SISTEM KONTROL
INDUSTRI
Leterature :
Mikell P Groover, Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing, Second
Edition, New Jersey, Prentice Hall Inc., 2001, Chapter 4
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
1
INDUSTRI PROSES VERSUS
INDUSTRI MANUFAKTUR DISKRIT
• Industri dan operasi produksinya dibagi dalam dua
katagori dasar : (1) industri proses, dan (2) industri
manufaktur diskrit;
• Industri proses cendrung menggunakan material dalam
bentuk cairan, gas, serbuk, dan material-material sejenis;
• Industri manufaktur diskrit cendrung menggunakan
material dalam bentuk padat untuk pembuatan part
atau produk diskrit;
• Karena perbedaan jenis material yang digunakan
dalam ke dua katagori tersebut, maka jenis operasi
yang dilakukan juga berbeda.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
2
Jenis operasi dalam industri proses :
• reaksi-reaksi kimia,
• kominusi (pemecahan dalam bagian yang kecil-kecil,
comminution),
• deposisi (mis. deposisi uap secara kimiawi),
• distilasi,
• pencampuran dan peramuan unsur-unsur,
• pemisahan unsur-unsur.
Jenis operasi dalam industri manufaktur diskrit :
•
•
•
•
•
•
penuangan,
penempaan,
ekstrusi,
perakitan mekanis,
pencetakan plastik,
penstempelan logam lembaran.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
3
Level Otomasi dalam Dua Industri
Level
Level otomasi dalam
industri proses
Level otomasi dalam
industri manufaktur diskrit
5
Level perusahaan : sistem informasi
manajemen, perencanaan strategi,
manajemen level tinggi perusahaan.
Level perusahaan : sistem informasi
manajemen, perencanaan strategi,
manajemen level tinggi perusahaan.
4
Level pabrik : penskedulan, pemindahan dan penanganan material,
pemonitoran peralatan.
Level pabrik : penskedulan, pemindahan dan penanganan material ke
dalam proses, pengaturan rute part
melalui mesin, pemanfaatan mesin.
3
Level kendali pengawasan : pengendalian dan koordinasi beberapa
interkoneksi unit-unit operasi untuk
keseluruhan proses.
Level sel manufaktur atau sistem :
pengendalian dan koordinasi group
mesin dan peralatan pendukung
pekerjaan dalam koordinasi, termasuk peralatan penanganan material.
2
Level kendali dengan pengaturan :
pengendalian unit-unit operasi.
1
Level peralatan : sensor dan aktuator terdiri dari loop-loop kendali
dasar untuk unit-unit operasi.
Level mesin : mesin produksi dan
stasion kerja untuk manufaktur part
diskrit dan produk.
Level peralatan : sensor dan aktuator untuk kendali penyelesaian aktifitas mesin.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
4
Perbedaan utama adalah pada level rendah dan level intermedit.
(1) Pada level peralatan, terdapat perbedaan dalam jenis sensor dan
aktuator yang digunakan dalam dua katagori industri tersebut :
 Dalam industri proses, peralatan yang digunakan kebanyakan untuk
loop-loop kendali kimia, termal, atau operasi-operasi yang sejenis;
 Dalam industri manufaktur diskrit, peralatan yang digunakan adalah
untuk pengendalian aktivitas mekanis.
(2) Pada level di atasnya, perbedaannya adalah :
 Dalam industri proses, yang dikendalikan adalah unit-unit operasi;
 Dalam industri manufaktur diskrit, yang dikendalikan adalah mesinmesin produksi dan stasion kerja.
(3) Pada level ke tiga, perbedaannya adalah :
 Dalam industri proses, yang dikendalikan adalah interkoneksi
antara unit-unit operasi pemrosesan;
 Dalam industri manufaktur diskrit, yang dikendalikan adalah
interkoneksi antara mesin-mesin.
(4) & (5)
Pada level ke empat dan ke lima, sistem kendalinya sangat mirip
untuk kedua katagori industri tersebut, perbedaannya hanya pada
jenis operasinya.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
5
Variabel dan Parameter dalam Dua Industri
Perbedaan antara industri proses dan industri manufaktur diskrit
terletak pada variabel dan parameter yang menentukan karakteristik operasi produksi masing-masing. Seperti yang telah dijelaskan
sebelumnya, variabel didefinisikan sebagai output proses dan
parameter didefinisikan sebagai input proses. Dalam industri
proses, variabel dan parameter memiliki kecendrungan kontinu,
sedang dalam industri manufaktur diskrit variabel dan parameter
cendrung diskrit.
Continuous
analog variable
Variable or parameter value
4,0
3,0
Discrete variable
other than binary
2,0
1,0
Discrete binary
variable signal
(0 or 1)
Pulse data
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
Time
6
 Variabel (atau parameter) kontinu adalah sesuatu yang sifatnya
terus-menerus, tidak terputus selama waktu manufaktur. Variabel
kontinu pada umumnya analog, yang berarti dapat diambil sesuatu nilai dalam daerah jangkau (range) tertentu. Operasi produksi
baik dalam industri proses maupun dalam industri manufaktur
diskrit memiliki karakteristik variabel kontinu. Sebagai contoh :
gaya, temperatur, laju aliran, dan kecepatan. Semua variabel
tersebut adalah kontinu selama waktu proses, dan dapat diambil
sesuatu nilai dalam daerah jangkau tertentu.
 Variabel (atau parameter) diskrit adalah sesuatu yang memiliki
hanya satu nilai pada suatu daerah jangkau tertentu. Jenis variabel diskrit yang paling umum adalah biner, yang berarti memiliki
dua kemungkinan nilai, on atau off, tertutup atau terbuka, dan
seterusnya. Contoh variabel dan parameter biner diskrit adalah :
saklar batas terbuka atau tertutup, motor on atau off, dan bendakerja ada atau tidak ada dalam alat pengencang. Tidak semua
variabel (parameter) diskrit adalah biner. Ada kalanya variabel
memiliki lebih dari dua kemungkinan nilai, tetapi bukan tak berhingga, yaitu variabel diskrit selain biner. Contoh : jumlah part
dalam suatu operasi produksi yang dihitung secara harian, dan
tampilan pada tacometer digital. Bentuk khusus variabel (dan parameter) diskrit adalah data pulsa, yang terdiri dari deretan pulsa.
Deretan pulsa dapat digunakan untuk mengidentifikasikan jumlah
barang; sebagai contoh jumlah part yang lewat pada suatu konveyor mengaktifkan suatu fotosel dan menghasilkan pulsa untuk
setiap part diskrit. Sebagai parameter proses, deretan pulsa dapat digunakan untuk menjalankan motor langkah (stepper motor).
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
7
KONTROL KONTINU VERSUS
KONTROL DISKRIT
Sistem kontrol industri yang digunakan dalam industri proses
pada umumnya menggunakan sistem kontrol kontinu sedangkan
pada industri manufaktur diskrit menggunakan sistem kontrol
diskrit. Perbandingan antara kedua sistem kontrol tersebut
dapat dilihat dalam tabel berikut ini.
Faktor Komparasi
Kontrol Kontinu dalam
Idustri Proses
Jenis pengukuran
output produk
Pengukuran berat, pengukuran
volume likuid, pengukuran volume
solid
Konsistensi, konsentrasi larutan,
ketiadaan kontaminasi, konformansi terhadap spesifikasi
Temperatur, laju aliran volume,
tekanan
Jumlah part, jumlah produk
Jenis sensor
Meter aliran, termokopel, sensor
tekanan
Saklar batas, sensor fotoelektrik,
strain gage, sensor piezoelektrik
Jenis aktuator
Kelep, pemanas, pompa
Saklar, motor, piston
Jenis konstante
waktu proses
Detik, menit, jam
Kurang dari sedetik
Jenis pengukuran
kualitas
Jenis variabel dan
parameter
Kontrol Diskrit dalam
Idustri Manufaktur Diskrit
Dimensi, penyelesaian permukaan, penampilan, ketiadaan cacat,
keandalan produk
Posisi, kecepatan, percepatan,
gaya
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
8
• Pada kenyataannya, kebanyakan operasi dalam industri proses dan industri manufaktur diskrit cendrung
menggunakan variabel dan parameter kontinu maupun
diskrit.
• Akibatnya banyak kontroler industri didesain untuk
mampu menerima dan mentransmisikan kedua jenis
signal dan data tersebut.
• Untuk masalah yang kompleks, digunakan komputer
untuk menggantikan kontroler analog dalam kendali
proses kontinu.
• Dalam hal ini variabel kontinu tidak lagi diukur secara
kontinu, tetapi diambil contoh (sample) secara periodik dan dibuat sistem data-contoh (sampled-data system) diskrit yang mendekati sistem kontinu sesungguhnya.
• Demikian pula, signal kendali yang dikirimkan ke proses adalah jenis fungsi langkah (stepwise fungtions)
yang mendekati sama dengan signal kontinu yang
ditransmisikan oleh kontroler.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
9
Sistem Kontrol Kontinu
Kontrol kontinu, umumnya bertujuan untuk menjaga agar variabel
output pada level yang diinginkan, sama seperti operasi sistem
kontrol umpan balik. Tetapi, kebanyakan proses kontinu dalam
praktiknya terdiri dari banyak jaringan umpan balik, yang semuanya
harus dikendalikan dan dikoordinasikan untuk menjaga variabel
output pada nilai yang diinginkan. Contoh proses kontinu adalah
sebagai berikut :
 Pengendalian output reaksi kimia yang tergantung pada temperatur, tekanan, dan laju aliran input beberapa reaksi. Semua
variabel dan/atau parameter adalah kontinu.
 Pengendalian posisi bendakerja relatif terhadap perkakas potong
dalam operasi pemfraisan kontour dimana harus dihasilkan
permukaan kurve yang kompleks. Posisi bendakerja ditentukan
oleh nilai koordinat x, y, dan z. Pada saat bendakerja bergerak,
nilai x, y, dan z dapat dipandang sebagai variabel dan/atau
parameter yang berubah setiap saat memesin bendakerja.
Terdapat beberapa pendekatan untuk mencapai tujuan pengendalian dalam sistem kontrol proses kontinu, seperti misalnya : kontrol
dengan pengaturan, kontrol hantaran kedepan, optimasi keadantetap, kontrol adaptif, dan lain-lain.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
10
Kontrol dengan Pengaturan (Regulatory Control)
Kontrol dengan pengaturan bertujuan untuk menjaga agar performansi proses pada level tertentu atau berada dalam daerah toleransi yang diberikan pada level tersebut. Sebagai contoh, bila
performansi tersebut adalah suatu pengukuran kualitas produk,
sehingga sangat penting untuk menjaga agar kualitas pada level
spesifikasinya atau pada daerah spesifikasinya. Pada umumnya,
pengukuran performansi proses (kadang-kadang disebut indeks
performansi) dihitung berdasarkan beberapa variabel output proses.
Dalam gambar di bawah ini, kontrol dengan pengaturan dilakukan
terhadap keseluruhan proses dimana kontrol umpan balik dalam
proses ini merupakan jaringan kontrol individual.
Input parameters
Output variables
Process
Adjusment
to input
parameters
Performance
measure
Measured
variables
Contoller
Performance
target level
Index of
performance
Kelemahan sistem ini adalah : tindakan pembandingan dilakukan
setelah gangguan terjadi pada output proses.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
11
Kontrol Hantaran Kedepan (Feedforward Control)
Strategi kontrol hantaran kedepan ini bertujuan untuk mengantisipasi efek gangguan yang akan mengacaukan proses dengan cara
mensensor dan mengkompensasikannya sebelum ganggaguan tersebut mempengaruhi proses. Dalam gambar di bawah ini elemenelemen kontrol hantaran kedepan mensensor gangguan yang ada
dan melakukan koreksi dengan mangatur parameter proses dan
mengkompensasikannya untuk setiap gangguan yang terjadi pada
proses. Dalam kondisi ideal kompensasi ini sangat efektif, tetapi
pada kenyataannya sering terjadi penyimpangan dalam pengukuran
umpan balik, operasi aktuator, dan algoritme pengendalian, sehingga sistem kontrol ini biasanya dikombinasikan dengan kontrol
umpan balik seperti terlihat dalam gambar.
Disturbance
Input parameters
Output variables
Process
Adjusment
to input
parameters
Feedforwad
control elements
Measured
variables
Contoller
Performance
target level
Index of
performance
Kontrol dengan pengaturan dan kontrol hantaran kedepan lebih
sesuai digunakan untuk industri proses dari pada manufaktur
produk diskrit.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
12
Optimisasi Keadaan Tetap (Steady State Optimization)
Istilah optimisasi keadaan-tetap mengacu pada kelas teknik optimisasi dimana proses menunjukkan karakteristik sebagai berikut :
(1) Terdapat indeks performansi yang telah didefinisikan dengan
baik, seperti biaya produksi, laju produksi, atau hasil proses;
(2) Hubungan antara variabel proses dan indeks performansi diketahui (dalam model matematik);
(3) Nilai parameter sistem yang mengoptimasi indeks performansi
tersebut dapat ditentukan secara matematik.
Input parameters
Output variables
Process
Adjusment
to input
parameters
Contoller
(3)
Algorithm to
determine optimum
input parameter
values
Performance
measure
(1)
Index of
performance (IP)
(2)
Mathematical model
of process and IP
Bila karakteristik ini diaplikasikan, maka dapat dilakukan pengaturan (adjusment) terhadap input parameter proses hingga dicapai
keadaan optimal. Sistem kontrol ini adalah jaringan terbuka.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
13
Kontrol Adaptif (Adaptive Control)
Kontrol optimisasi keadaan-tetap dioperasikan sebagai sistem
jaringan terbuka. Sistem ini akan bekerja sempurna bila tidak ada
gangguan diluar hubungan yang diketahui antara parameter proses
dan performansi proses. Bila dalam aplikasinya terdapat gangguan,
maka untuk optimalisasi kontrol dibutuhkan bentuk koreksi sendiri,
yang disebut kontrol adaptif. Kontrol adaptif mengkombinasikan
kontrol umpan balik dan kontrol optimal dengan cara pengukuran
variabel proses yang terkait selama operasi (sebagaimana dalam
kontrol umpan balik) dan penggunaan algoritme kontrol untuk
mengopti-malkan beberapa indeks performansi (sebagaimana dalam
kontrol optimal). Konfigurasi umum sistem kontrol adaptif dapat
dilihat dalam gambar berikut ini :
Input parameters
Output variables
Process
Performance
measure
Adjusment
to input
parameters
Modification
Measured
variables
Decision
Adaptive
controller
Identification
Index of
performance
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
14
Untuk mengevaluasi performansi sistem dan memberi respon yang
sesuai, suatu sistem kontrol adaptif melakukan tiga fungsi, sebagai
ditunjukkan dalam gambar.
(1) Fungsi identifikasi. Dalam fungsi ini, nilai arus indeks performansi sistem ditentukan berdasarkan pada pengumpulan hasil
pengukuran dari proses. Karena kondisi lingkungan berubah
setiap saat, maka performansi sistem juga akan berubah. Sehubungan dengan hal tersebut, fungsi identifikasi harus lebih
kurang kontinu setiap saat selama operasi sistem.
(2) Fungsi pengambilan keputusan ( decision fungtion ). Sekali
performansi sistem telah ditentukan, fungsi berikutnya adalah
menetapkan perubahan apa yang harus dibuat untuk memperbaiki performansi. Fungsi pengambilan keputusan dilaksanakan
dengan memakai algoritme terprogram dari sistem adaptif.
Tergantung pada algoritme tersebut, keputusan mungkin
merubah satu atau lebih parameter input ke proses, untuk
merubah beberapa parameter internal kontroler, atau perubahan-perubahan yang lain.
(3) Fungsi modifikasi. Fungsi ketiga kontrol adaptif adalah untuk
melaksanakan keputusan, dimana keputusan tersebut merupakan fungsi logika, modifikasi yang menyangkut perubahan fisik
dalam sistem. Jadi modifikasi tersebut lebih kepada perubahan
piranti keras dibandingkan dengan piranti lunak. Dalam modifikasi, parameter sistem atau input proses dirubah menggunakan
aktuator yang ada untuk menjalankan sistem pada kondisi yang
lebih optimal.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
15
Sistem Kontrol Diskrit
• Dalam kontrol diskrit, parameter diskrit dan variabel
diskrit suatu sistem dirubah pada saat-saat tertentu,
dengan memakai program instruksi; sebagai contoh,
program siklus kerja;
• Perubahan tersebut dilakukan baik karena kondisi sistem telah selesai dirubah atau karena waktu tertentu
telah dicapai;
• Berdasarkan kedua hal tersebut, maka perubahan
dapat dibedakan atas :
•
•
perubahan gerak-kejadian (event-drive changes),
perubahan gerak-waktu (time-drive changes).
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
16
•
Perubahan Gerak-Kejadian (Event-Drive Changes)
Perubahan gerak-kejadian, dilakukan oleh kontroler sebagai respon
terhadap beberapa kejadian ( event ) yang telah menyebabkan
keadaan sistem berubah. Perubahan dapat terjadi pada saat awal
operasi atau pada saat akhir operasi, menjalankan motor atau
menghentikan motor, membuka katup atau menutup katup, dan
sebagainya.
Contoh :
 Suatu robot memasang bendakerja kedalam pemegang, dan part
disensor dengan sebuah saklar batas. Pensensoran kebradaan
part menunjukkan kejadian yang merubah keadaan sistem.
Perubahan gerak-kejadian menunjukkan bahwa siklus pemesinan
otomatik sudah dapat dimulai.
 Level pengurangan bahan plastik dalam corong isi (hopper) mesin
cetak injeksi menarik saklar batas-bawah sehingga katup terbuka dan memulai pengisian bahan plastik baru ke dalam corong isi.
Bila level pengisian plastik pada ketinggian tertentu telah dicapai, maka saklar batas-atas akan ditarik sehingga katup tertutup,
jadi aliran bahan plastik ke dalam corong isi terhenti.
 Penghitungan pergerakan part sepanjang konveyor melewati
sensor optik adalah sistem gerak-kejadian. Setiap part yang melewati sensor merupakan kejadian yang menggerakkan penghitung.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
17
•
Perubahan Gerak-Waktu (Time-Drive Changes)
Perubahan gerak-waktu, dilakukan oleh sistem kontrol sebagai
respon terhadap pencapaian suatu kondisi tertentu dalam waktu
tertentu atau dalam selang waktu tertentu telah terjadi suatu
kondisi tertentu. Seperti pada perubahan gerak-kejadian, perubahan
biasanya terdiri dari memulai sesuatu atau menghentikan sesuatu,
dan waktu saat perubahan terjadi merupakan sesuatu yang utama.
Contoh :
 Dalam pabrik dengan waktu memulai dan waktu mengakhiri untuk
kerja sift dan istirahat bersama bagi semua pekerja, jam bengkel
disetel untuk membunyikan bel dalam saat tertentu selama hari
tersebut untuk menyatakan waktu mulai dan berhenti bekerja.
 Operasi perlakuan panas harus dilaksanakan selama selang
waktu tertentu. Siklus otomatis perlakuan panas terdiri dari
memasang part ke dalam tungku (mungkin dengan robot) dan
mengambil part tersebut setelah dipanaskan dalam selang waktu
tertentu.
 Dalam operasi mesin cuci, sewaktu bak pencucian telah diisi air
dengan ketinggian tertentu, dilanjutkan dengan siklus pengadukan untuk selang waktu tertentu yang disetel pada kendali. Bila
waktu telah habis, timer menhentikan pengadukan dan kemudian
air dalam bak dikosongkan (dalam hal ini pengisian air dalam bak
merupakan event-driven, sedang selang waktu pengadukan merupakan time-driven).
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
18
Level Kontrol Proses Industri
Secara umum, hirarcinya hampir sama dengan level otomasi
yang telah dijelaskan pada pertemuan 3.
Automation level
5
Control level
Enterprise
level
Data flow
4
Plant level
3
Cell or system
level
2
1
Machine level
Devise level
Fungsi kontrol proses dibagi
atas tiga level, yaitu :
Data
flow
Coordination
control
3
Data
flow
Data
flow
Data
flow
Procedural
control
2
Basic control
1
(1) kontrol dasar (basic
control),
•
kontrol prosedur
(procedural control),
•
Kontrol koordinasi
(coordination control).
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
19
(1) Kontrol dasar, merupakan kontrol level terendah, berhubungan
dengan level peralatan ( device level ) dalam hirarci otomasi.
Dalam industri proses, level ini dinyatakan dengan kontrol umpan
balik dalam jaringan kontrol dasar. Dalam industri manufaktur
diskrit, kontrol dasar dinyatakan dengan pengarahan servomotor
dan aktuator yang lain mesin produksi. Kontrol dasar meliputi
fungsi (seperti mis. umpan balik), pengumpulan, interlocking ,
interupsi, dan kegiatan penanganan khusus. Fungsi kontrol dasar
dapat diaktifkan, dideaktifkan, atau dimodivikasi baik oleh level
kontrol yang lebih atas (kontrol prosedur atau kontrol koordinasi)
atau oleh perintah operator.
(2) Kontrol prosedur, merupakan kontrol level medium ke level
kontrol dengan pengaturan unit operasi dalam otomasi industri
proses dan ke level mesin dalam otomasi manufaktur diskrit.
Dalam kendali kontinu, fungsi kontrol prosedur meliputi penggunaan data yang dikumpulkan untuk menghitung beberapa nilai
parameter proses, pengubahan setpoint dan parameter proses
yang lain dalam kendali dasar, dan pengubahan kontroler terhadap konstante. Dalam kendali diskrit, fungsinya adalah berkaitan
dengan pelaksanaan program siklus kerja, yaitu mengarahkan
mesin untuk melakukan aktifitas dalam urutan tertentu.
(3) Kontrol koordinasi, merupakan kontrol level teratas dalam hirarci
kendali. Kontrol ini berhubungan dengan level kontrol pengawasan dalam industri proses dan level sistem sel dalam industri
manufaktur diskrit. Kontrol ini juga berhubungan dengan level
pabrik dan level perusahaan. Fungsi koordinasi pada level sel
meliputi pengoordinasian aktifitas group peralatan atau mesin,
pengkoordinasian penanganan material antara mesin. Pada level
pabrik dan perusahaan, kontrol koordinasi berkaitan dengan
fungsi pendukung, meliputi perencanaan produksi dan penskedulan, pengkoordinasian peralatan yang digunakan untuk lebih
dari satu mesin, dan lain-lain.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
20
BENTUK-BENTUK
KONTROL PROSES KOMPUTER
Computer
Process
Process variables
Data collection
Computer
Control
commands
(a)
Process
Process variables
(b)
Computer
Control
commands
Process
Process variables
Data collection
(c)
(a) pemonitoran proses,
(b) kendali proses loop terbuka, dan
(c) kendali proses loop tertutup.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
21
Perbedaan antara pemonitoran proses dan proses kontrol :
•
dalam pemonitoran proses (gb.a), komputer digunakan
untuk mengumpulkan data dari proses, sedang
•
dalam kendali proses (gb. b & c), komputer mengatur
proses.
Data yang dikumpulkan dalam pemonitoran proses meliputi : data proses, data peralatan, dan data produk.
Dalam beberapa penerapan kontrol proses, aktifitas tertentu yang diterapkan dengan komputer kontrol tidak
membutuhkan data umpan balik yang harus dikumpulkan
dari proses; jadi ini merupakan jaringan terbuka (gb. b).
Tetapi, pada umumnya beberapa bentuk umpan balik atau
interlocking dibutuhkan untuk meyakinkan bahwa instruksi kontrol telah dilaksanakan dengan baik; jadi merupakan
jaringan tertutup (gb. c).
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
22