Komunikasi data perangkat lapangan: serial, bus dan alamat, protokol tanya-jawab, register, pemeriksaan galat, dan diagnosis

Sebuah laundry hotel menghubungkan enam mesin cuci dan dispenser bahan kimianya ke sebuah komputer pemantau melalui satu kabel bus yang berjalan dari mesin ke mesin. Selama setahun, layar pemantau menunjukkan langkah program, suhu, dan dosis setiap mesin dengan lancar. Lalu mesin ketujuh ditambahkan di ujung ruangan. Sejak hari itu, data semua mesin putus-putus, layar sering menulis "tidak ada tanggapan", dan sesekali suhu mesin ketiga melompat ke angka yang mustahil.

Teknisi yang memeriksa menemukan tiga masalah sekaligus. Mesin baru keluar dari pabrik dengan alamat bawaan yang sama dengan mesin ketiga, sehingga keduanya menjawab bersamaan. Resistor ujung kabel masih terpasang di mesin keenam, padahal ujung kabel sekarang di mesin ketujuh. Dan kabel ke mesin baru dibuat bercabang dari tengah jalur dengan cabang sepanjang sekitar 30 m. Tidak ada satu pun yang tampak dari layar; semuanya hanya muncul sebagai "komunikasi bermasalah". Bab ini menjelaskan cara kerja komunikasi data antarperangkat lapangan dan cara mendiagnosisnya lapis demi lapis.

Batas pembahasan

Bab ini membahas komunikasi data antarperangkat lapangan dari sisi teknisi servis: komunikasi serial, lapisan fisik, topologi bus, terminasi, pembumian, alamat, protokol tanya-jawab, register, pemeriksaan galat, komunikasi putus, dan diagnosis. Jaringan komputer kantor, internet, dan keamanan jaringan lanjut tidak dibahas. Komunikasi PLC dan HMI ada di Bab 66 · Kelistrikan & Kendali tentang PLC lanjutan; representasi bilangan, urutan byte, dan paritas di Bab 3 tentang bilangan dan representasi data di perangkat kendali; papan kendali di Bab 2 tentang papan kendali dan mikrokontroler; pengawatan panel di Bab 72 · Kelistrikan & Kendali tentang perakitan dan pengawatan panel; dan gangguan berselang di Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang diagnosis gangguan berselang. Keandalan dan keamanan perangkat lunak kendali dibahas di Bab 6.

Mengapa perangkat berkomunikasi

Banyak pemancar dapat tersambung pada satu media komunikasi dan berkomunikasi secara digital. Dibanding satu kabel sinyal analog untuk setiap besaran, komunikasi data membawa banyak besaran sekaligus di satu kabel: nilai ukur, keadaan, kode galat, penghitung, dan setelan, dua arah.

Pemrograman PLC dan protokol komunikasi dipandu oleh standar. Agar dua perangkat dapat bertukar data, keduanya harus sepakat pada tiga hal: sambungan listriknya, cara mengirim bit dan byte, dan arti setiap pesan. Ketiga kesepakatan itu disebut lapisan fisik, format pesan, dan protokol, dan setiap lapis dapat menjadi sumber masalah. Protokol (protocol) adalah kesepakatan tentang susunan dan arti setiap pesan yang dipertukarkan dua perangkat.

Komunikasi serial: bit demi bit

Komunikasi serial (serial communication) adalah pengiriman data satu bit demi satu bit di satu jalur. Sebuah modul, misalnya, dapat dipakai untuk pemrograman atau untuk masukan dan keluaran serial. Pada bentuk asinkron yang umum, setiap byte dibungkus dalam satu bingkai:

1. Satu bit mulai.
2. Tujuh atau delapan bit data.
3. Bit paritas, bila dipakai: genap, ganjil, atau tidak ada.
4. Satu atau dua bit henti.

Kecepatan dinyatakan dalam baud, yaitu bit per detik untuk bentuk ini. Setelan yang umum ditulis seperti "9600 8N1": 9.600 baud, 8 bit data, tanpa paritas, 1 bit henti. Kedua sisi harus memakai setelan yang persis sama; perbedaan satu hal saja, seperti paritas genap di satu sisi dan tanpa paritas di sisi lain, membuat semua pesan ditolak.

Waktu satu byte adalah jumlah bit dalam bingkai dibagi kecepatan. Waktu ini menentukan seberapa cepat semua perangkat di bus dapat ditanya, dan karena itu seberapa segar data di layar pemantau.

Lapisan fisik, topologi bus, terminasi, dan pembumian

Perangkat dapat disambung melalui port serial RS-232 pada komputer atau melalui Ethernet, dan perangkat lain melalui pengopel bintang atau bus RS-485. Perbedaan ketiganya:

1. RS-232: satu pengirim ke satu penerima, tegangan terhadap tanah, jarak pendek sampai belasan meter. Banyak dipakai untuk sambungan servis ke laptop.
2. RS-485: banyak perangkat pada satu pasang kabel, sinyal beda tegangan antara dua kawat sehingga tahan gangguan, jarak sampai sekitar seribu meter pada kecepatan rendah. Paling banyak dipakai untuk bus mesin dan instrumen.
3. Ethernet: jaringan kecepatan tinggi dengan sakelar jaringan, setiap perangkat berkabel sendiri ke sakelar, jarak setiap kabel tembaga sekitar 100 m.

Untuk komunikasi RS-485, pasangan kawat diberi nama A dan B, atau positif dan negatif, dan penamaan itu tidak seragam antarpabrik. Bila dua perangkat sama-sama berfungsi tetapi tidak dapat berbicara, kawat A dan B yang tertukar adalah dugaan yang wajar.

Bus RS-485 dibuat sebagai satu jalur yang berjalan dari perangkat ke perangkat, tidak bercabang seperti bintang. Terminasi (termination) adalah resistor di antara kedua kawat bus pada ujung jalur yang mencegah pantulan sinyal. Aturan yang umum:

1. Satu jalur dengan dua ujung: cabang dari jalur utama ke perangkat dibuat sependek mungkin. Untuk Modbus di atas RS-485, spesifikasi jalur serial Modbus membatasi setiap cabang paling panjang 20 m, seperti dibahas di Bab 66 · Kelistrikan & Kendali tentang komunikasi PLC; angka itu batas atas spesifikasi, bukan panjang anjuran.
2. Terminasi di kedua ujung: resistor sekitar 120 Ω di antara A dan B pada perangkat pertama dan terakhir, untuk mencegah pantulan sinyal. Terminasi di tengah atau lebih dari dua menambah beban.
3. Bias: resistor yang menahan bus pada keadaan diam yang jelas ketika tidak ada yang mengirim, biasanya di satu tempat saja.
4. Kabel pasangan terpilin berpelindung, dengan pelindung dibumikan di satu ujung untuk menghindari arus tanah, kecuali manual pabrik menyatakan lain.
5. Kawat acuan bersama di antara perangkat bila tersedia, supaya beda potensial tanah tidak melewati batas penerima.
6. Jumlah perangkat terbatas: jumlah perangkat dalam sebuah cincin, misalnya, dibatasi 27; setiap bus mempunyai batas jumlah perangkat menurut beban penerimanya.

Kabel bus tidak dijalankan sejajar rapat dengan kabel daya motor atau pengubah frekuensi, seperti dibahas untuk pengawatan panel di Bab 72 · Kelistrikan & Kendali tentang perakitan dan pengawatan panel.

Alamat dan protokol tanya-jawab

Pada bus dengan banyak perangkat, setiap perangkat diberi alamat unik. Protokol tanya-jawab (request-response protocol) adalah protokol dengan satu perangkat utama, biasanya pengendali pusat atau komputer pemantau, yang bertanya ke satu alamat, dan hanya perangkat beralamat itu yang menjawab. Protokol seperti ini paling umum di lapangan; perangkat lain diam selama tidak ditanya. Dengan modul komunikasi tertentu, sebuah relai pintar dapat menjadi perangkat pembantu dari PLC.

Setiap pertanyaan memuat alamat, kode fungsi yang menyatakan jenis permintaan, alamat data yang diminta, dan kode pemeriksaan. Jawaban memuat data atau kode pengecualian bila permintaan tidak dapat dilayani. Bila tidak ada jawaban dalam batas waktu tertentu, perangkat utama mencoba ulang beberapa kali, lalu menandai perangkat itu tidak bertanggapan.

Protokol yang dipakai luas di industri, seperti Modbus atau PROFIBUS, disebut di manual perangkat; setelan dan keluaran data, misalnya, dapat dilakukan melalui PROFIBUS DP. Kesulitan muncul karena standar komunikasi bus lapangan yang beragam. Perangkat dengan protokol berbeda tidak dapat langsung berbicara walaupun kabelnya sama; diperlukan perangkat penerjemah.

Register dan peta data

Register (register) adalah satu tempat data bernomor di perangkat lapangan, masing-masing 16 bit, dan data perangkat biasanya disusun sebagai deretan register. Peta register (register map) adalah daftar di manual perangkat yang memuat nomor register, artinya, satuan, skala, apakah bertanda, dan apakah boleh ditulis. Membaca register memerlukan semua informasi itu, seperti dijelaskan di Bab 3 tentang bilangan dan representasi data.

Sumber kesalahan yang paling sering adalah penomoran. Sebagian manual menomori register mulai dari 1 dengan awalan jenis, seperti 40001, sedangkan alat baca menomorinya mulai dari 0. Selisih satu nomor membuat yang terbaca adalah register sebelah, misalnya setelan suhu, bukan suhu sebenarnya. Nilai yang "masuk akal tetapi salah" sering berasal dari pergeseran nomor seperti ini, atau dari urutan byte dan urutan register yang terbalik.

Register yang boleh ditulis, seperti setelan dan perintah, diperlakukan sama hati-hatinya dengan tombol di panel mesin: menulis angka yang salah ke register setelan dari jarak jauh mengubah perilaku mesin tanpa ada orang di dekatnya.

Pemeriksaan galat, komunikasi putus, dan pemulihan

Gangguan listrik dapat mengubah bit di kabel. Setiap pesan karena itu membawa kode pemeriksaan. Paritas di setiap byte, yang dijelaskan di Bab 3 tentang bilangan dan representasi data, hanya menangkap sebagian galat. Pemeriksaan siklik (cyclic redundancy check) adalah angka 16 bit yang dihitung dari seluruh isi pesan; hampir semua protokol lapangan menambahkannya, dan penerima menghitung ulang angka itu dan membuang pesan bila tidak cocok.

Akibatnya, pesan yang rusak tidak menghasilkan data yang salah, tetapi menghasilkan tidak ada data: penghitung galat pemeriksaan naik, dan perangkat tampak tidak bertanggapan. Banyak alat baca dan pengendali menampilkan penghitung galat untuk setiap perangkat; penghitung yang naik terus menunjuk masalah lapisan fisik, seperti terminasi, gangguan, atau tabrakan karena alamat ganda.

Komunikasi pasti putus sesekali: kabel dicabut, perangkat dimatikan, gangguan sesaat. Setelah jalur komunikasi pulih, data diperbarui secara otomatis. Data basi (stale data) adalah nilai terakhir yang masih tampil setelah komunikasi putus, padahal tidak lagi menggambarkan keadaan sekarang. Hal yang harus dirancang:

1. Tanda data basi: layar menunjukkan bahwa nilai yang tampil adalah nilai terakhir dengan waktunya, tidak nilai sekarang.
2. Perilaku perangkat saat putus: perangkat lapangan melanjutkan programnya sendiri, atau masuk ke keadaan aman yang ditetapkan, tidak menunggu perintah selamanya.
3. Tidak menjadi jalur pengaman: berhenti darurat, kunci pintu, dan pengaman suhu tidak boleh bergantung pada komunikasi data biasa, seperti dibahas di Bab 6 tentang keandalan dan keamanan perangkat lunak kendali.
4. Pemulihan tanpa lonjakan: setelah tersambung kembali, perintah lama yang tertunda tidak dijalankan sekaligus tanpa diperiksa.

Diagnosis komunikasi dan alat bantunya

Dengan cara tertentu, penyebab gangguan dapat cepat diketahui. Untuk komunikasi, cara yang paling cepat adalah memeriksa lapis demi lapis, dari bawah ke atas:

1. Daya dan lampu tanda: perangkat menyala; lampu kirim dan terima berkedip saat ditanya.
2. Kabel: sambungan A, B, dan acuan; kabel tidak putus; cabang pendek; pelindung benar.
3. Terminasi: dengan semua perangkat mati, hambatan antara A dan B sekitar 60 Ω bila tepat dua terminasi 120 Ω terpasang.
4. Setelan: kecepatan, jumlah bit, paritas, dan bit henti sama di semua perangkat.
5. Alamat: setiap perangkat beralamat unik dan sesuai daftar perangkat utama.
6. Protokol dan register: kode fungsi, nomor register, skala, dan tanda sesuai manual.
7. Uji satu per satu: lepas sebagian perangkat dari bus dan uji ulang, untuk menemukan perangkat yang mengganggu.

Hasil setiap langkah dicatat. Seperti pada gangguan berselang di Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang diagnosis gangguan berselang, masalah komunikasi sering muncul hanya pada beban atau waktu tertentu, sehingga pencatatan penghitung galat selama beberapa hari kadang diperlukan.

Pemeriksaan komunikasi memerlukan alat yang sedikit berbeda dari pemeriksaan listrik biasa:

1. Multimeter: mengukur hambatan terminasi saat semua perangkat mati, tegangan diam di antara A dan B saat bus menyala, dan kesinambungan kawat. Tegangan diam yang mendekati nol, tanpa arah yang jelas, menunjuk bias yang hilang.
2. Pengubah serial ke USB dan perangkat lunak pembaca: laptop berperan sebagai perangkat utama untuk bertanya langsung ke satu alamat, di dekat perangkat yang dicurigai, dengan kabel pendek. Bila perangkat menjawab dari dekat tetapi tidak dari ujung bus, masalahnya di jalur.
3. Pemantau lalu lintas: laptop hanya mendengarkan bus tanpa mengirim, lalu mencatat setiap pertanyaan dan jawaban beserta waktunya. Pola seperti "alamat 3 selalu dijawab rusak" atau "jawaban datang terlambat" tampak jelas dari catatan ini.
4. Osiloskop: memperlihatkan bentuk sinyal. Pantulan karena terminasi yang hilang tampak sebagai riak di tepi bit; gangguan dari kabel daya tampak sebagai lonjakan yang tidak mengikuti irama bit.
5. Penghitung galat di pengendali atau layar pemantau: jumlah pesan berhasil, pesan rusak, dan batas waktu habis untuk setiap alamat, yang dicatat sebelum dan sesudah setiap perubahan.

Pemakaian laptop sebagai perangkat utama dilakukan dengan perangkat utama yang asli dilepas atau dihentikan sementara, karena dua perangkat utama di satu bus akan saling bertabrakan. Laptop dipakai hanya untuk membaca kecuali penulisan register sudah disetujui.

Menambah perangkat baru ke bus

Kasus pembuka menunjukkan bahwa sebagian besar masalah komunikasi muncul saat bus diubah. Urutan yang aman saat menambah perangkat:

1. Baca manual perangkat baru: protokol, setelan bawaan, cara mengubah alamat, peta register, dan apakah ada terminasi bawaan yang dapat dinyalakan atau dimatikan.
2. Setel alamat dan kecepatan sebelum disambung, memakai sambungan servis langsung, supaya perangkat baru tidak mengganggu bus saat pertama menyala.
3. Perpanjang jalur, jangan bercabang: kabel bus dibawa masuk ke perangkat baru dan keluar lagi, atau perangkat baru dipasang di ujung.
4. Pindahkan terminasi ke ujung baru, lalu ukur ulang hambatan A ke B sampai sekitar 60 Ω.
5. Tambahkan alamat baru di daftar perangkat utama, lengkap dengan peta register yang sesuai versinya.
6. Uji dan catat: penghitung galat semua perangkat diamati selama beberapa jam kerja normal, tidak hanya beberapa menit.
7. Perbarui gambar bus: urutan perangkat, alamat, letak terminasi, panjang kabel, dan setelan ditulis di gambar yang disimpan di panel.

Gambar bus yang tidak diperbarui adalah penyebab umum masalah di kemudian hari: teknisi berikutnya tidak tahu di mana terminasi berada atau alamat mana yang sudah dipakai.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: waktu satu siklus tanya. Setelan 9600 8N1 memakai 10 bit per byte, jadi satu byte $10/9.600 = 1{,}04$ ms. Satu pertanyaan 8 byte dan satu jawaban 25 byte, total 33 byte, butuh 34,4 ms, ditambah jeda balik sekitar 10 ms. Untuk tujuh perangkat, satu putaran tanya sekitar $7 \times 44{,}4 = 311$ ms, sehingga data setiap mesin diperbarui sekitar tiga kali sedetik.

Contoh 2: pengaruh perangkat yang mati. Batas waktu jawaban 200 ms dengan tiga kali coba. Bila satu perangkat mati, setiap putaran bertambah 600 ms, sehingga putaran menjadi sekitar 910 ms. Data mesin lain tampak lebih lambat walaupun tidak ada yang salah dengan mesin-mesin itu.

Contoh 3: mengukur terminasi. Dengan semua perangkat dimatikan, hambatan A ke B diukur. Hasil 60 Ω berarti dua terminasi 120 Ω terpasang sejajar, seperti seharusnya. Hasil 120 Ω berarti hanya satu terminasi. Hasil 40 Ω berarti tiga terminasi, seperti pada kasus pembuka setelah terminasi baru dipasang di mesin ketujuh tanpa melepas yang di mesin keenam dan satu lagi di tengah.

Contoh 4: alamat ganda. Mesin ketiga dan mesin baru sama-sama beralamat 3. Saat alamat 3 ditanya, keduanya menjawab bersamaan, sinyal bertabrakan, dan pemeriksaan siklik gagal. Penghitung galat hanya naik untuk alamat 3; mesin lain normal, kecuali putaran tanya yang melambat karena coba ulang. Mesin baru diberi alamat 7.

Contoh 5: data basi. Kabel bus ke mesin kelima terlepas saat pembersihan lantai. Layar pemantau masih menampilkan suhu 60 °C karena itu nilai terakhir. Setelah perbaikan, layar diatur menampilkan tanda abu-abu dan waktu pembaruan terakhir untuk setiap nilai yang lebih tua dari 10 detik, sehingga operator tahu nilainya tidak segar.

Contoh 6: panjang cabang. Cabang ke mesin ketujuh pada kasus pembuka sepanjang sekitar 30 m, atau 10 m di atas batas 20 m dari spesifikasi jalur serial Modbus yang dibahas di Bab 66 · Kelistrikan & Kendali tentang komunikasi PLC. Memendekkan cabang sampai di bawah 20 m memang memenuhi batas itu, tetapi perbaikan yang dianjurkan bab ini tetap membawa kabel bus masuk ke mesin ketujuh dan keluar lagi, sehingga mesin ketujuh menjadi ujung bus, lalu memindahkan terminasi ke sana dan mengukur ulang hambatan A ke B sampai sekitar 60 Ω.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan komunikasi dan minta keputusan penyelia atau pabrik bila:

1. Pengaman, berhenti darurat, atau kunci pintu ternyata bergantung pada komunikasi data biasa.
2. Penulisan ke register setelan atau perintah dari jarak jauh akan dilakukan tanpa izin pemilik mesin dan tanpa orang di dekat mesin.
3. Peta register yang dipakai tidak sesuai versi perangkat atau tidak jelas skalanya.
4. Kabel bus harus dijalankan bersama kabel daya atau melewati bagian bertegangan tanpa pemisahan yang memadai.
5. Masalah komunikasi menyebabkan mesin menjalankan perintah yang tidak diminta.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 66 · Kelistrikan & Kendali tentang PLC lanjutan memberi komunikasi PLC dan HMI, Bab 3 memberi representasi bilangan dan paritas, Bab 2 papan kendali, Bab 72 · Kelistrikan & Kendali pengawatan panel, dan Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis cara menangkap gangguan yang berselang. Bab 6 membahas keandalan dan keamanan perangkat lunak kendali. Bus RS-485 di bab ini juga dipakai pembaca kartu OSDP pada panel kendali akses pintu di Bab 94 · Kelistrikan & Kendali; menurut manual panel yang dibahas bab itu, bus harus seri, dengan terminasi 120 Ω di kedua ujung, kabel pasangan terpilin berpelindung, dan alamat berbeda untuk setiap pembaca. Ethernet, alamat IP, dan diagnosis lapis demi lapis dipakai lagi pada kamera IP dan perekam video jaringan CCTV di Bab 95 · Kelistrikan & Kendali.

Latihan dan pembahasan