ADC

PENGUBAH ANALOG KE DIGITAL (ADC Analog to Digital Converter) 

Menghubungkan rangkaian digital ke peralatan sensor adalah mudah jika sensor-sensornya juga digital. Saklar (switches), relay dan enkoder dengan mudah dihubungkan ke gerbang rangkaian karena sinyalnya on/off (nyala atau mati). Tetapi jika peralatan sensornya analog, penghubungannya menjadi lebih rumit. Apa yang dibutuhkan adalah cara yang secara elektronik menterjemahkan sinyal analog menjadi digital (binary). Suatu pengubah sinyal analog menjadi digital (ADC) melakukan pekerjaan ini.

Suatu ADC menerima masukan sinyal elektrik analog seperti tegangan atau arus, kemudian mengeluarkannya sebagai bilangan bineri (digital), seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini. ADC digunakan sebagai pengantara antara sensor-sensor analog dengan sistem digital (digital computer).

Jenis-jenis Pengubah ADC 

•  Flash ADCFlash ADC disebut juga ADC parallel; rangkaian ini mudah dipahami. Terbuat dari sederetan pembanding (comparator), setiap pembanding membandingkan sinyal masukan input terhadapsatu tegangan acuan tertentu. Keluaran output pembanding disambungkan ke masukan input suatu rangkaian enkoder yang kemudaian menghasilkan keluaran output binari. Gambar berikut ini menunjukkan rangkaian flash ADC 3-bit.
  
  Vref suatu tegangan acuan yang stabil disediakan oleh pengatur tegangan yang teliti sebagai bagian dari rangkaian pengubah (converter) – tidak terlihat pada  gambar. Jika tegangan input analog melebihi tegangan acuan pada setiap pembanding, secara berurutan output pembanding men jenuh menjadi keadaan tinggi. Enkoder prioritas membangkitkan bilangan bineri berdasarkan pada input aktif tingkat tertinggi, mengabaikan input aktif lainnya. 

readmore »»  

Baca Selengkapnya......

Sistem Interface

SISTEM INTERFACE I/O ANTARA SISTEM DIGITAL & ANALOG


Penggunaan komputer saat ini tidak lagi terbatas pada pengolahan dan manipulasi data saja tetapi sudah digunakan untuk mengkontrol berbagai peralatan seperti penghitung pulsa telepon, menyalakan/mematikan lampu secara otomatis, dan lain sebagainya. Dengan penggunaan komputer seperti yang telah disebutkan di atas maka seolah-olah komputer berperan sebagai manusia yang dapat diprogram untuk menjalankan apa yang dikehendaki oleh programmernya.

Antara sistem digital (sebagai pengontrol) dan sistem analog (sebagai peralatan yang dikontrol) harus terdapat suatu jembatan yang menghubungkan kedua sistem tersebut. Jembatan ini selanjutnya disebut sistem interface I/O.

Jadi untuk sistem kontrol secara digital ini selalu terdiri dari 3 bagian yaitu :

• sistem digital, sistem interface I/O dan sistem analog. Sistem digital merupakan sistem yang menjadi otak dari sistem secara keseluruhan. Sistem digital ini membaca kondisi dari sistem analog melalui sistem interface I/O dan mengkontrol sistem analog melalui sistem interface I/O. 
• Sistem kontrol secara digital ini menggantikan sistem kontrol manual yang menggunakan switch mekanik dan diatur secara manual pula. Selain itu dengan sistem kontrol secara digital ini, kondisi sistem analaog yang dikontrol dapat pula dimonitor keadaannya. Sistem analog merupakan bagian dari peralatan analog yang aktivitasnya dikontrol oleh sistem digitalnya melalui sistem interface I/O. 
• Sistem analog dapat berupa lampu bolam 220 volt, motor AC, bahkan sampai ke peralatan industri yang menggunakan arus besar. 

Disini terlihat bahwa sistem interface I/O sangat penting peranannya yaitu untuk menginterfacekan sistem digital yang hanya mengenal kondisi ‘H’, yang ekuivalen dengan tegangan 4.5 volt sampai 5 volt dan kondisi ‘L’ yang setara dengan tegangan dibawah 1.2 volt dengan sistem analog dengan tegangan 220 VAC dengan konsumsi arus yang paling tidak 1Amp ke atas.


Dari kondisi seperti di atas maka perlulah bagian digital dan bagian analog ini dilewatkan sistem interface yang secara elektronik terisolasi antar bagiannya. Teknik interface I/O disini ada beberapa teknik dan tiap teknik tersebut mempunyai keistimewaan pada aplikasi tertentu.


Contoh Aplikasi

Dengan menggunakan sebuah PC diharapkan dapat mengkontrol 10 buah titik lampu yang menyala/mati pada jam-jam tertentu. Melalui sebuah PPI card (dengan menggunakan chip PPI 8255) dapat dikontrol 24 buah beban. Output PPI adalah TTL level sedangkan untuk lampu yang digunakan adalah lampu TL biasa. Untuk menginterfacekan antara PPI (sistem digital) dengan lampu (sistem analog) digunakan relay 5volt.

Contoh aplikasi ini adalah salah satu contoh penggunaan relay sebagai interafce antara sistem digital dan sistem analog. 

Sistem Interface I/O

Sistem interface I/O yang paling baik adalah sistem interface dimana sistem digital dan sistem analognya terisolasi, terpisah. Biasanya digunakan relay atau optocoupler. Penggunaan relay lebih mudah namun lebih sering menimbulkan masalah karena relay dapat menghasilkan noise pada sistem digital pada saat relay berubahan keadaan. Selain itu penggunaan relay membutuhkan daya yang lebih besar jika dibandingkan dengan penggunaan optoisolator.

Sistem interface yang baik pada umumnya menggunakan optoisolator atau yang lebih dikenal dengan optocoupler sepert 4N31 atau 4N35. Dengan menggunakan optocoupler arus yang digunakan lebih sedikit paling tidak 10 mA -15 mA.

Penggunaan optocoupler seperti 4N35 lebih disukai daripada penggunaan relay secara langsung.


Optoisolator 

Optoisolator merupakan komponen yang digunakan sebagai komponen kontrol I/O untuk peralatan yang beroperasi dengan tegangan DC atau AC. Sebuah optocoupler terdiri dari GaAs LED dan phottransistor NPN yang terbuat dari silicon. Untuk rangkaian penggunaan optoisolator dapat dilihat pada gambar 3a
dan 3b.

Pada gambar 3a. optoisolator mendapat input TTL berbentuk sinyal kotak sehingga outputnya juga berupa sinyal kotak namun level tegangan berubah menjadi 0-+24 volt.

Pada gambar 3b optoisolator digunakan pada input yang termodulasi dengan tegangan Vin terisolasi dengan Vout modulasi yang tegangan puncaknya +12V.


Faktor yang paling penting pada interface I/O terutama untuk beban yang menggunakan tegangan AC maka isolasi merupakan hal yang paing penting dan harus diperhatikan dalam disain. Sistem digital menggunakan level tegangan +5volt sedangkan beban menggunakan tegangan 220VAC. Perbedaan tegangan ini sudah cukup untuk menyebabkan sistem kontrol digital, PC misalnya, untuk rusak jika port pada komputer ini menerima tegangan imbas dari beban 220VAC.

Dengan skematik pada gambar 4, optoisolator mendapatkan tegangan 115VAC namun arusnya dilewat hanya 8mA dan arus sebesar ini sudah cukup untuk membuat phototransistor aktif dan logika yang diterima inverter menjadi ‘low’. Dengan rangkaian ini kita mendapatkan pulsa periodik dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi tegangan PLN 50Hz tetapi berbentuk pulsa kotak. Dengan adanya pulsa pada Pulse Out maka dapat dipastikan bahwa masih ada tegangan pada jaringan PLN sedangkan jika sudah tidak terdapat pulsa lagi maka dapat dipastikan tegangan jaringan PLN adalah 0 VAC.

Kerugian atau keburukan dari optocoupler adalah pada kecepatan switchingnya. Hal ini disebabkan karena efek dari area yang sensistif terhadap cahaya dan timbulnya efek kapasitansi pada ‘junction’-nya. Jika diperlukan kecepatan switching yang cukup tinggi maka optoisolator harus dikonfigurasikan sehingga yang digunakan adalah sebagai photodiode-nya seperti tampak pada gamabr 5.

Cara lain untuk melakukan isolasi antara rangkaian tegangan tinggi dengan rangkaian tegangan rendah adalah menggunakan relay. Kelemahan dari relay adalah harga sebuah relay dengan kapasitas arus yang besar cukup mahal, ukuran dimensi relay besar sehingga PCB yang digunakan semakin besar pula, menimbulkan sinyal noise, dan responnya lambat. Sedangkan dengan menggunakan optocoupler, ukurannya kecil sehingga ukuran PCBnya menjadi lebih kecil dan pada akhirnya perlatan tersebut menjadi kecil pula, kecepatan
responnya lebih cepat.

Penggunaan Solid State Relay (SSR) 

Pada pembahasan di atas, relay tetap dapat digunakan namun untuk saat ini lebih disukai penggunaan solid state relay karena ada dua pertimbangan yaitu efek noise yang ditimbulkan tidak terlalu besar dan harga solid state relay relatif lebih murah dari pada sebuah relay dengan kualitas yang sama.

Ada satu faktor lagi yang perlu diperhatikan untuk mengendalikan beban yang menggunakan tegangan AC. Yaitu pada masalah waktu aktivasinya. Karena tegangan untuk AC selalu berubah-ubah maka aktivasi pada solid state relay harus dilakukan pada saat tegangan AC pada saat mendekati nol volt. Tujuannya adalah untuk memperpanjang umur solid state itu sendiri karena jika aktivasi SSR ini pada saat tegangan AC nya berada pada tegangan 220VAC misalnya, maka akan timbul ‘surge current’ yang dapat menimbulkan arus yang sangat besar dan pada akhirnya menyebabkan solid state relay tersebut rusak. 

Untuk mengatasi hal tersebut di atas maka untuk penggunaaan solid state relay arus pula diserta dengan rangkaian zero crossing detector. Rangkaian zero crossing detector ini akan mendeteksi kapan tegangan VAC ini pada nilai nol volt. Dengan adanya pemberitahuan keadaan ini maka kapan aktivasi solid state 

relay dapat ditentukan dan solid state relay dapat bekerja dengan baik. 

Pada gambar 7 merupakan rangkaian zero crossing detector yang menggunakan sistem yang terisolasi dengan menggunakan transformer step down. Teknik ini paling aman digunakan namun biaya pembuatannya relatif lebih mahal karena masih menggunakan transformer. 

Dengan adanya rangkaian sistem interface antara tegangan tinggi dan tegangan rendah maka diharapkan tidak terjadi rusaknya port mikrokontroller atau PC karena mendapat imbas tegangan tinggi dari aplikasi seperti motor AC. 

readmore »»  

Baca Selengkapnya......

Transducer & Sensor

Tranducers adalah peralatan yang dapat mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. 

Tranducers dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu: 

1. Input Tranducers. Electric-Input Tranducers mengubah energi non-listrik seperti suara, cahaya menjadi energi listrik. 
2. Output Tranducers. Electric-Output Tranducers merupakan kebalikan dari Electric-Input Tranducers. 

Terdapat tipe-tipe tranducers yang dipergunakan untuk mengkonversi energi mekanik, magnetik, panas, optik, ataupun kimia menjadi arus dan tegangan listrik. 

Sensor adalah peralatan yang dipergunakan untuk mendeteksi ataupun mengukur ukuran dari sesuatu. Sensor umumnya dikategorikan menurut apa yang diukur dan sangat berperan penting dalam proses pengendali manufaktur modern. 

Proximity Sensor 

Proximity Sensor merupakan sensor yang mendeteksi keberadaan dari suatu objek tanpa melakukan kontak fisik. 

Proximity sensor ini akan dipergunakan dalam kondisi : 

• Objek yang akan dideteksi terlalu kecil.
• Respons cepat dan kecepatan switching diperlukan, misalnya dalam menghitung, ataupun ejection control applications. 
• Objek harus diindra melalui pembatas non metalik, seperti kaca, plastik dan kartor kertas. 
• Lingkungan yang berbahaya, dimana sistem terproteksi dengan baik, dan tidak diharapkan adanya kontak mekanik. 
• Jika dibutuhkan saklar yang panjang umur dan andal 
• Sistem pengendali elektronik cepat yang membutuhkan signal masukan bebas pantulan. 

1. Inductive Proximity Sensor adalah peralatan sensor yang diaktifkan oleh objek logam. Inductive Sensor ini dapat diaktifkan baik dalam posisi aksial ataupun radial.
2. Capacitive Proximity Sensor adalah sensor yang diaktifkan oleh material konduktif ataupun non-konduktif, seperti kayu, plastik, cairan, gula, tepung, ataupun gandum. 

Inductive Proximity Sensor

Capacitive Proximity Sensor

Magnetic switch (reed relay) 

Switch magnetic atau sering juga disebut sebagai reed-relay. Sensor ini terdiri dari dua plat kontak yang terproteksi penuh dalam ruang kaca yang mempunyai gas proteksi. Reed relays ini cepat, lebih andal, dan menghasilkan penyimpangan yang lebih kecil dibandingkan dengan saklar elektromekanik konvensional.

Sensor cahaya yang paling sering dijumpai adalah photovoltaic atau sel solar, dimana peralatan ini mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik. 

Photoconductive (Photoresistive) cell merupakan salah satu tranducers cahaya yang sering dipergunakan. Energi cahaya yang jatuh pada sel photoconductive akan mengakibatkan perubahan resistansi pada sel, jika cahaya sedang gelap, maka resistansi akan tinggi, demikian juga sebaliknya.

Terdapat dua tipe utama dari sensor photoelektrik ini, yaitu: 

1. Reflective-type photoelectric sensor, dipergunakan untuk mendeteksi cahaya yang dipantulkan dari objek
2.  Through-beam photoelectric sensor, dipergunakan untuk mengukur perubahan kuantitas cahaya yang diakibatkan dari adanya objek yang melewati aksis optiknya. 

Fasilitas yang disediakan oleh sensor photoelektrik antara lain : 

1. Deteksi non-kontak. Proses deteksi ini tidak akan mengakibatkan kerusakan baik pada target ataupun sensor. 
2. Deteksi target virtual dari segala material. Proses deteksi ini didasarkan atas jumlah cahaya yang diterima, atau perubahan dalam jumlah cahaya yang dipantulkan. Metoda ini memungkinkan untuk mendeteksi target yang terbuat dari berbagai material, misalnya kaca, logam, plastik, kayu ataupun cairan.
3. Jarak deteksi yang jauh. Reflective-Type PhotoElectric Sensor mampu mendeteksi sampai jarak 1 (satu) meter, sedangkan Through-Beam PhotoElectric Sensor mampu memdeteksi sampai jarak 10 (sepuluh) meter. 
4. Diskriminasi warna. Sensor ini memiliki kemampuan untuk mendeteksi cahaya dari objek berdasarkan reflektansi dan penyerapan cahaya dari warna tersebut. 
5. Deteksi dengan keakuratan tinggi. Dengan sistem optikal yang unik dan sirkit elektronik presisi memungkinkan deteksi objek dengan keakuratan tinggi.

Bar-Code

Teknologi Bar-Code adalah yang paling banyak diimplementasikan di industri, biasanya dipergunakan untuk memasukkan data secara cepat, dan akurat. Simbol Bar-Code terdiri dari 30 karakter yang dienkodekan menjadi bentuk yang bisa dibaca mesin. 

Scanner Bar-Code adalah alat yang dipergunakan untuk mengoleksi data. Sumber cahaya dari scanner akan memancarkan cahaya ke bar-code, kemudian bagian yang hitam akan menyerap cahaya, sehingga bagian yang putih akan memantulkan cahaya, photo detector akan mengumpulkan cahaya dalam bentuk signal elektronik, decoder yang menerima signal tersebut akan dikonversikan menjadi karakter yang direpresentasikan oleh simbol bar-code .tersebut

Hall-Effect Sensors 


Sensor ini didesain untuk mendeteksi keberadaan dari objek magnetik, biasanya magnet permanen. Biasanya digunakan untuk mensinyalir posisi dari komponen, dan sensor ini memiliki tingkat ketelitian yang tinggi.

Ultrasonic Sensors 

Sensor ini dioperasikan dengan mengirimkan gelombang suara pada target dan mengukur waktu yang dibutuhkan oleh gelombang untuk memantulkan kembali. Waktu yang dibutuhkan oleh gema untuk kembali ke sensor adalah proporsional terhadap jarak dan tinggi dari objek, karena suara memiliki kecepatan yang
tetap. Reflektivitas dari gelombang suara di permukaan cairan akan sama dengan permukaan padat, tapi pada tekstil dan foams, gelombang akan diserap.

Pressure Sensors 

Strain Wire Gauge Transducer akan mengkonversi tegangan mekanik menjadi signal elektrik. 

• Prinsip yang diterapkan adalah mengikuti prinsip bahwa konduktor akan memiliki resistansi yang berbeda pada sisi panjang ataupun mendatarnya. 
• Gaya yang dikenakan pada bidang ukur akan menyebabkan bidang membengkok, bengkokan ini akan mendistorsi ukuran bidang, dan akan terjadi perubahan resistansi. Perubahan resistansi ini akan disinyalir oleh sirkit yang ada. 

Strain Gauge Load Cells biasanya terbuat dari baja dan bidang ukur tegangan yang sensitif. 

Semiconductor strain gauge 

Menggunakan piezoelectric crystal sebagai elemen pengindraannya. Jika kristal diberi gaya, maka bentuk kristal akan berubah dan menghasilkan tegangan pada terminal keluaran dari kristal, jenis strain gauge ini memiliki sensitivitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan strain wire gauge.

Displacement Tranducers 

Displacement mengacu pada posisi suatu ofjek fisik terhadap suatu titik referensi tertentu. Displacement Tranducers bisa linear (straight-line) ataupun angular (rotary). Potensiometer dapat dipergunakan untuk mengukur perubahan linear ataupun angular. Displacement Tranducers yang paling umum dipakai industri adalah LVDT (Linear Variable Differential Transformer). LVDT ini digunakan untuk mengendalikan level air di dalam tangki. 

Aplikasi LVDT 

Temperature Sensors 

Terdapat empat jenis sensor temperatur, yaitu : 

1. Thermocouple. Thermocouple ini terdiri dari sepasang konduktor yang tidak sama yang dikeling bersama pada satu sisi saja, sisi yang dikeling merupakan persambungan untuk pengukuran, sedangkan sisi yang tidak dikeling merupakan persambungan referensi. Dalam fungsinya sebagai thermocouple, maka akan terdapat perbedaan temperatur pada kedua sisi ini. Jika terdapat perbedaan, maka tegangan DC kecil akan dibangkitkan. 
2. Resistance Temperature Detectors (RTDs). Konsep ini berdasar bahwa hambatan elektrik pada logam bervariasi secara proporsional dengan suhu. Variasi proporsional ini sangat tepat dan bisa berulang, sehingga memungkinkan untuk pengukuran suhu yang konsisten melalui pendeteksian hambatan elektrik. Biasanya logam yang sering digunakan ini adalah platina, karenaplatina adalah sangat bagus dalam batas suhu, linearity, stability, dan reproducibility. Terdapat sensor aliran udara yang menggunakan panas RTD yang mendeteksi reduksi ataupun kenaikan dari aliran udara melalui efek pendingin yang melalui elemen pengindra. 
3. Thermistor. Merupakan hambatan suhu sensitif yang memiliki koefisien temperatur negatif. Jika suhu meninggi, maka resistansi akan menurun, dan sebaliknya. Thermistor ini sangat sensitif, sebanyak 5 % resistansi berubah untuk setiap perubahan suhu (oC), untuk itu sangat tepat untuk mendeteksi setiap perubahan suhu, dan massanya yang kecil memungkinkan untuk memberikan respon perubahan yang cepat. 
4. Integrated Circuit (IC) temperature sensors. IC ini menggunakan chip silikon sebagai elemen pengindranya, dan tersedia dalam konfigurasi keluaran tegangan ataupun arus tertentu, meskipun dalam range suhu yang sangat besar. 

Velocity / RPM Sensors 

Tachometer biasanya merupakan magnet permanen DC generator kecil. Jika generator berrotasi, akan menghasilkan tegangan DC yang proporsional langsung terhadap kecepatan. 

Tachometer biasanya dipasang ke motor pada peralatan pengukur kecepatan motor. Kecepatan dari putaran poros diukur menggunakan magnetic pickup sensor. Magnet ditempelkan ke poros. 

Kumparan kecil yang terletak dekat magnet menerima pulsa setiap kali magnet lewat. Dengan mengukur frekwensi dari pulsa, maka kecepatan poros bisa ditentukan. Tegangan yang keluar adalah sangat kecil, dan membutuhkan proses penguatan (amplifikasi) untuk bisa diukur. 

Encoders Sensors 

Sensor ini berfungsi untuk mengkonversi gerak linear dan rotasi menjadi signal digital. Rotary Encoder memonitor gerak rotasi dari peralatan. Terdapat dua tipe, yaitu : 

1. Incremental Encoder, yang mengirimkan sejumlah pulsa untuk tiap putaran. 
2. Absolute Encoder, yang menampilkan kode biner spesifik untuk perubahan posisi angular dari peralatan. 

Flow Measurement 

Menggunakan prinsip mengkonversi energi kinetik dalam aliran fluida ke dalam bentuk yang dapat diukur.

Signal Conditioning 

Sinyal elektrik yang diproduksi oleh sensor biasanya tidak dapat langsung dipergunakan. Signal Conditioner mengubah sinyal menjadi sinyal yang mudah diukur. Amplifikasi dan atenuasi merupakan teknik signal conditioning yang biasa. 

Proses amplifikasi dipergunakan jika hasil dari sensor terlalu kecil. Sedangkan atenuasi mereduksi tegangan sebelum diukur. Penyaringan signal untuk mengubah frekwensi juga merupakan teknik yang umum dipakai. Penyaring yang umum antara lain, high pass, yang hanya melewatkan frekwensi yang high saja, bandpass, melewatkan frekwensi pada rentang tertentu, dan low pass, yang melewatkan frekwensi low saja. 

Terkadang signal perlu dikonversikan dari analog ke digital, untuk itu dibutuhkan konverter A/D (Analog Digital), atau sebaliknya D/A (Digital Analog). 

Smart Signal Conditioner adalah alat yang menggunakan prosesor dan memiliki kemampuan untuk mengkonversi signal sensor elektrik. 

readmore »»  

Baca Selengkapnya......

Instrument & Control

Instrumentasi pada Proses Pembangkitan

Kemajuan dunia teknologi ditandai dengan berkembang dan meningkatnya metoda pemantauan dan pengendalian lingkungannya dengan tujuan meningkatkan kemampuan untuk beradaptasi, memperkirakan, menurunkan resiko dan menghilangkan efek buruk terhadap kehidupan dan lingkungan. Sebaliknya, istilah kontrol berarti metoda-metoda memaksa parameter-parameter lingkungan untuk mengikuti harga-harga tertentu. Fungsi sistem instrumentasi dan pengukuran (Instrumentation and Measurement systems) 

dapat diklasifikasikan kedalam kategori berikut ini. 

1. Penilaian harga atau kualitas (Value or quality assessment)– Inilah tujuan tertua pengukuran dalam sejarah peradaban. Contoh instrument asesmen harga adalah adalah timbangan perdagangan. Timbangan membantu kita dengan cara membandingkan dengan berat standard untuk menentukan harga jual suatu barang. Contoh lainnya, pemanfaatan sistem pengukur meteran air atau listrik (kwh meter). Di lingkungan pembangkitan, banyak pengukuran untuk menjamin kualitas keandalan produksi listrik sesuai yang dibutuhkan. 
2. Keselamatan dan Proteksi (Safety and Protection) – Bertujuan memantau dan mendeteksi situasi berbahaya tertentu untuk menentukan aksi adaptif, protektif danpreventif; misalnya tujuan pemantauan suhu untuk menentukan tindakan adaptif atau protektif. Dalam beberapa hal, sistem pengukuran dibuat untuk menyulut suara atau lampu peringatan alarm, misalnya alarm kebakaran; atau untuk mengambil tindakan lain seperti membuka katup pelepas tekanan (relief valve) untuk mencegah tekanan lebih yang menyebabkan pecah
3. Kendali otomatis (Automatic Control) – Seperti disebutkan sebelumnya, bahwa istilah kontrol berarti metoda-metoda memaksa parameter-parameter lingkungan untuk mengikuti harga-harga tertentu. Misalnya menjaga ketersediaan air dalam tangki; mempertahankan tinggi/level air dalam tangki  ketel uap, atau proses start/stop dan pengoperasian unit pembangkit. Secara umum, semua elemen-elemen yang diperlukan untuk melaksanakan tujuan kendali (control) termasuk sistem instrumentasi, biasanya dijelaskan dengan istilah sistem kendali (control system).
4. Pengumpulan data (Data collection) – Dalam banyak hal, data dikumpulkan dan diarsipkan sebagai informasi untuk menganalisis penyebab gangguan dan pengembangan model proses yang lebih baik

Teknologi kontrol buatan pertama kali dikembangkan memanfaatkan manusia sebagai bagian integral aksi kontrol. Setelah mempelajari bagaimana menggunakan mesin dan elektronika serta computer untuk menggantikan fungsi manusia, mulailah digunakan istilah kontrol otomatis (automatic control). Pada 

proses kontrol, tujuan utamanya adalah mengatur harga suatu kuantitas. Mengatur berarti menjaga harga tersebut tetap pada harga yang diinginkan walau apa pun pengaruh dari luar. Harga yang diinginkan disebut harga acuan atau set-point.

Kontrol manual (Manual Control)

Untuk mengatur tinggi level, tangki dilengkapi dengan satu tabung gelas penduga S, seperti gambar 1.1. Tinggi level cairan yang ada h disebut controlled variable (variabel terkontrol). Aliran keluar tangki bisa dirobah oleh operator melalui katup. Laju aliran keluar disebut manipulated variable atau controlling variable (variabel terselewengkan atau variabel pengkontrolan). Dengan memanipulasi posisi katup, operator mengkontrol tinggi level tangki sedekat mungkin dengan level yang diinginkan H. Disini, manusia operator menggunakan matanya sebagai elemen perasa (sensing element) level. Umumnya, pada operasi manual, manusia merasakan: melihat, menyentuh, mencium, merasa dan mendengar merupakan sistem pengukuran. Dalam banyak hal, manusia operator bisa dibantu dengan sensor 

lain, misalnya indikator level, suhu, dan tekanan.

Kontrol Otomatis (Automatic Control)

Untuk menyediakan kontrol otomatis, sistem harus dimodifikasi seperti ditunjukkan pada gambar 1.2, dimana mesin, elektronik atau komputer menggantikan operasi oleh manusia operator. Satu alat yang disebut perasa (sensor) ditambahkan, yang mampu mengukur 

nilai harga level dan mengobahnya menjadi sinyal proporsional s. Sinyal ini disiapkan sebagai masukan input ke mesin, rangkaian eletronik atau komputer, yang disebut pengkontrol (controller). Pengkontrol ini melakukan fungsi manusia mengevaluasi pengukuran dan menyiapkan sinyal keluaran U untuk merobah posisi katup melalui suatu penggerak actuator (motor atau sistem pnumatik/hidrolik) yang terhubung ke katup dengan sambungan mekanikal. Inilah contoh khas dari kontrol proses otomatik (automatic process control) 

Instrumentasi yang tepat untuk sistem kontrol otomatis yang dimaksud pada 

gambar, ditunjukkan pada gambar Sensor level mengirim hasil pengukurannya sebagai suatu sinyal listrik ke pengkontrol elektronik. Pengkontrol diprogram untuk membandingkan sinyal yang diterima dengan harga yang disimpan H. Kemudian pengkontrol menghitung suatu harga sebagai suatu sinyal yang akan dikirim katup kontrol (unit penggerak – actuator) untuk mengobah aliran. Pengkontrol bisa juga dihubungkan ke komputer atau rekorder. Pada situasi yang lebih realistis bisa juga dibuat Alarm untuk mengingatkan/ 

menyiagakan operator jarak jauh jika level dalam tangki menjadi terlalu tinggi atau terlalu rendah yang bisa merusak katup/actuator, tangki atau pipa, dll. Bisa juga mengirim laju aliran ke monitor,atau jumlah total aliran untuk perhitungan biaya dengan menambahkan alat ukur pada sisi keluar tangki. Pengukuran ini 

biasanya dikirim ke komputer yang terhubung ke jaringan komputer perusahaan untuk diproses di bagian lain. Untuk tujuan pemeliharaan, banyak alat ukur dilapangan (field instruments) juga dilengkapi dengan indikator lokal, yaitu harga yang terukur ditunjukkan di lokal dan juga dikirim sebagai sinyal ke pusat kontrol.

Instrumentasi untuk kontrol level otomatis 

Diagram Blok Kontrol Proses (Process Control Block Diagram) 

Tujuan pendekatan diagram blok adalah untuk memungkinkan suatu proses dianalisis sebagai interaksi sub-sistem lebih kecil dan lebih sederhana. Jika karakter setiap elemen sistem bisa ditentukan, maka kemudian karakter sistem yang terpasang dapat ditentukan dengan mensaling-hubungkan subsistem-subsistem tersebut. Satu model bisa dibuat dengan menggunakan blok-blok yang melambangkan tiap-tiap elemen yang berbeda. Karakter suatu operasi proses bisa dikembangkan dari memperhatikan sifat dan perantara elemen-elemennya.

Elemen-elemen Lup Kontrol Proses (Elements of Process control loop)

Elemen-elemen suatu sistem kontrol proses ditentukan dengan hubungan bagian-bagian fungsionil yang terpisah dari sistem. Paragraf berikut memberi definisi elemen-elemen dasar sistem kontrol proses dan menghubungkannya dengan contoh diatas. Gambar menunjukkan diagram blok yang dibuat dari elemen-elemen yang telah ditentukan sebelumnya. Variabel yang dikontrol pada proses ditunjukkan dengan y pada diagram ini, nilai terukur dari variabel yang dikontrol diberi simbol ym. Nilai acuan (setpoint) variabel yang dikontrol diberi 

simbol ysp. Pencari kesalahan (error) adalah titik bagian pengurangan-penambahan yang  menghasilkan sinyal error E = ysp - ym ke pengkontrol untuk pembandingan dan tindakan.

Spesifikasi sistem kontrol proses untuk mengatur variabel y dalam batas tertentu dengan respon waktu tertentu, menentukan karakteristik yang harus dimiliki sistem pengukuran. Pilihan teknologi tertentu untuk pengukuran pada lup adalah tergantung keseluruhan kebutuhan dan spesifikasi yang mendasari sistem kontrol. Istilah-istilah utama yang digunakan untuk menjelaskan elemen-elemen lup kontrol adalah sebagai berikut. 

Process : pada contoh sebelumnya, cairan mengalir masuk dan keluar tangki, tangkinya sendiri, dan cairan, semuanya merupakan suatu proses yang akan dikontrol terhadap tinggi level cairannya. Secara umum, suatu proses bisa terdiri dari suatu kumpulan fenomena yang rumit yang berhubungan dengan beberapa urutan manufacturing. Banyak variabel bisa dilibatkan pada proses sperti ini, dan bisa diperlukan sekali untuk mengkontrol semua 

variabel ini pada waktu bersamaan. Ada proses-proses variabel tunggal, dimana hanya satu variabel yang akan dikontrol; demikian juga proses-proses bervariabel banyak (multi-variable), dimana banyak variabel, mungkin saling berhubungan, yang perlu pengaturan. 

Measurement : Jelaslah, untuk mempengaruhi kontrol suatu variabel pada satu proses, kita harus memiliki informasi tentang variabel itu sendiri. Informasi itu diperoleh dengan mengukur variabel tersebut. Pada umumnya, suatu pengukuran mengacu kepada pengubahan variabel tersebut menjadi besaran sinyal analog yang sesuai dengan variabel tersebut, tekanan 

pnumatik, tegangan atau arus listrik. Sensor adalah suatu alat yang melaksanakan pengukuran awal dan pengubahan enerji suatu variabel menjadi informasi pnumatik atau listrik yang sesuai. Pengubahan lebih lanjut atau pengkondisian sinyal akan dibutuhkan untuk menyempurnakan 

fungsi pengukuran. Hasil pengukuran adalah suatu pengubahan variabel menjadi beberapa informasi yang sebanding dalam bentuk yang dibutuhkan oleh elemen-elemen lainnya dalam operasi kontrol proses. 

Transducer: Sensor yang digunakan untuk pengukuran bisa juga disebut transducer. Kata sensor cocok untuk peralatan pengukuran awal, namun karena "transducer" menggambarkan suatu alat yang mengubah suatu sinyal dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Sehingga, misalnya suatu alat yang mengubah tegangan menjadi arus yang sebanding akan disebut 

sebuah transducer. Dengan kata lain, bahwa semua sensor adalah transducer, tetapi tidak semua transducer adalah sensor, 

Error Detector: Pada gambar operator mengamati beda antara level sebenarnya h dengan level yang diinginkan set-point H dan menghitung error-nya. Error ini memiliki besar dan polaritas. Untuk sistem kontrol otomatis gambar, penentuan error yang sama jenisnya ini harus dibuat sebelum aksi kontrol apapun dapat dilakukan oleh pengkontrol. Walaupun 

error detector senantiasa merupakan bagian dari peralatan pengkontrol, adlah sangat perlu menunjukkan perbedaan yang jelas antara keduanya. 

Controller : Langkah berikutnya pada urutan kontrol proses adalah memeriksa error-nya jika ada dan menentukan aksi apa yang harus diambil. Evaluasi bisa dilakukan oleh operator (seperti pada contoh sebelumnya), dengan processing (pengolahan) sinyal elektronik, dengan sinyal pnumatik atau dengan komputer. Penggunaan komputer tumbuh dengan cepatpada 

bidang kontrol proses karena komputer mudah disesuaikan terhadap operasi pembuatan keputusan dank arena kapasitas kemampuannya melakukan kontrol sistem multi-variabel. Pengkontrol memerlukan kedua masukan input, yaitu indikasi terukur dari variabel yang dikontrol dan satu gambaran dari harga acuan variabel, dinyatakan dengan istilah yang sama 

sebagai nilai/harga terukur. Harga acuan dari variabel akan disebut sebagai set-point. Evaluasi melakukan penentuan aksi yang dibutuhkan untuk membawa variabel terkontrol menuju harga set-point.

Control Element : Elemen akhir pada operasi kontrol proses adalah alat yang menggunakan pengaruh langsung pada proses: yaitu memberikan perubahan-perubahan variabel terkontrol yang diperlukan itu untuk membawanya ke set-point. Elemen ini menerima satu masukan input dari pengkontrol, yang kemudian dijelmakan kedalam beberapa operasi proportional yang telah dilaksanakan pada proses. Pada contoh sebelumnya, elemen kontrolnya adalah katup yang mengatur laju aliran cairan dari tangki. Elemen ini juga disebut sebagai final control element.

The Loop : Perhatikan pada gambar 1.3 bahwa sinyal yang mengalir akan membentuk suatu rangkaian yang menyeluruh dari proses melalui pengukuran, error detector, controller, dan final control element. Hal inilah yang disebut loop, bahasa umumnya adalah process-control loop (lup kontrol proses); sering-nya disebut a feedback loop, karena kita menetapkan satu error dan feedback sebagai koreksi terhadap proses.

Diagram Proses & Instrumentasi

Suatu alat penting untuk komunikasi enjinering pada proses pembangkit adalah apa yang disebut sebagai Diagram Proses & Instrumentasi (P&I diagram). Gambar 1.5 menunjukkan diagram P&I sejenis penukar panas (heat exchanger) pada pembangkit. Penukar panas adalah satu unit proses dimana uap digunakan untuk memanaskan suatu bahan cairan seperti minyak residu. Material minyak residu (disebut feed-stock) dipompakan dengan laju aliran tertentukedalam pipa-pipa melalui ruang penukar panas dimana panas dipindahkan dari uap ke dalam minyak dalam pipa. Biasanya diinginkan untuk mengatur suhu minyak keluar 

aliran agar tetap, walaupun laju aliran berubah-ubah ataupun suhu masuk aliran juga berubah-ubah. Pengaturan suhu keluar aliran diperoleh dengan kontrol otomatis mengatur laju aliran uap ke penukar panas. Diagram P&I menggunakan simbol-simbol standard tertentu untuk menggambarkan unit-unit proses, instrumentasi dan aliran proses. 

Suatu diagram Process & Instrumentation berisikan: 

1. Tampilan gambar bagian utama peralatan yang diperlukan dengan garis utama aliran dari dan ke setiap bagian perlengkapan
2. Semua item perlengkapan lainnya dilengkapi dengan desain suhu, tekanan, flow dll
3. Semua interkoneksi pemipaan ditunjukkan dengan ukuran, bahan, dan spesifikasi fabriknya 
4. Semua peralatan instrumen utama

Diagram P & I suatu Heat Exchanger

Instrumen ditunjukkan pada diagram P&I dengan lingkaran, biasanya disebut “balloons”. Balloon berisi angka dan huruf yang mencerminkan fungsi instrumen dan nomer kartunya. Misalnya, TT102 berarti Temperature Transmitter (sensor suhu) nomer 2 pada unit proses nomer 1. Bilangan 102 disebut nomer kartu (tag number). 

Setiap Temperature Transmitter (TT) di pembangkit harus memiliki satu tag number yang khas. Penomeran tag number bisa berbeda dari satu pabrikan dengan pabrikan lainnya. Diagram P&I merupakan referensi berharga untuk instalasi projek yang sebenarnya. Enjiner instrumen menggunakannya sebagai sumber banyak dokumen yang harus disediakan. 

Jenis diagram lainnya dikenal sebagai Process flow Sheet. Process flow sheets juga berisikan tampilan bergambar bagian-bagian utama peralatan yang dibutuhkan dengan garis aliran utama dari dan ke setiap bagian. Bagaimanapun, informasi tambahan selalu diberikan meliputi kondisi operasi pada beberapa tingkatan proses (flows, pressures, temperatures, viscosity, etc.), keseimbangan material, ukuran peralatan, konfigurasi dan kebutuhan keperluan. Sebaliknya, instrumentasi pada process flow sheets bisa lengkap sempurna, bisa juga tidak. 

Diagramjenis ketiga disebut Loop Wiring Diagrams. Electrical loop wiring diagrams adalah gambar skematik listrik yang disiapkan untuk lup listrik individu. Lup paling sederhana adalah yang berisi hanya satu transmitter dan satu receiver. 

Lup lainnya bisa berisi banyak item seperti: transmitters. recorders. controllers, alarm units, control valves, transducers, integrators, dan mungkin juga item lainnya. Loop Wiring Diagram dimaksudkan untuk menunjukkan lokasi instrumen, nomer identifikasi dan terminasi kabel interkoneksi. Jalur kabel, ukuran kabel, titik terminal tengah dan informasi berhubungan lainnya perlu ditunjukkan pada gambar lain

Penjelasan Instrumen

FIC-101 Flow Indicator dan Controller (0 to 50 m3/Hr, normal 30 T/Hr). Instrumen ini mengkontrol aliran cold feedstock yang masuk sisi tabung penukar panas dengan mengatur posisi katup pada lintasan aliran cold feed stock. 

FR-103 Flow Recorder, (0 to 10 T/Hr, 2.14 T/Hr). Instrument ini mencatat laju aliran uap

HS-101 Hand Switch, ON/OFF (ON). Saklar (switch) ini untuk menghidup/matikan (on/off) pompa cold feedstock P-101. Ketika saklar di posisi ON, pompa beroperasi. Ketika saklar di posisi OFF, pompa berhenti. 

HV-102 Hand Valve, OPEN/CLOSED, (OPEN). Saklar ini untuk membuka/tutup  (opens/closes) katup pemblok uap (steam block valve) yang melaluinya uap dialirkan dari header ke sisi rumah penukar panas. Ketika saklar di posisi OPEN, block valve membuka. Ketika saklar di posisi CLOSE, block valve menutup. 

PAL-103 Pressure Alarm Low, (Normal). Alarm ini berbunyi bila tekanan di pipa utama uap (steam header) kurang dari 6 kg/cm2. 

PI-100 Pressure Indicator, 0 to 15 kg/cm2, (3.18 Kg/cm2). Instrumen ini menampilkan tekanan uap pada sisi rumah (shell) penukar panas. 

PI-103 Pressure Indicator, 0 to 15 kg/cm2, (10.55 Kg/cm2). Instrumen ini menampilkan tekanan uap pada steam header. 

TAH/L-102 Temperature Alarm High/Low, (Normal). Alarm ini berbunyi bila suhu feedstock (bahan baker) pada sisi keluar penukar panas melebihi 85 C atau kurang dari 71 C. 

TI-103 Temperature Indicator, 0 to 200 C, (186 C). Instrumen ini menampilkan suhu uap masuk ke penukar panas. 

TIRC-102 Temperature Indicator, Recorder, and Controller, 0 to 200OC, (80 C). Instrumen ini mengkontrol suhu feedstock pada sisi keluar penukar panas dengan mengatur posisi katup yang mengatur aliran uap ke penukar panas. 

TR-101 Temperature Recorder, 0 to 200 C, (38 C). Instrumen ini menampilkan suhu feedstock yang masuk ke penukar panas. 

Komponen Sistem Pengukuran

Tujuan sistem pengukuran adalah untuk menyajikan kepada pengamat nilai harga numerik yang sesuai dengan variabel yang sedang terukur. Secara umum, harga numeric ini, nilai terukur tidaklah tepat sama dengan harga variabel yang sebenarnya. Sehingga, nilai terukur laju aliran dalam pipa seperti yang ditampilkan pada suatu indikator mungkin adalah 7.0 m3/hr, sedangkan nilai sebenarnya mungkin7.4 m3/hr; putaran terukur suatu mesin yang ditunjukkan 

pada tampilan digital mungkin 3000 rpm, sedangkan putaran sebenarnya mungkin 2950. Hingga kini, cukuplah menganggap bahwa masukan ke sistem pengukuran adalah harga variabel sebenarnya, dan keluaran outputnya adalah nilai terukur. Lihat Gambar

Sistem pengukuran terdiri dari beberapa elemen atau blok. Adalah mungkin untuk mengenal 4 jenis elemen,walaupun pada sistem yang diberi satu jenis elemen mungkin hilang atau bisa terjadi lebih dari sekali. Ke-empat jenis tersebut ditunjukkan pada gambar 1.6 dan dapat dijelaskan sebagai berikut. 

Sensing element (elemen perasa)

Ini yang bersentuhan dengan proses dan memberikan satu output yang tergantung pada beberapa cara variabel diukur. Jika ada lebih dari satu elemen perasa yang cascade (berpancaran kebawah), elemen yang bersentuhan dengan proses disebut primary sensing element, yang lainnya disebut secondary sensing elements. Keluaran output dari suatu sensor bisa berupa perubahan tahanan, perubahan tegangan, perubahan arus , frekuensi dll.

Signal conditioning element (elemen mempersiapkan sinyal)

Ini yang mengambil output dari sensing element dan mengubahnya menjadi satu bentuk yang lebih sesuai untuk pemrosesan lebih lanjut, biasanya suatu tegangan DC, arus DC atau sinyal frekuensi. Contohnya adalah: deflection bridge yang mengubah suatu perubahan impedansi menjadi perubahan tegangan; penguat yang menguatkan tegangan milli-volt menjadi volt; oscillator yang mengubah perubahan impedansi menjadi tegangan frekuensi variabel. 

Dalam kebanyakan hal keluaran output elemen signal conditioning mengikuti level sinyal standard, yaitu 0 -10 Volts or 0-5 Volts. Jika sinyal akan dikirim melalui wayar ke Control Room, output dari elemen signal conditioning adalah 4-20 mA. Dalam hal ini, kombinasi sensor dan elemen signal conditioning disebut Transmitter. Untuk transmitter suhu yang mengukur suhu antara 0-120 OC, output 4mA sesuai dengan 0 C, dan output 20 mA sesuai dengan 120 C. 

Signal processing element (elemen pengolah sinyal)

Ini yang mengambil output dari conditioning element dan mengubahnya dan mengubahnya menjadi satu bentuk yang lebih sesuai untuk penyajian lebih lanjut. Misalnya: pengubah analog ke digital ADC yang mengubah tegangan menjadi bentuk digital sebagai masukan input ke komputer; mikro-komputer yang menghitung nilai variabel terukur dari data digital yang masuk. Kalkulasi khasnya adalah: perhitungan aliran masa total dari laju aliran volume dan data rapat masa (density); analisa komponen harmonik dari pengukuran getaran, dan koreksi ketidak linearan sensing element.

Data presentation element (elemen penyajian data)

Data presentation element menyajikan nilai terukur dalam suatu bentuk yang dapat dengan mudah dimengerti oleh pengamat. Misalnya elemen-elemen seperti: indikator, indikator berskala pointer; chart recorders; alphanumeric displays; dan computer monitors. 

Contoh 

Suatu penimbang berat (timbangan) dengan pembacaan digital. Timbangan terdiri dari pegas S, potentiometer P, amplifier A, Analog to Digital converter ADC, dan pembacaan digital R. Pegas S sebagai sensor utama menghasilkan pergeseran linear 0 - 4 cm untuk berat antara 0 – 9,999 kg. Pergeserannya diukur dengan potentiometer P. Potentiometer berfungsi sebagai sensor kedua yang menghasilkan tegangan keluar V1 antara 0 – 2,5 volts bila bergeser antara 

0 – 4,0 cm. Penguat (amplifier) memiliki gain 4,0 sehingga mengeluarkan output V2 yang bervariasi antara 0 – 9,999 volts. Pengubah ADC menghasilkan bilangan digital yang dapat ditampilkan dengan rangkaian pembacaan digital.

Kenalilah (identify) elemen-elemen sistem pengukuran diatas!

• Pegas S adalah primary sensing element
• Potentiometer adalah secondary sensing element (atau transducer)
• Amplifier dan A/D Converter adalah signal conditioning elements
• Pembacaan digital (digital readout) adalah indicator element

Evolusi Instrumentasi

Pada tahun 1940 hingga awal 1950, instrumentasi analog berperangkat keras umumnya berdasarkan pada pneumatic (air pressure), konsep berukuran besar (18x 18 in). Setiap instrumen dihubungkan langsung ke titik ukur proses dan biasanya diletakkan dekat titik ukur tersebut. Aiibatnya, kontrol dan pengukuran proses menjdai tersebar (decentralized) dan operator hanya bisa melihat satu seksi dari satu unit operasi. Dengan perkembangan teknik transmisi pneumatic, kontrol terpusat (centralized control) menjadi mungkin, perlahan-lahan 

memungkinkan lebih banyak perangkat keras kontrol ditempatkan dalam satu seksi suatu panel kontrol.

Bagaimanapun, perangkat Instrumentasi masihsangat besar dan tidak praktis, dan menyajikan tampilan dan kontrol satu variabel proses.

Revolusi baru Instrumentasi dating akibat penemuan transistor pada tahun 1947. Pada akhir 1950, kecenderungan meminiaturkan sajian instrumentasi berlanjut hingga langkah yang tinggi dan ukuran perangkatnya menurun hingga berstandard 2 x 6 in. Pada masa itu, perangkat keras instrumentasi elektronik telah resmi digunakan, berbasis pada teknologi transistor, berkembang menjadi transmisi elektronik dan berlanjut dengan instrumentasi terpusat (centralization) pada satu control panel kontrol; lahirlah ruang kontrol terpusat (centralized 

control rooms).

Pada awal 1960, komputer digital mulai digunakan pada kontrol proses, dihubungkan dengan perangkat keras peripheral di ruang kontrol. Perangkat keras pengantara baru seperti printers, typewriters, screen CRT dan keyboards, sekarang digunakan operator, membuat suasana di ruang kontrol menjadi kompleks, karena semua perangkat keras baru masih didukung dengan panel instrumen analog yang konvensional. Sehingga, operator harus mempelajari teknik yang baru sambil mengingat peralatan lama dalam hal darurat. Beginilah keadaan tata susunan rancangan panel kontrol yang ada hingga belakangan ini. Selama akhir 1970-an dan awal 1980-an, revolusi filosofi rancangan pengantara orang dengan mesin (man-machine interface) telah dimulai, dengan menggunakan arsitektur tersebar berbasis perangkat mikro-prosesor. Perangkat baru ini mendigitalkan perangkat analog biasa dan menjadikan mode kontrol 

yang baru. Mulai diterapkan juga jaringan komunikasi pada lup analog konvensional dan memungkinkan mengembalikan desentralisasi beberapa kontrol di lapangan, sambil bersamaan lebih memusatkan informasi pada tampilan-tampilan kontrol utama. Studi intensif terus dilakukan pada aspek teknik manusia mendapatkan informasi, misalnya rekomendasi ISA (ISA-RP60.3-1977) berjudul "Human Engineering for Control Centers”. Studi ini membawa revolusi baru pada pengantara manusia (human interfacing) sistem pengukuran berbasis 

komputer pada decade 1980-an. 

Sistem tersebar memungkikan untuk mengganti semua informasi proses yang relevan pada tampilan kontrol tersebut menjadi mudah digapai oleh operator yang duduk. Inilah inti utama revolusinya. Gambar 1.8 menunjukkan Evolusi rancangan panel kontrol tahun1950-an hingga 1980-an.

Sistem tersebar ini ditawarkan oleh kebanyakan pabrikan instrumen utama, seperti Honeywell, Inc., Foxboro Corporation, Taylor Instrument Company, the Bristol Company, Fisher Controls Corporation, EMC Corporation dan lainnya. "TDC2000" buatan Honeywell, Inc., adalah salah satu yang pertama dikeluarkan (TDC =Totally Distributed Control). Sistem berbasis perangkat mikro-prosesor yang disusun dalam suatu jaringan "data highway". Sejenis pusat kontrol modern ditunjukkan pada gambar 

Pada tahun 1990-an display station menerapkan teknologi tinggi mempertinggi human interface dan memungkinkan operator untuk mengawasi informasi lebih banyak. Tampilan berbasis teknologi “Windows”, animasi, 3D display, icons, mouses, touch screens, videos, dan instrumen sebenarnya (virtual). Pengembangan selanjutnya adalah perangkat lunak penyokong operator, dimana software cerdas digunakan untuk menggabung dan menganalisa banyak 

data dan menyediakan bagi operator ringkasan cerdas, analisa dan anjuran ahli. 

Periode 1950-an dan 1960-an transmisi sinyal berbasis teknik pnumatik, dimana sinyal analog ditransmisikan melalui pipa sebagai tekanan udara bervariasi antara 3 hingga 15 psi. Periode 1970-an hingga 1990-an, sistem kabel listrik standard 4 - 20 mA menjadi metoda transmisi sinyal yang paling popular pada bidang Instrumentasi. Selama 1990-an kemajuan di bidang komunikasi digital, mikro-elektronik, dan jaringan networking, sehingga banyak usaha memajukan teknik transmisi digital. Sensor-sensor menjadi lebih canggih dan generasi baru 

smart transmitter memasuki pasaran. Teknologi fieldbus akhirnya menjadi terstandardkan pada tahun 1997. Fieldbus memungkinkan satu kabel wayar dihubungkan ke banyak sensor dilapangan. Transmisi digital memberikan tanggapan (response) lebih cepat dan meningkatkan jumlah informasi yang bisa trnasmisikan melalui field bus. Transmisi digital menjadi revolusi instrumentasi proses dengan skala yang jauh lebih besar dari pada revolusi yang telah dimulai dengan transmisi elektrik selama tahun 1970-an dan1980-an sebagaimana 

tercermin pada gambar 1.12. Kecerdasan juga menjadi terdistribusi dan tersimpan dalam smart transmitters. Ruang lingkup instrumentasi akan ter-revolusi dengan jaringan, fiber optics, solidstate sensors, dan teknologi Artificial Intelligence (kecerdasan bikinan). 

Ringkasan 

1. Fungsi utama suatu sistem instrumentasi adalah pencapaian harga/nilai dan kualitas, proteksi dan keselamatan, kontrol, dan pengumpulan data.
2. Block diagrams membantu melihat sub-functions setiap bagian dari suatu proses dan menentukan input dan outputnya, dan bagaimana dihubungkannya dengan bagian lain dari proses.
3. bagian utama suatu lup kontrol adalah proses, pengukuran, error detector,pengkontrol, dan elemen kontrol.
4. Diagram P&I terdiri dari simbol-simbol grafikal dan gaaris-garis yang menggambarkan aliran proses dan mengenali (identify) lokasi dan fungsi instrumennya, misalnya sensors, katup, recorders, indikator, dan interkonesi instrument.nya. 
5. Suatu sistem instrumentasi terdiri dari empat bagian fungsi dasar; sensors, signal conditioning, signal processing, dan indicators.

readmore »»  

Baca Selengkapnya......

Digital Communication

Pendahuluan 

Pada rancangan yang besar dan system digital yang kompleks, diperlukan satu alat yang mengkomunikasikan informasi-informasi digital dari dan ke perlengkapan lainnya. Salah satu keunggulan informasi digital adalah kecendrungannya menjadi jauh lebih tahan akan salah transmisi dan interpretasi dari pada informasi yang
disimbolkan alam suatu media analog.

Andai kita diberi tugas untuk memantau level tangki air utama dari jarak jauh. Pertama merancang system untuk mengukur level air dalam tangki dan mengirim informasi ini agar dapat dimonitor dari jarak jauh. Mengukur level tangki tidaklah sulit dan dapat dilakukan dengan berbagai cara yang berbeda, misalnya dengan float switches, pressure transmitters, ultrasonic level detectors, capacitance probes, strain
gauges, atau radar level detectors.

Untk memudahkan ilustrasi ini, digunakan alat pengukur level analog dengan sinyal output 4-20 mA. 4 mA menyatakan level tangki 0%, 20 mA menyatakan level tangki 100%, dan setiap harga antara 4 and 20 mA menyatakan level tangki yang sebanding antara 0% and 100%. Jika diinginkan, sinyal arus analog 4-20 milliamp ini dapat dengan mudah ke lokasi pemantauan jarak jauh dengan menggunakan sepasang kabel tembaga untuk menggerakkan sejenis meteran panel yang skalanya menyatakan tinggi air pada tangki sesuai satuan yang diinginkan.

Sistem komunikasi analog ini sederhana dan mudah, mencukupi dan sempurna. Tetapi bukanlah satu-satunya cara. Untuk penerapan teknilogi digital, ada metoda lain untuk memonitor tangki hypothetical ini, meskipun metoda analog diatas merupakan yang paling praktis. 

Sistem analog yang sederhana ini memiliki keterbatasan. Salah satunya adalah masalah interferensi sinyal analog. Karena level air pada tangki dinyatakan dalam besaran arus listrik DC pada rangkaian, maka setiap perubahan/gangguan arus (noise) akan diterjemahkan sebagai perubahan level air. Tanpa noise, grafik arus 

terhadap waktu pada level air yang tetap 50% akan menjadi seperti gambar berikut ini. 

Jika wayar rangkaian ini terlalu dekat dengan kabel bertegangan listrik AC 60 Hz, misalnya kopling kapasitif dan induktif, bias menyebabkan sinyal palsu "noise" pada rangkaian dengan cukup berarti. 

Contoh diatas menegaskan bahwa setiap electrical noise pada sistem pengukuran analog akan  diinterpretasikan sebagai perubahan besaran yang diukur. Salah satu cara mengatasi masalah ini adalah dengan mengkodekan level tangki air dengan menggunakan sinyal digital sebagai ganti sinyal analog. Hal ini dapat dilakukan dengan mengganti peralatan ukur analog dengan serangkaian level switch yang dipasang pada ketinggian yang berbeda pada tangki.

Setiap level switch disambungkan ke rangkaian tertutup, mengirimkan arus ke lampunya masingmasing yang terpasang pada panel dilokasi pemantauan. Setiap switch yang menutup, lampunya akan menyala, dan setiap yang memperhatikan panel akan melihat lima lampu yang merepresentasikan level tangki. 

Sesungguhnya setiap rangkaian lampu adalah digital yang alami, tak masalah apakah 100% on atau 100% off. Interferensi elektrikal dari kabel lain sepanjang jalur menyebabkan pengaruh yang sangat rendah terhadap keakuratan pengukuran pada pemantauan terjauh dibanding system sinyal analog. Diperlukan interferensi yang luar biasa untuk menyebabkan sinyal off terinterpretasikan sebagai sinyal on, demikian juga sebaliknya. Ketahanan relative terhadap interferensi elektrikal adalah keuntungan utama setiap bentuk komunikasi digital dibanding analog. 

Telah dipahami bahwa sinyal digital jauh lebih tahan terhadap gangguan noise, sehingga dapat meningkatkan sistem pengukuran level ini. Misalnya meningkatkan resolusi sistem skala pengukuran dengan menambah jumlah switch agar pengukuran level air menjadi lebih teliti. Andaikan dipasang 16 switch di sepanjang 

ketinggian tangki, bukan cuma 5. ini akan sangat meningkatkan resolusi engukuran ini, tetapi memerlukan sangat banyak wayar untuk dibentangkan antara tangki dengan lokasi pemantauan. Salah satu cara mengurangi penggunaan wayar dengan menggunakan pengkode prioritas (priority encoder) menggunakan ke 16 switch dan membangkitkan suatu bilangan bineri yang merepresentasikan informasi yang sama.

Sekarang hanya 4 wayar (ditambah kabel catu daya dan pentanahan) yang diperlukan untuk mengkomunikasikan informasi, tidak lagi 16 wayar (ditambah kabel catu daya dan pentanahan). Di lokasi pemantauan, diperlukan sejenis alat penunjuk yang akan menerima data bineri 4-bit dan memunculkan tampilan yang mudah dibaca. Suatu pendekode (decoder) melalui wayar menerima data 4-bit ini sebagai 

masukan input dan menyalakan 1 dari 16 lampu keluaran, dapat digunakan dalam hal ini, atau dapat menggunakan pendekode 4-bit (rangkaian pengoperasi – driver circuit) untuk mengoperasikan sejenis tampilan digit numerical. 

Resolusi 1/16 tinggi tangki masih belum cukup; agar resolusi lebih baik, diperlukan lebih banyak bit untuk output bineri dengan menambah lagi level switch; hal ini menjadi kurang praktis. Cara lebih baik, memasang kembali transmitter analog ke tangki dan secara elektronik mengubah output 4-20 mA-nya menjadi suatu bilangan bineri (dengan pengubah analog ke bineri ADC) dengan bit lebih banyak. Untuk menghindari efek noise, ADC ini dipasang dekat dengan tangki, sehingga diperoleh sinyal yang merepresentasikan 4-20 mA yang bersih. Ada banyak cara untuk mengubah sinyal analog ke digital. Namun penjelasan berikut akan membahas teknik komunikasi sinyal digital itu sendiri. 

Jenis informasi digital pada contoh ini adalah data digital parallel, dimana setiap bit bineri dikirim melalui wayarnya masing-masing ( satu wayar per bit), sehingga akan sampai ditujuan secara bersamaan. Jumlah wayar kemudian dapat dikurangi menjadi satu channel (kabel sinyal dan ground), setiap bit dikirim berurutan; jenis ini disebut data digital serial. 

Dengan suatu multiplexer atau shift register, data dari ADC dekat tangki diambil dengan parallel data dan diubah menjadi serial data. Pada sisi pemantauan, digunakan suatu demultiplexer atau shift register jenis lain untuk mengubah serial data kembali ke parallel data yang digunakan rangkaian tampilan. Peralatan multiplexer & demultiplexer (mux/demux) dijaga tetap sinkron. Untunglah, ada chip IC digital yang disebut UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitters). Akan dipelajari bagaimana komunikasi informasi digital dari tangki ke lokasi pemantauan.

Jaringan dan Bus (Networks and busses)

Sejumlah kumpulan wayar yang menghubungkan antara tangki air dan lokasi pemantauan disebut jaringan (network) atau bus (bus). Beda kedua istilah ini lebih bernuansa semantic daripada teknik, dan keduanya bisa saling tkar dalm prakteknya. Istilah “bus” biasanya digunakan sebagai serangkaian wayar penghubung komponen-komponen digital pada perangkat computer, dan istilah “network” untuk yang secara fisik lebih tersebar luas. Belakangan ini, istilah “bus” menjadi lebih popular sebagai jaringan (network) yang khusus untuk menghubungkan sensor-sensor instrumentasi diskrit yang jaraknya berjauhan, misalnya "Fieldbus" and "Profibus"; juga merupakan penghubung antara dua atau lebih peralatan digital sehingga data dapat dikomunikasikan diantaranya. 

Sebutan seperti "Fieldbus" atau "Profibus" meliputi tidak hanya fisik wayar bus atau jaringannya saja, tetapi juga tingkat tegangan tertentu untuk komunikasi, urutan waktunya (timing sequence – terutama untuk transmisi data serial), spesifikasi sambungan (pin out), dan seluruh perbedaan ciri-ciri teknik jaringan lainnya. Dengan kata lain, ketika bicara tentang bus atau jaringan jenis tertentu dengan menyebut nama, berarti bicara tentang suatu standar komunikasi, yaitu tentang aturan dan perbendaharaan kata bahasa tertulis. Misalnya, sebelum dua orang atau lebih menjadi sahabat bersurat-suratan, mereka harus bias saling menulis dengan tulisan umum yang sama. Hanya memliki satu sistem pengiriman surat-menyurat yang bisa mengirim surat diantara mereka, itu tidaklah cukup. Jika ingin berkirim surat ke negara lain, mereka harus setuju menggunakan kebiasaan huruf, kosa kata, ejaan, tata bahasa yang telah menjadi standard bahasa di negara tersebut. Demikian juga jika ingin menghubungkan dua peralatan Profibus, yang akan mampu saling 

berkomunikasi hanya jika standard Profibus telah diterapkan dengan sangat teliti seperti tingkat tegangan, urutan waktu dll. Yang jelasnya, dengan hanya menghubung-bentangkan wayar-wayar antara beberapa peralatan tidaklah cukup untuk membangun suatu sistem jaringan (apalagi jika jika peralatan-peralatan 

tersebut dibuat oleh pabrikan yang berbeda). 

Agar lebih jelas, mari membuat rancangan standard bus kita sendiri. Buat sistem pengukuran tangki air dengan 5 saklar (switches) untuk mengukur level yang berbeda, dan dengan menggunakan sedikitnya 5 wayar untuk menyambungkan sinyalnya ke tempat tujuan, maka kita bias memulai dasar-dasar yang mungkin 

merupakan jaringan BogusBus:

Secara fisik wayar untuk BogusBus terdiri dari 7 wayar antara peralatan transmitter (saklar – switches) dengan peralatan penerima (lampu sinyal). Transmitter terdiri dari semua komponen-komponen dan sambungan wayarnya kearah kiri dari sambungan terkiri (bersimbol "-->>--"). Setiap simbol penyambung legkap dengan elemen pasangan jantan-betina (male and female). Bus wayar (bus wiring) terdiri dari ke tujuh wayar antara pasangan penyambung. Penerima (receiver) dan semua wayar peralatannya terletak di sebelah kanan dari sambungan terkanan. Lima wayar jaringan (bernomer 1 s.d. 5) membawa data, sedangkan dua wayar (berlabel +V dan -V) merupakan sambungan untuk catu daya arus searah DC. Ada satu standard 

steker penyambung 7-pin. Susunan pin tidak simetris untuk menghindari penyambungan terbalik. 



Agar pembuat memperoleh sertifikat penghargaan "BogusBus-compliant" atas produknya, mereka harus tunduk dengan ketentuan yang dibuat oleh perancang BogusBus (seperti perusahaan lainnya yang merancang bus untuk tugas tertentu dan memasarkannya untuk keperluan yang luas). Misalnya, semua peralatan harus 

bisa menggunakan catu daya 24 Volt DC dari BogusBus; kontak saklar pada transmitter harus sesuai kemampuannya, lampu sinyal harus sesuai dengan tegangan, dan penyambung-penyambung harus mampu mengalirkan arusnya. Wayar-wayar juga harus memenuhi standard yang sama; lampu 1 s.d. 5 harus 

disambungkan dengan tepat, sehingga ketika transmitter LS4 menutup, maka lampu receiver akan menyala, demikian selanjutnya. Karena kedua transmitter dan receiver memerlukan catu daya 24V DC, semua kombinasi transmitter/receiver (dari berbagai merek) harus memiliki catu daya yang dapat disambung parallel dengan aman. Bayangkan apa yang akan terjadi jika transmitter merek A menghubungkan sisi 

negative (-) catu daya 24V DCnya ke ground sedangkan transmitter merek B menghubungkan sisi positive (+) catu daya 24V DCnya yang ke ground; jika kedua ground tersebut adalah padu ("solid" – antara keduanya bertahanan rendah, seperti keduanya menggunakan kerangka baja bangunan yang sama), maka kedua catu daya akan menjadi terhubung singkat. 

Tentu saja BogusBus adalah sebuah contoh jaringan digital yang cukup hipotetis dan tidak praktis, sangat kekurangan resolusi data, membutuhkan banyak pengawatan untuk menghubungkan peralatan, dan komunikasi hanya satu arah (dari transmitter ke receiver); hanya cukup sebagai contoh mengetahui apakah jaringan itu dan beberapa pertimbangan dalam pemilihan dan pengoperasian jaringan 

(network). 

Banyak jenis-jenis bus dan jaringan, yang masing-masing memiliki aplikasi, keunggulan, dan kelemahannya sendiri, beberapa contohnya aadalah sebagai berikut: 

Bus jarak pendek (Short-distance busses)

PC/AT Bus yang digunakan pada komputer yang cocok dengan IBM terdahulu, untuk menghubungkan peralatan sekelilingnya seperti disk drive, sound card dan lainnya ke motherboard komputer. 

PCI Bus yang digunakan pada komputer yang cocok tidak hanya dengan IBM. Jauh lebih cepat dari pada PC/AT. Kecepatan transfer datanya 100 Mbytes/second (32 bit) dan 200 Mbytes/second (64 bit). 

PCMCIA Bus yang digunakan menghubungkan peralatan sekeliling ke laptop dan notebook berukuran personal komputer PC; ukuran fisik kaki-kakinya kecil dan sangat lambat dibanding bus PC lainnya. 

VME Bus yang potensial (dirancang ulang dari Motorola terdahulu dengan standard Versa-Bus untuk membangun industri serba guna and komputer militer, dimana memori ganda, peripheral, dan bahkan papan mikro-prosessor dapat disumbatkan (plugged) di rak pasif untuk memfasilitasi rancangan sistemyang umum. Kecepatan transfer datanya kira-50 Mbytes/second (64 bits wide). 

VXI Pengembangan dari bus VME, VXI (ekstensi VME untuk Instrumentation) meliputi bus VME standard bersama penyambung untuk sinyal analog antara card didalam rak. 

S-100 Kadang disebut Altair bus, bus standard ini hasil dari konferensi 1976, sebagai interface ke mikroprosesor Intel 8080. Filosofinya serupa dengan VME, dimana card-card multi fungsi bisa colokkan (plug in) pada rak pasif passive rack) untuk memudahkan konstruksi sistem. 

 MC6800 Bus Motorola yang ekuivalen dengan Intel-centric S-100, dirancang sebagai pengantara (interface) peralatan peripheral dengan chip Motorola 6800 microprocessor popular. 

STD Simple-To-Design, rak pasif yang serupa dengan bus PC/AT, dan dapat disesuaikan rancangan perangkat keras berbasis IBM-compatible. Dirancang oleh Pro-Log dengan lebarmerlukan 8 bits wide (parallel), memerlukan rangkaian card yang kecil (4.5 x 6.5 inch). 

Multibus I and II Suatu bus untuk desain fleksibel sistem komputer, dirancang oleh Intel dengan lebar 16 bits (parallel). 

Compact PCI Suatu penyesuaian industrial standard PCI komputer pribadi, dirancang berkinerja lebih tinggi sebagai alternative dari bus VME yang lama. Dengan bus clock berkecepatan 66 MHz, laju transfer data 200 Mbytes/detik (32 bit) atau 400 Mbytes/detik (64 bit). 

Microchannel Dirancang oleh IBM untuk komputer seri PS/2, sebagai perantara PC motherboards ke peralatan peripheral. 

IDE Suatu bus yang terutama digunakan untuk menghubungkan connecting penggerak (drives) hard disk komputer pribadi PC dengan card-card peripheral yang sesuai. Banyak digunakan pada komputer pribadi PC untuk perantara penggerak hard disk dan CD-ROM. 

SCSI Suatu bus alternative (secara teknis lebih unggul dari IDE) yang digunakan untuk penggerak disk komputer pribadi. SCSI stands for Small Computer System Interface. Digunakan pada beberapa PC yang cocok (compatible) dengan IBM, juga Macintosh (Apple), dan banyak komputer bisnis mini dan 

mainframe. Digunakan sebagai perantara hard drives, CD-ROM drives, floppy disk drives, printers, scanners, modems, dan tuan rumah (host) peralatan peripheral lainnya. Berkecapatan hingga 1.5 Mbytes per detik for standard asli. 

GPIB (IEEE 488) General Purpose Interface Bus, juga dikenal senagai HPIB atau IEEE 488, yang dimaksudkan sebagai perantara peralatan uji elektronis seperti oscilloscopes dan multimeters ke komputer pribadi. Lebar lintasan alamat/data 8 bit dengan 8 saluran tambahan untuk kontrol komunikasi. 

Centronics parallel Banyak digunakan pada komputer pribadi sebagai perantara peralatan printer dan plotter, juga peralatan peripheral lainnya, seperti external ZIP (100 Mbyte floppy) disk drives dan tape drives. 

USB Universal Serial Bus, sebagai interkoneksi banyak peralatan peripheral eksternal (seperti keyboards, modems, mice, etc.) ke komputer pribadi. Telah lama digunakan pada PC Macintosh, ini digunakan sebagai 

pelengkapan baru pada mesin-mesin yang cocok dengan IBM. 

FireWire (IEEE 1394) Suatu jatingan serial kecepatan tinggi yang mampu beroperasi pada 100, 200, or 400 Mbps dengan ciri serba guna (versatile) seperti "hot swapping" (peralatan menambah atau melepas dengan power on) dan topologi fleksibel. Dirancang untuk pengantaraan (interfacing) komputer pribadi berkinerja tinggi. 

Bluetooth Jaringan komunikasi berbasisi radio (radio-based) yang dirancang untuk menghubungkan peralatan komputer perkantoran. Perlengkapan untuk keamanan data dirancangkan dalam standard jaringan ini. 

Jaringan jarak diperluas (Extended-distance networks)

20 mA current loop. Agar tidak bingung dengan standard analog instrumentasi umum 4-20 mA, ini adalah jaringan komunikasi digital berbasis pada gangguan rangkaian arus 20 mA (kadang 60 mA) untuk menggambarkan data bineri. Walaupun impedanasi rendah memberi kekebalan (immunity) noise yang baik, diduga gangguan kabel (misalnya putus) yang akan menggagalkan keseluruhan jaringan. 

RS-232C Jaringan serial yang paling banyak digunakan dalam sistem komputer, biasanya digunakan untuk menghubungkan peralatan peripheral seperti printers dan mice ke komputer pribadi. Kecepatan dan jaraknya terbatas 45 feet and 20 kbps. RS-232C sering disingkat menjadi RS-232 saja (tanpa C). 

RS-422A/RS-485 Dua jaringan serial yang dirancang untuk mengatasi beberapa

 keterbatasan jarak dan keserba-gunaan RS-232C. digunakan secara luas dalam perindustrian untuk menghubungkan bersama-sama peralatan serial dalam lingkungan pembangkit yang secara listrik"noisy". Batas jarak dan kecepatannya lebih tinggi dari pada RS-232C, biasanya lebih dari setengah mil dan kecepatannya mencapai 10 Mbps.

Ethernet (IEEE 802.3) Suatu jaringan kecepatan tinggi yang menghubungkan bersama beberapa komputer dan beberapa jenis peralatan peripheral. "Normal" Ethernet beroperasi dengan kecepatan 10 million bits/detik, dan "Fast" Ethernet beroperasi dengan kecepatan 100 million bits/second. "Normal" Ethernet implementasikan pada berbagai alat kabel tembaga (thick coax = "10BASE5", thin coax = "10BASE2", twisted-pair = "10BASE-T"), radio, dan pada fiber optik ("10BASE-F"). "Fast" Ethernet juga 

implementasikan pada beberapa alat berbeda (twisted-pair, 2 pair = 100BASE-TX; twisted-pair, 4 pair = 100BASE-T4; optical fiber = 100BASE-FX). 

Token ring Suatu jaringan kecepatan tinggi yang menghubungkan bebarapa perlatan computer bersama-sama, menerapkan filosofi komunikasi yang sangat berbeda dari Ethernet, memungkinkan respon waktu yang presisi dari peralatan jaringan individu, dan kekebalan yang lebih besar terhadap kerusakan kabel jaringan. 

FDDI Suatu jaringan kecepatan sangat tinggi, yang secara eksklusif diterapkan pada kabel. 

Modbus/Modbus Plus Pada awalnya diterapkan oleh korporati Modicon, suatu perusahaan besar yang membuat peralatan PLC, untuk menghubungkan rak-rak I/O (Input/Output) yang berjauhan dengan satu prosesor PLC. Masih cukup populer. 

Profibus Pada awalnya diterapkan oleh korporati Siemens, suatu perusahaan besar yang membuat peralatan PLC. 

Foundation Fieldbus suatu bus berkinerja tinggi yang sengaja direncang untuk memungkinkan instrument banyak proses (transmitter, controllers, valve positioners) untuk berkomunikasi dengan komputer induk dan node lainnya. Bisa secara penuh menggantikan sinyal analog 4-20 mA sebagai sarana standard interkoneksi instrumentasi control proses dimasa datang. 

Aliran data (Data flow)

Bus-bus dan jaringan dirancang untuk terjadi komunikasi antara peralatan individual yang interkoneksi. Aliran informasi atau data antara dapat terjadi dengan bentuk yang beragam: 

Dengan simplex communication, semua aliran data searah; dari transmitter yang ditentukan ke receiver yang ditentukan. BogusBus adalah contoh simplex communication, dimana transmitter mengirim siformasi ke lokasi pemantauan jarak jauh, tetapi tidak ada informsai yang dapat dikirim kembali ke tangki air. Jika diperlukan mengirim informasi kesatu arah, maka simplex sudah cukup. Kebanyakan aplikasi memerlukan lebih, yaitu: 

Dengan duplex communication, aliran informasi adalah dua arah untuk setiap peralatan. Selanjutnya Duplex dapat dibagi menjadi 2 kategori: 

Half-duplex communication bisa diibaratkan seperti dua kaleng tipis yang dihubungkan dengan seutas tali string. Kedua-dua kaleng bisa digunakan untuk mengirim dan menerima, tapi tidak pada saat yang bersamaan. Full-duplex communication sama seperti telefon, dimana dua orang yang masing-masing dapat 

berbicara dan mendengar pada saat yang bersamaan. Full-duplex biasanya difasilitasi dengan dua saluran atau jaringan terpisah, dengan satu set wayar individu untuk setiap arah komunikasi; biasanya menggunakan gelombang pembawa multi-frekuensi, terutama pada hubungan radio, dimana satu frekuensi disediakan untuk setiap arah komunikasi.

Jenis sinyal listrik (Electrical signal types) 

Dengan BogusBus, pensinyalan sangat sederhana dan langsung; setiap wayar sinyal (1 sampai 5) membawa satu bit data digital, 0 Vuntuk "off" dan 24V DC untuk "on." Karena semua bit tiba ditujuannya bersamaan, maka BogusBus disebut teknologi jaringan parallel. Jika ingin memperbaiki kinerja BogusBus dengan 

menambahkan pengkodean (encoding) disisi transmitter dan pendekodean (decoding) disisi receiver, sehingga lebih banyak langkah-lsngksh resolusi tersedia pengkabealan yang lebih sedikit, namun masih tetap sebagai jaringan parallel. Bagaimanapun jika kita ingin menambahkan suatu pengubah parallel-to-serial pada 

sisi transmitter dan pengubah serial-to-parallel disisi receiver, kita akan memiliki sesuatu yang cukup berbeda. 

Hal ini terutama dengan penggunaan teknologi serial kita terpaksa membuat cara cerdik mengirim bit-bit data. Karena data serial memerlukan kita mengirim semua bit-bit data melalui saluran kabel yang sama dari transmitter ke receiver yang memerlukan sinyal berfrekuensi sangat tinggi pada kabel jaringan. Perhatikan 

ilustrasi berikut. Suatu sistem BogusBus yang mengkomunikasikan data digital secara parallel dalam bentuk terkode binary (binary encoded). Bukan mengirim 5 bit diskret seperti BogusBus yang asli, tetapi mengirim 8 bit dari transmitter ke receiver. Suatu pengubah analog ke digital (ADC) disisi transmitter membangkitkan keluaran output baru setiap detiknya yang membuat data 8 bit per menit sedang dikirim ke receiver. Untuk memudahkan ilutrasi, katakanlah transmitter sedang beralih antara satu output 10101010 dan 10101011 setiap pembaruan data (update) sekali dalam 1 detik. 

Karena hanya bit terendah yang berubah, frekuensi pada kabel jaringan (terhadap ground) hanyalah 1/2 Hertz. Sebenarnya, tidak masalah bilangan apa yang sedang dibangkitkan oleh pengubah ADC antara peng-update-an, frekuensi di setiap wayar pada jaringan BogusBus yang dimodifikasi ini tidaklah dapat melebihi 1/2 Hz, karena itulah kecepatan pengubah ADC meng-update keluaran digitalnya. 1/2 Hz sangat lambat, sehingga tidak menimbulkan masalah pada kabel jaringan. 

Sebaliknya, jika menggunakan jaringan serial 8-bit, seluruh bit-bit data harus muncul pada saluran tunggal secara berurutan. Bit-bit ini harus dikeluarkan oleh transmitter dalam rentang 1 detik antara peng-update-an ADC. Oleh karena itu, perubahan output digital antara 10101010 dan 10101011(sekali dalam 1 detik) akan menjadi seperti berikut:

Frekuensi sinyal BogusBus ini sekarang menjadi 4 Hertz tidak lagi 1/2 Hertz, naik 8 kali lipat. 4 Hz masih sangat rendah, bukan persoalan dalam enjiniring, bayangkan bagaimana adanya jika kita ingin mengirim data 32-bit atau 64-bit per update, bersama dengan bit lain yang diperlukan untuk parity check dan signal 

synchronization, dengan kecepatan update ribuan kali per detik. Frekuensi jaringan data serial akan mulai memasuki rentang frekuensi radio, dan kabel itu akan menyerupai antena radio, pasangan kabel sebagai jaringan transmisi dengan semua perilaku yang berhubungan karena reaktansi induktif dan kapasitif. 

Apa yang jadi masalah? Sinyal yang akan dikomunikasikan dengan jaringan serial adalah gelombang segi empat (square-wave), yang merupakan informasi bit-bit bineri. Gelombang segi empat adalah hal khusus, secara matematis serupa dengan sederet tak berhingga gelombang sinus yang berkurang amplitudonya dan 

bertambah frekuensinya. Gelombang segi empat sederhana dengan frekuensi 10 kHz sebenarnya terlihat dengan kapasitansi dan induktansi jaringan sebagai serangkaian dari banyak frekuensi gelombang sinus yang meluas menjadi ratusan kHz pada amplitude berarti. Apa yang kita terima diujung jaringan 2 kabel yang 

panjang, tidak lagi berupa gelombang segi empat yang sempurna, walaupun dalam kondisi terbaik. 

Ketika para sarjana bicara tentang rentang pita (bandwidth) jaringan, mereka mengacu pada batas frekuensi praktis dari suatu media jaringan. Pada komunikasi serial, rentang pita adalah suatu hasil volume data (bit-bit bineri per kata - "word" – yang terkirim) dan kecepatan data ("word" per detik). Ukuran standard rentang pita jaringan adalah bit per detik (bps = bits per second). Satuan yang tidak digunakan lagi adalah baud (perubahan level sinyal per detik) yang secara salah disamakan dengan bps. Banyak standard jaringan serial menggunakan beberapa perubahan level tegangan atau arus untuk menunjukkan satu bit tunggal, makanya dalam aplikasi ini bps dan baud adalah tidak sama. 

Rancangan umum BogusBus, dimana semua bit adalah tegangan yang diacukan ke sambungan ground umum ("common ground"), adalah situasi hal terjelek untuk komunikasi data gelombang segi empat berfrekuensi tinggi. Semua bekerja dengan baik untuk jaringan jarak pendek, dimana efek induktif dan kapasitif sangat rendah, tetapi untuk jaringan yang panjang metoda ini akan sangat bermasalah 

Pilihan kuat untuk metoda sinyal ground umum adalah metoda beda tegangan, dimana setiap bit digambarkan dengan beda tegangan antara sepasang kabel yang terisolasi dari ground bukan beda tegangan antara satu kabel dengan ground umum. Ini cendrung membatasi efek induktif dan kapasitif yang terkena pada setiap sinyal dan kecendrungan sinyal terkorupsi karena interferensi listrik dari luar, dengan demikina meningkatkan jarak praktis suatu jaringan serial 

Symbol penguat segitiga merupakan penguat perbedaan, yang mengeluarkan suatu sinyal tegangan anatara 2 wayar, dan tidak satu pun terhubung ke ground. Dengan tidak adanya hubungan antara tegangan sinyal dengan ground, hanya kapasitansi berarti yang terkenakan pada tegangan sinyal yang ada antara ke dua kabel sinyal. Kapasitansi antara satu kabel sinyal dengan penghantar yang digroundkan berefek sangat sedikit, karena jalur kapasitif antara kedua kabel sinyal melalui sambungan ground adalah dua kapasitansi serie (dari kabel sinyal #1 ke ground, kemudian dari ground ke kabel sinyal #2), dan nilai kapasitansi serie selalu lebih rendah dari kapasitansi individual yang manapun. Selanjutnya, tegangan "noise" apapun yang 

terinduksi antara kedua kabel sinyal dengan ground bumi oleh suatu sumber dari luar akan tertiadakan, karena tegangan "noise" terinduksikan ke kedua kabel dengan nilai yang sama, dan penguat penerima hanya menanggapi perbedaan tegangan antara kedua kabel sinyal, bukan tegangan antara salah satu kabel sinyal dengan ground bumi.

RS-232C adalah suatu contoh utama dari jaringan serial beracuan ground, sedangkan RS-422A adalah suatu contoh utama dari jaringan serial tegangan berbeda. RS-232C menjadi aplikasi populer pada lingkungan kantor dimana interferensi listriknya kecil dan kabel jaringannya pendek. RS-422A lebih banyak

digunakan pada aplikasi industry dimana kabel jaringannya panjang dan potensi interferensi listriknya lebih besar karena adanya kabel daya listrik.

Bagaimanapun, masalah besar dengan sinyal-sinyal jaringan digital adalah gelombang segi empat alami tegangan seperti penjelasan diatas. Hanya jika kita bisa menghidari gelombang segi empat sekaligus, kita bisa menghidari kesulitan-kesulitan disepanjang jaringan frekuensi tinggi. Suatu cara untuk melakukan ini adalah dengan memodulasi sinyal tegangan gelombang sinus dengan data digital.

"Modulation" berarti besarnya satu sinyal memiliki kontrol pada beberapa aspek dari satu sinyal lainnya. Teknologi radio memiliki modulasi terpadu hingga kini, menyediakan satu sinyal tegangan frekuensi radio untuk mengkontrol amplitudo (AM) atau frekuensi (FM) dari suatu tegangan pembawa ("carrier") berfrekuensi sangat tinggi, yang kemudian dikirim ke antena transmisi. Teknik modulasi frekuensi (FM) dalam jaringan digital ternyata lebih bermanfaat dari pada modulasi amplitudo, kecuali yang disebut Frequency Shift Keying (FSK). Dengan FSK gelombang sinus dari dua frekuensi berbeda digunakan untuk menggambarkan kedua keadaan bineri, yaitu 1 dan 0:

Karena problem praktis mendapatkan gelombang sinus frekuensi rendah/tinggi untuk memulai dan mengakhiri pada titik zero crossover setiap kombinasi 0's dan 1's, kadang digunakan satu variasi FSK yang disebut phase-continuous FSK, dimana kombinasi berurut frekuensi rendah-tinggi menggambarkan satu keadaan bineri dan kombinasi frekuensi tinggi- rendah menggambarkan keadaan bineri lainnya. Hal ini juga membuat situasi dimana setiap bit, apakah 0 atau 1, mengambil dengan tepat panjang waktu yang sama untuk mengirimkan sepanjang jaringan.

Dengan tegangan sinyal gelombang sinus, banyak masalah yang ditemukan pada sinyak digital gelombang segi empat menjadi terkurangi, walaupun rangkaian yang diperlukan untuk memodulasi dan demodulasi sinyal-sinyal jaringan menjadi runit dan mahal.

Optical data communication


Suatu pilihan terkini untuk mengirimkan informasi digital (binary) melalui sinyal tegangan listrik adalah dengan menggunakan sinyal-sinyal optikal (cahaya). Sinyal-sinyal elektrikal dari rangkaian digital (tegangan tinggi/rendah) bisa dirobah menjadi sinyal-sinyal optic diskret (menyala atau tidak) dengan LED atau laser keadaan padat. Juga, sinyal cahaya dapat diterjemahkan kembali kedalam bentuk listrik melalui penggunaan photo-diode atau photo-transistor untuk dimasukkan ke rangkaian gerbang.

Pengiriman informasi digital kedalam bentuk optikal bisa dilakukan di udara terbuka, dengan mudah  mengarahkan cahaya laser ke photodetector apda jarak terisah,tetapi interferensi dengan sinar dalam bentuk lapisan pembalikan suhu, debu, hujan, kabut, dan rintangan lainnya dapat menimbulkan masalah enjinering yang berarti.

Satu cara untuk menghindari masalah transmisi data optikal diudara terbuka adalah dengan mengirim pulsa cahaya ke fiber glass murni. Fiber glass akan menerus berkas cahaya seperti tembaga mengalirkan electron, dengan keuntungan yang sempurna menghindari masalah yang berhbungan dengan induktansi, kapasitansi

dan sinyal-sinyal listrik interferensi eksternal yang mengganggu. Fiber optikal menjaga berkas cahaya tersimpan dalam inti fiber dengan fenomena yang dikenal sebagai pemantulan (reflectance) internal total.

Suatu fiber optic terdiri dari dua lapisan glas sangat murni, setiap dibuat dari glas dengan pantul yang sedikit berbeda, atau kapasitas untuk membelokkan sinar. Dengan satu jenis glas yang dilapiskan secara konsentris ke sekeliling inti glas tengah, cahaya yang masuk ke tengah inti tidak bisa keluar dari fiber, tetapi terkurung memancar di dalam inti fiber optik

Lapisan glas ini sangat tipis, tutup "cladding" terluar biasanya berdiameter 125 microns. Ukuran tipis ini membuat fiber cukup lentur. Untuk melindungi kerusakan fisik, fiber diberi lapisan plastic, diselubungi tabung plastic, dibungkus dengan fiber kevlar untuk kekuatan tarik, dan diberi sarung plastic seperti isolasi kabel listrik. Seperti kabel listrik, wayar-wayar fiber optik biasanya diikat bersama dalam sarung yang sama menjadi kabel tunggal.


Fiber optic melebihi kinerja penanganan data kabel tembaga, cukup kebal terhadap interferensi elektro-magnetik dan memiliki rentang pita sangat tinggi; namun ada juga kelemahan tertentu.

Salah satu kelemahan fiber optik adalah fenomena yang dikenal sebagai microbending, dimana fiber bengkok dengan radius sangat kecil, menyebabkan cahaya keluar dari dalam inti melalui cladding.

Micro-bending tidak hanya mengurangi kekuatan sinyal karena kehilangan cahaya, tetapi juga menyebabkan kelemahan keamanan dimana sensor cahaya yang sengaja dipasang diluar bengkokan tajam dapat meyergap data digital yang dikirim melalui fiber.

Satu lagi problem unik fiber optik adalah perubahan bentuk sinyal karena banyaknya lintasan cahaya, atau mode, yang memiliki jarak berbeda disepanjang fiber. Ketika cahaya dipancarkan satu sumber, fotonnya (partikel cahaya) tidak semua melintas melalui lintasan yang tepat sama. Hal ini pasti, setiap sumber cahaya tidak mengikuti garis lurus cahaya, walaupun dengan perlata sinar laser. Jika diameter inti fiber optik
cukup besar, akan mendukung beberapa lintasan untuk foton mengalir, masing-masing lintasan memiliki sedikit perbedaan panjang dari satu ujung fiber ke ujung lainnya. Fiber optik jenis ini disebut fiber multimode.

Pulsa cahaya yang dipancarkan oleh LED yang mengambil lintasan lebih pendek melalui fiber akan sampai di detector lebih cepat dari pada pulsa cahaya yang mengambil lintasan lebih panjang. Hasilnya perubahan bentuk ujung naik ataupun turun dari gelombang segi empat, yang disebut perentangan pulsa (pulse stretching). Masalah ini menjadi buruk karena panjang keseluruhan fiber menjadi bertambah.

 Bagaimanapun, jika diameter inti fiber dibuat cukup kecil (kira-kira 5 microns), mode cahaya terbatasi menjadi lintasan tunggal dengan satu panjang. Fiber yang dirancang sedemikian untuk mengijinkan hanya satu mode tunggal cahaya dikenal sebagai fiber single-mode. Karena fiber single-mode menghilangkan masalah pulse stretching yang dialamikabe fiber yang panjang; inilah pilihan kabel fiber untuk jaringan jarak jauh (bebrapa mile atau lebih). Sebaliknya, tentu saja, hanya dengan satu moda cahaya, fiber single-mode tidak mengalirkan sebanyak cahaya pada fiber multi-mode. Pada jarak yang panjang, menyebabkan perlunya unit pengulang "repeater" untuk menaikkan daya cahaya.

Network topology 


Jika ingin menghubungkan dua peralatan digital dengan jaringan, kita akan memiliki satu jenis jaringan yang dikenal sebagai "point-to-point"

Untuk memudahkan, kabel jaringan disimbolkan dengan garis tunggal antara dua peralatan. Sebenarnya, bisa berupa pasangan wayar pilin (twisted pair), kabelcoaxial, fiber optik, atau bahkan 7-kabel BogusBus. Sekarang, kita hanya memfokuskan pada bentuk jaringan, secara teknik dikenal sebgagai topology.

Jika ingin menghubungkan lebih banyak peralatan (kadang disebut nodes) pada jaringan tersebut, ada beberapa pilihan konfigurasi jaringan untuk dipilih

Banyak standard jaringan telah menentukan jenis topologi mana yang digunakan, sedangkan lainnya lebih bebas (versatile). Ethernet misalnya, umumnya dilaksanakan pada topologi "bus", namun dapat juga dilaksanakan pada topologi "star" atau "ring" dengan perlengkapan interkoneksi yang sesuai. Jaringan lainnya,
seperti RS-232C hanya untuk point-to-point; dan token ring dilaksanakan hanya untuk topologi ring.

Bus

Sangat mudah dipasang dan dipelihara. Node bisa dengan mudah ditambahkan atau dilepaskan dengan sedikit perubahan pengkabelan. Sebaliknya, jaringan satu bus harus menangani seluruh sinyal komunikasi dari semua node. Hal ini dikenal sebagai jaringan broadcast, dan sama seperti sekelompok orang saling berbicara
melalui satu saluran telefon tunggal, dimana hanya satu orang yang dapat bicara


pada satu saat (laju pertukaran data terbatas), dan setiap orang dapat mendengar yang sedang bicara.

Star

Dengan peralatan yang dikenal sebagai "gateways" pada titik pencabangan jaringan, aliran data dapat dibatasi antara node, memungkinkan komunikasi pribadi antara kelompok node tertentu. Hal ini mengalamati beberapa kecepatan dan dan memberikan keamanan topologi bus sederhana. Namun, cabang-cabang tersebut dapat diputus dengan mudah dari rest jaringan "star" jika ada satu dari gerbang-
gerbang yang gagal. Juga bisa diterapkan dengan saklar ("switches") untuk menghubungkan suatu node ke jaringan lebih besar yang diinginkan. Jaringan bersaklar ini serupa dengan sistem telefon standard.

Ring

Topologi ini memberikan keandalan terbaik dengan kabel yang sedikit. Karena setiap node memiliki dua titik sambungan ke ring, pemutusan tunggal pada bagian mana saja dari ring, tidak mempengaruhi keterpaduan jaringan. Bagaimana pun, peralatan harus dirancang dengan topologi ini dalam pikiran. Juga, jaringan ini harus
terganggu ketika melepas datau memasang node. Seperti dengan topologi bus, jaringan ring terpancar secara alami.

Seperti yang duharapkan, dua atau lebih topologi ring bisa digabung untuk memberi kedua dunia terbaik (best of both worlds) pada aplikasi tertentu. Cukup sering, jaringan industrial memilih model ini, secara sederhana dari enjiner dan teknisi menggabungkan beberapa jaringan bersama untuk keuntungan akses informasi pembangkit yang lebih luas.

Network protocols 


Disamping persoalan fisik jaringan (jenis sinyal dan tingkat tegangan, pin outs konektor, pengkabelan, topologi dll), ada kebutuhan cara standard dimana komunikasi ditengahi (arbitrated) antara beberapa node pada suatu jaringan, walaupun sistem sederhana point-to-point antara dua node. Ketika node bicara pada
jaringan, ia membangkitkan satu sinyal pada kabel jaringan, bisa tegangan DC tingkat tinggi atau rendah, sejenis AC termodulasi membawa geglombang sinyal, atau pun pulsa cahaya dalam kabel fiber optik. Node yang mendengar hanya mengukur sinyal yang terpakai pada jaringan (dari node yang sedang mengirim) dan


dengan pasif memantaunya. Jika dua atau lebih node berbicara pada saat yang bersamaan, bagaimanapun, sinyal keluarannya bisa berbenturan (bayangkan dua gerbang lojik mencoba menerapkan tegangan sinyal yang berlawanan ke saluran tunggal pada bus), akan mengkorupsi data terkirim.

Metoda yang distandardkan yang dengannya node-node diijinkan mengirim ke bus atau kabel jaringan disebut protocol. Ada banyak protocol untuk menengahi (arbitrating) penggunaan jaringan bersama antara beberapa node, dan akan dibahas beberapa darinya. Bagaimanapun, perlu berhati-hati tentang beberapametoda ini, dan memahai kenapa beberapa bekerja lebih baik untuk beberapa tujuan disbanding
lainnya. Biasanya, suatu protocol tertentu sesuai dengan suatu jenis jaringan yang distandardkan. Hal ini hanyalah suatu "layer" lainnya ke serangkaian standard yang ditentukan pada judul berbagai jaringan.

International Standards Organization (ISO) telah menentukan arsitektur umum spesifikasi jaringan pada model DIS7498-nya (dapat diterapkan pada hampir setiap jaringan digital). Terdapat 7 "layers", garis besar ini berusaha mengkategorikan semua level gagasan yang perlu untuk mengkomunikasikan data digital,

• Level 1: Physical; menentukan rincian elektrik dan mekanik komunikasi: jenis kabel, desain konektor, jenis dan besaran sinyal.
•  Level 2: Data link; menetapkan format pesan (messages), bagaimana data dialamati, dan teknik mendeteksi/memperbaiki kesalahan. 
• Level 3: Network; membangun prosedur untuk membungkus (encapsulation) data kedalam paket untuk pengiriman dan penerimaan. 
• Level 4: Transport; diantara hal-hal lain, lapisn transport menetapkan bagaimana file data selengkapnya ditanani sepanjang jaringan. 
• Level 5: Session; mengorganisir pengiriman data dengan istilah memulai dan mengakhiri suatu pengiriman tertentu, serupa dengan job control pada sistem operasi komputer multitasking. 
• Level 6: Presentation; mencakup pendefinisian untuk character sets, terminal control, dan graphics commands sehingga data abstrak dan dengan mudah di-enkodekan dan di-dekodekan antara peralatan yang sedang berkomunikasi. 
• Level 7: Application; standard pengguna akhir untuk membangkitkan dan menginterpretasikan data yang dikomunikasikan dalam bentuk akhirnya. Dengan kata lain, program komputer sebenarnya yang sedang menggunakan data yang dikomunikasikan.

Beberapa protocol jaringan yang telah dibangun hanya meliputi satu atau bebrapa level DIS7498. Misalnya protokol komunikasi serial benar-benar hanya mengalamati layer pertama ("physical") dari model seven-layer ini. Protocol lainnya, seperti sistem X-windows graphical client/server yang dibangun pada MIT untuk distributed graphic-user-interface computer systems, meliputi semua seven layers.


Protokol berbeda bisa menggunakan standard physical layer yang sama. Sebagai contoh adalah protokol RS-422A dan RS-485, kedua-duanya menggunakan rangkaian transmitter dan receiver tegangan berbeda yang sama, menggunakan level tegangan yang sama untuk menunjukkan bineri 1 dan 0. Pada level physical,
kedua protokol komunikasi ini adalah identik. Bagaimanapun, pada level yang lebih teoritis kedua protokol ini berbeda; RS-422A hanya point-to-point, sedangkan RS-485 mendukung topologi bus "multidrop" hingga 32 node yang dapat dialamati.

Mungkin protokol paling sederhana adalah jenis dimana hanya ada satu transmitter saja, dan node lainnya hanya receiver. Seperti pada BogusBus, dimana satu transmitter membangkitkan sinyal tegangan yang dikirimkam ke kabel jaringan, dan unit receiver lainnya (masing-masing dengan 5 lampu) menyala sesuai keluaran transmitter. Beginilah biasanya terjadi pada jaringan sederhana, hanya ada satu pembicara, dan detiap yang lainnya hanya mendengar.


Bila ada beberapa node pengirim, harus diatur pengirimannya sedemikian agar tidak konflik satu sama lain. Node-node tidak tidak diijinkan bicara jika ada satu node sedang bicara, sehingga setiap node mampu mendengar dan menahan diri untuk bicara sampai jaringan diam. Pendekatan dasar ini disebut Carrier Sense Multiple Access (CSMA), dan ada beberapa variasi pada tema ini. Perhatikan, bahwa CSMA bukan protokol standard padanya sendiri, tetapi merupakan suatu metoda yang diikuti protokol tertentu.

Satu variasi sederhana, biarkan satu node mana saja untuk berbicara segera setelah jaringannya diam. Hal ini mirip seperti sekelompok orang mengadakan rapat di satu meja bundar, setiap orang memiliki kemampuan untuk bicara, sejauh itu mereka juga tidak menginterupsi orang lain. Segera setelah orang terakhir selesai
bicara, orang berikut yang sedang menunggu untuk bicara akan mulai bicara. Maka, apa yang akan terjadi jika dua atau lebih orang mulai bicara pada saat yang bersamaan? Dalam suatu jaringan, pengiriman bersamaan dari beberapa node disebut collision. Dengan CSMA/CD (CSMA/Collision Detection), node-node yang yang bertabrakan segera meret dirinya sendiri dengan rangkaian penunda yang acak, dan orang pertama yang menyelesaikan waktu tundanya akan mencoba untuk bicara lagi. Inilah dasar protokol untuk jaringan Ethernet yang popular itu

Contoh lain variasi CSMA adalah CSMA/BA (CSMA/Bitwise Arbitration), dimana node-node yang bertabrakan menunjuk nomer prioritas yang telah ditetapkan untuk menentukan node yang mana memiliki izinuntuk bicara lebih dulu. Dengan kata lain, setiap node memiliki satu kedudukan yang menentukan setiap perselisihan kepada siapa yang bicara lebih dulu setelah suatu tabrakan terjadi, seperti sekelompok
orang dimana penduduk elit dan penduduk biasa bercampur. Jika tabrakan terjadi, penduduk utama biasanya diizinkan untuk mulai bicara lebih dulu dan penduduk biasa menunggu kemudian.

Pada kedua contoh diatas (CSMA/CD and CSMA/BA), diasumsikan bahwa setiap node bisa memulai pembicaraan selama jaringannya sedang diam. Hal ini disebut komunikasi model "unsolicited". Ada juga variasi untuk CSMA/CD atau CSMA/BA yang disebut model "solicited" dimana permulaan pengiriman hanya bisa terjadi bila suatu node utama yang ditunjuk meminta (solicits) suatu balasan. Deteksi tabrakan
(CD Collision detection) atau (BA bitwise arbitration) berlaku hanya untuk menentukan tempat tabrakan (post-collision arbitration) selama beberapa node menanggapi permintaan peralatan utama (master).

Suatu strategi yang sama sekali berbeda pada komunikasi node adalah protokol Master/Slave, dimana satu peralatan utama membagikan celah waktu untuk semua node lainnya pada jaringan untuk mengirim, dan menjadwalkan celah-celah waktu ini sedemikian sehingga beberapa node tidak dapat bertabrakan. Peralatan utama mengalamati setiap node dengan nama, sekali pada satu waktu, membiarkan node tersebut berbicara untuk jangka waktu tertentu. Bila telah selesai, peralatan utama mengalamati node berikutnya, demikian seterusnya.

Masih ada strategi lain, yaitu protokol Token-Passing, dimana setiap node mendapat giliran untuk berbicara (sekali pada satu waktu), dan bila telah selesai kemudian memberi izin untuk node berikutnya untuk berbicara. Izin untuk berbicara disampaikan kesekitarnya dari node ke node seperti setiap orang memberikan tanda (token) ke tetangganya secara berurutan. Token sendiri bukanlah benda nyata, tapi
sederetan bineri 1’s dan 0's memancar pada jaringan, membawa alamat tertentu dari node beikutnya yang diizinkan berbicara. Walaupun protokol token-passing sering


diikuti dengan jaringan topologi ring, namun tidak dibatasi untuk topologi mana saja.. dan bila protokol ini diterapkan pasa jaringan ring, urutan token passing tidak harus mengikuti urutan fisik sambungan ring tersebut. Seperti pada topologi, beberapa protokol bisa digabung bersama terhadap segmen
berbeda dari suatu jaringan heterogen, agar keuntungan maksimal. Misalnya, suatu jaringan resmi yang menghubungkan instrument-instrumen bersama-sama pada lantai pembangkit bisa dihubungkan melalui suatu peralatan gerbang (gateway) ke satu jaringan Ethernet yang mrnghubungkan beberapa komputer workstation
bersama-sama, saslah satu dari beberapa komputer workstation tersebut berfungsi sebagai gerbang (gateway).

Sama seperti topologi, multiple protocols bisa digabungkan bersama pada segmen berbeda dari suatu jaringan heterogen, agar lebih menguntungkan. Misalnya, suatu jaringan Master/Slave terdedikasi sedang menghubungkan instrument bersama pada lantai pembangkit tenaga bisa dihubungkan melalui suatu peralatan gerbang ke suatu jaringan Ethernet yang menghubungkan bersama beberapa komputer workstations, satu dari komputer tersebut berfungsi sebagai gerbang untuk menghubungkan data ke satu jaringan fiber FDDI kembali ke mainframe computer pembangkit. Setiap jenis jaringan, topologi dan protokol melayani kebutuhan dan aplikasi berbeda dengan sangat baik, tetapi melaui peralatan gerbang gateway,
sehungga dapat menggunakan bersama data yang sama.

Mungkin juga memadukan strategi beberapa protokol kedalam hibrid baru pada satu jenis jaringan tunggal. Demikian halnya untuk Foundation Fieldbus yang mengkombinasikan Master/Slave dengan satu bentuk token-passing. Suatu peralatan LAS (Link Active Scheduler) mengirim perintah data memaksa ("Compel
Data" CD) terjadwal ke peralatan query slave (lave yang masih meragukan) pada Fieldbus untuk informasi time-critical. Dalam hal ini, Fieldbusnya adalah suatu protokol Master/Slave. Bagaimanapun, ketika ada waktu antara data memaksa yang meragukan, LASnya akan mengirim keluar "tokens" ke masing-masing peralatan lainnya pada Fieldbus, sekali waktu, memberi kesempatan pada peralatan-peralatan
tersebut untuk mengirimkan setiap data yang tak terjadwal. Bila telah selasai mengirimkan informasinya, mereka mengembalikan tokennya ke LAS. LAS juga memeriksa peralatan baru pada Fieldbus dengan perintah "Probe Node" (PN), yang diharapkan menghasilkan satu "Probe Response" (PR) kembali ke LAS, tanggapan peralatan kembali ke LAS, apakah pesan PR atau token yang dikembalikan, mendiktekan kedudukannya pada database "Live List" yang dijaga oleh LAS.


Ketepatan operasi peralatan LAS adalah sangat kritikal terhadap berfungsinya Fieldbus, sehingga ada ketentuan operasi LAS redundant dengan menetapkan status "Link Master" ke beberapa node, memberinya wewenang menjadi LAS pengganti jika LAS yang sedang beroperasi gagal.

Ada protokol komunikasi data lain yang paling popular pada sistem control industrial yang dibuat oleh Honeywell, dimana peralatan utama (master)nya disebut Highway Traffic Director ( HTD), mengarbitrasi (menengahi) semua jaringan komunikasi. Yang membuat jaringan ini menarik adalah bahwa sinyal yang dikirim dari HTD ke semua peralatan slave (turunan)nya untuk izin pengirimannya tidak dikomunikasikan
pada kabel jaringan itu sendiri, tetapi cukup ke serangkaian kabel pilin (twisted-pair) individual yang menghubungkan HTD kesetiap peralatan slave (turunan). Selanjutnya, peralatan pada jaringan dibagi dalam dua kategori:

•  Node-node yang terhubung ke HTD yang diizinkan memulai pengiriman 
• Node-node yang tidak terhubung ke HTD hanya bisa mengirim untuk menanggapi suatu pertanyaan yang dikirim oleh salah satu node sebelumnya 

Primitive dan lamban adalah kata yang cocok untuk skema jaringan komunikasi ini, tetapi berfungsi cukup memadai pada waktu itu.

Practical considerations 

Pertimbangan prinsipil untuk jaringan kontrol industrial, dimana pemantauan dan pengkontrolan proses-proses real-life yang harus berlangsung cepat dan sesuai, adalah waktu komunikasi yang sangat terjamin dari satu node ke node-node lainnya. Jika sedang mengkontrol posisi katup air pendingin dengan suatu jaringan digital, perlu untuk mampu menjamin bahwanode jaringan katup menerima sinyal posisi yang tepat dari komputer kontrol pada waktu yang tepat. Jika tidak, hal yang sangat buruk akan terjadi.

Kemampuan suatu jaringan untuk menjamin pengeluaran ("throughput") data disebut determinism. Suatu jaringan yang deterministic memiliki suatu tunda waktu yang sangat terjamin untuk transfer data dari node ke node, sedangkan jaringan non-deterministic tidak memilikinya. Contoh jaringan non-deterministic yang agak tepat adalah Ethernet, dimana node-node mengandalkan rangkaian waktu tunda yang


acak untuk mereset dan mencoba kembali pengiriman setelah suatu tabrakan (collision). Dalam keadaan begitu, pengiriman suatu data node dapat tertunda untuk jangka waktu tidak terbatas dari sederetan panjang set kembali dan coba kembali (re-sets and re-tries) setelah tabrakan berulang, tidak ada jaminan bahwa datanya akan tetap terkirim ke jaringan. Lebih dulu secara realistis, rintangannya sebegitu sangat besar bahwa hal itu akan terjadi yaitu adalah perhatian praktikal yang kecil pada suatu jaringan yang dibebani sedikit.

Pertimbangan penting lainnya, terutama untuk jaringan kontrol industrial, adalahtoleransi kesalahan jaringan: yaitu, seberapa rentan pensinyalan, topologi, dan/atau protokol suatu jaringan tertentu terganggu? Telah dibicarakan secara ringkas beberapa persoalan sekitar topologi, tetapi ketahanan pengaruh protokol
secukupnya. Misalnya, jaringan Master/Slave, yang sangat menentukan (deterministic) – hal yang baik untuk kontrol kritikal, yang keseluruhannya tergantung pada node induk (master node) untuk menjaga segala sesuatunya berjalan (hal yang buruk untuk kontrol kritikal). Jika karena suatu hal master node-nya gagal, tidak ada node lainnya yang bisa mengirim data apapun sama sekali, karena tidak pernah menerima izin slot waktu yang dibagikan untuk mengirim, dan keseluruhan sisten akan gagal.

Persoalan serupa melingkungi sistem token-passing: apa yang terjadi bila node yang sedang memegang token (tanda bukti) gagal sebelum menyampaikan token ke node berikutnya? Beberapa sistem penyampaian token mengalamati kemungkinan ini dengan memiliki beberapa node yang ditunjuk yang membangkitkan token baru jika jaringan diam (silent) terlalu lama. Hal ini akan bekerja baik jika satu node yang sedang memegang token menjadi mati, tetapi menyebabkan persoalan jika bagian dari satu jaringan runtuh diam (falls silent) karena satu sambungan kabel terlepas: bagian jaringan yang runtuh diam akan membangkitkan tokennya sendiri sejenak kemudian, dan kita pada dasarnya ditinggal dengan dua jaringan lebih kecil dengan satu token yang diteruskan ke sekitar masing-masingnya untuk mempertahankan komunikasi.

This works fine if a node holding the token dies, but it causes problems if part of a network falls silent because a cable connection comes undone: the portion of the network that falls silent generates its own token after awhile, and you essentially are left with two smaller networks with one token that's getting passed around each of them to sustain communication.

Gangguan terjadi jika kabel yang lepas tersebut disambung kembali, kedua jaringan yang terpotong tersebut akan tersatukan kembali, dan sekarang ada dua token yang disampaikan ke sekeliling satu jaringan, menyebabkan tabrakan transmisi node.

Tidak ada jaringan sempurna untuk seluruh aplikasi. Tugas enjiner dan teknisi untuk mengetahui aplikasi dan operasi jaringan yang tersedia. Hanya dengan demikian rancangan dan pemeliharaan sistem yang efisien akan menjadi kenyataan.

readmore »»  

Baca Selengkapnya......