Distributed Control System (DCS)

1. Pengertian DCS

Distributed Control System  merupakan suatu sistem yang mendistribusikan berbagai fungsi yang digunakan untuk mengendalikan berbagai variabel proses dan unit operasi proses menjadi suatu pengendalian yang terpusat pada suatu  control room dengan berbagai fungsi pengendalian, monitoring dan optimasi[1].  Distributed control system (DCS) adalah sebuah system kontrol yang biasanya digunakan pada sistem manufacturing atau proses, dimana elemen controller tidak berada pada sentral sistem (sebagai pusat) tetapi tersebar di sistem dengan komponen subsistem di bawah kendali satu atau lebih controller. Keseluruhan sistem dapat menjadi sebuah jaringan untuk komunikasi dan monitoring.

Distributed control system (DCS) digunakan dalam industri untuk memonitor dan mengontrol peralatan yang tersebar dengan atau tanpa campur tangan manusia. Sebuah DCS biasanya menggunakan komputer sebagai controller dan menggunakan propietary interconections dan protokol untuk komunikasi. Modul input dan output membentuk part komponen untuk DCS, Prosesor menerima informasi dari modul input dan mengirim informasi ke modul output. Modul input menerima informasi dari instrumentasi input dalam sistem dan modul output mengirim ke instrumen output pada sistem. Bus komputer atau bus elektrikal menghubungkan prosessor dengan modul melalui multiplexer atau demultiplexer. Mereka juga menghubungkan kontroller yang tersebar dengan sentral kontroller dan akhirnya terhubung ke Human machine Interface (HMI) atau panel kontrol.

DCS adalah sebuah istilah yang sangat luas yang menggambarkan sebuah solusi untuk industri yang sangat variatif, termasuk di dalamnya adalah :

• Electrical power grids dan electrical generation plants
• Environmental control systems
• Traffic signal
• Water management system
• Refining dan chemical plants
• Pharmaceutical manufacturing

Arsitektur memerlukan solusi yang luas melibatkan baik koneksi langsung dengan peralatan (aktuator) seperti saklar, pompa, valve atau koneksi via sistem sekunder seperti sistem SCADA. Sebuah DCS tidak memerlukan campur tangan operator untuk operasionalnya, tetapi dengan digabungnya SCADA dan DCS memungkinkan untuk interaksi dengan operator melalui sistem SCADA. DCS adalah sistem yang terintegrasi ditujukan untuk mengontrol proses manufakturing yang kontinyu atau batch-oriented, seperti oil refining, petrochemical, central station dan pembuatan kertas. DCS dihubungkan dengan sensor dan aktuator dan mengunakan set poin kontrol untuk mengatur aliran material ke pabrik. Contoh yang paling umum adalah set point control loop yang terdiri dari sensor tekanan, kontroler, dan control valve. Pengukuran tekanan atau aliran cairan ditransmisikan kepada kontroler, biasanya melalui bantuan sebuah alat sinyal kondisi Input/Output (I/O). saat variabel yang diukur mencapai titik tertentu, kontroler akan memerintahkan valve atau aktuator untuk membuka atau menutup sampai proses aliaran cairan mencapai titik yang ditentukan. Pengolahan minyak yang besar menggunakan ribuan I/O dan memberlakukan DCS yang sangat besar. Proses tidak dibatasi untuk mengatur aliran cairan melalui pipa saja tetapi juga termasuk mesin kertas, kontrol variasi kecepatan motor, mesin semen, operasi penambangan dan hal-hal lainnya.

2. Komponen DCS

Secara umum komponen DCS dapat dibagi menjadi 3 bagian diantaranya:

2.1  Human Interface Station (HIS)

Operator Station  digunakan untuk melakukan monitoring terpusat  proses dari  control room, menyajikan informasi  plant  terkini kepada operator melalui  graphical user interface (GUI),  sehingga operator dapat melakukan fungsi operasi,  maintenance  dan troubleshooting,  Pengembangan  variable proses, parameter kontrol, alarm, dll.

Gambar 1 Operator Station

2.2  Field control station (FCS)

Station ini Digunakan sebagai control unit untuk mengendalikan variabel  –  variabel yang dikendalikan pada proses.  Control station  dikenal pula dengan istilah  Field Control Station  (FCS). Berikut adalah komponen dari FCS:

•  Central Processor Unit (CPU)

•  Catu daya (Power Supply Unit,PSU)

•  VL net coupler

•  Modul masukan/keluaran (I/O modules,IOM)

FCS adalah  otak dari DCS yang mengeksekusi kontrol dan mengkoputasi kontrol di lapangan.

Gambar 2 Bentuk fisik FCS

Kelebihan FCS

FCS terhubung langsung dalam memproses,sehingga hal tersebut membutuhkan terutama kehandalan yang tinggi dan akurat serta dibutuhkan  kehandalan untuk  menjadi aman. Kelebihan daripada FCS untuk FIO dan FCS untuk RIO. Pada FCS untuk FIO  dan FCS untuk RIO, model dari dual redundant  telah digunakan. Pada dual redundant FCS, modul prosesor terdapat dua buah yang saling berkomunikasi (dual  redundant) dan  Vnet Coupler, Modul power supply, modul bus interface, bus

coupler, dan  node  bus dalam yang  dual redundant. Pada sistem  duplex (dual redundant) modul prosesor (ada yang aktif , ada juga dalam kondisi standby)  yang nantinya dapat di alihkan  dari aktif ke  standby  tanpa banyak  interupsi dalam mengontrol ketika modul yang aktif  suatu saat drop atau terjadi gangguan.

Gambar 3 Duplex dual redundant processor card standard FCS

Baterai 

Untuk Pensuplai cadangan untuk memori database dalam  prosesor selama listrik mati /apabila terjadi ganguan listrik/mati lampu. Maksimum waktu back-up 72 jam

Gambar 4 Baterai

Tabel 1 Baterai life

3. Sistem Komunikasi

Sarana pertukaran data antara operator station, control station  dan proses. Sarana komunikasi ini juga bisa dapat digunakan untuk menghubungkan DCS dengan sistem lain seperti PLC (Programmable Logic Control), SCADA  system (Supervisory Control and Acquisition Data),  Asset Management.

Engineering PC /Engineering Work Station (EWS).

PC ini digunakan untuk melakukan modifikasi dari sistem yang sudah ada, juga untuk melakukan kegiatan maintenance dari sistem DCS Centum VP. Bentuk fisiknya sama seperti HIS, yang membedakan dengan HIS adalah  software didalamnya. EWS dilengkapi dengan  BUILDER sebagai window untuk modifikasi.Selama pekerjaan engineering  tidak dilakukan, EWS dapat berfungsi sebagai HIS dan EWS juga dapat melakukan emulasi/ tes fungsi secara virtual.

Gambar 5 Bentuk EWS

Perlengkapan  SISTEM KONFIGURASI  – BUS

Communication Gateway Unit (CGW)

Alat ini berfungsi untuk menghubungkan Kabel Vnet dengan kabel  Ethernet  untuk keperluan supervisory computer  ataupun untuk dihubungkan ke jaringan intranet. Dengan CGW, kita juga dapat menghubungkan dua sistem CENTUM VP  yang jaraknya berjauhan dengan menggunakan jaringan telepon.

V Net

Vnet adalah kabel komunikasi kontrol yang menghubungkan  antara FCS, HIS, BCV dan CGW. Standar dari Vnet adalah dual redundant. Vnet/IP  sebuah kabel berbasis IP yang real-time untuk proses otomasi dan sudah menggunakan sistem komunikasi 1-Gbps.

 Ethernet

Vnet/IP sama seperti fungsi komunikasi Ethernet dan digunakan sebagai landasan kabel komunikasi di masa mendatang yang fungsinya sama seperti teknologi Vnet.

Fieldbus

Foundation fieldbus adalah sebuah komunikasi berbasis digital yang diterapkan pada  field instruments  dan nantinya field  bus akan menggantikan sistem konvensional antarmuka analog 4-20 mA.

Engginering PC (ENG USER)

Fungsi engginering  PC adalah untuk manajemen dan pemeliharaan sistem.

Operator PC (OFF USER)

Fungsi operator PC adalah sebagai pencatat data variable  pada saat real time ataupun data sebelumnya dan juga  sebagai fungsi operasional harian sekaligus kontrol seperti: process alarm ,indikator level, dll[1]

2.3 Tipe Arsitektur DCS

DCS memiliki arsitektur yang lengkap dan dibuat untuk sesuai dengan field dan kebutuhan yang dikontrol. Sistem utama DCS meliputi:

1.      Controller

2.       I/O

3.      Terminal Unit

4.      HMI / Supervisory Station

5.      Engineering Station

6.      Historian

7.      Sistem aset management & sistem report

Gambar 6 Arsitektur Umum DCS

Sistem utama tersebut dirangkai dalam suatu topografi yang bersusun membentuk sistem pengontrolan, menghasilkan report, dan penyimpanan data. Berikut ini topografi sistem DCS

Gambar 7 Topografi Sistem DCS

Dari gambar topografi tersebut, sampai saat ini DCS adalah sistem kontrol yang memiliki fungsi terlengkap dan cocok untuk aplikasi yang mengedepankan sistem integrasi. Adapun di bawah ini terdapat gambar arsitektur dari beberapa tipe DCS.

Foxboro I/A Series

Gambar 8 Arsitektur DCS Foxboro I/A Series

Siemens PCS7

Gambar 9 Arsitektur DCS PCS 7

Honeywell Experion PKS

Gambar 10 Arsitektur Honeywell Experion PKS

Honeywell TDC3000

Gambar 11 Arsitektur Honeywell TDC3000

Honeywell Total Plant Solutions (TPS)

Gambar 12 Arsitektur Honeywell Total Plant Solutions (TPS)

Yokogawa Centum CS3000

Gambar 13 Arsitektur Yokogawa Centum CS3000

4 Sistem Pengendalian Menggunakan DCS Centum CS 3000

Teknologi DCS menggunakan beberapa kontroler yang terpisah. Masing-masing kontroler bekerja untuk menangani beberapa  loop pengendalian. Sistem ini dinamakan Distributed control system (DCS), karena mekanisme pengendalian dilakukan beberapa kontroler (distributed). Gambar 13 menunjukkan sistem pengendalian DCS.

Gambar 14 Sistem pengendalian DCS

Dari gambar tersebut, Field instrument akan mengirimkan sinyal ke unit kontroler. Kontroler selanjutnya mengolah sinyal tersebut sesuai  setting yang ada. Output sinyal dikirim ke  field instrumentt di  plant. Selama proses kalkulasi dan pengendalian, kontroler yang ada akan selalu mengirim sinyal ke sistem komputer pada kontrol  room. Dengan demikian proses pengendalian dapat diawasi secara terus menerus. 

Perancangan Sistem Kontrol Proses

Perancangan sistem kontrol proses yaitu kontroler pada DCS  Centum CS 3000 mengirimkan sinyal kontrol menuju  plant dan umpan balik dari keluaran  plant akan dikirimkan kembali ke DCS Centum CS 3000. Pada proses pengiriman sinyal kontrol, Kontroler terhubung ke  plant melalui   melalui jaringan. DCS Centum CS 3000 digunakan sebagai kontroler dan pusat dari perhitungan untuk mengirimkan sinyal kontrol, sehingga mempertahankan keluaran  plant  sesuai dengan  set point. Sinyal kontrol dari kontroler akan dikirimkan melalui sistem tambahan

(Embeded system), yaitu penggunaan Labview sebagai pertukaran data. Hal ini disebabkan, tidak tersedianya modul komunikais  modbus ethernet  pada DCS  Centum CS 3000. Gambar 15 menunjukkan diagram blok sistem kontrol proses ini.

Gambar 15 Diagram blok sistem kontrol proses

5. Tipe Kontroller pada DCS Yokogawa CS3000

Pada DCS yokogawa CS3000 ini pemrograman algoritma kontrol menggunakan function blok, dimana setiap blok memiliki fungsinya masing-masing, seperti :

1      Link blok PIO, digunakan sebagai masukan dan keluaran module dari centum CS3000

2      PID, digunakan sebagai blok untuk algoritma kontrol PID

3      ST16, digunakan untuk pemrograman sekuensial

4      CALCU dan CALCU-L

5      LC64, digunakan untuk pemrograman logika

Dan masih banyak lagi yang function blok-blok lain yang terdapat dalam program centum 3000 yang digunakan untuk membuat algoritma kontrol serta monitoring suatu plant. Pada DCS yokogawa memiliki beberapa algoritma pengendalian PID, yaitu :

1          Tipe kontrol dasar PID (PID)

Melakukan aksi kontrol proporsional, integral dan derivatif mengikuti perubahan nilai set point. Bertujuan untuk menghasilkan respon yang cepat terhadap perubahan nilai set point.

2          Tipe kontrol PID proporsional PV dan derivativ (I-PD)

Hanya melakukan aksi integral saat nilai set point berubah. Menjamin kestabilan sistem meskipun nilai set point berubah secara mendadak.

3          Tipe kontrol PID derivativ PV (PI-D)

Hanya melakukan aksi proporsional dan integral saat nilai set point berubah. Digunakan jika memerlukan respon yang lebih baik terhadap perubahan nilai, seperti blok kontrol hilir (downstream) pada loop kontrol cascade.

4          Tipe penentuan otomatis

Pada mode cascade atau remote cascade, menggunakan tipe kontrol PID derivatif PV (PI-D) agar dapat lebih baik dalam mengikuti perubahan nilai set point. Pada mode automatis, menggunakan tipe kontrol PID proporsional PV dan derivatif (I-PD) untuk menjaga kestabilan sistem.

5          Tipe penentuan otomatis 2

       Pada mode cascade menggunakan tipe kontrol PID derivatif PV (PI-D). Pada mode automatis atau remote cascade menggunakan tipe kontrol PID proporsional PV dan derivatif (I-PD) untuk menjaga kestabilan sistem.