Elektronika Industri & Otomasi (IE-204)
BAB 1. PENDAHULUAN
Diktat ini digunakan bagi mahasiswa Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik
Universitas Kristen Maranatha
Ir. Rudy Wawolumaja M.Sc
JURUSAN TEKNIK INDUSTRI - FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS KRISTEN MARANATHA
BANDUNG 2013
rudy-wawolumaja.lecturer.maranatha.edu
Rudy Wawolumaja Halaman 1 Bab 1 . Pendahuluan
Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi di industri berkembang cepat terutama dibidang otomasi industri. Perkembangan ini tampak jelas di industri pemabrikan, dimana sebelumnya banyak pekerjaan menggunakan tangan manusia, kemudian beralih menggunakan mesin, berikutnya dengan electro-mechanic (semi otomatis) dan sekarang sudah menggunakan robotic (full automatic) seperti penggunaan Flexible Manufacturing Systems (FMS) dan Computerized Integrated Manufacture (CIM) dan sebagainya.
Pengertian Otomasi (Automation)
Otomasi adalah teknologi yang memanfaatkan aplikasi mekanik, elektronik dan sistem komputer untuk mengoperasikan dan mengendalikan operasi.
Revolusi Industri di awali dengan mekanisasi, yaitu usaha untuk membantu manusia dari usaha fisik, yaitu dengan menggantikan tenaga manusia dan binatang (kuda, kerbau, sapi) dengan tenaga yang dihasilkan dari energi fosil (batu bara, minyak, air dll).
Dengan berkembangnya teknologi elektronik dan komputer, maka otomasi adalah kelanjutan dari mekanisasi, otomasi adalah usaha untuk membantu manusia dari usaha mentalnya dalam mengoperasikan dan mengendalikan operasi dari suatu proses .
automation dan automatisation dalam bahasa Inggris kerap digunakan bergantian dan mempunyai arti yang sama, dalam bahasa Indonesia digunakan istilah Otomasi.
Perkembangan Teknologi Otomasi
Istilah otomasi (automation) pertama kali digunakan di industri mobil Fords di Detroit, sebagai substitusi kata otomatis/automatic, sehingga pada awalnya dikenal sebagai Otomasi Detroit..
Pada waktu itu otomasi Detroit mempunyai arti sistem ban berjalan, yaitu alat mekanis untuk handling diantara mesin perkakas sehingga menjadi suatu lintas produksi yang kontinu . Kelanjutan otomasi Detroit diterapkan pada perakitan motor listrik, radio, TV, “Automated push button factory”, Pengendali otomatis proses kontinu . Dan teknologi yang digunakan adalah : pneumatik, listrik, hidrolik. Dengan berkembangnya teknologi elektronika dan komputer, munculnya Integrated Circuit (IC) pada tahun 1960 an dan munculnya microprocessor pada tahun 1970 an yang berlanjut dengan turunnya harga IC dan microprocessor maka lahirlah
Rudy Wawolumaja Halaman 2 Revolusi Industri ke2, yang ditandai dengan meningkatnya tingkat atau derajad otomasi pada industri yang dimungkinkan.
Derajat / tingkat otomasi industri adalah seberapa jauh otomasi industri mengendalikan proses mengantikan campur tangan / bantuan manusia. (ppt AI – 110, 120, 130, 140, 150)
Pengendalian (Control Tasks) adalah measure - command – control, meliputi : - Menghidupkan/menyalakan (command)
- Mematikan/menghentikan (command)
- Mengatur parameter proses, seperti gerakan, posisi, aliran, kecepatan, temperatur, level, tekanan dll. (measure, control atau regulate)
Jantung dari sistem kontrol otomatis modern sekarang adalah elektronik dan dengan berkembangnya teknologi komputer, teknologi informasi dan komunikasi dimungkinkan dirancanganya sistem otomatis yang kompleks dan fleksibel, (AI 130. 140, 150)
Sistem Otomasi dalam Industri meliputi :
Numerical Control Machine Tools (NC, CNC)
Programmable Controllers (PC/PLC)
Automateic Storage and Retrieval System (AS/RS)
Robotics
Flexible Manufacturing Systems (FMS)
Aplikasi Automation dalam berbagai area industri :
Power generation : hydro, coal, gas, oil, shale, nuclear, wind, solar
Transmission : electricity, gas, oil
Distribusi : electricity, water
Proses : kertas, kaya, makanan, farmasi, produksi dan proses logam, gelas,semen, kimia, refinery, oil & gas
Manufacturing : computer aided manufacturing (CIM), flexible fabrication, appliances, automotive, aircrafts
Storage : silos, elevator, harbor, retail houses, deposits, luggage handling
Building : heat, ventilation, air conditioning (HVAC), access control, fire, energy supply, tunnels, parking lots, highways,....
Transportation : rolling stock, street cars, sub-urban trains, busses, trolley busses, cars, ships, airplanes, rockets, satellites,...
Rudy Wawolumaja Halaman 3 Pemasok Sistem Automation - World Players/Supplier Utama
Company (urutan abjad ) Lokasi Merjer utama
ABB CH-SE Brown Boveri, ASEA, CE, Alfa-Laval,
Alstom FR Alsthom, GEC, CEGELEC, ABB Power,..
Ansaldo IT
Emerson US Fisher Rosemount
General Electric US
Hitachi JP
Honeywell US
Rockwell Automation US Allen Bradley, Rockwell,..
Schneider Electric FR Télémécanique, Square-D, ...
Invensys UK Foxboro, Siebe, BTR, Triconex,…
Siemens DE Plessey, Landis & Gyr, Stäfa, Cerberus,..
Yokogawa JP
8 Besar dunia setelah proses Konsolidasi: the Big Eight
Rudy Wawolumaja Halaman 4 Perputaran bisnis € 80 juta /tahun, growing 5 % pertahun (data Januari 2010, EPFL)
Secara Umum Hirarki dari Sistem Otomasi dapat diklasifikasi menjadi
Transformation Process Raw
Material
Part or Product
Power Tools Machines
Labour
Scrap or Waste
Level 1
• Device Control
(Sensors & Actuators) Level 2
• Machine Controller/
Automatic Control) Level 3
• Cell Controller
(Supervisory Control) Level 4
• Plant Control
(Production, Quality,
…) Level 5
• Enterprise Control
Rudy Wawolumaja Halaman 5 EPFL / ABB Research Center, Baden, Switzerland
Menggambarkan hirarki otomasi sbb. :
Rudy Wawolumaja Halaman 6
Administration meliputi Keuangan, HRD, dokumentasi, perencanaan jangka panjangg
Enterprise meliputi menetapkan target produksi, ERP (Enterprise Resource Planning), koordinasi site yang berbeda, pengelolaan order.
Manufacturing mengelola eksekusi, sumber daya, aliran kerja, supervisi mutu, jadwal produksi, pemeliharaan / maintenance.
Supervision meliputi supervisi produksi dan lapangan, optimasi, eksekusi operation, visualisasi plant, penyimpanan data proses, log operasi, history (open loop)
Group (Area) , mengendalikan bagian pabrik yang terdefinisi jelas ( a well-defined part of the plant) – merupakan sistem yang closed loop, kecuali untuk intervensi oleh
operator / except for intervention of an operator)
• Coordinate individual subgroups
• Adjust set-points and parameters
• Command several units as a whole
Unit (Cell) mengendalikan l (regulation, monitoring and protection) bagian dari suatu group – merupakan sistem closed loop kecuali untuk maintenance
• Measure: Sampling, scaling, processing, calibration.
Rudy Wawolumaja Halaman 7
• Control: regulation, set-points dan parameter 2
• Command: sequencing, protection & interlocking
Field meliputi data acquisition (Sensors & Actors*), data transmission tidak memproses kecuali koreksi pengukuran ( measurement correction) dan built-in protection
Dari gambaran diatas, level 1 dan 2 adalah area otomasi yang sarat piranti keras otomasi, makin kebawah peran operator/manusia makin kecil.
Dalam kuliah ini pembahasan akan dititik beratkan pada level 1 Device control (sensor dan actuator), level 2 machine controller dan level 3 cell controller (model hirarki gambar 1), atau pada model EPFL/ABB Reserch Center level 1 – sensors 7 actuator, Field, Unit Control, Group Control dan Supervisory.
Automation network view
Rudy Wawolumaja Halaman 8 Sistematika dan organisasi dari perkuliahan
Dimulai perkenalan umum, yang berisi gambaran sekilas tentang otomasi, hirarki dalam otomasi, sistem pengaturan dalam industri dan persolan-persoalan pokok dalam system pengendalian , sistem pengaturan yang dibahas adalah sistem
pengaturan kontinyu , dilanjutkan dengan pembahasan materi dengan pendekatan dari bawah keatas atau bottom-up approach:
• Perangkat keras instrumentasi ( instrumentation hardware) : bagaimana kondisi plant dibaca & dikendalikan (how is the state of a plant read and controlled)
• Rangkaian pengolah sinyal analog yang digunakan dimana opamp sebagai building block.
• Sistem digital, sistembilangan biner, dasar rangkaian logika, Analog to Digital Converter dan Digital to Analog Converter.
• Controller PID untuk robust sistem , dalam analog dan digital (gambaran sekilas)
• PLC – Programmable Logic Controller
• controllers: hardware and software bagaimana controllers bekerja dan di program
• industrial communication networks: how are real-time data exchanged, in the field and in the plant
• operator interface and SCADA how does the operator see the plant it supervises
Berbagai jenis pengelompokan Plants dan Control Pengelompokan berdasarkan berbagai sudut pandang :
Open loop vs closed loop
Proses kontinyu vs proses diskrit
Proses kontinyu vs proses batch
Open loop vs closed loop
Rudy Wawolumaja Halaman 9 Traditional allocation of function of computers in control systems
Rudy Wawolumaja Halaman 10 Discrete vs continuous plants
Continuous plants
Contoh: Drives, Ovens, Chemical Reactors
Continuous plants (processes) memiliki keadaan (states) yang dapat dinyatakan dengan variabel (analog) seperti (temperature, voltage, speed,...)
Antara plant input dan plant output, terdapat hubungan yang tetap (fixed relation) yang dinyatakan oleh model kontinyu disebut fungsi transfer (transfer function).
Transfer function dinyatakan oleh persamaan differential, disederhanakan menggunakan transformasi Laplace atau or transformasi-z bila sistem adalah linear.
Rudy Wawolumaja Halaman 11 Prinsip utama control task dalam proses kontinyu adalah pengendalian (regulation), yaitu mempertahankan keadaan (state) pada level atau trajectory yang telah ditetapkan (set )
Discrete plants
Discrete plant dimodelkan dengan keadaan (states) yang terdefinisi jelas /well-defined, unik dan tidak tumpang tindih (exhaustive and non-overlapping states), dan perubahan / transisi dari satu state kelainnya disebabkan oleh events. Dalam model diatas state dinyatakan dengan lingkaran dan event garis.
Discrete plants adalah reversible, namun tidak monotone, artinya hilangnya stimulus yang menyebabkan transisi state tidak serta merta menyebabkan state plant balik ke state sebelumnya :
Contohe: suatu lift tidak akan ketingkat sebelumnya ketika tombol dilepaskan.
Contoh dari diagram model diatas dari state 1 ke state 2 dibutuhkan event a, bila event a telah berakhir maka state tetap di state 2 tidak kembali ke state 1, untuk kestate 1 dari state 2 dibutuhkan transit melalui beberapa state lain, dalam hal ini dari 2 ke 3 ke 7 ke 1 balik ke 2 , atau 2-3-4-7-1-2- atau 2-3-4-5-6-7-1-2 atau 2-3-4-5-6-3-2 dst.
Discrete plants dapat dipelajari menggunakan tools Finite State Machines, Petri Net, State transition tables Grafcet, SDL or Sequential Function Chart diagrams dll..
Prinsip utama dalam control task untuk sistem discrete plants adalah command yang berupa event atau menggerakkan event.
Rudy Wawolumaja Halaman 12 Continuous process, dapat berupa continuous flow of material or energy
contoh kontrol motor pada pabrik cement, glass, paper production,rolling mill for wires, plate or profiles, newspaper printing: 23 m/s, steel wire 90 m/s
Main task: regulation
Batch process, berupa proses diskrete dalam menangani elemen individual, contoh : Numerical Controlled machine, packing machines, Bottle-filling, manufacturing, pharmaceutical and chemical processes.
Main task: command
