Dalpro: Complex Loop - Multiple Output (7) - Last

Tulisan ini akan menjadi bagian terakhir dari seri "Pengendalian Proses". Setelah dibahas sebelumnya, mengenai Complex loop dikarenakan Multiple Input, maka kali ini akan dibahas mengenai Complex loop dikarenakan adanya Output yang lebih dari satu. Beberapa diantaranya seperti dijelaskan dibawah:

1. Ratio Control 

Ratio control digunakan pada pengukuran sebuah laju alir. Ia bekerja dimana sebuah variabel control nilainya secara proporsional mengikuti nilai dari sebuah variabel yang biasanya tidak diregulasi, yang disebut sebagai "wild" variable. Hubungan antara dua variabel tersebut ditentukan oleh ratio yang dimasukkan ke dalam controller.

Basis Ratio Control

Contoh sederhana daripada penggunaan ratio control adalah dalam hal peristiwa klorinasi air, dimana jumlah kaporit yang dimasukkan ke dalam air nilainya harus berbanding lurus dengan jumlah air yang masuk ke dalam tangki.  

Pada skematik diatas, bisa dilihat basis daripada ratio control yang ditunjukkan oleh simbol FFC, yang merupakan kepanjangan dari "Flow Fraction Control". Set Point yang diterima oleh variabel control berasal dari hasil perkalian dari FFC dengan SP atau PV dari wild variable. Disebut sebagai multiple Output disebabkan adanya possibility Ratio Control ini yang bisa digunakan untuk mengontrol lebih dari satu komponen dengan hanya satu FFC. sesuai dengan kebutuhan proses.

2. Split Range Control

Split control pernah disinggung ketika menjelaskan Complex loop pada Incinerator. Pada control loop ini, sesuai dengan namanya, Output dari Controller akan dibagi (split) dan dikirim ke dua atau lebih Final Control Element. Fungsi Splitter dalam Controller nantinya yang akan mendefinisikan bagaimana respon dari tiap control valve ketika range Input berubah dari 0-100% Span. Dalam banyak aplikasi, Split Range Control banyak digunakan untuk mengontrol fluida berbentuk gas dan tiap control valve memiliki range Span yang terbagi sama. Jika dua Control valve, maka Split Range-nya adalah 50%-50%. Salah satu contohnya seperti pada gambar berikut ini:

Split Range Control

Split range control pada gambar diatas digunakan untuk mengontrol tekanan separator. Controller yang berperan untuk mengendalikan tekanan tersebut adalah PIC-01. Ia akan mengirimkan Signal yang akan diterima oleh PV-A dan juga PV-B. Ketika tekanan meningkat, maka PV-A akan terbuka untuk membuang tekanan ke Flare system dan sebaliknya ketika tekanan menurun, maka PV-B akan terbuka untuk mengirimkan fuel gas ke dalam Separator agar tekanan dalam separator tetap stabil. Fungsi Split Range harus digunakan pada sistem ini karena tidak dikehendaki dua valve terbuka pada waktu yang bersamaan. Maka, pembagian range Span pada tiap Control valve adalah sebagaimana berikut:

-  Ketika tekanan naik dan melewati Set Point dari range 0-50%, maka PV-B yang pada awal mulanya fully open, akan berubah menjadi full closed seiring naiknya tekanan.

- Ketika tekanan masih naik dan melewati Set Point dari range 50%-100%, maka PV-B yang pada awal mulanya adalah fully closed, akan berubah menjadi fully open seiring naiknya tekanan.

Aksi daripada Output Controller tersebut digambarkan melalui gambar dibawah:

Aksi Controller pada Split Range

Setup daripada Split Range ini bermacam-macam tergantung daripada kebutuhan proses, pada Complex loop Incinerator yang pernah dibahas, bisa dilihat bahwa Split Range untuk kedua Control valve pada range 0-20% dan 20-100%. Ada juga Setup Split Range, dimana ketika mencapai batas rangenya, maka Output Control valve akan ter-hold di angka 100% bukaan. Hal ini berbeda dengan contoh diatas, yang ter-hold di angka 0% bukaan.

3. Valve Position Control

Valve position control

Jika dilihat pada gambar diatas, akan dapat diketahui secara lebih jelas mengenai kelebihan Valve Position control. Pada Complex loop ini, ada dua buah Output valve dimana salah satu control valve memiliki kapasitas yang besar, yang disebut dengan Coarse Valve dan yang satunya lagi berfungsi untuk men-tuning error yang masih tersisa karena kapasitas Coarse valve yang terlalu tinggi untuk bisa mendapatkan nilai Process variable sesuai dengan Set Point. 

Bisa diketahui bahwa yang menjadi SP dari Coarse Valve adalah posisi dari Control valve dengan algoritme yang dimasukkan adalah fungsi Integral. Oleh karena itu disebut sebagai Valve position control, Valve position control akan membuat error yang didapatkan tidak bisa berkembang lebih jauh lagi. Hal ini dikarenakan, ketika error terjadi, Coarse valve akan beraksi. Dikarenakan Coarse valve memiliki kapasitas yang besar, maka ia akan memberikan dampak koreksi yang tinggi. Untuk mencegah peristiwa osilasi karena kapasitas besar yang dimiliki oleh Coarse valve inilah, maka fungsi Integral saja yang dimasukkan dan posisi valve dijadikan sebagai SP. Hal ini akan membuat Control valve tidak berosilasi sehingga menggangu proses. Untuk menangani kelemahan yang dimiliki oleh Coarse valve yang memiliki kapasitas yang besar sehingga tidak bisa dengan tepat mendapatkan Set Point yang diinginkan, maka ia dibantu oleh Fine valve untuk mengatasi noise yang masih timbul.

========================================================================

Berbagai jenis algoritme dalam controller dan juga macam-macam control loop dengan Multivariable Input/Output telah dibahas pada seri tulisan kali ini. Apa yang telah dipelajari semoga bisa memberikan basis pengetahuan bagi kita dalam melakukan pengendalian proses. Adapun untuk prakteknya, situs berikut bisa membantu kita untuk lebih memahami bagaimana cara melakukan aktivitas pengendalian proses dengan berbagai macam jenis algoritme dan Control loop sesuai dengan kebutuhan proses yang diinginkan. Tentu saja, semakin berkembangnya teknologi, akan semakin banyak pula ragam dan juga inovasi, khususnya juga dalam hal pengendalian proses. Oleh sebab itu, jangan berhenti untuk belajar di apapun bidang yang ingin kita kuasai. Mudah-mudahan ilmu yang telah dipelajari ini bisa bermanfaat.

Salam,

Penulis 

Dalpro: Complex Loop - Multiple Input (6)

Algoritma control yang ada dalam control loop sudah dipelajari, yakni meliputi Proportional, Integral dan juga Derivative. Masing-masing memiliki ciri khas respon yang berbeda antar satu sama lain. Meskipun demikian, kombinasi dari ketiganya apabila di-tuning dengan bagus akan menghasilkan kualitas kontrol yang bisa menjaga proses tetap dalam kondisi stabil dan safe.

Dari kombinasi algoritma PID tersebut, penggunaannya untuk beberapa control variable yang berbeda adalah sebagai berikut:

Pada tulisan ini, selanjutnya akan dibahas mengenai Closed Loop yang merupakan modifikasi dari feedback control standard, dimana penggunaannya juga sering diaplikasikan dalam industri karena memiliki fungsi control yang sesuai denga kebutuhan proses. Closed loop modifikasi dari feedback control standard ini, biasanya memiliki lebih dari satu Input pengukuran ataupun Output, Hal ini bisa disebut dengan Multivariable loop atau Complex loop.  

Complex Loop dengan Multiple Input

Feedback control single loop untuk menjaga suhu

Diatas disajikan mengenai feedback control untuk menjaga suhu dalam sebuah heater dengan cara mengatur bukaan steam control valve. Complex loop bisa digunakan untuk menambah kualitas control. Berikut adalah Complex loop yang bisa digunakan:

1. Feedforward plus feedback control

Feedforward plus feedback Control

Feedforward control ditambahkan ke dalam feedback control adalah salah satu cara untuk menambah kualitas control dari sebuah loop. Sebagaimana diketahui, ada delay respon pengukuran input suhu terhadap output bukaan dari steam valve. Apabila ada perubahan yang besar terhadap laju alir maka bisa menimbulkan gangguan dimana error akan timbul dan steam valve harus bergerak untuk mengkoreksi error yang ada. Dengan menggunakan feedforward control, adanya error diakibatkan beban laju alir yang berbeda akan dicegah sebelum terjadi perubahan dari Set point suhu dalam tangki dikarenakan tranmitter aliran fluida akan mengirimkan sinyal yang diteruskan ke dalam algoritma controller.  Jadi, fungsi feedforward control ini adalah untuk mencegah error, alih-alih mengkoreksi. Jika feedforward control digabung dengan feedback control, maka kerja fungsi feedback sebagai pengkoreksi error akan lebih ringan karena penyebab error sudah diidentifikasi oleh feedback control.

Algoritma controller pada complex loop ini akan memiliki fungsi penjumlahan dari dua buah control, yakni feedback control dan juga feedforward control yang dijadikan sebagai input, untuk kemudian dikirim sebagai signal yang disatukan ke dalam Output control valve. Disebabkan adanya fungsi penjumlahan tersebut, maka Gain yang dimiliki oleh feedforward control bernilai negatif dan dapat dicari dengan cara membagi gain yang didapatkan karena adanya gangguan pada input dengan gain yang diperoleh karena manipulasi pada Output 

2. Cascade control

Cascade Control

Cascade control memiliki fungsi yang sedikit berbeda dengan Complex loop yang dijelaskan pada bagian pertama. Jika yang pertama tadi, ada fungsi preventif, fungsi cascade bisa menambah kualitas control karena adanya pengontrolan yang bertingkat. Hal ini berarti dengan menggunakan cascade control, maka akan dijumpai tingkatan prioritas control dalam menangani adanya gangguan.

Dalam kasus seperti diatas, prioritas tertinggi dipegang oleh temperature transmiter dan prioritas terendah dipegang oleh flow transmitter. Kedua-duanya berperan dalam mengontrol suhu, namun flow transmitter memiliki aksi control yang lebih cepat jika dibandingkan dengan temperature transmitter. Artinya adalah, flow transmitter harus memiliki gangguan yang sangat tinggi dibandingkan dengan temperature transmitter, sebelum kemudian gangguan tersebut ikut menjalar mempengaruhi temperature transmitter. Oleh karena itu, temperature transmitter disebut sebagai Master dan flow transmitter disebut sebagai Slave. Sedangkan loop pada temperature transmitter disebut sebagai primary controller dan loop pada flow transmitter disebut sebagai secondary controller.

Output primary controller akan menjadi Set Point dari secondary controller. Misalkan, jika terjadi error pada primary controller, maka error tersebut akan direspon dengan sangat cepat oleh primary controller karena reaktifitas pengukuran flow transmitter lebih cepat jika dibandingkan temperature transmitter, sehingga tidak akan memberi kesempatan bagi error untuk berkembang di dalam primary controller.

Untuk membedakan antara kedua Complex loop diatas, bisa dilihat daripada letak transmitter terhadap Output. Jika Output terletak pada line yang sama dengan transmitter, maka Complex loop tersebut bertipe Cascade dan sebaliknya. Meskipun demikian, ada juga loop cascade dimana tranmitter tidak berada pada line yang sama dengan Output. Yang seperti ini, maka memahami prinsip daripada Complex loop menjadi penting. 

3. Selective Control/ Override Control

Sesuai dengan namanya, Selective control akan memperbandingkan mana dari dua Input yang didapatkan dari dua hasil pengukuran parameter yang berbeda yang memiliki peran paling penting untuk dikontrol. Mari lihat contoh dibawah:

Air Combustion Control in Dual Fired Boiler

Diatas adalah sebuah contoh penggunaan dari Selective control pada Boiler. Selective control digunakan pada sistem pembakaran boiler untuk menjaga agar supaya campuran antara bahan bakar-udara selalu dalam kondisi excess udara, tetapi tidak pernah diinginkan excess bahan bakar. Hal ini dikarenakan apabila ada akumulasi daripada bahan bakar yang tidak terbakar di boiler, maka bisa menyebabkan terjadinya ledakan.

Cara yang digunakan untuk mengontrol agar campuran udara-fuel agar selalu dalam kondisi excess udara adalah dengan menggunakan Selective Control. Diatas, Master signal pada Boiler berfungsi untuk memberikan perintah untuk menaikkan/ menurunkan beban Boiler.

Jika beban Boiler dinaikkan, Nilai Master Signal akan naik dan Signal bahan bakar akan tetap sesuai kondisi pengukuran. Hal ini mengakibatkan Nilai Master Signal yang baru akan memanipulasi jumlah udara bakar (High Selector Signal) dan Signal bahan bakar tetap memakai nilai Setting pengukuran yang lama (Low Selector Signal). Maka udara tetap dalam kondisi excess.

Sebaliknya, jika beban Boiler diturunkan, Nilai Master Signal akan menurun dan Signal bahan bakar akan tetap sesuai kondisi pengukuran. Bedanya, Signal bahan bakar akan gantian dikontrol oleh Master Signal menyebabkan turunnya laju bahan bakar sehingga hal ini menyebabkan udara kembali tetap dalam kondisi excess meskipun terjadi penurunan beban Boiler.

Demikian tulisan kali ini yang membahas mengenai Complex loop dengan multiple Input. Pada bagian selanjutnya akan dibahas mengenai Complex loop dengan menggunakan multiple Output.

Keep Stay Tuned

Dalpro: PID - Derivative Control (5)

Derivative Mode adalah komponen terakhir dari PID control yang akan dibahas, setelah sebelumnya telah dikupas mengenai Proportional dan juga Integral. Jika "Proportional" merespon terhadap ukuran daripada error dan "Integral" merespon terhadap ukuran dan juga durasi daripada error, maka "Derivative" merespon terhadap seberapa cepat berubahnya errror. Oleh sebab itu, Derivative sering disebut juga dengan fungsi "Rate".

Derivative Respons

Derivative, merepresentasikan sebuah laju perubahan dari sebuah fungsi terhadap variabel yang independen. Dalam statistik, Derivative bisa dikatakan merupakan fungsi untuk mencari rata-rata dari adanya tiap perubahan yang terjadi. Gambar dibawah merepresentasikan respon Derivatif Output terhadap perubahan dari pengukuran.

Derivative respon terhadap perubahan pengukuran

Bisa dilihat, untuk perubahan dalam fungsi "Step", respon Output pada mode Derivative menunjukkan adanya Spike yang terjadi begitu singkat. Hal ini dikarenakan pada fungsi "Step" terjadi perubahan rate error yang sangat signifikan hanya pada "satu titik waktu saja", setelah itu garis pengukuran tidak berubah lagi, sehinngga perubahan rate error menjadi nol. Hal ini menyebabkan Output kembali ke posisi semula dan didapatkan Impulse sebagai respon dari perubahan "Step".

Hal yang berbeda ditunjukkan pada gambar kedua. Output pada Mode Derivative akan terus menahan responnya selama perubahan error dari pengukuran masih terjadi. Tidak bergantung apakah ia akan kembali ke Set point atau tidak, jika perubahan error sudah berhenti, maka efek dari Derivative akan hilang. Dari kedua respon yang ditunjukkan, bisa terlihat bahwa besarnya efek Output Derivative berbanding lurus dengan besarnya perubahan laju error yang terjadi. Semakin tinggi perubahan laju error, maka semakin besar pula efek respon dari Derivative.

Dalam sebuah controller, kontribusi dari Derivative dinyatakan dalam satuan minutes dan dinyatakan sebagai Derivative Time (Dt). Derivative time adalah waktu yang dibutuhkan oleh kontribusi Derivative dari respon PD untuk menghasilkan magnitude yang sama dengan magnitude yang dihasilkan oleh controller dengan menggunakan Mode Proportional saja. Lebih jelasnya, bisa dilihat pada gambar dibawah 

Menentukan Derivative time 

Maka, semakin besar Derivative time, semakin besar pula kontribusi Derivative dalam sebuah control.  

Perubahan dari laju error, bisa diakibatkan oleh salah satu dari dua sebab: 

- Perubahan dari Set point

- Perubahan dari Measurement

Untuk menghindari adanya Spike yang diakibatkan oleh perubahan Step dari Set point, sebagian besar controller hanya menerapkan aksi Derivative ketika perubahan yang terjadi hanya pada sisi Measurement saja. 

Aksi Derivative bisa membantu untuk mengendalikan proses yang memiliki time constant (tau) yang tinggi atau bisa dikatakan slow acting response. Sedangkan, ia tidak dibutuhkan terhadap proses yang merespon secara cepat terhadap perubahan dari Output valve. Selain itu, ia juga tidak boleh digunakan pada pengukuran yang mengandung banyak noise, seperti flowmeter. Noise akan dianggap sebagai perubahan error, sehingga valve akan bergerak untuk merespon hal tersebut. yang berakibat adanya variasi yang besar dan begitu cepat pada controller Output. Lebih lanjut lagi, hal ini akan membuat valve secara konstan bergerak naik-turun, yang bisa menyebabkan valve cepat rusak dan adanya "osilasi" pada pengukuran.

Kapan fungsi Derivative digunakan?

Process Reaction Curve

Terlebih dahulu harus dicari proses karakteristik dari sebuah proses dengan cara memindahkan controller pada Posisi Manual, memberikan Step Input pada controller dan melihat respon dari pengukuran yang terjadi. Maka, akan didapatkan "Reaction Curve". 

Ta adalah dead time dan Tb adalah waktu dari awal mula terjadi respon hingga titik dimana garis inklinasi setara dengan "reaction curve". Jika Tb > Ta, maka penggunaan Derivative akan membantu proses, dan sebaliknya. Jika Ta > Tb, maka penggunaan Derivative akan menyebabkan instabilitas karena adanya keterlambatan proses dalam merespon perubahan Output memiliki pengaruh.

Berikut adalah contoh penggunaan fungsi Derivative pada PD controller

Kontribusi Derivative pada controller

Jika dilihat pada setting default controller yang dibuat oleh pabrikan Yokogawa, seperti yang bisa dilihat pada tulisan sebelumnya, bisa diketahui bahwa tidak ada fungsi Derivative yang digunakan karena kriteria spesifik dari proses yang harus dipenuhi seperti yang disebutkan diatas.

Untuk mengetahui, bagaimana respon controller terhadap berbagai macam kombinasi Mode, mulai dari P, PI dan juga PID, bisa dilihat pada gambar dibawah

Respon daripada Output pada tiga Mode yang berbeda (P, PI dan PID)

Kontribusi masing-masing PID dalam controller telah dibahas. Tiap proses memiliki karakteristik unik dimana hal ini akan mempengaruhi nilai PID yang dimasukkan ke dalam controller. Selain PID, cara yang juga digunakan untuk mengendalikan proses adalah dengan merancang sistem control yang digunakan. Hal ini dilakukan dengan cara memodifikasi dari feedback control sehingga menghasilkan Complex Loop. Complex Loop sering digunakan karena kompleksitas proses yang terjadi dimana, ada hubungan antara satu parameter proses dengan parameter proses yang lainnya. Hal ini akan dibahas pada tulisan selanjutnya.

Keep Stay Tuned

Dalpro: PID - Integral Control (4)

Salah satu cara untuk menghilangkan adanya "Offset" yang ditimbulkan oleh adanya disturbance pada proportional control oleh Output adalah dengan memasukkan fungsi "Integral". Perlu untuk dipahami bahwa baik fungsi "Integral" maupun "Derivative" secara nature berbeda dengan fungsi "Proportional". Fungsi "Integral" dan "Derivative" pada controller adalah fungsi penyokong yang ditambahkan ke dalam fungsi "Proportional". Pengaruh daripada kedua fungsi tersebut terhadap fungsi "Proportional" sangat berhubungan dengan setting waktu yang dimasukkan ke dalam kedua fungsi tersebut.

Adanya fungsi "Integral" dalam Output akan menyajikan sebuah nilai Output baru yang memiliki nilai yang berbeda dibandingkan dengan jika yang dipakai oleh Output hanya fungsi "Proportional" saja.

Integral Respons

Integral merupakan fungsi matematik untuk menjumlahkan semua elemen yang ada dalam sebuah kumpulan. Dalam pengendalian proses, elemen yang dimaksud adalah error. Sepanjang ada error, maka Output akan terus bergerak tanpa ter-regulasi karena controller akan terus mengakumulasi error dan menjadikannya sebagai Output. Output hanya akan kembali stabil ketika error sudah tidak diketemukan lagi. Dengan kata lain, "Offset" akan menjadi umpan daripada fungsi "Integral" untuk bisa bekerja dan fungsi "Integral" akan hilang ketika nilai Set Point sudah tercapai. Oleh karena itulah, fungsi integral disebut juga dengan fungsi "Reset" karena tugasnya adalah men-set kembali nilai Output ke posisi yang baru sehingga variabel proses bisa kembali ke posisi yang diinginkan meskipun ada gangguan.

Respons open loop dari Mode Integral

Adjustment nilai "Integral" dalam PI control akan mempengaruhi seberapa cepat nilai Output akan berubah sebagai fungsi daripada waktu. Untuk lebih jelasnya mari lihat gambar berikut:

Respons open loop dari Mode Proportional + Integral

Gambar tersebut menjelaskan mengenai respons yang ditunjukkan oleh PI control terhadap adanya perubahan Input dalam fungsi "Step". Respon yang ditunjukkan oleh Output pertama kali berupa Proportional ditunjukkan dengan perubahan dalam bentuk "Step" yang selanjutnya diiringi dengan Integral yang ditunjukkan oleh garis miring. Selama masih ada error terbentuk, maka garis miring tersebut akan terus turun, menunjukkan Mode Integral.

Satu hal yang perlu diperhatikan adalah nilai kemiringan yang ditunjukkan Mode Integral pada Output. Magnitude penurunan dari garis miring tersebut adalah sama besarnya dengan yang ditunjukkan oleh Mode Proportional pada kurun waktu Rt. Rt adalah reset time atau bisa disebut dengan Integral Action Time (IAT). IAT adalah waktu yang dibutuhkan untuk memberikan kontribusi Integral dalam PI control dimana nilai perubahan Outputnya menyamai magnitude dari Mode Proportional yang ditunjukkan pada saat awal.

Semakin besar nilai IAT, maka akan membuat kontribusi Integral menjadi tidak signifikan. Beberapa controller menggunakan kebalikan dari nilai IAT untuk menyatakan Mode Integral, yang disebut dengan repeat rate, dengan unit repeats per minute. Adjustment dari nilai ini akan menunjukkan seberapa banyak pengulangan dari aksi Proportional yang dihasilkan oleh Mode Integral selama satu menit. Semakin besar nilai repeat rate, maka akan semakin besar pengaruh dari Mode Integral ke dalam controller.

Pengaruh Mode Integral - Repeat rate

Salah satu kelemahan dari Mode "Integral" adalah adanya "Integral wind-up" atau "Reset wind-up" dimana controller Output menjauh dari posisi Output yang diinginkan karena adanya perbedaan antara Set point dengan process variable. Hal ini biasa terjadi ketika Shut Down dimana nilai process variable akan menjadi nol, tetapi nilai Set point tidak berubah. Pada saat "Start-up", maka peristiwa "Over-shoot" dari process variable terjadi diakibatkan besarnya nilai reset yang ditimbulkan akibat "Shut-down" membuat valve mencapai limitnya hingga procss variable melewati titik Set Point. Jika "Over-shoot" yang ditunjukkan oleh process variable sangat tinggi, maka hal ini akan menimbulkan valve bergerak berlawanan dari titik extrem sebelumnya. Jika peristiwa ini berulang, maka akan menimbulkan peristiwa "osilasi" pada sekitar Set point.

Selain itu, Reset wind-up juga bisa terjadi ketika nilai "Integral" terlalu tinggi jika dibandingkan dengan "dead time" yang dimiliki oleh suatu proses dan juga proses yang dilakukan secara "batch".  Untuk mencegah Reset wind-up, controller dilengkapi dengan fitur Anti Reset Wind-Up (ARW) yang bisa digunakan. 

Anti reset wind-up pada Start-up

Pada bagian selanjutnya akan dibahas mengenai kontribusi Mode Derivative pada sebuah pengendalian proses.

Keep Stay Tuned   

Dalpro: PID - Proportional Control (3)

Satu hal yang perlu diketahui dari tulisan sebelumnya mengenai "Process Characteristic" adalah bahwa karakteristik proses dalam sebuah sistem bisa berbeda antar sistem satu dengan lainnya, baik dalam segi pattern maupun magnitude. Hal ini akan menghasilkan besaran PID yang juga berbeda.

Aksi koreksi terhadap adanya error yang bisa timbul ditentukan oleh nilai PID yang ada dalam sebuah controller. Apa yang menjadi perbedaan antara fungsi Proportional, Integral dan juga Derivative dalam sebuah pengendalian proses? Mari kita lihat penjelasannya berikut ini:

Proportional Respons

Proportional, dalam bahasa Indonesia berarti adalah proporsi, yakni kesetimbangan. Proportional merupakan basis daripada controller. Oleh karena itu, jika ada fungsi Integral maupun Derivative ada dalam controller, maka ia akan menjadi pelengkap di dalam respons Proportional.  Disebut "kesetimbangan" dikarenakan besarnya derajat perubahan dalam Output ditentukan oleh hasil perkalian antara sebuah konstanta dengan derajat perubahan dari pengukuran. Konstanta yang dimaksud biasa disebut dengan istilah "Gain". Untuk lebih jelasnya, mari lihat contoh dibawah:

Steam Heater untuk mengontrol suhu ruangan

Grafik disamping menunjukkan kerja daripada sebuah steam heater yang digunakan untuk menjaga ruangan agar tetap dalam kondisi hangat.

Control Valve yang digunakan bekerja dengan cara reverse action. Artinya, ketika suhu kamar menurun, ia akan membuka lebih besar. Oleh karena itu, bisa dilihat bahwa semakin besar suhu ruangan, maka bukaan valve akan semakin mengecil.

Range bukaan control valve dari 0-100%, akan memberikan range suhu antara  45-95 derajat. Oleh, karena itu dapat diketahui informasi mengenai nilai Span adalah sebesar 50 derajat (95-45).

Pada contoh diatas, apabila perubahan suhu terjadi sebanyak 1 derajat (bisa dikatakan 2% dari nilai Span), maka control valve juga akan bergerak sebanyak 2% dari nilai Spannya. Berdasarkan, hal tersebut dapat diketahui bahwa nilai Gain =  2% Output Change/ 2% dari Input Change = 1.

Apabila, nilai Gain dinaikkan menjadi 2, maka tiap perubahan suhu sebanyak 1 derajat (2% dari Span), maka akan membuat perubahan dari posisi control valve sebanyak 4% dari nilai Spannya. Hasilnya adalah suhu ruangan akan lebih cepat berubah menyesuaikan Set Point seiring dengan jumlah steam yang dimasukkan lebih signifikan.

Jenis amplifikasi dalam respons proportional seperti contoh diatas, sering dinyatakan dalam Proportional Band (PB) dibandingkan dengan Gain. Proportional Band, didefinisikan sebagai jumlah persentasi perubahan dari variabel kontrol yang mengakibatkan final control element (control valve) harus berubah maksimum 100% dari range yang dimiliki.

Semakin kecil nilai PB, maka nilai Gain akan menjadi semakin besar. Jika nilai Proportional respons terlalu besar, maka variabel proses bisa malah melewati Set Point. Hal yang terjadi kemudian, controller akan melakukan tindakan perbaikan dengan melakukan hal yang berkebalikan dengan respons yang pertama dilakukan. Namun, karena Gain yang terlalu tinggi, akhirnya variabel proses juga melewati Set Point untuk kedua kalinya. Situasi ini berulang, hingga menimbulkan peristiwa osilasi karena Gain yang terlalu tinggi.

Low Gain vs High Gain

Salah satu kelemahan dari Proportional adalah adanya peristiwa "Steady State Error" atau biasa disebut dengan "Offset". Misalkan, pada contoh steam heater diatas, Set Pointnya adalah 70 derajat, namun suhu yang ditunjukkan oleh alat pengukur adalah 69.9 derajat secara konsisten. Maka bisa dikatakan ada Offset sekitar 0.1 derajat (70-69.9).

Offset bisa terjadi dikarenakan karakteristik daripada proportional controller. Misalkan, untuk suhu yang dijaga pada 70 derajat, maka Output bukaan valve adalah 50%. Untuk berapapun nilai Gain yang diinput ke dalam controller, Output tidak akan pernah berubah ketika tidak ada gangguan. Namun, ketika ada gangguan yang menyebabkan suhu turun, maka kemudian Output akan berubah untuk mengembalikan ke Set Point semula. Output akan menaikkan bukaan valve melebihi nilai 50%. Hal ini tentu saja tidak akan mengembalikan Output bukaan valve menjadi seperti semula, meskipun nilai Set Point tidak berubah. Sebagai kompensasi agar valve tetap bisa dijaga dengan kondisi bukaan lebih dari 50%, meskipun Set Point tetap dijaga pada 70 derajat, maka terjadilah peristiwa Offset. Adanya error akibat adanya Offset akan membuat Output tetap membuka diatas 50%, meskipun dengan Set Point yang sama.

Untuk mencegah adanya Offset, cara yang dilakukan adalah memasukkan fungsi lain pada controller, yakni Integral. Hal ini akan dibahas pada tulisan selanjutnya.

Keep Stay Tuned

Dalpro: Process Characteristics (2)

Karakteristik suatu proses yang terjadi dalam sebuah sistem sangatlah diperlukan dalam upaya untuk mengendalikan sebuah proses. Ia akan memberikan informasi yang sangat berguna untuk mendesain respons sebuah controller terhadap adanya gangguan. Kegiatan untuk memodifikasi algoritma sebuah controller sehingga menghasilkan respons yang baik terhadap segala macam gangguan yang bisa mempengaruhi kestabilan proses disebut sebagai tuning. 

Algoritme yang dipasang dalam controller untuk menghilangkan error dalam sebuah proses dibagi menjadi tiga jenis, yakni proportional, integral, dan juga derivative. Umumnya disebut dengan istilah PID. Penggunaannya pun bisa merupakan kombinasi dari ketiga fungsi tersebut. Kita cukup mengisikan berapa nilai masing-masing untuk P, I dan juga D dalam sebuah controller. Tentu saja, pengisian nilai ini tidak boleh sembarangan karena malah akan memperparah kestabilan proses yang terjadi. Secara umum, nilai PID ini untuk controller dalam sebuah plant diisikan secara default mengikuti dari jenis parameter yang diamati. Berikut adalah nilai default PID yang diisikan ke dalam controller oleh pabrikan sistem kontrol Yokogawa.

Default Controller PID Pabrikan YOKOGAWA

   

Jika dirasa respons yang ditunjukkan oleh controller tidak seperti yang diinginkan, maka aktifitas tuning perlu dilakukan agar stabilitas operasi lebih terjaga. Seperti diutarakan sebelumnya, hal terpenting dalam melakukan tuning adalah informasi mengenai karakteristik proses. Karakteristik proses akan menentukan berapa nilai masing-masing untuk komponen PID yang harus dimasukkan ke dalam sebuah controller.

Bagaimana cara untuk mengetahui karakteristik proses dalam sebuah sistem?

Caranya adalah dengan mengetahui respon daripada controlled parameter terhadap perubahan yang dilakukan oleh manipulated parameter ketika proses sudah dalam keadaan stabil dan controller dipasang dalam posisi Manual. Mari lihat gambar dibawah sebagai contoh untuk mengetahui lebih lanjut tentang yang dimaksud

Pada gambar tersebut, menunjukkan sistem pemanas dengan menggunakan steam sebagai media pemanasnya. Untuk mendapatkan suhu feed yang sesuai, maka luaran dari pemanas memiliki transmiter suhu yang terhubung dengan control valve steam untuk mengatur jumlah steam yang masuk ke dalam pemanas. 

Untuk mengetahui karakteristik proses pada sistem tersebut, proses harus dalam keadaan stabil terlebih dahulu dan control valve steam berada dalam posisi Manual. Setelah itu, Input kita berikan kepada control valve tersebut dengan cara mengubah bukaan dari control valve. Terakhir, monitor kita lakukan terhadap perubahan dari suhu feed. Untuk menjaga agar proses masih dalam batasan yang diijinkan, maka nilai bukaan dari control valve diusahakan tidak terlalu besar. Hasil dari tindakan yang telah dilakukan, tergambar seperti dibawah

Contoh untuk mengetahui karakteristik proses

Karakteristik proses ditunjukkan oleh Output pada gambar diatas, sedangkan manipulasi yang dilakukan yakni membuka control valve lebih lebar lagi yang ditunjukkan oleh adanya kenaikan pada input. Hal seperti ini sering dikenal dengan fungsi "Step". 

Jika dilihat secara seksama, maka Output tidak langsung naik, namun ada jeda waktu saat setelah fungsi "Step" diberikan pada control valve. Jika waktu ini disebut sebagai "dead time" karena tidak ada respon langsung dari proses ketika perubahan dilakukan. "Dead Time" biasa terjadi karena faktor jarak. Pada kasus diatas, bisa jadi hal ini diakibatkan karena jarak perpipaan pada titik setelah outlet pemanas dengan titik pada transmitter jauh, atau bisa laju alir yang kurang tinggi, sehingga mengakibatkan delay. 

Setelah adanya delay, maka kemudian Output merespons adanya perubahan Input ditunjukkan dengan adanya garis melengkung hingga mencapai titik kestabilannya dimana garis Output menjadi horizontal kembali. Karakteristik seperti ditunjukkan pada gambar diatas merupakan karakteristik proses first order plus deadtime yang sering dijumpai dalam dunia industri. Dari informasi tersebut, bisa didesain berapa nilai P, I dan D yang harus dimasukkan ke dalam controller sesuai dengan berapa lama dead time dan juga besar kenaikan dari Input dibanding Output. Untuk bisa melakukan hal tersebut, maka prinsip P, I dan D harus dimengerti terlebih dahulu. Hal ini akan dibahas pada posting berikutnya.

Keep stay tuned