Integrasi PLC S7 Lite 300 dan DCS Centum CS 3000 Untuk
Sistem Kontrol Aliran Uadara Melalui Control Valve
Samsul Rajab - 2206100188
Jurusan Teknik Elektro - FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya 60111 [email protected]
Abstract – Semakin kompleks permasalahan
yang dihadapi dalam suatu industri proses mengakibatkan semakin banyak konfigurasi peralatan kontrol yang akan digunakan oleh industri tersebut. Peralatan yang digunakan oleh suatu industri biasanya berasal dari vendor yang berbeda. Oleh karena itu, perlu adanya integrasi masing-masing peralatan kontrol agar dapat bekerja sama untuk membentuk suatu kesatuan sistem. Adanya celah (open system) pada masing-masing vendor penyedia peralatan kontrol menyebabkan integrasi antara peralatan kontrol dari vendor yang berbeda dapat direalisasikan.
Pada tugas akhir ini dirancang suatu sistem pengendalian secara terdistribusi. Control valve akan dikontrol dengan menggunakan kontroler proportional, integral dan derivative (PID) yang dibangun pada Distributed Control System (DCS) Centum CS 3000 Yokogawa. Sementara itu, Programmable Logic Control (PLC) yang akan digunakan adalah PLC Siemens S7 lite 300 yang akan difungsikan sebagai kontrol sekuensial. Proses kerja yang akan dikontrol adalah persentase perbandingan antara bukaan control valve 1 dan bukaan valve 2. Hasil akhir dari penilitian ini agar
kontroler dapat menjaga nilai bukaan control valve 1 dan control valve 2 selalu sama, dengan toleransi kesalahan yang diberikan sebesar 10%.
Kata Kunci : Distributed Control System, PID,
Programmable Logic Controller, Control Valve.
I. PENDAHULUAN
Perkembangan dunia kontrol proses dalam industri semakin hari semakin pesat. Adapun perkembangan yang terjadi dapat berupa penggunaan teknologi yang semakin canggih maupun teknik dan metode yang digunakan semakin praktis, sehingga dapat memudahkan para pemakainya. Dengan semakin banyaknya variabel proses yang akan dikontrol pada suatu pabrik, diperlukan konfigurasi
dari masing-masing peralatan kontrol untuk
membentuk suatu sistem guna mengatur seluruh variabel proses tersebut. [8]
Konfigurasi antara beberapa peralatan kontrol dapat dilakukan dengan koneksi secara langsung
dengan menggunakan modul analog, maupun
konfigurasi dalam hal sharing data antara kedua peralatan kontrol tersebut dengan menggunakan protokol komunikasi.[3]
Tujuan dilakukan inetegrasi beberapa peratan
kontrol, agar terjadi pembagian tugas dari peralatan kontrol tersebut untuk mengontrol sebuah proses yang sangat besar. Dengan adanya pembagian tugas pada peralatan kontrol, maka akan terdapat peralatan kontrol yang dijadikan sebagai kontroler utama (main
controller) dan sub-kontroler. Kontroler utama
berfungsi untuk mengatur, mengkoordinasi dan mengawasi seluruh proses yang ada pada suatu industri. [3]
Isu yang sangat sentral dalam integrasi peralatan kontrol proses adalah open system. Open
system merupakan kemampuan dari suatu peralatan
kontrol untuk dapat saling berkomunikasi dengan peralatan kontrol lainnya, yang berasal dari vendor yang berbeda. [8]
Makalah ini tersusun dari Bagian 1 merupakan pendahuluan, Bagian 2 dasar teori mengenai
distributed control system dan control valve. Bagian 3
menjelasakan perancangan sistem. Bagian 4
membahas mengenai implemntasi dan analisa. Bagian 5 menjelaskan kesimpulan dan saran.
II. DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM DAN
CONTROL VALVE
DCS merupakan pengembangan dari sistem kontrol model supervisory dengan unit-unit kontroler yang tersebar diseluruh jaringan sistem. DCS mampu melakukan monitoring [3].
Pada dasarnya komponen utama DCS dapat dibagi menjadi beberapa bagian yaitu : [3] Operator
console berfungsi untuk memberikan informasi umpan
balik tentang kondisi dari plant di lapangan. Selain itu,
operator console dapat menampilkan perintah yang
diberikan pada sistem kontrol untuk memberikan
perintah instrumen-instrumen di lapangan.
Engineering station merupakan stasiun yang
digunakan para teknisi untuk mengkonfigurasi sistem dan mengimplementasi algoritma kontrol yang dipakai. History module bagian yang digunakan untuk menyimpan konfigurasi DCS dan konfigurasi semua titik di pabrik. Alat ini juga bisa digunakan untuk menyimpan data dalam bentuk grafik yang dapat ditampilkan melalui konsol. Data historian berupa perangkat lunak yang digunakan untuk menyimpan variabel-variabel proses, masukan dan keluaran dari seluruh sistem. Perangkat lunak ini memiliki kemampuan laju sken yang tinggi dibandingkan
history module. Control modules merupakan otak dari
DCS ynag berfungsi untuk menjalankan fungsi-fungsi kontrol, seperti kontrol PID, kontrol pembandingan,
maupun kompensasi dinamik. Modul input output (I/O) untuk menangani masukan dan keluaran dari DCS. Masukan dan keluaran tersebut bisa berupa analog atau digital. Gambar 2.1 menunjukkan antarmuka dari DCS. [5]
Gambar 2.1 Antarmuka dari DCS
DCS biasanya digunakan sebagai peralatan kontrol utama dalam suatu industri. Sementara itu, Kontroler yang menangani secara langsung plant di lapangan digunakan PLC [3]. PLC bekerja dengan cara menerima data dari peralatan-peralatan yang berupa saklar-saklar, tombol-tombol, sensor-sensor dan lain sebagainya. Kemudian masukan-masukan tersebut oleh PLC dibentuk menjadi keputusan-keputusan yang bersifat logika untuk menentukan aksi keluran selanjutnya. [4]
Gambar 2.2 PLC Siemens step 7 lite 300
PLC yang digunakan pada tugas akhir ini adalah PLC tipe Siemens step 7 lite 300. Gambar 2.2 menunjukkan PCL Siemens step 7 lite 300.
Secara umum PLC terdiri dari beberapa bagian utama meliputi Program Development Terminal (PDT), Central Processing Unit (CPU) untuk mengkalkulasi agoritma program yang dibangun, modul masukan, modul keluaran, peralatan masukan dan keluaran (I/O device). Untuk jenis PLC akhir-akhir ini telah banyak menambahkan modul
komunikasi yang digunakan untuk
mengkomunikasikan PLC dengan PLC lainnya
maupun PLC dengan peralatan kontrol lainnya, seperti DCS. Untuk PLC siemens modul komunikasi yang banyak digunakan adalah profibus.
Jenis aktuator yang banyak digunakan di industri proses adalah control valve. Control valve atau biasa disebut dengan aktuator adalah bagian sistem kontrol yang menerima sinyal dari kontroler dan merubah aliran variable proses sesuai keluaran dari kontroler [2]. Secara umum control valve terdiri atas dua bagian dasar yang meliputi aktuator dan
valve. Gambar 2.3(a) menunjukkan bagian-bagian control valve. Aktuator adalah bagian yang mengerjakan gerak buka tutup valve, sementara valve merupakan komponen mekanis yang menentukan besarnya aliran fluida pada proses. Valve harus mempunyai plug yang dapat ditempatkan secara tepat oleh aktuator dan mempunyai kapasitas yang cukup untuk mengalirkan fluida yang akan diatur.
Pada penelitian ini, jenis aktuator yang adalah
Pneumatic Actuator EL-O-MATIC seperti yang
tampak pada Gambar 2.3 (b). Jenis aktuator ini bekerja menggunakan dua masukan udara sehingga memungkinkan untuk melakukan gerakan berputar (rotary) dua arah. Gerakan memutar inilah yang mengatur pergerakan dari katup.
Gambar 2.3 (a) Bagian-bagian control valve, (b) Pneumatic Actuator EL-O-MATIC
Integrasi peralatan kontrol telah banyak
dikembangkan. Proses pengintegrasian antara
peralatan kontrol dilakukan agar terjadi komunikasi antara dua buah peralatan kontrol atau lebih, sehingga terjadi pertukaran data. Komunikasi antara peralatan kontrol dapat dilakukan dengan menggunakan protokol komunikasi seperti modbus, profibus,
ethernet dan lain-lain atau dengan menggunakan
perangkat lunak Object Linked Embedded for Process
Control (OPC) yang merupakan perangkat lunak yang
dikembangkan oleh sebuah perusahaan independen untuk mengintegrasikan peralatan kontrol [8]. Dalam proses integrasi peralatan kontrol akan terjadi sharing
memory dan mapping address antara peralatan
kontrol yang diintegrasikan. Gambar 2.5 menujukkan integrasi beberapa peralatan kontrol (DCS dan PLC) [3].
Untuk menganalisa dan mendesain suatu sistem
pengaturan, diperlukan pengetahuan mengenai
karakteristik sistem tersebut. Karakteristik sistem merupakan ciri-ciri khusus dari respon keluaran sistem. Karakteristik suatu sistem dapat diketahui dengan melakukan identifikasi, yaitu mengamati
1 s K ) s ( X ) s ( Y + τ = Sensor flow 1 Sensor flow 2 Control valve 1 Control valve 2 H I S F C S P L C 1 P L C 2 S e n s o r f l o w 1 S e n s o r f l o w 2 C o n t r o l v a l v e 1 C o n t r o l v a l v e 2 D C S A l i r a n u d a r a d a r i k o m p r e s o r
Gambar 2.5 Integrasi beberapa peralatan kontrol (DCS dan PLC)
respon sistem tersebut terhadap sinyal-sinyal uji tertentu. Analisa terhadap respon sistem terhadap sinyal uji step digunakan untuk mendapatkan karakteristik respon peralihan (transient state) dan karakteristik respon keadaan tunak (steady state). Proses identifikasi yang digunakan adalah metode respon transien orde pertama.
Persamaan (2-1) memperlihatkan bentuk umum fungsi alih dari sistem orde dua [1].
(2-1)
Nilai dari gain overall (K) dan τ adalah time constant
yang nilainya diperoleh lamanya waktu respon mencapai 0.632K.
III. PERANCANGAN SISTEM
Plant yang digunakan pada penelitian menggunakan dua buah control valve, dimana satu
control valve berfungsi sebagai valve utama (valve 1)
dan control valve lainnya berfungsi sebagai valve pembanding (valve 2). Skema proses yang digunakan terlihat seperti Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Skema plant control valve
Pada proses digunakan dua sensor flow untuk membaca besar bukaan dari masing-masing control
valve. Sensor flow 1 digunakan untuk membaca besar
bukaan control valve 1 dan sensor flow 2 digunakan untuk membaca bukaan control valve 2. Dengan menggunakan sensor flow dapat diketahui respon bukaan control valve. Apabila sensor flow 2 mendeteksi ada perubahan aliran gas, maka control
valve yang pertama akan melakukan suatu aksi untuk
menjaga kestabilan sistem. Besar nilai masukan
control vale 1 ditentukan sesuai dengan hasil kontrol
rasio dari control valve 2. Gambar 3.2 menunjukkan konfigurasi integrasi PLC,DCS dan control valve
Gambar 3.2 Konfigurasi integrasi PLC dan DCS
Proses control valve dijalankan dan dikontrol dalam suatu sistem yang dibangun dari integrasi antara PLC Siemens S7 Lite 300 dan DCS Centum CS 3000. Gambar 3.2 menunjukkan struktur sistem secara lengkap. Intgerasi antara PLC dan DCS menempatkan DCS sebagai kontroler utama yang berfungsi untuk menjalankan regulator kontrol dan PLC sebagai sub-
kontroler yang berfungsi untuk menjalankan
sekuensial kontrol. Operator dapat mengatur dari
Human Interface Station (HIS) apakah sistem
dijalankan dalam mode automatik atau mode manual. Mode automatik akan memerintahkan PLC untuk
mengaktifkan program sekuensial yang telah
dibangun, sehingga memungkinkan control valve 2 membuka secara automatik. Untuk mode manual besar bukaan dari control valve 2 ditentukkan secara manual oleh operator.
Untuk mendapatkan persamaan matematik
plant, proses identifikasi dilakukan dengan memberikan sinyal masukan ke plant berupa tegangan tetap 2.5 volt dan control valve 1 dalam kondisi nominal yakni membuka 50 %. Sinyal uji diberikan dari komputer melalui perangkat lunak WinCC dan dikirimkan ke control valve melalui PLC. Respon sinyal uji yang diberikan diterima oleh komputer yang telah terpasang perangkat lunak WinCC yang dapat ditampilkan dalam bentuk grafik. Dari grafik tersebut dapat ditentukan nilai parameter-parameter plant.
1 s 5 . 5 1 . 2 ) s ( X ) s ( Y + = Kontroler PID Kontrol rasio Kontrol manual
Masukkan valve 2 Masukkan valve 1 Sinyal kontrol menuju valve 1 Keluaran operasi manual Konfigurasi sistem untuk proses identifikasi dapat
pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Diagram identifikasi control valve
Sinyal uji yang berupa sinyak digital
dikonversi menjadi sinyal analog tegangan
menggunakan modul analog PLC yang telah terintegrasi pada PLC Siemens step 7 lite 300. Masukan plant adalah sinyal arus, maka sinyal tegran tersebut dikonversi menjadi sinyal arus dengan menggunakan voltage to current (V/I) converter. Pada
plant sinyal arus dikonversikan menjadi sinyal
pneumatik untuk menggerakan control valve. Aliran yang melalui control valve 1 diukur menggunakan sensor flow berupa sinyal arus. Sinyal arus dari sensor
flow dikonversikan menjadi tegangan melalui current to voltage (I/V) converter. Sinyal tegrangan hasil
pengukuran sensor tersebut dikonversi menjadi sinyal digital agar dapat diolah oleh komputer. Sinyal dari sensor yang merupan respon dari plant kemudian direpresentasikan dalam bentuk grafik.
Gambar 3.4 Grafik respon sistem hasil identifikasi Respon control valve 1 dengan menggunakan sinyal step ditunjukkan pada Gambar 3.4. Dari grafik respon sistem terlihat bahwa sistem control valve merupakan sistem orde satu [6]. Dari respon keluaran pada Gambar 3.4 dapat diperoleh parameter – parameter fungsi alih yang ditunjukkan pada persamaan (2-5) sesuai dengan persamaan berikut. [6]
Dari fungsi alih yang didapatkan, terlihat bahwa respon dari model terhadap masukan sinyal uji yang sama pada proses identifikasi untuk melihat kesesuaian model dengan real plant.
IV. IMPLEMNETAASI DAN ANALISA
Berdasarkan metodologi yang dibahas pada bagian 3, maka selanjutnya dilakukan proses implementasi terhadap plant. Gambar 4.1 merupakan tampilan program implementasi sistem yang dibangun pada perangkat lunak Centum CS 3000.
Gambar 4.1 Implementasi sistem pada Centum CS 3000 Pada Gambar 4.1 dapat dilihat bahwa fungsi dengan tag name %Z011102 digunakan sebagai modul masukan dari sensor flow 2, tag name %Z011101 digunakan sebagai modul masukan untuk sensor flow 1, tag name %Z011105 digunakan sebagai modul keluaran menuju ke control valve 1 dan
tag name %Z011106 digunakan untuk mengatur
bukaan control valve 2.
Hasil implementasi integrasi DCS dan PLC untuk mengatur control valve, diperoleh bebreapa respon plant akan diamati dengan memberikan parameter kontroler PI yang berbeda dengan bukaan
control valve 2 dalam kondisi nominal (50%). Dengan
menggunakan nilai Kp = 200 dan Ki = 20 respon
plant yang dihasilkan terlihat pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Respon plant dengan gain kontroler Kp=200 dan Ki=20
Masukan yang diberikan sebesar
42.96M3/H(nilai rata-rata) dan nilai respon dari
rata-rata). Nilai kesalahan yang diperoleh sebesar 13.01%.
Gambar 4.3 Respon plant dengan gain kontroler Kp=700 dan Ki=20
Gambar 4.3 menunjukkan hasil implementasi dengan menggunakan parameter kontroler Kp=700 dan Ki=20, masukan yang diberikan sebesar
48.83M3/H(nilai rata-rata) dan nilai respon dari
control valve 1 menuju nilai 37.54M3/H (nilai rata-rata). Nilai kesalahan yang diperoleh sebesar 23.12%.
Gambar 4.4 Respon plant dengan gain kontroler P=50 dan I=20
Pada Gambar 4.4 menunjukkan hasil
implementasi dengan menggunakan parameter
kontroler Kp=50 dan Ki=20. Masukan yang diberikan
sebesar 42,42 M3/H (nilai rata-rata) dan nilai respon
dari control valve 1 menuju nilai 37.38 M3/H(nilai
rata-rata). Nilai kesalahan yang diperoleh sebesar 11.88%. Nilai Kp yang kecil mengakibatkan nilai MV yang besar untuk menjaga respon control valve 1 mendekati nilai masukan yang diberikan.
Tabel 4.1 menyajikan hasil implementasi dengan pemberian parameter kontroler Kp yang berbeda dengan parameter kontroler Ki yang sama. Nilai kesalahan terkecil, perbandingan antara bukaan
control valve 1 dan control valve 2 diberikan oleh
parameter kontroler Kp=50 dan Ki=20 dengan nilai kesalahan sebesar 11.88%. Nilai kesalahan terbesar
terjasi pada saat pemberian parameter Kp=200 dan Ki=20, nilai kesalahn yang dihasilkan sebesar 23.12%. Sementara itu, parameter kontroler Kp=700 dan Ki=20 terjadi kesalahan sebesar 13.01%.
Tabel 4.1 Hasil implementasi dengan menggunakan parameter kontroler Kp yang berbeda
Pengujian kedua dilakukan dengan memberikan parameter Ki yang berbeda dengan kondisi parameter Kp dibuat tetap. Gambar 4.5 menunjukkan hasil
implementasi dengan menggunakan parameter
kontroler Kp=50 dan Ki=10.
Gambar 4.5 Respon plant dengan gain kontroler P=50 dan I=10
Dari Gambar 4.5 diperoleh bahwa nilai
masukan yang diberikan sebesar 37.3M3/H(nilai
rata-rata) dan nilai respon dari control valve 1 menuju
nilai 33.8M3/H(nilai rata- rata). Nilai kesalahan
yang diperoleh sebesar 9.38%.
Gambar 4.6 Respon plant dengan gain kontroler P=50 dan I=5
Kondisi bukaan 75% Respon control valve 1 Set value Kondisi bukaan 50% Kondisi bukaan 25% Manipulated variable
Gambar 4.6 menunjukkan hasil implementasi dengan menggunakan parameter kontroler Kp=50 dan
Ki=5. Masukan yang diberikan sebesar
28.97M3/H(nilai rata-rata) dan nilai keluaran dari
control valve 1 menuju nilai 27.03M3/H. Nilai kesalahan yang diperoleh sebesar 6.69%.
Tabel 4.2 menyajikan hasil implementasi dengan pemberian parameter kontroler Kp yang sama dan parameter kontroler Ki yang berbeda. Nilai kesalahan yang kecil dari perbandingan antara bukaan
control valve 1 dan control valve 2 terjadi ketika
diberikan parameter kontroler Kp=50 dan Ki=5 dengan nilai kesalahan sebesar 9.38%. untuk nilai kesalahan yang besar terjadi ketika diberikan parameter kontroler Kp=50 dan Ki=20 dengan nilai kesalahan sebesar 16.8%.
Tabel 4.2 Hasil implementasi dengan menggunakan parameter kontroler Kp yang berbeda
Pengujian kedua dilakukan dengan
memberikan masukan yang berbeda pada control
valve 2 yang mengakibatkan set value pada control valve 1 akan berubah-ubah. Adapun masukan yang
digunakan berasal dari besar bukaan control valve 2 sebesar 25%, 50% (bukaan nominal) dan beban 75% yang masing-masing disebut kondisi 1, 2 dan 3. Untuk parameter yang digunakan adalah Kp = 500 dan Ki = 70.
Gambar 4.7 Respon plant untuk kondisi masukan yang variatif
Gambar 4.8 menunjukkan hasil implementasi untuk pengujian dengan pemberian masukan variatif. Nilai kesalahan terkecil diperoleh Pada bukaan 50%.
Masukan yang diberikan sebesar 42.08M3/H (nilai
rata-rata) dan nilai respon dari control valve 1 menuju
nilai 38.62M3/H(nilai rata-rata). Nilai kesalahan
yang diperoleh sebesar 8.22%. Tabel 4.3 menunjukkan hasil implementasi dengan pemberian masukan yang variatif.
Tabel 4.3 Hasil implementasi dengan memberikan nilai masukan yang variatif
V. PENUTUP
Pada penelitian ini telah dilakukan pengujian dengan menggunakan kontroler PI. Dari hasil implementasi terlihat bahwa nilai kesalahan terbesar terjadi pada saat pemberian parameter Kp=700 dan Ki=20 dengan nilai kesalahan sebesar 23.12%. Untuk
nilai kesalahan terkecil diperoleh pada saat
penggunaan parameter kontroler Kp=50 dan Ki=5, dengan nilai kesalahan sebesar 6.69%. Pada pengujian dengan pemberian masukan yang variatif, kesalahan terkecil diperoleh pada saat masukan bukaan control
valve sebesar 50%. Nilai kesalahan yang diperoleh
sebesar 8.22%. Sehingga, dapat diambil kesimpulan bahwa kontroler PI dapat menjaga perbandingan bukaan control valve 1 dan control valve 2 memiliki nilai bukaan yang sama (toleransi kesalahan di bawah 10%).
Penelitian selanjutnya disarankan untuk
menggunakan modul komunikasi yang sering
digunakan dalam dunia industri misalnya modul komunikasi modbus, sehingga dalam penelitian selanjutnya dapat dipelajari mengenai mapping
address dan sharing memori dari DCS ke PLC atau
sebaliknya. Disamping itu, untuk konfigurasi yang digunakan dapat dikembangkan dengan menggunakan
plant dalam jumlah yang lebih banyak lagi, sehingga
konsep sistem kontrol terdistribusi dapat direalisasikan semirip mungkin dengan kondisi real di industri.
DAFTAR REFERENSI
[1] Ogata, K., “Modern Control Engineering”,
Prentice-Hall,Inc,1970.
[2] Johnson, D.C., “Process Control Instrumentation
Technology”, Prentice-Hall,Inc,2003.
[3] …….,”Manual book Centum CS1000/3000 R3”,
Yokogawa Electric Corporation, Tokyo,
Japan,2006.
[4] ...,”Manual book training document for the
Integrated Automation (TIA)”,
Seimens,Jerman,2000.
[5] Riyanto, B. Hakim, I., “Implementing Hybrid
System and Control Methods on Distributed Control System Plantform”, Proceedings of
international Conference on Electrical Engineering and Informatics, ITB,2007.
[6] Wahid, N.,”Desain dan Implementasi Kontroler
PID dan Fuzzy Pada Pengaturan Control Valve Berbasis PLC”, Proceedings Seminar Tugas Akhir
Jurusan Teknik-Elektro FTI-ITS,2009.
[7] ...,”Manual book electro-pneumatic positioners
YT-1000R series”
[8] Fauzan, M.A., “Integrasi Matlab dan DeltaV
Untuk Implementasi Algoritma Model Predictive Control (MPC) Pada DCS”, Proceedings Seminar
