Sistim Kendali Analog [PDF]

Citation preview

makalah



SISTEM INSTRUMENTASI “ANALOG CONTROLLER”



OLEH : KELOMPOK 5 MUH. IQBAL SAID M. TRY YANI SAPAN YULIANTI SUPARJAN NUR AKBAR WIDYA NOVIANTI



JURUSAN PERKAPALAN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS HASANUDDIN MAKASSAR 2014



SISTIM KENDALI ANALOG 



PENGERTIAN ANALOG



Analog adalah sinyal data dalam bentuk gelombang yang continue, yang membawa informasi dengan mengubah karakteristik gelombang. Dua parameter/karakteristik terpenting



yang



dimiliki



oleh



isyarat



analog



adalah amplitude dan frekuensi.



Gelombang pada sinyal analog yang umumnya berbentuk gelombang sinus memiliki tiga variable dasar, yaitu amplitude, frekuensi, dann phase. -



Amplitude



Amplitude merupakan ukuran tinggi rendahnya tegangan sinyal analog. -



Frekuensi



Frekuensi adalah jumlah gelombang sinyal analog dalam satuan detik. - Phase Phase adalah besar sudut dari sinyal analog pada saat tertentu. Pada sistim kendali analog, pengendali terdiri dari peranti-peranti dan rangkaianrangkaian analog, yakni, amplifier-amplifier linier. Sistim-sistim kendali mula-mula merupakan sistim-sistim analog disebabkan karena hanya teknologi elektronika analog yang tersedia pada saat itu. Pada sistim kendali analog, perubahan yang terjadi pada setpoint atau sinyal feedback diindera secara langsung, selanjutnya amplifier mengatur dan menyesuaikan keluarannya (ke aktuator). Analog disebarluaskan melalui gelombang elektromagnnetik (gelombang radio) secara terus menerus, yang banyak dipengaruhi oleh factor “penggangu”. Analog merupakan bentuk komunikasi elektromagnetik yang merupakan proses pengiriman sinyal pada gelombang elektromagnetik dan bersifat variable yang berurutan. Jadi system analog merupakan suatu bentuk komunikasi elektromagentik yang menggatungkan proses pengiriman sinyalnya pada gelombang elektromagnetik. Misalnya ketika seseorang berkkomunikasi dengan menggunakan telepon, maka suara yang dikirim melalui jaringan telepon tersebut dilewatkan melalui gelombang. Dan kemudian, ketika gelombang ini diterima, maka gelombang tersebutlah



yang



diterjemahkan



kembali



ke



dalam



bentuk



suara,



sehingga



si penerima



dapat



mendengar apa yang disampaikan oleh pembicara lainnya dari kamunikasi tersebut. Sinyal analog merupakan pemanfaatan gelombang elektronik. Proses pengiriman suara, misalnya pada teknologi telepon, dilewatkan melaului gelombang elektronmagnetik ini, yang bersifat variable dan berkelanjutan. Satu komplit gelombang dimulai dari voltase nol kemudia menuju voltase tertinggi dan turun hingga voltase terendah dan kemali ke voltase nol. Kecepatan dari gelombang ini disebut dengan hertz (Hz) yang diukur dalam satuan detik. Misalnya dalam satu detik, gelombang dikirimkan sebanyak 10, maka disebut dengan 10 Hz. Contohnya sinyal gambar televise, atau suara radio yang dikirimkan secara berkesinambungan. Pelayanan dengan menggunakan sinyal ini agak lambat dan gampang eror dibandingkan dengan data dalam bentuk digital. Gelombang analog ini disebut dengan baud. Baud adalah sinyal atau gelombang listrik analog. Satu gelombang analog sama dengan satu baud. Kelemahan dari system ini adalah tidak bisa mengukur sesuatu dengan cukup teliti. Karena hal ini disebabkan kemampuan mereka untuk secara konsisten terus menurus merekam perubahan yang terus menerus terjadi,, dalam setiap pengukuran



yang



dilakukan oleh system analog ini ada peluang keragu-raguan akaan hasil yang dicapai, dalam sebuah system yang membutuhkan ketepatan kordinasi dan ketepatan angkaangka yang benar dan pas, kesalahan kecil akibat kesalahan menghitung akan berdampak besar dalam hasil akhir. System ini butuh ketepatan dan ketelitian yang akurat, salah satu bentuknya adalah otak kita. Contoh saja telepon yang berbasis analog, telepon yang pada awalnya ditemukan pada tahun 1876, diniatkan sebagai media untuk mengirimkan suara, dan salah satu penerapan konsep analog. Sampai pada tahun 1960-an. Penerapan analog ini masih tetap bertahan. Setelah itu mulai mengarah kepada teknologi digital. Begitu juga dengan televisi analog yang menerjemahkan sinyal menggunakan gelombang



radio.



Pemancar



televise



mengirim gambar dan suara melalui gelombang radio, diterima oleh antenna rumah dan diterjemahkan menjadi gambar yang kita tonton.



Berbagai contoh system analog : ·



Perekam pita magnetic;



·



Penguat audio;



·



Computer analog : computer yang digunakan untuk mengelola data,



karena computer ini



kualitatif,



digunakan untuk memproses data secara terus menerus dan



mengenal data sebagai besaran fisik yang diukur secara terus menerus kelluaran dari computer jenis ini adalah dalam bentuk dial dan grafik. Contoh : besaran arus listrik. Pada sistim kendali analog, pengendali terdiri dari peranti-peranti dan rangkaianrangkaian analog, yakni, amplifier-amplifier linier. Sistim-sistim kendali mula-mula merupakan sistim-sistim analog disebabkan karena hanya teknologi elektronika analog yang tersedia pada saat itu. Pada sistim kendali analog, perubahan yang terjadi pada setpoint atau sinyal feedback diindera secara langsung, selanjutnya amplifier mengatur dan menyesuaikan keluarannya (ke aktuator). Teknologi analog, adalah suatu bentuk perkembangan teknologi sebelum adanya perkembangan teknologi digital. Pada dasarnya, analog merupakan perkembangan teknologi yang masih menggunakan sistem manual, atau belum sepenuhnya dapat bekerja secara otomatis. Teknologi analog pada dasarnya hanyalah alat yang sederhana dengan program yang tertentu saja.



Gambar 1.1 : Gelombang analog







PERBEDAAN ANALOG DAN DIGITAL



Perbedaan system analog dan digital telah dibagi atas



beberapa perbedaan yang



mana setiap definisi perbedaan itu berbeda-beda, yaitu : NO



DIGITAL



1



Teknologi lama



2



Dirancang untuk voice



3



Tidak efisien untuk data



4







ANALOG



Teknologi baru



Permasalahan noisy dan rentang eros



5



Kecepatan lebih rendah



6



Overhead tinggi



Dirancang untuk voice dan opsi – opsi pengujian yang lengkap Informasi discreate level Kecepatan lebih tinggi Overhead rendah Setiap signal digital dapat dikonversikan ke analog



PERBEDAAN ANALOG DAN DIGITAL MENURUT KARAKTERISTIK.



Karakteristik



system digital adalah bahwa ia bersifat diskrit, sedangkan system



analogbersifat continue sehingga pengukuran yang didapat sebenarnya lebih tepat dari system digital hanya saja banyak keuntungan yang lain yang dimiliki oleh system digital. Masing – masing system tersebut mempunyai kelebihan dan kekurangan sendiri tergantung dari untuk kasus apa system tersebut digunakan. Beberapa keunggulan dari system digital adalah : 



Teknologi



digital



menawarkan biaya



lebih rendah, keandalan (reability)



lebih baik, pemakaian ruangan yang lebih kecil dan konsumsi daya yang lebih rendah; 



Teknologi digital membuat kualitas komunikasi tidak tergantung pada jarak







Teknologi digital lebih bergantung pada noise;







Jaringan digital ideal untuk komunikasi data yang semakin berkembang;







Teknologi digital memungkinkan pengenalan layanan- layanan baru;







Teknologi digital menyediakan kapasitas tranmisi yang besar;







Teknologi digital menawarkan fleksebilitas.







MENURUT PESAN ATAU MESSAGE



Pesan analog adalah kuantitas fisik yang bervariasi terhadap waktu dan dalam bentuk continue. Contoh sinyal analog adalah tekanan akustik yang dihasilkan ketika kita berbicara dan arus voice pada saluran telepon konvensional. terkandung



pada



gelombang



yang



Karena



informasi



selalu berubah terhadap waktu, maka system



komunikasi analog harus dapat mentransmisikan gelombang ini pada tingkat fidelitas tertentu. Fidelitas dapat diartikan seberapa mirip sinyal yang telah dikonvermasikan dibandingkan dengan sinyal sumber asal atau sinyal sebelumnya. Semakin mirip sinyal tersebut dengan sinyal sebelum konversi maka fodelitasnya semakin baik. Pesan digital adalah deratan symbol yang merepresentasikan informasi. Karena informasi terkandung dalam symbol-simbol,



maka system komunikasi digital harus



dapat mengangkut symbol-simbol tersebut dengan tingkat akurasi tertentu. Yang menjadi pertimbangan utama dalam disain system adalah menjaga agar symbol tidak berubah.







PERBEDAAN MENURUT CARA KERJA



System digital merupakan bentuk sampling dari system analog. Digital pada dasarnya di code-kan dalam bentuk bilangan biner (Hexa).



Besarnya nilai suatu system digital



dibatasi oleh lebarnya/ jumlah bit (bendwidth). Jumlah bit juga sangat mempengaruhi nilai akurasi system digital. Contoh kasus ada system digital dengan lebar 1 byte (8 bit). Pada system analog, terdapat amplifier di sepanjang jalur tranmisi. Setiap amplifier menghasilkan penguatan (gain), baik menguatkan sinyal pesan maupun noise tambahan yang menyertai di sepanjang jalur tranmisi tersebut. Pada siste digital, amplifier digantikan regenerative



repeater. Fungsi repeater selain menguatkan



sinyal, juga



“membersihkan” sinyal tersebut dari noise. Pada sinyal “unipolar baseband”, sinyal input hanya mempunyai dua nilai – 0 atau 1. Jadi repeater harus memutuskan, maka dari kedua kemungkinan tersebut yang boleh ditampilkan pada interval waktu tertentu, untuk menjadi nilai sesungguhnya di sisi terima. Keuntungan kedua dari system komunikasi digital adalah bahwa ktia berhubungan dengan nilai-nilai, bukan dengan bentuk gelombang. Nilai-nilai bisa dimanipulasi



dengan rangkaian-rangkaian logika, atau jika perlu, dengan mikroprosesor. Operasioperasi matematika yang rumit bias secara mudah ditampilkan untuk mendapat fungsifungsi pemrosesan sinyal atau keamanan dalam tranmisi sinyal. Keuntungan ketiga berhubungan dengan range dinamis. Kita dapat mengilustrasikan hubungan ini dalam sebuah contoh. Perekaman disk piringan hitam analog mempunyia masalah terhadap range dinamik yang terbatas. Suara-suara yang sangat keras memerlukan variasi alur yang ekstrim, dan sulit bagi jarum perekam untuk mengikuti variasi – variasi tersebut. Sementara perekam secara digital tidak mengalami masalah karena semua nilai amplitude-nya, baik yang sangat tinggi maupun yang sangat rendah, ditranmisikan menggunakan urutan sinyal terbatas yang sama. Namun di dunia ini tidak ada yang ideal. Demikian pula hallnya dengan system komunikasi digital. Kerugian system digital dibandingkan



dengan system analog adalah, bahwa



system digital memerlukan



bandwidth yang besar. Sebagai contoh, sebuah kanal suara tunggal dapat ditranmisikan menggunakan single-sideband AM dengan bandwidth yang kurang dari 5 kHz. Dengan menggunakan system digital, untuk mentransmisikan sinyal yang sama, diperlukan bandwidth hingga empat kali dari system analog. Kerugian yang lain adalah selalu harus tersedia sinkronisasi. Ini penting bagi system untuk mengetahui kapan setiap symbol yang terkirim mmullai dan kapan berakhir, dan perlu meyakinkan apakah setiap symbol sudah terkirim dengan benar. Secara mudahnya, digital itu adalah 0 dan 1, atau logika biner, atau diskrit, sedang analog adalah continous. Digital bisa dilihat sebagai analog yang dicuplik/disampling, kalau samplingnya semakin sering atau deltanya makin kecil, katakana mendekati nol, maka sinyal digital bias terlihat menjadi analog kembali. Menghitung sinyal digital lebih gampang karena diskrit, sedang analog anda harus menggunakan diferensial integral. Kalau alat-alat yang digital, itu yang dibuat dan bekerja didasarkan pada prisip digital, ini lebih gampang dari analog, tapi sekarang ini analog menjadi trend lagi, karena digital dengan clock yang semakin kecil Giga Herzt atau



lebih,



perilakunya



sudah



menjadi seperti rangkaian analog, jadi diperlukan ahli-ahli rangakaian analog. Kalau untuk telekomunikasi, mau tidak mau maksih melibatkan system analog, karena harus menggunakan sinyal pembawa (carrier), komunikasi digitalpun hanya datanya di digitalkan (digital (0-1) dimudulasikan dengan carrier sinyal analog) di akhirnya harus diubah lagi jadi analog. Kalau contoh komponen yang bekerja dengan prinsip analog :



transistor, tabung TV, IC-IC TTL, IC Catu Daya. Digital : IC Logika,microcontroller, FPGA. Rangkaian analog adalah kebutuhan dasar yang tak tergantikan di banyak system yang kompleks, dan menuntut kenerja yang tinggi. 



KELEBIHAN SISTEM ANALOG



Dibalik system analog yang tergolong klasik ini teradat beberapa kelebihan – kelebihannya, yaitu : 1.



Pemrosesan sinyal dari alam secara alamiah, sinyal yang dihasilkan alam itu



adalah berbentuk analog.



Misalnya sinyal suara dari mikrofon, seismograph dsb,



walaupun kemudian bias diproses dalam domain digital, sehingga banyak alat yang mempunyai bagian ADC dan DAC. Pembuatan ADC dan DAC dengan presisi dan kecepatan tinggi, komunikasi daya rendah itu sangat sulit, ini memerlukan orang-orang analog; 2.



Komunikasi digital untuk mengirim sinyal melalui kabel yang panjang biasanya



juga harus diubah dulu menjadi sinyal analog, memerlukan juga perancangan ADC dan DAC; 3.



Disk Drive Electronics Data Storage → binary (digital) dibaca oleh “magnetic



head”



→ ANALOG



(small,



fewmili



Volt,



high noise) disini sinyal perlu di



“amplified,filtered, and digitized”; 4.



Penerimaan nirkabel (wireless) sinyal yang diambil/ diterima oleh antenna



penerima RF adalah ANALOG (fewmili volt, high noise); 5.



Penerima optis menerima data kecepatan tinggi melalui jalur fiber optic yang



panjang



data



harus



diubah menjadi bentuk cahaya (light) = ANALOG



perlu



perencanaan rangkaian kecepatan tinggi, dan pita lebar (broad band) oleh orang analog. (saat ini kecepatan receiver 10-40 Gb/s); 6.



Sensor Video Camera → citra/image diubah menjadi arus menggunakan



fotodioda system



ultrasonic



→



larik



menggunakan sensor akustik untuk menghasilkan tegangan yang propesional dengan amplitude accelerometer → mengaktifkan kantong udara ketika kendaraan sesuatu, maka



menabrak



perubahan kecepatan diukaran sebagai akselerasi itu adalah kerjaan



Analog; 7.



Mikroprosessor dan Memory walaupun sesungguhnya DIGITAL, tapi pada



kecepatan tinggi (high speed digital design), perilakunya mirip sinyal analog → perlu pengertian tentang system analog; 



KENAPA ANALOG LEBIH SULIT DARI DIGITAL?



Analog lebih sulit dari Digital arena system analog adalah system yang terdahulu yang sulit di mengerti bagi orang yang baru mengetahui system digital, namun system digital adalah system yang simple, namun ada bebarapa kesulitan analog dari digital, yaitu : 1.



Digital hanya



mempertimbangkan speed, power dissipation analog harus



mempertimbangkan speed, power dissipation, gain, precission, supply voltage dsb; 2. Analog lebih sensitive terhadap derau/noise, crosstalk dan interferensi (kecepatan dan presisi); 3. Jarang yang bisa diotomatisasi dalam perancangan seperti digital yang bias di Lay Out dan sintesis secara otomatis; 4. Modeling dan Simulation untuk analog memerlukan pengalaman karena banak efek dan perilaku yang “aneh”; 5. Teknologi sekarang banyak digunakan dan dirancang untuk memproduksi produk digital, karena itu sulit kalau mau memproduksi yang analog.



Dalam



konteks computer (mesin



penerapannya yaitu :



komputer) maka



analog



dan digital dalam



ð Analog computer digunakan untuk data yang berbentuk fisik, seperti misalnya arus listrik, temperature, kecepatan, tekanan, dll; ð Digital computer digunakan untuk data berbentuk angka atau huruf keunggulan; ð Memproses data lebih tepat dibandingkan dengan computer analog; ð Dapat menyimpan data selama masih dibutuhkan oleh proses; ð Dapat melakukan operasi logika; ð Data yang telah dimasukkan dapat dikoreksi atau dihapus; ð Output dari computer digital dapat berupa angka, huruf, grafik maupun gambar.







PID



sederhana



di



S7-300/400



dengan



software



Simatic



Manager



Banyak sekali permintaan di email untuk membuat artikel tentang PID di S7-300/400 dengan menggunakan software Simatic Manager. Akhir tahun lalu saya mengerjakan project untuk Evaporator System dengan banyak sekali menggunakan control loop PID. Berikut salah satu bagiannya :



Prinsip kerja dari sistem diatas adalah apabila pressure transmitter (PT) terbaca dibawah setpoint maka control valve (CV) akan membuka/increase, sedangkan sebaliknya jika PT terbaca diatas setpoint maka CV akan menutup/decrease. Langkah pertama yaitu mengidentifikasi object input dalam hal ini yaitu PT dan object output yaitu CV. Data untuk kedua obyek tersebut adalah : 1. -



Pressure Sinyal Range



Transmitter



Transmitter :



:



–



4



0



- Address : PIW100 (channel 0 dari module analog input)



(PT)



–



20 10



mA bar



2. -



Control Sinyal Range



Valve



Transmitter :



0



: –



–



4 100



(CV)



%



20



mA



Normally



Close



- Address : PQW200 (channel 0 dari module analog output)



Tahap selanjutnya yaitu mulai programming untuk analog input, PID Blocks dan analog ouput. a.



Bit



Always



TRUE



dan



Always



False



Kedua bit ini akan sangat diperlukan di program, jadi saran dari saya sempatkan untuk bikin program untuk kedua bit ini di awal program. Jika menggunakan TIA Portal, kedua bit ini sudah otomatis disediakan tinggal dipake aja.



b.



Scaling



Analog



Input



Tugas dari fungsi ini adalah mengconvert bilangan decimal menjadi besaran fisik sesuai instrument.



IN



kita



isi



dengan



PIW100



sesuai



address



di



hardware



configuration



Karena range dari analog input adalah 0-10 bar, maka LO_LIM kita isi 0.0 dan HI_LIM kita



isi



10.0



Hasil dari scaling akan kita gunakan sebagai inputan untuk PID Block, dalam kasus ini menggunakan address MD20 (real) c.



PID



Menggunakan standard library bawaan Siemens yaitu FB41.



Block



Sebelum masuk ke penjelasan parameter PID, ada baiknya kita mengetahui konsep dari PID itu, lihat bagan dibawah ini



PID adalah kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut, fungsi control tersebut tujuannya adalah minimize/mengendalikan error dengan tiga cara yaitu proportional, integral, derivative, bisa dipake hanya satu aja atau semuanya berbarengan sesuai respont dari plant.  Kontrol Proporsional Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta. Jika u = G(s) • e maka u = Kp • e dengan Kp adalah Konstanta Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain (penguat) saja tanpa memberikan efek dinamik kepada kinerja kontroler. Penggunaan kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam aplikasi-aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk memperbaiki respon transien khususnya rise time dan settling time.



 Kontrol Integratif Jika G(s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan sebagai u(t)=[integrale(t)dT]Ki dengan Ki adalah konstanta Integral, dan dari persamaan di atas, G(s) dapat dinyatakan sebagai u=Kd.[deltae/deltat] Jika e(T) mendekati konstan (bukan nol) maka u(t) akan menjadi sangat besar sehingga diharapkan dapat memperbaiki error. Jika e(T) mendekati nol maka efek kontrol I ini semakin kecil. Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus menghilangkan respon steady-state, namun pemilihan Ki yang tidak tepat dapat menyebabkan respon transien yang tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki yang sangat tinggi justru dapat menyebabkan output berosilasi karena menambah orde sistem  Kontrol Derivatif Sinyal kontrol u yang dihasilkan oleh kontrol D dapat dinyatakan sebagai G(s)=s.Kd Dari persamaan di atas, nampak bahwa sifat dari kontrol D ini dalam konteks “kecepatan” atau rate dari error. Dengan sifat ini ia dapat digunakan untuk memperbaiki respon transien dengan memprediksi error yang akan terjadi. Kontrol Derivative hanya berubah saat ada perubahan error sehingga saat error statis kontrol ini tidak akan bereaksi, hal ini pula yang menyebabkan kontroler Derivative tidak dapat dipakai sendiri Selanjutnya kita masuk ke penjelasan general dari masing-masing parameter PID Block FB41 :



Bit M1.0 dalam kasus ini saya gunakan jika system kita running untuk enable PID block tersebut PVPER_ON tidak saya aktifkan karena saya tidak menggunakan langsung pheriperal value P_SEL adalah penggunaan Proportional untuk mengontrol error –> aktifkan I_SEL adalah penggunaan Integral untuk mengontrol error –> aktifkan LMN adalah output value untuk CV 0-100%



D_SEL



adalah



penggunaan



Derivatif



untuk



mengontrol



error



–>



aktifkan



CYCLE , scan cycle dari fungsi FB41 berikut, biasanya saya menggunakan selang waktu 1



detik



SP_INT adalah setpoint dari PID system, untuk contoh ini saya menggunakan MD24 (real) PV_IN adalah process value feedback dari PT yang sebelumnya kita scaling di rung sebelumnya MAN



adalah



manual



value



saat



kondisi



manual



mode



GAIN : settingan Kp sekedar saran untuk setingan awal gunakan gain yang kecil dalam hal TI



ini :



settingan



Ki



yaitu biasanya



saya



0.01 menggunakan



T#10s



TD : settingan Kd biasanya saya menggunakan T#30s untuk contoh ini cara menentukan parameter Kp Ki dan Kd menggunakan cara trial dan error, dari parameter diatas jika error yang terjadi masih besar, diadjust dengan merubah Kp terlebih dahulu.



untuk



settingan



yang



terakhir



;



LMN_HLM : batas atas dari manipulated value atau nilai yang akan ditransfer ke CV dalam LMN_LLM



hal :



batas



ini bawah



yaitu dari



manipulated



100.0 value



0.0



PV_FAC dan LMN_FAC isi dengan nilai 1.0 (faktor pengali) c.



UnScaling



Analog



Output



Tugas dari fungsi ini adalah kebalikan dari scaling AI yaitu mengconvert dari besaran fisik CV menjadi bilangan decimal.



OUT



kita



isi



dengan



PQW200



sesuai



address



di



hardware



configuration



Karena range dari analog output adalah 0-100 % , maka LO_LIM kita isi 0.0 dan HI_LIM kita isi 100.0 Keluaran dari PID Block (LMN) kita gunakan sebagai inputan unscaling, dalam kasus ini menggunakan address MD28 (real) d. Simulasikan di Variabel Tabel



Saat PV lebih kecil dari setpoint, maka CV akan increase



Saat PV lebih besar dari setpoint, maka CV akan decrease