PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR batan

~

batan

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

APLIKASI LABVIEW BERBASIS FIELD PROGRAMMABLE GATEARRAY (FPGA) NI CRIO 9074 PADA SISTEM PENGUKURAN

TEMPERATUR HEATING-02

Kussigit SantosaPusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir-BATAN

[email protected]

ABSTRAK

APLlKASI LABVIEW BERBASIS FIELD PROGRAMMABLE GA TE ARRAY (FPGA)PADA SIMULASI SISTEM PENGUKURAN TEMPERA TUR BAGIAN UJI

HEA T1NG-02. Telah dibuat sistem pengukuran temperatur pada uji Heating-02menggunakan perangkat lunak LabVIEW 2011. Pembuatan sistem pengukuran inipada FPGA merupakan pengembangan dari sistem pengukuran sebelumnya yaknipengukuran dengan cDAQ9188. Kelebihan dari sistem ini adalah independensi artinyapada waktu eksekusi sistem bisa berjalan sendiri tanpa komputer. Ruang Iingkuppenelitian saat ini masih sebatas pengembangan pemrograman dan pengujianpengambilan data yang ditekankan pada pemrograman pada modul FPGA yangsudah ditanam (embedding) pada cRIO 9074. Pada pembuatan sistem pengukurantemperatur ini diperlukan perangkat sistem akuisisi data keluaran National TexasInstrument yaitu modul cRIO 9074, modul Ni 9023 power suply, sumber arus HIOKI7011, perangkat lunak Labview versi 2011 beserta komputer. Metode yang digunakanadalah merangkai sistem pengukuran temperatur, pembuatan program akuisisi datapada FPGA serta pembuatan antarmuka sistem akuisisi data pada komputer agarmudah untuk dilakukan pengamatan. Dari hasil pengujian dapat disimpulkan bahwasistem pengukuran temperatur dapat berjalan dengan baik. Sehingga sistempengukuran ini diharapkan dapat dipergunakan untuk pengukuran yangsesungguhnya.Kata Kunci :Temperatur, LabVIEW, FPGA, Heating-02.

ABSTRACT

LAB VIEW APPLICA TIONS BASED ON FIELD PROGRAMMABLE GA TE ARRA Y

(FPGA) ON TEMPERA TURE MEASUREMENT SYSTEM OF HEA TING-02.Temperature measurements system has been created at the heating-02 test usingLab VIEW 2011 software. Making this measurement systems on FPGA is thedevelopment of previous a measurement system using the measurement withcDAQ9188. The advantage of this system is the independence of the system meansthat the execution time can run itself without a computer. The scope of the currentstudy was limited on the development, programming and testing of data acquisitionfocused on programming of the FPGA modules that have been embedded on thecRIO 9074. In the making of temperature measurement systems is required the dataacquisition system by National Texas Instruments cRIO 9074 module, power supply,Ni 9023 module, 7011 HIOKI current source, the software Labview 2011 and thecomputer. the using method is stringing the temperature measurement system,programming of data acquisition the FPGA as well as the acquisition system interfacethat is easy to do observations. From the experimental results, it can be concludedthat the temperature measurement system can run well. So that the measurementsystem is expected to be used for the actual measurement.Keywords: Temperature, Labview,FPGA, Heating-02.

Kussigit Santosa ISSN 1410 - 8178 Buku II hal. 217

PRO SIDING SEl\1INARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR


~

ba tan·

PENDAHULUAN

AkUiSiSi data merupakan tahapan yang pentingdari sebuah kegiatan eksperimen maupunpenelitian yang memerlukan pengambilan data.Akuisisi data ini sangat membantu pada proseslebih lanjut. Semakin cepat dan tepat suatu akuisisidata akan semakin baik bagi mutu suatu penelitian.CompactRIO (cRIO) adalah salah satu tool untukakuisisi data. CompactRIO ini merupakanpenggabungan modul real-time processor, FieldProgrammable Gate Array (FPGA), dan madul I/O,komunikasi Serial, USB, dan ports ethernet yangmenyatu dengan controller dalam bentuk yangkompakl1]. Untuk memperoleh unjuk kerja yangbaik maka perangkat keras (misal digital 110, buscommunication, AID conversion) dikoneksikandengan FPGA untuk mendapatkan proses yangcepat didalam perangkat keras kemudian baru

dilakukan pengambilan data an tara FPGA dan real-• J2]tIme processor .

Kegiatan pembuatan sistem simulasipengukuran ini sangat penting untuk pengembanganuji eksperimen Untai Uji Beta yang terkoneksidengan uji Heating-02 yang ada di laboratoriumthermohidrolika BOFa PTRKN. Metodologi yangdigunakan adalah merangkai modul compacRIOdengan Komputer/laptop melalui kabel UTP denganmenggunakan port ethernet dan protokol TCPIIP.Dengan selesainya kegiatan ini diharapkanpengambilan data terutama temperatur dapatdisimulasikan dengan baik, dan dapat diaplikasikanke uji Heating-2.

TEORt DAN TAT A KERJA

Lab VIEW merupakan singkatan dariLaboratory Virtual Instruments EngineeringWorkbench. LabVIEW adalah bahasa pemrogramanyang menekankan pada bahasa pemrogramangambar atau grafik (Graphical ProgrammingLanguage). Program labVIEW sering disebut jugasebagai Virtual Instruments (VI). Setiap VI terdiridari tiga bagian utamal1J, yaitu• Front Panel, front panel ini nantinya

merupakan tampilan antarmuka yang akantampil dilayar monitor saat program VI dieksekusi.

• Block Diagram, blok diagram merupakanprogram utama pada Lab VIEW dan sebagaidriver dari front panel.

• Project explorer, merupakan hirarki daristruktural program. Posisi atau letak suatu VIpada project exsplorer sangat menentukan ruanglingkup dan jangkauannya.

Madul CompactRIO (cRlO) adalahmerupakan penggabungan madul real-timeprocessor-controller, Field-Programmable Gate

Array (FPGA), dan modul 10 yang dapat diconfigurasi kembali (reconjigurable 10 Modules"RIO") serta chassis ekspansi ethernet yangkesemuanya dalam bentuk yang kompak yangdiproduksi oleh National Instruments. SedangkanFPGA merupakan IC bertipe Hardware DefinitionLanguage (HDL) yang mana pemakai dapatmerancang hardware sesuai yang diinginkan didalam IC FPGA[3J• Dewasa ini terdapat bermacammacam keluarga FPGA. Xilinx merupakan salahsatu perusahaan yang memproduksi FPGAdisamping perusahaan lain yaitu ACTEL, ALTERAdan PLESSEY Semiconductor. Xilinx sendiri

memproduksi beberapa jenis FPGA diantaranyaadalah VIRITEX, SPARTAN, XC3000, XC4000

DAN XC5000[41. FPGA yang terdapat padacompacRIO 9074 merupakan jenis SPARTAN-3 ,400 MHz, 2M gate. Aliran kendali dan data sertahirarki antara komputer host dengan cRIO dapatditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 2,sedangkan bentuk fisik dari compacRIO 9074 dapatdisajikan pada Gambar 3 dan tataletak terminalkonektor input output dan catu daya dapat disajikanpada Gambar 4.

Gambar 1. Hubungan Komputer dengan LabVIEWdan compacRIO

000000

Gambar 2. Diagram blok aliran data pada hostkomputer dan modul FPGA

Gambar 3. Bentuk CompactRIO 9074

Buku 11hal. 218 ISSN 1410 - 8178 Kussigit Santosa

~

batan


Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

Ada beberapa alas an mengapa modulFPGA untuk aplikasi aplikasi pemrosesan sinyaldigital, 'diantaranya adalahl21 :

Keterangan

1. LampuLED 5, Konektor 5MB2. Port Serial RS 232 6, Konektor Catu daya 19 - 30 V3. Port Ethernet RJ 45 7, Tombol Reset4. Port Ethernet RJ 45 8, Saklar DIP.

Gambar 4. Tata letak terminalIO

• True Parallelism : Bila prosesor hanya dapatmengeksekusi satu instruksi pada satu waktudan menggunakan skema penjadwalan yangkompleks, sedangkan sirkuit paralel di dalamFPGA beroperasi sepenuhnya independen.FPGA memboleh kan pengguna membangunsuatu arsitektur paralel dengan kemampuan lajupencuplikan sarna dengan l<uu detak atau clock.Unjuk kerja seperti ini sangat ideal untukmembuat sebuah sistem kanal tunggal denganlaju pencuplikan sangat cepat atau lajupencuplikan rendah untuk banyak kanal

• High Reliability : FPGA mempunyai keandalanyang tinggi karena dapat diubah sesuai dengancircuit atau rangkaian seperti yang diinginkan

• High Determinism FPGA mempunyaikeandalan yang tinggi laju loop nya bisamencapai 25 ns

• Reconfigurable FPGA dapat diprogramkembali sehingga sifat ini dapat sangatbermanfaat dalam pengembangan software danmenjadikan modul ini menjadi lebih ekonomis.

"

WNAnoNAL i,..INSTRUMENTS. /1pc\.m/ . If!'IJ~ . i>!AIDS, ,!r.,rnr . I

I,i!i!

NI cRIO·OO74

JL!HI

Pada umumnya, penulisan program ataukode untuk mengkonfigurasi ulang FPGAmenggunakan bahasa deskripsi perangkat keras,misalnya VHDL, Verilog. Bahasa ini sangat berbedadengan bahasa pemrograman CPU dan memerlukankeahlian khusus. Tetapi dengan adanya modulLab VIEW FPGA yang tertanam (embedded) padacRIO akan sangat memudahkan bagi programmeryang ingin mengembangkan sistem lebih lanjut.Karena modul FPGA dapat diprogram denganmenggunakan bahasa grafik Lab VIEW, yang miripdengan VI Lab VIEW yang ditulis untuk PC tetapidengan paletlfungsi yang lebih terbatas danbeberapa struktur pemrograman yang berbeda,Ketika tombol Run ditekan, kode VI yang adaditerjemahkan ke kode HDL secara otomatis, dankemudian dikompilasi untuk menghasilkan aliranbit yang harus dikirim ke FPGA. Dan Akhirnya,FPGA mulai menjalankan kode yang sudahdikompilasi tersebut di hardware 131 • Prosespengisian kode atau pengisian kembali(reconfigure) secara visual dapat diperlihatkanseperti pada Gambar 5.

:----------

: --------------, --,, . ', ', ', ', 'I lit.. A I, .. ', ', . , ', ' ', ', '

: "' ... :______ I________ I---------------_:

Gambar 5. Visualisasi proses pengisian pada FPGA

Bahan dan Peralatan

1. Modul CompacRJO 9074 (I unit)2. Modul Ni 9203 (1 unit)3, Power Suply DC 24 Volt (1 unit)4. kabel penghubung (10 meter)5. Hioki 7011 DC signal Source (1 unit)6. Personal Komputer beserta Sistem Operasi

Windows Xp (1 unit)7. Perangkat lunak Labview versi 2011 beserta

modul Real Time dan modul FPGA (l unit)8. Perangkat lunak Ni CompacRJO 9074 (1 unit)

Langkah Kerja

Langkah pertama adalah menyiapkanmodul-modul yang akan dirangkai menjadi satukesatuan yaitu modul cRIO 9074, modul Ni 9203,power suply dan kabel penghubung. Rangkaian blokini dapat dilihat pada Gambar 6.


-- --------- ~----~---------- ---- -------



~

batan

Gambar 6. Rangkaian blok sistem simulasi

pengukuran temperatur

Langkah kedua adalah menyiapkanperangkat lunak labview dan driver untuk modulcRIO 9074 pada personal komputer atau laptop.

Langkah ketiga adalah pembuatan aplikasisimulasi sistem pengukuran temperatur pada ujiHeaTing-02 pada personal komputer menggunakanperangkat lunak Labview versi 2011.

Pada langkah ini dimulai dengan membuatproject explorer, urut-urutannya adalah sebagaiberikut seperti ditunjukkan pada Gambar 7, Gambar8, dan Gambar 9.

Gambar 7. Langkah pembuatan project explorer

;tUt",~t¢:>t~'1I'~,..•!"..,~tftt.t ••• ~~lQ J'ct.t,Mitf:4

H,11tf_t~~Pt,~_i't}~ut~¥~_~

-~

Gambar 8. Langkah pembuatan project explorer

Buku II hal. 220 ISSN 1410 - 8178 Kussigit Santosa

@>batan


Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

Gambar 9. HasH Akhir Pembuatan Project Explorer

Gambar 10. Front Panel Untuk Pengambilan Data

Langkah keempat adalah melakukan ujicoba simulasi sistem pengukuran pad a ujiHeaTing-02 menggunakan sistem yang sudahdibangun dengan menggunakan sumber arusHioki.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pembuatan program VI dibagi dalam duabagian. Bagian pertama adalah pembuatan

program pada FPGA. Program ini merupakanprogram pengambilan data. Hasil dari front paneldapat dilihat pada Gambar 10 dan diagram blokdapat dilihat pada Gambar 11.

Bagian kedua adalah pembuatan programantarmuka pada komputer. Program ini jugaterdiri dari front panel (Gambar 12) dan diagramblok (Gambar 13).


PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR


III

Gambar 11. Diagram blok pada pengambilan data.

Gambar 12. Front panel antarmuka tampilan temperatur Uji Heating-02

Gambar 13. Diagram blok Antarmuka tampilan temperatur Uji Heating-02

©>batan

Pengujian dilakukan denganmenggunakan Hioki 7011 sebagai sumber arus.Besaran arus 4 mA sampai dengan 20 mAmewakili besaran temperatur 0 °C sampai dengan1000°e. Dari dua titik posisi ini yaitu titikpertama (4,0) dan titik kedua (20,1000)didapatkan persamaan f(x) = 62,5 x -250. dimanax mewakili arus dan f(x) mewakili besarantemperatur.

Tampilan pada komputer sistempengukuran temperatur dapat diperlihatkan padaGambar 13 dan Gambar 14. Sedangkan hasilpengujian dengan cara simulasi dapat disajikanpad a Tabel 1.

Gambar 14. Tampilan antar muka sa at uji cobadengan arus konstan


&>batan



17,00 815,5428918,00

876,0632419,00

925,9836120,00

999,78400L(X)

204,00L (y)8562,66L(x2)2856(LX) 2

41616,00(LY) 273319146

Gambar 15. Tampilan antar muka saat uji cobadengan arus yang berubah

Tabel!. Hasil pengujian sistem pengukurantemperatur

Hioki LabviewNo.

ArusArus

Tem~eratur(mA)(A)C)

1

4.000.0039932,542

5.000.0049963.563

6.000.00599127,544

7.000.00699187,55

8.000.00799251,236

9.000.00899312,457

10.000.00999376,678

11.000.01099438,089

12.000.01199505,8710

13.000.01299565,9811

14.000.01399650,2512

15.000.01499687,8713

16.000.01598745,7614

17.000.01698815,5415

18.000.01798876,0616

19.000.01898925,9817

20.000.01998999,78

Dari Tabel 1 dapat dihitung

xYx2

4,00

32,54165,00

63,56256,00

127,54367,00

187,50498,00

251,23649,00

312,458110,00

376,6710011,00

438,0812112,00

505,8714413,00

565,9816914,00

650,2519615,00

687,8722516,00

745,76256

X.yl

130,16

1058,8516317,8

4039,8736765,24

16266,4521312,5

35156,252009,84

63116,5132812,05

97625,0033766.7

141880,294818,88

191914,096070,44

255904,467357,74

320333,369103,5

422825,0610318,05

473165,1411932,16

556157,9813864,18

665105,4915769,08

767481,1217593,62

857438,9619995,6

999560,05

I:(xy)

127937,54I: (X2)5869028,9

Dalam bentuk grafik dapat disajikan padaGambar 15

Grafik Temperatur (0C)vs Arus (mA)

1200

1000

800

600

400

200

o

Gambar 16. Temperatur vs arus

Untuk menentukan persamaan linearnyadigunakan persamaan y = a + bx dengan x sebagaibesaran arus sedangkan y adalah besarantemperatur. a dan b dapat ditentukan denganrumus


PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR

Pusat Teknologl Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 11 September 2013

~

batan

didapatkan a: -237,067 dan b = 61, 729. ]adipersamaan regresi linearnya y = 61,729x-237,067.Sedangkan hubungan (korelasi r) an tara variabel xdan y adalah dapat ditentukan dengan persamaan

r = nI>IT - Ex.I2~{n.E XZ _(LX)2}1 "'Ly2 _(Ly)2J

sehingga didapatkan nilai r = 0,96 (mendekati 1).Artinya bahwa besaran temperatur sangatdipengaruhi oleh besaran arus, dengan perkataanlain besaran temperatur tingkatketergantungannya sangat tinggi pada masukanbesaran arus. Sedangkan arus ini merupakanperwakilan dari besaran arus atau tegangan daritermokopel atau Resistan TermocoupleDefferesial (RTD).

KESIMPULAN

Telah dibuat sistem pengukurantemperatur pada Uji HeaTing-02 menggunakanmodul Ni cRIO 9074, modul Ni 9203, catu dayadan komputer serta perangkat lunak Lab VIEW

versi 2011. Uji coba pemakaian menunjukkanbahwa sistem pengukuran temperatur ini dapatbeIjalan dengan baik dengan faktor korelasi r = 0.96artinya besaran temperatur ketergantungannya padabesaran arus masukan, sangat tinggi, sehinggasistem pengukuran ini dapat dipergunakan.

UCAPAN TERIMAKASIH

Terima kasih kami ucapkan kepada Dr.Saeful Bachri, MT, Agus Nur Rachman, AMD.yang telah membantu sehingga makalah ini dapatterselesaikan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Lab View with cRIO Tutorial Control SystemDesign. 14 Februari 2006

2. Building Programmable AutomationControllers with LabVIEW FPGA. PublishDate: 03 Februari 2012

3. OPERATING INSTRUCTIONS AND

SPECIFICATIONS CompactRIO™ cRIO-9074

4. OPERATING INSTRUCTIONS ANDSPECIFICATIONS Ni 9203

TANYAJAWAB

Tjipto Sujitno~ Berapa range pengukuran ini (minimum ke

maksimum) ?~ Mungkinkah digunakan untuk pengukuran

tempratur negatif (-) ?

Kussigit~ Range pengukuran sepenuhnya tergantung

pada range sensor yang dipakai, misalnyauntuk termokopel tipe-K maka rangenya bisa-20 sampai dengan J 300°C

~ Untuk pengukuran negatif juga tergantungpada range sensor yang dipakai.

Saminto

~ Kalau hanya untuk mengukur suhu saja apakahkelebihan penggunaan CRIO & NI lab View??

Kussigit~ Kelebihan CRIO adalah kemampuan

pengambilan sampel per detik. Jika sampel(suhu) yang diambil sangat tinggi barulahCRIO mempunyai keunggulan.Kelebihan lainnya adalah CRIO bisadigunakan tanpa komputer.


Documents

PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR batan