C-014

Prosiding Conference on Smart-Green Technology in Electrical and Information Systems

Bali, 14-15 November 2013

Desain dan Realisasi Ethernet Extended Module PLC Mikro Berbasis Prosesor ARM Cortex

Nahdatin Hasanah

Telkom Engineering School

Telkom University

Bandung, Indonesia [email protected]

Muhammad Ary Murti Telkom Engineering School Telkom University Bandung, Indonesia [email protected]

Agung Nugroho Jati

Telkom Engineering School

Telkom University Bandung, Indonesia [email protected]

Abstrak— Sebagai upaya penelitian dan pengembangan bidang elektronika dan control, telah dirancang dan direalisasikan PLC mikro berbasis prosesor ARM Cortex di Fakultas Teknik – Telkom University. Untuk melakukan ekspansi komunikasi, maka dikembangkan modul ethernet yang compatible dengan PLC tersebut. Dari hasil rancangan dan realisasi modul ethernet yang menggunakan WIZ812MJ, diperoleh kesimpulan bahwa modul tersebut compatible terhadap PLC mikro yang ada, dan hanya memerlukan daya sebesar 0,5934 W dengan konsumsi arus sebesar 78,9 mA dari sumber catuan main module PLC mikro.

Kata Kunci—Programmable Logic Controller (PLC), Extended Module PLC, Ethernet Module

  • I.   Pendahuluan

Programmable Logic Controller (PLC) adalah suatu kontroler berbasis mikroprosesor dimana didalamnya terdapat memori yang dapat diprogram dan berfungsi untuk menjalankan beberapa perintah, contohnya adalah sekuensial, pewaktuan, logika, aritmatika, dan lain-lain.[5] Bahasa yang digunakan di PLC adalah bahasa logika, karena pemrograman ditekankan kepada implementasi logika dan operasi switch. PLC terdiri dari device input dan output, dimana input dapat berupa sensor, saklar, dan output berupa motor, valve,dan lain-lain. Keuntungan PLC dibandingkan kontroler yang lain adalah dapat digunakan untuk sistem yang besar, contohnya sistem automasi pabrik. PLC hampir sama dengan komputer, dimana komputer digunakan untuk kalkulasi dan display, sedangkan PLC digunakan untuk sistem kontrol dan automasi industri. Maka dari itu, PLC tahan terhadap getaran, noise, temperatur, dan kelembapan. PLC memiliki interface antara input dan outputnya yang terletak didalam kontrolernya.

Sistem PLC terdiri dari beberapa komponen fungsional, seperti halnya terlihat pada gambar 1.

Cornmunicatons interface»

Gambar 1. Diagram Sistem PLC[1]

Ada beberapa hardware penyusun PLC, yaitu :

  • 1.    CPU, adalah unit yang berisi mikroprosesor berfungsi untuk menerjemahkan sinyal input dan melakukan aksi kontrol sesuai dengan program yang telah ditanam dimemori.

  • 2.    Power supply unit, berfungsi sebagai pengkonversi tegangan AC ke tegangan DC(5V) yang dibutuhkan oleh prosesor dan rangkaian input serta output module interfacenya agar dapat bekerja.

  • 3.    Programming device, digunakan sebagai penghubung antara program yang telah dibuat kedalam memori di prosesor.

  • 4.    Memory unit, berisi program mengenai aksi kontrol yang akan dieksekusi oleh mikroprosesor dimana data diberikan dari input untuk memproses keluaran outputnya.

  • 5.    Input and output sections, pada bagian ini, prosesor menerima informasi dari devais eksternal dan mengkomunikasikannya ke devais eksternal lainnya.

  • 6.    Communication interface berfungsi untuk menerima dan mentransmit data pada jaringan komunikasi dari atau ke PLC lainnya. Pada bagian ini biasanya terjadi proses verifikasi devais, akuisisi data, dan sinkronisasi antara aplikasi user dan manajemen koneksi. PLC mikro berbasis

    ARM Cortex adalah PLC hasil riset Fakultas Teknik – Telkom University yang menggunakan MCU STM32 sebagai prosesor PLC tersebut. PLC tersebut memiliki fitur-fitur dasar standar yang dibutuhkan oleh industri.

    PLC ini memiliki 32 I/O dgital yang terdiri dari 20 input digital dan 12 output digital, dan 6 I/O analog yang terdiri dari 4 input analog dan 2 output analog. PLC RAPID menggunakan bahasa pemprograman ladder Visual Basic dan JAVA. Penggunaan 2 bahasa ladder ini di tujukan untuk perancangan PLC system yang berbasis smart phone, sehingga lebih fleksibel digunakan oleh penggunanya nanti.[2]

    Pengembangan lebih lanjut dari PLC ini bertujuan agar PLC mampu terhubung dengan PC user melalui jaringan. Oleh karena itu, dikembangkan extended module ethernet interface sebagai antarmuka PC ke jaringan LAN.

    Secara umum, paper ini dibagi dalam empat bab, bab pertama akan menjelaskan mengenai pendahuluan dilakukannya penelitian ini. Kemudian, pada bab kedua akan dijelaskan mengenai desain modul ethernet. Bab ketiga akan memberikan hasil pengukuran dan pengujian perangkat. Serta bab terakhir berupa kesimpulan penelitian.


    ferrite bead

    DIODE SCHOTTKY


    D2a


    D1a C1 j- C2 1C01uF I 1C020n


    DIODE SCHOTTKY

    VCC3 3

    PB6 SC

    A0

    A1

    A2

    GND GND

    28

    55

    56

    R9 10k

    VDDA

    VSSA

    SCK

    SDA

    WP

    2431

    42

    PA0 RESET 14

    15

    16

    VBAT

    PB7_SDA 5

    NRST

    BOOT0

    GND

    STM32F103

    VDD_1

    VDD_2

    VDD_4

    VDD_3

    VSS_1

    VSS_2

    VSS_3

    VSS_4

    A10

    A11

    A12

    A13

    A14

    A15

    4501

    52

    58 PB6_SCL

    59 PB7_SDA

    61

    8

    9

    10

    11

    PD0

    PD1

    PD2

    Gambar 3. MCU STM32 Minimum System


    T 1C050n T 1C060n j:1C070n   31

    146873


    7


    BOOT0 60


    PB0

    PB1

    BOOT1/PB2

    PB3

    PB4

    PB5

    PB6

    PB7

    PB8

    PB9

    PB10

    PB11

    PB12

    PB13

    PB14

    PB15


    6229

    30


    II. Desain dan Realisasi


    Tujuan utama dibuatnya extended module ethernet adalah untuk menghubungkan PLC dengan ladder programmer (PC) melalui jaringan LAN. Hal ini memungkinkan komunikasi kedua perangkat dapat dilakukan pada jarak yang cukup jauh. Secara umum, sistem yang diinginkan dapat dilihat pada gambar 2 di bawah ini.


    Gambar 2. Blok Diagram Sistem PLC Mikro – LAN


    A. MCU Minimum System

    Rangkaian sistem minimum adalah rangkaian elektronik yang diperlukan agar MCU dapat bekerja. Sistem minimum yang dirancang kali ini terdiri dari beberapa blok, yaitu blok pembangkit clock utama, pembangkit clock RTC, reset, boot loader, memori, power supply analog, dan switch.

    Pada gambar 3, ditunjukkan skematik rangkaian minimum system yang dibuat sebagai penunjang kinerja MCU. Komponen minimum system sudah tidak dapat dikurangi untuk tetap dapat bekerja.


    B. USB dan UART Interface


    PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6

    PA7 PA8 PA9 PA10 PA11 PA12 PA13 PA14

    PA15


    PC0

    PC1

    PC2

    PC3

    PC4

    PC5

    PC6

    PC7

    PC8

    PC9

    PC10

    PC11

    PC12

    PC13

    PC14

    PC15


    4

    56



    Untuk berkomunikasi dengan perangkat luar, digunakan port PA9 sebagai pernerima data (RX) dan PA10 sebagai pengirim data (TX). Perancangan rangkaian USB-UART seperti gambar 4 di bawah ini digunakan sebagai interface antara MCU dengan PC, dimana dengan komunikasi serial yang digunakan berfungsi untuk menanamkan program pada MCU STM 32.


    ∖ USART1_T25

    ∖ USART1_R24

    23

    22

    21

    20

    19

    18


    VCC


    R108


    470


    VCC

    VCC

    C23    C

    0.1uF   0

    TXD

    3V3OUT 6

    8

    7

    USBDP

    XTOUT

    RESET#

    CT DT DSR# DCD# RI#

    RSTOUT# XTIN


    FB FERRITE BEAD

    C21 C24              C25

    0.1uF 10uF TANT        10nF


    R112 27

    R111 27

    5

    28

    4 VCC

    1

    2

    3

    4

    CS SK DIN DOUT


    7


    X3


    5

    4

    3

    2

    1


    6


    GND1


    VBUS

    DD-+

    ID

    GND


    GND2


    MINI USB-B


    R109 220GND

    16

    15

    14

    12

    11


    32

    FT232BM


    EECS

    SLEEP

    TXDEN PWREN# PWRCTL TXLED# RXLED#

    EESK

    EEDATA TEST

    1

    31


    10K


    U4

    VCC NC NC

    GND

    8

    C26 0.1uF

    93C46 GND


    R115


    GND


    Gambar 4. Desain Hardware Extended Module I/O Digital


    C. Desain Software

    Software yang dirancang berupa program embedded OS pada MCU STM32 sebagai master pada extended module ethernet. Program yang dibuat meliputi komunikasi antara extended modul ethernet dengan WIZ812MJ dengan menggunakan protokol komunikasi SPI bus.


    Komunikasi data yang digunakan pada perancangan software ini adalah berbasis protokol TCP. Protokol TCP ini


    Gambar 6. Diagram Alir Client Mode TCP[3]


Perbedaan mode server dan client adalah pada listen dan connect. Step listen dimulai dengan membuka socket, lalu mengganti status socket menjadi mode listen, sehingga dapat terhubung dengan client. Mode server ini termasuk mode pasif, sehingga pada mode ini socket hanya menunggu request yang diberikan oleh client. Proses pada mode client adalah sama dengan proses pada mode server. Mode client ini termasuk mode aktif, karena pada mode ini, sistem akan terus mengirimkan request kepada server.

D. Realisasi Extended Module Ethernet

Realisasi hardware extended module ethernet ini disusun dalam satu board. Sistem penyusunan dalam satu board ini bertujuan agar desain alat lebih compact, sehingga tidak memerlukan banyak kabel penghubung rangkaian satu dengan yang lainnya. Sumber catu daya yang digunakan berasal dari power supply dengan spesifikasi keluaran 3,3 Volt DC sebagai sumber tegangan MCU STM32.


Gambar 7. Board Extended Module Ethernet

  • III.    Hasil Pengujian

  • A.    Konsumsi Daya

Pengujian konsumsi daya ini bertujuan untuk mengetahui konsumsi daya extended module sehingga diketahui apakah modul ini dapat diimplementasikan bersama dengan PLC mikro yang ada. Hal ini berkaitan dengan seberapa besar PLC mikro harus mampu memberikan catuan pada ethernet.

Pengujian konsumsi daya dilakukan dengan memberikan tegangan masukan sebesar 3.3 Volt / 0,5 Ampere dari PLC ke ethernet. Pengujian konsumsi daya ini dilakukan dengan cara mencari nilai arus yang terpakai. Pengujian ini dilakukan dalam empat tahap, tanpa menggunakan WIZ812MJ, dengan menggunakan WIZ812MJ, saat sistem idle, dan yang terakhir pada saat sistem melakukan komunikasi.

Konsumsi Daya

Sebelum Menggunakan WIZ812MJ

Setelah Menggunakan WIZ812MJ

Pengujian Ke -

Gambar 8. Grafik Perbandingan Konsumsi Daya Sebelum dan Setelah Koneksi PLC dengan WIZ812MJ

Dari selisih nilai rata – rata tersebut dapat disimpulkan bahwa modul Ethernet WIZ182MJ masih bekerja dengan baik dan sesuai dengan fungsinya karena konsumsi daya dari WIZ182MJ yang terukur masih masuk ke dalam jangkauan konsumsi arus dari WIZ812MJ yang terdapat di dalam datasheet, dimana konsumsi arus maksimal bernilai 185 mA.

Gambar 9. Grafik Perbandingan Konsumsi Daya Saat Idle dan Komunikasi

Konsumsi daya pada saat Idle 0,5823 Watt dan pada saat sedang melakukan komunikasi 0,5934 Watt, sehingga dapat disimpulkan bahwa daya yang harus disediakan PLC

Mikrokontroller ST sebesar 0,5934 Watt untuk dapat mencatu modul Ethernet yang telah diimplentasikan.

  • B.    Kecepatan Komunikasi Data

Pengujian ini dilakukan dengan mengirim sebuah paket/ data yang diketikkan pada software Hercules_3-2-4 dan ESI Serial Debug-latest. Pertama atur IP PC yang digunakan sesuai dengan IP yang telah diatur, yaitu 192.168.0.71. Kemudian atur port pada software Hercules_3-2-4.exe yaitu 3000. Kemudian klik tombol listen lalu lakukan proses pengiriman data. Proses pengiriman data ini dilakukan 2 tahap, yaitu pengiriman data dari Modul Ethernet ke PC, dan dari PC ke modul Ethernet .Perintah yang diberikan pada saat mengirim command dari PC ke modul Ethernet adalah “#readeth,601186”. Sedangkan perintah yang diberikan pada saat mengirim command dari modul Ethernet ke PC adalah “#sendeth,601186,perintah yang akan dikrimkan”. Untuk pengujian pengiriman data ini, digunakan bantuan software wireshark sebagai Analisa kecepatan pengiriman data. Standar parameter pengujian ini adalah perbedaan panjang kabel UTP yang digunakan, yaitu 1m dan 2m, dan dengan banyaknya bytes yang dikirim.

Tabel 1. Hasil Pengujian Komunikasi Data 15 Karakter Melalui UTP Sepanjang 1 m dan 2 m

Pengujian Ke-

Banyaknya Data yang Terkirim (Bytes/Second) UTP 1 m

Banyaknya Data yang Terkirim (Bytes/Second) UTP 2 m

1

657,7540

61287,0360

2

789,7060

61259,6680

3

563,5790

61330,8790

4

563,7270

61259,6680

5

563,5790

61307,9820

Rata -Rata

627,6690

61289,0466

Deviasi Rata -Rata

99,3286

18,9354

Setelah dilakukan pengujian, didapatkan jangkauan kemampuan pengiriman data dari sistem yang telah diimplementasikan adalah rata-rata diantara 627,7036 bytes/second – 886,7740 bytes/second, sedangkan untuk pengiriman dari modul Ethernet ke PC, dan 61289,0466 bytes/second – 74058,1960 bytes/second untuk pengiriman data dari PC ke modul Ethernet. Hasil kecepatan pengiriman data dipengaruhi oleh jarak dan panjang karakter data yang dikirimkan.

  • C.    Delay

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui delay atau waktu yang dibutuhkan untuk mengirimkan data dari PC ke modul ethernet, ataupun sebaliknya, dari modul Ethernet ke PC. Delay dapat disebabkan oleh media fisik, dan juga waktu proses dibutuhkan untuk mengeksekusi program dalam pengiriman dan penerimaan data. Pengujian ini dilakukan dengan melakukan pengiriman data dari modul ethernet ke

PC, dan sebaliknya dengan melihat data yang ter-capture pada Wireshark. Parameter delay yang dibandingkan adalah panjang kabel UTP dan juga banyaknya karakter data yang dikirimkan.

Tabel 2. Hasil Pengujian Delay 15 Karakter Melalui UTP Sepanjang 1 m dan 2 m

Pengujian Ke-

Banyaknya Data yang Terkirim (Bytes/Second) UTP 1 m

Banyaknya Data yang Terkirim (Bytes/Second) UTP 2 m

1

0,009

0,009

2

0,009

0,009

3

0,009

0,009

4

0,009

0,009

5

0,009

0,009

Rata -Rata

0,009

0,009

Deviasi Rata -Rata

0

0

Berdasarkan hasil pengujian nilai delay terhadap perangkat yang digunakan, didapatkan nilai 0,008s untuk pengiriman data 5 dan 10 karakter dengan panjang kabel UTP 1m dan 2m, dengan 0,009s dengan pengiriman data 15 karakter pada panjang kabel 1m dan 2m. Hal ini disebabkan oleh proses kerja MCU yang membutuhkan waktu untuk memproses data pada saat penerimaan dan pengiriman data.

  • IV.    Kesimpulan

Berdasarkan hasil perancangan, implementasi dan ujicoba sistem Ethernet untuk PLC yang diimplementasikan, terdapat beberapa hal yang dapat disimpulkan, antara lain:

  • 1.    Modul Ethernet yang diimplentasikan di dalam Tugas Akhir ini sudah diuji dengan cara membandingkan konsumsi arus pada saat sebelum dan setelah sistem ditambahkan modul Ethernet WIZ107SR, nilai selisih yang didapatkan sebesar 0,0789A atau 78,9 mA. Nilai tersebut masih masuk di dalam nilai jangkauan dari konsumsi arus dari modul Ethernet dimana nilai maksimal arus yang diperbolehkan sebesar 185 mA.

  • 2.    Setelah dilakukan pengujian, bahwa daya yang harus disediakan PLC berbasis Mikrokontroler ST untuk dapat mencatu modul Ethernet yang telah diiimplementasikan sebesar 0,5934Watt.

REFERENSI

  • [1]    Bolton, W. 2009. Programmable Logic Controllers, fifth edition. UK : Elsavier

  • [2]    Wahyu, Lukman Mawardi. 2009. Perancangan dan Implementasi PLC Mikro Berbasis Mikrokontroler ST uPSD3254BV. Bandung : IT Telkom.

  • [3]    WIZnet.Co. 2006. W5100 Datasheet (Ver 1.0.1).

  • [4]    Wiznet.Inc. 2008. WIZ812MJ Datasheet (Ver 1.1).

  • [5]    Wicaksono, Handy, (2009), Programmble Logic Controller Teori, Pemrograman dan Aplikasinya dalam Otomasi Sistem, Surabaya, Graha Ilmu.

Halaman Ini Sengaja Dikosongkan

196

ISBN: 978-602-7776-72-2 © Universitas Udayana 2013