PEMANFAATAN SISTEM KONTROL OTOMATIS MULAI DARI DAPUR HINGGA
KE PESAWAT TERBANG
Oleh:
Muhd.Sobron dan Syafiie Syam
Dewasa ini dalam keseharian kita, perkataan otomatis sudah tidak asing lagi dari pendengaran kita. Bahkan kata tersebut sering kita ucapkan, juga benda benda otomatis sering kita gunakan. Misalnya, mobil otomatis, anjungan tunai mandiri (automated teller machine - ATM), penanak nasi otomatis, pintu otomatis, mesin cuci otomatis, dan lain lain. Kadang kala, juga kata otomatis kita gunakan dalam percakapan sehari hari, misalnya dalam suatu pertandingan sepak bola, peringkat 1 - 2 lolos otomatis ke babak selanjutnya. Bahkan ada sebuah film nasional memiliki judul “otomatis romantis” Adakah kita bertanya, sebenarnya apa yang dimaksud dengan otomatis ini? Bagaimana otomatis ini dipelajari? Dan dimana saja otomatis ini digunakan?
Untuk menjawab pertanyaan diatas, mari kita perhatikan contoh berikut, ambilah sebatang tongkat kemudian letakkan tegak diatas telapak tangan anda, usahakan tongkat tersebut tetap berdiri tegak dengan cara memberikan keseimbangan atau menjaga kestabilan batang tongkat tadi supaya tidak rebah atau jatuh. Usaha memberikan keseimbangan kepada tongkat tadi dalam hal ini dengan memindahkan telapak tangan keposisi rebahnya tongkat tersebut untuk melawan gaya jatuh dari tongkat tersebut. Usaha perpindahan telapak tangan ini yang dinamakan dengan pengendalian (sistem kendali) atau dalam bahasa Inggris disebut control.
Produk dari sistem kedali ini dengan nama yang sudah sangat populer di masyarakat kita seperti disebutkan diatas yaitu “otomatis”. Secara awam dapat kita mengerti akan maksud dan makna dari otomatis adalah sesuatu yang bekerja sendiri sesuai dengan keinginan dari pengguna. Produk otomatis ini sudah banyak kita jumpai di pasar baik yang sederhana maupun yang sudah rumit dan bahkan sangat rumit. Contoh sederhana misalnya penanak nasi atau dalam bahasa Inggris rice cooker. Penanak nasi ini mampu menukar sistem kerja dari kerja manusia menjadi kerja mesin.
Kesederhaan, kemudahan, dan manfaat yang nyata dari penggunaan penanak nasi ini, membuat produk ini disenangi oleh ibu-ibu. Karena penanak nasi ini mengetahui saat nasi tunak dan siap dihidangkan sehingga ibu-ibu tidak perlu menjaga dapur untuk memasak nasi. Produk ini terakhir sudah dipasarkan dengan berbasis fuzzy teknologi yang bisa digunakan untuk memasak nasi keras, lembek, dan bubur bahkan bisa memasak berbagai bahan makanan seprti beras, kedelai, kacang hijau, dan sebagainya. Manfaat dari produk bagi ibu- ibu adalah waktu yang diperlukan untuk menanak nasi bisa dimanfaatkan untuk perkerjaan lain.
Mungkin kita bertanya kenapa penanak nasi ini tahu nasi tunak, dan dengan sendirinya alat tersebut akan berhenti bekerja (off). Sebagaimana kita ketahui air mendidih pada suhu 100oC. Segera setelah air menguap (dalam hal ini diserap oleh beras), temperatur di dalam penanak nasi akan naik. Karena alat ini dilengkapi dengan pembatas termal atau disebut juga thermostat yang dapat mengetahui kapan temperatur melebihi dari 100oC, dengan sendirinya alat ini akan berhenti bekerja (off). Dengan kata lain penanak nasi otomatis akan mati.
Ada kalanya keinginan pengguna dari suatu alat bekerja pada kondisi tertentu, misalnya saat kita menyetrika pakaian kita ingin suhu dari setrika tetap pada kondisi tertentu sesuai dengan sifat pakaian yang kita setrika. Sehingga kita berfikir bagaimana membuat suatu alat yang mampu menjaga agar suhu selalu pada kondisi yang kita inginkan. Masalah ini coba dipecahkan oleh insinyur otomatis. Idea sederhana coba diterapkan dalam memecahkan masalah ini, para peneliti mencoba memanfaatkan sifat muai dari logam. Dua jenis logam yang berbeda angka muainya diletakan sedemikian rupa, sehingga kedua logam tersebut dijadikan berfungsi sebagai pemutus hubungan (saklar). Sebagaimana kita ketahui bahwa bila dua logam yang berbeda angka muainya dipanaskan pada temperatur yang sama maka kedua logam tersebut akan memiliki panjang yang berbeda. Pada kondisi sebelum pemanasan kedua logam tersebut saling bersentuhan. Maka bila temperatur tersebut dicapai arus listrik yang dialirkan melalui logam tersebut akan putus dengan sendirinya, dan elemen pemanas pada setrika akan mengurangi panasnya. Pengurangan panas ini menyebabkan turun kembali muai logam tadi, sehingga kedua logam tersebut saling bersentuhan dan aliran listrik kembali terjadi. Dengan adanya aliran listrik yang mengalir kembali membuat elemen pemanas kembali memanaskan setrika sampai suhu tertentu kembali kedua logam tersebut memutuskan hubungan, demikian seterusnya, sehingga suhu dari setrika dapat dijaga pada suhu yang diinginkan.
Definisi otomatis
Dari contoh diatas, ada beberapa definisi yang bisa kita angkat, pertama, otomatis adalah suatu teknologi yang menghubungkan antara sistem mekanik, elektrik, dan elektronik secara bersama dengan sistem informasi dengan maksud untuk mengendalikan produksi. Sistem mekanik dalam contoh diatas adalah penanak nasi sendiri, sedangkan sistem elektrik adalah tenaga (energi listrik) yang diberikan untuk memanaskan element pemanas. Dalam hal ini element pemanas dan juga thermostat dapat dikategorikan sebagai sistem elektronik. Dalam hal ini, thermostat membaca temperatur dan memberikan informasi ke sistem elektrik untuk memberikan tindakan. Untuk sistem penanak nasi ini ada dua tindakan yaitu terus memberikan energi atau berhenti memberikan energi. Tujuan kita adalah menghentikan kerja penanak nasi saat nasi tunak, ini dicapai pada temperatur 100 oC, berarti berhenti memberikan energi.
Kedua, otomatis ini juga bisa di artikan suatu alat yang meningkatkan kualiatas, produktifitas, keamanan, dan konsistensi (ketetapan) dari serangkaian operasi yang berulang. Ketiga, dapat juga otomatis diartikan teknologi integrasi dari pengukuran, pengendalian dan informasi untuk mengatur suatu proses atau suatu sistem yang rumit. Secara keseluruhan otomatis dapat didefinisikan sebagai suatu teknologi dimana suatu proses atau prosedur dijalankan tanpa bantuan manusia. Itu semua dapat di implementasikan dengan menggunakan suatu program instruksi yang di kombinasikan dengan sistem kendali yang menjalankan instruksi. Untuk mengotomasikan suatu proses, di perlukan energi, baik untuk menggerakan proses itu sendiri maupun untuk mengoperasikan program dan sistem kendali.
Sistem pengendali ini bukanlah suatu hal yang baru, coba kita perhatikan jagat raya, bagaimana edaran planet planet dan tatasurya dalam jagat semesta ini beredar pada garis edarnya dan tidak pernah mengalami tabrakan, atau gangguan lainya. Ini suatu sistem kendali yang sungguh sangat sempurna. Bahkan pada diri manusia sendiri terdapat begitu banyak “sensor” yang memberikan informasi ke pemroses (otak) untuk memberikan tindakan. Baik tindakan yang disadari ataupun tidak disadari (gerakan reflek, misalnya). Proses membaca (sensor), pengolahan data dari sensor (pemroses) dan tindakan merupakan elemen dari sistem kendali.
Pelopor kerja otomatis
Bila kita hendak melakukan kilas balik kerja yang mempelopori otomotis ini, seperti roda (sekitar tahun 3200 SM), tuas, kerekan (sekitar tahun 600 SM), poros (sekitar tahun 1000), ulir (sekitar tahun 1405) dan roda gigi pada abad pertengahan. Alat alat sederhana ini dipergunakan untuk alat pendukun pada kerja kontruksi kincir air dan kincir angin (sekitar tahun 650) dan mesin uap (sekitar tahun 1765 ). Kesemua mesin ini digunakan untuk membangkitkan energi untuk mengoperasikan mesin lainnya, seperti penggilingan tepung (sekitar tahun 85) mesin pintal, mesin pekakas (sekitar tahun 1750), kapal tenaga uap(1787), lokomotif kereta api (1803). Energi untuk membangkitkan mesin mesin tersebut dan kemampuan untuk mengoperasikan mesin lainnya, merupakan elemen-elemen dari sistem otomatis.
Suatu kerja yang menakjubkan dalam sistem kendali otomatis ini dikenalkan oleh ilmuan besar James Watt pada abad ke delapan belas. James Watt membangun suatu sistem kendali otomatis mengendalikan kecepatan dari mesin uapnya. Perkembangan demi perkembagan terus terjadi, sehingga pada sekitar tahun 1800an mulai dikenal mesin yang dapat di program. Pengenalan sistem kendali secara teori matematika mulai dikenalkan semenjak tahun 1930an, dan yang menakjubkan adalah MARK I suatu komputer elektromekanik di universitad Harvard (1944).
Semenjak tahun 1945, banyak dari penemuan dan pengembangan baru telah memberikan kontribusi yang cukup berarti pada perkembangan teknologi otomatis. Del Harder mempernalkan kata “automation” pada tahun 1947 dengan rujukan ke perlengkapan otomatis dimana Ford Motor Company telah mengembangkannya. Elektronik komputer pertama dikembangkan di universitas Pennsylvania pada tahun 1946. Kemudian mesin perkakas pengendali numerik pertama diperkenalkan dan didemontrasikan di Massachusetts Institute Technology pada tahun 1952 berdasarkan kosep yang diajukan oleh John Parsons dan Frank Stulen. Diakhir tahun 1960an dan awal tahun 1970an, komputer digital sudah mulai di kembangkan untuk dihubungkan ke mesin pekakas.
Sementara itu robot juga merupakan bagian dari produk otomatis ini. Istilah robot itu sendiri berasal dari bahasa Czech “robota” yang berarti pekerja, dipatenkan pertama sekali oleh George Devol. Robot komersil pertama sekali dipasang untuk mengambil atau melepaskan hasil cetakan dari pengecoran logam pada tahun 1960an. Sekitar tahun 1969, programmable logic controller (PLC) pertama diperkenalkan. Sedangkan secara komersial personal computer (PC) pertama diperkenalkan oleh Apple Computer pada tahun 1978, meskipun produk serupa telah diperkenalkan dalam bentuk kits pada awal tahun 1975.
Sistem otomatis dalam keseharian
Seperti contoh diatas, penanak nasi, sistem otomatis ini sudah mulai masuk kerumah. Berbagai peralatan rumah tangga sekarang sudah berbasis otomatis. Sistem otomatis dalam keseharian juga banyak di pergunakan misalnya dalam bidang komunikasi, transportasi, industri jasa, industri kimia dan lain lain.
Alat otomatis ini sudah masuk kerumah, seperti contoh disebutkan diatas. Beberapa produk otomatis ini sudah menjadi kebutuhan dasar dalam suatu rumah tangga misalnya suatu perangkat televisi yang dilengkapi dengan remote control. Dengan mudah kita dapat beralih dari saluran satu stasion televisi ke stasion lainnya. Sembari bermalasan bergolek didepan televisi kita dapat mengatur besar kecilnya volume, constrast nya gambar, dan sebagainya.
Kemudian kalau kita berjalan sedikit dari ruang keluarga ke dapur, disana kita akan menjumpai berbagai macam produk otomatis ini. Dapur yang dulunya identik dengan kayu bakar, kemudian kita menggunakan bahan bakar minyak, terus digantikan oleh gas dan listrik. Sekarang ada dapur yang sudah menggunakan gelombang pendek untuk memasak. Produk ini juga merupakan produk otomatis. Dahulu, bahan makan diawetkan dengan cara pengeringan, pengasinan, pemanisan, dan pengasapan. Dengan ditemukannya lemari es, pengawetan bahan makan sekarang sudah berubah dengan cara pembekuan. Sehingga kesegaran bahan makanan dapat dijaga dalam waktu lama.
Dalam bidang komunikasi, telepon, produk pertama dari penggunaan otomatis ini adalah switching. Switch mekanik otomatis pertama sekali diperkenalkan pada akhir abad 19 dengan konsep yang sangat sederhana. Switch modern didasarkan pada digital computer canggih yang dapat menjalankan fungsi seperti mengamati ribuan jaringan telpon, menentukan jaringan mana yang dilayani, menyimpan nomor yang akan di panggil, menyusun hubungan yang diperlukan, mengirim signal untuk membunyikan bel ke nomor yang dituju, memonitor selama proses tersambung, dan memutuskan sambungan setelah sambungan selesai. Sistem ini juga digunakan untuk proses perhitungan waktu dan biaya. Aplikasi otomatis lainnya dari sistem komunikasi termasuk local area network (LAN), komunikasi satelit, dan automated mail-storing machines.
Sementara itu dalam bidang transportasi, sistem otomatis telah diaplikasikan dalam dalam banyak industri transportasi. Misalnya sistem pemesanan tiket pesawat, auto-pilots pada pesawat terbang dan kereta api listrik, dan sistem transportasi masa. Sistem pemesanan tiket otomatis ini secara berkesinambungan terus memantau keadaan pemesanan tiket untuk semua penerbangan, sehingga agent penerbangan yang tersebar di lokasi yang berbeda dapat mengetahui kesedian tempat untuk semua penerbangan.
Hampir seluruh pesawat komersial di lengkapi dengan suatu instrument yang disebut automatic pilots. Dalam keadaan normal, sistem ini memandu sebuah pesawat terhadap rute yang telah ditentukan dengan perubahan deteksi pada orientasi dan arah pesawat dari gyroscopes dan instrumen yang sama dengan memberikan signal kendali ke mekanik steer. Sistem navigasi otomatis dan sistem pendaratan instrumen (pengukuran) dioperasikan dengan menggunakan signal dari menara yang berada di landasan yang memberikan informasi arah untuk panduan. Perkembangan sistem kendali otomatis terakhir sudah mampu membuat suatu sistem pendaratan otomatis. Sistem ini dikenal dengan nama auto landing.
Sementara itu dalam industri pesawat terbang Airbus, sistem navigasi pesawat menggunakan suatu sitem navigasi yang disebut fly-by-wire. Sistem ini mulai dipergunakan pada tahun 1988 pada pesawat Airbus A320. Fly-by-wire ialah suatu sistem kontrol pesawat terbang yang menggunakan suatu rangkaian elektronika untuk mengirim input dari pilot ke motor yang menggerakkan berbagai kendali penerbangan pada pesawat. Dalam perkembangan sistem ini juga dikenal digital fly-by-wire. Digital fly by wire dapat diartikan suatu sistem kendali digital yang menggunakan perangkat komputer untuk menggantikan sistem kontrol mekanik dalam penerbangan.
Penerbangan tanpa pilot atau dikenal unmanne aerial vehicle (UAVs), dalam kemiliteran digunakan untuk memata-matai musuh. Pesawat kecil ini adalah pesawat yang dikendalikan dari jauh atau pesawat tanpa pilot. Pesawat ini dapat membawa camera, sensor, peralatan komunikasi, dan lainnya. Jenis ini sudah mulai digunakan sebagai pesawat pengintai untuk keperluan intelijen sejak tahun 1950an. Semenjak tahun 1964 department pertahan Amerika Serikat telah mengembangkan 11 jenis UAVs. Pesawat jenis ini selain dipakai untuk keperluan militer juga banyak dipergunakan untuk keperluan geografis seperti penggunaan untuk pemetaan atau pemotretan udara.
Sementara itu dalam industri jasa juga sudah mulai banyak dikenalkan teknologi otomatis misalnya dalam informasi pelayanan kesehatan, perbankan dan pelayanan financial lainnya, pemerintahan, prakiraan cuaca, dan lain lain. Misalnya penggunaan dalam informasi kesehatan disuatu rumah sakit, sistem otomatis ini digunakan untuk menyimpan data pasien, administrasi pengobatan, dan berbagai informasi lainya yang relevan. Bahkan industri jasa ini, sudah mulai diperkenalkan untuk digantikan dengan robot. Robot terakhir yang diberi nama “Asimo” diperkenalkan oleh Honda Motor Company jepang mampu mengenal orang dan dapat menjawab pertanyaan seputar cuaca (kompas, 12 desember 2002).
Coba kita bayangkan suatu industri kimia, misalnya petrokimia. Industri ini memiliki ribuan keran yang harus dibuka dan ditutup dalam menjalankan proses. Seperti kita ketahui, bila satu keran ditutup atau dibuka maka akan mempengaruhi proses baik proses sebelum keran tersebut maupun proses setelah keran tersebut. Bayangkan kalau seandainya industri tersebut memiliki 16.000 keran, apakah industri ini harus memperkerjakan teknisi untuk menjaga keran sebanyak itu. Untuk itu sangat diperlukan suatu sistem otomatis. Industri seperti ini tidak hanya memerlukan sistem otomatis tidak hanya untuk keran, akan tetapi untuk parameter industri lainnya seperti temperatur, permukaan (level), tekanan, konsentrasi, dan sebagainya.
Bagaimana otomatis ini dipelajari
Sebagaimana kita ketahui bahwa hasil dari sistem kendali ialah produk otomatis. Untuk mempelajari dan mendesain produk otomatis artinya kita mempelajari sistem kendali. Dari berbagai tantangan dan keinginan untuk mendapatkan suatu alat yang mampu menggantikan kerja manusia, maka peneliti melakukan serangkaian penelitian untuk mendapat produk yang diinginkan. Ada tiga komponen utama dalam sistem kendali ini, yaitu (1) sumber tenaga untuk menjalankan aksi aksi, (2) sistem kendali umpan balik (feedback control) dan (3) machine programming. Hampir semua tanpa kecuali, suatu sistem akan menunjukan ketiga element tersebut.
Suatu sistem otomatis didesign untuk menjalan aksi aksi dengan baik, dan aksi itu membutuhkan tenaga. Ada beberapa sumber tenaga yang tersedia, tetapi yang cukup banyak digunakan saat ini pada sistem otomatis adalah tenaga listrik. Karena tenaga listrik mudah dibangkitkan dan mudah dikonversikan kebentuk tenaga lainnya.
Aksi aksi ini merupakan hasil dari pengendali. Suatu sistem kendali umpan balik umumnya disusun dari 5 komponen utamanya. Komponen tersebut adalah (1) masukan (input), (2) proses yang dikendalikan (plant), (3) keluaran (output), (4) elemen pengukur (sensing elements) dan (5) Pengendali.
Pengendali ini ada yang sifatnya mekanik (seperti contoh diatas, penanak nasi dan strika) dan dapat diprogram. Pengendali yang didesign dengan diprogram biasanya instruksi akan menentukan sujumlah aksi yang dijalankan dengan baik secara otomatis oleh sistem. Program ini menentukan apa yang mesti dilakukan oleh sistem dan bagaimana sejumlah komponen harus difungsikan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Sedangkan untuk sitem kendali pandai (intelligent control) suatu sistem kendali yang dapat menggantikan pikiran manusia dalam membuat keputusan, perencanaan strategi kendali, mempelajari fungsi fungsi baru dengan pelatihan dan pembentukan fungsi fungsi intelligent lain. (di jelaskan lebih mendalam pada tulisan selanjutnya)
Sistem otomatis ini dipelajari dengan mempelajari tingkah laku dari proses yang hendak dikendalikan. Tingkah laku atau karateristik dari proses ini dirumuskan dalam suatu rumusan matematika. Berbagai metode dikembangkan untuk mendapatkan rumusan matematika tadi. Metode yang populer digunakan adalah neraca massa dan neraca energi dengan sejumlah asumsi, dan identifikasi sistem. Berdasarkan rumusan matematika tadi, dirumuskan suatu persamaan matematika sistem kendali untuk mengendalikan proses dari gangguan berupa set point, noise, dan sebagainya.
Berbagai metode telah dikembangkan untuk mendapatkan matematika sistem kendali ini, metode yang sudah cukup kita kenal adalah proporsional (P), porposional integral (PI), dan proporsional integral derivative (PID). Berbagai kekurangan dari metode ini membuat peneliti terus mencari metode metode baru yang lebih baik. Saat ini cukup banyak metode sistem kendali yang diaplikasikan di industri, misalnya, model predictive control (MPC), sistem kendali robust, fuzzy, artificial neural network (ANN), dan sebagainya.
Kesimpulan
Berdasarkan uraian diatas terlihat begitu banyaknya keuntungan dan kemudahan dan manfaat yang dapat disajikan oleh produk otomatis ini. Dari itu dapat dilihat bahwa hampir semua produk rumah tangga dewasa ini sudah merupakan produk otomatis. Untuk industri industri baik mekanik, kimia, maupun biokimia, sistem otomatis ini sangat diperlukan untuk menjalankan industri tersebut. Begitu juga dalam pengendalian pesawat terbang.
