Perancangan Simulasi Saklar Pemindah Otomatis Pada Instalasi Genset Berbasis Mikrokontroler ATMEGA16

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

Perancangan Simulasi Saklar Pemindah Otomatis Pada

Instalasi Genset Berbasis Mikrokontroler ATMEGA16

  Utis Sutisna ¹ , Siswanto Nurhadiyono ² Karyono ³ _1,2,3 Jurusan Teknik Elektro STT Wiworotomo

Jln. Semingkir 1 Telp. (0281) 626266, 632870 Purwokerto 53134 Indonesia

email: t155n4@gmail.com ¹ Abstract

  With the development of technology and the use of electrical energy, certain places such as trading centers, hotels, hospitals and industry, electrical energy requires continuous and reliable in function and production. As a control when genset takes over the supply of electric power to the load or vice versa will require a system or appliance. A transfer control device is a device that automatically right tools are used in the installation of the generator. By using a microcontroller as the main controller of an automatic transfer switch appliance, can be simulated with Proteus ISIS application program. ACS712 current sensor used as a detector of load current from PLN. This sensor is combined with a microcontroller using a signal conditioning circuit that the output signal of the current sensor can be read by the microcontroller. Flows from the source to the load is detected by the sensor ACS712. After detecting the flow, the sensor ACS712 then provide further output signal is conditioned in advance using the signal conditioning circuit before entering into the system microcontroller. Then the output signal is used by the microcontroller as a reference to determine whether the source of the electricity on or off. If the electricity is on, then the relay is activated and relay PLN Genset is off. If the electricity off, then the relay is turned off and relay Genset PLN activated. From the results of testing the automatic transfer switch system known automatic transfer switch system in the simulation were able to move from the current source to the generator PLN and vice versa. It is also known to the switching time of the PLN to the generator that is as long as 6.00 seconds in simulation software and for 6.53 seconds on the simulation hardware. Meanwhile, the switching time of the generator set to PLN ie for 1.03 seconds on the simulation software and for 1.25 seconds on the simulation hardware. Keyword: Microcontroler ATMega16, Sensor ACS712, Automatic Transfer Switch

1. Pendahuluan

  Saat ini masih ada beberapa yang menggunakan sistem manual yang mengandalkan secara penuh operator dalam pengoperasian genset. Di berbagai perindustrian pengoperasian Genset cukup hanya mengandalkan operator dalam pengoperasiannya. Ketika suplai utama mengalami pemadaman, maka operator harus cepat mengambil tindakan dengan memindah saklar penghubung antara beban dengan sumber listrik ^[1] . Dalam hal ini kesiapan operator sangatlah penting. Operator harus stanby setiap saat untuk mengantisipasi ketika terjadi ganggunan pada listrik PLN. Jika operator terlambat mengantisipasi maka akan menggangu ketersediaan sumber listrik. Sehingga produktivitas pengguna listrik juga akan ikut terganggu. Salah satu mikrokontroler yang banyak digunakan saat ini yaitu mikrokontroler AVR. AVR adalah mikrokontroler RISC (Reduce Instuction Set Compute) 8 bit berdasarkan arsitektur Harvard. Secara umum mikrokontroler AVR dapat dapat dikelompokkan menjadi 3 kelompok, yaitu keluarga AT90Sxx, ATMega dan ATtiny. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, peripheral, dan fiturnya _[1] . ATMega16 mempunyai empat buah port yang bernama PortA, PortB, PortC, dan PortD. Keempat port tersebut merupakan jalur bi-directional dengan pilihan internal pull-up. Tiap port mempunyai tiga buah register bit, yaitu DDxn, PORTxn, dan PINxn. Huruf ‘x’mewakili nama huruf dari port sedangkan huruf ‘n’ mewakili nomor bit. Bit DDxn terdapat pada I/O

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

  address DDRx, bit PORTxn terdapat pada I/O address PORTx, dan bit PINxn terdapat pada I/O address PINx.

  Bit DDxn dalam register DDRx (Data Direction Register) menentukan arah pin. Bila DDxn diset 1 maka Px berfungsi sebagai pin output. Bila DDxn diset 0 maka Px berfungsi sebagai pin input. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin input, maka resistor pull-up akan diaktifkan. Untuk mematikan resistor pull-up, PORTxn harus diset 0 atau pin dikonfigurasi sebagai pin output. Pin port adalah tri-state setelah kondisi reset. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika

  1. Dan bila PORTxn diset 0 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 0. Saat mengubah kondisi port dari kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0) ke kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=1) maka harus ada kondisi peralihan apakah itu kondisi pull-up enabled (DDxn=0, PORTxn=1) atau kondisi output low (DDxn=1, PORTxn=0).

  Bahasa C luas digunakan untuk pemrograman berbagai jenis perangkat, termasuk mikrokontroler. Pemrogramman ATmega8 menggunakan bahasa C atas tersedianya SDCC (Small Device C Compiler, C compiler gratis untuk pemrograman mikrokontroler) sehingga pemrograman akan lebih mudah dibandingkan penggunaan bahasa assembly. Bahasa ini sudah merupakan high level language, dimana memudahkan programmer menuangkan _[2] algoritmanya. Adapun keunggulan dari bahasa C , ACS712 adalah sensor arus yang bekerja berdasarkan efek medan. Sensor arus ini dapat digunakan untuk mengukur arus AC atau DC. Modul sensor ini telah dilengkapi dengan rangkaian penguat operasional, sehingga sensitivitas pengukuran arusnya meningkat dan dapat mengukur perubahan arus yang kecil. Sensor ini digunakan pada aplikasi-aplikasi di bidang industri, komersial, maupun komunikasi. Contoh aplikasinya antara lain untuk sensor kontrol motor, deteksi dan manajemen penggunaan daya, sensor untuk catu daya tersaklar, sensor proteksi terhadap arus _[3] lebih, dan lain sebagainya . Rangkaian komparator merupakan aplikasi op-amp dimana rangkaiannya digunakan dalam loop terbuka dan tidak linear. Komparator akan membandingkan nilai masukan pada masukan inverting dan non-inverting. Output akan bernilai positif apabila masukan inverting lebih besar daripada masukan non-inverting, dan _[4] sebaliknya . Konfigurasi open-loop pada Op Amp dapat difungsikan sebagai komparator. Jika kedua input pada Op Amp pada kondisi open-loop, maka Op Amp akan membandingkan kedua saluran input tersebut. Hasil komparasi dua tegangan pada saluran masukan akan menghasilkan tegangan saturasi positif (+Vsat) atau saturasi negatif (-Vsat).

  LM 358 merupakan rangkaian terintegrasi yang memiliki dua penguat operasional. Terdiri dari 4 masukan, memiliki faktor penguatan yang besar dan frekuensi internal yang berubah-ubah, yang mana di desain secara spesifik untuk beroperasi dari sebuah power _[5] supply melalui sebuah range tegangan . LCD merupakan device untuk menampilkan keluaran tertentu secara grafis. Dengan LCD, alat yang kita buat dapat menjadi lebih interaktif dengan menampilkan berbagai informasi pada layar LCD. Sebuah LCD 16x2 stardard yang sering digunakan adalah produk HITACHI seri HD44780. 16x2 berarti LCD _[6] terdiri dari 16 kolom dan 2 baris . Relay terdiri dari coil dan contact. Seperti gambar 2.2, coil adalah gulungan kawat yang mendapat arus listrik, sedang contact adalah sejenis saklar yang pergerakannya tergantung dari ada tidaknya arus listrik di coil. Contact ada 2 jenis :

  

Normally Open (kondisi awal sebelum diaktifkan open), dan Normally Closed (kondisi awal

_[7] sebelum diaktifkan close) .

  Secara sederhana berikut ini prinsip kerja dari Relay : ketika Coil mendapat energi listrik (energized), akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature yang berpegas, dan contact akan menutup. Dengan beberapa kelemahan pada sistem manual, maka diperlukan sistem kontrol yang dapat bekerja secara otomatis untuk menjalankan genset saat terjadi pemadaman dari PLN. Tujuan otomatisasi mesin genset adalah untuk mengurangi down time dan kebutuhan akan operator yang mempunyai keterbatasan waktu.

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

  Kontrol otomatis tersebut biasanya disebut Automatic Transfer Switch (ATS) dan

  

Automatic Main Failure (AMF) atau sistem interlock PLN-Genset. Akan tetapi ditinjau

  dari segi ekonomis, modul AMF buatan pabrik harganya mahal. Hal ini disebabkan karena alat tersebut didesain khusus untuk keperluan AMF. Oleh sebab itu sebagai alternatif, dalam penelitian ini akan didesain modul ATS menggunakan mikrokontroler Atmega16 2.

   Metode Penelitian 2.1.

   Konsep Perancangan

  Saklar pemindah otomatis pada perancangan ini adalah saklar Relay yang dikendalikan oleh mikrokontroler untuk menyambung dan memutuskan beban dengan sumber arus. Dimana dalam mengendalikan Relay, mikrokontroler mengacu pada arus sumber PLN yang dideteksi menggunakan sensor arus. Sebelum dibaca oleh mikrokontroler, data dari sensor tegangan diproses terlebih dahulu menggunakan rangkaian pengkondisian sinyal (signal conditioning). Kemudian data tersebut ditampilkan oleh mikrokontroler melalui perangkat LCD. Apabila arus dari PLN mati (down), maka mikrokontoler menonaktifkan Relay PLN untuk membuka atau memutus sambungan sumber arus PLN dengan beban, dan juga mengaktifkan Relay genset untuk menutup atau menyambung genset dengan beban. Sedangkan apabila arus dari PLN nyala (up), maka mikrokontroler mengaktifkan Relay PLN untuk menutup atau menyambung sumber arus PLN dengan beban, dan juga menonaktifkan Relay genset untuk membuka atau memutus sambungan genset dengan beban. Secara garis besar sistem saklar otomatis berbasis mikrokontroler ATMega16.

  .

  Sensor Arus PLN Pengkondisian Sinyal Mikrokontroler

  Relay Relay LCD PLN Genset

Gambar 2.1. Diagram blok perancangan sistem 2.2.

   Perancangan Rangkaian Simulasi

Gambar 2.2. Konfigurasi pena mikrokontroler Atmega16

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

a.

   Perancangan ini terdiri dari rangkaian Mikrokontroler dan LCD,

  Dalam model simulasi, rangkaian mikrokontroler dan LCD terdiri dari tiga komponen, yaitu mikrokontroler ATMega16, LCD karakter 16x2 dan terminal VCC sebagai pengganti power supply.

Gambar 2.3. Rangkaian mikrokontroler dan LCD b.

   Rangakian Sensor Arus

  Rangkaian ini menggunakan komponen aktif sebagai pendeteksi arus dari sumber PLN, yaitu IC (Integrated Circuit) tipe ACS712. Sensor arus ini mendeteksi arus dari jaringan listrik PLN, kemudian menghasilakan output yang selanjutnya diumpankan ke rangkaian mikrokontroler.

Gambar 2.3. Rangkaian sensor arus

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

c.

   Rangkaian Pengkondisian Sinyal

  Rangkaian Signal Conditioning disini merupakan rangkaian komparator untuk menyesuaikan sinyal output dari rangkaian sensor arus, supaya dapat dibaca oleh mikrokontroler. Sinyal output dari rangkaian sensor arus masih berupa tegangan bolak balik, maka perlu dirubah kedalam bentuk logic yang dapat dibaca oleh sistem mikrokontroler.

Gambar 2.4. Rangkaian pengkondisian sinyal d.

   Rangkaian Relay PLN

  Rangkaian ini berfungsi sebagai saklar (pemutus dan penghubung) antara sumber arus PLN dengan beban. Dimana saklar yang digunakan adalah sebuah Relay tipe SPDT (single pole double throw). Supaya Relay ini dapat dikendalikan oleh mikrokontroler, maka dalam rangkaian ini menggunakan sebuah komponen semikonduktor, yaitu transistor tipe BC547. Transistor ini difungsikan sebagai saklar elektronis, yang akan menyalurkan arus dari baterai ke Relay jika mendapat tegangan bias dari mikrokontroler pada kaki basisnya.

Gambar 2.5. Rangkaian relay PLN e.

   Rangkaian Relay Genset Pada dasarnya, rangkaian Relay genset dengan rangkaian Relay PLN adalah sama.

  Hanya saja ada sedikit perbedaan, dimana rangkaian Relay PLN digunakan untuk saklar

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

  antara sumber arus PLN dengan beban, sedangkan kalau rangkaian Relay genset digunakan untuk saklar antara genset dengan beban. Selain itu rangkaian ini juga dilengkapi indikator genset. Dimana indikator genset ini akan menyala jika genset telah menyala atau kondisi ON.

Gambar 2.6. Rangkaian relay genset f.

   Rangkaian Relay Starting Genset

  Rangkaian ini merupakan relay yang difungsikan untuk menyalakan genset ketika sumber listrik PLN padam. Ketika kaki basis transistor mendapat input high dari mirkokontroler, maka transistor akan mengaktifkan relay. Kemudian relay akan mengaktifkan sistem starting pada genset.

Gambar 2.7. Rangkaian relay starting genset g.

   Rangkaian Saklar Pemindah Otomatis enunjukan rangkaian saklar pemindah otomatis.

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

Gambar 2.8. Rangkaian saklar pemindah otomatis 2.3.

   Perancangan Program Simulasi

  Perancangan ini meliputi: a.

  Program Setting Mikrokontroler; Program setting merupakan program pembacaan setingan utama yang diterapkan dalam program keseluruhan pada mikrokontroler yang terkait dengan fitur yang digunakan dari mikrokontroler tersebut.

  b.

  Program ADC (Analog to Digital Convertion); Untuk merubah sinyal analog dari sensor arus ke bentuk sinyal digital memerlukan alat ADC. Pada mikrokontroler ATMega16 sudah terdapat fitur ADC yang dapat digunakan sebagai pengubah sinyal analog dari sensor arus ke bentuk sinyal digital..

  c.

  Program Pembacaan Arus; Program pembacaan arus disini adalah pengolahan data dari sensor arus supaya menjadi satuan nilai yang sesuai dengan nilai besaran arus yang dideteksi oleh sensor arus. Oleh karena nilai yang terbaca oleh ADC dari sensor arus belum menunjukan nilai besar arus yang sebenarnya, maka disini diperlukan program pembacaan arus.

  d.

  Program Kendali Relay; Program kendali relay berfungsi mengaktifkan Relay PLN dan relay Genset melalui Pin pada Port mikrokontroler dengan memberikan logika high dan low pada Pin mikrokontroler tersebut. Logika high untuk mengaktifkan relay, sedangkan logika low untuk menonaktifkan relay.

2.4. Perancangan Hardware

  a. Rangkaian Kontroler Saklar Pemindah Otomatis Sebelum pembuatan rangkaian, terlebih dahulu merancang layout PCB rangkain kontrol saklar pemindah otomatis menggunakan program ARES Proteus. Layout PCB hanya

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

meliputi dua bagian sistem, yaitu sistem mikrokontroler dan sistem pengkondisian sinyal.

  Setelah gambar layout sudah selesai maka selanjutnya adalah membuat rangkaiannya.

Gambar 2.9. Rangkaian kontroler saklar pemindah otomatis b.

   Modul Sensor ACS712

  Untuk sistem sensor arus, dalam pembelianya sudah tersedia dalam satu modul rangkaian. Dengan demikian kita tinggal menyambungkan masukan dan keluaran dari modul sensor arus ke sistem rangkaian utama.

Gambar 2.10. (a) Sensor arus ACS712 (b) Gambar 1 Baterai Li-ion c.

   Catu Daya Baterai

  Untuk mensuplay arus kedalam sistem saklar pemindah otomatis yang selalu siap setiap saat, maka digunakan sumber arus baterai tipe rechargeable (dapat diisi ulang). Tipe baterai yang dipakai yaitu baterai Lithium Ion (Li-ion) dengan kapasitas tegangan 3,7 volt dan arus 2,6 Ah. Untuk memenuhi kebutuhan tegangan dari pada sistem saklar pemindah otomatis yaitu sebesar 12 volt, maka jumlah baterai yang digunakan yaitu sebanyak 4 buah yang disusun secara seri. Sehingga didapat tegangan keluaran sebesar 14,8 volt. Besar tegangan keluaran ini sudah mencukupi dan juga tidak terlalu besar untuk mensuplay sistem saklar pemindah otomatis.

3. Hasil Pengujian Dan Pembahasannya 3.1.

   Pengujian Simulasi

  Dari pengujian saklar pemindah otomatis didapat data hasil pengujian seperti pada

Tabel 3.1 untuk peralihan dari sumber genset ke PLN dan Tabel 3.2 untuk peralihan dari sumber PLN ke genset.Tabel 3.1. Data hasil pengujian software peralihan dari sumber Genset ke PLN

  Sumber Relay Lampu Waktu No. Relay PLN Arus PLN Genset Beban Perpindahan (detik)

  1. ON ON OFF Nyala 1,03

  2. ON ON OFF Nyala 1,05

  3. ON ON OFF Nyala 1,02

  4. ON ON OFF Nyala 1,03

  5. ON ON OFF Nyala 1,04 Rata-rata 1,03

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

Tabel 3.2. Data hasil pengujian software peralihan dari sumber PLN ke Genset

  Sumber Relay Relay Lampu Waktu No. Arus PLN PLN Genset Beban Perpindahan (detik)

  1. OFF OFF ON Nyala 5,99

  2. OFF OFF ON Nyala 6,05

  3. OFF OFF ON Nyala 6,02

  4. OFF OFF ON Nyala 5,97

  5. OFF OFF ON Nyala 6,00 Rata-rata 6,00

  Dari dapat diketahui sistem saklar pemindah otomatis secara simulasi software dapat berfungsi memindahkan sumber arus ke beban sesuai perancangan tanpa suatu masalah ataupun kegagalan sistem. Dari tabel tersebut juga diketahui waktu perpindahan sumber arus ke beban, yaitu dari PLN ke beban dan dari genset ke beban. Dengan menggunakan komponen timer saat perpindahan sumber arus ke beban dapat diketahui waktu perpindahan tersebut yaitu 1,03 detik untuk perpindahan dari Genset ke PLN. Sedangkan 6,00 detik untuk perpindahan dari PLN ke Genset.

3.2. Pengujian Hardware

  Dari langkah-langkah pengujian yang telah dilakukan, didapatkan hasil seperti pada Tabel 3.4 dan Tabel 3.5.

Tabel 3.4. Data hasil pengujian hardware peralihan sumber PLN ke Genset

  

Sumber Relay Relay Lampu Waktu

No. Arus PLN PLN Genset Beban Perpindahan (detik)

  1. OFF OFF ON Nyala 6,52

  2. OFF OFF ON Nyala 6,56

  3. OFF OFF ON Nyala 6,51

  4. OFF OFF ON Nyala 6,54

  5. OFF OFF ON Nyala 6,54 Rata-rata 6,53

Tabel 3.5. Data hasil pengujian hardware peralihan sumber Genset ke PLN

  

Sumber Relay Relay Lampu Waktu

No. Arus PLN PLN Genset Beban Perpindahan (detik)

  1. ON ON OFF Nyala 1,26

  2. ON ON OFF Nyala 1,25

  3. ON ON OFF Nyala 1,25

  4. ON ON OFF Nyala 1,24

  5. ON ON OFF Nyala 1,25 Rata-rata 1,25

  Berdasarkan hasil pengujian secara simulasi software dan hardware, dapat diketahui selisih waktu yang diperlukan pada proses peralihan sumber arus listrik yang digunakan antara simulasi sofftware dan simulasi hardware. Waktu yang diperlukan pada proses peralihan sumber PLN ke Genset menggunakan simulasi software adalah 6,00 detik, sedangkan menggunakan simulasi hardware adalah 6,53 detik. Dengan demikian selisihnya yaitu 0,53 detik. Waktu yang diperlukan pada proses peralihan sumber Genset ke PLN menggunakan simulasi software adalah 1,03 detik, sedangkan menggunakan simulasi hardware adalah 1,25 detik. Maka selisihnya adalah 0,22 detik.

  Intuisi Teknologi Dan Seni

============================================================

4.

   Kesimpulan

  Beberapa kesimpulan dari penulis yaitu: 1. Perancangan sistem simulasi saklar pemindah otomatis dalam penelitian ini menggunakan beberapa komponen aktif seperti mikrokontroler ATMega16, sensor arus

  ACS712, Op Amp LM358 dan komponen pendukung lainya dengan menggunakan pemrograman bahasa C sebagai program kontrolernya.

  2. Dalam simulasi simulasi software, respon dalam peralihan sumber PLN ke Genset yaitu membutuhkan waktu 6,00 detik. Sedangkan peralihan sumber Genset ke PLN yaitu membutuhkan waktu 1,03 detik. Sedangkan dalam simulasi hardware, respon dalam perpindahan sumber PLN ke Genset yaitu membutuhkan waktu 6,53 detik, dan perpindahan sumber Genset ke PLN yaitu membutuhkan waktu 1,25 detik. Nilai waktu perpindahan ini dapat dikatakan cukup cepat untuk skala simulasi ATS jika dibadingkan dengan penelitian sebelumnya.

  3. Selisih waktu peralihan sumber arus listrik antara simulasi software dan hardware adalah 0,53 detik untuk peralihan sumber PLN ke Genset. Sedangkan 0,22 detik untuk peralihan sumber Genset ke PLN.

  5. Referensi [1] ________, 2010. Datasheet ATMega16. http://www.

  atmel.com/images/doc2466.pdf. Diakses tanggal 1 Juni 2015. [2] Jogiyanto, M. 2008.Konsep Dasar Pemrograman Bahasa C. Yogyakarta, Penerbit Andi. [3] ________, 2012. Sensor Arus. https://depokinstruments. files.wordpress.com/2012/03/acs712-sensor-arus.pdf. Diakses Tanggal 1 Juni 2015. [4] Jung, Walt. 2004. Op-Amp Applications Handbook. USA: Howard & Co: Inc. [5] ________, 2010. Datasheet LM358. https://www. fairchildsemi.com/datasheets/LM/LM358.pdf. Diakses tanggal 5 Juni 2015. [6] Lockwood, Flint. 2012. http://echocorner.blogspot.com/ 2012/11/interfacing-lcd- 16x2-dengan-avr-atmega16.html Diakses tanggal 3 Juni 2015.

  [7] Wicaksono, Handy. 2009. Relay-Prinsip dan Aplikasi, https://learnautomation.files.wordpress.com/2009/08/modul-keseluruhan-automasi-1-1- bab-2.pdf. Diakses tanggal 4 Juni 2015.