Sejarah Singkat: Teori & Teknologi Sistem Kontrol dan SCADA

Automatic Control berperan penting di berbagai bidang pengetahuan, baik itu sains maupun teknik. Teori dan praktek automatic control berguna untuk mencapai performa optimal dari sebuah sistem dinamis, dapat meningkatkan produktivitas, dan mempermudah manusia untuk melakukan pekerjaan yang berulang-ulang.

Pertama kita bahas tentang sejarah perkembangan disiplin ilmu automatic control, agar kita bisa membuat frame di pikiran kita mulai dari yang sederhana sampai yang kompleks.

• Pada abad ke-18, James Watt membuat centrifugal governor sebagai speed control untuk steam engine.

• Tahun 1922, Minorsky mengerjakan automatic controller untuk setir kapal dan dia bisa menunjukan bahwa kestabilan dapat ditentukan dari persamaan-persamaan differensial yang  mendeskripsikan sistem.

• Tahun 1932, Nyquist mengembangkan prosedur yang relatif sederhana untuk menentukan kestabilan dari closed-loop system berdasarkan respon open-loop terhadap input sinusoidal yang steady-state.

• Tahun 1934, Hazen mengenalkan istilah "servomechanism" untuk sistem kendali posisi, dia mendiskusikan sebuah desain relay servomechanism yang mampu mengikuti input yang berubah-ubah.

• Tahun 1940, metode Frequency Response (terutama metode Bode-Diagram yang diciptakan oleh Bode) membuat para insinyur dapat mendesain sistem kendali "linear closed-loop" yang memenuhi kebutuhan performa.

• Di akhir 1940 sampai awal 1950 an, metode Root-Locus telah dikembangkan secara keseluruhan oleh Evans. Metode Frequency-Response dan Metode Root-Locus adalah inti dari teori kontrol klasik, metode tersebut menghasilkan sistem yang stabil dan kurang lebih bisa memenuhi satu set kebutuhan performa. Sistem seperti ini bisa diterima tapi belum optimal.

• Di akhir 1950, permasalahan desain kontrol telah berubah dari "mendesain sebuah sistem banyak yang bekerja" ke "mendesain sebuah sistem yang paling optimal". Plant modern dengan input dan output banyak membuat permasalahan semakin rumit, sistem kendali modern membutuhkan persamaan-persamaan yang sangat banyak. Sistem kendali klasik yang hanya bisa bekerja pada sistem single input single output menjadi tidak berguna.

• Tahun 1960 komputer digital membantu analisis time-domain dari sebuah sistem yang kompleks. Teori sistem kendali modern berdasarkan analisis time-domain dan sintesis menggunakan state variable, telah dikembangkan untuk mengatasi permasalahan plant modern yang semakin rumit dan kebutuhan yang ketat terhadap akurasi, berat, dan biaya pada aplikasi di bidang militer, angkasa, dan industri.

• Tahun 1960 sampai 1980, kendali optimal untuk sistem deterministic maupun stochastic, dan juga adaptive and learning control untuk sistem kompleks sudah diteliti secara keseluruhan. 

• Tahun 1980 sampai dengan sekarang, perkembangan teori kendali modern berpusat pada robust control, H∞ control, dan topik-topik lainnya yang berkaitan.

Sejarah yang sudah disampaikan diatas adalah sejarah tentang "Strategi dan Konfigurasi Kontrol". Sementara itu untuk sejarah "Teknologi Pengontrol" kita buat terpisah. Dari sejarah Teknologi Pengontrol ini bisa ketahui mulai dari yang paling primitif sampai yang paling canggih:

• Tahun 1930 - 1940 an: Manual & Local Control. Semua pengamatan dan pengontrolan di lapangan. Variasi performa plant: akurasi rendah, human error, emosi, respon lambat.

• Tahun 1940 - 1950 an: Analog Pneumatic Control. Sebagian besar pengamatan terpusat di ruang kontrol, sehingga respon cepat dan variasi performa plant berkurang. Mimic panel menampilkan equipment status (lampu pilot), annunciated alarm, process variable, dan sangat tergantung persepsi operator. Beberapa aksi kontrol masih manual di lapangan.

• Tahun 1960 - 1970 an: Centralized Computer Control. Komputer terpusat berfungsi untuk mengumpulkan, memproses, menyimpan dan memperagakan informasi serta mengontrol dan mengubah setpoint. Kelebihan sistem ini adalah memiliki aplikasi kontrol tingkat lanjut, kontrol yang lebih fleksibel, dan bisa akuisisi data & alarm. Kekurangan sistem ini adalah keandalan komputer terbatas, wiring kompleks, HMI & pemrograman butuh keahlian tinggi, dan investasi mahal. Centralized Computer Control terdiri dari dua computer:

1. Direct Digital Control (DDC). DDC adalah komputer yang mengendalikan semua aktuator di lapangan. Sistem bertumpu pada komputer dengan memori kecil dan berbasis drum memori sehingga responnya masih lambat. Pemrograman menggunakan bahasa mesin. Sizing project sangat sulit karena teknologi komputer saat itu masih terbatas. Keandalan komputer masih terbatas seperti komponen masih sangat sensitif terhadap suhu, sehingga ketergantungan pada AC ruangan.

2. Supervisory Computer, berfungsi untuk mengumpulkan, memproses, menyimpan, dan memperagakan informasi serta mengubah setpoint. Fungsi pengontrolan proses masih menggunakan pengontrol analog yang di supervisor oleh komputer.

• Tahun 1980 an: Distributed Control System (DCS). Unit-unit produksi atau per bagian produksi dikontrol oleh satu unit pengontrol lokal (local control unit / field control station) sehingga pengontrolan dilakukan secara terdistribusi. Komputer pusat atau beberapa komputer terpisah berfungsi untuk memproses, menyimpan, dan memperagakan informasi dan mengubah setpoint / tuning pengontrol.

• Tahun 1990 an: Smart Instrumentation, Valve & Control. Supervisory control dan model predictive control dikonfigurasikan pada komputer khusus. Neural networks, online diagnostics, dan expert systems dikonfigurasi pada komputer khusus. Real time optimization dikonfigurasi pada komputer khusus.

• Tahun 2000 an: Fieldbus based Digital Smart Control. Bus digital dapat menggunakan sepenuhnya keunggulan smart transmitter dan valve. PID controller untuk laju aliran dan tekanan diinstall di valve. Model predictive control, neural networks, online diagnostics, dan expert sysyems terintegrasi dalam suatu GUI berbasis fieldbus dan dikonfigurasikan di PC. Biaya infrastruktur, interface, dan engineering turun secara drastis. Perangkan lunak APC cukup mudah digunakan oleh process engineer dan control engineer.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) adalah arsitektur sistem kontrol yang menggunakan komputer, networked data communication dan GUI untuk proses pemantauan managemen tingkat tinggi, tetapi menggunakan perangkat peripheral lainnya juga seperti PLC dan discrete PID controller sebagai interface dengan mesin / process plant. Teknologi ini berkembang dari tahun 1970 an sampai sekarang dan memiliki sejarahnya tersendiri. SCADA terdiri dari empat generasi:

1. Monolothic / Stand Alone SCADA Sytem

Ketika sistem SCADA pertama dikembangkan, konsep komputasi secara umum terpusat pada sistem "mainframe". Jaringan secara umum belum ada, dan setiap sistem terpusat berdiri sendiri. Hasilnya, sistem SCADA menjadi sistem yang berdiri sendiri masing-masing tanpa ada konektivitas ke sistem lainnya.

Wide Area Network (WAN) yang diimplementasikan untuk komunikasi dengan Remote Terminal Unit (RTU) didesain hanya untuk satu tujuan: komunikasi dengan RTU-RTU di lapangan, tidak lebih. Sebagai tambahan, protokol WAN yang digunakan hari ini sama sekali tidak diketahui saat itu. Protokol komunikasi yang digunakan di jaringan SCADA dikembangkan oleh vendor peralatan RTU dan seringkali bersifat "proprietary" (harus menggunakan merk/pabrikan yang sama dengan alat lainnya).

Sebagai tambahan, protokol ini secara umum terlalu "santai", tidak ada fungsi lain lagi selain scanning dan controlling poin di perangkat remote yang dibutuhkan. Dan juga secara umum tidak bisa dicampur dengan traffic data jenis lain dengan komunikasi RTU di jaringan.

Konektivitas ke SCADA master station pun sangat terbatas oleh sistem vendor. Koneksi ke master biasanya didesain di level bus lewat adapter proprietary atau controller yang dicolok ke Central Processing Unit (CPU).

Redundancy (pengulangan) di sistem generasi pertama ini terdapat pada penggunaan dua sistem mainframe yang identik, satu sebagai mainframe utama dan satu lagi sebagai cadangan, keduanya terhubung di level bus.

Sistem yang standby (cadangan) fungsi utamanya adalah untuk memonitor sistem utama dan mengambil alih ketika terjadi kegagalan. Operasi standby seperti ini berarti sedikit atau bahkan tidak ada sama sekali process yang terjadi pada sistem standby. 

2. Distributed SCADA System

Generasi selanjutnya dari sistem SCADA memanfaatkan perkembangan dan kemajuan pada Sistem Miniaturisasi dan teknologi Local Area Network (LAN) untuk mendistribusikan proses ke banyak sistem. Stasiun yang banyak, tiap-tiap stasiun memiliki fungsi yang spesifik, terhubung lewat LAN dan saling bertukar informasi secara real-time.

Stasiun ini biasanya kelas mini-computer, ukurannya lebih kecil dan lebih murah dibandingkan dengan prosesor generasi pertama.

Beberapa stasiun tersebar berfungsi sebagai prosesor komunikasi, fungsi utamanya untuk komunikasi ke perangkat lapangan seperti RTU. Beberapa stasiun lainnya berfungsi sebagai interface untuk operator, menyediakan Human Machine Interface (HMI) untuk operator sistem. Dan stasiun lainnya berfungsi sebagai prosesor kalkulasi atau server database.

Sistem SCADA individu yang fungsinya tersebar pada sistem yang banyak, menghasilkan kekuatan processing ke sistem sebagai keseluruhan dibanding single processor yang hanya sebagian. Jaringan yang terhubung antar sistem SCADA individu umumnya berdasarkan protokol LAN dan tidak dapat melebihi batas dari lingkungan lokal.

Beberapa protokol LAN yang digunakan bersifat proprietary, berarti vendor membuat protokol jaringan mereka sendiri dibanding menggunakan protokol jaringan yang sudah ada. Hal ini membuat vendor bisa mengoptimalkan protokol LAN untuk traffic data yang real-time, tetapi jaringannya bersifat terbatas (atau tidak bisa sama sekali) untuk vendor SCADA LAN yang lain (berbeda pabrikan).

Sistem SCADA individu yang funsinya tersebar pada sistem yang banyak, bukan hanya menghasilkan kekuatan processing ke sistem, tapi juga meningkatkan redundancy dan reliability (keandalan) sistem secara keseluruhan. Dibanding dengan skema pergantian perangkat utama ke perangkat cadangan yang digunakan di generasi pertama, arsitektur tersebar dapat menjaga semua stasiun di jaringan LAN dalam kondisi online setiap saat.

Sebagai contoh, jika stasiun HMI mengalami kegagalan, maka stasiun HMI yang lain bisa digunakan untuk mengoperasikan sistem tanpa harus menunggu pergantian dari perangkat utama ke perangkat cadangan.

Teknologi WAN digunakan untuk komunikasi perangkat di lapangan secara garis besar tidak berubah oleh teknologi LAN antara stasiun lokal dengan master SCADA. Komunikasi eksternal masih dibatasi oleh protokol RTU dan tidak tersedia untuk jaringan jenis lain.

Seperti pada kasus sistem generasi pertama, SCADA generasi kedua ini juga dibatasi oleh hardware, software, dan perangkat peripheral yang disediakan oleh vendor.

3. Networked SCADA System

Arsitektur stasiun master SCADA generasi ketiga ini mirip dengan generasi kedua, dengan perbedaan utamanya adalah arsitektur sistem yang terbuka dan tidak lagi dikendalikan oleh vendor / proprietary.

Di generasi ini masih menggunakan sistem jaringan banyak dan sharing fungsi stasiun master. Dam masih terdapat penggunakan protokol RTU yang vendor-proprietary.

Perkembangan besar di generasi ketiga ini adalah terbukanya sistem arsitektur, pengunaan standar dan protokol yang terbuka sehingga membuat fungsi SCADA bisa disebar ke WAN juga tidak hanya LAN.

Standar terbuka menghilangkan batasan-batasan dari generasi SCADA sebelumnya. Penggunaan sistem terbuka membuat pengguna lebih mudah untuk menghubungkan perangkat peripheral pihak ketiga seperti monitor, printer, disk drive, dll ke sistem dan/atau jaringan.

Karena mereka telah berubah ke sistem terbuka, para vendor SCADA sudah mulai keluar dari bisnis pengembangan hardware. Vendor-vendor ini mulai melirik vendor sistem seperti Compaq, Hewlett-Packard, dan Sun Microsystems untuk keahlian mereka dalam mengembangkan platform komputer dasar dan software operating system.

Hal ini membuat vendor SCADA lebih berkonsentrasi dalam mengembangkan di area yang mereka bisa menambhkan nilai spesifik ke sistem software stasiun master SCADA.

Kemajuan besar dari generasi ketiga sistem SCADA ini berasal dair penggunaan protokol WAN seperti Internet Protocol (IP) untuk komunikasi antara stasiun master dengan peralatan komunikasi. Hal ini membuat porsi tugas stasiun master yang berfungsi untuk komunikasi dengan peralatan lapangan dipisahkan dengan porsi tugas stasiun master yang berhubungan dengan WAN.

Vendor saat ini memproduksi RTU yang bisa berkomunikasi dengan stasiun master lewat koneksi ethernet.

Keunggulan lainnya dari distribusi fungsi SCADA lewat WAN adalah kemampuan bertahan disaat ada bencana. Pendistribusian proses SCADA lewat LAN di generasi kedua meningkatkan keandalan, tetapi pada saat terjadi kerusakan total pada fasilitas bangunan master SCADA, keseluruhan sistem dapat hilang juga.

Dengan disebarnya proses SCADA di berbagai tempat yang berbeda, membuat sistem SCADA bisa bertahan saat terjadi kerusakan total pada salah satu lokasi.

4. Web-Based SCADA System

Generasi keempat SCADA yang sedang berkembang saat ini memanfaatkan teknologi Cloud Computing dan Internet of Things (IoT) yang secara kontinyu terus menerus berkembang. Menggunakan IoT dan Cloud Computing seperti WebHMI dan HTML5, sistem SCADA generasi keempat dapat melaporkan status site yang jaraknya jauh dan tersebar secara real-time sekaligus menggunakan keunggulan Cloud Computing environment untuk mengimplementasikan algoritma control tingkat lanjut. Keamanan sistem SCADA juga menjadi sorotan yang tambahan karena menggunakan IoT dan Cloud Computing. 

Referensi
(it's a quick research, sorry for some unreliable sources)

1. Katsuhiko Ogata, 2002: Modern Control Engineering, 4th Edition.
2. Ade Haryanto, 2018: Slide Power Point Tinjauan Sistem Kontrol, Seri Process Control & Instrumentation. LAPI ITB
3. https://electrical-engineering-portal.com/three-generations-of-scada-system-architectures
4. https://inductiveautomation.com/resources/article/what-is-scada
5. https://en.wikipedia.org/wiki/SCADA
6. https://www.lanner-america.com/blog/fourth-generation-scada-systems-modernizing-remote-industrial-monitoring/