Pengembangan Laboratorium Maya Pengendalian Proses
Abdul Wahid dan Dimitri H. Anggoro Laboratorium Sistem Proses Kimia
Departemen Teknik Gas dan Petrokimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus UI Depok, Depok 16424 Tel. 7863515, 7863516
Email: wahid@che.ui.edu Abstrak
Pengendalian proses merupakan ilmu yang memerlukan percobaan untuk dapat dipahami. Sebuah laboratorium maya dapat dibuat untuk proses tersebut dengan memanfaatkan sistem jaringan komputer, lokal maupun internet. Sistem proses, ditampilkan sebagai fungsi alih G(s)=Y(s)/X(s), dimodelkan dengan program MATLAB dan dihubungkan dengan MATLAB Web Server. Model dibuat 3 jenis: CSTR isotermal, sistem dinamik orde satu/dua dan sistem pengendalian heat exchanger. Model dites dengan pemberian input untuk dilihat kurva step responnya, melalui tampilan antar muka pada browser web. Hasil pengujian menunjukkan hubungan antara model, di komputer server, dan pengguna, di komputer client, dapat terjadi dengan memuaskan secara konsisten.
1. Pendahuluan
Para praktisi bidang ilmu alam murni dan keteknikan sering melakukan percobaan di laboratorium untuk membuktikan kebenaran sebuah teori atau konsep yang penting. Pada beberapa bidang ilmu hubungan yang jelas antara teori dan hasil nyatanya hanya bisa didapat dengan melakukan percobaan.
Laboratorium maya (virtual laboratorium) menjadi salah satu jawaban bagi masalah yang dihadapi dalam melakukan percobaan ilmiah. Ia merupakan penggabungan proses simulasi sebuah percobaan yang terhubung dan dapat dijalankan melalui internet[1]
Pengendalian proses merupakan sebuah ilmu yang memerlukan percobaan untuk dapat dimengerti.
Sebuah laboratorium maya dapat dimanfaatkan sebagai alat bantu pengajaran dan percobaan.
Laboratorium maya dibuat dengan membuat program aplikasi MATLAB yang berisi model sistem pengendalian proses. Program ditempatkan pada komputer server yang dapat diakses komputer lain, secara lokal maupun lewat internet, dengan bantuan web browser. Untuk menghubungkannya digunakan MATLAB Web Server dan Apache Web Server.
Data input dimasukkan melalui sebuah tampilan muka yang akan diolah oleh program MATLAB menjadi grafik hasil. Grafik ini akan dikirimkan ke komputer client dan dapat dilihat pada tampilan muka.
2. Metodologi
2.1 Persiapan Hardware dan Software
Hardware yang dibutuhkan adalah komputer dengan sambungan jaringan lokal atau internet.
Sedangkan software yang digunakan antara lain:
• MS Windows 2000 dengan Service Pack 4
• MS Internet Explorer 6.0 dan Mozilla 1.6
• MathWorks MATLAB versi 6.5 ke atas
• MathWorks MATLAB Web Server
• Apache Web Server versi 1.3.27
2.2 Pemasangan MATLAB dan Apache
MATLAB Web Server dipasang saat memasang MATLAB kemudian Apache dipasang setelahnya. Keduanya akan bekerja di lingkungan Windows sebagai aplikasi service.
Untuk langkah awal nama server menggunakan alamat 127.0.0.1 atau localhost dan nama administrator diisi dengan namaanda@127.0.0.1[2]. Kedua hal ini bisa dirubah melalui file httpd.conf jika diperlukan nanti.
2.3 Pengaturan dan Pengujian Apache dan MATLAB Web Server
Tahapan yang sangat penting karena menentukan apakah input dari tampilan muka bisa diterima
Pengujian hubungan Apache dilakukan dengan mengakses alamat IP http://127.0.0.1 atau http://localhost melalui browser. Halaman yang ditampilkan dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Halaman pembuka Apache Web Server
Pengujian hubungan MATLAB Web Server dilakukan dengan mengakses alamat IP yang sama.
Namun diperlukan beberapa perubahan antara lain[3]:
• Mengubah file matweb.conf dengan memasukkan alamat server pada bagian mlserver dan lokasi M- file program aplikasi pada mldir.
• Mengubah file matlabserver.conf jika diperlukan pengaksesan server untuk lebih dari satu client pada waktu yang bersamaan.
• Mengubah file httpd.conf milik Apache pada bagian /DocumentRoot, /cgi-bin dan /icons dengan mengisi lokasi M-file dan file HTML untuk tampilan muka diletakkan.
Halaman yang ditampilkan dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Halaman file contoh MATLAB Web Server
2.4 Model Pengendalian Proses
Penelitian menggunakan tiga buah pemodelan sistem proses yaitu reaktor CSTR isotermal, sistem dinamik orde tinggi dan sistem pengendalian temperatur heat exchanger.
Pada ketiga model dilakukan pengujian unit step (1/s) dan dilihat kurva respon stepnya. Sistem dimodelkan dalam bentuk fungsi alihnya,
) (
) ) (
( X s
s Y Input Output s
G = = (1)
dengan:
• Y(s) = output proses
• X(s) = input proses
Fungsi alih dari CSTR isotermal adalah
Vk F
V Vk
F Kp F
s Kp s Ca
s s Ca Gp
= +
= +
= +
=
τ τ
dan dengan
1 ) ( 0
) ) ( (
(2)
Fungsi alih sistem dinamik orde tinggi adalah
C Bs As
Z Ys s Xs
G + +
+
= 22+ )
(
(3)
Notasi X, Y, Z, A, B dan C dapat diganti dengan nilai apapun, tergantung sistem proses yang akan diuji.
Penelitian ini menggunakan sistem dinamik orde dua dan sistem paralel untuk pengujiannya.
Fungsi alih sistem pengendalian temperatur HE adalah[4]
)]
( ) ( ) ( ) ( [ 1
) ( ) ( ) ( )
( ) ) (
( Gcs Gvs Gss Ghs
s Gs s Gv s Gc s
T s s T G set
⋅
⋅
⋅ +
⋅
= ⋅
= (4)
dengan:
• Gc(s) = fungsi alih kontroler PID = (1 1 T s) s
Kc T d
i
+ +
• Gv(s) = fungsi alih valve kontrol = 1 016 , 0
+ s Tv
• Gs(s) = fungsi alih laju alir steam = +1 s T
K
s s
• Gh(s) = fungsi alih sensor-transmiter = 1 1
+ s Th
Untuk model sistem pengendalian temperatur HE proses tuning kontroler PID dilakukan dengan menggunakan dua metode yaitu metode online dan metode PRC.
Maksud dari tuning adalah memperkecil kesalahan (error) antara hasil respon sistem dan setpointnya, baik karena sistem dikenai perubahan setpoint (servo) maupun karena adanya gangguan (regulatory). Parameter kontroler yang diatur adalah harga Kc, Ti dan Td.
2.5 File Fungsi M-file
File ini adalah file MATLAB yang berisi kode program untuk menerima input data dan mengolahnya menjadi sebuah gambar hasil. Pengolahan yang dilakukan adalah membuat gambar kurva respon step dari sebuah fungsi alih yang kita tentukan. Ada tiga file yang dibuat yaitu orde1.m, orde2.m dan he.m. Isi dari file orde1.m adalah sebagai berikut:
function skr = orde1(h)
%SKR = ORDE1(H) membuat grafik hasil perhitungan fungsi alih
%dengan K dan T sebagai data input awal
F = str2double(h.F);
%mengubah nilai string dan menjadikannya input V = str2double(h.V);
K = str2double(h.K);
mlid = getfield(h, 'mlid');
cd(h.mldir);
wscleanup('ml*labmaya.jpeg', 1);
%menghapus file grafik yang dibuat 1 jam yang lalu
f = figure('visible','on'); % garis kurva grafik terlihat nyata T = V/(F+V*K);
Kp = F/(F+V*K);
den = [T 1]; % denominator Ts+1 step (num,den);
% menampilkan grafik step response fungsi alih
box off; % menghilangkan kotak sumbu
title('Step Response dari Fungsi Transfer');
% memberi judul grafik
xlabel('Waktu (Detik)');
% memberi label sumbu x ylabel('Amplitude'); % memberi label sumbu y grid on; % memberi garis grid pada grafik set(gcf, 'PaperPosition', [0 0 7 5]);
% mengatur tinggi dan lebar grafik
drawnow; % mulai menggambar grafik s.GraphFileName = sprintf('%slabmaya.jpeg', mlid);
%mencetak dan menyimpan grafik wsprintjpeg(f, s.GraphFileName);
%menyimpan grafik di direktori /icons, ditentukan pada httpd.conf
s.GraphFileName = sprintf('/icons/%slabmaya.jpeg', mlid);
close all;
templatefile = which('labmayagraph.html');
skr = htmlrep(s, templatefile);
2.6 File HTML Tampilan Muka
Tampilan muka dibuat dua macam yaitu untuk memasukkan dan mengirim nilai input serta untuk menampilkan gambar hasil. Keduanya diletakkan dalam satu buah halaman berjensi frame sehingga tidak perlu berpindah jendela browser.
Pemasukan dan pengiriman input memanfaatkan fasilitas form pada bahasa HTML dengan bantuan program CGI matweb.exe (dari MATLAB Web Server)[3,5].
Gambar 3 menunjukkan tampilan muka awal untuk sistem pengendalian temperatur HE.
Gambar 3. Tampilan awal sistem pengendalian temperatur HE
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan
3.1 Model File Fungsi Orde1.m
Orde1.m mewakili sistem proses CSTR isotermal. Nilai yang dimasukkan adalah nilai laju alir, volume reaktor dan kecepatan laju reaksi. Besar nilai yang dimasukkan untuk F=0,085, V=2,1 dan k=0,04.
Kurva respon sistem ditunjukkan oleh Gambar 5.
Gambar 5. Respon step CSTR isotermal (F=0,085)
Terlihat pada grafik hasil respon step adanya sebuah kurva yang naik secara cepat di awal respon (bentuk kurva cembung) menuju suatu nilai tertentu dan mendatar setelah itu. Kurva seperti ini merupakan karateristik khas dari sebuah sistem dinamik orde satu
.
3.2 Model File Fungsi Orde2.m
Orde2.m mewakili sistem dinamik orde tinggi. Fungsi alih yang diujikan adalah untuk sistem dinamik orde satu, orde dua dan sistem paralel.
Sistem dinamik orde satu dibuat dengan memberi nilai 0 (nol) untuk notasi X, Y dan A. Kurva respon akan berperilaku seperti pada Gambar 5. Sedangkan sistem dinamik orde dua dibuat dengan memberi nilai 0 (nol) untuk notasi X dan Y. Tabel 1 menunjukkan harga yang digunakan dalam percobaan.
Tabel 1. Harga ξ, Z, A, B, dan C
Z A B C ξ Keterangan
1 0,09 0,06 1 0,1 Underdamped 1 0,09 0,24 1 0,4 Underdamped 1 0,09 0,6 1 1 Critically damped 1 0,09 0,9 1 1,5 Overdamped Gambar 6 menunjukkan kurva respon untuk nilai ξ=0,4
. Gambar 6. Respon step sistem dinamik orde dua (ξ=0,4)
Sistem paralel adalah gabungan dua atau lebih sistem proses sederhana. Hubungan ini akan menyatukan fungsi alih masing-masing sistem dan menghasilkan fungsi alih dengan orde yang lebih tinggi.
Penelitian ini menggunakan hubungan antara dua buah sistem kecil. Fungsi alih dari sistem paralel yang digunakan[6]
) (
) (
) (
) 1 )(
1 (
) 1 (
) 1 ( ) 1 ( ) (
) (
2 1
1 2 2 1 3
2 1
2 1
3
2 2 1
1
K K
K K
K K Kp
s s
s K
s K s
K s X
s Y
+
= + +
=
+ +
= +
+ +
= +
τ τ τ
τ τ
τ
τ τ
(5)
Ditentukan nilai K=1, τ1=2 dan τ2=1. Nilai τ3 divariasikan antara -2 hingga 4[6]. Gambar 7 dan Gambar 8 menunjukkan kurva respon untuk nilai τ3= -2 dan τ3=4
Gambar 7. Respon sistem paralel (τ3= -2)
Gambar 8. Respon sistem paralel (τ3= 4)
3.3 Model File Fungsi he.m
he.m mewakili sistem pengendalian temperatur HE. Penelitian mencoba melakukan tuning kontroler PID dengan metode online dan PRC.
Metode tuning online dilakukan dengan menggunakan nilai pada Tabel 2[4].
Tabel 2. Nilai awal sistem pengendalian temperatur HE Variabel Nilai
Kcu 23,8 Ti 10000 Td 0 Ks 50 Ts 30 Tv 3 Th 10
Nilai Ti dibesarkan dan Td diberi 0 (nol) untuk membuat kontroler berlaku sebagai kontroler proporsional. Lalu dicari nilai ultimate gain (Kcu) dari sistem. Kcu diperoleh ketika respon menunjukkan perilaku stabil marjinal seperti ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 9. Respon step sistem HE (Kcu=23,8; Ti=10000; Td=0)
Dari kurva didapat nilai Tu (ultimate gain) untuk digunakan dalam rumus tuning quarter decay dari Ziegler-Nichols[4] untuk mendapatkan nilai Kc, Ti dan Td optimum. Gambar 10 menunjukkan hasil respon sistem dengan nilai Kc, Ti dan Td yang optimum.
Gambar 10. Respon step sistem HE (Kc=14; Ti=14,35; Td=3,5875)
Metode tuning PRC dilakukan dengan mencari fungsi alih first order plus dead time (FOPDT) dari sistem. Metode yang digunakan ada tiga fit (pencocokan) dimana Fit 3 adalah metode yang paling akurat[2].
Parameter yang digunakan adalah K, τ dan t0 (dead time). Nilai parameter dimasukkan ke dalam rumus tuning quarter decay (Ziegler-Nichols) untuk metode PRC[4]. Gambar 11 menunjukkan hasil respon untuk nilai Kc, Ti dan Td optimum dari metode Fit 3.
Gambar 11. Respon step sistem HE (Kc=4,527; Ti=22,4; Td=5,6)
Dari Gambar 10 dan Gambar 11 menunjukkan bahwa metode tuning menggunakan PRC lebih baik
kedua gambar tersebut juga terlihat bahwa metode tuning menggunakan PRC menghasilkan respon yang memiliki overshoot lebih rendah, osilasi lebih sedikit dan waktu untuk mencapai kestabilan yang lebih cepat.
3.4 Pengujian Kecepatan Akses
Program aplikasi MATLAB yang telah dibuat sudah ditempatkan pada alamat http://152.118.103.84/labmaya.htm untuk diakses dari dalam Jurusan TGP, Fakultas Teknik UI maupun dari luar (misalkan dari komputer rumah, warung internet atau koneksi wireless dari notebook)
Kecepatan akses program dari dalam jaringan lokal di menghasilkan waktu akses antara 3,5 hingga 4,5 detik untuk memproses input dan menampilkan gambar kurva hasil. Sedangkan dari jaringan internet masih belum bisa memberikan hasil yang memuaskan dan konsisten.
Kemungkinan penyebabnya adalah komputer yang dijadikan “server” bukanlah komputer server utama di Departemen TGP Fakultas Teknik UI dan server utama membatasi metode pengaksesan komputer dari luar. Masalah ini dapat diatasi dengan meletakkan program aplikasi MATLAB dan file HTML tampilan muka pada komputer server utama.
4. Kesimpulan
1. Persamaan model pengendalian proses, yang digunakan untuk membuat laboratorium maya, menggunakan persamaan fungsi alih
) (
) (
s X
s G= Y
2. Tampilan antar muka untuk menghubungkan model pengendalian proses dengan pengguna internet menggunakan fasilitas form dan bahasa HTML.
3. Tampilan antar muka ada dua macam yaitu untuk memasukkan input bagi model dan menampilkan output akhir berupa grafik.
4. Pengujian hubungan antara model dan internet memanfaatkan program MATLAB, Apache Web Server dan MATLAB Web Server.
5. Pengujian menggunakan tiga model (dinamika proses orde satu, orde tinggi, dan pengendalian proses HE) menunjukkan hasil yang konsisten, baik secara offline maupun melalui jaringan intranet
6. Pengaksesan melalui jaringan internet belum berhasil dikarenakan komputer yang dijadikan “server”
bukanlah komputer server utama di Departemen TGP Fakultas Teknik UI dan server utama membatasi metode pengaksesan komputer dari luar.
Daftar Pustaka
1. Razmerita, L., Robin De Keyser dan Filip Declerq, Development of an Internet Base Laboratory for Automatics and Control Engineering, University of Galati, Romania dan University of Gent, Belgium.
2. Apache Web Server On-line Documentation 3. MATLAB Release 13 Help and Documentation
4. Smith, C.A. dan Armando B. Corripio, 1985, Principles and Practice of Automatic Process Control:
John Wiley & Sons.
5. Tutang, 2001, Belajar Cepat HTML (Hypertext Markup Language), Jakarta: Medikom Pustaka Mandiri 6. Marlin, T.A., 2000, Process Control: Designing Processes and Control System for Dynamic
Performances 2nd Edition, McGraw-Hill
