## Studi Otomasi Dasar pada Sistem Miniplant Boiler dan Heat Exchanger serta Pengamatan Sistem Melalui HMI dan Database
Ulumudin Imam Mujahid, Parsaulian I. Siregar, Edi Leksono Program Studi Teknik Fisika, Institut Teknologi Bandung

## Abstrak
Pada  miniplant  Boiler  dan  Heat  Exchanger,  dibutuhkan  sistem  untuk  mengamati  sistem  secara keseluruhan.  Dibutuhkan  sistem  tambahan  berupa  perangkat  antar-muka  dan  sistem  basis  data sehingga  pengamatan  dan  validasi  model  dapat  dilakukan  dengan  lebih  baik.  Layer  0  merupakan sensor  network.  Pada  fasa  ini,  dibuat  dokumen  tentang  instrumen  yang  digunakan  sebagai  Basic Process Control System (BPCS) dan Safety Control System (SCS). Hasil dari pengecekan  didapatkan instrumen pengukuran temperatur memiliki kesalahan rentang sebesar 15%-50%. Layer 1 merupakan controller network. Pada sistem ini, digunakan SLC (Single Loop Controller) YS1700. Terdapat 2 SLC yang digunakan, yaitu SLC01 sebagai pengontrol level pada tangki 11, dan SLC02 sebagai pengontrol temperatur  pada  keluaran  penukar  kalor.  Layer  2  merupakan  unit  control  network.  Pada  layer  ini terdiri dari komponen OPC (OLE for Proces Control), antar-muka dan basis data.
Kata Kunci: Instrumen lapangan, Otomasi Dasar, Database, Antar-muka, Komunikasi Data

## 1 Pendahuluan
Sistem  miniplant  boiler  dan  penukar  kalor  yang  ada  di  lab  kami  merupakan  sistem  yang terdiri dari pengontrol dan plant yang dikontrol. Sampai saat ini, pemantauan data proses hanya  dapat  dilakukan  melalui  panel  yang  ada  pada  pengontrol.  Selain  itu,  data  proses hanya  dapat  disimpan  pada  media  kertas  oleh  pencetak  yang  telah  terintegrasi  dalam sistem.
Database yang digunakan adalah MySQL. Database ini tidak digunakan sebagai database pada industri, sehingga penulis memilih Wonderware Historian sebagai database. Sebagai fungsi  pengamatan,  penulis  memilih  Wonderware  Intouch  agar  komunikasi  antara  HMI (fungsi  pengamatan)  dengan  database  menjadi  lebih  mudah.  Tujuan  dari  penelitian  ini adalah
1. Membuat  HMI  (Human  Machine  Interface)  yang  dapat  memonitor  data  proses  sistem melalui jaringan lokal.
2. Menyimpan data proses menggunakan InSQL
3. Membuat dokumen engineering tentang penukar kalor miniplant.

## 2 Teori Dasar

## 2.1 Sistem Terintegrasi
Sistem terintegrasi merupakan hasil integrasi dari beberapa komponen yang berbeda untuk menjalankan  suatu  fungsi  tertentu  [2].  Dalam  sistem  terintegrasi,  suatu  komponen  dapat berinteraksi  dengan  komponen  lain  yang  berbeda  sedemikian  rupa  sehingga  nilai keseluruhan  dari  komponen-komponen  tersebut  meningkat.  Masing-masing  komponen dalam sistem terintegrasi terikat dengan  fungsi tertentu  sehingga  mengurangi fleksibilitas fungsi dari komponen tersebut. Sistem terintegrasi digunakan dalam pengoperasian suatu
industri  dimana  dalam  sistem  tersebut  terdapat  komponen  untuk  mengawasi  dan mengontrol  proses,  mengamati  rekam  jejak  proses,  komponen  pengaman,  dan  masih banyak lagi.

## 2.2 Hirarki Otomasi
Hirarki otomasi adalah istilah yang digunakan untuk mendefinisikan setiap komponen yang terhubung  dalam  suatu  sistem  dan  dilakukan  pengelompokan  berdasarkan  fungsi komponen terhadap system [4]. Arsitektur sistem dalam industri, dibagi menjadi 3 bagian besar, yaitu:
1. Level 0
:  Jaringan  instrumen  lapangan,  terdiri  dari  peralatan-peralatan  yang berhubungan  langsung  dengan  kondisi  di  plant,  seperti  Differential  Pressure Transmitter, control valve, level switch, kompresor, dan pompa, 2. Level 1 : Jaringan pengontrol, terdiri dari komponen-komponen pengontrol seperti PLC. 3. Level 2
:  Jaringan  unit  kontrol,  terdiri  dari  komponen  yang  berfungsi  mengawasi status proses yang mencakup beberapa sub unit kontrol seperti DCS dan SCADA.

## 2.3 Single Loop Pengontrol (SLC) YS1700
SLC  YS1700  merupakan  pengontrol  yang  dikembangkan  oleh  Yokogawa.  Pengontrol  jenis ini biasanya digunakan untuk model plant yang relatif lebih sederhana, karena pengontrol ini  hanya  mampu  melakukan  proses  1  loop  saja.  Untuk  melakukan  fungsi  pengontrolan dengan beberapa loop, dibutuhkan beberapa modul SLC ini.
Kelebihan dari SLC adalah dapat merubah parameter pengontrolan pada layar panel, serta dinamik  variabel  dapat  ditampilkan  dalam  bentuk  grafik.  Kekurangan  dari  SLC  ini  adalah pemrograman  hanya  dapat  dilakukan  menggunakan  komunikasi  data  dengan  kabel  yang ekslusif, sehingga pemrograman tidak dapat dilakukan dengan komunikasi sekarang.
SLC ini menggunakan struktur program blok diagram. Blok diagram merupakan diagram alir yang  berisi  fungsi-fungsi.  Susunan  dari  blok-blok  tersubut  yang  akan  membentuk  sistem kontrol tertentu.

## 2.4 OPC
OPC-Object  Linking  and  Embedding  (OLE)  for  Process  Control  adalah  salah  satu  standar komunikasi  yang  menghubungkan  antar  perangkat  satu  dengan  perangkat  lainnya. Perangkat bisa berupa perangkat lunak maupun perangkat keras [1].
OPC  menggunakan  metode  yang  memungkinkan  untuk  akses  data  dari  berbagai  sumber data  yang  berbeda.  Pengguna  OPC  dapat  memilih  perangkat  lunak  dan  perangkat  keras sesuai  kebutuhannya.    Setiap  perangkat    bisa  digunakan  tanpa  mengkhawatirkan kebutuhan akan driver yang disediakan oleh vendor untuk perangkat tertentu.

## Gambar 2. 1 Skema komunikasi OPC dengan komponen lain

## 2.5 HMI
Sesuai  dengan  namanya,  HMI  merupakan  sarana  komunikasi  antara  manusia  dengan mesin.  HMI  dipakai  untuk  meningkatkan  efektifitas  kerja  baik  untuk  pemantauan  atau pengendalian  terhadap  mesin  dengan  memanfaatkan  sarana  komunikasi  yang  tersedia. Mesin yang dimaksud bisa berupa perangkat lunak, sistem sederhana, sampai mesin yang berat.
Konsep    dari  HMI  antara  lain:  mengumpulkan  informasi  dari    proses,  menampilkan informasi,  serta  sebagai  sarana  bagi  operator  untuk  mengakses  sistem  otomasi  di lapangan.  Mengumpulkan  informasi  dari  proses  dengan  cara  berkomunikasi  dengan  I/O modul  dan  komponen  lain.  Menampilkan  informasi  melalui  GUI  (Graphical  User  Interface) sehingga informasi sampai ke operator. HMI berfungsi sebagai sarana operator mengakses sistem  otomasi  dari  lapangan  dengan  cara  menerjemahkan  instruksi  dari  operator  ke mesin. HMI juga bisa berfungsi sebagai stasiun pengoperasian (Operator Work Station) dan bagian dari stasiun perekayasaan (Engineering Work Station).  HMI menyediakan berbagai fungsi  untuk  keperluan  kemudahan  dalam  mengoperasikan  tampilan.  Fungsi  tersebut adalah animasi, grafik atau tampilan skematik [2].

## 2.6 Skala pada Proses
Skala  pada  proses  merupakan  metoda  yang  berfungsi  untuk  mencari  faktor  pengali  dari suatu sistem dengan sistem lain yang identik, namun mempunyai rentang input-output yang berbeda.  Faktor  pengali  ini  juga  dapat  diaplikasikan  pada  sensor  yang  digunakan  untuk mengukur  besaran  yang  mempunyai  rentang  lebih  kecil  daripada  rentang  pengukuran normal,  namun  diinginkan  output  yang  sama.  sebagai  contoh  adalah,  sebuah  Pressure Gauge  (PG)  dengan  rentang  pengukuran  0-10m  dengan  output  4-20mA  digunakan  untuk mengukur  kolam  dengan  kedalaman  maksimal  5m,  namun  dengan  rentang  sinyal  luaran PG sama (4-20mA)[4].

## 2.7 Komunikasi Data
Komunikasi  data  adalah  hubungan  antara  2  perangkat  dimana  terdapat  informasi  yang dikirimkan  dan  diterima.  Secara  umum,  terdapat  5  komponen  yang  digunakan  dalam komunikasi data.
1. Sumber: merupakan perangkat yang menghasilkan data.
2. Transmiter:  merupakan  perangkat  yang  berfungsi  mengirimkan  data.  Data  biasanya dirubah (encode) sehingga dapat di transmisikan melalui media tertentu.
3. Sistem Transmisi: yaitu sistem yang mendukung transmisi data.
4. Penerima:  merupakan  perangkat  yang  berfungsi  sebagai  penerima  data  dari  sistem. Data dirubah (decode) sehingga data dapat diartikan oleh perangkat tujuan.
5. Tujuan: merupakan perangkat yang menerima data dari penerima.
Secara umum, hubungan antar komponen dapat digambarkan melalui diagram alir berikut.
Source Transmitter Transmission System Receiver Destination Source System Destination System
Gambar 2. 2 Skema komunikasi antar perangkat [5]

## 2.7.1 OSI Layer
Open  System  Interconnection  (OSI)  Layer  merupakan  standard  arsitektur  jaringan komunikasi  yang  di  bentuk  oleh  International  Standardization  Organization  (ISO)  [6].  OSI layer  terdiri  dari  7  layer,  dimana  setiap  layer  hanya  akan  berkomunikasi  dengan  layer  itu sendiri.
1. Application  Layer:  berfungsi  sebagai  antarmuka  dan  pengatur  aplikasi  agar  dapat mengakses jaringan
2. Presentation  Layer:  berfungsi  merubah  format  data  dari  aplikasi  sehingga  dapat ditransmisikan melalui jaringan
3. Session Layer: berfungsi sebagai pendefinisian bagaimana koneksi dimulai, dijaga dan dihentikan.
4. Transport Layer: berfungsi sebagai pemecah data menjadi paket – paket data kecil dan memberikan  urutan  sehingga  paket  data  dapat  disusun  menjadi  data  utuh  pada perangkat tujuan. Transport layer juga berfungsi untuk memastikan apakah paket data tersebut terkirim semua, dan akan mengirim ulang paket data yang hilang atau terjadi error.
5. Network  Layer:  berfungsi  sebagai  pendefinisi  alamat  IP,  menambahkan  header  pada paket data serta melakukan routing  menggunakan internetworking melalui router.
6. Data  Link  Layer:  berfungsi  sebagai  pengelompokan  bit  data  menjadi  sebuah  frame, pengalamatan  perangkat,  melakukan  kontrol  laju  data  serta  melakukan  pengecekan kesalahan data.
7. Physical  Layer:  berfungsi  sebagai  pendefinisian  media  komunikasi,  sinyal  yang digunakan, dan sinkronisasi bit.

## 2.7.2 Modbus
Modbus  merupakan  protokol  komunikasi  standar  yang  digunakan  dalam  berbagai komponen  kontrol  dalam  industri.  Modbus  diperkenalkan  pertama  kali  pada  tahun  1979 oleh  Modicon.  Protokol  komunikasi  ini  dibuat  agar  setiap  peralatan  industri  dapat berkomunikasi, sehingga transfer data menjadi lebih mudah [5].
Modbus  tersusun  dari  beberapa  strukur  yang  mempunyai  fungsi  masing-masing.  Secara garis  besar,  terdapat  4  struktur  pada  setiap  pengiriman  paket  data.  Pertama  adalah “Alamat  Perangkat”  yang  berfungsi  untuk  mengalamatkan  tujuan  data.  Kedua  adalah “Kode Fungsi” yang berfungsi sebagai definisi fungsi yang harus dilakukan oleh penerima data  (slave).  Ketiga  adalah  “Data”  sepanjang  8bit,  yang  berfungsi  sebagai  nilai  dari  data. Keempat  adalah  “Pengecekan  Kesalahan”  yang  berfungsi  sebagai  pengecekan  terhadap kesalahan pengiriman data.

## 2.8 Database Wonderware Historian
Komponen database dalam suatu  sistem  bertujuan  untuk menyimpan  informasi-informasi selama  proses  berlangsung.  Informasi  ini  dapat  berupa  nilai  data  maupun  rangkaian kejadian.  Informasi  yang  telah  tersimpan  dapat  digunakan  untuk  berbagai  tujuan,  seperti analisa proses, validasi model dan lain-lain.
Komponen database biasanya ditempatkan pada server berbeda, sehingga apabila terjadi masalah  pada  komputer  server,  database  server  tetap  dapat  berjalan.  Sever  ini  juga berfungsi sebagai pengganti.
3 Integrasi Sistem

## 3.1 Integrasi Sistem
Sensor Network (Level 0) Control Network (Level 1) Unit Control Network (Level 2) SLC01 SLC02 P LT11 FT12 FT11 TE11 PT11 LCV11 TE14 TE13 TE12 FT11 FIT13 TCV11 LS12 LS13 TSV11 (no) TSV12 (nc) BPCS SCS LSV11 (nc) PC1 X2 X1 X3 X4 X5 Y1 DI2 DI3 DO1 DO2 D03 D06 X2 X1 X3 X4 X5 Y1 DI1 DI2 DI3 DI4 D01D02 PC2 RS-485 Heater T11 PC3 PC1 Software : OPC Kepserver v5 Operating System: Windows XP SP3
PC3 Software : Wonderware
Historian dan Microsoft SQL Server 2008 SP1
Operating System : Windows
Server DataCenter 2008 PC2 Software : Wonderware InTouch Operating System : Windows XP SP3 Ethernet
Gambar 3. 1 Arsitektur sistem
Berdasarkan Gambar 3.1 diatas, secara umum sistem dibagi menjadi 3 bagian, yaitu
1. Level  0,  atau  jaringan  instrumen  lapangan  ,  yaitu  bagian  yang  menggambarkan instrumen yang digunakan pada sistem. Instrumen-instrumen ini merupakan instrumen yang langsung berhubungan dengan proses, seperti DP Transmitter, RTD, Level Switch dan Control Valve.
2. Level  1,  atau  jaringan  pengontrol,  yaitu  bagian  yang  berisi  unit  pengontrol  yang digunakan  pada  system.  Pengontrol  ini  hanya  melaksanakan  pengontrolan  dalam lingkup  yang  sempit.  Pada  system  yang  ditinjau,  unit  pengontrol  adalah  Single  Loop Pengontrol, YS1700.
3. Level  2,  atau  jaringan  unit  kontrol,  yaitu  bagian  yang  berisi  elemen-elemen  yang berfungsi sebagai pengamatan pada sistem. Pada sistem ini, digunakan 3 PC dengan fungsi  tiap  PC  sebagai  OPC,  HMI  dan  Database.  OPC  sebagai  perangkat  komunikasi, Wonderware  Intouch  sebagai  antar-muka  (HMI)  dan  Wonderware  Historian  sebagai database yang berfungsi sebagai pusat penyimpanan data proses.

## 4 Hasil dan Analisis

## 4.1 Pembuatan HMI dan Database
Pada pembuatan HMI kali ini, dibagi menjadi 5 jendela. Kelima jendela ini memiliki fungsi yang  berbeda.  Pembedaan  fungsi  yang  dimaksud  adalah  kekhususan  dalam  pengamatan yang dapat dilakukan.

## 4.1.1 Jendela LIC
Jendela  LIC  merupakan  jendela  yang  menampilkan  nilai  dari  variabel-variabel  yang  ada pada SLC01. Selain itu, jendela ini juga menampilkan variabel proses SLC01 dalam bentuk grafik. Tampilan jendela LIC dapat dilihat pada Gambar 4. 1.

## Gambar 4. 1 Jendela LIC

## 4.1.2 Jendela TIC
Jendela  TIC  merupakan  jendela  yang  menampilkan  nilai  dari  variabel-variabel  yang  ada pada SLC02. Selain itu, jendela ini juga menampilkan variabel proses SLC02 dalam bentuk grafik. Tampilan jendela TIC tampak pada Gambar 4. 2.

## Gambar 4. 1 Jendela TIC

## 4.1.3 Jendela P&ID
Jendela  P&ID  merupakan  jendela  HMI  yang  menampilkan  proses  sistem  secara keseluruhan.  Jendela  ini  memuat  informasi  tentang  setiap  besaran  yang  terukur  oleh instrument,  serta  alarm  yang  terjadi  pada  saat  proses  berjalan.  Tampilan  dari  jendela tersebut dapat dilihat pada Gambar 4. 3.
Gambar 4. 3 Jendela P&ID

## 4.1.4 Jendela Simulasi
jendela  HMI  yang  memuat  informasi  perbandingan  antara  data  yang  dihasilkan  miniplant dengan  data  hasil  simulasi.  Jendela  simulasi  ini  terbagi  menjadi  2  bagian,  yaitu  simulasi pengontrolan  level  pada  tanki  boiler  (Gambar  4.4)  dan  simulasi  pengontrolan  temperatur produk keluaran penukar kalor (Gambar 4.5).
Gambar 4. 2 Simulasi LIC
Gambar 4. 3 SImulasi TIC

## 4.2 Pengecekan Sinyal
Tabel 4. 1 Pengecekan sinyal pada SLC-01 No Tag Name Nilai Besaran Input Terukur Input perhitungan Rumus Ekstrapolasi Range Ekstrapolasi SLC-01 1 LT11 400 2.59V 2,6V y=0,0035x+1,19 1,19-4,69 V 600 3.39V 3,4V 2 FT12 4 3.66V 3,66V y=0,69x+0,9 0,9-5,04 V 5.06 4.35V 4,37V 3 FT11 0 0.99V 1V y=0,683x+0,99 0,99-5,08 V 3 3.04V 3V 4 TE11 45.8 2.84V 2,83V y=0,033x+1,322 1,32-4,62 V 48.8 2.94V 2,95V 5 PT11 0 1.03V 1V y=1,96x+1,03 1,03-4,95 V 1.4 3.78V 3,8V 6 LCV 0 0.998V 100 5.36V 0 3mA 4mA y=0,25x+3 3-19 mA 50 11mA 12mA 100 19mA 20mA
Tabel 4. 1 Pengecekan sinyal pada SLC-02 No Tag Name Nilai Besaran Input Terukur Input perhitungan Rumus Ekstrapolasi Range Ekstrapolasi SLC-02 1 TE14 44.1 2,72V 2,76V y=0,034x+1,22 1,22-4,62 V 37.1 2,48V 2,48V 2 TE12 44.6 280V 2,78V y=0,0324x+1,35 1,35-4,59 V 48.3 2,92V 2,93V 3 TE13 36.2 2,43V 2,44V y=0,06x+0,258 0,25-6,25 V 36.7 2,46V 2,46V 4 FT11 0 0,99V 1V y=0,683x+0,99 0,99-5,08 V 3 3,04V 3V 5 FIT13 0 0,99V 1V y=0,663x+0,99 0,99-4,96 V 3.38 3,23V 3,25V 12 TCV 0 1,08V 100 5,43V 0 3mA 4mA y=0,25x+3 3-19 mA 50 11mA 12mA 100 19mA 20mA
Pada  beberapa  percobaan  pengambilan  data,  terdapat  error  yang  sangat  besar  pada pengambilan data input temperatur. Hal ini dimungkinkan akibat dari rentang data yang di ambil terlalu sempit. Hasil ekstrapolasi sangat bergantung pada rentang pengambilan data. Data  yang  diambil  pada  percobaan  hanya  2,  menyebabkan  linearitas  hanya  dinilai  dari gradien  garis  yang  menghubungkan  antara  2  data  tersebut.  Selain  itu,  instrumen pengukuran  suhu  merupakan  instrumen  yang  tidak  linear,  sehingga  pendekatan ekstrapolasi linear justru akan menghasilkan kesalahan pengukuran.

## 5 Saran dan Kesimpulan

## 5.1 Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, didapatkan kesimpulan sebagai berikut,
1. HMI  dapat  memantau  proses  pada  sistem.  Proses  yang  dapat  teramati  adalah perubahan  –  perubahan  nilai  pada  variabel  proses  melalui  grafik,  alarm  melalui tampilan  pada  jendela  P&ID  serta  beberapa  instrumen  yang  tidak  aktif.  HMI  dapat mengakses  data  melalui  network  dengan  menggunakan  protokol  SuitLink.  HMI  juga dapat diakses melalui web browser dengan menggunakan protokol TCP/IP.
2. Database  dapat  menyimpan  variabel  –  variabel  proses  pada  sistem.  Database  juga dapat menampilkan data yang tersimpan dalam bentuk grafik melalui fasilitas trend.
3. Dokumen  engineering  yang  telah  dibuat  adalah  I/O  list,  konfigurasi  OPC,  konfigurasi HMI,  konfigurasi  windows  server  2008,    konfigurasi  database,  metoda  pengecekan sinyal  pada  instrumen  lapangan  serta  diagram  pengabelan  dan  loop  pada  instrumen lapangan.

## 5.2 Saran
1. Penggunaan  PLC  AB  sebagai  pengontrol,  sehingga  desain  kontrol  seluruhnya  dapat diimplementasikan.  PLC  AB  juga  memungkinkan  dibangunnya  Engineering  Work Station, sehingga HMI juga dapat merubah parameter – parameter yang diinginkan.
2. HMI  web  browser  menggunakan  server  dengan  domain  berbayar,  sehingga dimungkinkan untuk melakukan training diluar wilayah kampus.
3. Penggantian  dan  kalibrasi  ulang  setiap  instrumen,  terutama  instrumen  dalam pengukuran temperatur.
6 Daftar Pustaka
[1] Condor,  R.  (2008).  OPC  &  DCOM  Troubleshooting:  Quick  Start  Guide.  Alberta:  OPC Training Institute.
[2] Galih,  G.  L.  (2013).  PERANCANGAN  DAN  PEMBUATAN  SISTEM  SIMULATOR TERINTEGRASI MATLAB-PLC-HMI-DATABASE UNTUK MINIPLANT SISTEM TANGKI GANDA DENGAN FASILITAS STATE OBSERVER. Bandung.
[3] Invensys  Systems,  Inc.  (2009).  Wonderware  Historian  Concepts  Guide.  Lake  Forest: Invensys Systems, Inc.
[4] Love, J. (2007). Process Automation Handbook. London: Springer.
[5] Park,  J.,  Mackay,  S.,  &  Wright,  E.  (2003).  Practical  Data  Communications  for Instrumentation and Control. Perth: Newnes.
[6] Stallings,  W.  (1997).  Data  and  Computer  Communication  Fifth  Edition.  New  Jersey: Prentice Hall.