Proceeding Seminar Tugas Akhir – Januari 2012

PERANCANGAN SISTEM KENDALI BERJARINGANMENGGUNAKAN METODE DECOUPLING DAN KONTROLER STATE

FEEDBACK UNTUK SISTEM MIMO PADA BOILER PLANT SIMULATOR

Dian Samto Bagus Pramana, Rusdhianto Effendie A.K, Joko SusilaJurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri - Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya

Abstrak – Sistem kendali berjaringan digunakan untuk mengontrol plant yang letaknya berada di lapangan yang jauh dengan komputer monitoring. Pada tugas akhir ini digunakan simulator boiler yang dibangun pada Wonderware InTouch dan untuk monitoringnya dengan HMI Plant Monitoring yang dibangun pada MATLAB. Level pada steam drum boiler dan pressure dari steam yang dihasilkan harus dikontrol untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Dari hasil pengujian yang dilakukan terhadap metode decoupling dan kontroler state feedback, didapatkan sistem pengaturan level dapat mencapai set point yang diinginkan dengan settling time sebesar 7 detik sedangkan sistem pengaturan pressure sebesar 134 detik.

Kata Kunci : Boiler, HMI Plant Simulator, HMI Plant Monitoring, Decoupling, State Feedback.

I. PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi di industri saat ini sangat pesat. Berbagai macam kontroler digunakan untuk meningkatkan produksinya. MATLAB merupakan salah satu software yang banyak digunakan untuk pengukuran di bidang perindustrian, eksperimen, ataupun pendidikan dan aplikasi otomasi. Dengan adanya software MATLAB, diharapkan dapat memberikan manfaat dalam menganalisa kinerja plant sehingga sistem dapat bekerja secara optimal dan tingkat kesalahan atau problem saat produksi dapat ditekan baik itu dilakukan oleh mesin atau operator. Selain MATLAB, peran HMI (Human Machine Interface) juga memberikan manfaat yang sangat baik. Dengan adanya HMI, maka proses pada plant dapat dimonitor dan dikontrol dengan mudah. Selain itu juga dapat dilakukan proses perekaman data sehingga jika ada kesalahan atau trouble dapat dengan mudah diselesaikan.

Permasalahan yang didapat adalah kesulitan jika menggunakan real plant sebagai objek pembelajaran selama perkuliahan. Hal ini disebabkan karena keterbatasan akses ke pabrik-pabrik untuk mempelajari real plant yang ada. Selain itu jika menggunakan miniatur plant sebagai objek pembelajaran harganya cenderung mahal.

Berdasarkan permasalahan diatas, pada tugas akhir ini dibuat suatu sistem simulator dengan komunikasi menggunakan ethernet sehingga dapat dengan mudah melakukan pembelajaran seolah-olah dengan real plant. Sistem simulator berupa plant simulator yang dibuat

dengan MATLAB dan diintegrasikan dengan mikrokontroler ATMega 128. Plant simulator yang digunakan adalah boiler.

Sebagai media komunikasi antara MATLAB sebagai HMI Plant Simulator dan Kontroler dan Wonderware InTouch sebagai HMI Monitoring, maka ditambahakan rangkaian mikrokontroler dan interface OPC (Ole for Process Control). Mikrokontroler digunakan unuk komunikasi data Wonderware Intouch yang kemudian dikirim menuju HMI Plant Simulator dengan komunikasi ethernet secara dua arah, dengan bantuan interface OPC.

II. SIMULATOR BOILER DAN AKUISISI DATA

Boiler adalah suatu bejana tertutup yang terdiri atas sistem air umpan, sistem steam, dan sistem pembakaran. Panas pembakaran dari sistem bahan bakar dialirkan ke air sampai terbentuk air panas. Secara umum boiler terdiri dari beberapa bagian, yaitu feed water pump, economizer, steam drum, wall tube, super heater, dan sistem pembakaran. Feed water pump merupakan komponen boiler yang berfungsi memompa air pengisi dari tangki penampung (condensate tank) ke economizer sebelum diumpankan ke steam drum. Economizer adalah serangkaian pipa yang digunakan untuk memanaskan air awal sebelum air masuk de dalam steam drum agar panas air yang masuk hampir sama dengan suhu air di dalam steam drum sehingga tidak terjadi shich temperature. Steam drum adalah salah satu bagian dari boiler yang berfungsi untuk menampung air yang akan dipanaskan, memisahkan uap dari air setelah proses pemanasan, dan mengatur permukaan air sehingga tidak terjadi kekurangan saat boiler beroperasi yang dapat menyebabkan overheating pada pipa boiler. Sistem pembakaran merupakan suatu sistem yang menyediakan bahan bakar yang nantinya digunakan untuk mendidihkan serangkaian proses di boiler.. Diaram alir dan proses pada boiler dapat dilihat pada Gambar 1.

1

Proceeding Seminar Tugas Akhir – Januari 2012

Gambar 1 Diagram Alir dan Proses Boiler

Variabel dinamik yang harus dikontrol pada boiler steam drum agar proses pemisahan dapat berlangsung secara optimal adalah level fluida cair di dalam steam drum. Level fluida yang terlalu tinggi akan menyebabkan fluida gas (steam) yang dihasilkan akan mengandung uap air sehingga dapat membahayakan proses selanjutnya. Selain itu dapat juga menyebabkan kerusakan pada pipa –pipa yang terdapat di dalam boiler. Sebaliknya jika level fluida terlalu rendah maka akan menghasilkan fluida gas (steam) yang terlalu kering sehingga steam yang dihasilkan tidak akan mampu memutar turbin secara maksimal. Variabel dinamik kedua yang harus dikontrol pada boiler steam drum agar proses pemanasan air berlangsung secara optimal adalah pressure steam yang dihasilkan dari superheater yang akan menuju turbin. Pengaturan dari pressure steam ini akan mengakibatkan perubahan bukaan control valve sistem bahan bakar, dalam hal ini control valve kerosin.

Pemodelan metematika plant ini sebelumnya telah dibuat oleh pihak atau penulis lain, yaitu Awal Mu’awar dengan judul Tugas Akhir “Perancangan Sistem Kontrol Level dan Pressure Pada Boiler di Workshop Instrumentasi Berbasis DCS CENTUM CS3000 Yokogawa”. Untuk diagram blok pemodelan matematis pengaturan level dan pressure boiler dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2 Blok Pemodelan Matematis Pengaturan Level dan Pressure Boiler di Workshop Instrumentasi Teknik Fisika –

ITS

Untuk membangun HMI Plant Simulator dan Kontroler digunakan software MATLAB. Sedangkan untuk membangun HMI Plant Monitoring, digunakan software Wonderware InTouch. Wonderware InTouch merupakan salah satu software Human Machine Interface yang banyak digunakan di dunia industri.

Dalam proses akuisisi data, sistem ini dibantu dengan mikrokontroler ATMega 128, yang memiliki beberapa kelebihan diantaranya, 53 saluran I/O, 6 saluran PWM, 8 saluran ADC, dan 2 buah USART.

Untuk komunikasi antara mikrokontroler dengan bagian PC, baik HMI Plant Simulator dan kontroler maupun HMI Plant Monitoring menggunakan bantuan interface OPC. OPC atau Ole for Process Control adalah spesifikasi standar yang dikembangkan pada tahun 1996 oleh industri otomatisasi. Ole merupakan singkatan dari Object Linking and Embedding. Standar ini menentukan komunikasi data real-time pada plant antara perangkat kontrol dari produsen yang berbeda. Software OPC yang dipakai pada tugas akhir ini adalah KepServerEx V4, Matrikon OPC Data Manager, dan OmniServer.

III. PERANCANGAN SISTEM

Sistem terdiri dari 4 bagian utama, yaitu MATLAB sebagai HMI Plant Simulator beserta kontroler, selanjutnya terdapat mikrokontroler yang merupakan media komunikasi, OPC untuk membangun protokol komunikasi secara ethernet dan serial dan HMI Plant Monitoring yang dibangun dengan menggunakan Wonderware InTouch. Untuk skema integrasi sistem dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3 Skema Integrasi Sistem

3.1 Perancangan Perangkat LunakPerancangan perangakat lunak atau software

merupakan perancangan dari HMI Plant Monitoring yang dan HMI Plant Simulator dan Kontroler. HMI Plant Monitoring dibangun pada software Wonderware InTouch. Desain dari HMI Plant Monitoring dapat dilihat pada Gambar 4.

2

Proceeding Seminar Tugas Akhir – Januari 2012

Gambar 4 Desain HMI Plant Monitoring

Sedangkan untuk perancangan HMI Plant Simulator dan Kontroler menggunakan software MATLAB. Desain dari HMI Plant Simulator dan Kontroler dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 5 Desain HMI Plant Simulator dan Kontroler

3.2 Perancangan Komunikasi DataAkuisisi data adalah suatu proses pengambilan,

penerimaan, pengumpulan, dan persiapan data untuk menghasilkan data yang dikehendaki. Proses akuisisi dan komunikasi data pada sistem ini terdiri dari dua jenis, yaitu komunikasi data secara serial dan ethernet.

Komunikasi serial digunakan untuk komunikasi data antara mikrokontroler dengan PC (HMI Plant Simulator dan Kontroler). Untuk memudahkan komunikasi secara serial dan ethernet, maka dibantu dengan menggunakan OmniServer dan KepServer.

Untuk membangun suatu komunikasi data antara perangakat dari luar, dalam hal ini mikrokontroler dengan OmniServer., maka dalam OmniServer harus ditentukan suatu protokol yang bisa dibuat sesuai dengan format data yang diinginkan baik untuk pengiriman data ataupun penerimaan data.

Agar protokol yang telah dibentuk dapat berhubungan dengan tag–tag yang ada pada KepServer, maka di dalam protokol tersebut harus dibuat item –item pada item list yang sesuai dengan tag atau address tag yang ada pada KepServer.

Untuk membentuk suatu protokol penerimaan data, maka harus dibuat pesan baru pada unsolicited message list. Sedangkan untuk membentuk suatu protokol pengiriman data, maka harus dibuat pesan baru pada host message list dimana tipenya adalah write.

Pada protocol yang telah dibuat pada OmniServer, format data yang akan di kirim ke mikrokontroler dari HMI Plant Simulator dan Kontroler berupa

aa{drum_output}bb{tekanan_output}cc{fb_level}dd{fb_pressure}{$CR} dan data yang diterima dari mikrokontroler ke OmniServer berupa data a{SV_kerosin}b{SV_water}c{v_ker}d{v_water}{$CR}, dimana alphabet ataupun angka adalah pemisah masing–masing data sedangkan {$CR} adalah penanda akhir data. Setelah protocol dibuat, maka akan dipilih COM Port yang telah aktif pada komputer.

3.3 Perancangan DecouplingPada sistem MIMO (Multi Input Multi Output)

yang dipakai pada penelitian ini, perlu dirancang suatu decoupling untuk menghilangkan pengaruh interaksi input-output, sehingga masing-masing input hanya untuk satu output.

Berikut gambar decoupling sistem pada penelitian ini, dimana untuk sistem dengan input u1 dan output y1 adalah sistem pengaturan level, sedangkan sistem dengan input u2 dan output y2 adalah sistem pengaturan pressure.

Gambar 7 Decoupling sistem boiler

Untuk mendapatkan decoupler d12 adalah :

Maka didapatkan decoupler d12 sebagai berikut :

Untuk mendapatkan decoupler d21 adalah:

Maka didapatkan decoupler d21 sebagai berikut :

3.3 Perancangan KontrolerUntuk perancangan kontroler, menggunakan

kontroler state feedback, dimana untuk mendapatkan gain state feedback digunakan metode kontrol Linear Quadratic Regulator (LQR).

Untuk langkah awal dalam penggunaan metode LQR, dibutuhkan proses linearisasi. Linearisasi yang dibuat disini bedasarkan orde sistem boiler pada tugas akhir ini, yaitu orde tiga. Kemudian fungsi alih dari

3

(1)

(2)

Proceeding Seminar Tugas Akhir – Januari 2012

sistem pengaturan level dan sistem pengaturan pressure dapat diubah menjadi bentuk state untuk mempermudah penggunaan metode LQR. Fungsi alih dari sistem pengaturan level adalah :

Sedangkan fungsi alih sistem pengaturan pressure adalah:

Sehingga apabila fungsi alih sistem pengaturan level diubah kedalam bentuk state menjadi seperti berikut :

Sedangkan bentuk state dari sistem pengaturan pressure adalah sebagai berikut :

Perhitungan nilai K menggunakan program MATLAB m-file. Dalam perhitungan nilai K, diperlukan penentuan nilai matrik pembobot Q dan R. Setelah melalui beberapa pengambilan nilai Q dan R, akhirnya diambil nilai matrik Q dan R dengan output yang dihasilkan paling baik. Nilai matrik Q dan R untuk sistem pengaturan level adalah :

Maka akan diperoleh gain feedback sebagai berikut :

Sedangkan nilai matrik Q dan R untuk sistem pengaturan pressure adalah :

Maka akan diperoleh gain feedback sebagai berikut :

IV. IMPLEMENTASI DAN ANALISA

Komunikasi data berlangsung dengan 2 tahap, yaitu komunikasi serial dan ethernet. Komunikasi serial berfungsi untuk akuisisi data antara mikrokontroler ATMega 128 dengan Wonderware InTouch, dalam hal ini melalui OPC. Selanjutnya komunikasi ethernet digunakan untuk komunikasi antara mikrokontroler dengan MATLAB, juga melalui OPC.

4.1 Validasi Data Respon SistemUntuk validasi data respon sistem menggunakan

pendekatan error kuadrat rata-rata atau Mean Square Error (MSE). Berikut perbandingan hasil respon pada sistem pengaturan level saat dalam keadaan offline dan online:

Gambar 10 Perbandingan respon Sistem Pengaturan Level saat keadaan offline dan online

Berikut perbandingan hasil respon pada sistem pengaturan pressure saat dalam keadaan offline dan online:

Gambar 11 Perbandingan respon Sistem Pengaturan Pressure saat keadaan offline dan online

Dari gambar diatas didapatkan nilai error rata-rata untuk sistem pengaturan level sebesar 0,8812% dan untuk sistem pengaturan pressure nilai error rata-rata sebesar 0,000442%. Terdapat waktu tunda komunikasi data antara 3 - 4 ms, dan rata - rata waktu tunda sebesar 3,75ms.

4.2 Implementasi KontrolerDari hasil desain dan identifikasi yang telah

dilakukan, selanjutnya diimplementasikan pada plant. Hasil respon digambarkan pada MATLAB dan

4

Proceeding Seminar Tugas Akhir – Januari 2012

Wonderware Intouch. Berikut gambar diagram blok dari sistem yang telah diberi decoupling dan kontroler state feedback dengan metode Linear Quadratic Regulator :

Gambar 12 Diagram blok sistem yang telah diberi decoupling dan kontroler state feedback

Berikut gambar grafik respon pada HMI Plant Monitoring dari sistem pengaturan level dan pressure tanpa kontroler apabila diberikan input masing-masing sebesar 250mm untuk pengaturan level dan 60kg/cm2

untuk pengaturan pressure pada keadaan online.

Gambar 13 Respon sistem pengaturan level dan pressure tanpa kontroler

Dari gambar diatas, ketika pengaturan level diberi input sebesar 250 mm, respon pengaturan level mencapai steady state sebesar 2861,6 mm, dan itu melebihi kapasitas dari steam drum. Sedangkan ketika pengaturan pressure diberi input sebesar 60kg/cm2, respon pengaturan pressure mencapai steady state sebesar 6,15 kg/cm2. Hal ini menunjukkan bahwa output plant tidak sesuai dengan operating point.

Berikut adalah hasil respon Sistem Pengaturan Level Steam Drum dengan input sebesar 250 mm saat HMI Plant Simulator dan Kontroler belum terkoneksi dengan mikrokontroler, atau dalam keadaan offline.

Gambar 14 Respon Sistem Pengaturan Level Steam Drum

Sedangkan respon sistem pengaturan pressure saat diberi input sebesar 20 kg/cm2 tampak pada Gambar 15.

Gambar 15 Respon Sistem Pengaturan Pressure

Dari gambar respon hasil kontroler Sistem Pengaturan Pressure dan Sistem Pengaturan Pressure dilakukan pengambilan presentase spesifikasi waktu tunak (settling time) sebesar 0,05 %, didapatkan bahwa respon telah sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan yaitu mempunyai settling time sebesar 7 detik untuk Sistem Pengaturan Level dan 134 detik untuk Sistem Pengaturan Pressure.

Berikut adalah hasil respon Sistem Pengaturan Level Steam Drum pada grafik trend HMI Plant Simulator dan kontroler ketika dalam kondisi terkoneksi dengan mikrokontroler dan HMI Plant Monitoring :

Gambar 16 Respon Sistem Pengaturan Level pada grafik trend HMI Plant Simulator dan Kontroler

Pada Gambar 16 terlihat respon sistem pengaturan level yang sudah diberi kontroler dapat mengikuti set point, dimana diberikan set point awal level sebesar 150 mm dan setelahnya diberikan set point sebesar 250 mm.

Untuk hasil respon Sistem Pengaturan Pressure sebagai berikut :

Gambar 17 Respon Sistem Pengaturan Pressure pada grafik trend HMI Plant Simulator dan Kontroler

5

Proceeding Seminar Tugas Akhir – Januari 2012

Pada Gambar 17 terlihat respon sistem pengaturan pressure yang telah diberi kontroler dapat mengikuti set point, dimana diberikan set point pressure sebesar 20 kg/cm2.

Berikut adalah respon Sistem Pengaturan Level Steam Drum pada grafik trend HMI Plant Monitoring ketika dalam kondisi terkoneksi dengan mikrokontroler dan HMI Plant Simulator dan Kontroler :

Gambar 18 Respon Sistem Pengaturan Level pada grafik trend HMI Plant Monitoring

Pada Gambar 18 terlihat respon sistem pengaturan level yang sudah diberi kontroler dapat mengikuti set point, dimana diberikan set point awal level sebesar 200 mm dan setelahnya diberikan set point sebesar 300 mm.

Untuk hasil respon Sistem Pengaturan Pressure sebagai berikut :

Gambar 19 Respon Sistem Pengaturan Pressure pada grafik trend HMI Plant Monitoring

Pada Gambar 19 terlihat respon sistem pengaturan pressure yang telah diberi kontroler dapat mengikuti set point, dimana diberikan set point awal pressure sebesar 20 kg/cm2, kemudian diubah menjadi 35 kg/cm2.

V. KESIMPULAN

Dari percobaan-percobaan yang telah dilakukan pada pengerjaan tugas akhir ini, maka dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain:

1. Hasil perhitungan decoupling yang telah dilakukan mampu menghilangkan interaksi antara input sistem pengaturan level dan sistem pengaturan pressure.

2. Dari hasil validasi data respon sistem, didapatkan nilai error rata-rata untuk sistem pengaturan level sebesar 0,8812% dan untuk sistem pengaturan pressure nilai error rata-rata sebesar 0,000442%.

3. Dari implementasi, didapatkan respon hasil kontroler Sistem Pengaturan Level Steam Drum mempunyai settling time sebesar 7 detik, sedangkan pada respon hasil kontroler Sistem Pengaturan Pressure Steam Drum mempunyai settling time sebesar 134 detik.

VI. REFERENSI

[1] Mu’amar, Awal, “Perancangan Sistem Kontrol Level dan Pressure Pada Boiler di Workshop Instrumentasi Berbasis DCS CENTUM CS3000 Yokogawa”, Surabaya :Institut Teknologi Sepuluh Nopember

[2] Permana, Arif, 2011, “Perancangan Boiler Plant Simulator dengan HMI Wonderware InTouch dan Proses Akuisisi Data menggunakan Mikrokontroler”, Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember

[3] Lim, Resmana, 2009 “Perancangan Simulator Weight Feeder dengan Menggunaan HMI Wonderware InTouch”, Surabaya : Universitas Kristen Petra

[4] K. Ogata. 1997. Modern Control Engineering 3rd Edition. Upper Saddle River New Jersey:Prentice-Hall Inc.

[5] Wicaksono, Handy, 2009 “Dasar Pemrograman SCADA Software dengan Wonderware InTouch”, Surabaya : IATC

RIWAYAT PENULIS

Bagus Pramana dilahirkan di Jogja, 26 Juli 1988. Merupakan putra ketiga dari pasangan Bpk. Drs. Samad, MM, Akt dan Ibu Suyati. Lulus dari SDN Maguwoharjo 1 pada tahun 2000, kemudian melanjutkan studinya ke SLTPN 4 Depok dan lulus pada tahun 2003. Kemudian kembali melanjutkan ke SMAN 8 Yogyakarta dan lulus pada tahun 2006. Setelah

menamatkan SMA, penulis melanjutkan studinya di Universitas Gadjah Mada tepatnya pada jurusan Diploma Teknik Elektro dan lulus pada tahun 2009. Selanjutnya penulis meneruskan studi sarjana di Teknik Elektro ITS, kemudian fokus pada bidang studi Teknik Sistem Pengaturan. Pada bulan Januari 2012 penulis mengikuti seminar dan ujian Tugas Akhir sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro dari Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

6