Perancangan SCADA pada Mini Plant Proses Pengendalian Level

## Dwi Mahadiyan WH
Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Mercu Buana Jl. Menteng Raya No. 29 Jakarta Pusat. Telepon: 021-31935454 (hunting), 31934471 Fax: 021-31934474

## Abstrak
Empat  besaran  fisis  yang  sering  kita  temukan  di  industri  yaitu  level, flow,  pressure  dan  temperature.  Salah  satu  yang  sering  digunakan adalah pengendalian level. Pengendalian level merupakan suatu sarana untuk mempertahankan nilai ketinggian dan atau volume air agar tetap stabil  sesuai  dengan  nilai  yang  diinginkan,  hal  ini  dilakukan  untuk membuat  proses  yang  berlangsung  tetap  terjaga  sesuai  yang diinginkan  dan  kemudian  dilakukan  proses  selanjutnya  sehingga mendapatkan  produk  sesuai  dengan  yang  diharapkan.  Pengendalian level  yang  digunakan  saat  ini  menggunakan  temperature  controller TZ4M  yang  terdapat  di  lokal  panel.  Perancangan  sistem  dibagi menjadi  dua  bagian  yaitu  hardware  dan  software . Untuk  hardware terdiri  dari  controller/PLC,  pompa,  control  valve,  solenoid  valve, transmitter.  Software  yang  digunakan  adalah  CX  Programmer untuk memprogram  PLC  dan  wonderware  intouch  untuk  HMI.  Hasil perancangan  secara  umum  dapat  berjalan  dengan  baik.  Hasil pengujian  dengan  metode  Ziegler  Nichols  menggunakan  metode osilasi  maka  diperoleh  sistem  yang  berosilasi  yaitu  pada  PB=1%. Berdasarkan  hasil  penalaan  diperoleh  nilai  PB=2%  untuk  kontrol  P, PB=2.2%  T i =22s  untuk  kontrol  PI,  PB=1.7%  T i =13  T d =3  untuk kontrol  PID.  Untuk  pengujian  performa  masing-masing  pengontrol adalah  kontrol  P:  delay  time=96s,  rise  time=352s,  error  steady state=0.0542%.  Kontrol  PI:  delay  time=59s,  rise  time=237s,  error steady  state=0.73%.  Kontrol  PID:  delay  time=67s,  rise  time=245s, error steady state=0.6827%.
Kunci: level, SCADA, Ziegler Nichols, PID
Received July 2015 Accepted for Publication August 2015

## 1. PENDAHULUAN
Industri adalah seluruh bentuk kegiatan ekonomi yang mengolah bahan bahan baku dan/atau memanfaatkan sumber daya industri sehingga menghasilkan barang yang  mempunyai  nilai  tambah  atau  manfaat  lebih  tinggi,  termasuk  jasa  industri.
Sedangkan  teknologi  industri  adalah  hasil  pengembangan,  perbaikan,  invensi, dan/atau  inovasi  dalam  bentuk  teknologi  proses  dan  teknologi  produk  termasuk rancang  bangun  dan  perekayasaan,  metode,  dan/atau  sistem  yang  diterapkan dalam  kegiatan  industri.  (Undang-undang  Nomor  3  tahun  2014  tentang Perindustrian).
Secara  umum  ada  empat  besaran  fisis  yang  sering  kita  temukan  di  industri yaitu  level,  flow,  pressure  dan  temperature.  Variabel  ini  adalah  parameter keluaran (output) yang harus dijaga sesuai dengan yang diinginkan dan ditetapkan terlebih  dahulu  (set  point)  sementara  nilai  aktual  proses  disebut  dengan  proses value. Salah satu yang sering digunakan adalah pengendalian level, pengendalian ini  banyak  kita  jumpai  di  hampir  seluruh  bidang  industri.  Pengendalian  level merupakan suatu sarana untuk mempertahankan nilai ketinggian dan atau volume air agar tetap stabil sesuai  dengan nilai  yang diinginkan,  hal  ini dilakukan untuk membuat  proses  yang  berlangsung  tetap  terjaga  sesuai  yang  diinginkan  dan kemudian  dilakukan  proses  selanjutnya  sehingga  mendapatkan  produk  sesuai dengan yang diharapkan.
Pengendalian  level  yang  digunakan  saat  ini  yaitu  dengan  menggunakan temperature  controller  TZ4M.  Air  yang  berasal  dari  tanki  penampung  di  pompa menuju  tanki  proses  melewati  level  control  valve.  Pada  tanki  proses  dilengkapi dengan pressure transmitter yang akan mengukur ketinggian air yang ada di tanki proses.  Nilai  pengukuran  ini  akan  terbaca  pada  display  yang  ada  di  controller. Nilai  pengukuran  akan  dibandingkan  dengan  set  point  untuk  kemudian  di kalkulasikan  oleh  controller  hasil  kalkulasi  ini  akan  dikonversikan  untuk mengatur  bukaan  level  control  valve.  Pada  sistem  pengendalian  ini  juga dilengkapi  sebuah  solenoid  valve  sebagai  baypass  yang  langsung  terhubung dengan tanki penampung. Solenoid valve ini berfungsi sebagai pengaman apabila level air yang ada pada tanki proses melebihi batas yang diinginkan. Sehingga air tidak akan  meluber.
Controller    TZ4M  diletakkan  pada  panel  yang  ada  di  miniplant  sehingga untuk  setting  parameter  harus  dilakukan  di  lokal  panel  selain  itu  juga  tidak terdapat  fasilitas  untuk  merekam  data  sehingga  untuk  memperoleh  data  harus dilakukan  dengan  mencatat  secara  manual.  Keterbatasan  ini  yang  menyebabkan sulit untuk memonitor dan mengontrol miniplant.
Agar  proses  pengendaliannya  dapat  dilakukan  dengan  mudah  dan  berjalan terus  menerus  maka  digunakan Programmable  Logic  Controller (PLC)  sebagai alat  pengendali.  PLC  adalah  suatu  perangkat  elektronik  digital  dengan  memori yang  dapat  diprogram  untuk  menyimpan  instruksi-instruksi  yang  menjalankan fungsi-fungsi  spesifik,  seperti  logika,  sekuen,  timing,  counting,  dan  aritmatika untuk  mengontrol  mesin  dan  proses.  PLC  sangat  diminati  karena  menjamin kualitas produk yang dihasilkan, memperpendek waktu produksi dan mengurangi biaya untuk tenaga manusia. Selain itu PLC juga handal untuk digunakan karena tahan terhadap gangguan seperti temperatur dan getaran. [8].
Saat  ini  juga  dibutuhkan  suatu  system  yang  dapat  digunakan  untuk  kontrol dan  monitoring  dari  jarak  jauh. Supervisory  Control  and  Data  Acquisition (SCADA) merupakan solusi untuk mengatasi hal tersebut.
Beberapa  penelitian  terkait  yang  digunakan  sebagai  referensi  dan perbandingan yaitu :
Simulasi  sistem  kontrol  PLC  yang  diterapkan  pada  boiler  untuk  meningkatkan kualitas  dan  efisiensi  yang  lebih  besar.  Parameter  tekanan  dan  temperatur  dapat ditampilkan  dan  dikendalikan  menggunakan  SCADA.  [5].  Tahapan  peralihan operasi  boiler  dari  manual  menjadi  fully  operated  boiler.  Fokus  pada  parameter level,  tekanan,  suhu  yang  dipantau  terus  menerus  menggunakan  SCADA  yang terhubung ke PLC. [12]. Merancang sistem otomatis pada tanki air menggunakan PLC. Kontrol otomatis tanki air dapat bekerja terus menerus tanpa menggunakan operator saat pengoperasian. [9].
Oleh  karena  itu  pada  penelitian  ini  akan  dirancang  suatu  system  SCADA pada  sebuah  mini  plant  proses  pengendalian  level  menggunakan  PLC  dengan kontrol  PID (Proportional  Integral  Derivative) .  Diharapkan  dengan  penggunaan SCADA  ini  akan  mempermudah  dalam  pengontrolan  dan  monitoring  level  pada mini plant selain itu juga untuk memperoleh data secara real time dari mini plant. Dimana data ini dapat memberikan gambaran tentang kondisi proses yang sedang berlangsung.

## 2. PERANCANGAN SISTEM

## 2.1 Sistem Existing dan Sistem baru
Pada  sistem  pengontrolan  level  existing  sebagai  controllernya  menggunakan temperature  controller  TZ4M.  Secara  fungsi  penggunaan  temperature  controller tidak  menjadi  kendala  karena  sinyal  input  sensor  dan  current  output  yang digunakan  sesuai  yaitu  4-20  mA.  Hanya  saja  pada  layar  controller  satuan/unit proses value dalam  C.
Gambar 1 Skema pengontrolan existing
Kendala  dari  existing  controller  ini  adalah  ketika  akan  memperoleh  data proses  karena  tidak  terdapat  fasilitas  untuk  merekam  data  sehingga  untuk memperoleh  data  harus  dilakukan  dengan  mencatat  nilai  proses  value  selama proses tersebut berlangsung.
Gambar 2 Skema perancangan sistem
Untuk  mengatasi  kendala  pada  existing  controller  maka  dirancang  suatu  sistem pengontrolan  dengan  menggunakan  PLC  sebagai  controller.    Dimana  PLC terhubung  langsung  dengan  pompa,  solenoid  valve  serta  terhubung  dengan motorize valve dan pressure transmitter melalui modul analog.
Penggunaan  HMI  bertujuan  untuk  memudahkan  dalam  monitoring  dan pengoperasian  miniplant.  Untuk  monitoring  proses  dapat  dilihat  langsung  nilai proses  value  baik  dalam  bentuk  tampilan  angka  maupun  dalam  tampilan  grafik. Nilai  proses  value  secara  otomatis  akan  terekam  ke  dalam  komputer.  Untuk pengoperasian  miniplant  seperti  start/stop  pompa,  input  parameter  proses (set  point,  proportional  band,  time  integral  dan  time  derivatif)  dapat  dilakukan melalui  komputer.  Komputer  juga  berfungsi  untuk  membuat  program  atau  edit program  PLC.  Sedangkan  untuk  komunikasi  antara  komputer  dengan  PLC menggunakan kabel RS232.

## 2.2  Perincian Sistem
Dalam  perancangan  sistem  dibagi  menjadi  dua  bagian  yaitu hardware dan software. Software  yang  digunakan  adalah  CX  Programmer untuk  memprogram PLC dan wonderware intouch untuk HMI.
Hubungan  antara  PLC  dengan  dengan  alat-alat  pada  miniplant  secara  garis besar  dapat  dilihat  pada  gambar  3.  Untuk  start/stop  pompa  dapat  langsung dilakukan dari HMI.
Gambar 3 Diagram blok rangkain hardware PLC

## 3. ANALISA DAN PEMBAHASAN

## 3.1  Hasil Perancangan Sistem
Penggunaan  SCADA    dimaksudkan  untuk  memudahkan  dalam  monitoring dan  akuisisi  data.  Jika  pada  sistem  sebelumnya  untuk  memperoleh  data  proses dilakukan dengan mencatat secara manual dari indikator yang terdapat pada lokal panel.  Selain  itu  untuk  mengganti  parameter  proses  terlebih  dahulu  harus  masuk ke dalam menu masing-masing parameter.
Hasil  perancangan  SCADA  pada  miniplant  dengan  menggunakan  PLC  Omron CPM2A sebagai kontroller dapat dilihat pada gambar 4.
Pada  tampilan  HMI  terdapat  alur  proses  yang  dilengkapi  komponen  utama mini  plant  seperti  pompa,  level  control  valve,  solenoid  valve  dan  manual  valve. Selain  itu  terdapat  juga  terdapat  proses  value  dan  parameter  proses  yang digunakan seperti set point, proportional band, time integral, time derivatif. Serta terdapat  tombol  operasi  untuk  start/stop  pompa.  Untuk  monitoring  proses  dapat juga dilihat dalam bentuk grafik yang menampilkan waktu dan level.

## Gambar 4 Hasil Perancangan SCADA
Gambar 5 Tampilan HMI Mini Plant
Dengan pengunaan SCADA maka secara otomatis data proses akan direkam selain  itu  untuk  pengoperasian  dan  monitoring  proses  yang  sedang  berlangsung dapat  dilakukan  di  HMI  (Human  Machine  Interface).  Selain  itu  juga  untuk mengganti parameter proses seperti set point, PB, Ti, Td  lebih mudah dilakukan cukup dengan input nilai paraeter yang akan di ubah pada HMI.

## 4.2  Hasil Pengujian Sistem
Pengujian  sistem  yang  dilakukan  adalah  pengujian  performa  sistem  kontrol yang  bertujuan  untuk  mendapatkan  nilai  parameter  sistem.  Selanjutnya  nilai  ini digunakan dalam pengoperasian miniplant.
Pengujian  ini  menggunakan  Metode  Ziegler-Nichols  dengan  metode  osilasi. Dimana  akan  dicari  terlebih  dahulu  respon  sistem  yang  berosilasi  dengan mengatur  harga  penguatan  proportional  atau  proportional  band  (PB)  serta  waktu integral (T i ) diatur maksimum (8191s) dan waktu derivatif (T d ) sama dengan nol. Nilai set point yang digunakan yaitu 60cm.
Gambar 6 Grafik respon sistem PB=1%
Berdasarkan gambar 4.3 diperoleh nilai berikut:
Ultimate gain (K u ) = 100 𝑃𝐵 = 100
Periode ultimate (P u ) = 1117–847 = 270 s
Nilai-nilai  tersebut  kemudian  digunakan  untuk  acuan  awal  dalam  penalaan parameter PID  dengan cara mensubstitusikan masing-masing nilai  kedalam  tabel 1.

## Tabel 1. Penalaan paramater PID dengan metode osilasi
Tipe Kontroler K p T i T d P 0.5 K u PI 0.45 K u 1/1.2 P u PID 0.6 K u 0.5 P u 0.125 P u
Sehingga  diperoleh  nilai  penalaan  paramater  PID  dengan  metode  osilasi  adalah sebagai berikut:
Tabel 2. Nilai Penalaan Tipe Pengontrolan PB (%) T i (s) T d (s) P 2 - - PI 2.2 22 - PID 1.7 13 3
168 |                     IncomTech, Jurnal Telekomunikasi dan Komputer, vol.6, no.2, September 2015
Setelah memperoleh harga masing-masing parameter (PB, T i , T d ) selanjutnya adalah menggunakan harga tersebut untuk setting di kontroller sesuai dengan tipe pengontrolannya.  Respon  output  untuk  masing-masing  pengontrol  dapat  dilihat pada grafik dibawah ini:

##  Kontrol Proportional
Gambar 7 Grafik respon sistem PB=2%
 Kontrol Proportional + Integral
Gambar 8 Grafik respon sistem PB=2.2% , T i =22s
 Kontrol Proportional + Integral + Derivatif
Gambar 9 Grafik respon sistem PB=1.7% , T i =13s , T d =3s
Pada  gambar  10  menunjukkan  grafik  respon  gabungan  P,  PI,  PID.  Pada  gambar ini terlihat jelas perbedaan respon untuk ke-3 mode kontrol.
Gambar 10 Grafik respon sistem P, PI, PID
 Kontrol  Proportional  (P),  sistem  ini  stabil  dapat  dilihat  dari  error  steady  state sebesar 0.0542%. Sistem ini memiliki respon yang lambat terlihat dari rise time (waktu naik) sebesar 352s. Untuk mempercepat respon sistem dapat dilakukan dengan  memperkecil  nilai  PB.  Namun  nilai  PB  yang  terlalu  kecil  dapat menyebabkan sistem berosilasi dan cenderung menjadi tidak stabil.
 Kontrol  Proportional  +  Integral  (PI),    terlihat  bahwa  sistem  stabil  ditandai dengan error steady state sebesar 0.73%. Respon sistem juga cepat yaitu 237s. Penambahan  mode  integral  ini  berfungsi  untuk  menghilangkan  offset  yang terjadi pada repon sistem.
 Kontrol Proportional + Integral + Derivatif (PID), terlihat bahwa sistem stabil ditandai dengan error steady state sebesar 0.6827%. Respon sistem juga cukup
cepat yaitu 245s. Derivatif berfungsi untuk memperkecil error, bersifat korektif dan  cenderung  meningkatkan  stabilitas  sistem.  Karakteristik  kontrol  PID  ini sangat  dipengaruhi  oleh  kontribusi  besar  dari  ketiga  parameter  P,  I,  D.  Satu atau  dua  dari  ketiga  konstanta  tersebut  dapat  diatur  lebih  menonjol  dibanding yang  lain.  Konstanta  yang  menonjol  inilah  yang  akan  memberikan  kontribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan.
Secara ringkas hasil perhitungan nilai parameter respon sistem dapat dilihat pada tabel 3 berikut ini.
Tabel 3.  Nilai Parameter Respon Sistem Delay Time (s) Rise Time (s) Error Steady State (%) P 96 352 0.0542 PI 59 237 0.7300 PID 67 245 0.6827
Berdasarkan  tabel  3  terlihat  bahwa  pengendali  Proportional  +  Integral memiliki delay time dan rise time yang baik jika dibandingkan dengan pengendali proportional  atau  proportional  +  integral  +  derivatif.  Sehingga  dapat  dikatakan bahwa  pengendalian  optimum  untuk  sistem  pengontrolan  level  pada  mini  plant adalah menggunakan kontrol proportional + integral.

## 4. KESIMPULAN DAN SARAN

## 4.1  Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  analisis  data  dan  pembahasan,  maka  dapat  ditarik  kesimpulan sebagai berikut:
1. Proses perancangan SCADA pada mini plant proses pengendalian level dengan tujuan untuk monitoring dan pengontrolan level telah dilaksanakan.
2. Hasil perancangan secara umum dapat dikatakan bekerja dengan baik, dimana mini  plant  dapat  dimonitoring  dan  dikontrol  sehingga  dapat  diperoleh    data proses secara real time.
3. Berdasarkan  hasil  pengujian  dengan  metode  Ziegler  Nichols  menggunakan metode osilasi maka diperoleh sistem yang berosilasi yaitu pada PB=1%.
4. Berdasarkan hasil pengujian performa sistem kontrol untuk masing-masing tipe pengontrolan diperoleh sistem yang stabil dimana proses value ±1cm terhadap set point.
5. Berdasarkan  hasil  pengujian  performa  sistem  kontrol  pengendalian  optimum terdapat pada kontrol PI (Proportional +Integral).

## 4.2  Saran
Guna perbaikan dan memberikan hasil  yang lebih baik, maka dapat disampaikan saran-saran ataupun rekomendasi sebagai berikut:
1. Untuk memperoleh reaksi  yang lebih cepat  dari  control valve sebaiknya  tidak menggunakan motorize valve melainkan dapat menggunakan pneumatic valve.
2. Saat  inisialisasi  SCADA  sebaiknya  dibuat  daftar  terlebih  dahulu  agar  saat pembuatan  tagging  dapat  dilakukan  secara  berurutan,  sehingga  dapat memudahkan dalam menganalisa dan troubleshooting jika terjadi error.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Ahuja, D., & Chaudhary, N.  (2012). Programmable  Logic  Controller. International Journal of Information and Computer Science , 1, 115-120.
[2]  Bailey, D. (2003). Practical SCADA for Industry. Australia: Newnes.
[3]   Bhuiya,  K.,  Anish,  K.,  Parekh,  D.,  &  Sahiti,  K.  (2013).  Low  Cost  Wireless  Control  and Monitoring  Using  PLC  and  SCADA. International  Journal  of  Scientific  and  Research Publications , Volume 3.
[4]  Bolton, W. (2009). Programmable Logic Controllers. Oxford: Newnes.
[5]   Chopade,  S.,  Verma,  P.  (2013).  Simulation  of  boiler  control  using  PLC  &  SCADA. International Journal of Engineering and Advanced Technology , 3 (3), 276-279
[6]    Dieu,  B.  (2001).  Application  of  SCADA  System  in  Wastewater  Treatment  Plants. ISA Transactions , 40, 267-281 [7]  Dunn, W. C. (2005). Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control . USA: McGraw-Hill
[8]  Ioannides, M. (2004). Design and Implementation of PLC-Based Monitoring Control System for Induction Motor. IEEE Transactions On Energy Conversion , Vol.19, No.3
[9]  Mahfooz, O., Memon, M., & Iftikhar, A. (2012). Project review on water level sensing using PLC. PJETS , 2 (2), 160-170.
[10]  Ogata, K.(2010). Modern Control Engineering . New Jersey: Prentice Hall [11] Ogata, K. (2004). Sytem Dynamics . New Jersey: Prentice Hall
[12]  Patil, HP., Satpute, CK., Vaishampayan., Rahulkar, AD. (2014). Control of boiler operation using PLC-SCADA. International Journal for Technological Research in Engineering, 1 (7), 2347-4718.
[13]  Samin,  R.,  Azmi,  N.,  Ahmad,  M.,  &  Zamawi,  M.  (2012).  Implementation  of  Motor  Speed Control  Using  PID  Control  in  Programmable  Logic  Controller. Proceedings  of  the  Sixth Global Conference on Power Control and Optimization , (pp. 164-168). American Institute of Physics.