## DESAIN DAN IMPLEMENTASI REMOTE TERMINAL UNIT (RTU) BERBASIS ARM CORTEX  PADA SIMULATOR DISTRIBUSI AIR
Murie Dwiyaniti* dan Kendi Moro Nitisasmita
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta Jl Prof.Dr.GA Siwabessy, Kampus Baru UI Depok 16425 * Corresponding author, e-mail : murie_dwiyaniti@yahoo.com
Abstrak — Di industri, umumnya, pengendali peralatan dan instrumen pada field level menggunakan PLC. Namun PLC ini merupakan hak milik atau hak cipta ( proprietary ) suatu korporasi multinasional sehingga berpengaruh  pada  harga  jual  yang  relatif  mahal  ( costly ).  Alternatif  pengendali  adalah  RTU  berbasis mikrokontroler  yang  berbiaya  murah,  konsumsi  daya  rendah  namun  realibilitas  tinggi  dan  dapat diaplikasikan di berbagai plant . Pada penelitian ini, dibuat RTU berbasis mikrokontroler ARM Cortex 32- bit XMC 4500 yang diaplikasikan sebagai pengendali simulator distribusi air. RTU ini mempunyai 8 input dan  6 output digital,  3 input dan  2 outpu t  analog.  Hasilnya,  RTU  bekerja  dengan  baik  sesuai  dengan deskripsi kerja yang telah ditentukan sebelumnya.  Hal ini ditandai dengan berfungsinya semua modul IO digital dan analog, modul komunikasi serial dan modul power supply .
Kata Kunci : RTU, ARM Cortex, XMC 4500, simulator distribusi air
Abstract — In  industry,  the  control  apparatus  and  instruments  at  the  field  level  use  a  PLC  in  general. Unfortunately,  PLC  is  a  proprietary  or  copyright  of  a  multinational  corporation,  which  make  their costs relatively  expensive.  Alternative  controllers  can  be  implemented  based  on  RTU  microcontrollers which are of low costs, low power consumption but have high reliability and can be applied in a variety of plants.  In  this  research,  RTU  based  on  a  microcontroller,  32-bit  ARM  Cortex  XMC  4500,  has  been developed and applied as a controller of water distribution simulator. This RTU has 8 inputs and 6 outputs digital, 3 inputs and 2 outputs analog. The result shows that the RTU works properly in accordance to the specifications that had been predetermined. This has been proven by the proper functioning of all digital and analog IO modules, serial communication modules and power supply modules.
Keywords : RTU, ARM Cortex, XMC4500, water distribution simulator
Copyright © 2016 JNTE. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
SCADA  terdiri  atas  tiga  (3)  komponen penting  yaitu Master  Station  atau  Master Terminal  Unit  (MTU) , Remote  Terminal yang dapat  diperankan  oleh  RTU  atau  PLC,  dan komponen Communication  Network (jaringan komunikasi) [1]. Komponen yang paling penting untuk  mendukung  SCADA  adalah  RTU/PLC. Tanpa  RTU/PLC,  SCADA  tidak  mampu bekerja.
Di  industri  sebagian  besar  sistem  kontrol proses  menggunakan  RTU  berbasis  pada  PLC. Tapi karena teknologi PLC adalah hak milik atau hak  cipta  dari  perusahaan  multinasional berdampak  pada  harga  jual  yang  relatif  mahal. Alternatif lain adalah menciptakan sebuah RTU berbasis mikrokontroler, sehingga akan
menghasilkan  RTU  dengan  biaya  rendah, konsumsi daya rendah tapi keandalan tinggi.
Penelitian  ini  membuat  prototipe  RTU berbasis  mikrokontroler  32-bit  ARM  Cortex (XMC  4500),  yang  diimplementasikan  pada simulator  distribusi  air.  RTU  akan  diuji  dalam konektivitas  tunggal  ( standalone ).  Kesuksesan dalam  membuat  RTU  ini  akan  membuka peluang dan memberikan solusi alternatif untuk industri  dalam  penggunaan  kontroler  dengan harga murah.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
RTU  yang  sudah  eksis  baik  yang  telah memiliki  hak  cipta  atau  hak  milik corporate , lembaga  riset  pemerintah  atau  swasta  maupun yang  dikembangkan  institusi  perguruan  tinggi memiliki  kesamaan  arsitektur  dasar  namun
berbeda dalam penggunaan prosesornya [2],[3],[4]. Arsitektur RTU memiliki konfigurasi berupa power supply , CPU ( Central Processing Unit ), Volatile  Memory , NonVolatile  Memory , modul analog input , modul analog output , modul digital input ,  modul  digital output ,  dilengkapi dengan Central  bus .  Semua  elemen  di  RTU dikendalikan oleh sebuah prosesor dalam hal ini mikrokontroler yang terletak di CPU.
Fungsi standar RTU adalah sebagai antarmuka  untuk  mengirimkan  sinyal  kontrol pada  peralatan  yang  dikendalikan,  mengambil data  dari  peralatan  tersebut,  dan  mengirimkan data  tersebut  ke  MTU  [5].  Konfigurasi  RTU dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1.Konfigurasi RTU [5]
RTU  yang  digunakan  pada  penelitian  ini berbasiskan mikrokontroler ARM Cortex 32 Bit yang merupakan sebuah prosesor 32-bit dengan tipe RISC ( Reduced Instruction Set Computer ). Kelebihan  mikrokontroler  ini  adalah  kinerja yang  sangat  tinggi  hingga  2  GHz,  harga  yang sangat murah dan hemat energi [6].
Komponen  utama  yang  digunakan  dalam membuat modul input digital adalah resistor dan optocoupler.  Rangkaian  tipikal  input  digital dapat dilihat pada Gambar 2.
Komponen  utama Output digital  pada  RTU adalah optocoupler dan MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor  Field  Effect  Transistor )    tipe-N (NMOS).  Pada  penelitian  ini,  MOSFET  dipilih karena mempunyai kelebihan dibanding dengan transistor  BJT  ( Bipolar  Junction  Transistor ),
yaitu  MOSFET  mempunyai  input  impedansi yang  sangat  tinggi,  menghasilkan  disipasi  daya yang  rendah  dan noise yang  rendah.  rangkaian tipikal output digital dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 2. Rangkaian input digital
Gambar 3. Rangkaian output digital
Sedangkan untuk rangkaian IO analog, terdiri dari 3 IC, yaitu:
1. Converter 3,3V ke 5V
2. DAC MCP4725
3. Sunyuan 0-5V to 4-20mA
Fungsi  dari  konverter  adalah  sebagai jembatan  penyambung  antara  mikrokontroler yang  mempunyai  tegangan  3,3  V  dengan perangkat TTL dimana level tegangannya adalah 5V.
DAC    berfungsi  mengubah  digital  menjadi analog output 0-5V, rancangan ini di kendalikan oleh  protocol  I2C,  sehingga  mikrokontroler harus  mengikuti  protocol  tersebut  untuk  dapat mengeluarkan signal 0-5V.
Sunyuan  berfungsi  mengubah  tegangan analog  0-5V  menjadi  output  arus  4-20mA. Gambar  skematik  rangkaian  I/O  analog  dapat dilihat pada Gambar 4.

## Gambar 4. Skematik rangkaian I/O analog

## 3. METODOLOGI
Kegiatan penelitian ini dilakukan di Laboratorium  SCADA  Teknik  Listrik  PNJ. Metode  penelitian  yang  digunakan  adalah metode  eksperimen  dengan  cara  membuat  alat baru berupa RTU berbasis mikrokontroler. RTU ini diimplementasikan pada simulator distribusi air seperti pada Gambar 5.
Modul analog Input Modul Digital Input Modul analog Output Modul Digital Output Mikrokontroler ARM Cortex 32 Bit Port RS 232 / RS 485 / ethernet Simulator plant distribution water
Gambar 5. Implementasi RTU pada simulator
Tahapan penelitian, yaitu: 1. Mendesain  dan  membuat hardware RTU berbasis  mikrokontroler  XMC  4500  yang terdiri  dari  modul  IO  digital  dan  analog, komunikasi serial (RS232, RS485, TCP/IP), serta power supply .
2. Mendesain  algorithma  pengiriman  dan penerimaan data melalui komunikasi serial.
3. Melakukan  pengujian  baik  secara hardware maupun software . Pengujian dilakukan untuk mengetahui  kemampuan  modul  I/O  dalam mendeteksi status input/output peralatan pada miniatur plant .  Indikator  keberhasilan  dari pengujian  ini  adalah  modul  I/O  dapat mendeteksi  status  IO  peralatan.  Selain  itu, pengujian  dilakukan  untuk  mengetahui kinerja  RTU  sebagai  pengendali.  Indikator
keberhasilannya  adalah  sistem  bekerja dengan  baik  sesuai  deskripsi  kerja  yang diinginkan.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hardware RTU berbasis XMC4500 Rancangan RTU mempunyai 8 input dan 6 output digital, 3 input dan 2 ouput analog, serta komunikasi  serial  dan  ethernet.  I/O  ini  akan dihubungkan  dengan  simulator  distribusi  air. Alamat IO dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Alamat IO RTU
Dari Tabel 1, X adalah digital input; Y adalah digital  output;  AI  adalah  analog  input;  AO adalah analog output.
Hasil pengujian fungsi IO pada modul RTU dapat dilihat pada Gambar 6.

## Gambar 6. Hasil uji fungsi IO
Dari  Gambar  6,  dapat  dilihat  bahwa  semua lampu  pada  modul  RTU  menyala.  Hal  ini mengindikasikan bahwa modul tersebut bekerja dengan  baik.  Hasil  pengukuran  tegangan  input
Name Address Module Address pin XMC 4500 Level water sensor AI0 P14.0 Valve 1 Y02 P0.6 Valve 2 Y04 P3.4 Valve 3 Y05 P0.7 Pump 1 (inverter) AO0 P14.8 Motorize Valve AO1 P14.9 Pressure sensor AI1 P14.2 Flow sensor AI2 P14.1 Level HH (high-high) X00 P0.10 Level H (High) X01 P0.9 Level M (medium) X02 P3.1 Level L (low) X03 P3.0 Pump 2 Y00 P3.2 Pump 3 Y01 P0.2 FS (flow switch) X07 P2.15 Reset Buzzer P1.15 Buzzer Y07 P1.9 OL 1 (over load pump 1) X04 P2.6 OL 2 (over load pump 2) X05 P2.10 OL3 (over load pump 3) X06 P2.14 Ta n k 1 Ta n k 2 Di stu rb an ce
adalah 23,86V dan tegangan output 23,81V. Ada selisih sekitar 0,05V, namun nilai selisih ini kecil sehingga masih diperbolehkan. Untuk pengukuran  tegangan  input  analog  adalah  0- 10V,  hasil  output  analog  juga  sama  0-10V. Output analog ini akan dihubungkan ke inverter untuk men- drive motor pompa 1.

## 4.2. Program RTU
Algoritma  untuk read dan write status  IO, serta  pengiriman  dan  penerimaan  data  dari simulator ke modul RTU menggunakan software DAVE  3.10.  Data-data  ini  akan  ditampilkan secara real  time dalam  layar  hyperterminal.
Tampilan koneksi APP DAVE dan tampilan data pada hyperterminal dapat dilihat pada Gambar 7 dan 8.

## Gambar 7. Koneksi APP DAVE
Gambar 8. Tampilan data pada hyperterminal
Dari Gambar 8, dapat dilihat bahwa proses pembacaan,  pengiriman,  dan  penerimaan  data berhasil dengan baik. Data dari ADC dibaca oleh mikrokontroler  dalam  bentuk  bilangan  integer. Nilai ini dikonversi ke tegangan 0-10V. Output analog  menghasilkan  PWM  ( pulse  widht modulation ) dengan duty cycle 0-100%.
4.3. Pengujian RTU sebagai pengendali simulator distribusi air.
Deskripsi  kerja  simulator  distribusi  air dapat  dilihat  pada  Gambar  9.  Kecepatan maksimum motor pompa 1 adalah 2900 rpm.
Start Tank 1 full = 810-1000 lt Level 4? Pump 1 ON,
Speed 80% = 2320 Rpm Valve 1 ON Valve 2 ON Valve 3 ON Pump 1 ON, Speed 75% = 2175 Rpm Valve 1 ON Valve 2 ON Valve 3 OFF Yes No Tank 1 = 610-800 lt Level 3? Tank 1= 410-600 lt
Level 2? Pump 1 ON, Speed 70% = 2030 Rpm Valve 1 ON Valve 2 OFF Valve 3 OFF
Pump 1 ON, Speed 60% = 1740 Rpm Valve 1 ON Valve 2 OFF Valve 3 OFF Yes No Tank 1 = 210-400 lt Level 1? No No Yes Yes Pump 1 OFF, Speed 0% = 0 Rpm Valve 1 OFF Valve 2 OFF Valve 3 OFF Tank 1 = 0-200 lt Level 0? No Yes
Gambar  9. Flowchart deskripsi  kerja  simulator distribusi air [8]
Tujuan pengujian ini adalah untuk melihat kinerja  RTU  sebagai  pengendali.  Keberhasilan ditandai dengan keseuaian kerja simulator dengn deskripsi  yang  telah  ditentukan.  Aktifitas pengujian  terlihat  pada  Gambar  10.  Sedangkan hasil pengujian terlihat pada Gambar 11.

## Gambar 10. Aktifitas pengujian

## Gambar 11. Hasil pengujian
Dari  Gambar  11,  dapat  dilihat  bahwa kecepatan pompa 1 dibagi dalam 5 level. Ketika tanki  1  penuh  sekitar  810-1000  liter,  pompa bekerja  dengan  kecepatan  80%  atau  2320  rpm untuk mengalirkan air. Ketika level air turun di 610-810 liter, kecepatan putar pompa berkurang menjadi  75%  atau  2175  rpm.  Selanjutnya,  jika level  air  menunjukan  nilai  410-600  liter, kecepatan  pompa  akan  berkurang  lagi  menjadi 2030 rpm. Pada pembacaan level air 210 – 400 liter,  pompa  akan  berputar  dengan  kecepatan 1740 rpm. Akhirnya, jika tangki 1  kosong atau pososi air berada pada 0-200 liter, pompa akan berhenti.

## 5. KESIMPULAN
Prototipe  RTU  berbasis  Arm  Cortex  32  bit tipe  XMC4500  telah  bekerja  dengan  baik.  Hal ini  ditandai  dengan  berfungsinya  semua  modul IO digital dan analog, modul komunikasi serial dan modul power supply . RTU ini mempunyai 8 input digital dan 8 output digital mosfet, 3 analog input  dan  3  analog  output.  Keberhasilan  RTU sebagai  pengendali  diterapkan  pada  simulator distribusi  air.  Hasil  pengujian  mengindikasikan bahwa  prototipe  ini  telah  bekerja  dengan  baik menggantikan PLC sehingga menawarkan solusi yang berpotensi lebih murah.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]    Farkhod Alsiherov, Taihoon Kim, Research  Trend  on  Secure  SCADA Network Technology and Methods ,
WSEAS  Transactions  on  System  and
Control  ISSN:  1991-8763  Issue  8,
Volume 5, (2010).
[2]   Ahmed,  M.M.,  Ayer  Keroh  ,  Soo,  W.L. Supervisory Control and Data Acquisition System  (SCADA)  based  customized Remote  Terminal  Unit  (RTU)  for distribution  automation  system ,  Power and  Energy  Conference,  IEEE  2nd International, p1655 – 1660, (2008). [3] Purnomo  Husnul  Khotimah,  Dikdik Krisnandi, Design and Implementation of Remote Terminal Unit On Mini Monitoring  Weather  Station  Based  on Microcontroller ”  The  6th  International Conference on Telecommunication Systems,  Services,  and  Applications,
(2011).
[4] Wael E. Matti, Jabir S. Aziz, Design and
Implementation  of  General  Purpose Remote  Terminal  Unit  (R.T.U) ,  Global Journal Electrical and Electronics Engineering, Volume 12 Issue 7, (2012).
[5]   David  Bailey,  Edwin  Wright, Practical SCADA for Industry , Elsevier: UK, (2003).
[6]    Joseph  Yiu, The  Definitive  Guide  to  the ARM® Cortex-M3 , Elsevier, UK, (2010)
[7]    Aung Naing Myint, Hla Soe, Theingi, and Win  Khaing  Moe, Implementation  of Control  Unit  using  SCADA  System  for Filling  System ,  World  Academy  of Science,  Engineering  and  Technology Vol:2 2008, p10-25, (2008).
[8]    Murie  Dwiyaniti,  Kendi  Moro  N, Prototype  Sistem  Otomasi  Berbasis  PLC Dan  SCADA  Network  Client  Server Dengan  Multi  Protokol  Komunikasi , laporan penelitian, PNJ, (2014)
[9]   Arief Wisnu Wardhana, Eka Firmansyah, Addin  Suwastono, Perancangan  dan Inplementasi  Cyclic  Redundancy Check- 16  sebagai  Metode  Error  Cheking  pada Transmisi  Pesan  Protokol  Modbus Remote Terminal Unit Berbasis Microcontroller Unit, JNTE Vol 5, No.1:
Maret (2016)

## Biodata Penulis
Murie Dwiyaniti , dosen jurusan teknik elektro pada  program  studi  Teknik  Otomasi  Listrik Industri  (TOLI),  Politeknik  Negeri  Jakarta. Penulis  telah  menyelesaikan  program  S1  pada Fakultas  Teknik  Informatika  dalam  program
studi Sistem Pengaturan di Institut Teknologi 10 Nopember  (ITS)  (2000-2002)  dan  Program  S2 Jurusan  Teknik  Elektro  program  studi  Teknik Kontrol  Industri,  Universitas  Indonesia  (2010- 2012).
Kendi Moro Nitisasmita , dosen Jurusan Teknik Elektro pada program studi Teknik Listrik (TL), Politeknik  Negeri  Jakarta.  Penulis  telah menyelesaikan  program  S1  terapan  Politeknik Negeri  Bandung  (Polban)  dan  Program  S2 Jurusan Teknik Komputer di STIMIK ERESHA Jakarta.