BAB III

PERANCANGAN SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) PADA

KENDALI LEVEL AIR

3.1 Fungsi dan Cara Kerja Alat

a) Fungsi Alat

Penerapan Safety Instrumented System pada kendali level air berfungsi

sebagai pengamanan dalam proses pengendalian level air dimana set-point dari

level air dan laju aliran air yang menjadi fokus utama dalam keamanan

pengendalian level air PID. Alat yang dibuat akan memberikan alarm untuk

memberikan informasi kepada operator bahwa proses pengendalian berada pada

kondisi kritis dan memberikan aksi secara otomatis sehingga pada proses kendali

bisa kembali pada kondisi yang aman. Dalam pengendalian level air yang

menjadi fokus utama dari sistem adalah level dari ketinggian air pada sebuah

couple tank dengan mengatur bukaan valve primer sehingga saat ketinggian air

telah mencapai pada set-point yang ditentukan maka kendali proses tersebut akan

mengatur bukaan valve primer sehingga debit air yang masuk pada couple tank

adalah sama dengan debit air yang keluar. Dari pengaturan bukaan valve primer

tersebut memiliki kemungkinan tutupan valve mencapai 100%, sehingga dengan

kondisi pompa yang mensuplai air tetap pada kondisi aktif dapat menimbulkan

tekanan hidrostatik pada pipa yang dilalui dan juga tekanan yang berlebih pada

pompa. Pada saat itulah sistem yang dibuat bekerja dimana terdapat dua buah

solenoid valve sekunder yang akan mensirkulasikan kembali laju aliran yang

terhambat oleh tutupan valve primer.

Sebuah sistem kendali PID dapat merespon gangguan dengan respon

waktu yang cepat namun dengan sistem kendali PID yang dibuat sebelumnya

dimana kendali level tersebut hanya mengontrol valve primer sehingga apabila

diberi gangguan dengan bukaan dari keluaran couple tank yang sangat kecil

maka volume air yang ada pada couple tank orde 2 akan mengalami kenaikan

level yang sangat cepat dan tidak bisa dikendalikan oleh kendali proses. Apabila

set-point kondisi ketinggian High-High dari level ketinggian orde 2 terlewati

maka akan mematikan pompa dan mengaktifkan solenoid valve sekunder tiga

sampai ketinggian dari level air pada kondisi yang aman.

b) Cara kerja :

Gambar 3.1 Diagram Blok Plant yang dibuat

Setelah mengaktifkan sistem dengan menekan tombol START, sistem akan

bekerja dengan dua variabel input yang diukur, yaitu laju aliran dan

ketinggian air. Apabila set-point terlampaui maka sistem akan menyalakan

alarm terlebih dahulu sebelum memberikan aksi secara otomatis.

Laju aliran air diukur oleh sebuah sensor water flow meter yang

menghasilkan output berupa gelombang kotak dengan nilai frekuensi yang

menunjukkan besarnya debit air yang terukur. Frekuensi yang dihasilkan

diukur oleh mikrontroller dan akan memberikan 5 kondisi output yang

berbeda dimana ada kondisi laju aliran yaitu: sangat rendah, rendah, sedikit

rendah, normal dan tinggi. Kondisi sangat rendah akan mengaktifkan

solenoid valve sekunder 1 dan 2, kondisi rendah akan mengaktifkan

solenoid valve sekunder 2, kondisi sedikit rendah akan mengaktifkan

solenoid valve sekunder 1, kondisi normal adalah kondisi aman yang harus

dicapai setelah pengaktifan solenoid valve sekunder dan kondisi tinggi

adalah kondisi dimana solenoid valve sekunder harus dimatikan sehingga

suplai air menuju valve primer tidak terganggu.

Ketinggian level air diukur oleh sebuah modul differential pressure yang

akan menghasilkan tegangan dari tekanan yang ditimbulkan dari kenaikan

level air. Pada ketinggian level air ini ditentukan 2 buah kondisi yaitu Low-

Low dan High-High. Kondisi Low-Low hanya akan memberikan alarm

sebagai pemberitahuan kepada operator namun tidak memberikan aksi

apapun karena pada kondisi ini dianggap tidak menimbulkan kecelakaan

yang berbahaya pada lingkungan di sekitarnya. Pada kondisi High-High

adalah kondisi ketinggian level air yang melebihi set-point sehingga kondisi

ini akan mengaktifkan solenoid valve sekunder yang ke tiga dan mematikan

pompa sampai kondisi ketinggian level air kembali pada kondisi pada set-

point normal.

Sistem bisa di-nonaktifkan dengan menekan tombol STOP.

3.2 Aspek Perancangan

Perancangan sistem ini memiliki beberapa aspek sebagai berikut:

1. Menentukan fungsi alat

2. Menentukan spesifikasi alat

3. Menentukan diagram blok sistem

4. Perancangan perangkat keras

5. Perancangan perangkat lunak

3.2.1 Prasyarat Sistem Alat

Pada tahap ini menjelaskan mengenai prasyarat dari sistem yang dibuat

secara keseluruhan. Sistem yang dibuat ini diharapkan dapat berfungsi dengan

baik dan bermanfaat bagi mahasiswa, karena sistem ini merupakan sebuah

media pembelajaran tentang standar yang masih sangat jarang terdengar

mengenai standar keamanan dari sebuah instrumen kendali. Setelah sistem ini

selesai dibuat, alat ini diharapkan dapat digunakan oleh mahasiswa dimana

proses perancangan dari sebuah sistem keamanan yang sesuai dari sistem

kendali. Rangkaian dan peralatan yang digunakan pada sistem ini meliputi

rangkaian catu daya, sensor laju aliran air, sistem minimum ATMega16, driver

relay, komparator LM324, dan pemipaan yang sesuai dengan kebutuhan

sistem.

Catu daya yang digunakan menggunakan input tegangan dari sebuah trafo,

dimana nantinya tegangan akan diparalel ke dua buah dioda penyearah. Catu

daya yang pertama menghasilkan keluaran tegangan konstan sebesar 5 VDC

dan 8 VDC yang digunakan untuk rangkaian digital seperti ATMega 16,

komparator, sensor water flow, driver relay input. Catu daya yang ke dua

menghasilkan tegangan 24 VDC dan 18 VDC sebagai catu daya untuk solenoid

valve, lampu indikator, driver relay output. Sensor laju aliran yang digunakan

adalah sensor G1/2. Kelebihan dari sensor ini adalah bisa dipakai dalam waktu

yang sangat lama, membutuhkan daya yang kecil, range debit aliran yang

sesuai dengan kebutuhan, ukuran mekanik yang sesuai dengan pipa.

Mikrokontroler yang digunakan dalam sistem ini adalah Sismin ATMega 16.

Kapastitas memori maksimum yang dapat tersimpan pada mikrokontroler ini

sebesar 4 KB dan memiliki xtal internal 8 MHz yang sesuai untuk pengukuran

frekuensi dari sensor. Penggunaan PLC CPM1A yang berfungsi sebagai

kendali pada alat ini dengan kelebihannya yaitu dengan pemrograman yang

mudah dalam penentuan state flow-nya dan juga sudah banyak digunakan pada

industri.

3.3 Dekomposisi Sistem

Sistem dekomposisi adalah proses membagi sistem menjadi bagian-bagian

sub sistem yang lebih kecil. Berikut beberapa sub sistem dalam perancangan alat

yang dituangkan dalam diagram blok sistem dapat dilihat pada gambar 3.1.

!

""

#$"

#$#

!

!

%"&

#

"()

Gambar 3.2 Diagram Blok Sistem

1. Perancangan Catu Daya

Catu daya yang dibutuhkan dalam perancangan adalah catu daya 5 Volt, 8

Volt, 18 Volt DC dan 24 Volt DC. Catu daya digunakan masing-masing oleh

rangkaian komparator, driver relay input, driver relay output, solenoid valve,

sensor laju aliran air dan mikrokontroller.

2. Perancangan Rangkaian Komparator

Untuk rangkaian komparator dilakukan perhitungan antara R1 dan R2

dimana berfungsi sebagai pembagi tegangan yang menentukan besarnya tegangan

input yang akan merubah kondisi output pada kondisi high.

3. Perancangan Atmega16

Perancangan mikrokontroller ini hanyalah sebagai pengukur frekuensi yang

akan memberikan kondisi output yang berbeda berdasarkan program yang dibuat.

4. Perancangan Driver Relay

Perancangan relay sebagai input harus memenuhi syarat dan berfungsi

sebagai antarmuka rangkaian digital sebagai input yang harus memblok arus balik

yang dihasilkan oleh koil relay sehingga tidak merusak rangkaian digital.

3.4 Spesifikasi Alat

Spesifikasi umum dari alat yang telah direalisasikan pada proyek akhir kali ini

adalah sebagai berikut :

1. Dimensi : 90cm x 60cm x 100cm

2. Tegangan input sistem : 220 Volt AC

3. Tegangan catu daya Relay Output : 24 Volt DC

4. Tegangan catu daya Indikator : 24 Volt DC

5. Tegangan catu daya Solenoid Primer

Sekunder 1 dan 2 : 18 Volt DC

6. Tegangan catu daya Solenoid Primer Sekunder 3 : 220 Volt AC

7. Catu daya komparator dan Relay Input : 5 Volt DC

8. Catu daya sensor water flow meter : 8 Volt DC

9. Debit Air Pompa : 5 liter / menit

10. Range input sensor water flow meter : 1 30 liter / menit

11. Output tranduser differential pressure : 0,2 Volt / mbar

12. Diameter pipa : 0,5 inch 3.5 Bahan dan Alat Perancangan

Dalam menyelesaikan tugas akhir ini memerlukan bahan dan alat dalam

proses perancangan sehingga dapat mendukung terealisasinya spesifikasi awal

yang telah ditentukan.

3.5.1 Bahan Perancangan

Proyek Akhir ini bahan perancangan pendukung sebagai berikut:

1) Sensor laju aliran air yang digunakan untuk laju aliran pada pipa.

2) Mikrokontroller Atmega 16 yang digunakan sebagai pengukur

frekuensi.

3) LM324 yang digunakan untuk komparator tegangan level ketinggian

air.

4) Relay 5 Volt DC sebagai interface input rangkaian digital pada PLC

dan relay 24 Volt sebagai driver output PLC untuk beban 220 Volt AC.

3.5.2 Alat Perancangan

Tugas Akhir ini membutuhkan perangkat keras dan perangkat lunak

serta perangkat pendukung sebagai berikut:

1) Komputer yang memiliki spesifikasi cukup untuk menjalankan

beberapa perangkat lunak yang mendukung proses perancangan dan

implementasi sistem berbasis PLC system keamanan pada pengendalian

ketinggian permukaan air.

2) Altium Designer merupakan software yang dipergunakan untuk

merancang skematik dan layout PCB.

3) CX-Programmer merupakan software yang dipergunakan untuk

pemrograman PLC.

4) Bascom-AVR merupakan software yang dipergunakan untuk

pemrograman mikrokontroller Atmega 16.

5) Katia merupakan software yang dipergunakan untuk pendisainan

mekanik plant.

3.6 Metode Perancangan

Pada tahap ini akan membahas mengenai metode-metode yang digunakan

dalam merancang perangkat keras, perancangan perangkat elektronika, dan

perancangan perangkat lunak, ada beberapa tahapan pokok dalam metode

perancangan yang harus dilakukan yaitu :

1) Studi literatur mengenai Safety Instrumented System (SIS), Safety

Integrity Level (SIL), komparator, sensor laju aliran air, relay.

2) Metode state diagram digunakan dalam proses perancangan

pemrograman PLC sebagai logic solver. Dalam metode ini, perlu

dilakukan penentuan jumlah state yang diinginkan dalam plant, alur

dan kondisi sebagai syarat perpindahan pada setiap state-nya.

3.6.2 Perancangan Perangkat Keras

Pada tahap ini akan dibahas mengenai perancangan perangkat keras

sistem secara keseluruhan yang meliputi mekanik sistem, catu daya,

komparator, sistem minimum ATMega 16, driver relay input dan driver relay

output.

3.6.2.1 Perancangan Mekanik

Pada perancangan mekanik ini terdiri dari beberapa poin utama

yaitu couple tank dan pemipaannya, dan mekanik untuk keseluruhan

sistem. Ada beberapa catatan penting dalam perancangan mekanik, yaitu:

Pemipaan yang sesuai dimana fokus pensuplaian air harus menuju

valve PID sehingga keberadaan solenoid valve sekunder tidak

mengganggu suplai yang diberikan oleh pompa.

Solenoid valve sekunder 1 harus memberikan keluaran air yang

lebih kecil dari solenoid valve sekunder 2 sehingga didapatkan

variasi bukaan yang sesuai pada beberapa kondisi untuk perubahan

debit air. Oleh karena itu perlu dilakukan modifikasi pada solenoid

valve sekunder 1.

Dengan disain couple tank yang dimiliki sebuah sistem kendali,

perlu dilakukan penyesuaian dalam pemilihan spesifikasi pompa

yaitu debit air yang disuplai.

Gambar 3.3 Mekanik Sistem

3.6.2.2 Perancangan Perangkat Elektronik

Berikut adalah tahapan dalam perancangan perangkat elektronik

secara rinci :

a. Pemilihan Kebutuhan Rangkaian

Dari studi literatur yang telah dilakukan didapatkan kebutuhan

rangkaian untuk pemenuhan setiap sub-sistem dari diagram blok

yang telah dibuat.

b. Pemilihan Komponen

Setelah melakukan perancangan, maka untuk tahap berikutnya

adalah pemilihan komponen. Pada tahap ini dilakukan seleksi

terhadap komponen-komponen yang akan dipakai. Pertimbangan

dalam pemilihan komponen disesuaikan dengan kebutuhannya.

c. Merangkai Rangkaian di Papan Percobaan

Pada tahap ini, setelah memilih komponen yang akan dipakai maka

dilakukan proses merangkai komponen padaprojectboard. Proses ini

dilakukan untuk memastikan bahwa rangkaian dapat berfungsi

sebelum dibuat ke dalam bentuk PCB.

d. Perancangan PCB

Pada tahap perancangan PCB, skematik beserta PCB-nya dibuat

menggunakan software Altium Winter. Sebelum pembuatan PCB

dilakukan pembuatan skematik rangkaian yang akan digunakan pada

alat. Setelah skematik rangkaian dibuat, maka didapatkan layout

PCB, yang kemudian akan dicetak.

e. Pemeriksaan Hasil Cetakan PCB

Setelah PCB selesai dibuat, maka hal pertama yang dilakukan adalah

memeriksa jalur dan tata letak komponen. Beberapa hal yang

dilakukan dalam pengecekan PCB yang sudah selesai dicetak adalah:

Pengecekan terhadap jalur yang terputus atau short.

Pengecekan terhadap arah komponen bila memang komponen

tersebut polar dan sangat sensitif. Karena bila arah pemasangan

komponen terbalik, maka akan menyebabkan kerusakan pada

komponen, atau bahkan sistemnya

f. Pemasangan Komponen

Komponen dipasang pada PCB yang telah diperiksa menggunakan

teknik penyolderan. Dalam proses penyolderan perlu diperhatikan

beberapa hal, yaitu :

Peletakan komponen harus tepat.

Penanganan komponen harus sesuai dengan ketentuan atau bila ada

syarat khusus dari komponen tersebut.

Selama melakukan penyolderan, ujung mata solder harus bersih.

Saat penyolderan dengan timah dilakukan, maka hendaknya tidak

terlalu lama membiarkan mata solder berada dalam lelehan timah,

karena akan merusak komponen.

IN1

3

OUT 2

GND

U1

L7824CV

IN1

3

OUT 2

GND

U2

L7818CV

IN1

3

OUT 2

GND

U3

L7809CV

IN1

3

OUT 2

GND

U4

L7805CV

100pF

C2Cap Pol1

100pF

C6Cap Pol1

100pF

C9Cap Pol1

100pF

C10Cap Pol1

100pF

C3Cap

100pF

C5Cap

100pF

C8Cap

100pF

C12Cap

100pF

C1Cap Pol1

100pF

C4Cap Pol1

100pF

C7Cap Pol1

100pF

C11Cap Pol1

8.2K

R1

Res112

P4

LED 3

12

P1

Header 2

12

P2

Header 2

12

P3

Header 2

12

P6

LED2

12

P10

LED1

12

P15

LED

12

P7

Header 2

12

P8

Header 2

12

P9

Header 2

12

P11

Header 2

12

P12

Header 2

12

P13

Header 2

12

P16

Header 2

12

P17

Header 2

12

P18

Header 2

6.7K

R2

Res1

2.7k

R3

Res1

1K

R4

Res1

12V

12V

GND

GND

GND

GND

D2Bridge1

D1Bridge1

T2

Trans

T1

Trans

220V AC

220V AC

27V AC

12V AC

Gambar 3.4 Rangkaian Catu Daya

D1Diode 1N4001

Q1NPN

10K

R1

Res2

GND

12

34

5

K1

Relay

123

P2

Header 3GND

D2Diode 1N4001

Q2NPN

10K

R2

Res2

GND

12

34

5

K2

Relay

12

P7

Header 2GND

D3Diode 1N4001

Q3NPN

10K

R3

Res2

GND

12

34

5

K3

Relay

12

Header 2GND

123

Header 3

123

Header 3

123

Header 3

VCC

VCC

VCC

VCC

Gambar 3.5 Rangkaian Driver Input

K1Relay-SPDT

K2Relay-SPDT

K3Relay-SPDT

K4Relay-SPDT

12345

P2

Header 5GND GND

GND

GND

GND

123

P5

Header 3

123

P1

Header 3

123

P3

Header 3

123

P4

Header 3

Gambar 3.6 Rangkaian Driver Output

PB0 (XCK/T0)1

PB1 (T1)2

PB2 (AIN0/INT2)3

PB3 (AIN1/OC0)4

PB4 (SS)5

PB5 (MOSI)6

PB6 (MISO)7

PB7 (SCK)8

RESET9

PD0 (RXD)14

PD1 (TXD)15

PD2 (INT0)16

PD3 (INT1)17

PD4 (OC1B)18

PD5 (OC1A)19

PD6 (ICP)20

PD7 (OC2)21

XTAL212

XTAL113 GND 11

PC0 (SCL) 22

PC1 (SDA) 23

PC2 (TCK) 24

PC3 (TMS) 25

PC4 (TDO) 26

PC5 (TDI) 27

PC6 (TOSC1) 28

PC7 (TOSC2) 29

AREF 32AVCC 30

GND 31

PA7 (ADC7) 33PA6 (ADC6) 34PA5 (ADC5) 35PA4 (ADC4) 36PA3 (ADC3) 37PA2 (ADC2) 38PA1 (ADC1) 39PA0 (ADC0) 40

VCC 10

U1

ATmega16-16PC

1 23 45 67 89 10

PD

Header 5X2

4K7

R2

Res1

VCC

4.7uF

C4Cap2 S1

SW-PB

GND

12

Y1XTAL

22pF

C1

Cap

22pF

C5

CapGND

GND

VCC

10uH

L1

Inductor

100nF

C2Cap Pol2

100nF

C3Cap Pol2

GND GND

GND

VCC

VCCB6

B7B8

GND

RESET

RESET

123

P4

Header 3

123

P3

Header 3

jumper

12345678

P6

Header 8 12345678

P8

Header 8

12345678

P5

Header 8 12345678

P7

Header 8

IN1

3

OUT 2

GND

U5 L7805ACV

GND

12

P?

Header 2GND

Gambar 3.7 Rangkaian Sistim Minimum Mikrokontrller ATMega 16

2

31A

411

U1ALM324N

5

67B

411

U1BLM324N

12

1314D

411

U1DLM324N

VCC

VCC

VCC

10KR2

10KR3

10KR1

GND

GND

GND

GND

GND

GND

VCC

VCC

VCC

12

P1

Header 2

12

P2

Header 2

VCC

GND

GND

10

98C

411

U1CLM324N

10K

GND

VCCVCC

GND

12345

P3

Header 5GND

Gambar 3.8 Rangkaian Komparator

3.6.3 Perancangan Perangkat Lunak

Pada tahap ini akan dibahas mengenai perancangan perangkat lunak

sistem secara keseluruhan yang meliputi perancangan algoritma program dan

state diagram dari alat yang dibuat. Perancangan algoritma program berguna

untuk mempermudah dalam merealisasikan program dan menganalisa

kesalahan yang mungkin terjadi, sedangkan perancangan state diagram berguna

untuk mempermudah alur program yang dibuat. Selain itu agar program yang

telah dibuat dapat dikembangkan lebih lanjut sehingga alat yang dibuat akan

lebih baik lagi.

3.6.3.1 Diagram Alir

Diagram alir (flowchart) merupakan program menu utama yang

merupakan gambaran dari seluruh program yang akan dibuat. Diagram

alir sistem secara keseluruhan meliputi inisialisasi, proses, eksekusi, dan

pencabangan. Lebih jelasnya dapat dilihat bada Gambar 3.8 berikut ini.

Gambar 3.9 Diagram Alir Frekuensi Counter

Realisasi perangkat lunak adalah proses pembuatan perangkat lunak

sesuai dengan diagram alir yang telah dibuat. Berikut adalah tahapan

dalam realisasi perangkat lunak.

a. Menentukan bahasa pemrograman yang dipakai adalah bahasa BASCOM

(BASIC Compiler).

b. Menentukan software yang digunakan untuk pemrograman adalah

BASCOM (Basic Compiler) AVR versi Demo 1.11.8.7.

c. Membuat dan menguji program berdasarkan diagram alir yang telah

dibuat dan mensimulasikannya pada sistem minimum ATmega 16.

d. Men-download program ke dalam mikrokotroler ATmega16 menggunakan

kabel USB downloader DT-HIQ.

e. Menguji program pada alat yang telah dibuat.

3.6.3.2 Diagram State Flow

Diagram state flow merupakan sebuah gambaran dimana alur

program ladder yang dibuat berada pada kondisi tertentu dengan

prasyarat yang ada sehingga memudahkan dalam perealisasian sebuah

program ladder diagram.

Tabel 3.1 Alamat Input No Comment Alamat Keterangan 1 Start 0.00 Saklar ON 2 Stop 0.01 Saklar OFF 3 flow_1 0.02 O/P flow 1 4 flow_2 0.03 O/P flow 2 5 flow_3 0.04 O/P flow 3 6 level_1 0.05 O/P level 1 7 level_2 0.06 O/P level 1 8 level_3 0.07 O/P level 1

Tabel 3.2 Kondisi output yang ditentukan dari sensor tranduse level

Kondisi Input A B C D

Level_1 Low High High High

Level_2 Low Low High High

Level_3 Low Low Low High

Tabel 3.3 Kondisi output yang ditentukan dari sensor tranduse level Kondisi

E F G H I J Input

flow_1 Low High Low Low High High

flow _2 Low Low High Low Low High

flow _3 Low Low Low High High High

Tabel 3.4 Kondisi output dari setiap state Kondisi

Output

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8

Buzzer ON OFF ON OFF OFF OFF ON OFF

Indikator

Low-Low

Level

ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF

Indikator OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON

High-High

Level

Indikator

Pressure OFF OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF

Solenoid

Valve 1 OFF OFF OFF ON OFF ON OFF OFF

Solenoid

Valve 2 OFF OFF OFF OFF ON ON OFF OFF

Solenoid

Valve 3 OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON

Pompa

(Normally

Close)

OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON