Paper Alat Pengendali Arus Pada Mesin DC-400 Berbasis Mikrokontroler Dan Android

ALAT PENGENDALI ARUS PADA MESIN DC-400 BERBASIS MIKROKONTROLER DAN ANDROID

Muhammad Abdul Ghafur1*, Didi Istardi S.T., M.Sc1*, Nugroho Pratomo Ariyanto S.T., M.Sc 1*
1Politeknik Negeri Batam, Program Studi Teknik Mekatronika
Jl. Ahmad Yani, Kecamatan Batam Kota, Batam 29461, Indonesia
*E-mail: ghafur.polibatam@gmail.com, istardi@polibatam.ac.id, nugroho@polibatam.ac.id

Abstrak-Power source adalah alat yang berfungsi untuk menyuplai arus listrik pada tipe pengelasan SMAW (Shield Metal Arc Welding), contohnya adalah mesin DC-400. Keluaran arus mesin tersebut diatur dengan menggunakan sebuah knob pada panel output control agar dapat menghasilkan panas yang sesuai kebutuhan pengelasan. Seiring perkembangan, pengelas (welder) menyadari bahwa adanya keterbatasan dari cara pengontrolan arus pada mesin tersebut. Jarak pengontrolan yang mengharuskan penggunanya menuju langsung ke mesin menyebabkan ketidakefisienan dalam pekerjaan. Oleh karena itu, diperlukannya sebuah alat pengendali yang dapat mengatur keluaran arus dari jarak jauh. Sehingga perlunya untuk menciptakan Alat Pengendali Arus Pada Mesin DC-400 Berbasis Mikrokontroler dan Android. Alat ini dapat mengatur nilai keluaran arus jarak jauh dan tanpa kabel yang mana mikrokontroler sebagai pusat kontroler dan android sebagai sumber masukannya. Dari hasil penelitian, semakin besar nilai R1 potensiometer yang diatur, maka semakin besar arus pengelasan yang dihasilkan. Error rata-rata antara arus las menggunakan knob dan remote yaitu sebesar 4.65%.

Kata Kunci : Power source, SMAW, DC-400, alat pengendali arus, mikrokontroller, android.

PENDAHULUAN
Dalam pengelasan Shield Metal Arc Welding (SMAW), terdapat alat yang befungsi sebagai penyedia arus yang disebut dengan power source. Contoh power source yang ada di Bengkel Welding Politeknik Negeri Batam adalah DC-400. Alat ini terhubung langsung dengan kabel holder untuk mengalirkan arus listrik hingga sampai ke batang electrode. Nilai dari arus yang dialirkan tentunya harus disesuaikan dengan kebutuhan penggunanya. Maka pada mesin DC-400 ini terdapat fitur pengendali nilai arus yang berupa knob pengontrol. Tidak begitu terasa pengaruhnya untuk welder melakukan proses pengelasan yang memiliki jarak dekat dengan mesin. Tetapi bagi welder yang melakukan proses pengelasan jarak jauh dari mesin, hal tersebut kurang efisien. Oleh karena itu para peneliti sebelumnya mencoba menciptakan sebuah inovasi baru pada DC-400, yaitu penambahan fitur wire remote control.
Fitur wire remote control sangat membantu para welder, namun rata-rata panjang kabel yang sering ditemukan dan dijual dipasaran yaitu hanya 3 sampai 9 meter saja. Dari segi keselamatan kerja, kabel yang sangat panjang dan memungkinkan untuk terbelit terutama saat bekerja di proyek, dapat mengganggu keselamatan pekerja lain yang sedang melakukan pekerjaan disekitar area tersebut dan juga dapat membahayakan pengguna itu sendiri. Selain itu harga 1 set remot kontrol tersebut sangat mahal, yaitu kurang lebih sekitar $350.00 hingga $921.00 (Dolar Amerika).
Melihat permasalahan diatas, penulis akan meneliti, merancang, dan kemudian membuat alat yang dapat memberikan solusi terhadap permasalahan tersebut. Alat Pengendali Arus Pada Mesin DC-400 Berbasis Mikrokontroler dan Android merupakan solusinya. Alat ini dapat mengatur nilai keluaran arus tanpa menggunakan kabel, yang mana mikrokontroler sebagai pusat kontroler dan android sebagai sumber masukannya. Alat ini diharapkan mampu mengatasi masalah yang terjadi saat menggunakan remot kontrol berkabel. Alat ini juga diharapkan akan mampu mengendalikan nilai keluaran arus dengan lebih mudah, efisien, dan dengan harga yang lebih murah dibandingkan dengan remot kontrol yang telah ada.

DASAR TEORI
Pemanfaatan Mikrokontroler
Wireless Mikrokontroler merupakan dasar dari prinsip pengontrolan kerja alat, baik pada sistem pengendalian motor servo, lampu indikator, dan modul bluetooth HC-05. Penerapan mikrokontroler adalah pada pengendalian sistem berdasarkan informasi input yang diterima, lalu diproses oleh mikrokontroler, dan bagian output mengeluarkan aksi sesuai program yang telah ditentukan. Untuk mempermudah penggunaan mikrokontroler, maka digunakkan sebuah arduino Nano. Fitur pin pada arduino Nano yang akan digunakkan pada alat ini adalah sumber 5 volt, ground, input, output, PWM, pin Rx dan Tx. Pin-pin pada arduino ini yang terhubung dengan modul bluetooth HC-05 dan servo, sehingga tercipta sebuah sistem pengendali arus mesin DC-400. Arduino dapat diprogram dengan menggunakan software Arduino.IDE.

Pengendalian Pergerakan Motor Servo
Motor servo adalah jenis motor dengan sistem close loop dimana posisi rotornya akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol motor servo tersebut. Servo memiliki tiga buah kabel, masing-masing untuk vcc, ground, dan kabel kendali yang dihubungkan ke mikrokontroler. Motor ini tersusun dari sebuah motor DC, serangkaian gear, potensiometer dan rangkaian control. Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas sudut dari putaran servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor. Untuk  membuat  servo  pada  posisi  center,  berikan  pulsa 1.5ms pada periode selebar 2 ms. Untuk memutar servo ke kanan, berikan pulsa <=1.3ms, dan pulsa >= 1.7ms (Gambar 2.1).

Gambar 2.1. PWM Motor Servo.

Pengiriman Data Melalui Bluetooth  (HC-05)
Sistem bluetooth terdiri dari sebuah radio transceiver, baseband link controller dan sebuah link manager (gambar 2.2). Baseband link controller ini menghubungkan perangkat keras radio ke baseband processing dan physical layer protokol. Link manager melakukan aktivitas-aktivitas protokol seperti melakukan link setup, autentikasi dan konfigurasi.

Gambar 2.2. Sistem Bluetooth

Pada sistem yang dirancang pada alat ini, module bluetooth yang akan digunakkan adalah HC-05. Peran bluetooth (HC-05) adalah sebagai perangkat yang menjembatani pengiriman data. Terdapat dua buah pin penting yaitu pin Rx dan Tx. Pin Rx berfungsi menerima (receive) data serial ke Tx Arduino, sedangkan pin Tx berfungsi melakukan pengiriman (transmit) data serial ke pin Rx Arduino. Sinyal yang dikirim dan diterima tersebut nantinya akan dijadikan sebagai variable penggerak sistem yang terhubung antar perangkat.

 Aplikasi MIT App Inventor Pada Android
MIT App Inventor 2 adalah versi ke-2 dari alat pemrograman visual drag-and-drop untuk merancang dan membangun aplikasi pada Android. App Inventor memungkinkan pengembang dan penggunanya untuk fokus pada logika untuk pemrograman aplikasi daripada sintaks dari bahasa coding. App Inventor 2 ini akan digunakan dalam pembuatan aplikasi yang nantinya akan diimplementasikan pada sebuah Android atau smartphone.

 Output Control
Output Control merupakan bagian yang digunakan untuk mengontrol nilai arus pada mesin DC-400. Kontrol dapat dilakukan secara LOCAL ataupun REMOTE yang dapat dipilih secara langsung pada panel mesin.Pada dasarnya, proses ini mengubah nilai resistansi terhadap tegangan yang masuk sehingga arus listrik yang keluar sesuai dengan keinginan pengelas. Untuk dapat mengubah nilai resistansi, pengelas dapat memutar langsung knoboutputcontrol yang ada pada mesin, ataupun dengan menggunakan remote output control. Komponen penting dari knob dan remoteoutput control ini yaitu sebuah potensiometer 2 watt sebesar 10 KΩ.Remote output control adalah alat yang digunakkan untuk dapat mengubah nilai arus dari jarak jauh. Alat tersebut berfungsi jika 3 buah pin potensiometer yang ada pada remote output control ini dihubungkan ke 14-pin konektor dengan menggunakan kabel.  Pin-pin tersebut yaitu G=75, F=76, dan E=77 seperti yang ditunjukkan gambar 2.3:


Gambar 2.3. 14-Pin Output Control

PERANCANGAN SISTEM
 Perancangan Perangkat Keras

Gambar 3.1. Diagram Block Sistem Alat Pengendali Arus

Desain mekanik alat pengendali ini adalah berupa kotak dengan ukuran panjang 125 mm, lebar 83 mm, tinggi 50 mm, dan ketebalan 2 mm  seperti yang bisa dilihat pada gambar 3.2.

Gambar 3.2. Realisasi Desain Mekanik Box

Di dalam box tersebut terdapat beberapa perangkat elektronik diantaranya adalah module bluetooth HC-05, arduino Nano, potensiometer 10k ohm 2 watt, led, buzzer, dan breadboard power supply yang kemudian saling terhubung seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.3.

Gambar 3.3. Jalur Skematik Elektrikal

Alat yang telah dikemas kedalam sebuah box tersebut mendapatkan supply tegangan dari mesin melalui pin J (31) dan pin A (32). Lalu dapat berfungsi secara keseluruhan apabila dihubungkan dengan pin output control pada mesin DC-400 yaitu pin G (75), F (76), dan E (77) seperti yang terlihat pada gambar 3.4.


Gambar 3.4. Jalur keseluruhan Alat

 Perancangan Perangkat Lunak

Alat pengendali arus mesin DC-400 memiliki sebuah perancangan perangkat lunak. Proses yang dimulai dari pengaktifan perangkat, aktifitas komunikasi antara master (mikrokontroler) dan slave (android), hingga data tersebut dapat ditampilkan pada sebuah layar android seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.5.

Gambar 3.5. Flowchart System Transfer Data

Gambar 3.6. Sistem Keseluruhan Alat
Gambar 3.6. menjelaskan proses sistem alat secara keseluruhan dari awal hingga akhir proses pengendalian arus keluaran pengelasan.

 

Gambar 3.7. Tampilan Aplikasi Android

Gambar 3.7 menunjukkan tampilan aplikasi android pada alat pengendali arus mesin DC-400 yang terdiri dari beberapa tombol pilihan arus yang digunakan pada pengelasan SMAW.

PENGUJIAN DAN ANALISA
Pengujian Sudut Terhadap Perubahan Nilai Resistansi Potensiometer

Langkah awal pengujian alat adalah menguji ketepatan nilai resistansi yang diatur berdasarkan sudut yang telah ditentukan sebelumnya seperti yang ditunjukkan oleh tabel 4.1. Pada aplikasi Android, pengguna alat hanya perlu menekan beberapa tombol pilihan yang telah tersedia seperti pada gambar 3.7. Tombol yang tersedia adalah dari 0-7 KΩ.

Dari pengendalian resistansi tersebut terdapat nilai error yaitu hasil resistansi yang lebih ataupun kurang dari nilai yang seharusnya. Hal tersebut disebabkan kekuatan motor saat bergerak kearah searah jarum jam (CW) ataupun berlawanan arah jarum jam (CCW) tidak sama. Selain itu rata-rata knob potensiometersulit untuk dikendalikan secara akurat dengan yang semestinya, menyebabkan nilai resistansi yang diatur tidak dapat 100% sama.


Dari hasil pengambilan 10 buah data, maka diambil rata-rata nilai resistansi tiap perubahan 1 KΩ nya. Setelah itu dicari error rata-rata resistansi dalam persen, dari error rata-rata dapat dicari pula rata-rata error keseluruhan seperti yang ditunjukkan pada tabel 4.2. Nilai error yang dihasilkan sangatlah kecil yaitu dengan rata-rata 1.08% dan hal tersebut masih masuk dalam rentang toleransi dalam pengukuran dan pengujian.

Pengujian Nilai Tegangan Output Pada Potensiometer

Langkah kedua pengujian alat adalah mengukur  nilai tegangan output (Vout) pada alat yang terhubung ke mesin DC-400 berdasarkan nilai resistansi yang telah diatur melalui android mulai dari 0-7 KΩ. Nilainya bervariasi dan semakin tinggi seiring dengan semakin besarnya nilai resistansi yang diatur pada potensiometer. Data tegangan keluaran yang diukur dengan osciloscope tersebut dapat ditunjukkan oleh tabel 4.3.

Pengukuran nilai tegangan keluaran pada alat bisa digunakan untuk mencari arus yang digunakan pada alat khususnya pada potensiometer 2 Watt demngan nilai resistansi 10 KΩ. Ketika menemukan nilai arus yang digunakan pada alat ke mesin, maka dapat pula dihitung nilai daya dari potensiometer dengan maksimal daya yang dipakai sebesar 1.5 Watt. Hal ini yang mendasari bahwa kenapa potensiometer yang digunakan harus 2 Watt. Hal tersebut berpengaruh pada tingkat durability pada alat yang digunakan sehingga umur dari alat yang digunakan itu sendiri bisa tahan lama.

Pengujian Nilai R1 Terhadap Keluaran Arus Pengelasan

Langkah ketiga adalah dengan melakukan pengelasan. dari proses pengelasan yang berlangsung dapat diukur nilai keluaran arus dalam ampere dengan menggunakan Clamp-Meter. Arus yang diukur tentunya arus konstan (constant current) yang biasa disingkat pada mesin yaitu CC. Pengukuran arus pengelasan yaitu dimulai dari nilai 0 KΩ yang kurang lebih berada pada range 50-an ampere, hingga pada nilai 7 KΩ dengan arus pengelasan kurang lebih 270-an ampere.  Data pengujian merupakan data arus yang sering muncul saat diukur menggunakan Clamp-Meter. Data  selengkapnya dapat dilihat pada tabel 4.4.

Dari 10 buah data pengujian dan pengukuran tersebut, maka diambil rata-rata nilai keluaran arus dari range 0-7 KΩ. Lalu melakukan perbandingan output arus las antara manual knob dan remote alat, sehingga menghasilkan rata-rata error keseluruhan yaitu sebesar 4.65% seperti yang ditunjukkan pada tabel 4.5.


Rangkaian Potensiometer Terhadap DC-400

Gambar 4.4. Potensiometer Alat ke 14-Pin Connector
Rangkaian diatas merupakan rangkaian potensiometer pada alat pengendali yang telah terhubung ke mesin DC-400 melalui 14-pin connector. Adapun kaki-kaki potensiometer yang saling terhubung yaitu kaki 3 terhubung dengan pin E (77), kaki 2 terhubung ke pin F (76), dan kaki 1 terhubung ke pin G (75) seperti pada gambar 4.4. Dengan adanya gambar tersebut kita dapat menentukan letak pengukuran Vout pada yang keluar pada potensiometer. Nilai keluaran dari pengaturan potensiometer yang digunakan adalah pada R1 yaitu dari 0 sampai 7 KΩ dengan kenaikan 1 KΩ per pengaturannya. Sehingga ketika kita mengetahui rangkaian serta posisi kaki-kaki yang terhubung ke pin-pin mesin DC-400 tersebut, kita dapat melakukan analisa terhadap konfigurasi alat ke mesin dan pengaruh terhadap arus pengelasan jika terjadi kesalahan konfigurasi pin output control.. Adapun rumus untuk mencari Vout pada potensiometer antara lain sebagai berikut :

(2.1)

Dimana :
R1 Pot = R yang terukur pada kaki 1 dan 2 Potensiometer
Rtot Pot = Tahanan total yang terukur pada potensiometer
Vin     = Tegangan input yaitu 4,8 Volt
R.Int       = R tambahan di mesin DC-400 yaitu 1,61 KΩ
Rtot Int = R total di dalam mesin DC-400 yaitu 48,4 KΩ

Pengujian Jarak Komunikasi Bluetooth

Langkah terakhir adalah dengan melakukan pengujian terhadap jarak tempuh pengontrolan alat. Jarak yang diambil untuk pengukuran komunikasi alat ke android adalah dari 0-40 meter. Indikator keberhasilan komunikasi yaitu hidupnya led dan bunyi dari buzzer. Tempat pertama kali pengujian adalah di dalam area Bengkel Welding Politeknik Negeri Batam. Di dalam bengkel tersebut terdapat beberapa jenis halangan seperti papan, besi, plat, kaca dan pintu. Berdasarkan hasil pengujian didapatkan bahwa komunikasi yang terjadi berjalan dengan lancar dengan ditandai oleh hidupnya led dan buzzer pada alat tersebut. Untuk pengujian yang kedua adalah di dalam rumah pembuat alat sendiri dengan berbagai jenis hadangan seperti tembok rumah, papan, kaca, besi, dan pintu. Dan setelah pengguna mencoba untuk koneksi dengan jarak maksimal 40 meter, alat akan bekerja bergantung pada jenis hadangan dan ketebalan penghalang.

Jarak terbaik agar alat bekerja dengan baik adalah 0-10 meter dan ini sudah dibuktikan di beberapa penelitian dan jurnal resmi dunia. Terakhir adalah percobaan di ruang terbuka atau (tanpa halangan) seperti di halaman Politeknik Negeri Batam, lorong lantai 1 Politeknik Negeri Batam, di depan halaman rumah pembuat alat, serta di lapangan sekolah dasar 002 Bengkong. Dari hasil pengujian yang dilakukan, module bluetooth HC-05  dapat menerima data yang dikirim dengan lancar hingga 40 meter. Data pengujian selengkapnya dapat dilihat pada tabel 4.4.1.Dari hasil data diatas dapat dianalisa bahwa Bluetooth dapat berkomunikasi pada jarak yang cukup jauh dari spesifikasi pada umumnya, tetapi jarak terbaik untuk berkomunikasi antar perangkat adalah kurang lebih sekitar 10 meter.
Analisa Keseluruhan


Berdasarkan data yang telah ditampilkan diatas apabila semakin besar nilai pengaturan resistansi R1 pada potensiometer alat yang kita atur, maka semakin besar pula vrms dan juga arus pengelasan yang dihasilkan. Semakin besar arus pengelasan yang digunakan, maka ukuran diameter elektroda yang kita pakai pun juga harus semakin besar. Hal tersebut dilakukan agar hasil las tidak mengalami kegagalan maupun kecacatan saat melakukan pengelasan SMAW. Sangat penting bagi penguji untuk memilih batang elektroda yang sesuai dengan standart pengelasan, karena hal ini berpengaruh pada proses pengambilan data. Apabila penguji salah memilih ukuran elektroda, maka akan mempengaruhi travel speed pengelasan dan mempengaruhi kualitas pengelasan. Ketika hal tersebut terjadi maka tentunya akan mempengaruhi pula data output current pengelasan yang diambil, sehingga berdampak pada hasil penyajian data yang tidak begitu akurat.

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengujian, pengukuran, analisa dan pembahasan, alat yang berbasis mikrokontroler tersebut dapat mengendalikan keluaraan arus pengelasan dari jarak jauh tanpa kabel dengan menggunakan Android sebagai pengendalinya. Alat ini juga dapat dipergunakan pada seluruh power source machinetipe Lincoln DC-400 khususnya yang ada di Bengkel Welding Politeknik Negeri Batam. Ghafur12 Current Control DC-400ini merupakan inovasi baru dengan harga yang jauh lebih terjangkau dari remot kontrol berkabel yang ada di pasaran. Alat ini jugamenunjang proses pembelajaran bagi mahasiswa Teknik Mekatronika dan Teknik Mesin sebagai penambah wawasan dalam ilmu pengelasan di Politeknik Negeri Batam. Sehingga dapat disimpulkan bahwa alat tersebut berfungsi sesuai dengan tujuan penulis, dengan rata-rata error keluaran arus pengelasan antara fitur knob manual dan remot kontrol yaitu sebesar 4.65 %.
Saran
Untuk penelitian alat serta sistem lebih lanjut kedepannya diperlukan tambahab saran sebagai berikut :
Saat ini penulis menggunakan komponen yaitu modul Bluetooth HC-05. Diharapkan peneliti selanjutnya menggunakan komponen lain ataupun sistem pengiriman data lain untuk kesempurnaan pembelajaran, penelitian, dan alat di masa yang akan datang.
Diharapkan kepada peneliti selanjutnya dapat menciptakan atau menemukan alternative lain untuk menghubungkan alat ke 14-pin connector yang ada pada mesin yang jauh lebih baik dari yang penulis buat sekarang

DAFTAR PUSTAKA
[1] Bulwidas, Jr., John J. "Hand-Operated Remote Control Unit And Mounting Structure For Arc Welding." U.S. Patent 4 227 066, Oct.7,1980.
[2] Cary, Howard B.; Helzer, Scott C. (2005), Modern Welding Technology, Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, ISBN 0-13-113029-3.
[3] Lincoln Electric (1994), The Procedure Handbook of Arc Welding, Cleveland, Ohio: Lincoln Electric, ISBN 99949-25-82-2.
[4] Weman, Klas (2003), Welding processes handbook, New York: CRC Press, ISBN 0-8493-1773-8.
[5] IDEALARC DC-400 Operator's MANUAL, Lincoln Global Inc., Cleveland, Ohio, U.S.A., Oct. 2007.
[6] Sollu T. S., "Aplikasi Dan Tinjauan Teknis Bluetooth Untuk Komunikasi Tanpa Kabel", Jurnal SMARTek, vol. 4, no. 4, pp.267-279, Nov. 2006.
[7] Pokress Shaileen Crawford, José Juan Dominguez Veiga. "MIT App Inventor: Enabling Personal Mobile Computing." Internet:http://arxiv.org/abs/1310.2830, Oct. 24, 2013 [Apr. 12, 2016].