Jurnal Unitek Vol.15 No.1 Januari - Juni 2022 e-ISSN : 2580-2582, p-ISSN: 2089-3957

## Desain dan Implementasi Sistem Kontrol Proses Berbasis Internet of Things
Chalidia Nurin Hamdani 1 , Wijaya Adi Nugraha 2 , Roni Heru Triyanto 3 1,2,3) Program Studi Teknik Instrumentasi Kilang, Politeknik Energi dan Mineral
Akamigas
Jl. Gajah Mada No. 38, Blora, Jawa Tengah, Indonesia 58315 Email: hamdani113@gmail.com

## ABSTRAK
Perkembangan  industri  telah  memasuki  era industry 4.0.  Salah  satu  teknologi  di  era  ini adalah  yang  dikenal  dengan Internet  of  Things (IoT).  Industri  dituntut  untuk  dapat beradaptasi  dengan  teknologi  baru  ini,  termasuk  industri  proses.  IoT  membawa  konsep fleksibilitas,  efisiensi  dan  produktifitas  melalui  teknologi  informasi  yang  cerdas  berbasis internet.  Proses  yang  sebelumnya  hanya dapat  dikendalikan  dan  dipantau  melalui  ruang kontrol dengan komunikasi serial berbasis kabel, saat ini ditutut untuk dapat dikendalikan dan  dipantau  kapan  saja  dan  di  mana  saja  dengan  komunikasi  berbasis  internet.  Dalam penelitian  ini,  kami  membangun  prototype  satu  lup  sistem  kontrol  proses  level  dengan kontroler utama menggunakan mikrokontroler ATmega328p. Kontrol PID
diimplementasikan ke dalam algoritma mikrokontroler yang terintegrasi dengan ESP3286 sehingga pengendalian dan pemantauan dapat dilakukan di mana saja dan kapan saja via Human Machine Interface (HMI) berbasis website. Pengujian pada prototype menunjukkan hasil  yang  menjanjikan dengan  karakteristik respon  sistem  kontrol: zero  offset , maximum overshoot 3 cm dan settling time sekitar 125 detik. Penggunaan website sebagai HMI dapat berjalan  dengan  baik  dengan  waktu  tunda  maksimal  sebesar  3  detik  jika  dibandingkan transfer data dengan komunikasi serial.
Kata kunci: kontrol level, PID, Internet of Things, ATmega328p

## ABSTRACT
Industrial revolution has reached industrial era that called industry 4.0. Internet of Things (IoT) is the one of technology in this era. All of industry have been affected and have to be able to adapt with this technology, including industry of process. IoT brings a flexibility, efficiency and productivity concept by using intelligent information technology based on internet. Process that can be controlled and monitored from control room by wires is efficient enough previously, now  its  not  enough.  This  era  require  the  process  industry  can  manage  all  the  process (including control and monitor) anytime and anywhere by using internet. In this research, we make  level  control  system  prototype  by  using  ATmega328p  microcontroller  as  a  main controller. PID control has been designed and implemented to microcontroller algorithm that have  been  integrated  with  ESP8266  modul  so  the  controlling  and  monitoring  can  be  done anywhere and anytime via website based Human Machine Interface (HMI) based on website. Prototype  tests  have  been  conducted  and  give  a  promising  result.  Control  system  response characteristic:  zero  offset,  3  cm  of  maximum  overshoot  and  125  seconds  of  settling  time. Website as HMI has been tested and give a good performance, but still have a delay time about 3 seconds compared with serial communication by wire.
Keywords: level control, PID, Internet of Things, ATmega328p
Jurnal Unitek Vol.15 No.1 Januari - Juni 2022 e-ISSN : 2580-2582, p-ISSN: 2089-3957

## Pendahuluan
Industri  4.0  telah  merubah  wajah  teknologi  mulai  dari  pengembangan  hingga pengimplementasiannya.  Teknologi  di  era  ini  meliputi  kecerdasan  buatan, big  data  and analytics, rantai  pasok, cloud , Internet  of  Things (IoT)  dan  simulasi  (Santos  et  al.,  2018). Dalam  penerapannya  di  industri,  teknologi-teknologi  tersebut  menjanjikan  peningkatan fleksibilitas, efisiensi dan produktifitas melalui berbagai media dan teknologi informasi yang cerdas sehingga dapat meningkatkan keberlanjutan industri (Ibarra et al., 2018). Selain itu, teknologi  IoT  juga  memungkinan  industri  dapat  menyelaraskan  produksi,  ekonomi lingkungan,  sosial  dan  aspek  lainnya  secara  terpadu  (Tseng  et  al.,  2018),  dalam  sistem berbasis IoT, integrasi sensor, aktuator, teknologi komunikasi dan mikrokontroler memiliki peran penting yang dapat mencerminkan bagaimana semua peralatan tersebut terhubung ke internet. Keuntungan dan kekurangan sistem berbasis IoT telah dibahas pada (Xu et al., 2014)  dan  (Ray,  2016).  Salah  satu  kelebihan  utama  dari  sistem  berbasis  IoT  adalah peningkatan  aksesibilitas.  Suatu  sistem  fisik  dapat  dipantau  atau  dikontrol  dengan  lebih mudah dan dari jarak yang lebih jauh dengan atau tanpa kabel.
Sistem kontrol proses merupakan salah satu contoh sistem fisik yang membutuhkan pengukuran, pemantauan dan pengendalian besaran fisik secara efektif dan efisien. Sistem kontrol proses banyak ditemui di industri, seperti industri kimia, pengolahan minyak dan gas dan lain-lain. Terdapat 4 proses yang umum dikontrol yaitu level, tekanan, temperatur dan aliran. Kontroler utama yang umum digunakan di industri berupa Distributed Control System dan Programmable Logic Controller . Sedangkan metode yang digunakan hingga saat ini  adalah  metode  Proportional  Derivative  Integral  (PID).  Hampir  90%  industri  masih menggunakan  metode  konvensional  ini  (Singh  et  al.,  2018).  Kontrol  PID  telah  banyak dikembangkan  seperti    fuzzy-PID  (Sheng  et  al.,  2019)  dan  Neuro-fuzzy  PID  (Dehghani  & Khodadadi, 2017). Namun, pengembangan ini menjadikan algoritma kontrol menjadi cukup kompleks sehingga sulit direalisasikan dalam bentuk hardware. Hal ini terlihat dari produk kontroler komersial yang hingga saat ini masih memakai kontrol PID konvensional.
Saat  ini  keterbatasan  jarak  dan  waktu  menjadi  tantangan  tersendiri  dalam melakukan  pengontrolan  dan  pemantauan  proses.  Namun,  IoT  menawarkan  solusi  yang memungkinkan  seorang  operator  dapat  melaksanakan  kegiatan  pengontrolan  dan pemantauan  secara up  to  date dan  tanpa  batasan  jarak.  Pengontrolan  dan  pemantauan jarak jauh dengan menggunakan IoT ini akan menjadikan kegiatan tersebut menjadi lebih cepat  dan  efisien.  Apalagi  saat  ini,  pembangunan  infrastruktur  internet  yang  terus meningkat  sehingga  cakupan  tempat  yang  mendapat  akses  internet  semakin  meluas sehingga semua aktivitas yang membutuhkan internet dapat dilaksanakan kapanpun dan dimanapun,  dalam  melakukan  pengembangan  sebuah  prototype  dibutuhkan  sebuah kontroler  dengan  akses  terbuka  yang  dapat  dirancang  dan  diprogram  sesuai  kebutuhan. Mikrokontroler ATmega328p dapat digunakan sebagai kontroler dan dapat diintegrasikan dengan  IoT  (Rani et al., 2021). Pemrograman mikrokontroler ini cukup mudah dilakukan berkat adanya Arduino IDE.
Dalam  penelitian  ini,  kami  merancang  satu  lup  kontrol  proses  level  menggunakan metode  PID  berbasis  IoT  dengan  diagram  blok  sebagaimana  Gambar  1.  Hasil  rancangan direalisasikan  dalam  bentuk  prototype  dengan  kontroler  utama  berupa  ATMEGA328. Kontroler ini diintegrasikan dengan ESP8266 sebagai perangkat komunikasi internet yang menghubungkan sistem kontrol dengan website sebagai Human Machine Interface (HMI).
Jurnal Unitek Vol.15 No.1 Januari - Juni 2022 e-ISSN : 2580-2582, p-ISSN: 2089-3957
Sistem  kontrol  hasil  rancangan  diuji  dan  disimulasikan  menggunakan  MATLAB  serta dibandingkan dengan hasil pengujian pada prototype.
Gambar 1. Diagram blok sistem kontrol proses level

## Metode Penelitian
Penelitian  ini  dilakukan  dalam  dua  tahap  yaitu  rancang  bangun  perangkat  keras prototype dan perancangan kontrol PID

## 1. Rancang Bangun Perangkat Keras Prototype
Prototype yang dibuat adalah sistem kontrol proses level dengan P&ID sebagaimana pada Gambar 2a. Terdapat 8 komponen utama dalam sistem tersebut, antara lain: website thinger  io  sebagai  HMI,  Arduino  ATMega328p  sebagai  kontroler,  tangki  ukur  sebagai tempat fluida yang ketinggiannya akan dikontrol, level transmitter LT01 sebagai komponen pengukuran, servo valve LV1 sebagai aktuator, hand valve HV1 sebagai inlet, HV2 sebagai valve pengaman, tangki storage sebagai tangki penampungan fluida dan pompa PUMP01 sebagai penggerak fluida.
(a) (b)
Gambar 2. (a) P&ID sistem kontrol level (b) prototype
Jurnal Unitek Vol.15 No.1 Januari - Juni 2022 e-ISSN : 2580-2582, p-ISSN: 2089-3957
Cairan pada tangki STORAGE akan dialirkan menuju tangki TANK menggunakan pompa PUMP01. Sensor level LT01 berfungsi mengukur perubahan Process Variable (PV) level  fluida  pada  TANK  dan  mengirimkan  sinyal  hasil  pengukuran  tersebut  ke  kontroler LIC01.  Hasil  pengukuran  tersebut  akan  digunakan  oleh  kontroler  LIC01  sebagai pembanding terhadap Set Point (SP) yang diinginkan operator. Hasil perbandingan tersebut diolah  oleh  kontroler  untuk  menghasilkan  sinyak  kontrol  yang  akan  dikirimkan  ke servo valve LV01 agar PV sama dengan SP. Kontroler LIC01 akan berkomunikasi dengan server thinger io via internet dan divisualisasikan dalam HMI berupa website . Rancangan tersebut direalisasikan dalam bentuk prototype sebagaimana pada Gambar 2b.
Gambar 3. Rancangan pengabelan
Sistem  pengkabelan  dibuat  sebagaimana  pada  Gambar  3.  Kontroler  utama  dalam prototype  ini  berupa  mikrokontroler  ATmega  328p  yang  terpadu  dalam  sistem  minimum Arduino  Uno.  Semua  sensor  dan  sistem  elektronik  terhubung  dengan  Arduino  uno  dan terhubung dengan ESP8266 tipe Wemos D1 sehingga dapat berkomunikasi dengan server thinger io via jaringan internet. Komunikasi antara Wemos D1 dan server thinger io bersifat full  duplex  sehingga  memungkinkan  melakukan  pengendalian  dan  pemantauan  secara bersama. Data hasil pengukuran sensor ultrasonic yang terekam di serial monitor Arduino akan dikirimkan ke server thinger io melalui Wemos D1 via jaringan internet. Sebaliknya, data dari thinger io juga dapat dikirimkan ke Arduino untuk mengatur setpoint p ada sistem kontrol level.
HMI  dirancang  pada  website  thinger  io  dengan  tampilan  seperti  pada  Gambar  4. Tampilan slide control digunakan untuk mengatur setpoint secara online dengan range nilai 0 cm sampai dengan 50 cm. Ketinggian level air ditampilkan dengan 2 jenis tampilan yaitu gauge dan  grafik.  Tampilan gauge untuk  mengetahui  ketinggian  level  air  saat  ini  dan tampilan grafik untuk mengetahui data history ketinggian level air.

## Gambar 4. Rancangan HMI
Selain  menggunakan  tampilan  HMI  berupa  website,  juga  dirancang  HMI  dengan menggunakan  Liquid  Crystal  Display  (LCD)  16x2  sebagai  pembanding  dan  untuk memberikan  konfirmasi  hasil  pengukuran.  LCD  ini  dirancang  untuk  menampilkan  nilai setpoint, PV dan persentase bukaan valve.

## 2. Perancangan Kontrol PID
Perancangan  kontrol  PID  dilakukan  berbasis  model,  sehingga  perlu  dilakukan pemodelan  proses  level  yang  telah  direalisasikan  dalam  bentuk  prototype.  Pemodelan dilaksanakan dengan metode blackbox atau bumptest dengan cara memberikan sinyal step pada  MV  dan  merekam  PV  yang  dihasilkan.  Grafik  hasil  bumtest  dapat  dilihat  pada Gambar 5.
Gambar 5. Hasil Bumptest
Data  hasil  bumtest  tersebut  digunakan  untuk  menghitung  parameter  PID  dengan menggunakan  metode  Ziegler-Nichols.  Parameter  PID  dihitung  menggunakan  persamaan sebagaimana pada Tabel 1 (Ravy et al., 2021). Pada penelitian ini, dipilih persamaan kedua karena hasil bumptest menunjukkan karakteristik sistem orde pertama.
Jurnal Unitek Vol.15 No.1 Januari - Juni 2022 e-ISSN : 2580-2582, p-ISSN: 2089-3957
Tabel 1. Metode Ziegler-Nichols
Kontrol Kp P T/L ~ 0 PI 0.9(T/L) L/0.3 0 PID 1.2(T/L) 2L 0.5L
Dari  hasil  bumptest  diperoleh  nilai  L  sebesar  15  dan  T  sebesar  442.  Dengan menggunakan persamaan PI pada Tabel 1, diperoleh parameter sebagai berikut:

## Hasil dan Pembahasan
Parameter PID hasil perhitungan diimplementasikan melalui pemrograman Arduino dan dilakukan tiga kali pengujian dengan perubahan setpoint. Pengujian pertama dilakukan dengan daya pompa inlet sebesar 50% dan mengubah setpoint menjadi 30 cm dari kondisi awal level 10 cm. Respon sistem kontrol hasil pengujian pertama dapat dilihat pada Gambar 6.

## Gambar 6. Respon prototype dengan perubahan setpoint dari 10 ke 30 cm
Dari  Gambar  6  dapat  dilihat  bahwa  terdapat  sedikit  perbedaan  antara  respon prototype  dan  respon  simulasi.  Respon  prototype  menunjukkan  adanya  maksimum overshoot 2 cm dengan settling time sebesar 125 detik (toleransi 0.5%). Pada saat kondisi tunak,  terukur  bukaan  valve  sebesar  54%.  Pada  percobaan  pertama  ini  juga  dilakukan pengujian dengan disturbance dengan cara meningkatkan daya pompa inlet menjadi sebear 70%. Efek pemberian disturbance ini dapat dilihat pada Gambar 6. Terjadi sedikit lonjakan pada  saat  disturbance  diberikan  dan  sistem  kembali  tunak dengan  bukaan  valve  sebesar 69%. Artinya kontrol PID dapat mengatasi gangguan yang diberikan dengan menyesuaikan bukaan valve untuk menjaga PV tetap menyesuaikan dengan setpoint yang diberikan.
Jurnal Unitek Vol.15 No.1 Januari - Juni 2022 e-ISSN : 2580-2582, p-ISSN: 2089-3957
Pengujian  kedua  dilakukan  dengan  mengubah  setpoint  dari  10  cm  menjadi  20  cm. Dari  pengujian  ini  diperoleh  respon  sebagaimana  Gambar  7.  Pada  pengujian  ini,  respon sistem memiliki maksimum overshoot sebesar 3 cm dengan settling time sekitar 125 detik. Pada  saat  kondisi  tunak,  terukur  bukaan  valve  sebesar  51%.  Sama  seperti  percobaan pertama, pada percobaan kedua juga diberikan disturbance dengan mengubah daya pompa. Daya  pompa  diturunkan  menjadi  40%  sehingga  menimbulkan  undershoot  seperti  dapat dilihat  pada  Gambar  7.  Namun,  kontrol  PID  masih  bisa  mengatasi  disturbance  yang diberikan  dengan  mengurangi  bukaan  valve  menjadi  37%  dan  PV  kembali  dapat menyesuaikan dengan setpoint.
Gambar 7. Respon prototype dengan perubahan setpoint dari 10 ke 20 cm
Berbeda dengan pengujian pertama dan kedua, pengujian ketiga dilakukan dengan menurunkan setpoint dari 30 cm menjadi 10 cm dengan daya pompa 50%. Respon aktual prototype  pada  pengujian  ketiga  ini  dapat  dilihat  pada  Gambar  8.  Pada  respon  aktual terdapat  maksimum  overshoot  sebesar  3  cm  dengan  settling  time  125  detik.  Pada  saat kondisi tunak, terukur bukaan valve sebesar 54%. Disturbance diberikan dengan mengubah daya pompa menjadi 70% sehingga menimbulkan sedikit perubahan pada PV sebagaimana terllihat pada Gambar 8. Kontrol PID dapat mengatasi disturbance ini dengan mengubah bukaan  valve  menjadi  69%  sehingga  PV  kembali  sesuai  dengan  setpoint.  Rangkuman karakteristik respon sistem kontrol dapat dilihat pada Tabel 2.
Gambar 8. Respon prototype dengan perubahan setpoint dari 30 ke 10 cm
Jurnal Unitek Vol.15 No.1 Januari - Juni 2022 e-ISSN : 2580-2582, p-ISSN: 2089-3957
Untuk melakukan validasi data terhadap hasil respon yang terekam dan ditampilan via  website,  juga  dilakukan  perekaman  data  respon  via  software  MATLAB  dengan komunikasi  serial.  Contoh  tampilan  rekaman  data  respon  tersebut  dapat  dilihat  pada Gambar  9.  Dari  ketiga  pengujian  yang  telah  dilakukan,  respon  yang  dihasilkan  secara umum  sama  persis.  Namun,  terdapat  waktu  jeda  sebesar  1  hingga  3  detik  antara komunikasi data serial dan komunikasi data internet. Hal ini sangat dipengaruhi oleh faktor koneksi  internet.  Selain  itu,  Dari  ketiga  pengujian  yang  dilakukan  pada  prototype,  dapat dilihat  bahwa  pada  saat  respon  mencapai  kondisi  tunak,  terdapat  ripple  nilai  pada  PV sebesar  1  cm.  Hal  ini  muncul  akibat  floating  pengukuran  level  sensor  ultrasonik  yang menyebabkan floating bukaan valve .
Gambar 9. Tampilan rekam data aktual menggunakan software MATLAB
Tabel 2. Keterangan pada tabel juga Parameter Pengujian pertama Pengujian kedua Pengujian ketiga Settling time 125 detik 125 detik 125 detik Time constant 30 detik 32 detik 30 detik Max. Overshoot 2 cm 2 cm 3 cm Offset 0 0 0 Ripple 1 cm 1 cm 1 cm

## Simpulan
Penelitian  ini  melakukan  perancangan  dan  implementasi  kontrol  PID  pada  proses level  berbasis  mikrokontroler  ATmega328p.  Perancangan  kontrol  PID  dilakukan  dengan metode  Ziegler-Nichols  berdasarkan  hasil  bumptest.  Hasil  perancangan  kontrol  PID diimplementasikan  dalam  program  Arduino  yang  terintegrasi  dengan  ESP3286  sehingga pengendalian  dan  pemantauan  dapat  dilakukan  via  website  dengan  komunikasi  internet. Secara umum, hasil implementasi kontrol PID pada prototype menunjukkan bahwa respon sistem kontrol memiliki karakteristik: masih terdapat overshoot , zero offset , dan settling time sekitar 125 detik. Sistem kontrol PID mampu mengatasi disturbance yang diberikan dengan menyesuaikan bukaan kontrol valve. Pada saat kondisi tunak, masih terdapat ripple nilai PV  sebesar  1  cm.  Hal  ini  muncul  akibat floating nilai  pengukuran  level  oleh  sensor ultrasonik  sehingga  menyebabkan  bukaan  valve  juga  mengalami floating .  Penggunaan sensor dengan realiability yang lebih tinggi sangat disarankan dalam penelitian berikutnya. Pengembangan ke depan dapat dilakukan pada pemodelan proses dengan memperbanyak data proses dan menggunakan metode yang lebih advance untuk mendapatkan model yang
Jurnal Unitek Vol.15 No.1 Januari - Juni 2022 e-ISSN : 2580-2582, p-ISSN: 2089-3957
lebih baik dalam mencerminkan dinamika proses aktual. Dengan mendapatkan model yang tepat, amak kontroler PID dapat dirancang dengan  metode perancangan berbasis model.

## Daftar Pustaka
Dehghani, A., & Khodadadi, H. (2017). Designing a neuro-fuzzy PID controller based on  smith  predictor  for  heating  system. International  Conference  on  Control, Automation and Systems , 2017 - October (Iccas)
Ibarra, D., Ganzarain, J., & Igartua, J. I. (2018). Business model innovation through Industry 4.0: A review. Procedia Manufacturing , 22 , 4–10.
Rani,  D.  D.  P.,  Suresh,  D.,  Rao,  P.,  Akram,  C.  H.  M.,  &  Hemalatha,  N.  (2021).
Materials  Today :  Proceedings  IoT  based  smart  solar  energy  monitoring systems. Materials Today: Proceedings , xxxx .
Ravy, J. U., Septiani, N. A., Dewi, A. K., & Wardhana, A. S. (2021). Evaluasi Kinerja Controller Design PI Sistem Pengendalian Level Pada Centrifugal Preparation Tank. Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Dan Mineral , 1 , 1–11. Ray,  P.  P.  (2016).  Creating  Values  out  of  Internet  of  Things:  An  Industrial Perspective. Journal of Computer Networks and Communications , 2016 .
Santos,  L.,  Brittes,  G.,  Fabián,  N.,  &  Germán,  A.  (2018).  International  Journal  of Production  Economics  The  expected  contribution  of  Industry  4  .  0  technologies for industrial performance. Intern. Journal of Production Economics , 204 (July), 383–394.
Sheng,  N.,  Chen,  X.,  Ge,  H.,  &  Li,  D.  (2019).  Optimal  interval  type  2  fuzzy  PID controller and its application in inverted pendulum system. Proceedings of 2019 IEEE  2nd  International  Conference  on  Automation,  Electronics  and  Electrical Engineering, AUTEEE 2019 , 635–637.
Singh,  J.,  Chattterjee,  K.,  &  Vishwakarma,  C.  B.  (2018).  Two  degree  of  freedom internal  model  control-PID  design  for  LFC  of  power  systems  via  logarithmic approximations. ISA Transactions , 72 (December), 185–196.
Tseng,  M.,  Tan,  R.  R.,  Chiu,  A.  S.  F.,  Chien,  C.,  &  Chi,  T.  (2018).  Resources  , Conservation  &  Recycling  Circular  economy  meets  industry  4.0 :  Can  big  data drive industrial symbiosis . Resources, Conservation & Recycling , 131 (December 2017), 146–147. h
Xu, L. Da, He, W., & Li, S. (2014). Internet of Things in Industries : A Survey. IEEE Transaction on Industrial Informatics , 10 (4), 2233–2243.