Abstrak—Programmable  Logic  Controller  (PLC)  merupakan sebuah perangkat untuk  mengontrol  sebuah plant. Plant yang digunakan dalam hal ini adalah motor DC. Motor DC biasanya menjadi penggerak mesin produksi dan mesin CNC, Biasanya penggunaan  sensor  untuk  mengetahui  kecepatan  dari  motor DC. Salah satu metode pengestimasian adalah observer. Tujuan dari  tugas  akhir  ini  merupakan  pengimplementasian  observer kecepatan untuk mengestimasi kecepatan dari motor DC untuk menjadi  sensorless.  Software  yang  digunakan  untuk  simulasi merupakan Totally Integrated Automation (TIA) Portal adalah Software  dari  Siemens  yang  memiliki  banyak  program didalamnya digunakan untuk memprogram HMI, PLC, drive. Dalam  hal  ini  Observer  yang  digunakan  adalah  Leunberger Observer  reduced  order  observer.  Persamaan  reduced  order observer  akan  dimasukkan  kepada  blok  perhitungan  PLC. Untuk  implentasi  Observer  pada  PLC  dibutuhkan  output voltase  dari  plc  sendiri  0-10  V  dan  pembuatan  function  block untuk  observer.  Input  yang  digunakan  merupakan  analog input. Hasil pengimplementasian observer memiliki ess dengan rata-rata 1,833%. Observer dapat diimplementasikan terhadap PLC  dengan  persamaan  observer  yang  diinput  terhadap function block di PLC.
Kata Kunci—Motor DC, PLC, TIA Portal, Observer.

## I. PENDAHULUAN
ALAM era otomasi modern, bidang perindustrian besi, kertas,  semen,  gula,  makanan,  pengairan  menuntut keandalan  dan  penyajian  data  proses  plan  (SCADA)  yang aktual dan faktual secara realtime . Proses penyajian tersebut merupakan  hasil  dari  proses  plan  telah  dijalankan  oleh kontroler,  salah  satunya  adalah  PLC (Programmable  Logic Controller).  Programmable  Logic  Controller (PLC)  ialah rangkaian elektronik berbasis mikroprosesor yang beroperasi secara  digital,  menggunakan  programmable  memori  untuk menyimpan  instruksi  yang  berorientasi  kepada  pengguna, untuk  melakukan  fungsi  khusus  seperti  logika, sequencing, timing, arithmetic, melalui input baik analog maupun discrete / digital , untuk berbagai proses permesinan.
PLC ( Programmable Logic Controller ) merupakan sebuah alat yang digunakan untuk menggantikan rangkaian sederetan relai  yang  banyak  dijumpai  pada  sistem  kontrol konvensional,  dirancang  untuk  mengontrol  suatu  proses permesinan. PLC mendapatkan sinyal yang dikirimkan oleh transmitter  dari  berbagai  macam  sensor.  Teknologi  sensor yang saat ini sangat baik digunakan adalah teknologi sensor non  kontak.  Sensor  non  kontak  ini  biasanya  memanfaatkan gelombang  elektromagnetik  sebagai  variabel  yang  berubah, dimana perubahan tersebut dapat mengindikasikan perubahan  variabel  yang  diukur.  PLC  banyak  digunakan dalam  industri  otomasi  dikarenkan  fleksibel  digunakannya, wiring yang mudah dibenarkan [1].
Motor  DC  banyak  dipergunakan  di  industri  sebagai penggerak mesin produksi, mesin cnc [2]. Motor DC seperti
pada  mesin  terdiri  dari  dua  bagian  yang  disebut  stator  dan bagian berputar yang disebut rotor.
Dengan  sistem  pengontrol  kecepatan  menggunakan  PLC dapat  mempermudah  kerja  manusia  dibidang  industri,  pada tugas akhir ini dibuat prototipe dari sistem kecepatan motor DC  dengan  menggunakan  luenberger  observer.  Observer merupakan  sebuah  algoritma  untuk  mengestimasi  suatu variabel  dalam  tugas  akhir  ini  Luenberger  observer digunakan untuk menggantikan sensor kecepatan pada motor DC industri.

## II. METODOLOGI
Tahapan  yang  dilakukan  dalam  penelitian  ini  yaitu pengumpulan  data  dari data  sheet  instrument ,  pemodelan sistem  motor  DC,  Perancangan  model  motor  DC menggunakan TIA Portal. Setelah melakukan perancangan di TIA portal dilakukan tes terhadap plant apakah error kurang dari  5%  jika  iya,  akan  dilanjutkan  perancangan  observer untuk  pengestimasi  kecepatan,  lalu  Dilanjutkan  dengan

## Rancangan Observer Kecepatan untuk Motor DC pada PLC
Erlangga Maharddhika dan Bambang Lelono Widjiantoro Departemen Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh November (ITS)
e-mail : bbglelono@yahoo.com
D
penambahan luenberger observer pada PLC jika error kurang dari  5%  dapat  dilanjut  kedalam  tahap  analisa  dan pembahasan.  Setelah  itu  dilanjutkan  dengan  penatikan kesimpulan dan saran. Adapun diagram alir pada penelitian ini adalah:

## A. Pengumpulan Data dari Data Sheets Instrumen
Data  ayang  dikumpulan  berupadata  dari  datasheet instrumen seperti motor DC, I/O PLC.

## B. Pemodelan Sistem Motor DC
Dari persamaan pada 2.1 maka fungsi motor DC dapat di ubah menjadi fungsi dalam persamaan laplace [3].
(𝐽𝑠 + 𝑏)𝜔(𝑠) = 𝐾𝐼(𝑠) (1) (𝐿𝑠 + 𝑅)𝐼(𝑠) = 𝑉(𝑠) − 𝐾𝜔(𝑠) (2) 𝑃(𝑠) = 𝜔(𝑠) 𝑉(𝑠) = 𝐾 (𝐽𝑠+𝑏)(𝐿𝑠+𝑅)+𝐾 2 (3)
Dimana: 𝜔(𝑠) = Kecepaan motor DC 𝑉(𝑠) = Voltase Armatur dari motor DC Karena voltase dan kecepatan motor DC sudah dipilih menjadi Input dan Output, maka State space dari motor DC ini adalah:
[ 𝑖̇ 𝜔̇ ] = [ −𝑅 𝐿 −𝐾 𝐿 − 𝑏 𝐽 𝐾 𝐽 ] [ 𝑖 𝜔 ] + [ 1 𝐿 0 ] 𝑉 (4)
𝑦 =   [1 0] [𝜃 ̇ 𝑖 ] [ 𝑖̇ 𝜔̇ ] = [ −1,716 −0,026 −7,286 0,657 ] [ 𝑖 𝜔 ] + [ 1,133 0 ] 𝑉 (5)

## C. Perancangan Menggunakan Tia Portal
Untuk  melakukan  Perancangan  pada  TIA  Portal dibutuhkan  fungsi  transfer  untuk  mengetahui  input outputnya.
Pada  proses  ini  dilakukan  pembuatan  simulasi  pada software yang telah dirancang menjadi diagram tangga yang ada  untuk  pembuatan  simulasi  sistem  pengatur  kecepatan
Tabel 1. Nilai Variabel Parameter Motor DC
Variabel (satuan) Nilai 1. Speed(RPM) 350 2. Voltase 0-10V 3. Gain 1 4. Arus PLC(mA) 4-20 5. Momen inersia(Kg
m 2 ) 0.035 6. Koefisien Gesek(Nm) 0.255 7. Hambatan Internal 1.515 8. Induktansi Internal Motor(henry) 0.884 9. Konstanta dari motor (Nm/Amp)
0.023
Tabel 2. I/O PLC
No. Jenis I/O Adress 1. Analog Input %IW0 2. Analog output %QW0 3. Digital Input %I10.0 ; %I10.1 4. Digital Output %Q10.0 5. High speed Counter %ID94
Gambar 2. Perancangan model pada plant motor DC.
Gambar 3. Perancangan model Plant Motor pada Software TIA Portal.
pada motor DC. Blok PID_Compact sendiri didapatkan dari blok  teknologi  yang  dimiliki  software  TIA  Portal,  blok  ini merupakan  blok  pengontrol  PID  secara  universal.  Pertama, dilakukan perubahan set point pada input PID_Compact, lalu PID Compact akan mengeluarkan output voltase seperti pada gambar  1  output  PID  akan  masuk  ke  blok  plant  motor  DC dengan penentuan input yang didapat dari data pada tabel 1. lalu akan mengeluarkan output kecepatan motor DC.
Pada gambar 2 dapat dilihat simulasi sistem kontrol pada software TIA Portal yang tertera pada gambar 3 dengan blok PID  Compact  sebagai  controller  lalu  blok  Plant  motor  DC merupakan simulasi dari plant motor DC dan fungsi MOVE merupakan fungsi untuk simulasi sensor.
Pada gambar 4 simulasi dilakukan pada software Siemens TIA  Portal  V14  SP1  dengan  menggunakan  parameter  yang terdapat pada Tabel 1 dan 2. Berikut merupakan hasil ladder diagram untuk plant motor DC dengan menggunakan metode Structured  Control  Language pada  PLC  dengan  bahasa pemrograman  pascal.  Pada  pemorgraman  ini  digunakan metode euler.

## D. Perancangan Observer
P erancangan  observer  digunakan  untuk  melakukan estimasi kecepatan pada motor DC dengan nilai voltase yang mempunyai range 0-10 V yang dapat dilihat pada Gambar 4. Observer  yang  digunakan  merupakan reduced  order observer .  Dengan  persamaan state  space pada  (3.5).
Sehingga  persamaan state  space  observer dapat  ditulis sebagai berikut:
[ 𝑖̇ 𝜔̇ ] = [ −𝑅 𝐿 −𝐾 𝐿 − 𝑏 𝐽 𝐾 𝐽 ] [ 𝑖 𝜔 ] + [ 1 𝐿 0 ] 𝑉 (4) [ 𝑖̇ 𝜔̇ ] = [ −1,716 −0,026 −7,286 0,657 ] [ 𝑖 𝜔 ] + [ 1,133 0 ] 𝑉 (5)
𝑦 = [1 0] [ 𝑖(𝑡) 𝜔(𝑡) ]
Dengan menggunakan persamaan reduced order observer, A aa = - R/L A ab = - K/L
A ba = - b/J A bb = K/J B a = 1/L B b = 0 Karena  hanya 𝑤(𝑡) saja yang  diestimasi  maka 𝑦 =   𝑖̇(𝑡) , 𝑖̇(𝑡) dan V merupakan besaran skalar arus dan voltase yang didapat  dari  PLC  terlampir  pada  tabel  1.  Berdasarkan
Gambar 4. Perancangan model Plant Motor pada Software TIA Portal.
Gambar 5. Perancangan model pada plant motor DC.
Gambar 6. Pemodelan Plant Observer pada Software TIA Portal(1).
Gambar 7. Pemodelan Plant Observer pada Software TIA Portal(2).
persamaan  (4)  maka  persamaan  reduced  order  observer didapatkan sebagai berikut:
𝜔 ̃̇(𝑡) = ( 𝐾 𝐽 + 𝐾 𝑒 𝐾 𝐿 ) 𝜔 ̃(𝑡) − 𝑏 𝐽 𝑖̇(𝑡) + 0 + 𝐾 𝑒 (𝑖̇(𝑡) ̇ + 𝑅 𝐿 𝑖̇(𝑡) − 1 𝐿 𝑉) 𝜔 ̃̇(𝑡) = ( 0.023 0.035 + 𝐾 𝑒 0.023 0.883 ) 𝜔 ̃(𝑡) + 𝐾 𝑒 (𝑖̇(𝑡) ̇ + 1.515𝑖̇(𝑡)
0.883 − 1 0.883 𝑉)
𝜔 ̃̇(𝑡) = (0.657 + 𝐾 𝑒 0.026)𝜔 ̃(𝑡) − 7,286𝑖 +   𝐾 𝑒 (𝑖 + 1.716𝑖 − 1.132𝑉)
𝜔 ̃̇(𝑡) = (0.657 + 1(0.026))𝜔 ̃(𝑡) − 7,286𝑖 + (1)(𝑖 + 1.716𝑖
−1.132𝑉)
𝜔 ̃̇(𝑡) = (0.683)𝜔 ̃(𝑡) − 4,57𝑖 − 1,132𝑉 (6)

## E. Penambahan Observer pada Plant Motor DC di TIA Portal
Pada TIA Portal ditambahkan observer untuk mengestimasi  nilai  kecepatan  pada  plant  motor  DC,  yang dapat dilihat pada Gambar 5.
Pada  proses  ini  dilakukan  pembuatan  pada  software  TIA Portal untuk penambahan observer. Pertama dilakukan sistem latching untuk menyalakan motor DC pada blok set point lalu akan  dilakukan  penentuan setpoint pada  blok  setpoint  lalu akan dilanjutkan ke blok PID_Compact untuk mendapatkan nilai  voltase  untuk  input  observer.  Dalam  pemrograman  ini plant  motor  DC  berada  pada  blok  observer  input  observer merupakan  voltase  dari  observer  dan  arus  dari  motor  DC plant.  Output  dari  observer  merupakan  kecepatan  angular
yang  terestimasi.  Pemodelan  Plant  Observer  pada  Software TIA Portal dapat dilihat pada Gambar 6 dan Gambar 7.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Hasil Uji Validasi Model Plant Motor DC dengan PID Control
Simulasi dilakukan pada software Siemens TIA Portal V14 SP1  dengan  menggunakan  parameter  yang  terdapat  pada Tabel 3 dan berdasarkan Gambar 8. Berikut merupakan Hasil simulasi permodelan motor DC yang telah dilakukan.
Gambar  9  dan  Gambar  10  menampilkan  kecepatan keluaran  dari  plant  motor  DC.  Garis  biru  merupakan kecepatan  referensi  dalam  %  dan  garis  merah  merupakan input  terhadap  PLC.  Ketika  dilakukan  uji set  point 70% kecepatan motor DC juga akan mengikuti hingga mendekati nilai 70% dari dari setpoint . Ketika set point diubah menjadi 35% kecepatan motor DC akan mengikuti hingga mendekati 35%.

## B. Hasil Simulasi PID Control dengan penambahan Observer
Gambar  12  menampilkan  kecepatan  setelah  penambahan observer dalam hal ini terdapat di PID output dalam hal ini PID  output,  Motor  revolution,  setpoint  semua  dalam persentase (%). Ketika set point ditentukan menjadi 30, PID output  akan  memberikan  sinyal  ke  plant  motor  DC  untuk menambahkan  kecepatan  ketika  kecepatan  sudah  mencapai set  point  perlahan  PID  output  akan  menurun  hingga  stabil. Kecepatan  output  motor  DC  dari  gambar  12  dapat  dilihat mendekati nilai setpoint dengan kecepatan setpoint 107,223 rpm dan kecepatan output motor DC menggunakan observer 107,250  rpm  dengan  output  voltase  dari  PLC  3.137  V. Gambar 13 menampilkan respon kecepatan dalam persen (%)
Gambar 8. Perancangan model pada plant motor DC.
Gambar  9. Respon Kecepatan Ketika pertambahan observer dengan setpoint 30%.
Gambar  10.  Respon  Kecepatan  Ketika  pertambahan  observer dengan setpoint 50%.
Gambar  11.  Respon  Kecepatan  Ketika  pertambahan  observer dengan setpoint 80%.
Ketika  dilakukan  perubahan set  point menjadi  50%  PID output  akan  mengirimkan  sinyal  kepada  observer  untuk meningkatkan kecepatan motor saat  kecepatan  motor sudah mendekati set point maka PID Output akan menurun hingga mendekati set point. Kecepatan output motor DC dari gambar 13  dapat  dilihat  mendekati  nilai  setpoint  dengan  kecepatan setpoint  176,684  rpm  dan  kecepatan  output  motor  DC menggunakan observer 176,018 rpm dengan output dari PID Compact 4.907 V.
Menampilkan  respon  kecepatan  dalam  persentase  (%) dengan perubahan setpoint 80% Ketika kecepatan dari motor perlahan naik dan mendekati setpoint maka PID Output juga ikut  menurun  hingga  nilainya  mendekati  nilai  setpoint. Kecepatan  output  motor  DC  dari  gambar  13  dapat  dilihat mendekati nilai setpoint dengan kecepatan setpoint 281,210 rpm dan kecepatan output motor DC menggunakan observer 281,902 rpm dengan output dari PID Compact 7.926 V.
Pada  gambar  14  menampilkan  kecepatan  keluaran  dari plant  motor  DC.  Garis  biru  merupakan  setpoint  dalam  %, garis merah merupakan kecepatan motor DC, dan garis hijau merupakan  output  voltase  dari  PLC  dalam  %.  Ketika dilakukan uji set point 30% kecepatan motor DC juga akan
mengikuti  hingga  mendekati  nilai  30%  dari  dari set  point . Ketika set  point diubah  menjadi  50%  kecepatan  motor  DC akan mengikuti hingga mendekati 50%.
Grafik  PID  output  tidak  dapat  stabil  dikarenakan  plant yang digunakan merupakan plant yang tidak nyata dari blok PID_Compact  sendiri  tidak  dapat  distabilkan  jika  tidak  ada plant nyata. Nilai PID output  akan  mendekati set point lalu akan  perlahan  naik,  tetapi  perubahan  PID  output  akan berubah jika nilai set point dan/atau nilai kecepatan motornya berubah.  Jika  dilakukan  input  nilai setpoint tetapi  tidak memasukan  input  nilai  kecepatan  motor  maka  nilai  PID output akan maksimal. Ketika nilai kecepatan motor diubah tetapi  tidak  melakukan  input  pada  set  point maka  nilai PID output akan tetap nol.

## C. Ladder Diagram Observer pada PLC
Simulasi dilakukan pada software Siemens TIA Portal V14 SP1  dengan  menggunakan  parameter  yang  terdapat  pada Tabel 1 dan berdasarkan gambar 3. Berikut Merupakan Hasil Ladder diagram dan function block untuk observer.
Gambar 8 menampilkan bentuk diagram pada Observer di dalam  PLC  untuk  perhitungan  observer  digunakan  fungsi matematika  pada  software  TIA  Portal  bernama calculate fungsinya  untuk  menghitung  secara  langsung  fungsi matematika  seperti  pertambahan,  pengurangan,  perkalian, pembagian,  Lalu  menjadi  outputnya motor  speed .  Blok  ini merupakan implementasi dari persamaan (6) IN1 merupakan nilai  input  dari  PLC  dari  persamaan  IN3  merupakan  nilai voltase dari PLC dan IN4 merupakan nilai dari arus dari PLC.
Dari  gambar  9  dapat  dilihat  input  dan  output  dari  blok observer  yang  telah  dibuat  pada  Gambar  8  yang  memiliki output motor  speed dalam rpm,  motor  speed dalam persentase, dan frekuensi untuk inverter motor .

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  pengujian  dan  analisis  yang  telah dilakukan  dapatt  diambil  kesimpulan  sebagai  berikut; (1)Dalam  mengontrol  dan  memvisualisasikan  grafik dibutuhkan  bantuan  Human  Machine  Interface  (HMI); (2)Dalam  simulasi  plant  motor  DC  pada  PLC,  PLC  dapat mengontrol  Motor  DC  tanpa  menggunakan  inverter  atau drive  selama  supply  dari  plant  motor  DC  0-10  V;  (3)PLC dapat mengimplementasikan observer untuk mengatur
Gambar 12. Function block diagram pada PLC.
Tabel 3. Perbandingan Ess Kecepatan Motor (%) PID Output (%) Ess (%) 30,115 29,609 1,68% 49,549 50,362 1,61% 81,406 79,607 2,21%
Gambar 13. Function block diagram pada PLC.
Gambar 14. Blok observer pada main loop.
kecepatan  motor  DC  dalam  bentuk  sinyal  output  dari  PLC persamaan observer dapat dimasukkan ke function block PLC dengan menggunakan fungsi calculate untuk membantu PLC mendapatkan  data  kecepatan  dari  plant  motor  DC. Dibutuhkan persamaan diskrit untuk pengimplementasian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  D. Sowmiya, “Monitoring and control of a PLC based VFD fed three
phase induction motor for powder compacting press machine,” in 2013 7th  International  Conference  on  Intelligent  Systems  and  Control (ISCO) , 2013, pp. 90–92.
[2]  Muhammad  Hariansyah,  “Pengaturan  arus  starting  dan  kecepatan motor dc penguat medan seri menggunakan plc festo fec 400,” Protech , vol. 6, no. 1, pp. 1–13, 2007.
[3]  S.  Makni,  M.  Bouattour,  A.  El  Hajjaji,  and  M.  Chaabane,  “Robust observer  based  Fault  Tolerant  Tracking  Control  for  T--S  uncertain systems subject to sensor and actuator faults,” ISA Trans. , vol. 88, pp. 1–11, 2019.