1. PENDAHULUAN

Mesin-mesin produksi yang digunakan oleh industri sebagian besar termasuk jenis mesin rotasi. Mesin jenis ini rentan terhadap kerusakan yang disebabkan oleh gaya sentrifugal akibat adanya massa tak seimbang yang berputar. Besar gaya sentrifugal tersebut sebanding dengan kuadrat kecepatan putar rotor, sehingga pada kecepatan putar yang tinggi, gaya sentrifugal akan menjadi sangat besar. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada komponen mesin atau bahkan pada mesin keseluruhan.

Untuk menghindari hal ini, diperlukan suatu proses penyeimbangan (balancing). Proses penyeimbangan tersebut dapat dilakukan di bengkel (shop balancing) atau dilakukan di lapangan (site balancing, in-situ balancing). Proses penyeimbangan di bengkel umumnya dilakukan dengan menggunakan mesin penyeimbang (balancing machine). Proses penyeimbangan ini cocok untuk rotor yang tidak terlalu berat (kurang dari 500 kg). Sebaliknya, proses penyeimbang di lapangan umumnya cocok untuk rotor yang cukup berat (lebih dari 500 kg) karena transportasinya ke bengkel biasanya sulit

dilakukan. Proses penyeimbangan ini dilakukan dengan menggunakan instrumen penyeimbang portabel (portable balancer).

Instrumen penyeimbang portabel diperlukan untuk merekam sinyal getaran dan sinyal referensi. Untuk penyeimbangan dinamik diperlukan paling tidak dua buah sensor getaran dan sebuah sensor referensi. Perangkat keras instrumen penyeimbang ini biasanya memiliki tiga bagian utama yaitu unit akuisisi data, unit pengolah data, dan unit presentasi data.

Instrumen penyeimbang portabel biasanya memiliki teknik tampilan data yang kurang menarik, karena yang dapat ditampilkan oleh instrumen ini hanya berupa amplitudo dan sudut fasa getaran pada frekuensi yang sesuai dengan kecepatan putar mesin. Akibatnya, pengguna tidak dapat mendeteksi adanya ketidakberesan pengukuran, misalnya karena cara pemasangan sensor yang tidak benar atau adanya kabel yang tidak terhubung dengan baik. Padahal, kondisi ini dapat ditanggulangi secara mudah dengan menggunakan komputer, terutama komputer notebook.

Untuk menanggulangi masalah ini, Laboratorium mengembangkan telah Dinamika PPAU-IR-ITB berkaitan dengan penelitian beberapa yang portabel. penyeimbang pengembangan instrumen dengan pengembangan awal dimulai Penelitian perangkat akuisisi data yang memiliki tiga kanal masukan, yaitu dua kanal untuk sensor getaran dan satu kanal untuk sensor optik [1]. Namun, hasil penelitian tahap ini ternyata masih memiliki sejumlah kelemahan, di antaranya adalah belum mampu dioperasikan secara mandiri karena belum memiliki keypad dan display, belum mampu menyimpan data, dan belum bersifat portabel karena masih memerlukan catu daya dari jalajala.

Berdasarkan latar belakang ini, penelitian lanjutan kemudian dilakukan [2]. Dalam penelitian lanjutan ini, dikembangkan suatu instrumen penyeimbangan portabel berbasis komputer. Perangkat ini dirancang untuk dapat mencuplik dan menyimpan data secara mandiri tanpa menggunakan komputer. Data yang diperoleh kemudian dapat didownload ke komputer, untuk selanjutnya ditampilkan dan diolah untuk keperluan penyeimbangan. Hasil penelitian inilah yang akan dibahas dalam makalah ini.

2. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS

Perangkat akuisisi data yang dikembangkan dalam penelitian ini dirancang agar memiliki tiga kanal yang mampu mencuplik secara serentak. Kanal 0 dihubungkan dengan sensor optik (keyphasor), sedangkan kanal 1 dan 2 dihubungkan dengan sensor getaran, misalnya akselerometer. Dengan ketiga kanal tersebut, perangkat akuisisi data dapat digunakan dalam penyeimbangan statik maupun dinamik.

Rancangan prototipe perangkat akuisisi data dapat dilihat pada Gambar (1). Dalam gambar ini terlihat bahwa sinyal masukan pada masing-masing kanal dilewatkan terlebih dahulu melalui rangkaian pengkondisi sinyal, sebelum dicuplik oleh ADC. Rangkaian pengkondisi sinyal pada kanal 0 adalah rangkaian proteksi tegangan, sedangkan pada kanal 1 dan 2 adalah rangkaian filter dan op-amp.

Gambar 1 Rancangan prototipe perangkat akuisisi data dengan 3 kanal masukan

Rangkaian proteksi tegangan berfungsi untuk membatasi tegangan sinyal masukan pada kanal 0. Karena ADC yang digunakan pada kanal 0 adalah ADC0804, maka rentang tegangan masukan yang diperbolehkan pada kanal 0 adalah 0 s.d. 5 Volt. Oleh karena itu, rangkaian proteksi tegangan dirancang untuk membatasi tegangan masukan pada rentang 0 s.d. 5 Volt. Rangkaian proteksi tegangan semacam ini tidak diperlukan pada kanal 1 dan 2, mengingat tegangan masukan pada kedua kanal tersebut akan dibatasi oleh tegangan catu daya rangkaian op-amp.

Rangkaian ADC0804 pada kanal 0 berfungsi untuk mengubah sinyal keluaran dari rangkaian proteksi tegangan menjadi data digital dengan lebar 8 bit. Data yang diperoleh kemudian dikirim ke dalam memori RAM. Pada kanal 0 ini, IC ADC yang digunakan hanya memiliki resolusi sebesar 8 bit, karena kanal 0 dirancang untuk menerima data dari sensor optik. Pada proses penyeimbangan, besar sinyal dari sensor optik tidaklah penting, karena yang diperlukan dari sensor ini adalah timing-nya.

Rangkaian filter aktif lalu rendah digunakan untuk memperkecil sinyal masukan pada kanal 1 dan kanal 2 yang memiliki frekuensi lebih tinggi dari frekuensi cutoff. Rangkaian ini dipilih agar memiliki frekuensi cutoff sebesar 240 Hz, karena perangkat akuisisi data ini dirancang untuk mendeteksi sinyal getaran akibat kondisi ketakseimbangan pada mesin yang memiliki kecepatan putar sebesar 600 s.d 12000 rpm (frekuensi putar 10 s.d. 200 Hz). Di bawah harga frekuensi cut-off ini, sinyal getaran akan memiliki penguatan sebesar satu

(unity gain). Untuk itu, IC filter yang digunakan sama dengan IC filter yang terdapat pada perangkat akuisisi data multi kanal hasil penelitian Laboratorium Dinamika PPAU-IR-ITB [3]

Pada kanal 1 dan 2, IC yang digunakan untuk rangkaian ADC adalah AD1674 sehingga data digital yang diperoleh resolusinya 12 bit. Penggunaan IC ADC 12 bit ini dimaksudkan agar resolusi pengukuran yang tinggi dapat dicapai, karena sinyal keluaran dari sensor getaran, misalnya akselerometer, pada umumnya memiliki amplitudo tegangan yang kecil. Seperti halnya pada kanal 0, data yang diperoleh dari rangkaian ADC pada kanal 1 dan 2 kemudian dikirim ke dalam memori RAM.

Pada rancangan ini digunakan tiga buah RAM yang berfungsi untuk menyimpan data digital keluaran ADC begitu proses pencuplikan selesai dilakukan oleh tiaptiap kanal. IC yang digunakan untuk rangkaian memori adalah RAM 6264. IC ini termasuk jenis RAM statik dan bersifat volatile. IC jenis ini memiliki kapasitas sebesar 8 kByte dan memiliki jalur data masukan-keluaran digital yang resolusinya 8 bit.

Agar proses pencuplikan dapat berlangsung dengan cepat, data digital hasil konversi ADC langsung disimpan ke rangkaian memori. Seluruh proses penyimpanan data ini diatur oleh rangkaian CPU. Selain itu, rangkaian CPU juga berfungsi untuk mengatur penampilan menu pada LCD [4], memproses perintah dari keypad [4], serta melakukan komunikasi serial dengan komputer.

Pada perangkat akuisisi data yang telah dibuat dalam penelitian sebelumnya [1], program akuisisi data dikirim dari komputer untuk kemudian disimpan dan dijalankan pada RAM eksternal, sementara ROM internalnya hanya digunakan untuk menyimpan program monitor. Oleh karena itu, perangkat akuisisi data ini sangat bergantung pada komputer untuk memulai pengoperasiannya, sehingga tidak dapat dikatakan mandiri. Untuk menghindari hal ini pada perangkat akuisisi data yang dirancang, program monitor digabungkan dengan program akuisisi data, dan disimpan serta dijalankan pada ROM internal yang terdapat dalam mikrokontroler AT89C52. Kapasitas ROM internal AT89C52 adalah sebesar 8 kBytes dan dirasakan cukup untuk menyimpan keseluruhan program tersebut. Apabila dikemudian hari perangkat akuisisi data ini ingin dipercanggih sehingga programnya semakin besar, maka program tersebut dapat disimpan secara tetap pada ROM luar yaitu EEPROM eksternal.

Rangkaian isolator optik (opto-coupler) berfungsi untuk menghindari kontak fisik langsung antara perangkat akuisisi data dengan komputer. Rangkaian ini dipasang di antara rangkaian komunikasi serial dan rangkaian CPU. Rangkaian ini terdiri dari dua bagian utama yaitu rangkaian penerima dan rangkaian pengirim. Dua bagian ini sebenarnya cara kerjanya sama hanya saja arahnya berkebalikan,

Agar bersifat portabel, perangkat akuisisi data perlu memiliki catu daya alternatif selain menggunakan listrik AC 220 Volt. Oleh karena itu, pada catu daya perangkat akuisisi data ditambahkan baterai kering buatan YUASA bertipe VRLA (Valve Regulated Lead Acid). Baterai ini memiliki spesifikasi anti arus bocor (leak-free) sehingga cocok jika digunakan pada perangkat digital. Pada perangkat akuisisi data yang dirancang dipilih baterai dengan kapasitas 2,8 Ah. Rangkaian catu daya yang dibuat terdiri dari empat bagian utama, yaitu:

• Rangkaian catu daya penghasil tegangan positif
• Rangkaian pengisi ulang baterai (charger)
• Rangkaian pengganda tegangan (voltage doubler) dan pembalik tegangan (voltage inverter)
• Rangkaian catu daya penghasil tegangan negatif

3. PEMBUATAN PERANGKAT LUNAK

Perangkat lunak yang digunakan pada perangkat akusisi data terdiri dari dua jenis, yaitu program akuisisi data yang disimpan dan dijalankan dalam ROM internal mikrokontroler AT89C52, dan program antar muka yang disimpan dan dijalankan pada komputer. Dalam penelitian ini, program akuisisi data dibuat dengan menggunakan perangkat lunak Reads51, sedangkan program antar muka dibuat dengan menggunakan bahasa pemrograman tingkat tinggi.

Program akuisisi data yang disimpan dalam ROM merupakan program yang dibuat dalam bahasa assembly [5]. Program tersebut berfungsi untuk mengatur kerja perangkat keras seperti ADC, RAM, dan LCD.

Program antar muka yang disimpan dalam komputer merupakan program yang dibuat dalam bahasa pemrograman Borland Delphi. Program ini berfungsi untuk mengatur proses penerimaan data berformat heksa dari perangkat akusisi data, melakukan konversi angka heksa menjadi desimal, melakukan perhitungan, serta menampilkan hasil pengukuran ke dalam grafik domain waktu. Untuk analisa selanjutnya, hasil perhitungan tersebut dapat disimpan ke dalam berkas berformat txt.

4. PENGUJIAN PERANGKAT AKUISISI DATA

Pengujian prototipe perangkat akuisisi data dibagi menjadi dua bagian, yaitu pengujian fungsional perangkat keras dan pengujian proses akuisisi data. Pengujian fungsional perangkat keras dilakukan pada saat proses pembuatan masing-masing modul rangkaian berlangsung. Dengan cara ini, kesalahan yang terjadi baik kesalahan rangkaian maupun kesalahan komponen dapat ditemukan dengan mudah serta dapat diteliti penyebabnya. Bila pengujian ini tidak dilakukan, kesalahan komponen atau rangkaian akan sulit diketemukan bila seluruh komponen dan rangkaian telah disatukan.

Selanjutnya, pengujian proses akuisisi data dilakukan setelah seluruh komponen telah terpasang pada PCB dan masing-masing modul rangkaian berfungsi dengan baik.

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja dari keseluruhan sistem akuisisi data yang telah dibuat.

Pengujian Perangkat Keras

Beberapa hasil pengujian perangkat keras tidak ditampilkan dalam makalah ini karena unjuk kerjanya akan terlihat langsung pada pengujian proses akuisisi data. Di sini hanya akan ditampilkan hasil pengujian fungsi respon frekuensi filter, seperti terlihat pada Gambar (2) dan (3). Pengujian fungsi respon frekuensi (FRF) filter LMF60CIN-50 dilakukan dengan menggunakan perangkat keras MSA HP 35656, dan fungsi window uniform. Sinyal masukan yang digunakan adalah sinyal burst random dengan amplitudo sebesar 100 mV. Pengujian ini dilakukan pada filter dengan penguatan sebesar sepuluh kali.

Gambar 2 Hasil pengujian fungsi respon frekuensi filter dengan catu daya AC 220 V

Gambar 3 Hasil pengujian fungsi respon frekuensi filter dengan catu daya baterai

Pada Gambar (2) dan (3) terlihat bahwa frekuensi cut-off filter berada di sekitar 240 Hz. Nilai ini sesuai dengan nilai hasil perhitungan yang dilakukan dalam proses perancangan. Berdasarkan teori, perbedaan fasa sebesar 90° akan terjadi pada frekuensi cut-off. Kondisi ini juga dijumpai pada Gambar (2) dan Gambar (3).

Pengujian Beda Fasa

Pengujian beda fasa dimaksudkan untuk mengetahui perbedaan fasa yang timbul antar ketiga kanal yang terdapat pada perangkat akuisisi data yang dibuat. Untuk keperluan ini, data hasil pengukuran perlu ditampilkan dalam grafik domain waktu maupun domain frekuensi. Proses ini dilakukan dengan bantuan perangkat lunak Matlab v6.0.

Pengujian ini dilakukan dengan cara mengirimkan satu sinyal masukan sinusoidal yang dihasilkan oleh function generator ke ketiga kanal perangkat akuisisi data secara serentak. Perlu diingat di sini bahwa kanal 0 pada perangkat akuisisi data yang dibuat hanya mampu menerima sinyal DC positif. Oleh karena itu, agar sinyal masukan dapat diterima dengan utuh oleh ketiga kanal, maka sinyal tersebut perlu diberi tegangan offset positif sehingga seluruh sinyal berada pada level tegangan positif.

Pada pengujian ini, sinyal sinusoidal yang diberikan mempunyai karekateristik sebagai berikut:

Amplitudo : 0,15 Volt Offset : +0,25 Volt Penguatan pada kanal 0 : 1 kali Penguatan pada kanal 1 dan 2 : 10 kali

Hasil pengukuran masing-masing kanal untuk frekuensi sinyal masukan 50 Hz secara berturut-turut dapat dilihat pada Gambar (4), (5) dan (6). Pada gambar tersebut, dapat dilihat bahwa beda fasa antara sinyal pada kanal 0 dengan kanal 1 dan 2 adalah sangat kecil. Hasil yang lain yang diperoleh dari pengujian ini adalah bahwa sinyal yang terbaca pada kanal 0 dapat dikatakan murni merupakan sinyal sinusoidal tunggal, sedangkan sinyal yang terbaca pada kanal 1 dan 2 tidak murni merupakan sinyal sinusoidal tunggal. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa pada kanal 1 dan 2 masih terdapat sinyal noise yang kemungkinan disebabkan oleh rangkaian filter aktif, atau dapat juga disebabkan oleh kurang baiknya performa ADC 12 bit yang digunakan.

Gambar 4 Hasil pengujian dengan masukan sinyal sinusoidal 50 Hz pada kanal 0

Gambar 5 Hasil pengujian dengan masukan sinyal sinusoidal 50 Hz pada kanal 1

Gambar 6 Hasil pengujian dengan masukan sinyal sinusoidal 50 Hz pada kanal 2

Pengujian Simulasi Proses Akuisisi Data

Pengujian simulasi proses akuisisi data dimaksudkan untuk mengetahui unjuk kerja sistem akuisisi data yang telah dibuat. Untuk keperluan ini, data yang dihasilkan oleh perangkat akuisisi data yang dibuat perlu dibandingkan dengan perangkat akuisisi data standar, dalam hal ini digunakan perangkat keras MSA HP 35656.

Pengujian ini dilakukan pada alat peraga getaran akibat massa tak seimbang yang berputar. Susunan perangkat pengujian yang digunakan ditampilkan seperti tampak pada Gambar (7). Di sini, pengujian dilakukan dengan cara menghubungkan keluaran sensor yang terdapat pada perangkat uji tersebut dengan prototipe perangkat akuisisi data dan juga MSA sebagai perangkat akuisisi data acuan. Dalam pengujian ini, sensor yang digunakan adalah sebuah sensor optik dan dua buah akselerometer.

Sebelum dihubungkan dengan kedua perangkat akuisisi data, sinyal keluaran akselerometer perlu diperkuat dulu dengan amplifier agar diperoleh resolusi pengukuran yang baik, sedangkan sinyal keluaran sensor optik tidak

perlu diperkuat karena rentang tegangannya sudah cukup besar.

Gambar 7 Susunan pengujian pada perangkat uji massa tak seimbang

Dalam pengujian ini, digunakan dua kondisi ketidakseimbangan yang berbeda, yaitu ketakseimbangan statik dan ketakseimbangan kopel. Dalam pengujian ketakseimbangan statik, pada poros dipasang satu buah piringan. Dalam pengujian ketakseimbangan kopel, pada poros dipasang dua buah piringan dan kedua sensor getaran diletakkan pada bidang ketakseimbangan dalam arah vertikal. Dengan cara ini, diharapkan akan terjadi beda fasa sebesar 180° antara sinyal hasil pengukuran pada kanal 1 dan 2.

Hasil pengujian perangkat akuisisi data dengan kondisi ketakseimbangan kopel diperlihatkan pada Gambar (8) s.d. (11). Dalam gambar ini tampak bahwa hasil pengukuran oleh prototipe perangkat akuisisi data cukup mendekati hasil yang diperoleh oleh MSA, terutama pada kanal yang dihubungkan dengan akselerometer, walaupun tampak sedikit ada noise pada data yang dihasilkan oleh prototipe perangkat akuisisi data. Namun, perbedaan ini relatif kecil, sehingga perangkat akuisisi data yang dibuat dapat dikatakan bekerja cukup baik. Dari Gambar (10) dan (11), dapat dilihat juga bahwa pada kanal 1 dan 2 prototipe perangkat akuisisi data terjadi beda fasa sinyal sebesar 180°, sesuai dengan hasil yang ditunjukkan oleh MSA.

Gambar 8 Sinyal hasil pengukuran MSA (kanal 1 dan 2: domain frekuensi, ketakseimbangan kopel)

Gambar 9 Sinyal hasil pengukuran prototipe (kanal 1 dan 2: domain frekuensi, ketakseimbangan kopel)

Gambar 10 Sinyal hasil pengukuran MSA (kanal 0-2: domain waktu, ketakseimbangan kopel)

Gambar 11 Sinyal hasil pengukuran prototipe (kanal 0-2: domain waktu, ketakseimbangan kopel).

5. KESIMPULAN

Dari penelitian ini, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

• 1. Perangkat akusisi data yang dibuat mampu menghasilkan data yang cukup mendekati hasil yang diperoleh perangkat akuisisi data acuan, yaitu MSA HP35656.
• Perangkat akuisisi data telah mampu dioperasikan secara mandiri, berkat ditambahkannya modul keypad, modul LCD, dan catu daya baterai.
• 3. Kanal 1 dan 2 dari perangkat akuisisi data ini mempunyai keakuratan yang lebih tinggi dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya [1], karena pada prototipe ini digunakan ADC 12 bit. Di samping itu, prototipe ini mampu membuang sinyal masukan yang tidak diperlukan dalam proses penyeimbangan karena prototipe ini telah memiliki rangkaian filter pada kanal masukan yang berhubungan dengan sensor getaran.
• Perangkat lunak akuisisi data yang dibuat telah mampu mengatur perangkat keras dengan baik, sedangkan perangkat lunak antar muka telah mampu menampilkan dan menyimpan data hasil pengukuran.

Ucapan terima kasih

Penelitian ini dibiayai olehDRN (Dewan Riset Nasional) melalui dana RUT 9 (Riset Unggulan Terpadu) untuk tahun anggaran 2002 s.d. 2004. Atas dukungan finansiil yang diberikan, penulis mengucapkan banyak terima kasih.

The Progress of Supposed Art Age 2