Deskripsi
APARATUS PENGONTROL DIGITAL PID (PROPORSIONAL INTEGRAL DERIVATIVE) TRACKING MULTIGUNA DENGAN FASILITAS
LOGGING DATA DAN KOMUNIKASI ETHERNET 5
Bidang Teknik Invensi
Invensi ini berkaitan dengan suatu aparatus pengontrol PID (P:Proporsional, I:Integral, D:Derivative) dan data logger
(aparatus yang dapat melakukan pengambilan dan penyimpanan data 10
disertai dengan keterangan waktu), lebih khususnya berkaitan dengan suatu aparatus yang didalamnya mempunyai dua atau lebih dari dua pengontrol PID digital yang dapat digunakan pada sistem kontrol proses dan/atau sistem kontrol motor dimana kedua atau lebih dari dua pengontrol PID dalam aparatus tersebut dapat 15
digunakan secara terpisah dan/atau bersamaan dalam bentuk konfigurasi kalang tunggal dan/atau kalang bertingkat (kaskade) dengan masing-masing pengontrol PID tersebut menggunakan algoritma penalaan pengontrol digital PID tracking respon model yang diinginkan dan juga dilengkapi fasilitas logging
20
(pengambilan dan penyimpanan disertai keterangan waktu) data serta komunikasi data melalui ethernet.
Latar Belakang Invensi
Diperkirakan lebih dari 90% alat pengontrol pada dunia 25
industri masih menggunakan alat pengontrol PID karena kehandalan dan kestabilannya dan juga diperkirakan sudah lebih dari 100 paten yang terdaftar di beberapa negara mengenai invensi yang berhubungan dengan pengontrol digital PID. Mulai dari pengontrol digital PID sederhana yang konvensional sampai ke pengontrol 30
digital PID kompleks dengan pembahasan yang rumit sehingga dapat dioperasikan otomatis dan adaptif dengan menyesuaikan kondisi sistem yang akan dikendalikan. Namun dari semua alat yang dipakai di dunia industri dan hasil penelusuran dari paten-paten sebelumnya, masih belum ada yang mempunyai fungsi sebagai suatu 35
alat pengontrol PID tracking respon model yang diinginkan dengan fasilitas logging data dan komunikasi data melalui ethernet.
Secara spesifik, paten yang sudah ada dan yang sangat mendekati dengan invensi ini terdapat dalam paten Amerika Serikat No. 4.539.633 dengan judul invensi “Digital PID Process
5
Control Apparatus” dimana telah diajukan alat pengontrol digital PID yang mempunyai fasilitas fungsi penalaan otomatis parameter PID dengan menggunakan RELS (Recursive Estimation Least Square) untuk mengikuti model respon yang diinginkan dalam persamaan transformasi Z. Terdapat perbedaan mengenai algoritma penalaan 10
parameter PID tracking dan tidak terdapat fasilitas logging data dan juga komunikasi ethernet.
Demikian juga dalam paten aplikasi Amerika Serikat No. US 2008/0162053 A1 dengan judul invensi “Electronic Device for Recording, Storing, and Processing Measured Data, Particularly a
15
Data Logger” dimana telah diajukan sebuah aparatus data logger yang membaca dan menyimpan data temperatur, kelembaban, dan akselerasi dimana datanya dapat dikeluarkan dalam bentuk PDF. Algoritma pengontrol PID tracking dan komunikasi ethernet tidak dijelaskan dalam paten ini.
20
Demikian juga dalam paten Amerika Serikat No. 7.117.079 dengan judul invensi “Apparatus and Method for Simultaneous Monitoring, Logging, and Controlling of an Industrial Process”
dimana telah diajukan suatu alat dan metoda mengenai pengamatan, pengambilan dan penyimpanan data serta pengendalian dalam suatu 25
proses industri. Dalam paten ini lebih menitikberatkan pada sistem logging data terutama untuk pemonitoran dan pengambilan serta penyimpanan data pada sensor yang dikhususkan untuk motor bakar dan buangan motor bakar. Untuk sistem komunikasi data menggunakan ethernet dan algoritma pengontrol PID tracking tidak 30
dibahas detail dalam paten ini.
Selanjutnya juga terdapat pada paten Amerika Serikat 7.162.510 dengan judul invensi “Communication System for a Control System Over Ethernet and IP Networks” dimana telah diajukan sistem komunikasi pada suatu sistem kontrol dengan 35
paten ini hanya menjelaskan secara sistem dan tidak dijelaskan mengenai aparatus yang ada dalam sistem tersebut.
Penjelasan mengenai keempat paten AS yang telah disebutkan sebelumnya diatas masih terdapat perbedaan dengan invensi yang diajukan ini. Terutama dalam invensi ini lebih menitikberatkan 5
pada aparatus pengontrol PID menggunakan algoritma penalaan PID
tracking yang dapat melakukan tracking terhadap respon model yang diinginkan serta dilengkapi dengan algoritma dan metoda gabungan pengontrol PID dengan fasilitas logging data dan komunikasi ethernet.
10
Dalam hal implementasi, invensi ini menggunakan seperangkat elektronik berbasis mikroprosesor atau mikrokontroler untuk melakukan dua atau lebih dari dua perhitungan pengontrol PID digital dimana algoritma penalaan parameter PID tracking
dilakukan terpisah dengan menggunakan perangkat lunak komputer 15
untuk melakukan pemodelan dan analisis sistem. Dalam invensi ini juga dilengkapi dengan fasilitas logging data dari hasil pengontrol PID dan/atau I/O yang disediakan untuk disimpan dalam suatu alat penyimpan data dan dapat diambil datanya melalui komunikasi ethernet. Keunggulan aparatus ini dibandingkan dengan 20
paten-paten sebelumnya adalah aparatus ini dapat digunakan secara luas sebagai alat pengontrol atau pengendali jarak jauh (telekontrol) pada sistem kontrol proses dan/atau sistem kontrol motor menggunakan komunikasi ethernet dan/atau sebagai alat pengukuran jarak jauh (telemeter) dengan menggunakan komunikasi 25
ethernet dimana kedua fungsi telekontrol dan/atau telemeter tersebut juga dilengkapi fasilitas logging data menggunakan alat penyimpan data berkapasitas besar berupa MMC (Multi Media Card) dan/atau SD (Secure Digital) Card.
30
Ringkasan Invensi
Tujuan dari invensi ini adalah untuk membuat aparatus yang didalamnya mempunyai dua atau lebih dari dua pengontrol PID digital yang dapat digunakan pada sistem kontrol proses dan/atau sistem kontrol motor dimana kedua atau lebih dari dua pengontrol 35
dan/atau bersamaan dalam bentuk konfigurasi kalang tunggal dan/atau kalang bertingkat (kaskade) dengan masing-masing pengontrol PID tersebut menggunakan algoritma penalaan pengontrol digital PID tracking respon model yang diinginkan dan juga dilengkapi fasilitas logging (pengambilan dan penyimpanan 5
disertai keterangan waktu) data serta komunikasi data melalui
ethernet.
Invensi ini diwujudkan dalam bentuk seperangkat alat elektronik yang terdiri dari perangkat keras yang meliputi mikroprosesor atau mikrokontroler, antarmuka sinyal digital, 10
antarmuka sinyal analog, catudaya, tombol daya, alat penyimpan data berupa MMC (Multi Media Card) dan/atau SD (Secure Digital)
Card, pencacah waktu dan tanggal otomatis, pengubah serial ke
ethernet, tombol-tombol pilihan, dan LCD peraga.
Agar dapat beroperasi, alat ini juga dilengkapi dengan 15
perangkat lunak yang disimpan di dalam mikroprosesor atau mikrokontroler yang didalamnya dapat melakukan perhitungan dua atau lebih dari dua pengontrol PID digital yang dapat digunakan pada sistem kontrol proses dan/atau sistem kontrol motor dimana kedua atau lebih dari dua pengontrol PID dalam aparatus tersebut 20
dapat digunakan secara terpisah dan/atau bersamaan dalam bentuk konfigurasi kalang tunggal dan/atau kalang bertingkat (kaskade) dengan masing-masing pengontrol PID tersebut menggunakan algoritma penalaan pengontrol digital PID tracking respon model yang diinginkan dan juga dilengkapi fasilitas logging
25
(pengambilan dan penyimpanan disertai keterangan waktu) data serta komunikasi data melalui ethernet. Selain itu, perangkat lunak yang disimpan di dalam mikroprosesor atau mikrokontroler juga dilengkapi dengan kemampuan membaca sinyal digital tegangan listrik dan sinyal analog tegangan dan/atau arus listrik 30
standard industri serta dapat mengeluarkan sinyal kontrol dalam bentuk sinyal PWM dan/atau sinyal analog tegangan dan/atau arus listrik standard industri.
Uraian Singkat Gambar
Tujuan-tujuan dan ciri ciri lain dari invensi ini dijelaskan dengan gambar-gambar berikut:
Gambar 1 adalah suatu bagan susunan perangkat keras dari pengontrol PID tracking multiguna dengan fasilitas logging data 5
dan komunikasi ethernet sesuai invensi ini.
Gambar 2 adalah suatu diagram alir perangkat lunak dalam mikroprosesor atau mikrokontroler untuk melakukan perhitungan algoritma pengontrol PID tracking pada sistem kontrol proses dan/atau sistem kontrol motor dengan penggabungan algoritma 10
logging data dan komunikasi menggunakan ethernet sesuai dengan invensi ini.
Gambar 3 adalah suatu lanjutan diagram alir perangkat lunak dalam mikroprosesor untuk melakukan pengaturan I/O dan melakukan konfigurasi serta identifikasi sistem sesuai dengan invensi ini. 15
Gambar 4 adalah suatu diagram blok sistem kontrol menggunakan dua pengontrol PID yang dilakukan secara kalang tunggal dalam perangkat lunak mikroprosesor atau mikrokontroler sesuai dengan invensi ini.
Gambar 5 adalah suatu diagram blok sistem kontrol 20
menggunakan dua pengontrol PID yang dilakukan secara kalang bertingkat (kaskade) dalam perangkat lunak mikroprosesor atau mikrokontroler sesuai dengan invensi ini.
Gambar 6 adalah suatu grafik hubungan masukan dan keluaran dari sistem yang dipengaruhi oleh zona mati respon (dead zone) 25
sesuai dengan invensi ini.
Gambar 7 adalah suatu grafik respon sistem model orde 1 beserta keterangan gambar sesuai dengan invensi ini.
Gambar 8 adalah suatu grafik respon sistem model orde 2 beserta keterangan gambar sesuai dengan invensi ini.
30
Gambar 9 adalah suatu diagram blok kalang tunggal dalam transformasi laplace yang direduksi menjadi diagram blok respon model yang diinginkan sesuai dengan invensi ini.
Gambar 10 adalah suatu diagram blok kalang bertingkat (kaskade) dalam transformasi laplace yang direduksi menjadi 35
diagram blok respon model yang diinginkan sesuai dengan invensi ini.
Uraian Lengkap Invensi
Pengontrol digital PID tracking multiguna dengan fasilitas 5
logging data dan komunikasi ethernet yang sesuai dengan invensi ini meliputi perangkat keras dan perangkat lunak. Mengacu pada gambar 1, perangkat keras tersebut meliputi mikroprosesor (1) yang merupakan peranan utama dalam melakukan perhitungan pengontrol PID dan pemrosesan logging data ini terhubung secara 10
elektrik dengan pengubah analog ke digital (2) sebagai antarmuka masukan analog (12) yang mempunyai rentang sinyal masukan masukan tegangan listrik sebesar 0-5 Volt dan sinyal masukan arus listrik sebesar 4-20 mA yang dikonversi ke tegangan dengan menggunakan pengubah sinyal tegangan listrik ke arus listrik 15
(13) serta pengubah digital ke analog (3) sebagai antarmuka keluaran analog (4) yang mempunyai rentang sinyal keluaran tegangan listrik sebesar 0-5 Volt dan sinyal keluaran arus listrik sebesar 4-20 mA yang sebelumnya dikonversi ke arus listrik dengan menggunakan pengubah V ke I (14). Mikroprosesor 20
(1) ini juga menerima sinyal masukan digital dari sistem lain dan mengeluarkan sinyal keluaran digital ke sistem yang akan dikendalikan serta sinyal keluaran PWM untuk sinyal kendali motor atau pewaktu untuk mendeteksi sensor encoder/resolver. Perangkat keras ini juga dilengkapi alat penyimpan memori 25
eksternal berupa MMC(Multi Media Card) dan/atau SD(Secure
Digital) Card (5) yang dihubungkan secara elektrik ke
mikroprosesor (1) untuk penyimpanan logging data dalam kapasitas memori yang besar dan kanal ethernet untuk komunikasi ethernet
dengan menggunakan pengubah serial ke ethernet (6) serta penanda 30
tanggal dan waktu digital menggunakan RTC (Real Time Clock) (7). Selain itu, disediakan tombol daya (9) sebagai pemutus/penghubung catu daya (8) untuk menghidupkan atau mematikan alat dan tombol pilihan (10) yang digunakan untuk melakukan pemilihan konfigurasi yang akan dikerjakan oleh alat 35
dimana informasi dan hasil proses data ditampilkan melalui LCD peraga (11).
Kemudian mengacu pada gambar 2, menjelaskan mengenai diagram alir perangkat lunak dalam mikroprosesor (1) dimana blok awal program yaitu mulai (15) didahului dengan penekanan tombol 5
daya (9). Kemudian melakukan proses (16) membaca pengaturan dan parameter dari memori mikroprosesor (1) yang merupakan perintah untuk membaca pengaturan dan parameter yang sudah disimpan di memori mikroprosesor (1). Pengaturan yang dibaca antara lain pengaturan waktu dan tanggal, I/O yang diaktifkan untuk 10
pengukuran, konfigurasi pengontrol yang digunakan apakah menggunakan kalang tunggal seperti pada gambar 4 atau menggunakan kalang bertingkat (kaskade) seperti pada gambar 5, jumlah pengontrol PID yang diaktifkan, bentuk keluaran sinyal PID apakah menggunakan sinyal tegangan atau arus atau PWM, 15
bentuk masukan sensor apakah menggunakan sinyal tegangan atau arus atau pewaktu encoder atau resolver dan logging data apakah diaktifkan atau tidak dan jika logging data diaktifkan berapa pengaturan pencacah waktu untuk logging data. Parameter yang dibaca antara lain parameter P, I, D dari masing-masing 20
pengontrol PID.
Setelah itu dilanjutkan dengan proses pengambilan keputusan apakah identifikasi sistem dan pengaturan dilakukan? (17), jika ya langsung menuju ke blok (28), jika tidak maka menuju proses membaca sinyal umpan balik dan referensi dari setiap pengontrol 25
PID yang diaktifkan (18) dan kemudian melakukan proses menghitung sinyal kontrol PID tracking untuk setiap pengontrol yang diaktifkan (19). Perhitungan sinyal kontrol PID yang dilakukan mengacu pada persamaan pengontrol PID analog sebagai berikut: 30 s I s D P s e s u . ) ( ) ( ...……… (1) Dimana u merupakan sinyal kontrol, e merupakan sinyal beda referensi dengan output, P merupakan konstanta penguatan, I merupakan konstanta integral, I merupakan konstanta derivatif,
dan s merupakan operator laplace. Dengan menggunakan transformasi Euler-Backward, maka didapatkan persamaan pengontrol PID digital dalam persamaan beda sebagai berikut:
( ) ( 1)
. . ( )
( ) 2 ( 1) ( 2)
. ) 1 ( ) ( e k e k e k T D k e T I k e k e P k u k u s s ... (2)dengan k merupakan operator persamaan beda dan Ts merupakan waktu 5
cuplik.
Kembali mengacu pada gambar 2, setelah perhitungan pengontrol PID selesai kemudian dilanjutkan ke proses mengeluarkan sinyal kontrol PID tracking dalam bentuk sinyal analog arus listrik atau tegangan listrik atau PWM (20) sesuai 10
dengan pengaturan dalam memori mikroprosesor (1). Selanjutnya menuju proses pengambilan keputusan apakah waktu cuplik logging
terpenuhi (21), jika tidak maka melakukan proses perulangan menuju proses membaca sinyal umpan balik dan referensi dari setiap pengontrol PID yang diaktifkan (18), namun jika ya maka 15
menuju proses membaca sinyal I/O yang diaktifkan untuk logging
data (22). Setelah selesai, kemudian dilanjutkan melakukan proses mencatat penanda tanggal dan waktu sekarang (23) yang dalam hal ini mikroprosesor (1) mengambil data dari RTC (Real Time Clock) (7) dan dilanjutkan dengan proses menyimpan hasil 20
proses data dan waktu yang tercatat dalam alat penyimpan data (24) dengan menggunakan MMC(Multi Media Card) dan/atau SD(Secure Digital) Card (5). Setelah itu dilakukan proses mengeluarkan
logging data melalui komunikasi ethernet (25) sesuai dengan pengaturan yang terdapat dalam memori mikroprosesor (1). 25
Kemudian menuju proses pengambilan keputusan apakah tombol daya ditekan lama? (26), jika tidak maka kembali ke proses (18), jika ya maka dapat melakukan proses mematikan aparatus (27).
Selanjutnya mengacu pada gambar 3, diagram alir lanjutan perangkat lunak dalam mikroprosesor (1) dimana dalam hal ini 30
jika identifikasi sistem dan pengaturan dilakukan maka menuju proses melakukan pengaturan I/O yang diaktifkan untuk pengukuran (28) yang dalam hal ini memakai I/O yang disediakan untuk pengukuran dan dilakukan logging data sesuai dengan waktu cuplik
logging yang telah ditentukan serta semua data disimpan dalam 35
MMC(Multi Media Card) dan/atau SD(Secure Digital) Card (5). setelah selesai kemudian dilanjutkan dengan proses pengambilan keputusan apakah konfigurasi sistem kalang bertingkat (kaskade)? (29), jika ya maka menuju blok (28), jika tidak maka menuju proses melakukan identifikasi sistem setiap plant secara kalang 5
terbuka atau kalang tertutup (30). Untuk melakukan identifikasi sistem setiap plant secara kalang tertutup dapat mengacu pada gambar 4, dimana pada blok PID tracking I (39) dan blok PID tracking II (42) hanya dapat diisi dengan parameter P saja untuk masing-masing pengontrol. Kemudian dilanjutkan proses 10
mengeluarkan sinyal referensi dan keluaran sensor melalui komunikasi ethernet (31) yang dalam hal ini ditambahkan perangkat lunak komputer untuk menangkap data hasil komunikasi dan membuat tampilan grafik hasil respon sinyal referensi dan keluaran sensor. Selanjutnya grafik yang terjadi dapat berupa 15
respon orde 1 seperti yang diberikan pada gambar 7 atau respon orde 2 seperti yang diberikan pada gambar 8 atau dapat juga mempunyai respon lebih dari orde 2. Dari grafik respon orde 1 dan orde 2 dapat diketahui persamaan plant secara analitis dalam operator laplace. Kemudian hasil persamaan plant yang didapat 20
kemudian dipaksakan menjadi respon model orde 1 dengan respon
transient yang secepat mungkin dengan syarat-syarat yang berlaku dalam sistem kontrol. Alasan mengapa fungsi alih model yang digunakan model orde 1 dikarenakan supaya sistem yang akan dicapai tidak mempunyai banyak overshoot dengan mempunyai time 25
konstan yang mendekati 0 sehingga mempunyai tujuan untuk mendekati sinyal ideal.
Selanjutnya dengan melihat pada gambar 9, maka dengan menganggap gangguan eksternal (Fd) sudah termasuk dalam identifikasi sistem secara online, maka diagram blok dapat 30
dijabarkan sebagai berikut:
( ) ( ) 1 ( ) 1 1 c p c c p p s Y G G Y s R G Y R s G G G R ………...…… (3)
Dengan Gc(s) (49) merupakan persamaan pengontrol dalam bentuk
laplace, maka dengan memisalkan fungsi alih model yang diinginkan, dinyatakan dalam Gm(s) (51) maka didapatkan persamaan pengontrol sebagai berikut :
mod mm ( ) mod ( ) 1 1 1 1 el c p p s el s Y G R G Y G G G R …...…… (4)Dari persamaan (4), dengan menjaga persamaan pengontrol dalam 5
bentuk PID, maka penalaan parameter PID tracking didapatkan hasil seperti yang diberikan pada Tabel 1 sebagai berikut:
Tabel 1. Parameter Penalaan Pengontrol PID tracking Parameter Penalaan No. Gp(s) Gm(s) P I D 1 kp 1 1 s m - kp.m -2 s kp 1 1 s m kp.m 1 - -3 1 s k p p 1 1 s m p m p k . kp.m 1 -4 ) 1 ( s s k p p 1 1 s m kp.m 1 -m p p k . 5 1 . s e k p s p 1 1 s m ( ) m p p k ( ) 1 m p k 2. ( ) . m p p k 6 ) 1 )( 1 ( 1s 2s kp 1 1 s m kpm . 2 1 m p k . 1 m p k . . 2 1 7 1 2 2. 1 2 s s k p p p 1 1 s m pkpm 2 m p k . 1 m p pk 2 2 8 1 2. 1 . 2 2 s s e k p p s p 1 1 s m p p m p k 2 m p k . 1 m p p p k 2 1 . . . 2 9 0 1 1s ... a a s a k n n n n p 1 1 s m kp.m 1 m p k . 1 m p k . 1
dimana m merupakan waktu konstan dari model orde 1 yang 10
diinginkan dengan persyaratan tidak boleh lebih kecil dari 10 kali Ts (waktu cuplik pengontrol PID digital).
Pada tabel 1 di atas dapat dilihat bahwa semua sistem plant
dari orde 0 sampai orde tinggi dapat dihasilkan parameter P, I, D menggunakan persamaan penalaan PID tracking sesuai dengan fungsi alih model yang diinginkan Gm(s).
Pembuktian mengenai tabel 1 dapat dijelaskan sebagai 5 berikut : 1. Proses Penguatan , Gp kp m p m p m m p m m p c k I s k s s k G G G G . 1 . 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2. Proses integrator , s k G p p 10 m p m p m p m m p m m p c k P k s k s s s k s G G G G . 1 . 1 . 1 1 1 1 1 1 1 3. Proses orde 1, 1 s k G p p p s k s k s s s k s G G G G p m p p m p p m m p p m m p c 1 1 . . 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 m p m p p k I k P . 1 , .
4. Proses orde 1 dengan integrator ,
) 1 ( s s k G p p p
s
k k s s s k s s G G G G p m p m p p m m p p m m p c 1 . 1 . 1 1 1 1 1 1 ) 1 ( 1 1 m p p m p k D k P , . . 1 205. Proses orde 1 dengan zona mati respon atau FOPDT , 1 . s e k G p s p p maka s e jika s , . 1 1 s p m p p s m p p m m s p p m m p c e s k e s k s s s e k s G G G G 1 1 1 . .. . 1 1 1 1 1 1 . 1 1 1
s s k s s k G p p m p p m p p c . . 1 . 1 . 1 1 1 . m p p m p m p p p p p m p p k D k I k P s s k . . , . 1 , . . . ) ( 1 1 . 5 6. Proses orde 2 , ) 1 )( 1 ( 1 2 s s k Gp p s k s s s s k s s G G G G m p m m p m m p c . ) 1 )( 1 ( 1 1 1 1 1 ) 1 )( 1 ( 1 1 1 2 1 2 m p m p m p m p k D k I k P s s k . . , . 1 , . . ) ( 1 1 . 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 10 7. Proses orde 2 , 1 2 1 2 2 s s k G p p p p s k s s s s k s s G G G G m p p p m m p p p m m p c . 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 2 m p p m p m p p p p m p p k D k I k P s s k . . 1 , . 1 , . . 2 . . 2 1 . 2 1 . . 2 2 8. Proses orde 2 dengan zona mati respon ,
1 2 1 . 2 2 s s e k G p p s p p 15
maka s e jika s , . 1 1 s m p p p m m s p p p m m p c e s k s s s s e k s s G G G G . . 1 2 1 1 1 1 1 1 . 1 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2. . . . 1 . . 2 . 1 . . . . 2 ) . 1 ( . . 2 1 . 2 1 . . . 2 s k s k s k k s s s k p p m p p m p m p m p p p p p m p p maka k jika m p p , 0 . . 2 m p p p m p m p p p k D s k I k P . . 1 . . 2 , . 1 , . . . . 2 2 5
9. Proses orde 3 atau lebih,
0 1 1s ... a a s a k G n n n n p p s k a s a s a s s k a s a s a G G G G m p n n n n m m p n n n n m m p c . ... 1 1 1 1 1 ... 1 1 1 0 1 0 1 1 m p m p m p n n m p k a D k a I k a P s a a s a a s a a s a a k a .... . , . , . 1 1 . 2 0 1 1 1 2 1 3 1 2 1 0 1 10
Kemudian kembali mengacu pada gambar 3, jika parameter PID
tracking selesai dilaksanakan maka selanjutnya dapat melakukan blok proses memasukkan hasil perhitungan penalaan parameter PID
tracking (32) yang dalam hal ini dilakukan perangkat lunak 15
pemrograman komputer yang sebelumnya telah melakukan analisis
plant secara grafik/analitis yang kemudian hasil perhitungan penalaan parameter PID dikirim secara otomatis ke memori mikroprosesor melalui komunikasi ethernet. Selain itu, perangkat lunak pemrograman komputer juga digunakan sebagai program 20
antarmuka untuk pengambilan hasil logging data melalui komunikasi ethernet.
Masih tetap mengacu pada gambar 3, jika konfigurasi sistem kalang bertingkat (kaskade) seperti diberikan pada gambar 5 yang dipilih untuk dilaksanakan, maka diagram alir menuju ke proses 25
terbuka atau kalang tertutup (33) yang selanjutnya melakukan proses mengeluarkan sinyal referensi dan keluaran sensor sekunder melalui komunikasi ethernet (34) untuk dianalisis respon grafiknya sehingga mendapatkan parameter penalaan PID
tracking sesuai dengan identifikasi yang dilakukan sebelumnya. 5
Sistem plant sekunder ini yang terlebih dulu dipaksakan menjadi respon model orde 1 yang diinginkan dimana jika melihat pada gambar 10, Gc2(s) (52) sebagai pengontrol PID sekunder dan Gp2(s) (53) sebagai plant sekunder dalam suatu sistem kalang tertutup diubah menjadi Gm2(s) (55). Setelah didapatkan parameter penalaan 10
PID tracking untuk plant sekunder dengan menggunakan bantuan perangkat lunak pemrograman komputer maka dilanjutkan dengan proses memasukkan hasil perhitungan penalaan parameter PID
tracking untuk plant sekunder (35) yang dilakukan secara otomatis menggunakan perangkat lunak pemrograman komputer 15
melalui komunikasi ethernet. Kemudian dilanjutkan dengan proses melakukan identifikasi sistem plant primer dan plant sekunder secara kalang bertingkat (kaskade) (36) dan mengeluarkan sinyal referensi dan keluaran sensor primer melalui komunikasi ethernet
(37). Dengan melihat gambar 10, sistem kalang tertutup dari 20
plant sekunder yang sudah diubah menjadi Gm2(s) (55) dalam suatu konfigurasi sistem kalang bertingkat (kaskade) dimana terdapat Gc1(s) (51) sebagai pengontrol PID primer dan Gp1(s) (60) sebagai
plant primer maka sistem kalang tertutup keseluruhan plant ini juga diubah menjadi model yang diinginkan Gm(s) (50). Kemudian 25
kembali menuju ke gambar 3, setelah parameter pengontrol PID untuk plant primer sudah didapatkan melalui bantuan perangkat lunak pemrograman komputer maka dilakukan proses memasukkan hasil perhitungan penalaan parameter PID tracking untuk plant
primer (38) yang dilakukan secara otomatis oleh perangkat lunak 30
pemrograman komputer melalui komunikasi ethernet. Selanjutnya diagram alir pada gambar 3 semuanya akan bermuara pada blok 18 pada gambar 2.
Klaim
1. Suatu aparatus pengontrol digital PID (Proporsional Integral Derivative) tracking yang dilengkapi fasilitas logging data dan komunikasi ethernet yang mana aparatus tersebut didalamnya mempunyai dua atau lebih dari dua pengontrol PID 5
digital yang dapat digunakan pada sistem kontrol proses dan/atau sistem kontrol motor dimana kedua atau lebih dari dua pengontrol PID dalam aparatus tersebut dapat digunakan secara terpisah dan/atau bersamaan dalam bentuk konfigurasi kalang tunggal dan/atau kalang bertingkat (kaskade) dengan 10
masing-masing pengontrol PID tersebut menggunakan algoritma penalaan pengontrol digital PID tracking respon model yang diinginkan dan juga dilengkapi fasilitas logging
(pengambilan dan penyimpanan disertai keterangan waktu) data serta komunikasi data melalui ethernet, yang terdiri dari: 15
mikroprosesor atau mikrokontroler (1) yang didalamnya terdapat memori yang digunakan untuk menyimpan algoritma perangkat lunak yang dapat melakukan perhitungan pengontrol digital PID tracking dan/atau mengambil dan menyimpan data dengan keterangan tanggal dan waktu dalam sebuah alat 20
penyimpan data serta dapat melakukan komunikasi menggunakan
ethernet;
pengubah sinyal analog ke digital (2) yang digunakan untuk menerima sinyal tegangan listrik dan sinyal arus listrik untuk sinyal masukan pengontrol PID dan/atau sinyal 25
masukan logging data dihubungkan secara listrik ke mikroprosesor (1);
pengubah sinyal digital ke analog (3) yang digunakan untuk mengirimkan sinyal tegangan listrik dan sinyal arus listrik untuk sinyal keluaran pengontrol PID dan/atau 30
sinyal keluaran logging data juga dihubungkan secara listrik ke mikroprosesor (1);
pengubah sinyal arus ke tegangan (17) juga dihubungkan secara elektrik ke pengubah sinyal analog ke digital (2);
pengubah sinyal tegangan ke arus (19) juga dihubungkan 35
antarmuka masukan digital (10) dan keluaran digital (8) juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (1);
RTC (7) yang digunakan untuk mencatat data tanggal dan waktu untuk pengontrol PID dan logging data juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (1);
5
pengubah serial ke ethernet (6) digunakan untuk melakukan komunikasi ethernet juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (1);
MMC (Multi Media Card) atau SD (Secure Digital) Card
(5) juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (1); 10
tombol pilihan (13) yang digunakan untuk memilih menu pengoperasian aparatus juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (1);
tombol daya (12) yang digunakan sebagai pemutus atau penghubung dari catu daya (11) juga dihubungkan secara 15
elektrik ke mikroprosesor (1);
LCD peraga (11) yang digunakan untuk menampilkan hasil proses pengontrol dan logging data juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (1).
2. Aparatus pengontrol PID yang dilengkapi fasilitas logging
20
data dan komunikasi ethernet yang sesuai dengan klaim 1, dimana didalamnya disebutkan algoritma perangkat lunak dalam mikroprosesor (1) dicirikan dengan algoritma pengontrol PID digital sebagai berikut:
Algoritma pengontrol PID digital yang digunakan adalah 25
( ) ( 1)
. . ( )
( ) 2 ( 1) ( 2)
. ) 1 ( ) ( e k e k e k T D k e T I k e k e P k u k u s sdimana u adalah sinyal kontrol, P adalah konstanta proporsional, I adalah konstanta integral, D adalah konstanta derivatif, e adalah sinyal kesalahan dari sinyal referensi sistem dikurangi dengan sinyal keluaran dari 30
sistem yang akan dikendalikan, dan k adalah operator persamaan beda untuk waktu cuplik tertentu.
3. Aparatus pengontrol digital PID tracking yang sesuai dengan klaim 1, dimana algoritma perangkat lunak dalam mikroprosesor (1) tersebut juga dicirikan mempunyai 35
kemampuan melakukan pengambilan data dan penyimpanan data ke suatu alat penyimpan eksternal yang disimpan dalam bentuk berkas data teks dan/atau dalam bentuk sektor data biner dengan waktu cuplik yang ditetapkan oleh memori mikroprosesor (1).
5
4. Aparatus pengontrol PID yang dilengkapi fasilitas logging
data dan komunikasi ethernet yang sesuai dengan klaim 1, dimana algoritma perangkat lunak dalam mikroprosesor (1) tersebut juga dicirikan mempunyai kemampuan mengirimkan data hasil proses pengontrol PID dan/atau logging data melalui 10
komunikasi ethernet menggunakan protokol TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) dan/atau protokol UDP/IP (User Datagram Protocol/Internet Protocol). 5. Aparatus pengontrol PID yang dilengkapi fasilitas logging
data dan komunikasi ethernet yang sesuai dengan klaim 1, 15
dimana didalamnya disebutkan hasil proses pengontrol dan hasil logging data semuanya disimpan dalam alat penyimpan data berkapasitas besar berupa MMC (Multi Media Card) dan/atau SD (Secure Digital) Card (5).
6. Aparatus pengontrol PID yang dilengkapi fasilitas logging
20
data dan komunikasi ethernet yang sesuai dengan klaim 1, dimana penalaan parameter pengontrol PID pada algoritma perangkat lunak dalam mikroprosesor (1) tersebut dapat diatur parameternya secara manual menggunakan tombol pilihan (12) dan/atau secara otomatis melalui komunikasi ethernet. 25
7. Aparatus pengontrol PID yang dilengkapi fasilitas logging
data dan komunikasi ethernet yang sesuai dengan klaim 1, dimana metoda penalaan parameter pengontrol PID tracking
tersebut dapat mengikuti model yang diinginkan mulai dari sistem berorde 0 sampai sistem berorde 3 atau lebih dimana 30
penalaan parameter PID tracking dapat dijelaskan sebagai berikut:
a) untuk sistem plant berupa penguatan Gp kp maka parameter penalaan PID tracking adalah P0,
m p k I . 1 , D0 ;
b) untuk sistem plant berupa integrator
s k
Gp p maka
parameter penalaannya adalah
m p k P . 1 , I 0 , D0 ;
c) untuk sistem plant berupa orde 1 G ks1 p
p
p maka parameter penalaan PID tracking adalah
m p p k P . , m p p p k I . . , D0 ;
d) untuk sistem plant berupa orde 1 dengan integrator 5 ) 1 ( s s k G p p
p maka parameter penalaan PID tracking adalah
m p k P . 1 , I 0, m p p k D . ;
e) untuk sistem plant berupa orde 1 dengan zona mati respon atau yang biasa disebut dengan sistem plant FOPDT
1 . s e k G p s p p
maka parameter penalaan PID tracking adalah 10 ) ( m p p k P , ) .( . m p p p k I , D0 atau ) ( . 2 . m p p k D ;
f) untuk sistem plant berupa orde 2 ( 1)( 1)
2 1 s s k Gp p maka
parameter penalaan PID tracking adalah
m p k P . 2 1 , ) .( . 1 2 2 1 m p k I , m p k D . . 2 1 ;
g) untuk sistem plant berupa orde 2 1 2 2 1
2 s s k G p p p p maka 15
parameter penalaan PID tracking adalah
m p p k P . . 2 , m p k I . 1 , m p p k D . . 1 2 ;
h) untuk sistem plant berupa orde 2 dengan zona mati respon atau yang biasa disebut dengan sistem plant SOPDT
1 2 1 . 2 2 s s e k G p p s p p
maka parameter penalaan PID tracking
adalah m p p p m p m p p p k D s k I k P . . 1 . . 2 , . 1 , . . . . 2 2 ;
i) untuk sistem plant berupa orde 3 atau lebih
0 1 1s ... a a s a k G n n n n p p
maka parameter penalaan PID
tracking adalah m p k a P . 1 , m p k a I . 0 , m p k a D . 2 . 5
8. Aparatus pengontrol digital PID yang dilengkapi fasilitas
logging data dan komunikasi ethernet yang sesuai dengan klaim 1, dimana didalamnya disebutkan penalaan parameter pengontrol PID tracking yang dapat mengikuti model yang diinginkan penalaannya dilakukan secara terpisah dari hasil 10
identifikasi sistem yang akan dikendalikan dimana datanya dikeluarkan melalui komunikasi ethernet.
9. Aparatus pengontrol digital PID yang sesuai dengan klaim 1, dimana didalamnya dicirikan algoritma pengontrol PID
tracking dengan fasilitas logging data dan komunikasi 15
ethernet tersebut dapat digunakan secara luas sebagai alat pengontrol atau pengendali jarak jauh (telekontrol) pada sistem kontrol proses dan/atau sistem kontrol motor menggunakan komunikasi ethernet dan/atau sebagai alat pengukuran jarak jauh (telemeter) menggunakan komunikasi 20
ethernet dimana kedua fungsi telekontrol dan/atau telemeter tersebut juga dilengkapi fasilitas logging data menggunakan alat penyimpan data berkapasitas besar berupa MMC (Multi Media Card) dan/atau SD (Secure Digital) Card.
Abstrak
APARATUS PENGONTROL DIGITAL PID (PROPORSIONAL INTEGRAL DERIVATIVE) TRACKING MULTIGUNA DENGAN FASILITAS
LOGGING DATA DAN KOMUNIKASI ETHERNET 5
Suatu aparatus/alat yang didalamnya mempunyai dua atau lebih dari dua pengontrol PID digital yang dapat digunakan pada sistem kontrol proses dan/atau sistem kontrol motor dimana kedua atau lebih dari dua pengontrol PID dalam aparatus tersebut dapat digunakan secara terpisah dan/atau bersamaan dalam bentuk 10
konfigurasi kalang tunggal dan/atau kalang bertingkat (kaskade) dengan masing-masing pengontrol PID tersebut menggunakan algoritma penalaan pengontrol digital PID tracking respon model yang diinginkan dan juga dilengkapi fasilitas logging
(pengambilan dan penyimpanan disertai keterangan waktu) data 15
serta komunikasi data melalui ethernet. Invensi ini menggunakan seperangkat elektronik berbasis mikroprosesor atau mikrokontroler yang mempunyai keunggulan dapat digunakan secara luas sebagai alat pengontrol atau pengendali jarak jauh (telekontrol) pada sistem kontrol proses dan/atau sistem kontrol 20
motor menggunakan komunikasi ethernet dan/atau sebagai alat pengukuran jarak jauh (telemeter) menggunakan komunikasi
ethernet dimana kedua fungsi telekontrol dan/atau telemeter tersebut juga dilengkapi fasilitas logging data menggunakan alat penyimpan data berkapasitas besar berupa MMC (Multi Media Card) 25
1 Gambar 1 Mikro prosesor Pengubah A/D Pengubah D/A Keluaran Analog Masukan Analog Serial ke Ethernet Kanal Ethernet MMC / SD Card LCD
Peraga TombolPilihan
Real Time Clock (RTC) Catu Daya keluaran digital keluaran PWM/timer masukan tegangan listrik masukan arus listrik Pengubah V ke I Pengubah I ke V 1 2 3 5 6 7 10 11 13 4 14 12 Tombol Daya 9 8 masukan digital keluaran tegangan listrik keluaran arus listrik
2
Gambar 2
Mulai
Baca pengaturan dan parameter dari memori mikroprosesor
Hitung sinyal kontrol PID tracking
untuk setiap pengontrol yang diaktifkan Baca sinyal umpan balik dan referensi dari setiap pengontrol PID yang diaktifkan
Waktu cuplik logging terpenuhi ? T Y Matikan alat 16 15 17 21 22 20 Keluarkan sinyal kontrol PID tracking dalam bentuk
sinyal analog arus atau tegangan atau PWM
19
Baca sinyal I/O yang diaktifkan untuk logging data
Catat penanda tanggal dan waktu sekarang Simpan hasil proses data dan waktu yang
tercatat dalam alat penyimpan data
Tombol daya ditekan lama ?
Logging data dikeluarkan menggunakan
komunikasi ethernet T Y 23 24 25 26 27 Identifikasi sistem dan
pengaturan dilakukan ? 1 18 2 T Y
3
Gambar 3
Lakukan pengaturan I/O yang diaktifkan untuk pengukuran
28
1
Konfigurasi sistem kalang bertingkat ?
Lakukan identifikasi sistem setiap
plant secara kalang terbuka atau
kalang tertutup
Keluarkan sinyal referensi dan keluaran sensor melalui komunikasi ethernet
Lakukan identifikasi sistem
plant sekunder secara
kalang terbuka atau kalang tertutup
Masukkan hasil perhitungan penalaan parameter PID tracking
Keluarkan sinyal referensi dan keluaran sensor sekunder melalui komunikasi ethernet
Masukkan hasil perhitungan penalaan parameter PID
tracking untuk plant sekunder
2 Lakukan identifikasi sistem
plant primer dan plant sekunder
secara kalang bertingkat
Keluarkan sinyal referensi dan keluaran sensor primer melalui komunikasi ethernet
Masukkan hasil perhitungan penalaan parameter PID
tracking untuk plant primer
2 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 T Y
4 Gambar 4 Gambar 5 Gambar 6 PID Tracking I +_ Referensi Primer Ts
+_ TrackingPID II Plant Sekunder Plant Primer
Kalang Sekunder Kalang Primer PID Tracking I +_ Referensi I Ts Plant I PID Tracking II +_ Referensi II Ts Plant II Masukan Keluaran Keluaran tanpa
zona mati respon
Keluaran dengan zona mati respon
Keluaran I Keluaran II Sensor II Sensor I Sensor Sekunder Keluaran Primer Keluaran Sekunder Referensi Sekunder Sensor Primer Algoritma kontroler Algoritma kontroler 39 42 40 43 41 44 47 42 45 46 47 48 b
5
Gambar 7
6 Gambar 9 Gambar 10 Gc(s) Gp(s) R(s) E(s) Fd +_ Y(s) +_ 49 50 Gm(s) R(s) 51 Y(s) Gc1(s) Gp2(s) R(s) E(s) +_ 51 52 Gc2(s) Fd2 + _ Gp1(s) Fd1 + _ Gc1(s) R1(s) E1(s) +_ 51 55 Gm2(s) Gp1(s) Fd1 + _ Gm(s) R(s) 50 Y(s) 53 60 54
