Bab II Konsep Pengontrolan dengan Komputer - Bab II Konsep Pengontrolan dgn komputer

Bab II Konsep Pengontrolan dengan Komputer Secara sederhana diagram sistem pengontrolan dengan komputer (Computer Control System)

  u(nT) c(t) r(nT) e(nT) u(t)

  Hold

• Controller

  Plant (DAC)

  T +

• c(nT)

  Sampling (ADC)

  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

  Komputer Digital

  PROSES Aktuator

  Aktuator Aktuator

  Pengawasan Manusia dan/atau Komputer Set point

  Variabel yang diukur Input- input Proses

  Output- output Proses 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:

  t 

  

1 de ( t )

m ( t ) K e t e ( t ) dt T

     p   d

   

   T dt i

    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 FT

  Pressure transducer PT transducer FT

  Oil steam pressure flow

  Pressure PC controller

  Air flow Set

  HI point Combustion

  High signal R CC controller selector

  Ratio Auto/ unit

  Manual Oil Flow

  FC Base LO

  Controller Setpoint station

  Air flow Low signal

  Controller selector FC

  Oil

Feedback Control

  Process Controller

  Disturbances Measured outputs

  Unmeasured outputs Manipulated variables

  Set points

Inferential Control

  Disturbances Manipulated variables

  Process Measured

  Measured Outputs

  Variables used (Controlled

  Unmeasured outputs To estimate

  Variables) (Controlled variables)

  Unmeasured outputs Estimator

  Controller Estimates of Unmeasured outputs (Controlled variables)

Feedforward Control

  Measurement Controller Process

  Disturbances Unmeasured outputs

  Measured 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)

  Adjustment mechanism Controller

  Process Parameter adjustments

  Auxiliary measurement Auxiliary measurement

  Setpoints

  Programmed adaptive control (2) (External environment (open loop))

  Adjustment mechanism Controller

  Process Parameter adjustments

  Auxiliary measurement Auxiliary measurement

  Setpoints Disturbances (changes in environment)

Self-Tuning Adaptive Control

  Parameter adjustment Parameter estimator

  Process Controller

  X

  Set point Controlled variables

  Manipulated variables

Model-reference Adaptive Control

  Disturbances Reference

  Model Adaptation

  X mechanism Disturbances

  Controlled error

• Output Process Controller

  X

• Setpoint

  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 Measured

  Set points variables C C C A

  Process Process

  A Process inputs outputs

Contoh Supervisory plant: Evaporator plant

  Supply of material Steam Supply

  Heat exchanger steam

  Steam condensers Evaporators

  PT PT

  Pressure transducer Concentrated

  Recirculating solution

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

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 Computer

  A Computer

  B Management information

  Switch Control

  Station Interface

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 Long

  (orders) 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

  Manager

Batch Control using Hierarchical Systems

  Resources Production Sche- duling

  Process accounts Supervisor

  Recipe initiation Unit operations

  Coordination Data highway

  Unit Control Unit Control Recipe 1 Product data

  Operation Sequence

  Production scheduling Recipe store

  Recipe n Operation FILL

  Task to be carried out during FILL

  Operation store Operation x

  Unit T Measurement control report

  Process unit Select

  Operation select

  Batch Control (Software)

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

  Micro- computer Micro- computer Micro- computer Micro- computer

  Micro- computer Micro- computer

  Micro- computer Serial highway

  Level 5 supervisory control

  Level 4 Operator communication

  Level 3 Sequece

  Control Level 2

  DDC Level 1

  Measurement/ actuation

  

Distributed and hierarchical Systems

  

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

Human-Computer Interface (HCI)

• • Setiap informasi keadaan dan operasi suatu plant