Bab II Konsep Pengontrolan dengan Komputer
Secara sederhana diagram sistem pengontrolan dengan komputer (Computer Control System)
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
Controller Hold
(DAC) Plant
Sampling (ADC) +
r(nT) e(nT) u(nT)
T
u(t)
T c(nT)
-+
▸ Baca selengkapnya: gambar proses komputer
(2)2
• 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).
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.
4
• 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.
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)
6
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.
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
8
Direct Digital Control dengan Loop Controlnya
Komputer Digital
PROSES Aktuator
Aktuator
Aktuator
Pengawasan Manusia dan/atau Komputer
Set point yang diukurVariabel
Input-input 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
10
• 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
12
Contoh Cascade Loop: Boiler Control
PT Pressure transducer
steam pressure
Pressure
High signal selector
Low signal selector
Air flow
Air flow Controller
Air
Oil Setpoint
Oil Flow Controller
Feedback Control
Process
Controller Disturbances
Measured outputs
Unmeasured outputs Manipulated
variables
14
Inferential Control
Process
Controller Estimator Disturbances
Manipulated variables
Unmeasured outputs (Controlled variables)
Measured Outputs (Controlled Variables)
Measured
Variables used To estimate Unmeasured outputs
Estimates of
Unmeasured outputs (Controlled variables)
Feedforward Control
Measurement
Controller Process Disturbances
Unmeasured outputs
16
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
Programmed adaptive control (Auxiliary Process Measurement)
Adjustment mechanism
Controller Process Parameter
adjustments
Auxiliary
measurement
Auxiliary
18
Programmed adaptive control (2) (External environment (open loop))
Adjustment mechanism
Controller Process Parameter
adjustments
Auxiliary
measurement
Auxiliary
measurement Setpoints
Disturbances
Self-Tuning Adaptive Control
Parameter adjustment
Parameter estimator
Process Controller
X +
-Set point
Controlled variables Manipulated
20
Model-reference Adaptive Control
Reference Model
Adaptation mechanism
Controller Process
X
X
Disturbances
Controlled Output Disturbances
-+
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
Set points Measured variables
Process C
C
C
A A
Process inputs
22
Contoh Supervisory plant: Evaporator plant
Supply of material
Steam Supply Heat
exchanger
steam Steam
condensers
Evaporators PT
PT Pressure transducer
Concentrated product Recirculating
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.
24
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.
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
26
Dual Computer Scheme
(Dengan automatic failure detection)
Standard peripherals
Computer A
Computer B
Management information
Switch ControlStation
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
28
Decision maker
Information Commands (orders)
Constraints
Information Commands (orders)
Information Constraints
Information
Long
Short Decision time-scale Top Level
(single decision centre)
Intermediate
Bottom level
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
30
Manager
Resources Production
Sche-duling
Process accounts
Supervisor
Recipe initiation Unit operations
Coordination
Data highway
Batch Control using Hierarchical Systems
Unit Control
Process
Unit Control
Recipe 1
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
32
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.
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
Micro-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
36
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
