Dasar-dasar Sistem Mekatronik

A.  Dasar Mekatronika dan Analoginya.

Mekatronik (Mechatronics)berasal dari kata mechanics dan electronics. Mekatronik adalah sebuah sistem yang terdiri dari bagian mekanik dan elektrik, dilengkapi dengan sensor yang mendapatkan informasi, dengan mikroprosesor yang memproses dan menganalisa informasi ini, dan akhirnya logika yang bereaksi atas informasi, yang bergabung menjadi satu menjadi sebuah sistem mekatronika. Contohnya pada beberapa produk cerdas yang digunakan sebagai barang konsumen biasa dalam kehidupan kita sehari-hari, seperti kamera, perekam video, CD, mesin fotokopi atau mesin cuci, semua yang menggabungkan sensor, mikroprosesor berbasis control dan aktuator yang membuat mereka lebih fleksibel dan mudah digunakan. Mesin otomatis yang digunakan dalam kedokteran, pertanian, pertambangan, perbankan, atau manufaktur yang dapat merasakan, melihat, mempunyai akal, memutuskan dan bertindak juga bisa disebut dengan sistem mekatronika. Ini sangat membantu menciptakan mesin atau alat yang pintar, praktis dan mudah digunakan. Sehingga sumber daya pada manusia seperti waktu dan otak dapat dipakai untuk pekerjaan yang lain.

Sistem mekatronik memiliki 4 bagian utama yaitu: INPUT, PROSES, OUTPUT dan FEEDBACK. Feedback juga berlaku sebagai INPUT dalam sistem mekatronik tersebut.

1.   Struktur dan Elemen Mekatronik

Di dunia elektronika terdapat beberapa elemen mekatronika yaitu: sensor, kontroler, jalur data, aktuator dan sumber energi.

a.   Mekanisme Mesin/Unit

Mekanisme mesin adalah elemen penyusun pertama pada sistem mekatronika yang harus ada. Semua kebutuhan yang kita inginkan harus dituangkan dulu dalam bentuk mekanisme suatu sistem, hal ini adalah syarat untuk membuat sebuah sistem control.

Contohnya bisa berupa alat berat itu sendiri, fuel sistem, transmission sistem dan lain sebagainya.

Gambar 1. 4 Analogi mekanisme mesin dengan beberapa sistem yang ada pada manusia

a.   Sensor

Sensor adalah elemen yang bertugas memonitor keadaan objek yang dicontrol. Sensor dilengkapi dengan rangkaian pengkondisi yang berfungsi memproses sebuah informasi menjadi sinyal listrik.

Gambar 1. 5 Analogi sebuah sensor terhadap panca indera manusia

b.   Kontroler

Kontroler (Controller) adalah elemen yang mengambil keputusan apakah keadaan objek yang dikontrol telah sesuai dengan kebutuhan yang diinginkan, dan kemudian memproses informasi dari komponen input untuk menetapkan apa yang harus dilakukan untuk merevisi keadaan objek tersebut.

Gambar 1. 6 Analogi sebuah controller dengan otak manusia

c.   Jalur data

Jalur data berfungsi menyalurkan sinyal perintah dari kontroler dan menyampaikannya ke aktuator ataupun sebaliknya sesuai dengan perintah dari controller. Contoh umumnya adalah wire dan connector.

Gambar 1. 7 Analogi jalur data dengan syaraf manusia

d.   Aktuator

Actuator adalah elemen yang berfungsi mengkonversi energi dari energy listrik ke energi mekanik atau energy yang terlihat. Bentuk konkrit aktuator ini misalnya: motor listrik, solenoid, relay, display, dll.

Gambar 1. 8 Analogi solenoid actuator dengan sistem otot pada manusia

e. Sumber energi.

Sumber energy adalah elemen yang memberikan supply eergi listrik ke semua elemen yang membutuhkannya. Salah satu bentuk sumber energi adalah battery untuk sistem yang bergerak atau movable, atau adaptor AC-DC untuk sistem yang stasioner (diam/tetap). Namun pada alat berat atau otomotif, battery akan tergantikan dengan alternator pada saat engine sudah running.

Gambar 1. 9 Analogi sumber battery dengan sumber makanan manusia

B.  Sinyal.

Sinyal adalah teori dasar yang kita perlukan untuk memahami sistem mekatronika, misalkan sebuah coolant temperature sensor mendeteksi suhu coolant agar selalu termonitor, data sensor tersebut akan diproses menuju kontroler. Pada saat suhu coolant melebihi batas temperatur yang di tentukan, maka engine akan menurunkan putarannya. Data-data yang dikirimkan dari sensor ke controller tersebut berbentuk sinyal, karena itu kita perlu untuk mengetahui beberapa jenis sinyal untuk menunjang studi mekatronik ini.Sinyal adalah sebuah fungsi besaran yang berubah terhadap waktu.

Gerak gelombang sering ditemui didalam pembahasan setiap cabang ilmu fisika. Pengenalan akan gelombang air, gelombang bunyi, gelombang cahaya, gelombang radio, gelombang elektrik, dll. Sinyal ini juga tergolong dalam bentuk gelombang.Sebuah sinyal juga mempunyai identifikasi untuk mengenalinya seperti yang ditunjukkan gambar dan keterangan di bawah ini.

Gambar 1. 10 Bagian-bagian sinyal

·         Amplitude (A)    :Simpangan terjauh (Y_maks)

·         Panjang Gelombang/ Wave length (λ)    :Panjang dari awal siklus positif (Crest/bukit) sampai akhir siklus negative (Trough/Lembah)

·         Periode (T)         :Waktu yang dipelukan untuk perambatan sebuah gelombang

           ·         Frekuensi (f)       :Banyaknya gelombang untuk setiap waktunya sekon (Hertz)

Sinyal elektrik digolongkan dalam 2 tipe yaitu digital dan analog.

Gambar 1. 11 Pembagian sinyal

1.   Sinyal Analog

Sinyal analog adalah sinyal yang nilai perubahannya sangat bervariasi dan semua nilai yang ada sangat berarti. Bisa kita analogikan perubahan sekecil apapun pada sinyal analog maka masih ada lagi nilai tengahnya, begitu seterusnya. Bila dianalogikan sebagai alat ukur, maka alat ukurnya harus memiliki ketelitian yang tanpa batas. Sinyal analog bisa disebut juga sinyal yang bernilai mentah. Dalam kehidupan sehari-hari, misalkan saja kita berjabat tangan dengan seseorang mulai dari genggaman yang paling lemah ke yang paling kuat. Gaya yang kita butuhkan untuk berjabat tangan tadi berubah sesuai dengan kuat tidaknya genggaman, kita tidak tahu berapa gaya yang dibutuhkan tersebut dan hanya bisa memperkirakan saja. Contohnya dalam alat beratadalah sinyal yang langsung dihasilkan oleh pressure sensor atau temperature sensor.

2.   Sinyal Digital

Sinyal digital adalah sinyal yang hanya memperhatikan perubahan diwaktu tertentu saja, sesuai dengan permintaan pada saat kapan kita membutuhkan nilai tersebut. Nilai yang didapatkan dari sinyal digital tersebut bisa dikirimkan sebagai data. Dalam kehidupan sehari-hari kita umpamakan saja saat bermain petak umpet, saat kita harus menghitung sambil menunggu teman-teman yang lain berpindah. Dari kegiatan tersebut kita tidak mengetahui perpindahan teman yang lain, tetapi hanya mengetahui posisi terakhir saat kita menemukan teman kita. Contoh pada alat berat adalah sinyal yang dihasilkan oleh sensor yang masuk ke controller, dan juga ada sinyal yang langsung keluar dari sensor yaitu speed sensor.

Gambar 1. Pengambilan sample sinyal analog, hanya pada waktu tertentu saja

Gambar 2. Hasil yang didapat dari pengambilan sample sinyal analog (sinyal digital)

1.   PWM

t0

t1

t2

%T

%ton

%toff

PWM adalah sinyal digital yang panjang sinyalnya dapat di atur atau di modulasikan. Pada saat pengenalan sinyal telah dibahas bagaimana caranya kita tahu panjang satu sinyal, agar dapat dengan mudah memahami sinyal PWM ini. Bentuk sinyal PWM dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Dimana untuk sebuah sinyal PWM di atas (panjang waktu saat ON (t_on) dan panjang waktu saat OFF (t_off)) selama T detik (waktu yang dibutuhkan untuk satu sinyal), maka

Sinyal ini memiliki duty cycle (panjang waktu sinyal ON terhadap total 1 sinyal (panjang waktu sinyal ON+ panjang waktu sinyal OFF)) yaitu,

C.  Sistem Bilangan.

Data-data yang dikirimkan pada sistem mekatronik ataupun pada saat komunikasi antar kontroler melibatkan angka-angka yang komplex, sedangkan kemampuan sebuah kontroler dan sistem komunikasi hanya dapat mengirimkan data berupa bit yang bentuk bilangannya adalah bilangan biner. Kita perlu mengetahui perubahan bilangan, karena kontroler melakukan konversi bilangan yang komplex. Sehingga data dapat ditampilkan, diproses dan dapat diolah kembali untuk menjalankan sebuah sistem mekatronika.

1.   Decimal

Perhitungan yang sering kita pakai sehari-hari adalah bilangan pencacah atau penghitung yang sama dengan sistem perhitungan decimal. Decimal mempunyai 10 macam nomer digit yaitu 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. Decimal dikatakan sebagai base 10 karena punya 10 jenisnomer digit. Alasan kenapa orang lebih memilih decimal, karena jari tangan kita ada 10 agar lebih mudah untuk menghitungnya dengan jari kita.

2.   Binary

Binary hanya menggunakan 2 macam nomer digit yaitu 0 dan 1 yang kita kenal sebagai base number 2. Binary adalah digit yang digunakan pada computer yang berguna seperti switch OFF atau ON (0 atau 1). Angka 2 diletakkan setelah binary number seperti yang dituliskan dibawah ini:

1001₂

3.   Octal

Octal mempunyai 8 macam nomer digit yaitu 0,1,2,3,4,5,6,7 dan disebut dengan base 8. Tiga digit angka biner dapat mewakili 1 angka octal. Gunakan angka 8 diakhir penulisan octal:

275₈

4.   Hexadecimal

Kata hexadecimal berasal dari 2 kata yaitu hex(6) dan decimal(10). Jika kita menambahkan 6 dan 10 bersamaan kita akan mendapatkan 16 angka. Hexadecimal bisa disebut dengan hex atau angka base 16. Untuk mendapatkan hingga 16 digit maka harus ditambahkan huruf alphabet dan hingga ada 16 macam digit dan menjadi sebagai berikut 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F. Dua digit hexadecimal dapat membuat angka yang sama dengan 8 digit binary yang nantinya disebut dengan byte. Angka 16 digunakan setelah penulisan hexadecimal adalah sebagai berikut: 7F₁₆