Integrasi PLC S7 Lite 300 dan DCS Centum CS 3000 Untuk Sistem Kontrol Aliran Uadara Melalui Control Valve

Transkripsi

1 Integrasi PLC S7 Lite 300 dan DCS Centum CS 3000 Untuk Sistem Kontrol Aliran Uadara Melalui Control Valve Samsul Rajab Jurusan Teknik Elektro - FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya rajab@elect-eng.its.ac.id 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 masingmasing 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, ratio control, operasi-operasi aritmatika sederhana

2 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 keputusankeputusan 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 akhirakhir 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

3 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 D C S F C S Gambar 2.5 Integrasi beberapa peralatan kontrol (DCS dan PLC) H IS 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]. P L C 2 A lira n u d a ra d a ri k o m p re s o r C o n tr o l v a lv e 1 C o n tr o l va lve 2 S e n s o r flo w 1 S e n s o r flo w 2 P L C 1 Y(s) K = X(s) τs + 1 (2-1) Gambar 3.2 Konfigurasi integrasi PLC dan DCS 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. Control valve 1 Control valve 2 Sensor flow 1 Sensor flow 2 Gambar 3.1 Skema plant control valve Pada proses digunakan dua sensor flow untuk membaca besar bukaan dari masing-masing control Proses control valve dijalankan dan dikontrol dalam suatu sistem yang dibangun dari integrasi antara PLC Siemens S7 Lite 300 dan DCS Centum CS 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 subkontroler 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.

4 Konfigurasi sistem untuk proses identifikasi dapat pada Gambar 3.3. 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 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. Kontrol rasio Kontroler PID Kontrol manual Masukkanvalve2 Masukkanvalve1 Sinyal kontrol menujuvalve1 Keluaranoperasi manual Gambar 4.1 Implementasi sistem pada Centum CS 3000 Pada Gambar 4.1 dapat dilihat bahwa fungsi dengan tag name %Z digunakan sebagai modul masukan dari sensor flow 2, tag name %Z digunakan sebagai modul masukan untuk sensor flow 1, tag name %Z digunakan sebagai modul keluaran menuju ke control valve 1 dan tag name %Z 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 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] Y(s) 2.1 = X(s) 5.5s + 1 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. Gambar 4.2 Respon plant dengan gain kontroler Kp=200 dan Ki=20 Masukan yang diberikan sebesar / H (nilai rata-rata) dan nilai respon dari control valve 1 menuju nilai / H (nilai rata-

5 rata). Nilai kesalahan yang diperoleh sebesar 13.01%. 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 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 / H (nilai rata-rata) dan nilai respon dari control valve 1 menuju nilai / H (nilai ratarata). Nilai kesalahan yang diperoleh sebesar 23.12%. 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 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 / H (nilai rata-rata) dan nilai respon dari control valve 1 menuju nilai / 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 Dari Gambar 4.5 diperoleh bahwa nilai masukan yang diberikan sebesar 37.3 / H (nilai rata-rata) dan nilai respon dari control valve 1 menuju nilai 33.8 / H (nilai rata- rata). Nilai kesalahan yang diperoleh sebesar 9.38%. Gambar 4.6 Respon plant dengan gain kontroler P=50 dan I=5

6 Gambar 4.6 menunjukkan hasil implementasi dengan menggunakan parameter kontroler Kp=50 dan Ki=5. Masukan yang diberikan sebesar / H (nilai rata-rata) dan nilai keluaran dari control valve 1 menuju nilai / 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%. Kondisi bukaan 75% Respon control valve 1 Kondisi bukaan 50% Set value 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. Kondisi bukaan 25% nilai / 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. Manipulated variable DAFTAR REFERENSI 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 / H (nilai rata-rata) dan nilai respon dari control valve 1 menuju [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 company-wide outomation solution Totally

7 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 Tesis Jurusan Teknik Fisika,ITB,2007.