PENGENDALIAN TEKANAN PADA PRESSURE PROCESS RIG MELAUI MODBUS MENGGUNAKAN KONTROLER FUZZY PID

Transkripsi

1 ENGENDALIAN TEKANAN ADA RESSURE ROCESS RIG MELAUI MODBUS MENGGUNAKAN KONTROLER FUZZY ID Tedy Ade Wijaya Jurusan Teknik Elektro FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya lant pressure riil memiliki perubahan beban tertentu dan juga noise sehingga membutuhkan kontroler yang mampu menangani kedua permasalahan tersebut. engendali ID hanya mampu mengontrol plant apabila perubahan parameter yang terjadi tidak terlalu besar. Bila pengaturan parameternya tidak tepat, engendali ID dapat menyebabkan plant bekerja tidak lancar. Maka dirancang sebuah pengendali yang menggunakan logika Fuzzy sebagai logika yang digunakan menentukan nilai parameter pengendali ID. Logika Fuzzy yang digunakan harus memiliki nilai pada Fuzzy rule yang tepat agar parameter yang dihasilkan untuk tiap perubahan beban dapat menghasilkan pengendali ID yang dapat mengontrol plant dengan stabil. engendali fuzzy ID memiliki respon yang lebih cepat dari pengendali ID konvensional. Hal ini dapat dilihat dari respon plant pada kondisi nominal saat ts(5%) sebesar 14, detik untuk pengendali fuzzy ID dan 46,1 untuk pengendali ID. Jumlah membership function berpengaruh dalam pemilihan rule base. Semakin banyak jumlah rule base maka akan semakin sulit menempatkan rule base pada kondisi yang tepat. Efek yang paling terlihat adalah pada saat kondis perubahan beban menuju kondisi beban minimal. pengendali fuzzy ID menggunakan 3 membership function dapat tercapai dengan waktu 7,3 detik dan pengendali fuzzy ID menggunakan 5 membership function dengan waktu 7,7 detik. Kata kunci : ID, Fuzzy, ID-Fuzzy, ressure Control 1. ENDAHULUAN Sistem kendali tekanan banyak diimplementasikan pada teknologi sistem kendali industri. Adapun alasan pemakaian yang luas dikarenakan sifat tahan ledakan, kesederhanaan dan perawatan yang mudah. lant pressure juga memiliki kekurangan, dimana pengendalian plant pressure riil akan selalu berhubungan dengan perubahan beban tertentu dan noise yang muncul.selain itu, plant pressure juga memiliki respon yang lambat. MODBUS sebagai salah satu protokol komunikasi yang ada, telah menjadi standar protokol komunikasi di dunia industri. enggunaan MODBUS banyak digunakan pada pengontrolen yang dilakukan dari jarak jauh. Kelebihan yang dimiliki oleh MODBUS adalah MODBUS dipublikasikan secara terbuka serta bebas royalti, relatif mudah untuk membangun jaringan di industri dan MODBUS mampu mengirim raw bit atau word tanpa memindahkan beberapa batas pada vendor. Untuk mendapatkan performa yang baik dalam sistem pengendalian tekanan maka dibutuhkan pengendali yang mampu menangani masalah yang muncul pada plant pressure. enggunaan pengendali ID dimana kesederhanaan strukturnya, kekokohannya yang baik, dan juga mudah diimplementasikan menjadikan pengendali ID tersebut menjadi standar pada otomasi industri. Hampir semua instrumen yang digunakan pada dunia industri telah memiliki pengendali ID. Tetapi pengendali ini memiliki kekurangan yaitu pengendali ini tidak mampu mereduksi pengaruh gangguan pada beban (load disturbance) serta tidak mampu mempertahankan kriteria yang diinginkan ketika terjadi perubahan parameter yang terlalu besar dalam sistem. engendali ID dapat memiliki tingkat kerja yang tinggi apabila gain pengendali tersebut diatur oleh seseorang yang memiliki tingkat pengalaman yang tinggi pada plant yang akan dikontrol. Oleh karena itu digunakan logika Fuzzy dimana logika tersebut digunakan untuk menala nilai gain pada pengendali ID.. DASAR TEORI.1 rinsip rotokol MODBUS Master-Slave MODBUS serial menerapkan protokol tipe master-slave. ada protokol master-slave terdapat 1 master dan 1-17 slave yang dapat terhubung dalam 1serial bus. Node slave tidak akan melakukan pengiriman data tanpa ada penerimaan permohonan dari node master. Node slave pada MODBUS tidak dapat saling berkomunikasi antar sesama node slave. Terdapat dua mode permohonan yang dilakukan node master kepada node slave:[1] Mode Unicast ada mode unicast, node master mengalamatkan permohonan pada sebuah node slave. Setelah 1

2 menerima dan memproses permohonan, node slave memberikan balasan pesan kepada node master (Gambar 1). ada mode ini, transaksi MODBUS terdiri dari pesan yaitu sebuah pesan permohonan dari node master, dan sebuah pesan balasan dari node slave. Gambar 1. roses permohonan mode Unicast Mode Broadcast ada mode Broadcast node master dapat mengirimkan permohonan kepada seluruh node slave. Tidak ada pesan balasan yang dikirimkan oleh node slave (Gambar ). Umumnya mode broadcast dilakukan pada perintah menulis (write). Addres field pada MODBUS jalur serial hanya terdiri dari alamat slave. Alamat slave berada pada alamat ada sebuah pesan, node master mengalamatkan node slave dengan menempatkan alamat node slave pada Addres field. ada saat node slave merespon, node slave menempatkan alamatnya pada alamat respon agar node master dapat mengetahui node slave mana yang merespon. Function code memberitahukan kepada server aksi apa yang harus dilakukan. Function code didalamnya dapat terdiri dari data permohonan dan parameter respon. Error Checking field adalah hasil dari pemeriksaan perhitungan yang dilakukan secara terpisah pada konten pesan. Metode perhitungan pada MODBUS terdiri dari dua metode yang digunakan tergantung pada jenis mode transmisi yang digunakan (RTU atau ASCII) Metode Strejc Metode Strejc adalah suatu metode identifikasi plant orde tinggi yang memiliki nilai ζ > 1 dengan metode penarikan garis pada grafik respon sistem. [] Gambar. roses permohonan mode Broadcast. Deskripsi MODBUS Frame rotokol aplikasi pada MODBUS didefinisikan sebagai sebuah rotokol Data Unit (DU) pada layer komunikasi seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3. MODBUS rotokol Data Unit emetaan protokol MODBUS pada bus tertentu atau jaringan terdiri dari alamat, DU. Dan CRC atau LRC seperti pada Gambar 4. Gambar 5. enarikan Garis pada Metode Strejc τs Ke n ( 1+ T (1) Tabel 1 arameter Identifikasi pada metode Strejc n Tn/T Tu/T Tu/Ta ,718 0,8 0, ,695 0,805 0,18 4 4,463 1,45 0, ,119,100 0,410 Gambar 4. Frame MODBUS pada jalur serial 3. erancangan Sistem 3.1. lant ressure Rig ressure rocess Rig adalah plant yang digunakan untuk mendemonstrasikan prinsip-prinsip dalam proses instrumentasi dan kendali pneumatik.

3 R1 I/ Converter 4-0mA 4-0mA 4-0mA I/ Sensor Aliran Sensor Tekanan V6 V5 V4 V3 K Yss Xss 191 0, Tu 13, Ta 93 V enampung Udara R Kompresor neumatik kontrol Valve Orifice Gambar 6. Diagram fisik plant ressure rocess Rig V1 Komponen ressure rocess Rig terdiri dari pneumatic control valve, orifice block, dan pressure tapping yang terhubung pada saluran pipa udara. Setelah melewati keseluruhan proses, aliran udara dapat dibuang langsung ke atmosfer atau ditampung ke air receiver yang terdapat pada bagian belakang untuk pengamatan respon proses yang lebih lambat. emasangan air receiver dapat dilakukan secara seri atau paralel. Gambar 6 memperlihatkan diagram fisik untuk plant ressure rocess Rig Metode embebanan embebanan pada plant dilakukan untuk pengujian pengendali dan identifikasi plant. Beban pada plant ressure rocess Rig berupa manual valve seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Gambar 8. Kurva Strecj dari respon keluaran tekanan terhadap waktu untuk kondisi beban nominal Tu 13 n 0,139 Ta 93 Berdasarkan Tabel 1 maka nilai n. Maka : Ta,718 T 93 T Ta 34,1633,718,718 Tu Tu' Ta 0, ,67 Tatable τ Tu Tu' 13 9,67 3,38 Maka persamaan model untuk beban kondisi nominal: G( Ke τs ( Ts ) n Gambar 7. Manual Valve pada ressure rocess Rig Variasi beban dilakukan pada 3 keadaan, yaitu: Beban Nominal ; V 4 dibuka, V 5 ditutup, V 6 dibuka Beban Maksimal ; V 4 dibuka, V 5 dibuka, V 6 dibuka Beban Minimal ; V 4 ditutup, V 5 ditutup, V 6 dibuka 3.3. Identifikasi Sistem Identifikasi menggunakan metode Strecj dilakukan setelah respon keluaran menggunakan sinyal uji step pada plant didapatkan. Identifikasi menggunakan metode Strecj untuk beban nominal dapat dilihat sebagai berikut: Yss 00 Xss s G ( 1170,75761s + 68,4367s Dengan metode yang sama dicari persamaan model untuk kondisi beban maksimal dan minimal. ada tabel Tabel ersamaan Model untuk Kondisi Beban Kondisi ersamaan Model RMSE Beban Nominal s ,09% s s Maksimal 1.44s ,19% s s Minimal,67784s % 80,5693s s 3

4 Setelah persamaan model plant dengan RESS didapat, maka dicari persamaan model plant dengan memisahkan parameter pengendali proposional. Kp adalah nilai parameter gain proposional dan G( adalah persamaan model matematis dalam bentuk orde seperti pada Gambar 9. + Set point - Kp G( U( Gambar 9. Diagram blok engendali proposional Bila G( adalah persamaan model matematik plant dalam bentuk orde : (As ) ( ( α s + β s ) G () Maka didapatkan persamaan berikut: U ( U ( α s U ( (As )/( α s + β s ) 1+ ( As )/( α s + β s ) (3) + ( (As ) β + α s + ) s + ( (As ) ) β + s (4) (5) Bila persamaan model identifikasi loop-terbuka dalam bentuk orde adalah: ' (A' s ) ' ( ( α ' s + β ' s ) G (6) K ' (7) A ' A (8) α ' α (9) β + ' β (10) Maka dapat dicari persamaan odel identifikasi loopterbuka untuk kondisi beban nominal, maksimal, dan minimal sebagai berikut: 1. Beban Nominal dimana nilai parameter Kp5 (As ) 0.955(3.38s ) α β s s + s s Didapat: K 0, A 3, 38 α 6016, β 1498, Maka didapat model persamaan plant tanpa parameter pengendali adalah sebagai berikut: 0,84888(3,38s ) G( 6016,57561s 498,48879s. Beban Maksimal dimana nilai parameter Kp 37 (As +1) (1,6s ) α β s + s +1 s s Didapat: K 0, 434 A 1, 6 α 13536, 335 β 76, Maka didapat model persamaan plant tanpa parameter pengendali adalah sebagai berikut: 0,434(1,6s ) G ( 13536,335s + 76,83518s 3. Beban Minimal dimana nilai parameter Kp 75 (As +1) (,99s ) α β + 80,5693 s + s +1 s s Didapat: K 0, 0853 A, 99 α 7643, β 531, Maka didapat model persamaan plant tanpa parameter pengendali adalah sebagai berikut: 4

5 0,0853(,99s ) G ( 7643,51714s + 531,08864s 3.4. Desain engendali ID Bila pengendali ID modifikasi digunakan untuk mengendalikan plant orde dengan delay, memiliki fungsi alih loop tertutup sebagai berikut:[3] C( KKp 1 τ s( ) i τd s + ω ωn n [ τi( τd1 + τd ) s + ( τi + τd ) s] τs ξ 1 [ s + + KKpτi( τd1 + τd ) s + ( τi + τd ) s] τs (11) Jika : τ d τ (1) ξ τ i + τ d ωn (13) 1 τ i(τ d1 + τd ) ωn (14) C( KKp R ( s ) τ i s + KKp (15) C( 1 τ i s KKp (16) ada persamaan (16) terlihat bentuk persamaan plant orde dengan delay dan pengendali ID memiliki bentuk model seperti plant orde pertama seperti pada persamaan (17). C( K * (17) τ * s 11 Dengan membandingkan persamaan (16) dan (17) maka didapat: τ i τ * (18) KK 1. arameter ID untuk kondisi beban nominal τ d 3, 3 τ i 1495,8879 τ d1 14,084 Kp 17, arameter ID untuk kondisi beban maksimal τ d 1, 6 τ i 75,3518 τ d1 17,06475 Kp 5, arameter ID untuk kondisi beban minimal τ d, 99 τ i 58,09664 τ d1 11,48178 Kp 30,98068 Dari perancangan desain tersebut didapat parameter Kp, τ i, τ d1, dan τ d untuk setiap kondisi beban. Setelah dilakukan implementasi dan tuning manual agar hasil respon yang diinginkan tercapai didapat nilai parameter Kp, τi, dan τd adalah sebagai berikut: 1. Kondisi beban nominal Kp 17,5 τ i 1150 τ d1 14 τ d. Kondisi beban maksimal Kp 5 τ i 80 (.9) τ d1 17 τ d 3 3. Kondisi beban minimal Kp 15 τ i 000 (.10) τ d1 1 τ d Desain Logika Fuzzy a. Fuzzifikasi Fuzzy ID 3 membership function[4] Masukan untuk logika fuzzy(f) adalah flow dan perubahan flow(df), dimana domainnya dibagi menjadi 3 membership function yaitu N, Z, dan. N adalah Negatif, Z adalah Zero, dan adalah ositif. Gambar 10 menunjukkan pembagian membership function untuk flow dan perubahan flow. Gambar 10. Membership function variabel E dan de 5

6 embagian lingusitic variable pada parameter ID ada 3 yaitu S, M,dan B. S adalah small, M adalah Medium, B adalah Big. dan adalah ositif. Gambar 16 menunjukkan pembagian domain menggunakan 5 membership function. Gambar 1. Membership function untuk parameter Kp Gambar 16. Membership function variabel F dan df Untuk 5 5 membership function pembagian lingusitic variable pada parameter ID ada 5 yaitu S, SM, M, BM dan B. S adalah small, SM adalah Small Medium, M adalah Medium, BM adalah Big Medium, dan B adalah Big. Gambar 13. Membership function untuk parameter τ i Gambar 17. Membership function untuk parameter Kp Gambar 14. Membership function parameter τ d1 Gambar 18. Membership function untuk parameter τ i Gambar 15. Membership function untuk parameter τ d Fuzzy ID 5 membership function Untuk 5 membership function pembagian domainnya menjadi N, Nz, Z, z, dan. Dimana N adalah Negatif, Nz adalah Negatif zero, Z adalah Zero, z adalah ositif Zero Gambar 19. Membership function parameter τ d1 6

7 Uji Respon Kondisi Beban Nominal Gambar 0. Membership function untuk parameter τ d b. Rule Base Tabel 3, dan Tabel 4 menunjukkan rule base yang digunakan pada Fuzzy ID 3 membership function. Gambar Respon uji pengendali ID kondisi beban nominal. Uji Respon Kondisi Beban Maksimal Tabel 3. Rule base parameter Kp, τ d1, τ d F/dF N Z N S S S Z M M M B B B Tabel 4. Rule base parameter τ i F/dF N Z N B B B Z M M M S S S Tabel 5, dan Tabel 6 menunjukkan rule base yang digunakan pada Fuzzy ID 5 membership function. Gambar Respon uji pengendali ID kondisi beban maksimal Uji Respon Kondisi Beban minimal Tabel 5. Rule base parameter Kp, τ d1, τ d F/dF N NM Z M N S S SM M M Nz S SM M M M Z SM M M M BM z M M M BM B M M BM B B Tabel 6. Rule base parameter τ i F/dF N NM Z M N B B BM M M Nz B BM M M M Z BM M M M SM z M M M SM S M M SM S S 4. ENGUJIAN DAN ANALISIS a. engujian Implementasi engendali ID Modifikasi engujian pengendali ID modifikasi adalah pengujian parameter ID yang didapat dengan melakukan penalaan secara manual pada parameter kontroler ID agar respon yang dinginkan dapat tercapai. Gambar Respon uji pengendali ID kondisi beban minimal Dari pengujian yang dilakukan secara simulasi untuk kondisi beban nominal, maksimal, dan minimal menggunakan pengendali ID didapatkan tebel performansi pengendali seperti yang terlihat pada Tabel 4.4. Tabel 4.4 erformasi pengendali ID pada simulasi Kondisi Mp(%) Ts(5%)(detik) Ess(%) Nominal 0 46,1 3,6 Maksimal 0 0,6 0,05 Minimal 7 30, 7

8 b. engujian Implementasi engendali Fuzzy ID Uji Respon engendali Fuzzy ID 3 Membership Function Tabel 4.7 erformansi kontroler Fuzzy ID 5 membership function untuk kondisi perubahan beban pada implementasi Kondisi Kondisi M(%) Ts(5%) Ess(%) awal perubahan (detik) 0 Nominal 0,04 14,5 0,0 Nominal Maksimal 0 13,4 0,5 Nominal Minimal 6,05 7.7,8 Maksimal Nominal 0 0 0,75 Maksimal Minimal Minimal Nominal 0 0 0,45 Minimal Maksimal 0 3,3 0,5 5. KESIMULAN Gambar Respon uji pengendali fuzzy ID untuk 3 membership function Tabel 4.6 erformansi kontroler Fuzzy ID 3 membership function untuk kondisi perubahan beban pada implementasi Kondisi Kondisi M(%) Ts(5%) Ess(%) awal perubahan (detik) 0 Nominal 0 14, 0,01% Nominal Maksimal 0 1,1 0,4 Nominal Minimal 6,5 7,3,4 Maksimal Nominal 0 0 0,85 Maksimal Minimal 6,7 15,4 3,5 Minimal Nominal 0 0 0,4 Minimal Maksimal 0 9,4 0,6 Uji Respon engendali Fuzzy ID 5 Membership Function engendali fuzzy ID memiliki respon yang lebih cepat dari pengendali ID konvensional. Hal ini dapat dilihat dari respon plant pada kondisi nominal saat ts(5%) sebesar 14, detik untuk pengendali fuzzy ID dan 46,1 untuk pengendali ID. Jumlah membership function berpengaruh dalam pemilihan rule base. Semakin banyak jumlah rule base maka akan semakin sulit menempatkan rule base pada kondisi yang tepat. Efek yang paling terlihat adalah pada saat kondis perubahan beban menuju kondisi beban minimal. pengendali fuzzy ID menggunakan 3 membership function dapat tercapai dengan waktu 7,3 detik dan pengendali fuzzy ID menggunakan 5 membership function dengan waktu 7,7 detik. DAFTAR USTAKA [1] MODBUS.ORG, MODBU Sover Serial Line Specification & Implementation guide V1.0, MODBUS.ORG, 00. [] Mikleš, J., Fikar, M., rocess Modelling, Identification, and Control, STU ress Bratislava, 004. [3] Ogata, K., Modern Control Engineering, rentice- Hall,Inc,1970. [4] Jantzen,Jan., Design Of Fuzzy Controllers, Technical University of Denmark, Departement of Automation, Lyngby, RIWAYAT HIDU Gambar Respon uji pengendali fuzzy ID 5 membership function Tedy Ade Wijaya, lahir di Sabang pada tanggal maret Merupakan anak pertama dari pasangan Tugiman dan eni Hartati. Setelah Lulus dari SMA Negeri 3 Bandar Lampung pada tahun 005,enulis melanjutkan studi di jurusan teknik elektronika, oliteknik Elektronika Negeri Surabaya (ENS). ada tahun 008 setelah menyelesaikan studi di ENS penulis melanjutkan studi ke S1 teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) melalui program Lintas Jalur. ada tahun 011 penulis penulis mengikuti seminar dan ujian tugas akhir di Bidang Studi Teknik Sistem engaturan, Jurusan Teknik Elektro, 8

9 ITS Surabaya sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro. 9