perancangan dan implementasi pengaturan kecepatan motor tiga fasa … · motor induksi tiga fasa...

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 3, (2014) 1-6 1

Abstrak— Motor induksi 3 fasa banyak digunakan diindustri, salah satunya pada industri pabrik gula. Di industripabrik gula motor industri 3 fasa banyak digunakan pada mesinsentrifugal. Mesin ini digunakan pada proses pemisahan cairanmassacuite dan strup hingga didapat kristal gula. Pada prosestersebut terjadi perubahan beban oleh karena itu pada sikluskecepatannya mengalami proses Charging, Spinning danDischarging. Pengaturan kecepatan motor induksi masihdilakukan secara manual yaitu dengan merubah posisi puli atauukuran poros dari mesin sentrifugal. Pengaturan dengan metodeini mengakibatkan kecepatan motor akan sulit dikendalikansesuai dengan yang diharapkan. Pengaturan kecepatan yangtidak tepat juga dapat mengakibatkan hasil produksi gula yangkurang maksimal. Oleh karena itu dibutuhkan metode kontroluntuk mempertahankan kecepatan motor bila terjadipertambahan beban saat mengalami proses charging, spinningdan discharging. Kontroler yang digunakan adalah KontrolerLogika Fuzzy (KLF). Pada simulasi menggunakan KLF dankontroler PID serta implementasi menggunakan kontroler PIDmemiliki rara-rata error steady state saat proses charging,spinning dan discharging sebesar ±0,1% dan ±1,14%. SehinggaTugas Akhir ini dapat membantu meningkatkan efisiensi mesinsentrifugal pada pabrik gula.

Kata Kunci— Motor Induksi 3 Fasa, Mesin Sentrifugal, Fuzzy,PLC Mitsubishi Q-series.

I. PENDAHULUAN

esin sentrifugal adalah mesin yang menggunakanprinsip gaya sentrifugal. Mesin ini biasanya digunakan

pada proses di industri yang pada proses pembuatan produkmenggunakan reaksi kimia, contohnya pada industri guladigunakan sebagai pemisah cairan massecuite dengan strupagar didapat kristal gula [1]. Oleh karena itu, mesin sentrifugalbanyak ditemui pada Pabrik Gula yang ada di Indonesia.Pentingnya pemanfaatan mesin sentrifugal ini membutuhkanproses pengaturan kecepatan yang sesuai yaitu prosescharging, spinning dan discharging[2]. Pengaturan kecepatanyang ada masih dilakukan secara manual yaitu denganmerubah posisi puli atau ukuran poros dari mesin sentrifugal.Pengaturan dengan metode ini mengakibatkan kecepatan yangakan sulit dikendalikan sesuai dengan yang diharapkan.Pengaturan kecepatan yang tidak tepat juga dapat

mengakibatkan hasil produksi gula yang kurang maksimal.Oleh karena itu dibutuhkan metode kontrol untukmempertahankan kecepatan motor bila terjadi pertambahanbeban saat mengalami proses charging, spinning dandischarging. Melalui Tugas Akhir yang berjudul“Perancangan. dan Implementasi Pengaturan Kecepatan MotorTiga Fasa Pada Mesin Sentrifugal Menggunakan KontrolerLogika Fuzzy (KLF)” diharap dapat menjadi referensi untukmenangani masalah pengaturan kecepatan motor pada mesinsentrifugal ini secara baik. Selain itu juga dapat membantumeningkatkan efisiensi mesin sentrifugal..

II. DISKRIPSI PERMASALAHAN

Motor induksi tiga fasa banyak digunakan pada berbagaiproses produksi di industri karena motor induksi memilikikonstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta berbiaya murah.Motor induksi tiga fasa juga memiliki efisiensi yang tinggisaat berbeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yangbanyak. Akan tetapi, jika dibandingkan dengan motor DC,motor induksi masih memiliki kelemahan dalam halpengaturan kecepatan, dimana pada motor induksi pengaturankecepatan sangat sulit untuk dilakukan[3]. Pada Tugas Akhirini penggerak mesin sentrifugal yang digunakan motor induksitiga fasa. [4].

Gambar 1. Lintasan Tracking Kecepatan Mesin Sentrifugal

Pengaturan kecepatan motor induksi yang relatif sulituntuk di kendalikan Sehingga dibutuhkan Kontroler yang bisamembuat kecepatan motor tetap stabil walaupun diberi bebanyang besar. Selain itu pada kasus mesin sentrifugal kecepatanmotor harus mengikuti tracking yang telah ditentukan karena

Perancangan dan Implementasi PengaturanKecepatan Motor Tiga Fasa Pada Mesin

Sentrifugal dengan Menggunakan KontrolerLogika Fuzzy

Marendra Kurniawan, Josaphat Pramudijanto, dan Eka IskandarTeknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

M


jika kecepatan dari motor tidak bisa mengikuti tracking makakualitas gula juga tidak akan sesuai yang diharapkan.[5][6][7]

Beberapa Pabrik Gula sudah menggunakan PLC dalammelakukan kontrol kecepatan dari mesin sentrifugal untukmengatasi permasalahan tersebut, biasanya menggunakanalgoritma kontrol yang sederhana yaitu dengan menggantisetpoint dari kecepatan motor dengan timer[8][9]. Penggunaantimer sebagai algoritma kontrol dari mesin sentrifugaltentunya kecepatan motor tidak akan sesuai dengan yang telahditentukan karena terdapat error steady state. Sehinggadibutuhkan kontroler yang dapat mengatasi permasalahantracking dimana setpoint yang diinginkan dapat tercapaiseperti pada Gambar 1 dan sistem dapat stabil terhadap bebanyang diputar. Untuk mengatasi permasalahan yang terjadi,maka dirancang Kontroler Logika Fuzzy sehingga kecepatanmotor dapat mengikuti tracking yang telah ditentukan.

III. PERANCANGAN SISTEM

Secara umum alur proses dari pengaturan kecepatan motorinduksi tiga fasa menggunakan Kontroler Logika Fuzzydengan PLC dapat dilihat pada Gambar 1 untuk memonitoringnilai Setpoint, Present Value dan fuzzy menggunakan softwareGT Desaigner3. Dan untuk Kontroler Logika Fuzzyditanamkan kedalam Programable Logic Controller yangakan digunakan untuk mengatur kecepatan motor induksi, dariProgramable Logic Controller menggunakan modul DAC(Q62DA) dan juga non-inverting amplifier untuk memberikansinyal kontrol ke inverter yang nantinya akan memutar motorinduksi tiga fasa. Dari motor induksi kemudian ada umpanbalik melalui rotary encoder masuk ke ke modul high speedcounter (QD62) yang pada akhirnya akan masuk dan diolahdatanya oleh PLC. Gambar 1 memperlihatkan diagram bloksistem secara keseluruhan.

Gambar 2. Blok Fungsional Sistem

A. Programable Logic Controller[11],[12]PLC (Programable Logic Controller) adalah sistem

elektronik yang beroperasi secara digital dan didisain untukpemakaian di lingkungan industri, dimana sistem inimenggunakan memori yang dapat diprogram untukpenyimpanan secara internal instruksi-instruksi yangmengimplementasikan fungsi-fungsi spesifik seperti logika,urutan, perwaktuan, pencacahan dan operasi aritmatik untukmengontrol mesin atau proses melalui modul-modul I/Odigital maupun analog. Dimana PLC Mitsubishi Q-Seriesakan digunakan sebagai controller pada penelitian ini.

Pada Gambar 3 komponen pada modul controller terdiridari enam modul, yaitu: modul power suplay, CPU, digital

input, digital output, analog input, high speed counter, danmodul base plate. Spesifikasi dari modul-modul yangdigunakan adalah sebagai berikut:

1. Power supply (Q61P): masukan power supply (100 –240VAC), keluaran 5VDC (6A).

2. CPU (Q02HCPU): kapasitas program (28 kstep),kecepatan pemrosesan (0,034 μsec), tipe memori (standarROM).

3. Digital input (QX42): terdiri dari 64 point, 32 point dan32 common, dengan tegangan 24VDC input (4mA), dantipe pengkabelanya menggunakan sink type.

4. Digital output (QY42P): terdiri dari 64 point, 32 pointdan 32 common, dengan tegangan 12 to 24 VDC, Dansudah didukung dengan perlindungan termal dan shortsirkuit serta tegangan kejut.

5. Analog Input (Q64AD): total channel analog (4 ch),range konversi dari analog ke digital adalah 0 – 5 VDClinier dengan nilai digital 0 – 4000.

6. High Speed Counter (A1SD61): membutuhkan supply24VDC dan dapat mengolah sinyal pulsa A dan B.

Bahasa pemrograman yang digunakan adalah ladder.Software yang digunakan untuk pemrograman PLC adalahsoftware integrasi berbasis windows tipe GX Work2 versi1.77F.

Gambar 3. Perancangan I/O Modul PLC[10]


B. Mesin SentrifugalIdentifikasi Merupakan proses yang cukup penting dalam

Mesin sentrifugal yang digunakan pada Tugas Akhir iniadalah mesin yang digunakan pada Tugas Akhir sebelumnya.Namun mesin sentrifugal yang digunakan telah dimodifikasidengan mengganti tachogenerator dengan rotary encoder, danpemberian roda pada kaki-kaki penopang mesin. Mesin yangdibuat berbahan stainlis dan berbentuk tabung. Didalam mesinini terdapat tabung stailis berukuran lebih kecil dari tabungluar dan memiliki lubang-lubang kecil. Kemudian terdapatsaluran untuk keluarnya air dari proses sentrifugal. Berikut inimesin sentrifugal yang telah dibuat dan digunakan pada TugasAkhir yang ditunjukkan pada Gambar 4.

PLC

SP KontrolerLogikaFuzzy

PlantMesin

SentrifugalInverter

Rotary EncoderModul HighSpeed Counter

Output






















PLC


PlantMesin

SentrifugalInverter


Output






















PLC


PlantMesin

SentrifugalInverter


Output


Semua komponen perangkat keras digabungkan dalam satutempat yaitu panel kontrol dimana didalam panel kontrol(Gambar 4) terdapat rangkaian non-inverting op-amp, inverter,power supply, wiring rotary encoder, pilot lamp, saklar,emergency button dan pushbutton. Dari panel kontrol inimesin sentrifugal dioperasikan dengan menggunakan saklardan pushbutton dimana juga dapat dilihat besarnya nilaifrekuensi yang bekerja pada motor tiga fasa.

Gambar 4. Mesin Sentrifugal dan Panel Kontrol

Pilot lamp yang dipasang pada panel kontrol ada tiga buahdimana lampu berwarna merah menandakan bahwa sistemnon-aktif, warna hijau menandakan bahwa sistem sudah siapuntuk dioperasikan dengan menggunakan kontroler dan marnamerah gelap menandakan tanda bahaya. Pada panel kontroljuga terdapat dua buah pushbutton dan sebuah saklaremergency dimana saklar berfungsi untuk menonaktifkanmesin secara keseluruhan sedangkan pushbutton bergunauntuk mengoperasikan mesin dan menon-aktifkan secaralokal.

.C. Identifikasi Sistem [11]Identifikasi sistem diperlukan untuk mendapatkan model

matematika motor induksi tiga fasa. Pada Tugas Akhir ini,identifikasi dilakukan adalah identifikasi statis dengan melihatkeluaran respon berupa kecepatan terhadap referensi yang

Tabel 1 Validasi Model Matematika dari Kelima Metode

No Metode Model Matematika ISE

1. Viteckova 1st Order1,1191,34s + 1 e , 0,1716

2. Viteckova 2nd Order1,1190,74s + 1,72s + 1 e , 0,0995

3. Latzel1,11922,55s + 9,498s + 1 e , 0,7407

4. Strejc1,1196,12s + 1e , 0,1936

5. Sundaresan & Krishnaswamy1,1192,47s + 1e , 0,0459

diberikan. Sinyal uji step diberikan melalui PLCMitsubishi dengan member nilai setpoint sebesar 800 rpm atau

3,4636 Volt. Hasil respon plant yang terbaca oleh rotaryencoder akan ditampilkan di perangkat display PLC. Datakecepatan juga dan disimpan oleh microsoft excel melaluibantuan Mx Sheet dan Mx Component dengan time samplingyang digunakan sebesar 0,1 detik.

Perhitungan dalam menentukan pendekatan modelmatematika dengan metode Sundaresan & Krishnaswamyadalah sebagai berikut:

1. Menentukan nilai K yang didapatkan dari pembagiannilai Yss dengan Xss (Yss = 895rpm; Xss = 799 rpm ).= = , (1)

2. Pada grafik respon didapatkan waktu saat responmencapai 35,3% dari nilai Yss (t35,5= 2,75) dan 85,3%dari nilai Yss (t85,3= 6,45).

3. Menentukan nilaiTdSKdan τ .= 1,3 t35,3 – 0,29 t85,3 = 1,7 (2)

= 0,67 (t85,3 – t35,3)= 2,48 (3)

4. Model matematik untuk metode Sundaresan &Krishnaswamy adalah :( ) = , , (4)

D. Perancangan Kontroler Logika FuzzyFungsi keanggotaan masukan terdiri dari nilai error dan

delta error. Nilai error dan delta error didapat dari analisarespon plant.Kemudian diperoleh nilai maksimum dan nilaiminimum dari data analisa respon plant. Dari data perhitungannilai error dan delta error diperoleh nilai -0,5 sampai +0,5 dan-0,05 sampai +0,05. Nilai error dan data error ternormalisasiKe sebesar 2 dan data error ternormalisasi Kde sebesar 20.Nilai linguistik dari fungsi keanggotaan fuzzy didefinisikandengan angka 1, 2, dan 3. Untuk nilai 1 Negatif (N), nilai 2Zero (Z), nilai 3 Positif (P). Fungsi keanggotaan error dandelta error ditunjukkan pada Gambar 3.5. dan 3.6.

Gambar 5. Fungsi Keanggotaan Fuzzy

Gambar 6. Fungsi Keanggotaan Fuzzy (Ternormalisasi)

Fungsi keanggotaan keluaran fuzzy tipe PD ini dipilihrange dari -3,4636 sampai 3,4636. Nilai linguistik dari fungsikeanggotaan fuzzy didefinisikan dengan K (Kecil), S (Sedang),


dan B (Besar) Fungsi keanggotaan keluaran fuzzy sepertiGambar 3.7.

Gambar 7. Fungsi Keanggotaan Keluaran Fuzzy

Perancangan basis aturan untuk kontroler fuzzy diperlukanagar kontroler fuzzy dapat bekerja pada plant. Berdasarkanfungsi keanggotaan masukan berupa error dan delta error sertakeluaran berupa sinyal kontrol, terdapat 9 basis aturan yangakan disusun berdasarkan Tabel Mark Vicar Whelan. Basisaturan berdasarkan Mark Vicar Whelan ditunjukkan padaTabel 2.

Tabel 2 Basis Aturan

N Z P

N K K S

Z K S B

P S B B

Dari basis aturan seperti pada tabel dapat disusun aturan Fuzzyseperti berikut:

Jika error=N dan delta error=N, makasinyal kontrol=K

Jika error=N dan delta error=Z, makasinyal kontrol=K

Jika error=N dan delta error=P, makasinyal kontrol= S

Jika error=Z dan delta error=N, makasinyal kontrol=K

Jika error=Z dan delta error=Z, makasinyalkontrol=S

Jika error=Z dan delta error=P, makasinyal kontrol “B”

Jika error=P dan delta error= N, makasinyal kontrol=S

Jika error=N dan delta error=Z, makasinyal kontrol=B

Jika error=N dan delta error=Z, makasinyal kontrol=B

Metode inferensi fuzzy yang digunakan ialah metodeMamdani dengan persamaan berikut:

)(),(min),(max)( ijkk deeuu (5)

Defuzzifikasi digunakan untuk mengubah hasil dariinferensi fuzzy menjadi variabel nyata, atau diubah menjadinilai nyata yang berupa nilai tunggal. Metode defuzifikasiyang digunakan mengguanakan fuzzy Mamdani. Defuzifikasiuntuk mendapatkan nilai sinyal kontrol yang digunakan.Metode yang digunakan untuk defuzzifikasi yaitu Center ofArea (COA).

)(

))((

))(()(

1

10 TUu

Tu

TuTu

Um

kkk

m

kkuk

(6)

E. Perancangan Kontroler PIDKontroler PID merupakan kontroler proporsional ditambah

integral dan ditambah dengan differensial. Langkah-langkahdesain kontroler PID:

1. Dari Identifikasi sistem secara statis saat bebannominal dengan kecepatan 200 rpm diperoleh modelmatematika sebagai berikut: = 1,02(0,0544 + 0,1088 + 1)

2. Menentukan spesifikasi performansi respon orde

pertama yang diinginkan dengan ∗ = detik.

3. Mencari Kp, τi, dan τd

= ,(7)= 10,0544= 4,29

= , (8)= 0,2333 ± % ≈ ∗ = (9)∗ = 53 = (10)= 0,1087 = (11)= 0,49957 = ∗ (12)

= 2 0,233353 4,29 1,02= 0,06389Hasil dari penentuan nilai , , dan , Kemudiandimasukkan kedalam program Matlab untuk simulasi danprogram GxWork untuk implementasi.

∆ Error

Error


IV. SIMULASI DAN IMPLEMENTASI

Simulasi kontroler logika fuzzy dilakukan dengan refrensitracking dengan 200,300, dan 800 rpm. Blok simulinkkontroler logika fuzzy ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 8. Blok Simulink Kontroler Logika Fuzzy pada Plant MesinSentrifugal dengan Referensi Tracking

Untuk simulasi dengan referensi tracking ditunjukkan padaGambar 9.

Gambar 9. Hasil Simulasi pada Referensi Tracking

Dari hasil analisa error steady state pada simulasi,diperoleh nilai rata-rata dari error steady state saat charging,spinning, dan discharging sebesar ± 0,1%.

Simulasi kontroler PID dilakukan dengan refrensi referensitracking. Referensi tracking dengan 200,300, dan 800 rpm.

Blok simulink dan hasil simulasi kontroler PID menggunakanMatlab ditunjukkan pada Gambar 10 dan 11.

Gambar 10. Blok Simulink Kontroler PID

Gambar 10. Hasil Simulasi Kontroler PID pada Referensi Tracking

Dari hasil analisa error steady stade pada simulasi,diperoleh nilai rata-rata dari error steady state saat charging,spinning, dan discharging sebesar ± 0,1%.

Metode perhitungan kontroler PID menggunakan trial anderror, dimana penentuan nilai , , dan mencoba-cobauntuk meminimalisirkan overshoot. Dari nilai tersebutditanamkan keprogram PLC.

Gambar 12. Implementasi dengan Kontroler PID

Pada Dari implementasi kontroler PID dapat memilikierror steady state yang hampir mendekati nilai error steadystate pada simulasi. Hal ini menunjukkan bahwa kontroler PIDmemiliki kehandalan kontroler yang dapat mempertahankannilai referensi. Nilai referensi pada karakteristik kerja mesinsentrifugal yaitu 300 rpm, 800 rpm dan 200 rpm. Dari ketigareferensi itu diperoleh rata-rata error steady state sebesar1,14%.

V. KESIMPULAN DAN SARANBerdasarkan data hasil simulasi kontroler fuzzy dan

implementasi kontroler PID pada Tugas Akhir ini diperolehbeberapa kesimpulan dan saran sebagai berikut:

1. Dari hasil analisa error steady stade pada simulasidengan kontroler logika fuzzy, dan kontroler PID,diperoleh nilai rata-rata dari error steady state saatcharging, spinning, dan discharging sebesar ± 0,1%.


2. Dari hasil analisa error steady stade pada implementasidengan kontroler PID, diperoleh nilai rata-rata darierror steady state saat charging, spinning, dandischarging sebesar ± 1,14%.

3. Pada simulasi kontroler logika fuzzy dan kontroler PIDserta implementasi kontroler PID dapat mengikutikarakteristik kerja kurva saat charging, spinning, dandischarging dengan error steady state yang tidak jauhberbeda dengan referensi yang diberikan.

4. Penelitian selanjutnya membutuhkan sensorpengukuran untuk beban massa gula pada mesinsentrifugal agar penelitian seanjutnya lebih baik.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Kasal, A., PT. Yuda Esa Sempurna Sejahtera (PT.YESS),PT. Yuda Esa Sempurna Sejahtera (PT.YESS):http://www. yudaesa.com, 25 Januari 2013.

[2] Hidayah Fahmi, Nafisah Durrotun,” Desain PengaturanMotor 3 Fasa Star-Delta”, Kerja Praktek, JTE-ITS,Surabaya, 2012.

[3] Karsino,”Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi 3Fasa dengan Kontroler PID MenggunakanMikrokontroler 8031”, Tesis, JTE-ITS, Surabaya, 2007

[4] Mudia Halim,”Perancangan dan Implementasi PIDAdaptif pada Pengaturan Kecepatan Motor Induksi 3Fasa”, Tugas Akhir, JTE-ITS, Surabaya, 2012.

[5] Alfiyan Rizki Matra,”Perancangan dan ImplementasiPengaturan Kecepatan Motor Induksi 3 FasaMenggunakan Kontroler PID Fuzzy dengan PLC”, TugasAkhir, JTE-ITS, Surabaya, 2013.

[6] Yudistira Adityo, Hidayah Fahmi, ”Monitoring MesinPress pada Industri Karoseri Menggunakan PLC, TugasAkhir, Program D3 Teknik Elektro ITS, Surabaya, 2011.

[7] Ljung, Lenart; Torkel, Glad. “Modeling of DynamicSystems”, Prentice – Hall International: New Jersey.1994.

[8] Ing. Pavel Jakoubek, “Experimental Identification ofStabile Nonoscillatory Systems from Step-Responses bySelected Methods”, Konference Studentskétvůrčíčinnosti, 2009.

[9] Ogata, Katsuhiko, Modern Control Engineering, Prentice– Hall International. 1970

[10] Setyanigrum, Dinar, ”Desain dan Implementasi ModelReference Adaptif Control Untuk Pengaturan TrackingOptimal Posisi Motor DC”, Tugas Akhir, JTE-ITS,Surabaya, 2012.

[11] Naidu, DesineniSubbaram. Optimal Control System.CRC Press: New York, 2003.

[12] Lewis, Frank L.; Syrmos, Vassilis L. Optimal Control.John Wiley & Sons, Inc., 1995.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih ditujukan kepada teman-teman partnerkerja tugas akhir ini Arwanjer Semit, Ovi Candra, YokiPermana, dan Rizqah Yunita selama pengerjaan tugas akhir inidi Laboratorium PLC D3 Teknik Elektro FTI ITS.

Berikut Link alamat video di Youtube :http://www.youtube.com/watch?v=COWg13UERAA

RIWAYAT HIDUP

Marendra Kurniawan lahir diSidoarjo pada tanggal 26September 1990. Penulismerupakan anak kedua daripasangan Bambang Djojo Kusumodan Kurniasih. Setelah lulus dariSMAN 1 Sidoarjo pada tahun2009, penulis melanjutkan studi diProgram Studi Diploma III JurusanTeknik Elektro Institut TeknologiSepuluh Nopember (ITS). Padatahun 2012 terdaftar sebagai

mahasiswa lintas jalur Genap Institut Teknologi SepuluhNopember (ITS), Jurusan Teknik Elektro dengan BidangStudi Teknik Sistem Pengaturan. Penulis selamamenempuh studi aktif dalam kompetisi ilmiah tingkatnasional seperti PIMNAS. Penulis mengikuti seminar danujian Tugas Akhir di Bidang Studi Teknik SistemPengaturan, Jurusan Teknik Elektro, ITS Surabaya sebagaisalah satu persyaratan untuk memperoleh gelar SarjanaTeknik Elektro. Email penulis [email protected]. Nomer telepon genggam (HandPhone) ialah 08563463700

perancangan dan implementasi pengaturan kecepatan motor tiga fasa … · motor induksi tiga fasa...

Documents