Program kendali sebagai algoritma waktu nyata: loop utama, pewaktu, interupsi, penghitung, tepi sinyal, histeresis, penyaringan, dan mesin keadaan

Sebuah laundry memasang dispenser bahan kimia buatan bengkel kecil untuk mesin cuci lamanya. Dispenser itu menunggu sinyal dari mesin cuci, lalu memompa pelembut selama 45 detik. Setelah beberapa minggu, operator melaporkan dua hal aneh. Kadang-kadang dispenser memberi dua dosis untuk satu bilasan, sehingga pelembut habis lebih cepat dan cucian terasa licin. Dan sesekali, ketika selang bocor saat pompa bekerja, tombol berhenti tidak bereaksi sampai 45 detik selesai.

Teknisi yang memeriksa menemukan dua kesalahan program. Pertama, program memulai dosis setiap kali sinyal terbaca menyala, bukan ketika sinyal berubah dari mati ke menyala; sinyal dari mesin cuci bertahan beberapa detik lebih lama dari dosis yang singkat, sehingga dosis kedua dimulai. Kedua, pewaktu dosis dibuat dengan perintah tunda yang menahan seluruh program, sehingga selama menunggu, program tidak membaca tombol apa pun. Kedua kesalahan itu tidak tampak di gambar rangkaian; keduanya ada di cara program memperlakukan waktu. Bab ini menjelaskan cara program kendali bekerja menurut waktu, supaya gejala seperti itu dapat dikenali dan dijelaskan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas program kendali dari sisi algoritma dan waktu: loop utama, waktu siklus, pewaktu, interupsi, penghitung, tepi sinyal, peredam pantulan, penyaringan, ambang dan histeresis, mesin keadaan dalam program, dan perancangan serta pengujian. Bahasa pemrograman tertentu tidak dibahas. Logika urutan, tabel kebenaran, dan diagram keadaan ada di Bab 7 · Sistem, Diagram & Diagnosis; siklus pindai dan pemrograman PLC di Bab 63 · Kelistrikan & Kendali dan Bab 64 · Kelistrikan & Kendali; logika kontroler dispenser laundry di Bab 3 · Dispensing Kimia; papan kendali di Bab 2; representasi bilangan dan luapan penghitung di Bab 3. Mengubah program mesin dari pabrik tidak dibenarkan tanpa izin pabrik dan pemilik mesin. Sumbernya adalah narasi Berpikir Komputasional, narasi Teknik Elektro dan Elektronika, narasi Logika dan Sistem Teknis, dan narasi Mekanikal, ditambah pengetahuan komputasi umum yang ditandai di peta sumber. Angka contoh adalah angka latihan.

Program kendali sebagai loop

Hampir semua program kendali, di mikrokontroler maupun PLC, berbentuk loop yang berulang terus selama mesin menyala (nilai literatur umum):

1. Baca masukan: keadaan sakelar, tombol, sensor, dan sinyal dari perangkat lain.
2. Putuskan: bandingkan dengan setelan, periksa pewaktu, tentukan langkah berikutnya.
3. Tulis keluaran: nyalakan atau matikan relai, katup, pompa, dan tampilan.
4. Kerjakan tugas lain: komunikasi, pencatatan, pemeriksaan galat.

Waktu satu putaran disebut waktu siklus, biasanya beberapa milidetik. Siklus pindai PLC di Bab 63 · Kelistrikan & Kendali adalah bentuk baku dari loop ini. Akibat penting waktu siklus: kejadian yang lebih singkat dari waktu siklus dapat terlewat sama sekali, dan tanggapan program selalu tertunda paling sedikit satu siklus.

Waktu dalam program

Narasi Berpikir Komputasional mengutip buku panduan elektronika bahwa waktu adalah parameter penting dalam sistem tertanam, dan bahwa pada akhir selang 2 milidetik dibangkitkan sinyal interupsi. Mikrokontroler mempunyai pewaktu perangkat keras yang menghitung denyut jam secara teratur. Dari pewaktu itu, program mendapat hitungan waktu sejak dinyalakan, misalnya dalam milidetik.

Semua pewaktu dan jadwal dalam program dibangun dari hitungan itu. Karena hitungan itu disimpan dalam jumlah bit terbatas, ia meluap secara berkala, seperti dijelaskan di Bab 3. Program yang menghitung selang waktu sebagai selisih "sekarang dikurangi saat mulai" dengan bilangan tak bertanda tetap benar melewati luapan; program yang membandingkan "sekarang lebih besar dari saat selesai" dapat gagal tepat saat luapan.

Pewaktu tanpa menahan program

Ada dua cara membuat program menunggu. Cara pertama, perintah tunda, menghentikan seluruh program selama waktu tertentu. Selama itu, tidak ada masukan yang dibaca dan tidak ada keluaran yang diubah. Cara ini sederhana, tetapi berbahaya untuk kendali mesin, seperti pada kasus pembuka.

Cara kedua mencatat saat mulai, lalu pada setiap putaran loop memeriksa apakah selisih waktu sudah melewati lama yang diinginkan. Program terus berputar, membaca tombol, dan memeriksa galat selama menunggu. Narasi Teknik Elektro dan Elektronika mengutip buku panduan elektronika bahwa pada akhir 100 milidetik, pewaktu mencapai nilai tunda yang ditetapkan oleh nilai prasetel, dan bahwa sebuah pewaktu memerlukan alamat unik untuk membedakannya dari pewaktu lain. Pewaktu PLC bekerja dengan cara kedua ini. Buku panduan kelistrikan dalam narasi yang sama menyebut pewaktu sebagai perangkat yang dapat menyalakan atau mematikan mesin setelah waktu tertentu; dalam program, "perangkat" itu adalah variabel saat mulai, nilai prasetel, dan perbandingan di setiap putaran.

Interupsi

Narasi Berpikir Komputasional mengutip buku panduan elektronika bahwa ada banyak sumber interupsi. Interupsi menghentikan loop utama sebentar untuk menjalankan bagian program khusus ketika terjadi kejadian tertentu: denyut dari sensor aliran, tibanya data komunikasi, atau selang waktu yang tetap dari pewaktu. Setelah bagian itu selesai, loop utama dilanjutkan dari tempat yang ditinggalkan.

Interupsi dipakai untuk kejadian yang lebih cepat dari waktu siklus, seperti denyut meteran aliran yang hanya beberapa milidetik. Aturan yang umum (nilai literatur umum): bagian program interupsi dibuat sesingkat mungkin, biasanya hanya mencatat bahwa kejadian terjadi atau menambah penghitung, dan pekerjaan berat dikerjakan di loop utama. Data yang dipakai bersama interupsi dan loop utama harus dibaca dengan hati-hati, karena interupsi dapat terjadi di tengah pembacaan. Penghitung 16 bit pada mikrokontroler 8 bit, misalnya, dibaca dalam dua langkah; bila interupsi menambahnya di antara kedua langkah itu, nilai yang terbaca dapat meleset sebesar 256 sesekali. Gejala seperti "angka sesekali melompat jauh lalu kembali normal" kadang berasal dari hal ini.

Penghitung dan tepi sinyal

Membaca keadaan sinyal berbeda dengan membaca perubahannya. Program yang ingin melakukan sesuatu sekali untuk setiap sinyal harus mendeteksi tepi naik, yaitu saat sinyal berubah dari mati ke menyala. Caranya: simpan keadaan sinyal pada putaran sebelumnya, lalu bandingkan dengan keadaan sekarang. Bila sebelumnya mati dan sekarang menyala, itulah tepi naik.

Penghitung, seperti jumlah siklus mesin, jumlah dosis, atau jumlah denyut meteran, harus dinaikkan pada tepi, tidak pada keadaan. Penghitung yang dinaikkan pada keadaan akan bertambah di setiap putaran loop selama sinyal menyala, sehingga satu sinyal dua detik dengan waktu siklus 5 milidetik terhitung empat ratus kali.

Tepi turun, yaitu saat sinyal berubah dari menyala ke mati, sama pentingnya. Banyak urutan mesin menunggu sebuah sinyal lepas sebelum langkah berikutnya, seperti pintu yang harus dibuka lalu ditutup lagi sebelum siklus baru, supaya satu penutupan pintu tidak memulai dua siklus. Program yang hanya melihat tepi naik dan tidak pernah memeriksa bahwa sinyal sudah lepas dapat terjebak pada sinyal yang macet menyala, sehingga perlu batas waktu dan galat untuk keadaan itu.

Peredam pantulan dan penyaringan digital

Kontak mekanis tidak menutup sekali dengan bersih, tetapi memantul beberapa milidetik. Narasi Berpikir Komputasional juga mengutip buku penjelasan elektronika tentang sinyal yang tampak berbeda ketika derau ditambahkan. Tanpa peredam, pantulan dan derau terbaca sebagai beberapa tepi naik.

Peredam pantulan dalam program menerima perubahan keadaan hanya bila keadaan baru bertahan selama waktu tertentu, misalnya 20 sampai 50 milidetik (nilai literatur umum). Untuk sinyal analog yang berderau, seperti suhu atau level, dipakai penyaring digital. Bentuk sederhana adalah rata-rata bergerak beberapa pembacaan terakhir, atau penyaring orde satu:

dengan $x$ pembacaan baru, $\Delta t$ selang pembacaan, dan $\tau$ tetapan waktu penyaring. Penyaring yang kuat menekan derau tetapi menunda tanggapan; untuk pengaman, penundaan itu harus diperhitungkan.

Ambang dan histeresis

Kendali hidup-mati, seperti pemanas tangki atau pompa pengisi, membandingkan nilai ukur dengan ambang. Bila hanya ada satu ambang, nilai ukur yang berderau di sekitar ambang membuat keluaran menyala dan mati berulang kali dengan cepat, yang merusak kontaktor dan relai. Histeresis memakai dua ambang: menyala di bawah ambang bawah dan mati di atas ambang atas. Selisih kedua ambang disebut diferensial.

Diferensial yang lebar mengurangi jumlah penyalaan, tetapi membuat nilai terkendali berayun lebih lebar. Diferensial dipilih menurut kemampuan alat penyakelar dan kebutuhan proses, dan sering menjadi parameter yang dapat diatur di menu servis. Prinsip yang sama berlaku pada sakelar tekanan dan termostat mekanis di Bab 58 · Kelistrikan & Kendali.

Mesin keadaan dalam program

Diagram keadaan di Bab 7 · Sistem, Diagram & Diagnosis menggambarkan urutan mesin sebagai keadaan dan peralihan. Dalam program, diagram itu diwujudkan dengan satu variabel yang menyimpan keadaan sekarang. Pada setiap putaran loop, program hanya mengerjakan bagian untuk keadaan itu: memeriksa syarat peralihan, dan bila terpenuhi, mengganti keadaan dan menjalankan tindakan masuk keadaan baru, seperti menyalakan katup atau memulai pewaktu.

Cara ini membuat program mudah dibaca dan diuji, karena setiap keadaan dan peralihan dapat diperiksa satu per satu. Narasi Berpikir Komputasional mengutip sebuah laporan proyek mikrokontroler bahwa cara tertentu membuat rancangan lebih mudah dibangun dan dirawat; mesin keadaan adalah salah satu cara itu. Manual pemandu operator mesin cuci dalam narasi yang sama mencatat bahwa ketika sakelar getar menutup, pewaktu berhenti, dan bahwa program jangan dihentikan bila akan dilanjutkan setelah galat diperbaiki. Keduanya adalah perilaku mesin keadaan: ada keadaan jeda yang menghentikan pewaktu tanpa menghapus langkah program, dan ada jalan kembali ke langkah semula setelah galat dibersihkan.

Merancang dan menguji program kendali

Narasi Logika dan Sistem Teknis mengutip buku pegangan teknik manufaktur bahwa pada tahap perancangan sistem, arsitektur perangkat keras dan perangkat lunak dikembangkan, dan bahwa seperti semua proyek yang melibatkan perangkat lunak, jalan menuju keberhasilan ada pada persiapan organisasi dan struktur. Narasi Mekanikal mengutip buku yang sama bahwa setiap sistem bersifat unik sehingga perangkat lunaknya harus dikembangkan dan diuji untuk setiap pemasangan.

Pengujian program kendali yang baik mencakup (nilai literatur umum):

1. Urutan normal dari awal sampai akhir.
2. Setiap galat: sensor putus, sinyal hilang di tengah langkah, listrik padam dan menyala kembali.
3. Kejadian di batas: sinyal sangat singkat, sinyal sangat panjang, tombol ditekan berulang dengan cepat.
4. Tombol berhenti dan pengaman pada setiap keadaan.
5. Waktu kerja panjang, untuk menangkap luapan penghitung dan kebocoran memori.

Kasus pembuka akan tertangkap pada butir 3 dan 4.

Membaca gejala program dari luar

Teknisi servis jarang dapat membaca program mesin, tetapi dapat mengenali pola gejala yang menunjuk program, dan menjelaskannya kepada pabrik dengan cara yang berguna. Tanda-tanda yang umum (nilai literatur umum):

1. Berulang dengan urutan yang sama: gejala selalu muncul setelah langkah tertentu, tombol tertentu, atau gabungan masukan tertentu, walaupun perangkat kerasnya sudah diganti.
2. Bergantung pada waktu: gejala muncul bila dua sinyal datang berdekatan, bila tombol ditekan saat langkah berganti, atau bila sinyal lebih singkat atau lebih panjang dari biasanya.
3. Muncul setelah waktu kerja panjang: gejala hilang setelah mesin dimatikan dan dinyalakan kembali, lalu muncul lagi setelah berhari-hari atau berminggu-minggu.
4. Hilang atau berubah setelah pembaruan program: perilaku berbeda antara dua mesin yang sama tetapi berbeda versi programnya.

Laporan ke pabrik memuat versi program, urutan langkah sebelum gejala, waktu dan lama sinyal bila diketahui, kode galat, dan apakah gejala dapat diulang. Pencatat data di Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis sering diperlukan untuk menangkap urutan dan waktunya. Laporan seperti itu jauh lebih cepat ditindaklanjuti daripada "mesin kadang error".

Contoh kerja

Contoh 1: waktu siklus dan denyut singkat. Loop utama sebuah pengendali membutuhkan 5 ms. Meteran aliran memberi denyut selebar 3 ms. Denyut itu dapat jatuh di antara dua pembacaan dan terlewat. Penghitung denyut dipindah ke interupsi, atau rangkaian masukan diberi penahan denyut, sehingga setiap denyut tercatat. Gejala sebelum perbaikan biasanya berupa volume terhitung yang lebih kecil dari volume sebenarnya, dan selisihnya makin besar ketika aliran deras, karena denyut makin rapat dan makin sering jatuh di antara pembacaan.

Contoh 2: pewaktu dosis tanpa menahan program. Dosis 45 s dimulai dengan mencatat saat mulai dalam milidetik. Setiap putaran loop memeriksa apakah sekarang dikurangi saat mulai sudah 45.000 ms atau lebih, dan sekaligus membaca tombol berhenti. Bila tombol ditekan pada detik ke-10, pompa berhenti dalam satu siklus, tidak menunggu 35 detik lagi.

Contoh 3: peredam pantulan. Kontak memantul sampai 10 ms. Dengan waktu siklus 5 ms dan syarat keadaan stabil 30 ms, keadaan baru diterima setelah enam pembacaan berurutan yang sama. Pantulan tidak lagi terbaca sebagai beberapa tepi.

Contoh 4: dosis ganda pada kasus pembuka. Sinyal dari mesin cuci menyala 60 s, sedangkan dosis hanya 45 s. Program yang memulai dosis setiap kali sinyal menyala dan pompa tidak bekerja akan memulai dosis kedua pada detik ke-45. Program diperbaiki dengan memulai dosis hanya pada tepi naik, dan dengan keadaan "menunggu sinyal lepas" yang baru kembali ke siaga setelah sinyal mati.

Contoh 5: histeresis pemanas. Pemanas menyala di bawah 80 °C dan mati di atas 84 °C. Air naik 1,5 °C per menit saat dipanaskan dan turun 0,5 °C per menit saat tidak dipanaskan. Satu siklus sekitar $4/1{,}5 + 4/0{,}5 = 10{,}7$ menit, jadi sekitar 5,6 kali penyalaan per jam. Dengan satu ambang dan derau sensor 0,2 °C, kontaktor dapat menyala dan mati beberapa kali dalam satu detik di sekitar ambang.

Contoh 6: penyaring orde satu. Pembacaan suhu setiap 0,1 s disaring dengan tetapan waktu 2 s, sehingga $a = 0{,}1/2{,}1 = 0{,}048$. Setelah perubahan mendadak, nilai tersaring mencapai sekitar 63% perubahan dalam 2 s. Untuk pengaman suhu, penundaan ini terlalu lama bila suhu dapat naik cepat; pengaman memakai pembacaan tanpa penyaring kuat, atau pengaman perangkat keras.

Contoh 7: mesin keadaan dispenser. Keadaan: SIAGA, MEMOMPA, MENUNGGU_LEPAS, GALAT. Dari SIAGA ke MEMOMPA pada tepi naik sinyal, dengan tindakan masuk menyalakan pompa dan mencatat saat mulai. Dari MEMOMPA ke MENUNGGU_LEPAS bila 45 s tercapai, dengan pompa dimatikan. Dari MENUNGGU_LEPAS ke SIAGA bila sinyal mati. Dari keadaan mana pun ke GALAT bila tombol berhenti ditekan atau sensor bocor aktif, dengan pompa dimatikan. Setiap peralihan dapat diuji satu per satu.

Contoh 8: jeda dan lanjut. Pada mesin cuci, sakelar getar menutup saat putaran tidak seimbang. Program masuk ke keadaan JEDA: pewaktu langkah berhenti, motor dihentikan, dan nomor langkah disimpan. Setelah muatan diatur ulang dan operator menekan lanjut, program kembali ke langkah yang sama dengan sisa waktunya, tidak memulai dari awal.

Contoh 9: menguji sinyal sangat singkat. Pada pengujian, sinyal pemicu diberikan hanya 20 ms. Dengan peredam 30 ms, sinyal itu diabaikan. Bila mesin cuci memang dapat memberi sinyal sesingkat itu, peredam diperpendek atau sinyal ditahan oleh rangkaian; bila tidak, perilaku itu dicatat sebagai sengaja untuk menolak derau.

Kondisi berhenti

Hentikan pemakaian mesin atau perubahan program dan minta keputusan pabrik atau penyelia bila:

1. Tombol berhenti atau pengaman tidak bereaksi pada salah satu keadaan program.
2. Program mesin dari pabrik akan diubah tanpa izin dan tanpa salinan program asli.
3. Gejala menunjuk dosis ganda, langkah terlewat, atau urutan yang salah pada mesin yang memakai bahan kimia atau panas.
4. Perubahan diferensial, waktu peredam, atau penyaring dapat menunda tanggapan pengaman.
5. Program buatan bengkel dipakai tanpa daftar uji yang tertulis dan hasil ujinya.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Tunda waktu itu praktis." Perintah tunda menahan seluruh program, termasuk pembacaan tombol berhenti.
2. "Sinyal menyala sama dengan sinyal datang." Sekali per sinyal berarti pada tepi naik, bukan pada keadaan.
3. "Makin kuat penyaring, makin baik." Penyaring kuat menunda tanggapan.
4. "Satu ambang cukup." Tanpa histeresis, keluaran bergetar di sekitar ambang.
5. "Program yang lolos urutan normal sudah benar." Galat, batas, dan waktu kerja panjang juga harus diuji.
6. "Masalah program tidak dapat didiagnosis teknisi." Gejala yang dicatat dengan waktu dan urutan membantu pabrik menemukan kesalahannya.

Hubungan dengan bab lain

Bab 7 · Sistem, Diagram & Diagnosis memberi diagram keadaan, Bab 63 · Kelistrikan & Kendali dan Bab 64 · Kelistrikan & Kendali siklus pindai dan pemrograman PLC, Bab 3 · Dispensing Kimia logika kontroler dispenser, Bab 2 papan kendali, Bab 3 luapan penghitung, dan Bab 58 · Kelistrikan & Kendali kendali dengan sakelar proses dan diferensialnya. Bab berikutnya di rak ini membahas komunikasi data antarperangkat lapangan.

Latihan dan pembahasan

1. Waktu siklus 20 ms. Dapatkah program membaca denyut selebar 15 ms dengan andal? Jelaskan.
2. Kontak memantul 12 ms dan waktu siklus 4 ms. Berapa pembacaan berurutan untuk syarat stabil 20 ms?
3. Pemanas tangki menyala di bawah 60 °C dan mati di atas 64 °C; air naik 2 °C per menit saat dipanaskan dan turun 0,4 °C per menit. Berapa penyalaan per jam?
4. Hitung koefisien penyaring orde satu untuk tetapan waktu 1 s dan selang pembacaan 50 ms.
5. Mengapa perintah tunda berbahaya dalam program yang juga harus membaca tombol berhenti?
6. Susun keadaan dan peralihan untuk pompa pengisi tangki dengan sakelar level rendah, sakelar level tinggi, dan galat waktu isi terlalu lama.

Kunci jawaban beralasan

1. Tidak andal. Denyut 15 ms dapat jatuh seluruhnya di antara dua pembacaan yang berjarak 20 ms. Dipakai interupsi, penahan denyut, atau loop yang lebih cepat.
2. $20/4 = 5$ pembacaan berurutan yang sama, lebih lama dari pantulan 12 ms.
3. Satu siklus $4/2 + 4/0{,}4 = 12$ menit, jadi 5 kali per jam.
4. $a = 0{,}05/(1 + 0{,}05) = 0{,}048$. Setiap pembacaan baru hanya menggeser nilai tersaring sekitar 5% ke arah pembacaan itu, sehingga lonjakan derau sesaat hampir tidak terlihat, tetapi perubahan nyata juga baru tampak penuh setelah beberapa detik.
5. Selama tunda, loop tidak berputar, sehingga tombol berhenti, sensor bocor, dan galat lain tidak terbaca sampai tunda selesai. Pada kasus pembuka, pompa tetap bekerja 45 detik walaupun selang bocor.
6. Keadaan: SIAGA, MENGISI, PENUH, GALAT. SIAGA ke MENGISI bila level rendah aktif, dengan pompa menyala dan pewaktu isi dimulai. MENGISI ke PENUH bila level tinggi aktif, dengan pompa mati. PENUH ke SIAGA bila level tinggi lepas. MENGISI ke GALAT bila pewaktu isi melewati batas, dengan pompa mati dan alarm menyala. GALAT ke SIAGA hanya setelah reset oleh operator.

Referensi