Pengertian PID dan Pentingnya dalam Kontrol Industri

PID adalah singkatan dari Proportional-Integral-Derivative, yaitu algoritma kontrol umpan-balik (feedback) yang banyak digunakan di sistem industri untuk menjaga variabel proses (seperti suhu, tekanan, atau level cairan) pada nilai target (setpoint). Dalam kontrol PID, selisih antara nilai setpoint dan proses variabel diukur terus-menerus; jika terdeteksi deviasi, kontroler menghitung dan mengirim sinyal koreksi ke aktuator untuk mengurangi selisih tersebut. Secara sederhana, koreksi ini terdiri dari tiga komponen utama: P (proporsional terhadap besar error saat ini), I (proporsional terhadap akumulasi error dari waktu ke waktu), dan D (proporsional terhadap laju perubahan error). Gabungan ketiganya membuat kontroler PID mampu menghasilkan respon yang cepat, menghilangkan kesalahan steady-state, dan mengurangi overshoot.

Gambar: Diagram blok sederhana pengendali PID dalam loop tertutup. Variabel proses (PV) diukur dan dibandingkan dengan setpoint (SP); perbedaan (error) diolah oleh fungsi P, I, dan D untuk menghasilkan sinyal keluaran (Output) yang menggerakkan aktuator (misalnya katup atau heater). Dengan pengaturan parameter PID yang tepat, sistem akan stabil mendekati setpoint.

Kontrol PID sangat penting dalam otomasi industri karena menjamin stabilitas dan akurasi sistem. Misalnya, dalam proses pemanasan furnance atau oven industri, suhu harus dijaga pada batas sempit walaupun terjadi gangguan (misalnya bahan dimasukkan atau perubahan lingkungan). Dengan PID, perbedaan suhu (error) segera dikoreksi sehingga suhu kembali ke setpoint dengan cepat dan minimal overshoot. Demikian pula pada sistem lain seperti pengontrol level cairan, tekanan, atau kecepatan motor, penggunaan PID membantu menjaga proses agar mencapai setpoint dengan cepat tanpa osilasi besar. Tujuan tuning PID adalah memastikan sistem tetap stabil dan responsif terhadap gangguan. Oleh karena itu, pemahaman PID dan teknik tuning-nya sangat krusial untuk mahasiswa teknik dan praktisi agar sistem otomasi dapat berfungsi dengan baik.

Peran Parameter P, I, dan D

Ketiga komponen PID memiliki peran berbeda: P (Proporsional) menghasilkan koreksi sebanding dengan besarnya error saat ini, I (Integral) mengakumulasi error historis untuk menghilangkan offset steady-state, dan D (Derivatif) merespon perubahan error untuk meredam overshoot. Secara ringkas, efek peningkatan setiap parameter adalah sebagai berikut:

• P (Proporsional): Meningkatkan kecepatan respon dan mengurangi kesalahan awal, namun jika terlalu besar akan menimbulkan overshoot dan osilasi sistem. Dengan Kp yang meningkat, sistem bereaksi lebih cepat, tetapi overshoot akan makin besar dan sistem bisa menjadi tidak stabil.
• I (Integral): Menghilangkan kesalahan steady-state (offset) dengan menyesuaikan akumulasi error. Namun, aksi integral cenderung memperpanjang waktu settling dan menambah overshoot karena sinyal kontrol terus bertambah selama error ada. Integral berguna untuk memastikan PV benar-benar mencapai SP, tetapi perlu hati-hati agar tidak menimbulkan osilasi berlebih.
• D (Derivatif): Mengantisipasi perubahan error dengan merespon kemiringan kurva error, sehingga meredam overshoot dan osilasi. Peningkatan aksi derivatif umumnya menambah redaman (damping) sehingga sistem lebih stabil, namun sangat sensitif terhadap noise pada sensor. Pada praktiknya, parameter D sering disetel kecil karena terlalu besar dapat membuat sinyal kendali “bergetar” akibat noise.

Tabel di bawah merangkum pengaruh utama masing-masing parameter:

Langkah-langkah Tuning PID di PLC

Berikut langkah-langkah praktis tuning PID pada sistem PLC yang mudah diikuti:

1. Alihkan Loop ke Mode Manual. Sebelum memulai tuning, jalankan loop kontrol dalam manual mode agar output bisa diatur langsung tanpa aksi otomatis. Dalam mode manual, Anda dapat memasukkan nilai output secara manual untuk melihat reaksi proses. Sesuaikan output awal sehingga proses variabel (PV) berada di tengah rentang operasional (misalnya 10–90% penuh) dan biarkan PV stabil.
2. Atur Gain Awal. Mulai dengan Kp kecil (misalnya 0.01) dan Kd=0, sedangkan Ki besar (misalnya I=1000, tergantung skala). Nilai-nilai ini hanya sebagai titik awal untuk tuning. Pengaturan ini memastikan efek integral sangat lemah dan D tidak aktif, sehingga respons awal didominasi P.
3. Tingkatkan P hingga Osilasi Terjadi. Tingkatkan perlahan Kp sampai proses mulai berosilasi secara konsisten. Langkah ini mirip metode Ziegler-Nichols klasik. Ketika sistem mulai osilasi stabil, tandai nilai Kp tersebut. Kemudian set Kp = 50% dari nilai osilasi maksimal untuk menghindari terlalu agresif.
4. Tambahkan Integral (I). Setelah P, aktifkan komponen integral. Tingkatkan Ki secara bertahap untuk menghilangkan offset yang tersisa sehingga PV mencapai SP akhir. Perhatikan bahwa terlalu besar Ki dapat mempercepat respons namun juga menambah overshoot. Sesuaikan hingga offset minimal tercapai dalam waktu yang diinginkan.
5. Tambahkan Derivatif (D) Secara Hati-hati. Terakhir, aktifkan Kd untuk meredam osilasi. Tingkatkan D hingga overshoot berkurang dan sistem cenderung kritis teredam. Tambahkan D sedikit demi sedikit – peningkatan D yang berlebihan dapat menimbulkan “chattering” pada output. Ulangi penyetelan P, I, D jika perlu agar tercapai keseimbangan optimal.
6. Uji dan Iterasi. Ubah loop kembali ke mode otomatis dan uji performa PID dengan memberikan gangguan kecil (misalnya step pada setpoint). Amati respons sistem di HMI/SCADA dan analisa tren PV dan output. Jika masih ada overshoot atau offset, ulangi langkah tuning. Pada setiap iterasi, hanya ubah satu parameter saja agar efeknya jelas.

Jika tersedia, Autotuning dapat mempercepat proses. Banyak kontroler modern (termasuk beberapa PLC) memiliki fitur auto-tune yang secara otomatis melakukan siklus step test dan menghitung parameter optimal. Misalnya, saat fitur “Auto Tune” diaktifkan, kontroler akan menghasilkan sapuan output dan menganalisis respons dinamik untuk menentukan K, I, D yang sesuai. Namun, hasil auto-tune sebaiknya tetap diverifikasi manual, karena kondisi proses nyata mungkin berbeda dari asumsi default.

Catatan Praktis: Sistematis, Bukan Coba-Coba

Tuning PID memang memerlukan eksperimen, tetapi bukan semata trial-and-error tanpa panduan. Tujuan utamanya adalah mencapai respons stabil dan cepat setelah gangguan. Prinsip umumnya adalah mengurangi overshoot dan settling time seminimal mungkin. Misalnya, dalam pengontrol level cairan tangki, sedikit overshoot setpoint sering masih dapat ditoleransi, sedangkan pada kontrol posisi atau suhu presisi, overshoot besar bisa jadi tidak boleh.

Dalam praktek, pantau tren PV, setpoint, dan output di layar HMI/SCADA selama tuning. Grafik tren ini membantu melihat apakah loop terlalu osilasi atau lambat merespon. Misalnya, pada tampilan tren kontrol PID Siemens (Gambar 5-3 di dokumentasi), terlihat kurva setpoint (skala kiri), PV (kiri), dan sinyal kontrol (kanan) secara bersamaan. Dengan membaca pola kurva ini, kita bisa menilai kebutuhan menurunkan Kp (jika overshoot besar), menambah Kd (untuk lebih redaman), atau menaikkan Ki (untuk menghilangkan offset). Pemahaman terhadap respon sistem dan penggunaan tren historis jauh lebih efektif daripada sekadar coba nilai acak.

Sebagai aturan praktis:

• Jika sistem mengalami lag/stuck dekat setpoint (offset persisten), tambahkan sedikit Ki untuk mengoreksi offset.
• Jika sistem terus berosilasi, kurangi Kp atau tambahkan Kd untuk redaman ekstra.
• Jika kontrol terlalu gerak lambat, naikkan Kp perlahan (dan mungkin Ki) sampai tercapai respon yang memadai.
• Gunakan limit output (saturasi) atau anti-windup jika sinyal kontrol jenuh, agar integral tidak terakumulasi tidak terkendali.

Dengan mengikuti metode sistematis di atas, tuning PID menjadi jauh lebih terukur daripada sekadar coba-coba buta. Hasil tuning terbaik adalah saat sistem dapat menyerap gangguan secara cepat tanpa overshoot berlebihan, sebagaimana ditunjukkan oleh kurva respons ideal yang berujung cepat ke setpoint.

Implementasi PID di PLC (Contoh Kode/Blok)

Pada umumnya, PLC modern menyediakan instruksi atau blok fungsi PID siap pakai sehingga tidak perlu menulis seluruh logika kontrol sendiri. Misalnya, di Allen-Bradley RSLogix 5000, terdapat instruksi PID (atau PIDE untuk varian Enhanced) yang dijalankan dalam ladder. Instruksi ini menggunakan data type khusus (misalnya struktur PIDTAG) dengan anggota tag untuk Setpoint, PV (process variable), dan Output. Contoh struktur operand RSLogix5000:

PIDTAG.SP      (Setpoint input)

PIDTAG.PV      (Input yang terhubung ke sinyal proses, misalnya AI yang membaca sensor)

PIDTAG.CV      (Output control men-drive aktuator, misalnya AO ke katup/pemanas)

Dengan instruksi ini, pengguna tinggal menghubungkan tag-tag tersebut ke variabel PLC yang sesuai. Gambar blok PID di RSLogix biasanya menampilkan banyak parameter (mode, modeAuto, error, dll.), namun intinya tag-tag di atas harus di-set. Setelah itu, penyetelan Kp, Ki, Kd dilakukan pada parameter instruksi tersebut. Dokumentasi RSLogix menjelaskan bahwa key operands adalah tag PID itu sendiri, PV, dan CV. Keluaran instruksi dapat dihubungkan ke aktuator (Output%) dan juga tersedia output SP dan PV untuk monitoring.

Di sisi lain, Siemens TIA Portal menyediakan blok PID secara kompak (misalnya blok PID_Compact) pada CPU seri S7-1200/1500. TIA Portal mempermudah pembuatan PID dengan wizard: buat blok organisasi siklik (OB), tambahkan PID_Compact, lalu buat instance data block untuk parameter PID. Blok PID TIA mirip dengan fungsi di atas – Anda hanya memasukkan SP dan PV ke dalam blok, sedangkan blok akan menghitung sinyal kontrol. TIA bahkan memiliki preset khusus (PID untuk temperatur, PID 3-step, dll.) dan fitur autoload untuk auto-tune. Inti implementasinya sama: koneksikan tag PLC ke port SP, port PV, dan definisikan port OP (Output), kemudian set parameternya. Dokumentasi TIA Portal menyebutkan bahwa fitur PID built-in ini membuat proses implementasi kontrol PID menjadi efisien.

Secara ringkas, contoh kode atau blok di PLC hanya perlu melakukan: baca sensor (PV) – bandingkan dengan setpoint – jalankan fungsi PID – keluarkan sinyal ke aktuator. Contoh sederhana (pseudocode ladder) di RSLogix:

MOV SP_value PIDTAG.SP    ; Kirim nilai setpoint ke tag PID

MOV PV_value PIDTAG.PV    ; Kirim nilai proses ke tag PID

PID TND1 PIDTAG           ; Eksekusi instruksi PID pada data PIDTAG

MOV PIDTAG.CV AO_Output   ; Ambil output PID dan kirim ke aktuator (AO)

Meski setiap merek PLC punya format berbeda, konsepnya serupa: gunakan blok fungsi PID dan hubungkan tag PV, SP, serta OP sesuai petunjuk manual PLC.

Studi Kasus Nyata

1. Kontrol Suhu Oven Industri

Misalkan sebuah oven industri dengan setpoint suhu 200 °C. Sensor suhu (RTD) mengirimkan nilai PV ke PLC, dan aktuator (elemen pemanas) dikendalikan oleh output PID. Langkah tuning: awalnya terapkan mode manual dan atur output seadanya hingga suhu mendekati 200 °C. Setelah itu, aktifkan tuning. Tingkatkan Kp sampai suhu cepat mendekati target (tapi belum overshoot besar). Tambahkan sedikit Ki untuk menghilangkan selisih akhir jika ada (steady-state error). Tambahkan Kd hingga overshoot dapat ditekan – misalnya, jika terjadi lonjakan suhu berlebihan saat pemanas menyala. Dengan tuning yang tepat, oven akan mencapai 200 °C cepat dan bertahan stabil meski pintu oven dibuka-tutup (gangguan), sebagaimana dibutuhkan dalam proses perlakuan panas. Kode blok PID pada PLC cukup menyalurkan SP=200 dan PV dari sensor ke blok PID, lalu output PID menggerakkan elemen pemanas.

2. Kontrol Level Air Tangki

Contoh lain adalah kontrol level cairan pada tangki proses. Misalkan setpoint level adalah 50%. Sensor level memberi sinyal PV, dan pompa inlet dikontrol oleh output PID. Berbeda dengan suhu oven, overshoot kecil masih dapat ditoleransi di sistem level (kehilangan sedikit air kurang kritis). Mulai tuning dengan menambah Kp hingga level cepat naik ke dekat 50%. Karena level bersifat terintegrasi (volume), agar tidak terus naik di atas target, tambahkan Kd cukup banyak untuk meredam fluktuasi. Komponen Ki diperlukan untuk memastikan level tepat berhenti di 50% (tidak ada bias). Secara ringkas, setelah tuning kita dapat melihat di HMI bahwa setiap perubahan aliran (gangguan) langsung diimbangi, dan tangki tetap berada di level yang diinginkan tanpa osilasi jangka panjang.

Kedua studi kasus di atas menunjukkan bahwa meski penerapan PID serupa, kebutuhan penyetelan dapat berbeda tergantung aplikasi. Dalam suhu oven, respons yang cepat dan minim overshoot krusial, sedangkan dalam level tanki, kestabilan jangka panjang dan penghilangan offset lebih penting. Prinsip tuning yang sistematis tetap sama – atur satu parameter per satu kali – dan pantau hasilnya melalui grafik PV versus waktu.

Kesimpulan

Secara keseluruhan, PID tuning adalah proses penting untuk memastikan sistem PLC bekerja optimal. Langkah-langkahnya dapat dilakukan manual (mode manual + adjust gains) atau dibantu fitur autotune, namun selalu berdasarkan analisis respon proses, bukan sekadar coba-coba. Penerapan teknik tuning yang baik (gunakan tren HMI/SCADA, atur parameter satu per satu, dan verifikasi stabilitas) akan membuat kontrol PID di industri menjadi lebih andal dan efisien. Artikel ini telah menjelaskan konsep dasar PID, langkah-langkah tuning, contoh implementasi di PLC, serta ilustrasi penerapan nyata untuk pemula dan mahasiswa teknik. Dengan memahami semua aspek di atas, pembaca diharapkan mampu melakukan tuning PID pada PLC dengan benar dan mendapatkan performa kontrol yang optimal.