Bab IV Perancangan dan Implementasi Bab ini membahas tahap perancangan dan implementasi sesuai dengan metodologi yang telah disampaikan pada Bab 1. IV.1. Perancangan Sistem Secara Terintegrasi Gambar IV. 1 Rancangan Integrasi sistem mesin pendingin berbasis air Sebagai langkah awal telah dilakukan perancangan sistem secara keseluruhan seperti terlihat pada Gambar IV.1. Sistem ini terdiri dari real plant berupa data center dan chiller serta sistem perpipaan untuk mengalirkan air antar keduanya. Pada penelitian ini dibangun sistem IoT yang terdiri atas: • Real Plant (Data Center + Chiller) merupakan tempat sistem pendinginan berada dan dilengkapi dengan sensor sensor yang mengirimkan data ke sistem. • Sensor Transmitter yang berfungsi untuk mengumpulkan data dari sensor- sensor di real-plant dan mengirimkannya ke PLC. • PLC (Programmable Logic Controller) dengan tipe Omron CP2E yang berfungsi untuk mengontrol aktuator berdasarkan algoritma yang dibangun dan kondisi sensor serta mengirimkan data ke data logger di server IoT. • Aktuator adalah komponen pengontrol perangkat fisik dari real plant berdasarkan instruksi dari PLC. • IoT Server (Node-RED) digunakan sebagai server yang menjalankan platform Node-RED befungsi sebagai pusat pengolahan data, yang terdiri dari beberapa modul diantaranya: o Data logger dengan fungsi untuk mengumpulkan data dari PLC dan menyimpannya ke database (raw). o Data cleaning berfungsi untuk melakukan pembersihan dan pemrosesan data mentah dari data logger sebelum disimpan ke database yang bersih (clean). o Data historian berfungsi untuk menyimpan data bersih yang telah diproses untuk keperluan historisis dan analisis lebih lanjut. • Database (raw & clean) berfungsi untuk penyimpanan data, yang terbagi menjadi data mentah dan data yang telah diproses • MQTT Broker dibagi menjadi dua sinyal yang berfungsi sebagai penghubung antara IIoT server dan HMI (Human-Machine Interface) panel kontrol. Ada dua broker yang digunakan: o MQTT Broker 1 : Terhubung dengan HMI Panel Kontrol untuk pengendalian dan pemantauan sistem secara kontinu o MQTT Broker 2 : Terhubung dengan HMI lain untuk akses dan analisis data yang bersih. • HMI (Human Machine Interface) sebagai antarmuka pengguna yang memungkinkan operator untuk mengontrol dan memantau sistem. IV.2. Pemodelan Sistem Pendingin Berbasis Air Langkah pertama dalam menentukan rancangan instrumentasi serta model piping and instrument diagram yang akan dibangun, dibutuhkan model sistem ditinjau dari persamaan fisis keseimbangan massa dan energi. Diasumsikan sistem pendingin yang digunakan terdiri dari sebagian fluida kerja yang mengalir melalui penukar panas (heat exchanger) dan membawa energi panas keluar dari pusat data. Sehingga didapatkan persamaan sebagaimana berikut: !̇ !"= !̇ #$% (IV.1) !̇.(ℎ !"− ℎ #$%)= * &'(#)'* (IV.2) Kemudian, menguraikan persamaan entalpi pada h1 sebagai berikut: ℎ=+ + ., (IV.3) Dengan demikian, persamaan keseimbangan energinya menjadi: !̇ .+ + .(, !"− , #$%) = * &'(#)'* (IV.4) !̇ !" merupakan laju aliran massa masuk (kg/s) sedangkan !̇ #$%merupakan laju aliran massa keluar (kg/s), dan h merupakan entalpi air masuk dan keluar (J/kg), Q adalah kalor yang diambil oleh air dari sistem (W atau J/s) dan + +merupakan kapasitas panas air pada tekanan konstan (J/kg.℃) dengan T adalah suhu air (℃). Gambar IV. 2 Diagram Proses pemodelan sistem pendingin berbasis air Sehingga, dari persamaan tersebut dapat dimodelkan diagram prosesnya seperti ditunjukkan pada Gambar IV.2 termasuk titik pengukuran yang relevan untuk masa, suhu, dan energi yang diterima/diambil oleh air. Redundansi sensor diterapkan pada pompa dan penukar panas untuk mengukur laju aliran massa dan suhu dengan harapan dapat memastikan operasi proses pendingin pusat data dengan water chiller dapat bekerja dengan aman dan efisien. IV.3. Perancangan Sistem Instrumentasi Dengan pemodelan yang telah dihasilkan dibahas pada sub Bab IV.2 didapatkan perancangan sistem P&ID (Piping & Instrument Diagram) Proses pembuatan Piping & Instrument Diagram dalam penelitian ini memiliki skematis perancangan seperti pada Gambar IV.3, pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa kondisi Chiller 1 dan Chiller 2 direpresentasikan dengan CH.1 dan CH.2 yang kedua memiliki flow aliran air yang sama, yaitu terdapat mixing Pipe yang berguna sebagai sistem pencampuran sekaligus sistem redundancy untuk dapat mengaktifkan atau mematikan Chiller 1 dan Chiller 2 secara bergantian selama 12 jam sekali dengan berurutan dimulai dari chiller 1 dengan motor 1 yang dipresentasikan dengan CHWP 1. Kemudian, dilanjutkan dengan chiller 2 dengan motor 2 yang direpresentasikan oleh CHWP 2. Pada penelitian ini, controller yang digunakan adalah PLC dengan tipe CP2E yang memiliki fungsi untuk bisa membaca, serta mengontrol sistem pendinginan data-center dengan baik. Gambar IV. 3 Piping & Instrument Diagram Kemudian pada setiap bagian Air masuk dengan representasi anak panah merah, dari chiller 1 dan 2 sebelum melalui Mixing Pipe, terdapat Solenoid Valve (SV) pada setiap bagian chiller hal ini bertujuan menjaga aliran air pada sistem ini saat digunakan secara bergantian tidak masuk ke dalam chiller yang sedang tidak aktif. setelah Air berada pada mixing pipe, aliran air akan didorong oleh pompa untuk menuju kebagian In-rack Cooling melalui sistem percabangan pipa untuk memastikan distribusi air di dalam inrack cooling sama rata, dan untuk memastikan hal tersebut diberikan pemasangan sensor temperatur (TT) dan pressure (PT) saat air masuk dan kembali ke dalam chiller. IV.4. Perancangan Sensor, Aktuator, dan Antarmuka I/O Adapun dari sistem P&ID yang telah dibuat berdasarkan persamaan besaran fisis seperti yang ditunjukkan pada sub bab IV.3 terdapat beberapa sensor yang digunakan diantarainya sensor suhu, sensor tekanan, sensor aliran air, konverter 4- 20 mA ke RS485, VSD, serta pompa yang dinotasikan pada Gambar IV.4. Gambar IV. 4 Skematis dan notasi sistem IoT mesin pendingin pusat data Gambar IV.5 merupakan spesifikasi dari sensor suhu dan tekanan yang digunakan dalam penelitian. Sensor suhu dengan notasi TT (Temperature Transmitter) sensor suhu yang digunakan memiliki skala bacaan antara 0-80 ℃ dengan keluaran sinyal 0-10 volt. pemilihan sensor suhu ini didasari pada suhu kerja dari mesin pendingin berbasis air untuk pusat data berada pada kisaran suhu 15 – 25 ℃. Sensor Suhu Belimo 22HT-14 Output Signal : 4-20 mA Nominal voltage : DC 13.5 – 26.4 V Sensor technology : PT1000 1/3 DIN Measurement Range : 0℃ – 100 ℃ Sensor Tekanan Belimo 22WP-115 Output Signal : 0 - 10 volt Nominal Voltage : DC 13.5 – 26.4 V Sensor Technology : Strain Gauge on precious metal Measurement Range : 0 – 6 bar (a) (b) Gambar IV. 5 Spesifikasi sensor suhu (a) dan sensor tekanan (b) Adapun sensor tekanan menggunakan notasi PT (Pressure Transmitter) dengan skala bacaan 0-6 bar dengan keluaran sinyal 0-10 volt. sensor tersebut dipilih karena tekanan aliran air yang terdapat pada sistem berada pada skala bacaan 0-4 bar. Setiap aliran air yang keluar dari water chiller maupun yang kembali ke dalam water chiller dilakukan pengecekan kesetimbangan aliran air masuk dan keluar dari sistem. Ultrasonic Flow Sensor TUF-2000M Output Signal : 4-20 mA Nominal Voltage : DC 8 – 36 V Measurement principle : Ultrasonic flow meter Measurement Range : 86-106 Kpa Flow sensor Belimo FM50R-SZ Output Signal : DC 0.5 – 10 V Nominal Voltage : DC 21.6 – 28.8 V Measuring principle : Ultrasonic volume flow measurement Measurement Range : 0 – 5.76 l/s a b Gambar IV. 6 Spesifikasi sensor water flow return (a) dan sensor water flow intake (b) Peletakan flow sensor digunakan notasi FT dengan scaling pembacaan data 0-30 l/s 2 dengan keluaran sinyal 4-20mA. Sensor ini dipilih karena tingkat akurasi dari datasheet memiliki hasil yang bagus dan tipe yang digunakan dari sensor ini sesuai dengan aliran air pada plant dengan bacaan data antara 0-26 l/s 2 penempatan sensor flow ditunjukkan pada Gambar IV.6 yang merupakan spesifikasi sensor flow intake dan flow return. Gambar IV. 7 Spesifikasi Modul Konverter USR-DR302 Gambar IV.7 merupakan spesifikasi perangkat konverter RS485 ke Ethernet, perangkat tersebut digunakan untuk dapat melakukan proses kontrol dan akuisisi data dari keluaran sinyal berupa RS485 yakni power meter dan water chiller. Perangkat RS485 to ethernet yang digunakan dalam penelitian ini bertipe USR DR302 dengan spesifikasi komunikasi data masukan 1 channel perangkat RS485 ke ethernet. Adapun konfigurasi yang harus dituliskan dalam perangkat USR DR302 diantaranya adalah konfigurasi baud-rate, alamat register, serta tipe registernya, dan keluaran sinyal ethernet dengan pengaturan IP sesuai dengan kebutuhan. Gambar IV. 8 Wiring Diagram Inverter ATV 310 Pada Gambar IV.8 merupakan instalasi koneksi antara Inverter dengan centrifugal pump yang bertujuan untuk mengatur laju aliran air dalam internal sistem untuk menarik air balik dari inrack cooling 1 dan inrack cooling 2 kedalam mesin pendingin berbasis air. Inverter yang digunakan dalam penelitian kali ini adalah inverter 3 phase 3 kW untuk dapat melakukan kontrol kecepatan centrifugal pump dengan daya sebesar 1.5 kW dan konfigurasi pemasangan kabel Delta. Inverter yang digunakan pada penelitian ini merupakan tipe inverter ATV 310 yang digunakan karena memiliki spesifikasi sesuai dengan kebutuhan centrifugal pump yang digunakan yakni motor dengan daya sebesar 1.5 kW.