Elemen-elemen Pengendali DCS

HMI merupakan salah satu aplikasi GUI yang bisa menampilkan kondisi riel yang ada dilapangan, oleh karena itu seorang operator akan lebih mudah dalam mengoperasikan system proses yang ada dilapangan.

Supaya seorang operator bisa mengoperasiikan HMI ini, maka dituntut mengerti konsep dasar tentang pengetahuan computer.

HMI ini dibuat oleh seorang engineer untuk menampilkan animasi grapik agar sesuai dengan yang ada dilapangan, tetapi tidak hanya itu saja seorang engineer juga harus mendesain system dan pengendalian yang ada di lapangan supaya grafik yang tampil di HMI sama persis dengan kondisi operasi yang ada diplan.

Setelah tahapan diatas dilakukan, maka langkah selanjutnya adalah bagaimana cara membuat pemogramannya, seperti kita ketaui system pemograman yang ada pada dcs ini menggunakan fungsi blok.

Salah satu fungsi blok pada setiap dcs adalah controller.dan jumlah fungsi blog ini tergantung dari berapa jumlah loop proses yang ada diplant.

Input Indikator

Fungsi input indicator pada dcs adalah merupakan salah satu indicator besaran fisika yang ada dilapangan.fungsi blok ini digunakan untuk memproses masukan dari sinyal input / output atau dari sinyal-sinyal device lainya, jenis function blok untuk indicator ini ada 2 yaitu :

• PVI (Input Indicator Block)

Blok fungsi ini menampilkan sinyal input dari modul I / O atau dari blok lain sebagai variabel proses (PV). Ini juga dapat menampilkan variabel proses (PV) dari terminal OUT. Blok ini dapat digunakan untuk menampilkan variabel proses (indikator).

• PVI-DV Input Indicator Block with Deviation Alarm)

Blok Indikator Input dengan Alarm Deviasi (PVI-DV) menampilkan sinyal input sebagai variabel proses (PV), menyediakan fungsi alarm penyimpangan, dan mengeluarkan PV dari terminal OUT. Blok ini digunakan untuk tampilan PV, dan alarm penyimpangan menunjukkan perbedaan antara PV dan nilai setpoint (SV)

Blok PVI menampilkan input proses, output proses, dan alarm proses.  Function Block PVI terdiri dari IN, Input Processing, SUB, dan OUT. Input proses masuk melalui chanel IN. Pada input processing dimungkinkan bagi kita untuk melakukan manipulasi pada hasil outputnya. Bila input processing tidak digunakan maka dianggap bahwa nilai Input sama menjadi nilai PV. Terminal SUB merupakan auxiliary output, berguna apabila nilai PV juga akan digunakan oleh function block yang lain.

Function Block PVI-DV mirip dengan PVI tetapi dilengkapi fungsi untuk menghitung nilai DV. DV adalah deviasi/selisih antara SV dengan PV dimana hasil selisih ini diwujudkan dalam bentuk alarm DV. Nilai SV dimasukkan oleh user melalui keyboard.

Input proses masuk melalui chanel IN. Seperti pada PVI, bila input processing tidak digunakan maka dianggap bahwa nilai Input sama menjadi nilai PV. Selanjutnya nilai PV dibandingkan dengn nilai SV menghasilkan nilai alarm DV. Terminal SUB merupakan auxiliary output, berguna apabila nilai PV juga akan digunakan oleh function block yang lain.

PID Controller

Controller adalah salah satu peralatan instrumentasi yang berfungsi membandingkan nilai pengukuran (Process value/PV) terhadap nilai yang dikehendaki (set point /set value/ SV), sesuai dengan aksi dan mode kontrol untuk menghasilkan signal kendali (manipulated value / MV) sebagai keluaran yang sebanding dengan selisih nilai pengukuran (PV) terhadap set point (SV).

Mode kontrol merupakan tata cara controller dalam menghasilkan sinyal output sebagai tanggapan atas kesalahan / error yang dideteksinya, dengan  tujuan untuk menjaga agar nilai yang terukur (PV) sama dengan nilai setpoint (SV) dapat dicapai.

Controller dapat diatur agar dapat berfungsi secara sempurna pada berbagai macam aplikasi. Pengaturan mode controller ini melibatkan tiga fungsi kontrol matematis yang bekerja sekaligus, yaitu: Proportional-Integral-Derivative (PID). Penggunaan PID bertujuan untuk membuat harga terukur (PV) sama dengan harga yang dikehendaki (setpoint/ SV).

Adapun fungsi masing-masing unit adalah sbb:

• Proportional control unit (gain): menentukan selisih antara setpoint dan process variable (error), lalu memberikan perubahan berdasarkan besarnya error Proportional control digunakan untuk menjaga proses sesuai dengan set point dengan / tanpa adanya fluktuasi yang berarti. Tetapi dalam kenyataannya, proportional control akan selalu meninggalkan error permanen (offset) walaupun proses sudah dalam keadaan steady state. Dan besarnya offset tersebut sangat tergantung sekali terhadap besarnya nilai Proportional Band (PB) yang diberikan. Jika harga PB semakin besar, maka respon kontrol akan relatif lambat dan offset akan semakin kecil begitu juga jika harga PB semakin kecil, maka respon kontrol akan semakin cepat yang mengakibatkan offset akan semakin besar.
• Integral control unit (reset): output controller memberikan perubahan berdasarkan besar offset, kemudian melakukan koreksi untuk menghilangkan offset tersebut yang lamanya tergantung dari waktu (reset time) yang diberikan.
• Derivative Control unit (rate): memonitor laju perubahan PV dan melakukan aksi koreksi jika terdeteksi laju perubahan yang tidak normal. Dertive digunakan untuk mempercepat respon controller, pada disturbance yang besar menggunakan derivative control.

Function Block Controller adalah bagian terpenting dari system pengendalian. Proses kalkulasi, karena adanya error yang disebabkan selisih antara SV dan PV akan menghasilkan sinyal koreksi MV yang dikirim melalui I/O Card. Ada beberapa jenis controller yang tersedia pada peralatan DCS, tetapi yang paling banyak digunakan adalah PID controller.

PID controller adalah controller yang paling banyak digunakan pada pengendalian proses. Pemilihan mode pengendalian tipe controller ini dapat dilakukan dengan cara memberikan nilai tertentu untuk proportional band-nya, time integralnya, dan time derivative-nya.

Persamaan umum PID controller adalah sebagai berikut:

Input proses masuk melalui chanel IN. Seperti pada PVI dan PVI-DV, bila input processing tidak digunakan maka dianggap bahwa nilai Input sama menjadi nilai PV. Pada set input yang dimasukkan ada pilihan cascade, automatik, dan manual input.

Pada automatik kontrol, nilai PV dibandingkan dengan nilai SV menghasilkan nilai error E(t) yang dipakai untuk menghitung output kontroler (MV) menggunakan rumus PID diatas. Terminal SUB merupakan auxiliary output, berguna apabila nilai PV atau MV juga akan digunakan oleh function block yang lain.

Sedangkan aksi dari controller dapat dipilh dengan menentukan initial D untuk aksi direct dan R untuk aksi reverse. Umumnya besar parameter pengendalian PID ini adalah sebagai berikut:

Proportional Band (PB) : 6,3 – 999,9%

Integral (TI) : 1-9999 detik

Derivative (TD) : 0-9999 detik

Function blok PID controller ini terdapat input dan output compensation pada terminal BIN yang digunakan untuk melakukan perubahan/perbaikan loop pengendalian jika diperlukan. Pada Input Compensation bila dimasukkan suatu konstanta maka nilai PV akan bertambah, sedangkan bila kita menambahkan nilai kontstanta pada output, maka yang bertambah adalah nilai MV. Kompensasi untuk input dan output tidak bisa digunakan bersamaan, harus dipih salah satu.

ON/OFF Controller

Kontroller jenis ini  menghasilkan sinyal output ke target berupa keadaan ON dan OFF saja. Atau akan menghasilkan suatu nilai 0% dan 100% saja.

Input proses masuk melalui chanel IN. Bila input processing tidak digunakan maka dianggap bahwa nilai Input sama menjadi nilai PV.

Kontroller ini bekerja berdasarkan nilai deviasi antara PV dan SV. Saat posisi AUT, outputnya berubah sesuai deviasi dan aksinya. Pada posisi MAN maka outputnya kontaknya akan OFF bila nilai MV pada 0-49,9%, dan akan ON bila nilai MV pada 50-100%. ON-OFF Controller ini juga mempunyai dua kondisi yaitu Direct atau Reverse. Hubungan nilai output dan deviasi saat posisi AUT dan output pada posisi MAN bisa digambarkan sebagai berikut:

Manual Loader (MLD)

Manual Loader Block (MLD) merupakan sistem kendali manual yang dilakukan oleh operator dari control room. MLD diterapkan dengan melakukan manipulasi nilai output (MV) untuk mengoperasikan secara manual elemen kontrol akhir, seperti control valve.

Merupakan suatu unit yang memberikan keluaran manipulated (MV) secara manual. Ini dapat digunakan sebagai remote setting atau operasi manual pada final control element. Umumnya terdapat tiga jenis manual loader yaitu MLD, dan manual loader dengan indicator input yaitu MLD-PVI, serta auto.manual station yaitu MLD-SW.

MLD

Function Block MLD seperti terlihat pada gambar dibawah. Sinyal ouput merupakan sinyal MV yang dapat dikoneksikan dengan instrument internal DCS maupun dikoneksikan secara langsung ke I/O card dengan ouput 4-20 mA. Dalam kondisi Tracking Mode yaitu dengan mengaktifkan Tracking Switc TSI, maka output MV sama dengan input sinyal dari TIN.

Cara kerja blok fungsi ini adalah apabila TSI dalam kondisi aktif, maka nilai output MV yag meupakan sinyal output yang akan dikirim ke kontrol valve akan berniali sama dengan input dari sinyal input TIN. Jika TIN diberikan input 50% maka MV juga bernilai 50%.

MLD-PVI

Function Block ini merupakan gabungan antara MLD dan PVI. Pada bagian inputnya merupakan function block PVI dan pada bagian outputnya merupakan function MLD. Dalam kondisi Tracking Mode yaitu dengan mengaktifkan Tracking Switch TSI, maka output MV sama dengan input sinyal dari TIN.

Karena blok fungsi ini merupakan gabungan dari MLD dan PVI maka carakerja dari blok ini sama dengan MLD yaitu apabila TSI aktif maka output MV akan bernilai sama dengan input dari TIN, serta terdapat indicator sebagai fungi dari PVI.

MLD-SW

Merupakan manual loader yang dilengkapi switch AUT/MAN seperti terlihat pada gambar dibawah. Blok fungsi ini bekerja berdasar kondisi switch yang dipilih, yaitu mode manual (MAN) atau automatik (AUT). Saat mode MAN, maka outputnya sama dengan MLD. Saat mode berubah dari MAN ke AUT output akan memiliki nilai ramp saat MAN menuju nilai SV. Nilai SV adalah nilai bagian SET dikalikan dengan gain control CSV dan ditambah signal bias (BS)

 

Algorithma komputasi SV pada MLD-SW adalah:

SV = GAIN. CSV + BIAS

GAIN = Nilai konstanta yang dimasukkan merupakan bilangan numerik

CSV = Sinyal Gain Cascade Setpoint Value (-4.000 – 4.000)

BIAS = Sinyal Bias (-100 – 100%)

Koneksi pada MLD-SW:

SET : Merupakan titik yang dikoneksikan dengan sinyal input. Titik ini dapat dihubungkan dengan sinyal proses dari I/O card (1-5V) atau dikoneksikan secara software dengan instrument internal lain.

OUT = merupakan titik tempat sinyal output. Titik ini dapat dikoneksikan ke I/O card 4-20 mA atau dikoneksikan secara software dengan instrument internal lain (0-100%)

3.1.  Signal Selector

Sinyal selector merupakan implementasi dari peralatan switch dalam peralatan instrumentasi analog. Selector switch ini akan memilih sinyal masukan berdasarakan perintah pemilih sinyal dari SV. Hasil pemilihan sinyal akan dikirimkan untuk sellanjutnya dikeluarkan melalui bagian keluaran. Dalam sinyal selector ini terdapat juga pilihan auto selector yang dapat memilih sinyal input sesuai yang dikenhedaki yaitu Low (L), High (H), atau Medium (M).

Signal Selector SS-H/M/L

SS-H/M/L merupakan selector sinyal yang akan memilih nilai output sama dengan nilai input yang dipilih berdasarkan nilai SV. Pada blok fungsi ini ada 3 macam input, yaitu IN1 (input 1), IN2 (INPUT 2), IN3 (INPUT 3). Input – input ini akan dipilih/diselect ataupun auto select untuk  dikeluarkan menjadi output sesuai dengan kondisi SV. Terdapat tiga jenis auto selector pada unit ini yaitu SS-H, SS-M, SS-L. Untuk SS-H pada saat SV memilih auto selector maka output akan sama dengan input dengan sinyal yang paling besar. Untuk SS-M pada saat SV memilih auto selector maka output akan sama dengan sinyal intermediate. Untuk SS-L pada saat SV memilih autoselector maka output akan sama dengan input dengan sinyal yang paling kecil.

Nilai SV terdapat lima jenis, yaitu:

SV = 0, akan menjaga nilai PV sama dengan nilai sebelum dipindahkan

SV  = 1 akan memilih sinyal sama dengan input 1

SV = 2 akan memilih sinyal sama dengan input 2

SV  = 3 akan memilih sinyal sama dengan input 3

SV = 4 akan memilih sinyal secara auto selector

Koneksi pada SS-H/M/L adalah :

IN (1-3) : merupakan titik tempat sinyal input. Titik ini dapat dikoneksikan dengan sinyal proses dari I/O card (1-5 volt) atau dikoneksikan dengan instrument internal lain (0-100%)

OUT = merupakan titik tempat dimana sinyal output. Titik ini dapat dikoneksikan dengan sinyal ke I/O card (1-5Volt) atau dikoneksikan dengan instrument internal lain (0-100%)

AS-H/M/L (Auto-Selector Blocks (AS-H/M/L)

AS-H/M/L, prinsip kerjanya sama dengan SS-H/M/L, namun terdapat tambahan switch AUT dan MAN yang berfungsi saat mode MAN dapat dikeluarkan sinyal manual seperti pada MLD dan mode AUT berfungsi seperti SS-H/M/L. Pada mode AUT, selector sinyal akan memilih nilai output sama dengan nilai input yang dipilih berdasarkan nilai SV. Pada blok fungsi ini ada 3 macam input, yaitu IN1 (input 1), IN2 (INPUT 2), IN3 (INPUT 3). Input – input ini akan dipilih/diselect ataupun auto select untuk  dikeluarkan menjadi output sesuai dengan kondisi SV. Terdapat tiga jenis auto selector pada unit ini yaitu AS-H, AS-M, AS-L. Untuk AS-H pada saat SV memilih auto selector maka output akan sama dengan input dengan sinyal yang paling besar. Untuk AS-M pada saat SV memilih auto selector maka output akan sama dengan sinyal intermediate. Untuk AS-L pada saat SV memilih autoselector maka output akan sama dengan input dengan sinyal yang paling kecil.

Saat mode AUT terdapat lima macam nilai SV, yaitu:

SV = 0, akan menjaga nilai PV sama dengan nilai sebelum dipindahkan

SV  = 1 akan memilih sinyal sama dengan input 1

SV = 2 akan memilih sinyal sama dengan input 2

SV  = 3 akan memilih sinyal sama dengan input 3

SV = 4 akan memilih sinyal secara auto selector

(AS-H akan memilih sinyal paling besar, AS-M memilih sinyal intermediate, AS-L memilih sinyal paling kecil)

Koneksi pada AS-H/M/L :

IN (1-3) : Merupakan titik tempat sinyal input. Titik ini dapat dikoneksikan dengan sinyal proses dari I/O card (1-5 volt) atau dikoneksikan dengan instrument internal lain (0-100%)

OUT : merupakan titik sinyal output. Titik ini dapat dikoenksikan dke I/O card (1-5 volt) atau dikoneksikan dengan instrument internal lain (0-100%)

Selector Switch (SW)

Selector Switch merupakan implementasi switch pada peralatan analog.  Switch akan berfungsi sebagai pemilih sinyal input sesuai dengan SV. Ada beberapa macam selector switch yang dibedakan berdasarkan jumlah input pole dan outputnya. Selain itu terdapat data switch yang akan memilih data yang diprogramkan (konstanta) untuk dikeluarkan berdsarakan data pemilihnya.

SW 33

SW33 merupakan selector switch dengan tiga pole input dan tiga pole output, dimana masing-masing pole terdapat tiga titik input. Sinyal pemilih menggunakan nilai SV dengan empat posisi yaitu 0, 1, 2, 3.

SV = 0 merupakan posisi OFF, nilai tiap-tiap output ditahan seperti sebelum posisi OFF

SV = 1 memilih posisi 1, S10 = S11, S20 = S21, S30 = S31

SV = 2 memilih posisi 2, S10= S12, S20  = S22, S30 = S32

SV =  2 memilih posisi 3, S10 = S13, S20 = S23, S30 = S33

Koneksi pada SW-33 adalah:

S11, S12, S13 : merupakan titik tempat sinyal input. Dapat dikoneksikan dengan proses dari I/O card (1-5 volt atau 4-20 mA_) atau dapat juga dikoneksikan dengan instrument lain (0-100%)

S21,S22, S23 : Merupakan titik tempat sinyal input. Dapat dikoneksikan dengan proses dari I/O card (1-5 volt atau 4-20 mA_) atau dapat juga dikoneksikan dengan instrument lain (0-100%)

S31, S32, S33 : Merupakan titik tempat sinyal input. Dapat dikoneksikan dengan proses dari I/O card (1-5 volt atau 4-20 mA_) atau dapat juga dikoneksikan dengan instrument lain (0-100%)

S10, S20, S30 : merupakan titik tempat sinyal output. Dapat dikoneksikan dengan proses dari I/O card (1-5 volt atau 4-20 mA_) atau dapat juga dikoneksikan dengan instrument lain (0-100%)

3.2.  Computasi

Unit ini melakukan komputasi terhadap sinyal input untuk dihasilkan sinyal output sesuai yang dikehendaki. Pada DCS biasanya disediakan function block untuk komputasi untuk keperluan pengendalian seperti LAG, LD, DLAY dan lain-lain.

First Order LAG (LAG)

Unit ini digunakan untuk penyaring sinyal dan mensimulasikan proses. Besar gain dan lag time bisa diatur pada saat operasi dengan menggunakan panel tuning.

Algoritma First Order Lag:

CPV : Calculated Output Value

Ti : Lag Time (Ti = I – Scan Period)

I : Setpoint Lag Time

s : Transformasi Laplace

RV : Calculated Input Value

First Order Lead (LD)

Unit ini mensimulasikan first order lead dengan nilai gain dan lead time dapat diatur melalui panel tuning. Blok fungsi LD terlihat pada gambar dibawah.

Algorithmanya adalah:

CPV : Calculated Output Value

Td : Derivative Time Td = D

s : Transformasi Laplace

RV : Calculated Input Value

Lead/Lag (LDLAG)

Unit ini merupakan gabungan antara LD dan LAG dengan mengalikankeduanya, atau output dari LD menjadi input LAG sehingga block fungsiya seperti gambar dibawah.

Spesifikasinya adalah;

Gain : 0-4,000

Lead Time Setting (D) : 1-9999 detik

Lag Time Setting (I) : 1-9999 detik

Lead Time (Td) = D

Lag Time (TL) = 1-1

Dead Time

Digunakan untuk mensimulasikan sebuah proses dengan dead time dan first order lag. Dead time disimulasikan dengan digital delay. Nilai antar sample dikalkulasikan dengan interpolasi sehingga keluaran menjadi halus. Algorithmanya adalah:

CPV : Hasil Output dari kalkulasi

L: Dead Time    L: Interval Sampling (SMPL) . (m-I)

m: Jumlah sample point

Ti: First Order lag Time (Ti = I – Scan Period)

E: Bilangan natural

S: Transformasi Laplace

RV : Hasil dari kalkulasi Input

Calculation (CALCU)

Unit ini menghasilkan output sesuai dengan program yang kita buat saat builder yang didalamnya bisa berisi kombinasi perhitungan matematik antara input dengan pameter lain sehingga dihasilkan output sesuai dengan formula yang dimiliki. Dapat pula digunakan operasi logika seperti NOT, OR, AND dan lain-lain. Operator matematik seperti >, <, =, / dan lain-lainnya. Selain itu dapat juga dilakukan perubahan parameter Gain untuk mendapatkan sinyal yang diinginkan dimana nilainya diatur melalui tuning panel.

3.3.  Element Sequence Control

Element Squence Control merupakan implementasi dari peralatan instrument diskrit. Elemen ini selain diperoleh dari kondisi masukan I/O diskrit modul juga dapat diwujudkan dari masukan unit analog I/O yaitu dengan mendiskritkan sinyal tersebut dengan suatu pembanding. Output dari element ini adalah kondisi Y atau N yang merepresentasikan output Normally Closed atau Normally Open dari sebuah diskrit input atau Output.

Pada system pengendalian dengan sequence control yang dilakukan adalah melihat kondisi input selanjutnya merubah kondisi output. Untuk itu elemen pada sequence control pada umumnya dibagi menjadi dua bagian yaitu elemen condition dan element action.

Untuk melakukan pengendalian sequence dalam DCS digunakan table sequence yang berisi elemen condition dan action yang menyatakan urutuan pengendalian serta aturan pengendaliannya.

Sequence Table

Sequence Table merupakan table urutan pengendalian yang didalamnya memuat urutan dan aturan pengendalian. Ururtan pengendalian akan berlangsung apabila pada setiap step urutan dari condition terpenuhi. Pada table sequence terdiri dari dua bagian yaitu elemen condition dan elemen action. Pada bagian condition dapat menampung 32 sinyal condition dan bagian action dapat menampung 32 sinyal action. Untuk rule number terdiri dari 32 step dan 32 next step number. Apabila diinginkan jumlah elemen condition dan action yang melebihi dari kapasitas sequence table dapat dilakukan jump pada table berikutnya yaitu dengan memberikan element action ke sequence table berikutnya.

Condition rule merupakan elemen masukan yang dipakai sebagai dasar untuk merubah kondisi output. Elemen ini merepresentasikan keadaan input  1 (Closed) atau 0 (open) dari sebuah kondisi yang dinyatakan dengan Y atau N. Sequence akan berlangsung apabila semua elemen condition pada urutan sequence terpenuhi, artinya pada bagian ini akan diuji elemen condition apakah dalam keadaan Y atau N. Apabila semua elemen condition pada step number yang bersangkutan dalam table sequence sesua dengan kondisi yang ada dalam plant atau dalam memory processor, maka sinyal action akan diubah sesuai dengan table yang diberikan.

Condition rule dapat berupa condition dari contact yang berasal dari card diskrit atau dari timer software. Selain itu kondisi dari elemen feedback yang dibandingkan dengan nilai tertentu melalui relation software.

Action rule merupakan elemen keluaran yang nantinya dapat dihubungkan dengan panel keluaran atau juga ke suatu actuator melalui diskrit card. Representasi nilai Y adalah menjadi closed atau 1, nilai N adalah merubah menjadi Open atau 0. Elemen keluaran selain menggunakan contact pada ST card juga dapat dikeluarkan pada annunciator atau operator guide message juga untuk menjalankan lembar sequence table berikutnya atau ke unit computasi. Selain itu dapat juga dikelurakan action ke elemen feedback yaitu untuk merubah operation MAN atau AUT dan lain-lain.

Kondisi keluaran action dapat dibuat dalam beberapa pola yaitu non-latch, latch, flashing atau one-shot output, yaitu dengan menuliskan kode L, H, F atau P dibelakang sinyal action pada sequence table.