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

PENGENDALIAN TEKANAN PADA PRESSURE PROCESS RIG 38-714 MELAUI MODBUS MENGGUNAKAN KONTROLER FUZZY PID Tedy Ade Wijaya – 2208 100 639 Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya – 60111 E-mail: [email protected]

Plant pressure riil memiliki perubahan beban tertentu dan juga noise sehingga membutuhkan kontroler yang mampu menangani kedua permasalahan tersebut. Pengendali PID hanya mampu mengontrol plant apabila perubahan parameter yang terjadi tidak terlalu besar. Bila pengaturan parameternya tidak tepat, Pengendali PID dapat menyebabkan plant bekerja tidak lancar. Maka dirancang sebuah pengendali yang menggunakan logika Fuzzy sebagai logika yang digunakan menentukan nilai parameter pengendali PID. Logika Fuzzy yang digunakan harus memiliki nilai pada Fuzzy rule yang tepat agar parameter yang dihasilkan untuk tiap perubahan beban dapat menghasilkan pengendali PID yang dapat mengontrol plant dengan stabil. Pengendali fuzzy PID memiliki respon yang lebih cepat dari pengendali PID konvensional. Hal ini dapat dilihat dari respon plant pada kondisi nominal saat ts(5%) sebesar 14,2 detik untuk pengendali fuzzy PID dan 46,1 untuk pengendali PID. Jumlah membership function berpengaruh dalam pemilihan rule base. Semakin banyak jumlah rule base maka akan semakin sulit menempatkan rule base pada kondisi yang tepat. Efek yang paling terlihat adalah pada saat kondis perubahan beban menuju kondisi beban minimal. pengendali fuzzy PID menggunakan 3 membership function dapat tercapai dengan waktu 7,3 detik dan pengendali fuzzy PID menggunakan 5 membership function dengan waktu 27,7 detik.

Kata kunci : PID, Fuzzy, PID-Fuzzy, Pressure Control 1.

PENDAHULUAN

Sistem kendali tekanan banyak diimplementasikan pada teknologi sistem kendali industri. Adapun alasan pemakaian yang luas dikarenakan sifat tahan ledakan, kesederhanaan dan perawatan yang mudah. Plant pressure juga memiliki kekurangan, dimana pengendalian plant pressure riil akan selalu berhubungan dengan perubahan beban tertentu dan noise yang muncul.Selain itu, plant pressure juga memiliki respon yang lambat.

MODBUS sebagai salah satu protokol komunikasi yang ada, telah menjadi standar protokol komunikasi di dunia industri. Penggunaan MODBUS banyak digunakan pada pengontrolen yang dilakukan dari jarak jauh. Kelebihan yang dimiliki oleh MODBUS adalah MODBUS dipublikasikan secara terbuka serta bebas royalti, relatif mudah untuk membangun jaringan di industri dan MODBUS mampu mengirim raw bit atau word tanpa memindahkan beberapa batas pada vendor. Untuk mendapatkan performa yang baik dalam sistem pengendalian tekanan maka dibutuhkan pengendali yang mampu menangani masalah yang muncul pada plant pressure. Penggunaan pengendali PID dimana kesederhanaan strukturnya, kekokohannya yang baik, dan juga mudah diimplementasikan menjadikan pengendali PID tersebut menjadi standar pada otomasi industri. Hampir semua instrumen yang digunakan pada dunia industri telah memiliki pengendali PID. Tetapi pengendali ini memiliki kekurangan yaitu pengendali ini tidak mampu mereduksi pengaruh gangguan pada beban (load disturbance) serta tidak mampu mempertahankan kriteria yang diinginkan ketika terjadi perubahan parameter yang terlalu besar dalam sistem. Pengendali PID dapat memiliki tingkat kerja yang tinggi apabila gain pengendali tersebut diatur oleh seseorang yang memiliki tingkat pengalaman yang tinggi pada plant yang akan dikontrol. Oleh karena itu digunakan logika Fuzzy dimana logika tersebut digunakan untuk menala nilai gain pada pengendali PID. 2.

DASAR TEORI

2.1 Prinsip Protokol MODBUS Master-Slave MODBUS serial menerapkan protokol tipe master-slave. Pada protokol master-slave terdapat 1 master dan 1-127 slave yang dapat terhubung dalam 1serial bus. Node slave tidak akan melakukan pengiriman data tanpa ada penerimaan permohonan dari node master. Node slave pada MODBUS tidak dapat saling berkomunikasi antar sesama node slave. Terdapat dua mode permohonan yang dilakukan node master kepada node slave:[1]

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

•

Mode Unicast Pada mode unicast , node master mengalamatkan permohonan pada sebuah node slave. Setelah

1

menerima dan memproses permohonan, node slave memberikan balasan pesan kepada node master (Gambar 1). Pada mode ini, transaksi MODBUS terdiri dari 2 pesan yaitu sebuah pesan permohonan dari node master, dan sebuah pesan balasan dari node slave.

Addres field pada MODBUS jalur serial hanya terdiri dari alamat slave. Alamat slave berada pada alamat 1-247. Pada sebuah pesan, node master mengalamatkan node slave dengan menempatkan alamat node slave pada Addres field. Pada saat node slave merespon, node slave menempatkan alamatnya pada alamat respon agar node master dapat mengetahui node slave mana yang merespon. Function code memberitahukan kepada server aksi apa yang harus dilakukan. Function code didalamnya dapat terdiri dari data permohonan dan parameter respon. Error Checking field adalah hasil dari pemeriksaan perhitungan yang dilakukan secara terpisah pada konten pesan. Metode perhitungan pada MODBUS terdiri dari dua metode yang digunakan tergantung pada jenis mode transmisi yang digunakan (RTU atau ASCII).

Gambar 1. Proses permohonan mode Unicast

•

3. Mode Broadcast Pada mode Broadcast node master dapat mengirimkan permohonan kepada seluruh node slave. Tidak ada pesan balasan yang dikirimkan oleh node slave (Gambar 2). Umumnya mode broadcast dilakukan pada perintah menulis (write).

2.3 Metode Strejc Metode Strejc adalah suatu metode identifikasi plant orde tinggi yang memiliki nilai ζ > 1 dengan metode penarikan garis pada grafik respon sistem. [2]

Gambar 2. Proses permohonan mode Broadcast

2.2 Deskripsi MODBUS Frame Protokol aplikasi pada MODBUS didefinisikan sebagai sebuah Protokol Data Unit (PDU) pada layer komunikasi seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 5. Penarikan Garis pada Metode Strejc Ke −τs

(1)

(1 + Ts ) n

Tabel 1 Parameter Identifikasi pada metode Strejc

Gambar 3. MODBUS Protokol Data Unit

Pemetaan protokol MODBUS pada bus tertentu atau jaringan terdiri dari alamat, PDU. Dan CRC atau LRC seperti pada Gambar 4.

Gambar 4. Frame MODBUS pada jalur serial

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

n

Tn/T

Tu/T

Tu/Ta

1

1

0

0

2

2,718

0,282

0,104

3

3,695

0,805

0,218

4

4,463

1,425

0,319

5

5,119

2,100

0,410

3. Perancangan Sistem 3.1. Plant Pressure Rig 38-714 Pressure Process Rig 38-714 adalah plant yang digunakan untuk mendemonstrasikan prinsip-prinsip dalam proses instrumentasi dan kendali pneumatik.

2

V6 4-20mA

4-20mA

K=

V5

4-20mA

V4 R1

Sensor Aliran

I/P Converter

Sensor Tekanan

Yss 191 = = 0,955 Xss 200

Tu = 13 , Ta = 93

V3

I/P

P P P

V2

Penampung Udara P

R2 P

Kompresor

Pneumatik kontrol Valve

P

Orifice

V1

Gambar 6. Diagram fisik plant Pressure Process Rig 38-714

Komponen Pressure Process Rig 38-714 terdiri dari pneumatic control valve, orifice block, dan pressure tapping yang terhubung pada saluran pipa udara. Setelah melewati keseluruhan proses, aliran udara dapat dibuang langsung ke atmosfer atau ditampung ke air receiver yang terdapat pada bagian belakang untuk pengamatan respon proses yang lebih lambat. Pemasangan air receiver dapat dilakukan secara seri atau paralel. Gambar 6 memperlihatkan diagram fisik untuk plant Pressure Process Rig 38-714.

Gambar 8. Kurva Strecj dari respon keluaran tekanan terhadap waktu untuk kondisi beban nominal

n=

3.2. Metode Pembebanan Pembebanan pada plant dilakukan untuk pengujian pengendali dan identifikasi plant. Beban pada plant Pressure Process Rig 38-714 berupa manual valve seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.

Tu 13 = = 0,139 Ta 93

Berdasarkan Tabel 1 maka nilai n = 2. Maka : Ta = 2,718 T Ta 93 T= = = 34,21633 2,718 2,718 Tu Tu ' = × Ta = 0,104 × 95 = 9,672 Tatable τ = Tu − Tu ' = 13 − 9,672 = 3,328 Maka persamaan model untuk beban kondisi nominal: Ke −τS G(s) = (Ts + 1)n

Gambar 7. Manual Valve pada Pressure Process Rig 38-714

• • •

Variasi beban dilakukan pada 3 keadaan, yaitu: Beban Nominal ; V4 dibuka, V5 ditutup, V6 dibuka Beban Maksimal ; V4 dibuka, V5 dibuka, V6 dibuka Beban Minimal ; V4 ditutup, V5 ditutup, V6 dibuka

3.3. Identifikasi Sistem Identifikasi menggunakan metode Strecj dilakukan setelah respon keluaran menggunakan sinyal uji step pada plant didapatkan. Identifikasi menggunakan metode Strecj untuk beban nominal dapat dilihat sebagai berikut: Yss = 200 Xss = 191

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

G ( s) =

3.17824 s + 0.955

1170,75761s 2 + 68,43267 s + 1 Dengan metode yang sama dicari persamaan model untuk kondisi beban maksimal dan minimal. Pada tabel 2

Tabel 2 Persamaan Model untuk Kondisi Beban Kondisi Persamaan Model RMSE Beban Nominal 3,09% 3.17824 s + 0.955 1170.75761s 2 + 68.43267 s + 1 Maksimal

1.44 s + 0.9 1353.6335s 2 + 73.583518s + 1

0,19%

Minimal

2,67784 s + 0.895 802,5693s 2 + 56.659308s + 1

1.19%

3

Setelah persamaan model plant dengan RESS didapat, maka dicari persamaan model plant dengan memisahkan parameter pengendali proposional. Kp adalah nilai parameter gain proposional dan G(s) adalah persamaan model matematis dalam bentuk orde 2 seperti pada Gambar 9. U(s)

R(s) + Set point

Kp

G(s)

Maka dapat dicari persamaan odel identifikasi loopterbuka untuk kondisi beban nominal, maksimal, dan minimal sebagai berikut: 1. Beban Nominal dimana nilai parameter Kp=25 KpK (As + 1) 0.955(3.328s + 1) KpK + 1 = + KpK 2 α β s2 + s + 1 1170.75761s + 68.43267 s + 1 KpK + 1 KpK + 1

-

Gambar 9. Diagram blok Pengendali proposional

Bila G(s) adalah persamaan model matematik plant dalam bentuk orde 2 : G (s ) =

KpK(As + 1) ( α s 2 + β s + 1)

Didapat: • K = 0,84888 • A = 3,328 • α = 26016,57561 • β = 1498,48879 Maka didapat model persamaan plant tanpa parameter pengendali adalah sebagai berikut:

(2) G (s) =

Maka didapatkan persamaan berikut: 2.

R( s) KpK(As + 1)/( α s 2 + β s + 1) = U ( s ) 1 + KpK ( As + 1)/( α s 2 + β s + 1)

(3)

R( s) KpK(As + 1) = U ( s ) α s 2 + ( β + KpK) s + (KpK + 1)

(4)

R( s) = U (s)

KpK (As + 1) KpK + 1 α β + KpK s2 + s+1 KpK + 1 KpK + 1

(5)

Bila persamaan model identifikasi loop-terbuka dalam bentuk orde 2 adalah:

Beban Maksimal dimana nilai parameter Kp =37

KpK (As + 1) KpK + 1 0.9(1,6 s + 1) = 2 α β + KpK 2 s + s + 1 1353.6335s + 73.583518s + 1 KpK + 1 KpK + 1

Didapat: • K = 0,24324 • A = 1,6 • α = 13536,335 • β = 726,83518 Maka didapat model persamaan plant tanpa parameter pengendali adalah sebagai berikut: G (s) =

KpK' (A' s + 1) G' (s) = ( α ' s 2 + β ' s + 1) K '=

KpK KpK + 1

A' = A

α '=

β '=

(6)

KpK + 1

β + KpK KpK + 1

0,24324(1,6 s + 1) 13536,335s 2 + 726,83518s + 1

3.

(7) (8)

α

0,84888(3,328s + 1) 26016,57561s 2 + 1498,48879 s + 1

(9)

(10)

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

Beban Minimal dimana nilai parameter Kp =75 KpK (As + 1) 0.895(2,992s + 1) KpK + 1 = + KpK 2 α β s2 + s + 1 802,5693s + 56.659308s + 1 KpK + 1 KpK + 1

Didapat: • K = 0,08523 • A = 2,992 • α = 7643,51714 • β = 531,08864 Maka didapat model persamaan plant tanpa parameter pengendali adalah sebagai berikut:

4

G(s) =

0,08523(2,992 s + 1)

3.

7643,51714 s 2 + 531,08864 s + 1

3.4. Desain Pengendali PID Bila pengendali PID modifikasi digunakan untuk mengendalikan plant orde 2 dengan delay, memiliki fungsi alih loop tertutup sebagai berikut:[3] C (s) = R(s)

[

2

]

KKp τ i (τ d1 + τ d 2 ) s + (τ i + τ d 2 ) s τs + 1  1  2ξ τ i s(τ d 2 + 1) s 2 + s + 1 + KKp τ i (τ d1 + τ d 2 ) s 2 + (τ i + τ d 2 ) s τs + 1 ω 2  ωn  n 

[

(11)

]

Jika :

τd2 = τ

τi +τd2 =

ωn

τ i (τ d1 + τ d2 ) =

ωn 2

(16)

(17)

11

τi

(18)

KKP

1.

2.

Kp = 30,98068

3.

Dengan membandingkan persamaan (16) dan (17) maka didapat:

τ* =

•

Kondisi beban maksimal Kp = 25 = 820 τi = 17 τd1 =3 τd2

(2.9)

Pada persamaan (16) terlihat bentuk persamaan plant orde 2 dengan delay dan pengendali PID memiliki bentuk model seperti plant orde pertama seperti pada persamaan (17). C (s) K* = R( s) τ * s + 1

τ d1 =11,48178

2.

(15)

C (s) 1 = τ s R( s) i +1 KKp

•

Kondisi beban nominal Kp = 17,5 = 1150 τi = 14 τd1 =2 τd2

(14)

C (s) KKp = R ( s ) τ i s + KKp

τ i =528,09664

1.

(13) 1

•

Dari perancangan desain tersebut didapat parameter Kp, τi, τd1, dan τd2 untuk setiap kondisi beban. Setelah dilakukan implementasi dan tuning manual agar hasil respon yang diinginkan tercapai didapat nilai parameter Kp, τi, dan τd adalah sebagai berikut:

(12)

2ξ

Parameter PID untuk kondisi beban minimal • τ d 2 = 2,992

Parameter PID untuk kondisi beban nominal • τ d 2 = 3,32 •

τ i =1495,28879

•

τ d1 =14,0842

•

Kp = 17,61466

Kondisi beban minimal Kp = 15 = 2000 τi (2.10) τd1 = 12 =1 τd2

3.5 Desain Logika Fuzzy a. Fuzzifikasi Fuzzy PID 3 membership function[4] Masukan untuk logika fuzzy(F) adalah flow dan perubahan flow(dF), dimana domainnya dibagi menjadi 3 membership function yaitu N, Z, dan P . N adalah Negatif, Z adalah Zero, dan P adalah Positif. Gambar 10 menunjukkan pembagian membership function untuk flow dan perubahan flow.

Parameter PID untuk kondisi beban maksimal • τ d 2 = 1,6 •

τ i =725,23518

•

τ d1 =17,06475 Kp = 25,55593

•

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

Gambar 10. Membership function variabel E dan dE

5

Pembagian lingusitic variable pada parameter PID ada 3 yaitu S, M,dan B. S adalah small, M adalah Medium, B adalah Big.

Gambar 12. Membership function untuk parameter Kp

dan P adalah Positif. Gambar 16 menunjukkan pembagian domain menggunakan 5 membership function.

Gambar 16. Membership function variabel F dan dF

Untuk 5 5 membership function pembagian lingusitic variable pada parameter PID ada 5 yaitu S, SM, M, BM dan B. S adalah small, SM adalah Small Medium, M adalah Medium, BM adalah Big Medium, dan B adalah Big.

Gambar 13. Membership function untuk parameter τi

Gambar 17. Membership function untuk parameter Kp

Gambar 14. Membership function parameter τd1

Gambar 18. Membership function untuk parameter τi

Gambar 15. Membership function untuk parameter τd2

Fuzzy PID 5 membership function Untuk 5 membership function pembagian domainnya menjadi N, Nz, Z, Pz, dan P. Dimana N adalah Negatif, Nz adalah Negatif zero, Z adalah Zero, Pz adalah Positif Zero

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

Gambar 19. Membership function parameter τd1

6

Uji Respon Kondisi Beban Nominal

Gambar 20. Membership function untuk parameter τd2

b. Rule Base

Gambar 4.13. Respon uji pengendali PID kondisi beban nominal

Tabel 3, dan Tabel 4 menunjukkan rule base yang digunakan pada Fuzzy PID 3 membership function.

. Uji Respon Kondisi Beban Maksimal

Tabel 3. Rule base parameter Kp, τd1 , τd2

F/dF N Z P

N S M B

Z S M B

P S M B

Tabel 4. Rule base parameter τi

F/dF N Z P

N B M S

Z B M S

P B M S

Gambar 4.14. Respon uji pengendali PID kondisi beban maksimal

Tabel 5, dan Tabel 6 menunjukkan rule base yang digunakan pada Fuzzy PID 5 membership function.

Uji Respon Kondisi Beban minimal

Tabel 5. Rule base parameter Kp, τd1 , τd2

F/dF N Nz Z Pz P

N S S SM M M

NM S SM M M M

Z SM M M M BM

PM M M M BM B

P M M BM B B

Tabel 6. Rule base parameter τi

F/dF N Nz Z Pz P 4.

N B B BM M M

NM B BM M M M

Z BM M M M SM

PM M M M SM S

P M M SM S S

PENGUJIAN DAN ANALISIS

a.

Pengujian Implementasi Pengendali PID Modifikasi Pengujian pengendali PID modifikasi adalah pengujian parameter PID yang didapat dengan melakukan penalaan secara manual pada parameter kontroler PID agar respon yang dinginkan dapat tercapai.

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

Gambar 4.15. Respon uji pengendali PID kondisi beban minimal

Dari pengujian yang dilakukan secara simulasi untuk kondisi beban nominal, maksimal, dan minimal menggunakan pengendali PID didapatkan tebel performansi pengendali seperti yang terlihat pada Tabel 4.4. Tabel 4.4 Performasi pengendali PID pada simulasi

Kondisi Nominal Maksimal Minimal

Mp(%) 0 0 7

Ts(5%)(detik) 46,1 20,6 30,2

Ess(%) 3,6 0,05 2

7

b. Pengujian Implementasi Pengendali Fuzzy PID Uji Respon Pengendali Fuzzy PID 3 Membership Function

Tabel 4.7 Performansi kontroler Fuzzy PID 5 membership function untuk kondisi perubahan beban pada implementasi

Kondisi awal 0 Nominal Nominal Maksimal Maksimal Minimal Minimal

Kondisi perubahan Nominal Maksimal Minimal Nominal Minimal Nominal Maksimal 5.

Gambar 4.16. Respon uji pengendali fuzzy PID untuk 3 membership function Tabel 4.6 Performansi kontroler Fuzzy PID 3 membership function untuk kondisi perubahan beban pada implementasi

Kondisi awal 0 Nominal Nominal Maksimal Maksimal Minimal Minimal

Kondisi perubahan Nominal Maksimal Minimal Nominal Minimal Nominal Maksimal

MP(%) 0 0 6,5 0 6,7 0 0

Ts(5%) (detik) 14,2 12,1 7,3 0 15,4 0 9,4

Ess(%) 0,01% 0,4 2,4 0,85 3,25 0,4 0,6

Uji Respon Pengendali Fuzzy PID 5 Membership Function

MP(%) 0,04 0 6,05 0 8 0 0

Ts(5%) (detik) 14,5 13,4 27.7 0 28 0 3,3

Ess(%) 0,02 0,5 2,8 0,75 3 0,45 0,5

KESIMPULAN

Pengendali fuzzy PID memiliki respon yang lebih cepat dari pengendali PID konvensional. Hal ini dapat dilihat dari respon plant pada kondisi nominal saat ts(5%) sebesar 14,2 detik untuk pengendali fuzzy PID dan 46,1 untuk pengendali PID. Jumlah membership function berpengaruh dalam pemilihan rule base. Semakin banyak jumlah rule base maka akan semakin sulit menempatkan rule base pada kondisi yang tepat. Efek yang paling terlihat adalah pada saat kondis perubahan beban menuju kondisi beban minimal. pengendali fuzzy PID menggunakan 3 membership function dapat tercapai dengan waktu 7,3 detik dan pengendali fuzzy PID menggunakan 5 membership function dengan waktu 27,7 detik. DAFTAR PUSTAKA [1] MODBUS.ORG,” MODBU Sover Serial Line Specification & Implementation guide V1.0” , MODBUS.ORG, 2002. [2] Mikleš, J., Fikar, M.,“ Process Modelling, Identification, and Control” , STU Press Bratislava, 2004. [3] Ogata, K., “Modern Control Engineering” , PrenticeHall,Inc,1970. [4] Jantzen,Jan., “Design Of Fuzzy Controllers”, Technical University of Denmark, Departement of Automation, Lyngby, 1998. RIWAYAT HIDUP

Gambar 4.17. Respon uji pengendali fuzzy PID 5 membership function

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

Tedy Ade Wijaya, lahir di Sabang pada tanggal 22 maret 1987. Merupakan anak pertama dari pasangan Tugiman dan eni Hartati. Setelah Lulus dari SMA Negeri 3 Bandar Lampung pada tahun 2005 ,Penulis melanjutkan studi di jurusan teknik elektronika, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS). Pada tahun 2008 setelah menyelesaikan studi di PENS penulis melanjutkan studi ke S1 teknik Elektro , Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) melalui program Lintas Jalur. Pada tahun 2011 penulis penulis mengikuti seminar dan ujian tugas akhir di Bidang Studi Teknik Sistem Pengaturan, Jurusan Teknik Elektro,

8

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

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

9