Bab II Konsep Pengontrolan dengan Komputer Secara sederhana diagram sistem pengontrolan dengan komputer (Computer Control System) Controller Hold (DAC) Plant Sampling (ADC) + r(nT) e(nT) u(nT) T u(t) c(nT) - c(t) c(nT), r(nT), e(nT), u(nT) adalah nilai sampling dari c(t), r(t), e(t) dan u(t) untuk waktu sampling nT dengan n adalah bilangan integer dan T adalah perioda sampling

Pada proses pengontrolan dengan komputer ini setiap besaran terukur analog dari plant harus mengalami proses digitalisasi melalui proses sampling. Waktu yang diperlukan komputer untuk mengeluarkan variabel pengontrol u(nT) tidak boleh perioda sampling. Waktu ini termasuk proses sampling, kuantisasi sampai dengan perhitungan variabel pengontrol u(nT). Batasan waktu ini menjadi batasan waktu nyata bagi proses pengontrolan tersebut.

Jenis Proses Plant Agar berbeda dengan proses pada pengertian sistem operasi maka proses yang dikontrol pada plant disingkat dengan proses plant. Jenis Proses pada Plant adalah: - Batch - Kontinu - Gabungan Batch dan Kontinu Pada Proses Batch : Proses dilakukan dalam suatu urutan operasi untuk menghasilkan suatu produk (batch). Urutan proses ini akan diulang lagi untuk menghasilkan batch berikutnya. Contoh: Pembuatan rol pelat baja dari ingot (baja panas)

Proses Kontinu Istilah kontinu digunakan untuk proses yang produksinya dikelola untuk perioda waktu yang lama tanpa penyelaan, bisa dalam orde bulanan atau tahunan. Misal pada pengolahan minyak mentah menjadi beberapa produk bahan bakar. Proses gabungan Batch dan Kontinu Proses ini menggunakan bath pada beberapa sub proses. Misalnya pada pembuatan donat yang mempergunakan roda berjalan

Beberapa terminologi yang akan dibahas Urutan Pengontrolan (Sequence Control) Loop Control pada Direct Digital Control Konfigurasi pengontrolan dalam mengatasi disturbances Pengawasan Pengontrolan (Supervisory Control) Pengontrolan terpusat (Centralised Computer Control) Pengontrolan terdistribusi (Distributed Control System) Sistem Berjenjang (Hierarchical System) Human-Computer Interface (HCI)

Sequence Control Setiap proses manufaktur yaitu proses yang menghasilkan suatu produk dari olahan bahan mentah memerlukan urutan dalam proses produksinya. Misal pada suatu reaktor (wadah tempat terjadi reaksi) pada pabrik pupuk urea yang bahan mentahnya terdiri dari beberapa zat kimia fosfat. Proses pembuatan di dalam reaktor ini memerlukan ketepatan dalam mencampurkan kuantitas dan ketepatan pewaktuan. Setiap proses dilakukan berdasarkan urutan yang sudah ditentukan bahkan proses pengaduk pun ada aturannya. Diperlukan banyak sensor untuk mengetahui kondisi setiap keadaan. Umumnya sequence control tidak mempergunakan umpan balik karena kuantitas bahan sudah dipersiapkan atau dicek terlebih dahulu. Pada jaman dulu digunakan relay, discrete logic, integrated circuit sekarang dengan programmable logic controller (PLC)

Loop Control pada Direct Digital Control Pada Direct Digital Control, komputer berada pada lup feedback. Beberapa Lup Kontrol ditangani hanya oleh satu komputer. Komputer menjadi komponen kritis yang menentukan berjalannya proses. Sehingga kehandalan komputer menjadi penting dan ketepatan perhitungan DDC harus dijaga. Misal jangan sampai output dari DDC melebihi batas kenaikan dari aktuator.

Direct Digital Control dengan Loop Controlnya Pengawasan Manusia dan/atau Komputer Variabel yang diukur Set point Komputer Digital PROSES Aktuator Output- output Proses Input- input Proses Aktuator Aktuator

Kelebihan DDC dibandingkan dengan pengontrol analog: Harga, dengan kemampuan sebuah komputer digital mengontrol beberapa lup kontrol maka harganya lebih dibandingkan pengontrol analog Kinerja, Kontrol digital menawarkan kemudahan dalam pemakaian berbagai algoritma kontrol, akurasi tinggi dan mengurangi drift Aman, perangkat digital modern memiliki MTBF (mean-time between failure) yang tinggi sehingga sistem jarang shut down. Meskipun softwarenya tidak terlalu handal dibandingkan dengan hardware karena software mudah rusak. (virus, dan gangguan sistem operasi)

Algoritma yang digunakan pada DDC perkembangannya sangat lambat dari tahun 1950-an sampai sekarang masih ada yang menggunakan algoritma pada pengontrol analog yaitu PID (Proportional + Integral + Derivative) Algoritma pengontrol PID: e(t) = error = r(t) – c(t) r(t) = set point (nilai acuan) c(t) = variabel terukur Kp= Konstanta proporsional (Gain) Ti = Waktu aksi integral Td = Waktu aksi derivatif

Aplikasi DDC dan Konfigurasi Pengontrolan DDC dapat diaplikasikan pada single loop (berupa microcontroller) atau pada beberapa lup. Jenis-jenis lup kontrol yang digunakan DDC - Kaskade Pada lup kaskade keluaran suatu sistem menjadi setpoint bagi sistem yang lain - feedback - Inferential Output feedback diukur secara tidak langsung karena tercampur (interfer) oleh besaran lainnya - Feedforward Biasanya digunakan pada industri proses untuk mengukur disturbances daripada output proses - Adaptive Control atau self-tuning control

Contoh Cascade Loop: Boiler Control Flow transducer FT PT Pressure transducer steam pressure FT Oil flow PC Pressure controller Air flow Set point HI Combustion controller High signal selector R CC Ratio unit Auto/ Manual Base station FC LO Oil Flow Controller Setpoint Air flow Controller Low signal selector FC Oil Air To burner

Feedback Control Disturbances Manipulated variables Measured outputs Process Unmeasured outputs Controller Set points

Inferential Control Disturbances Manipulated variables Process Controller Estimator Disturbances Manipulated variables Unmeasured outputs (Controlled variables) Measured Outputs (Controlled Variables) Variables used To estimate Unmeasured outputs Estimates of Unmeasured outputs (Controlled variables) Set points

Feedforward Control Disturbances Measurement Controller Process Measured outputs Unmeasured outputs

Adaptive Control Terdapat tiga bentuk adaptive control: - Preprogrammed adaptive control (Gain scheduled control) Terdapat pengukuran tambahan (auxiliary measurement) pada proses yang digunakan untuk menambah parameter pengaturan pada Pengontrol. Misal ketinggian permukaan air dijadikan pengubah pengontrol temperatur - Self-tuning Perubahan di lingkungan luar digunakan untuk menentukan parameter pengontrol. Misal : Perubahan ketinggian dijadikan parameter untuk mengontrol tekanan udara pada pesawat terbang, kondisi suhu dan kecepatan angin untuk mengontrol kondisi udara di dalam bangunan - Mode-reference adaptive control Pengontrol memasukkan disturbance ke proses dan mengukur responnya. Responnya dibandingkan dengan suatu model dan parameter diatur agar responnya sesuai dengan yang diinginkan

Programmed adaptive control (Auxiliary Process Measurement) Parameter adjustments Adjustment mechanism Auxiliary measurement Setpoints Process Controller Auxiliary measurement

Programmed adaptive control (2) (External environment (open loop)) Parameter adjustments Disturbances (changes in environment) Adjustment mechanism Auxiliary measurement Setpoints Process Controller Auxiliary measurement

Self-Tuning Adaptive Control Parameter adjustment Parameter estimator Set point + Controller Process X Controlled variables - Manipulated variables

Model-reference Adaptive Control Disturbances Reference Model Adaptation mechanism X Disturbances Controlled Output error + Controller Process X - Setpoint

Human and/or computer supervision Set points Supervisory Control Berbeda dengan direct digital control, terdapat beberapa pengontrol (bisa komputer atau pengontrol lain) yang berdiri sendiri diberi simbol C. tetapi dipantau oleh komputer pemantau Human and/or computer supervision Set points Measured variables C C C A Process Process inputs Process outputs A A

Contoh Supervisory plant: Evaporator plant Supply of material steam PT Steam condensers Heat exchanger Pressure transducer PT Recirculating solution Steam Supply Evaporators Concentrated product

Cara Kerja : Evaporation Plant Kedua evaporator dikoneksikan secara paralel dan larutan bahan dimasukkan ke setiap unit. Tujuan dari plant ini adalah mengevaporasi air sebanyak mungkin dari larutan. Uap bertekanan tinggi (steam) disupplai ke heat exchanger yang ditempelkan pada evaporator pertama. Perlu dijaga kesetimbangan antara kedua evaporator jangan sampai evaporator pertama terlalu banyak menghasilkan uap sehingga mengancam batas ambang keselamatan dari evaporator kedua. Skema pengontrol terpantau perlu untuk menjaga kesetimbangan ini.

Centralised Computer Control Pada era 1960-an pengontrolan menggunakan hanya sebuah komputer untuk seluruh plant karena harganya komputer mahal. Perbedaan skala waktu dari task dan faktor keamanan menjadi masalah penting saat beberapa loop control dikelola olah sebuah komputer. Misal loop feedback membutuhkan perhitungan dalam dalam ukuran detik sementara itu datang permintaan alarm dan switching dalam waktu kurang dari satu detik. Selain itu supervisory control memerlukan interval waktu perulangan dalam menit, dan pengaturan produksi dalam satuan hari. Pada era 1960-an ini MTTF dari perangkat komputer dalam satuan beberapa jam!

Solusi-solusi mengatasi kelemahan pengontrolan terpusat (Centralised control) Digital Control dengan analog digital sebagai backup. Didasari pada kontrol analog yang memperbolehkan adanya sinyal digital control dari komputer langsung ke aktuator. Jika pada waktu tertentu tidak ada sinyal dari komputer maka pengontrol analog akan mengambil alih Penggunaan lebih dari satu komputer pengontrol yang bersifat redundan. Komputer yang satu akan bekerja (change over) secara otomatis saat komputer lain tidak berfungsi (automatic failure detect)

Dual Computer Scheme (Dengan automatic failure detection) Standard peripherals Management information Computer A Computer B Switch Control Station Interface Plant

Hierarchical Systems Sistem ini berdasarkan sistem pengambilan keputusan. Setiap elemen keputusan menerima perintah dari tingkat di atasnya dan mengirim balik informasi yang dihasilkannya. Ditingkat bawah kecepatan tinggi diperlukan untuk problem sederhana dan makin ke tingkat atas kekompleksitasan semakin tinggi diperlukan respon waktu yang cepat.

Information Commands (orders) Constraints Constraints Decision maker Information Information Information Commands (orders) Long Top Level (single decision centre) Decision time-scale Intermediate Short Bottom level (many decision centres)

Contoh sistem berjenjang Terdapat sistem batch yang terdiri dari tiga tingkat : manajer, supervisor dan unit control Fungsi-fungsi di manager (alokasi sumber daya, jadwal produksi, dll). Misal dari informasi dari unit control seperti sales order, stock level dll akan dibuat jadwal produksi per harian Kemudian jadwal produksi ini akan diberikan kepada supervisor untuk dicocokan dengan informasi gudang dan operation sequence. Saat suatu unit siap maka informasi produksi ( set point, alarm condition, tolerance) akan di load ke unit controller Supervisor akan menerima report dari unit proses

Batch Control using Hierarchical Systems Manager Resources Production Sche- duling Process accounts Batch Control using Hierarchical Systems Supervisor Recipe initiation Unit operations Coordination Data highway Unit Control Unit Control Process Process

Batch Control (Software) Recipe store Recipe n Production scheduling Recipe 1 Product data Operation Sequence Operation store Operation x Operation select Operation FILL Task to be carried out during FILL Process unit Select Unit T Measurement control report

Distributed Systems Setiap unit mengerjakan task yang sama Jika terjadi kegagalan atau beban berlebih, maka task-nya dapat dialihkan ke unit yang lain Pekerjaan tidak dipecah berdasarkan fungsi dan dan dialokasikan pada komputer tertentu seperti pada hierarki system. Melainkan total kerja dibagi dan disebarkan ke beberapa komputer

Tantangan Distributed System Alokasi task antara komputer harus dinamik, diperlukan mekanisme yang mengecek selesainya suatu task dan memberika beban baru pada setiap komputer. Karena setiap komputer harus mengakses semua informasi pada sistem maka diperlukan bandwidth yang tinggi Solusi : Menggabungkan sistem terdistribusi dan sistem berjenjang dengan mendistribusikan beban komputasi

Distributed and hierarchical Systems Micro- computer Serial highway Level 5 supervisory control Level 4 Operator communication Level 3 Sequece Control Level 2 DDC Level 1 Measurement/ actuation P L A N T

Keuntungan penggabungan Sistem Terdistribusi dan Sistem Berjenjang Kemampuan sistem menjadi meningkat dengan sharing task antara prosesor Sistem menjadi fleksibel dan lebih mudah menetapkan standar karena hanya meninjau single task pada setiap unit Kegagalan tidak menyebabkan seluruh sistem tidak bekerja. Perpindahan ke sistem cadangan lebih mudah diadakan karena hanya perunit yang diamati Pergantian hardware dan software lebih mudah Linking dengan serial highway memungkinkan unit komputer lebih tersebar. Tidak perlu memasang kabel dari transduser ke ruang pengontrol utama

Human-Computer Interface (HCI) Setiap informasi keadaan dan operasi suatu plant harus dapat ditampilkan pada layar operator Perlu adanya interaksi operator dengan plant sehingga operator bisa mengubah set point, penyetel aktuator dan mengetahui kondisi alarm. Tampilan dari proses yang berjalan dan operasi yang sudah lewat harus dapat dimonitoring dengan mudah Plant manager memerlukan akses informasi seperti tampilan grafik, summary dari operasi kerja dari hari ke hari dan history dari plant. Analisa data secara statistik diperlukan.