampir semua sensor mengeluarkan keluaran dalam bentuk tegangan. Terdapat dua cara dalam melakukan pengukuran tegangan yaitu : metode elektronik, dan metode mekanik. Metode mekanik adalah yang biasa digunakan pada voltmeter analog, dimana besarnya beda potensial itu menggerakan kumparan dan membuat jarum meter menyimpang hingga bila dikalibrasi dapat menunjukan besarnya tegangan yang terukur. Metode digital memanfaatkan 16 komponen analog to digital converter atau ADC yang besarnya beda potensial akan di tampilkan menggunakan display seperti led, seven segmen, atau LCD. Gambar 2.6 Rangkaian sensor tegangan 2.4.4 Sensor arus Sensor arus adalah peralatan yang digunakan untuk merubah suatu bentuk besaran fisik menjadi suatu bentuk besaran listrik sehingga dapat dianalisa menggunakan rangkaian listrik tertentu. Dalam suatu rangkaian elektronik terdapat tegangan, arus, dan hambatan yang saling berhubungan. Amperemeter adalah alat untuk megukur arus yang mengalir pada suatu rangkaian elektronik. Arus listrik yang mengalir pada konduktor menimbulkan medan magnet. Oleh sebab itu arus listrik dapat diukur dengan besarnya medan magnet. Medan magnet dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain : 1. Besar arus listrik 2. Jarak medan magnet terhadap suatu titik pengukuran 3. Arah medan magnet yang terbentuk Medan magnet adalah suatu medan yang dibentuk dengan menggerakan muatan listrik (arus listrik) yang menyebabkan munculnya gaya di muatan listrik yang bergerak lainnya. Putaran mekanika kuantum dari suatu partikel membentuk medan magnet dan putaran itu dipengaruhi oleh dirinya sendiri seperti arus listrik. Sebuah medan magnet adalah medan vektor, yaitu berhubungan dengan setiap titik dalam ruang vektor yang dapat berubah 17 menurut waktu. Arah dari medan ini searah dengan arah jarum kompas yang terletak didalam medan tersebut. Secara konvensional kuat arus dapat diukur dengan menghubungkan alat secara seri pada rangkaian. Cara ini memilki kelemahan karena mengganggu aliran arus yang akan diukur. Kemajuan teknologi digital menngkatkan kemampuan alat ukur. Sensor arus adalah sebatang kawat teraliri arus listrik menuju beban dilewatkan diantara cincin toroid dan sejumlah kawat email digulung pada cincin toroid tersebut maka kumparan kawat pada cincin tersebut akan menginduksikan arus listrik dari sebatang kawat. Dengan mengolah sinyal induksi pada kawat kumparan toroid tersebut maka akan diperoleh nilai arus yang dilewatkan untuk mensuplay beban pada ujung kawat arus. Dengan metode ini arus yang dilewatkan akan terbaca pada fungsi besaran tegangan berbentuk gelombang sinusoidal. Jenis penguat yang digunakan pada pengolah sinyal arus diatas merupakan penguat non inverting, pada bagian belakang diberikan sebuah dioda terpasang sebagai callper yang memotong sinyal dibawah sumbu nol dan kapasitor berfungsi sebagai pemurni tegangan DC. Sehingga pada rangkaian pengkondisi sinyal ini menghasilkan tegangan DC yang kompatibel terhadap kebutuhan tegangan ADC. Gambar 2.7 Rangkaian sensor arus 2.4.5 Sensor suhu LM35 ialah sensor temperatur paling banyak digunakan untuk praktek, karena selain harganya cukup murah, linearitasnya lumayan bagus, LM35 tidak 18 membutuhkan kalibrasi eksternal yang menyediakan akurasi temperatur ruangan dan pada pada kisaran -55 to + 150 . LM35 dimaksudkan untuk beroperasi pada -55° hingga +150 , sedangkan LM35 pada -40°C hingga +110 , dan LM35D pada kisaran 0-100 . LM35D juga tersedia pada paket 8 kaki dan paket TO-220. Sensor LM35 umumnya akan naik sebesar 10mV setiap kenaikan 1 (300mV pada 30 ) Gambar 2.8 Bentuk fisik LM35 tampak bawah Untuk menggunakan LM35, cukup menyadap keluaran pin Vout untuk dapat dihubungkan ke ADC seperti gambar. Jika anda ingin standar pengukuran dalam Fahrenheit, maka dapat menggunakan sensor bertipe LM34A yang mempunyai kisaran pengukuran dari 50F hingga 300F dengan akurasi +2.0F. skala outputnya juga sama yaitu 10mV/F IC LM35 sensor suhu yang teliti dan terkemas dalam bentuk integrated Circuit (IC), dimana output tegangan keluaran sangat linear berpadan dengan perubahan suhu. Sensor ini berfungsi sebagai pengubah dari besaran fisis suhu ke besaran tegangan yang memilki koefisien sebesar 10mV/ yang berati bahwa kenaikan suhu 1 maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10mV. IC LM35 ini tidak memerlukan pengkalibrasian atau penyetelan dari luar karena ketelitiannya lebih kurang seperempat derajat celcius pada temperatur ruang. Jangkauan sensor suhu mulai dari 0 - 100 . IC LM35 penggunaanya sangat mudah, difungikan sebagi kontrol dari indikator tampilan catu daya terbelah. 19 LM35 memiliki kelebihan – kelebihan sebagai berikut: 1. Dapat dikalibrasi langsung dalam celcius 2. Memilki faktor skala linear +10.0mV/ 3. Memiliki kecepatan 0.5 4. Jangkauan maksimal suhu antara -55 5. Cocok untuk aplikasi jarak jauh 6. Harganya cukup murah 7. Bekerja pada tegangan catu daya 4 sampai 20 Volt pada suhu 25 sampai 150 8. Memilki arus drain kurang dari 60 Amp 9. Pemansan sendiri yang lambat (low self-heating) 10. 0.08 11. Impedansi keluaran yang sangat kecil yaitu 0,1 watt untuk beban 1mAmp diudara diam Penggunaan sensor suhu ini dilengkapi dengan penguat operational dimana penguat operational ini akan menaikan nilai tegangan 10 mV keluran sensor menjadi 0.1 V. Berikut adalah penjelasan mengenai penguat operational. Penguat operasional (op-amp) merupakan kumpulan puluhan transistor dan resistor dalam bentuk satu chip IC. Op-Amp merupakan komponen aktif linear yang merupakan penguat gandeng langsung(direct coupling), dengan penguatan terbuka (open gain) yang sangat besar dan dapat dipakai untuk menjumlahkan, mengalikan,membagi, mendiferensialkan, serta mengintegralkan tegangan listrik. IC OP-Amp sering dipakai untuk perhitunganperhitungan analog, instrumentasi, maupun berbagai macam aplikasi kontrol. IC LM358 didesain secara sempurna dalam hal penggunaan dua buah OP-Amp secara bersamaan dalam satu buah chip. IC OP-Amp LM358 memiliki keunggulan dalam pemakaian daya yang lebih rendah, kemampuan penggunaan saluran input yang berkolerasi dengan saluran pentanahan, dan dapat dicatu menggunakan mode catu daya tunggal maupun catu daya ganda. 20 Tabel 2.1 Fungsional pin LM358 No Fungsi Pin 1 Keluaran A (Output A) 2 Masukan menjungkir ( Input inverting) 3 Masukan tak menjungkir (Inverting non-inverting) 4 Dihubungkan dengan terminal negatif pencatu daya (V-) 5 Masukan tak menjungkir (Inverting non-inverting) 6 Masukan menjungkir ( Input inverting) 7 Keluaran B (Output B) 8 Dihubungkan dengan terminal positif pencatu daya (V+) Gambar 2.9 Simbol diagram dan bentuk fisik LM358 2.4.6 Sensor frekuensi Frekuensi adalah jumlah putaran perdetik yang dinyatakan dalam hertz (Hz). Satu periode tegangan dibangkitkan pada konduktor jangkar bilamana rotor berputar satu kali sebesar 360 derajat listrik sehingga frekuensi tergantung pada jumlah kutub dan kecepatan. Bilamana rotor mempunyai P jumlah kutub maka arus bolak-balik pada tiap-tiap perputaran rotor menjalani P/2 periode. Jadi sebuah rotor berkutub P untuk menghasilkan arus bolak-balik dengan frekuensi harus membuat putaran perdetik atau putaran per menit. Sehingga : n= dimana : ................................................. (2.1) 21 n = Dalam putaran permenit f = Frekuensi dalam Hz p = Jumlah kutub Untuk mengetahui besaran frekuensi dibuatlah sensor frekuensi yang berupa instrument elektronik, untuk dapat mengukur atau membaca besarnya frekuensi. Komponen yang digunkan adalah komponen berupa IC yang dapat mengubah bentuk gelombang DC rata menjadi bentuk pulsa yang kemudian dikombinasikan dengan IC yang mampu mengubah bentuk pulsa kembali menjadi tegangan yang akan masuk ke mikrokontroler. Gambar 2.10 Rangkaian frekuensi 2.4.7 AVR ATMega 16 AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasisarsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer). Hampir semua instruksidieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose,timer/Counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal,serial UART, programmable Watchdog Timer, dan mode power saving, ADC danPWM internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chipyang mengijinkan memori program untuk 22 diprogram ulang dalam sistemmenggunakan hubungan serial SPI. ATMega16. ATMega16 mempunyaithroughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat disainer sistem untukmengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan proses. Beberapa keistimewaan dari AVR ATMega16 antara lain: 1) Sistem Mikrokontroler AVR 8 bit yang memiliki kemampuan tinggi dengan daya rendah 2) CPU yang terdiri atas 32 register. 3) Arsitektur RISC dengan throughput mencapai 16 MIPS pada frekuensi 16 Hz 4) Memiliki kapasitas flash memori 16 Kbyte, SRAM 1 Kbyte, dan EEPROM 512 byte 5) Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D. 6) Unit interupsi internal dan eksternal. 7) Port USART untuk komunikasi serial. 8) Fitur Peripheral, antara lain: a) Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan perbandingan. b) Analog to Digital Converte (ADC)) 10 bit sebanyak 8 channel. c) Real time Counter dengan Oscilator tersendiri. d) Empat channel PWM. e) Watchdog timer dengan Oscilator internal. f) Byte-oriented Two-Wire Serial Interface. g) Port antarmuka SPI. h) Tagangan operasi 2,7 V – 5,5 V pada ATMega16L. 2.4.7.1. Konfigurasi pin AVR ATMega16 Pin-pin pada ATmega16 dengan kemasan 40-pin DIP (dual inlinepackage) ditunjukkan oleh gambar 2.10 Kemasan pin tersebut terdiri dari 4Port yaitu Port A, Port B, Port C,Port D yang masing masing Port terdiri dari 8buah pin. Selain itu juga terdapat RESET, VCC, GND 2 buah, VCC, AVCC,XTAL1, XTAL2 dan AREF. 23 Gambar 2.11. Konfigurasi pin ATMega 16 Diskripsi dari pin-pin ATmega16 adalah sebagai berikut : 1) VCC : Suplai tegangan digital 2) GND : Ground 3) Port A : Port A sebagai input analog ke A/D konverter. Port A juga sebagai 8-bit bi-directional port I/O, jika A/D konverter tidak digunakan. Pin-pin port dapat menyediakan resistor-resistor internal pull-up. Ketika port A digunakan sebagai input dan pull eksternal yang rendah akan menjadi sumber arus jika resistor-resistor pull-up diaktifkan. Pin-pin port A adalah tri-state ketika kondisi reset menjadi aktif sekalipun clock tidak aktif. 4) Port B : Port B adalah port I/O 8-bit bi-directional dengan resistor-resistor internal pull-up. Buffer output port B mempunyai karakteristik drive yang simetris dengan kemampuan keduanya sink dan source yang tinggi. Sebagai input, port B yang mempunyai pull eksternal yang rendah akan menjadi sumber arus jika resistor- resistor pull-up diaktifkan. Pin-pin port B adalah tri-state ketika kondisi reset menjadi aktif sekalipun clock tidak aktif. 5) Port C : Port C adalah port I/O 8-bit bi-directional dengan resistor-resistor internal pull-up. Buffer output port C mempunyai karaketristik drive yang simetris dengan kemampuan keduanya sink dan source yang tinggi. Sebagai 24 input, port C yang mempunyai pull eksternal yang rendah akan menjadi sumber arus jika resistor- resistor pull-up diaktifkan. Pin-pin port C adalah tri-state ketika kondisi reset menjadi aktif seklipun clock tidak aktif. Jika antarmuka JTAG enable, resistor- resistor pull-up pada pin-pin PC5(TDI), PC3(TMS), PC2(TCK) akan diktifkan sekalipun terjadi reset. 6) Port D : Port D adalah port I/O 8-bit bi-directional dengan resistor-resistor internal pull-up. Buffer output port D mempunyai karaketristik drive yang simetris dengan kemampuan keduanya sink dan source yang tinggi. Sebagai input, port D yang mempunyai pull eksternal yang rendah akan menjadi sumber arus jika resistor- resistor pull-up diaktifkan. Pin-pin port D adalah tri- state ketika kondisi reset menjadi aktif sekalipun clock tidak aktif. 7) Reset : Sebuah low level pulsa yang lebih lama daripada lebar pulsaminimum pada pin ini akan menghasilkan reset meskipun clock tidak berjalan. 8) XTAL1: Input inverting Oscilator dan input intenal clock operasi rangkaian. 9) XTAL2: Output dari inverting penguat Oscilator. 10) AVCC : Pin supply tegangan untuk Port A dan A/D converter. Sebaiknyaeksternalnya dihubungkan ke VCC meskipun ADC tidak digunakan. JikaADCdigunakan seharusnya dihubungkan ke VCC melalui low pas filter. 11) AREF : Pin referensi analog untuk A/D konverter. 2.4.7.2. Arsitektur ATMega 16 Mikrokontroler yangmemisahkan AVR memori menggunakan dan bus untuk konsep data arsitektur dan program Harvard untuk memaksimalkankemampuan dan kecepatan. Instruksi dalam memori program dieksekusi denganpipelining single level. Dimana ketika satu instruksi dieksekusi, instruksiberikutnya diambil dari memori program. Konsep ini mengakibatkan instruksidieksekusi setiap clock cycle. Selain itu, mikrokontroler AVR jugamengimplementasikan RISC sehingga eksekusi instruksi dapat berlangsungsangat cepat dan efisien. 25 Gambar 2.12 Diagram blok ATMega 16 2.4.7.3. Serial pada ATMega16 Universal synchronous dan asynchronous pemancar dan penerima serialadalah suatu alat komunikasi serial sangat fleksibel. Jenis yang utama adalah : 1) Operasi full duplex (register penerima dan pengirim serial berdiri sendiri) 2) Operasi Asychronous atau synchronous 26 3) Master atau Slave mendapat clock dengan operasi synchronous 4) Pembangkit baud rate dengan resolusi tinggi 5) Dukung frames serial dengan 5, 6, 7, 8 atau 9 Data bit dan 1 atau 2 Stop bit 6) Tahap odd atau even parity dan parity check didukung oleh hardware 7) Pendeteksian data overrun 8) Pendeteksi framing error 9) Pemfilteran gangguan (noise) meliputi pendeteksian bit false start dan pendeteksian low pass filter digital 10) Tiga interrupt terdiri dari TX complete, TX register empty dan RX complete. 11) Mode komunikasi multi-processor 12) Mode komunikasi double speed asynchronous 2.4.8 Liquid crystal display (LCD) Tampilan kristal cair (Inggris: Liquid Crystal Dislay) juga dikenal sebagai LCD adalah suatu jenis media tampilan yang menggunakan kristal cair sebagai penampil data. Gambar 2.13 Bentuk fisik LCD LCD dengan jumlah segmen yang kecil, seperti yang digunakan dalam jam digital dan kalkulator saku, memiliki kontak listrik individu untuk setiap segmen. Sebuah sirkuit berdedikasi eksternal pasokan muatan listrik untuk mengontrol setiap segmen. Struktur layar berat selama lebih dari beberapa elemen layar. Menampilkan monokrom kecil seperti yang ditemukan dalam organizer pribadi, timbnagan lktronik, layar laptop lebih tua, dan nitendo nematic (STN) atau double-layer STN(DSTN) teknologi (ini memecahkan 27 masalah dengan perubahan warna) dan warna-STN (CSTN), di mana warna ditambahkan dengan menggunakan filter internal. Setia baris atau kolom dari layar memiliki sirkuit listrik tunggal. Pixel ditangani satu per satu waktu dengan alamat baris dan kolom. 2.5 Perangkat Lunak Bahasa BASIC (BASCOM) BASCOM-8051 adalah program BASIC compiler berbasis windows untuk mikrikontroler keluarga 8051 seperti AT89C2051,AT89C51, dan yang lainnya. BASCOM-8051 merupakan pemograman dengan bahasa tingkat BASIC yang dikembangkan dan dikeluarkan oleh MCS Elektronik. 2.5.1 Karakter dalam BASCOM Dalam program BASCOM, karakter dasarnya terdiri atas karakter alphabet (A-Z dan a-z), karakter numeric (0-9), dan karakter special (lihat tabel) Tabel 2.2 Karakter Spesial Karakter Nama Blank ‘ Apostrophe * Asteriks (Symbol perkalian) + Plus sign . Comma - Minus sign . Peiod (decimal point) / Slash (division symbol) will be handled as/ : Colon “ Double quotation mark ; Semicolon < Less than 28 2.5.2 Tipe Data daya Setiap variabel dalam BASCOM memiliki tipe data yang menunjukan tampungnya. ini berhubungan dengan penggunaan memori mikrokontroler. Berikut adalah tipe data pada BASCOM berikut keterangannya Tabel 2.3 Tipe data BASCOM Tipe data Hal Ukuran (byte) Range Bit 1/8 - Byte 1 0 – 225 Integer 2 -32,2768 - +32,767 Word 2 0 -65535 Long 4 -214783648 - + 214783647 Single 4 - String Hingga 254 byte - 2.5.3 Variabel Variabel dalam sebuah pemograman berfungsi sebagai tempat penyimpanan data atau penampung data sementara, misalnya menampung hasil perhitungan dan menampung data hasil pembacaan register. Variabel merupakan pointer yang menunjukan pada alamat memori fisik dan mikrokontroler. Dalam BASCOM, ada beberapa aturan dalam penamaan sebuah variabel: 1. Nama Variabel maksimum terdiri atas 32 karakter. 2. Karakter bisa berupa angka atau huruf 3. Nama variabel harus dimulai dengan huruf 4. Variabel tidak boleh menggunakan kata-kata yang digunakan oleh BASCOM sebagai perintah, pernyataan, internal register, dan nama operatorSebelum digunakan, maka variabelharus dideklarasikan terlebih dahulu. 29 Dalam BASCOM, ada beberapa cara untuk mendeklarsikan sebuah variabel. Cara pertama adalah dengan menggunakan pernyataan ‘DIM’ diikuti nama tipe datanya. Contoh pendeklasian menggunakan DIM sebagai berikut: Dim nama as byte Dim tombol as integer Dim Kas as string*10 2.5.4 Alias Dengan menggunakan alias, variabel yang sama dapat diberikan nama yang lain. Tujuannya adalah mempermudah proses pemograman. Umumnya, alias digunakan untuk mengganti nama variabel yang baku, seperti port mikrokontroler. LEDBAR alias PI Tombol1 alias P0.1 Tombol2 alias P0.2 Dengan deklarsi seperti diatas, perubahan pada tombol akan mengubah kondisi P0.1 selain mengganti nama port, kita dapat pula menggunakan alias untuk mengakses bit tertentu dari sebuah variabel yang telah dideklarasikan. Dim LedBar as byte, Led1 as LedBar.0, LedBar.1, LedBar as LedBar.2 2.5.5 Konstanta Dalam BASCOM, selain variabel kita mengenal pula konstanta. Konstanta merupakan variabel juga. Perbedaannya dengan variabel biasa adalah nilai yang dikandung tetap. Dengan konstanta, kode pemograman yang dibuat akan lebih mudah dibaca dan dapat mencegah kesalahan penulisan pada program kita. Misalnya, kita akan lebih mudah menulis phi dari pada menulis 3,14159867. Sama seperti variabel, agar konstanta bisa dikenali oleh program, maka harus dideklarasikan terlebih dahulu. Berikut adalah cara pendeklarasian sebuah konstanta Dim A as Const 5 Dim B1 as Const &B1001 30 Cara lain yang paling mudah: Const Cbyte =&HF Const Cint=-1000 Const Csingle 1.1 Const Cstring = “test” 2.5.6 Array Dengan Array, kita bisa menggunakan sekumpulan variabel dengan nama dan tipe yang sama. Untuk mengakses variabel tertentu dalam array, kita harus menggunakan indeks. Indeks harus berupa angka dengan tipe data byte, integer. Atau word. Artinya, nilai maksimum sebuah indeks sebesar 6553. Proses pendeklarasian sebuah array hampir sama dengan variabel, namun perbedaanya kita pun mengikutkan jumlah elemenya. Berikut adalah conth pemakaian array Dim kelas(10) as byte, c as integer For C =1 to 10 a(c) = c p1 =a(c) Next Program diatas membuat sebuah array dengan nama kelas yang berisi 10 elemen (1-10) dan kemudian seluruh elemennya diisikan dengan nilai c yang berurutan. Untuk membacanya, kita menggunakan indeks dimana elemen disimpan. Pada pogram diatas, elemen-elemen arraynya dikeluarkan ke port 1 dari mikrokontroler. 2.5.7 Analog to Digital Converter Proses konversi data analog menjadi digital merupakan proses penting dalam proses akusisi data. Proses konversi ini dilakukan oleh sebuah komponen yang dinamakan analog to digital converter (ADC). ADC memiliki dua karakter prinsip yaitu kecepatan sampling dan resolusi. Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan seberapa sering sinyal analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu. Kecepatan sampling biasanya dinyatakan dalam 31 sample persecond(SPS). Resolusi ADC menentukan ketelitian nilai hasil konversi ADC. Sebagai contoh : 1. ADC 8 bit akan memiliki output 8 bit data digital, berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 255 (2n-1) nilai diskrit 2. ADC 12 bit memiliki 12 bit utput data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 4096 nilai diskrit Dari contoh di atas ADC 12 bit akan memberikan ketelitian nilai hasil konversi yang jauh lebih baik daripada ADC 8 bit. Jenis-jenis ADC yaitu successsive approximaition, integritas, pencacahan dan servo, parallel. Pada ADC ini digunakan tegangan referensi (Vreff) sebesar 5 Vdc. Contohnya untuk dapat mengetahui besarnya tegangan yang diterima oleh mikrikontroler dapat menggunkan persamaan di bawah ini: VAD = . Vit..............................................................(2.10) N i l A D (desin) = . V. Resol.................................(2.8) Keterangan : Vadc = tegangan terukur yang masuk ke mikrokontroler Vin = Tegangan analog yang msuk ke ADC Vi = Nilai tegangan yagn terukur V2 = Nilai niminal tegangan 2.6 Komunikasi Data Komunikasi data merupakan bagian dari telekominikasi yang secara khusus berkenaan dengan transmisi atau pemindahan data dan informasi diantara komputer-komputer dan piranti-piranti yang lain dalam bentuk digital yang dikirim melalui media komunikasi data. Data berarti informasi yang disajikan oleh isyarat digital. Komunikasi data merupakan bagian vital karena sistem ini 32 menyediakan infrastruktur yang memungkinkan komputer-komputer dapat berkomunikasi satu sama lain. 2.6.1Jenis komuniksi data Terdapat dua jenis cara komunikasi data yaitu: 1. Komunikasi Data Parallel Komunikasi data parallel adalah pengiriman data diantara beberapa komputer dan ke terminal lainnya dengan merubah besaran tegangan dan arus dalam kanal atau kabel. Dalam komunikasi data ini bit berpindah secara satu demi satu melewati beberapa saluran pada saat bersamaan 2. Komunkasi Data Serial Perbedaan yang paling mendasar antara komunikasi serial dengan parallel adalah proses perpindahan bit melewari satu saluran saja. Ada 2 macam cara komunikasi data serial yaitu sinkron dan Asinkron. Pada komunikasi data serial sinkron, clock dikirimkan bersama sama dengan data serial, tetapi clock tersebut dibankitkan sendiri-sendiri baik pada sisi pengirim maupun penerima. Sedangkan pada komunikasi serial asinkron tidak diperlukan clock karena data dikirikmkan dengan kecepatan tertentu yang sama baik pada pengirim dan juga penerima. Kecepatan pengirim data (atau yang sering disebut baud rate) dan fasa clock pada sisi transmiter dan Receiver harus sinkron. Untuk itu diperlukan sinkronisasi antara transmiter dan receiver. Kecepatan transmisi (baud rate) dapat dipilih bebas dalam rentang tertentu. Baud rate yang umum dipakai adalah 110,135,150,300.600,1200,2400,9600,dan 19200 (bit/detik), jadi jika waktu satu bit=3,33 ms, maka baud rate nya =1/3,33 ms atau 300 baud. Dalam komunikasi data serial, baud rate dari kedua alat yang berhubungan harus diatur pada kecepatan yang sama. Selanjutnya harus ditentukan panjang data (6,7 atau 8 bit), paritas (genap,ganjil,atau tanpa paritas), dan jumlah stop bit (1,15 atau 2 bit). 2.6.2 Recomended Standard 485 33 Recommended Standard 485 (RS485) adalah standar komunikasi yang paling serbaguna dalam seri standar yang ditentukan oleh EIA. Itu sebabnya RS485 saat ini digunakan secara luas antarmuka komunikasi data akusisi dan kontrol aplikasi di mana beberapa node berkomuniksi satu sama lain. Komunikasi RS 485 bisa mencpai jarak maksimal 4000 kaki, atau setara dengan 1,2 Km. Selainitu RS485 merupakan standar komunikasi serial asyncrons yang menyediakan kemampuan komunikasi, seperti perangkat keras kontrol aliran, kontrol aliran perangkat lunak, dan paritas cek. Gambar 2.14 Konfigurasi IC MAX485 Tabel 2.4 Spesifikasi dari komunikasi RS485 Spesifikasi RS485 Mode operasi Differential Toyal jumlah driver dan receivers pada satu jalur 1 DRIVER, 32 RECEIVER Maksimum panjang kabel 4.000 FT Maximum data rate 10Mb/s Voltase Driver Output Maksimum -7V s/d +12V Driver Output Signal Level (Loaded Min) + /-1.5V Driver Output Signal Level (diturunkan Max) +/-6V Driver Load Impedance (Ohms) 54 Driver Current in High Z satate Power On +/-100uA Driver Current in High Z state POWER +/-100uA Slew Rate (Max) N/A Receiver Input Voltage Range -7V s/d +12V 34 Receiver Inpur Sensitivity +/-200mV Receiver Input Resistance (Ohms) >= 12k 2.6.3 Topologi Jaringan RS-485 Topologi jaringan merupakan alasan mengapa RS485 kini menjadi favorit dari empat interface dalam akusisi data dan kontrol aplikasi. Rs485 adalah satu satunya dari interface internetworking yang mampu bekerja pada pemancar dan penerima dalam jaringan yang sama. Bila menggunakan standar RS 485 receiver dengan resistansi masukan dari 1200Ω adalah mungkin untuk menghubungkan 32 perangkat ke jaringan. RS485 repeater memungkinkan untiuk meningkatkan jumlah node menjadi beberapa ribu, dalam beberapa kilometer Gambar 2.15 Topologi jaringan RS485 1. Single twisted pair RS485 Dalam versi ini, semua perangkat yang terhubung ke satu Twisted Pair, dengan demikian, semuanya harus memiliki driver dengan output tri-state (temasuk Master). Komunikasi berjalan di atas satu baris di kedua arah. Penting untuk mencegah lebih banyak dari pemancaran perangkat sekaligus masalah perangkat lunak 2. Double Twisted Pair RS-485 Jika menggunakan jenis ini tidak perlu menggunakan output tri-state, karena perangkat Slave mengirim lebih dari twisted pair yang kedua, yang dimaksudkan untuk mengirim data dari Slave ke Master. Solusi ini sering memungkinkan 35 pelaksanaan dalam sistem komunikasi multipoint, yang pada awalnya dirancang (HW dan juga SW) untuk RS-232. Tentu saja, master perangkat lunak harus dimodifikasi, sehingga Master query secara periodik mengirim paket ke semua perangkat Slave.
