Desain dan Penerapan Sistem Kontrol Otomatis Terdistribusi untuk Lini Produksi Minuman Tebu
1 Pendahuluan
Dalam beberapa tahun terakhir, tingkat upah tenaga kerja di Tiongkok meningkat secara signifikan. Dibandingkan dengan satu dekade lalu, biaya tenaga kerja telah berlipat ganda, dan keunggulan tenaga kerja industri manufaktur Tiongkok secara bertahap melemah. Kelompok tenaga kerja sedang mengalami pergantian antargenerasi, dan kesulitan perekrutan telah menjadi kontradiksi antara penawaran dan permintaan tenaga kerja yang semakin menonjol. Kita berada di era baru lompatan perkembangan dari "manufaktur" ke "manufaktur cerdas"; dan jika lini produksi ekstraksi air sel tanaman tebu dioperasikan secara manual, terdapat kekurangan seperti fluktuasi besar pada sumber uap pemanas, keseimbangan uap, air, dan bahan yang buruk, rasio konsentrasi yang hanya bergantung pada penilaian pengalaman, pengendalian parameter yang tidak stabil, atau penghentian produksi, efisiensi produksi yang rendah, serta mudah menyebabkan fluktuasi kualitas air sel tanaman tebu, yang tidak kondusif bagi produksi air sel tanaman tebu secara skala besar dan seimbang, dan juga tidak kondusif untuk menjamin kualitas serta rasa produk air sel tanaman tebu. Oleh karena itu, mewujudkan otomatisasi lini produksi ekstraksi air tebu merupakan syarat yang diperlukan untuk keberhasilan proyek ini.
Makalah ini bertujuan untuk mempelajari penerapan sistem kendali otomatis dalam proses produksi ekstraksi air tanaman tebu, dan mengembangkan sistem kendali otomatis terdistribusi berbasis fieldbus dan Industrial Ethernet untuk mewujudkan parameter sumber uap pemanas yang stabil dan terkendali, serta kendali otomatis seluruh proses transportasi bertekanan konstan dan aliran konstan sari tebu, pengeluaran air, dan pembuangan bawah tangki, serta proporsi kuantitatif air tanaman tebu, sehingga mencapai target industrialisasi 40 ton air per hari.
Workshop produksi minuman air tebu dibagi menjadi enam bagian utama, yaitu ekstraksi bahan baku, pemanasan awal, filtrasi fisik awal, pemanasan sekunder, filtrasi membran, dan pencampuran air tebu. Keenam bagian ini mengajukan tujuan kendali masing-masing, yang dapat dirangkum sebagai: transportasi bahan yang seimbang, keseimbangan dinamis tekanan, suhu, dan aliran, serta proporsi kuantitatif yang akurat. Untuk mencapai tujuan kendali proses, proyek ini perlu menangani isu-isu berikut:
(2) Mengonfigurasi perangkat keras kendali untuk setiap bagian;
(3) Menggunakan jaringan komunikasi terbuka untuk menghubungkan setiap bagian menjadi sistem otomasi terdistribusi.
Proses ekstraksi air tanaman tebu memiliki karakteristik multivariabel, nonlinier, dan berubah terhadap waktu, sehingga penggunaan metode kendali umpan balik tradisional tidak dapat memenuhi tujuan kendali. Oleh karena itu, perlu diteliti kombinasi PID tradisional, kendali berantai, dan kendali fuzzy untuk mencapai kendali yang presisi terhadap proses produksi; perbandingan sari tebu bersifat padat karya, dan rasionya tidak dapat disesuaikan kapan saja sesuai perubahan konsentrasi bahan untuk memastikan ketepatan. Pelajari metode kendali rasio sari tebu, bangun model rasio yang akurat, dan capai rasio kuantitatif yang tepat.
Mode kendali PID berantai digunakan untuk mewujudkan fungsi penyesuaian otomatis pemanasan bertahap dan uap sterilisasi sari tebu.
Tekanan dan suhu sumber uap sterilisasi pemanasan bertahap pada pemanas tabung tidak stabil, dan dipengaruhi oleh laju aliran sari serta suhu awal, sehingga memerlukan penyesuaian yang sering. Penyesuaian manual sulit menghasilkan nilai suhu dan tekanan yang stabil, yang memengaruhi suhu pemanasan dan produksi berikutnya. Jika digunakan kendali loop tunggal, gangguan dari bahan baku dan aliran uap akan menyebabkan efek kendali tidak tepat waktu, penyimpangan besar, kualitas kendali buruk, dan sering kali tidak dapat memenuhi kebutuhan produksi.
Artikel ini menerapkan kendali berantai pada suhu keluaran pemanas dan laju aliran uap. Dalam proses kendali pemanasan, dua pengendali PID disusun secara seri untuk membentuk sistem kendali loop tertutup ganda. Keluaran pengendali suhu digunakan sebagai nilai setel pengendali aliran, dan pengendali aliran mengeluarkan sinyal untuk mengendalikan katup kontrol pada pipa pemanas uap.
Setelah menganalisis bagian tersebut dan mempertimbangkan proses keseluruhan, objek kendali untuk pemanasan awal yang dirancang dalam proyek ini adalah sebagai berikut:
Pengendali suhu: modul PID untuk suhu keluaran pemanas;
Pengendali aliran: modul PID tekanan uap;
Katup kontrol: katup kontrol pneumatik masuk uap 0,2 MPa;
Transmitter deteksi aliran: flow meter cerdas vorteks uap;
Transmitter deteksi suhu: transmitter cerdas untuk suhu keluaran pemanasan awal.
Dengan membangun program PID berantai, diperoleh efek kendali yang baik pada pengendalian suhu bahan di bagian pemanasan awal dan pemanasan sekunder dalam proyek ini.
Untuk bagian pengangkutan sari tebu pra-perlakuan, karena area kerja melibatkan dua workshop pabrik gula (workshop pengepresan dan workshop produksi air tebu), jalur pengangkutan berjarak beberapa ratus meter, dan tidak mudah memperoleh keseimbangan dinamis aliran, level cairan, dan efek filtrasi pra-perlakuan hanya dengan menggunakan kendali PID tradisional.
Artikel ini menerapkan metode kendali yang menggabungkan aturan manual dan penyesuaian PID. Pertama, seperangkat aturan kendali pra-pemrosesan dikembangkan berdasarkan alur operasi peralatan dan pengalaman operasi karyawan, lalu kondisi penilaian ditetapkan. Berdasarkan definisi kondisi penilaian, ditentukan tahap metode kendali yang digunakan. Ketika lini produksi baru mulai beroperasi dan terjadi perubahan kondisi kerja yang signifikan, karena fluktuasi aliran bahan yang besar, level cairan pada tangki-tangki yang dilalui akan mengalami fluktuasi terus-menerus. Untuk menghindari osilasi atau keterlambatan yang disebabkan oleh penerapan langsung kendali PID, sistem akan menggunakan algoritma kendali berbasis pengalaman untuk secara signifikan meningkatkan atau mengurangi frekuensi inverter dan bukaan katup terkait, sehingga cepat mendekati target yang ditetapkan pada level cairan bahan di setiap tahap tangki; ketika level cairan di semua tahap tangki mendekati target dan kondisi kerja relatif stabil, terpenuhi kondisi penilaian tingkat kedua sistem. Modul PID tradisional kemudian digunakan untuk melakukan kendali halus pada level cairan, sehingga memenuhi persyaratan agar level cairan tidak meluap selama proses produksi, tekanan dan aliran tetap berkorelasi secara dinamis dan stabil, yang dapat mempertahankan efek kendali yang baik, mewujudkan transmisi dinamis yang seimbang dari sari tebu, dan mencapai kendali yang akurat terhadap level cairan, aliran, dan efek pra-perlakuan. Tujuan akhirnya adalah mewujudkan produksi yang berkelanjutan dan stabil.
Tujuan perancangan artikel ini adalah agar pengendali dapat berkomunikasi dengan perangkat cerdas di lapangan melalui fieldbus, dan beberapa pengendali dihubungkan melalui Ethernet untuk membentuk jaringan komunikasi digital, dua arah, dan multibranch, sehingga seluruh sistem menjadi terbuka, terintegrasi, dan sangat terdesentralisasi. Sesuai anggaran dan kebutuhan kendali proses, ditentukan penggunaan beberapa pengendali terpisah untuk menangani kendali bagian yang sesuai. Setiap bagian menggunakan instrumen primer di lapangan, dan semua instrumen menggunakan transmitter cerdas untuk akuisisi sinyal. Parameter proses seperti suhu, tekanan, level cairan, aliran, dan sebagainya diubah secara seragam menjadi data yang dapat dibaca di transmitter cerdas. Data tersebut dibaca oleh pengendali masing-masing bagian, lalu ditransmisikan melalui Industrial Ethernet.
Berdasarkan segmentasi proses, titik kendali, dan kebutuhan kendali seluruh lini produksi, dilakukan perencanaan keseluruhan sambil mempertimbangkan konfigurasi yang ditargetkan untuk keterbukaan dan skalabilitas sistem dalam anggaran terbatas. Proyek ini menggunakan satu set PLC seri S7-300 dan empat set PLC seri Smart 200 sebagai inti kendali subsistem untuk kendali tiap bagian. Bagian filtrasi membran memiliki persyaratan tertinggi, menggunakan CPU315 DP-2 dari seri S7-300 sebagai stasiun utama, 24 modul input dan output ET200M melalui 3 modul penghubung IM153-1, dan menggunakan protokol PROFI-BUS DP untuk membentuk sistem perangkat keras bagian membran. S7-300 mampu menangani pengendalian bagian peralatan membran dengan katup yang rapat dan banyak sensor. Bagian ekstraksi bahan baku, pemanasan awal, filtrasi fisik awal, pemanasan sekunder, dan pencampuran air tanaman tebu dibagi menjadi empat sistem, dengan setiap subsistem dilengkapi satu set perangkat keras kendali yang berpusat pada S7-200 Smart.
Berdasarkan karakteristik inti kendali, seluruh sistem menggunakan dua protokol bus: bagian membran menggunakan jaringan bus PROFIBUS DP, dan instrumen primer dihubungkan ke ET200M melalui isolator. ET200M dan IM153-1 menyelesaikan pertukaran data dengan CPU; empat pengendali S7-200 Smart lainnya dihubungkan ke instrumen primer dengan mengonfigurasi transmitter cerdas berprotokol Modbus. Penggunaan transmitter cerdas Modbus dapat mengatasi masalah pengendali Smart 200 yang tidak dapat melakukan input analog berlebih, sekaligus mencapai tujuan konfigurasi pengendali level bawah untuk membaca informasi instrumen melalui jaringan fieldbus.
Seluruh sistem produksi memiliki tiga PC sebagai komputer tingkat atas untuk kendali pusat, yang beroperasi pada posisi kendali pusat tetap; empat layar sentuh berfungsi sebagai antarmuka operasi manusia-mesin di lokasi untuk setiap bagian proses. Sebagai bagian penting dari peralatan membran, sebuah PC kendali pusat terpisah ditetapkan, dan perangkat lunak konfigurasi SI-MATIC Win CC dikonfigurasi untuk berkomunikasi langsung dengan PLC S7 300. Dua komputer tingkat atas kendali pusat lainnya, yang dapat menghubungkan seluruh pabrik untuk pemantauan, menggunakan perangkat lunak konfigurasi force control untuk memecahkan fungsi pemantauan global dari berbagai seri pengendali dengan biaya yang lebih rendah. Layar sentuh langsung menggunakan Win CC flexible standar untuk konfigurasi antarmuka. Setiap perangkat di workshop dikonfigurasi dengan alamat IP berbeda dalam segmen jaringan yang sama bersama unit kendali yang sesuai, dan data akhirnya dibagikan ke antarmuka konfigurasi force control di pusat kendali. Pada sisi force control, diwujudkan pertukaran data, pencatatan dan pelaporan data, alarm, dan fungsi lainnya.
Dalam makalah ini, switch Ethernet industri MOXA dan konverter fotoelektrik dikonfigurasikan untuk menggunakan serat optik pada jarak jauh dan kabel jaringan 8 inti pada jarak pendek di lokasi. Semua komputer host dan inti kontrol diintegrasikan ke dalam LAN yang sama melalui antarmuka Ethernet. Komputer host PC, stasiun teknisi, PLC, dan layar sentuh dapat saling mengakses, dan sistem ini memiliki skalabilitas yang baik. Dengan mengadopsi protokol TCP/IP, seluruh lini produksi dan setiap bagiannya dapat dimasukkan ke dalam sistem kontrol utama tanpa memerlukan peralatan perangkat keras tambahan. Fungsi publikasi WEB dari perangkat lunak kontrol gaya dapat digunakan untuk mewujudkan kendali jarak jauh melalui Internet, sehingga berbagi data antara jaringan manajemen dan jaringan kontrol dapat tercapai. Konsumsi energi, aliran material, dan keluaran produk akhir dari seluruh sistem produksi dapat dikelola dan dikendalikan dengan baik.
Setelah sistem kontrol otomatis bus lapangan untuk proses ekstraksi air tanaman tebu dioperasikan, kapasitas produksi seluruh lini meningkat dan mencapai output harian 40 ton, meningkatkan kualitas produk, meningkatkan efisiensi produksi, dan menurunkan biaya produksi; meningkatkan stabilitas kualitas produk dan menghindari kecelakaan produksi akibat kesalahan operasi manusia; dengan menggunakan sistem kontrol otomatis bus lapangan untuk proses ekstraksi air tanaman tebu, seluruh lini produksi dapat beroperasi normal hanya dengan 8 operator, sehingga mencapai tujuan efisiensi tinggi dan penghematan tenaga kerja.
