PENGENDALIAN PROSES produksi dan pengandalian (1)

PENGENDALIAN PROSES

Disusun oleh Ir. HERIYANTO, M.T.

KATA PENGANTAR

Buku ini disusun dengan dua tujuan yaitu, sebagai buku pegangan kuliah mahasiswa dan sebagai referensi bagi teknisi dan operator pabrik. Buku berisi konsep, prinsip, prosedur dan perhitungan yang dipakai oleh ahli teknik atau teknisi untuk menganalisa, memilih, merancang sistem pengendalian. Setelah memahami isi buku ini diharapkan dapat memiliki pengetahuan dan pemahaman pengendalian proses sehingga mampu menerapkan pada kondisi nyata.

Pengendalian proses umumnya sarat dengan matematika. Tetapi dalam buku ini matematika tidak menjadi landasan utama, meskipun tidak dapat dihindari. Oleh sebab itu pendekatan yang dilakukan bukan dengan analisis transformasi Laplace seperti yang biasa dilakukan di hampir seluruh perguruan tinggi. Ini atas dasar pertimbangan, bahwa dalam kondisi nyata, pada saat operator berhadapan langsung dengan sistem pengendalian di pabrik, mereka tidak memerlukan analisis transformasi Laplace. Transformasi Laplace hanya dipakai untuk pemodelan dan analisis sistem linier.

Sasaran pemakai buku ini adalah untuk mahasiswa Diploma III atau Politeknik Jurusan Teknik Kimia dan Kimia Inudstri serta umumnya untuk mahasiswa dari bidang yang berkaitan atau sedang mempelajari teknologi proses misalnya Teknik Mesin, Teknik Energi, dan Teknik Refrigerasi.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Politeknik Negeri Bandung atas Penyusunan Bahan Ajar dalam Kurikulum Berbasis Kompetensi (Kurikulum 2007) yang dibiayai dari DIPA tahun anggaran 2010, sehingga penulisan Buku Ajar ini dapat dilaksanakan. Tidak lupa penulis juga mengucapkan terima kasih kepada semua fihak, baik yang langsung maupun tidak langsung telah membantu penulisan buku ini. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa buku ini masih kurang sempurna. Oleh sebab itu segala saran dan kritik yang bersifat membangun sangat dinantikan. Semoga buku ini bermanfaat.

Bandung, Juni 2010 Ir. Heriyanto, M.T.

DAFTAR ISTILAH

Gangguan yaitu besaran yang menyebabkan penyimpangan keadaan proses.

Mengendalikan (kata kerja) adalah “memperoleh” keadaan yang diinginkan dengan cara mengatur variabel tertentu dalam sistem.

Offset adalah selisih antara nilai setpoint dan variabel proses setelah tercapat kondisi tunak (steady state).

Pengendalian proses adalah “cara memperoleh” keadaan proses agar sesuai dengan yang diinginkan.

Pengendalian umpan balik adalah pengendalian yang memakai variabel keluaran sistem untuk mempengaruhi masukan dari sistem yang sama.

Pengendalian umpan maju (feedforward control) adalah pengendalian yang memakai variabel masukan untuk mempengaruhi variabel masukan lain dalam sistem.

Proportional gain atau sensitivitas proporsional adalah perbandingan antara perubahan sinyal kendali (u) dan perubahan error (e).

Proportional band (PB), yaitu persentase perubahan error atau pengukuran yang menghasilkan perubahan sinyal kendali atau manipulated variable sebesar 100%.

Proses dalam kata pengendalian proses dan industri proses menunjuk pada “cara perubahan” materi atau energi untuk memperoleh produk akhir.

Setpoint adalah nilai variabel proses yang diinginkan.

Sistem proses adalah rangkaian operasi yang menangani perubahan material dan/atau energi secara fisiko-kimia sehingga diperoleh produk atau keadaan yang diingink.

Variabel keadaan adalah besaran yang menyatakan keadaan dinamik sistem

Variabel proses (process variable, PV) adalah besaran yang menyatakan keadaan proses.

Variabel pengendali atau variabel termanipulasi (manipulated variable, MV) yaitu besaran yang dipakai untuk mengendalikan atau mempertahankan keadaan proses.

BAB-1 PENDAHULUAN TUJUAN PEMBELAJARAN UMUM

Mengenal dasar-dasar pengendalian proses secara kualitatif.

TUJUAN PEMBELAJARAN KHUSUS Setelah menyelesaikan bab ini, mahasiswa diharapkan dapat:

1.1 menjelaskan alasan mengapa proses perlu dikendalikan.

1.2 menjelaskan prinsip pengendalian proses

1.3 membedakan jenis pengendalian lingkar terbuka dan tertutup

1.4 menyebutkan hakikat utama tujuan pengendalian proses

1.5 menjelaskan kriteria pengendalian yang baik.

1.1 SISTEM PROSES DAN PENGENDALIAN

Sistem pengendalian banyak ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa contoh misalnya mempertahankan suhu tubuh 37 o

C oleh pusat kendali hipotalamus; mempertahankan arah kendaraan bermotor dalam jalur yang benar; mempertahankan suhu

ruangan dalam kisaran 18 hingga 22 o C; dan masih banyak lagi. Dalam industri proses, sistem pengendalian bertujuan untuk mencapai kondisi proses agar diperoleh produk akhir

yang sesuai. Namun, apakah memang betul-betul diperlukan pengendalian proses? Proses tidak perlu dikendalikan jika memang tujuan proses tercapai tanpa aksi pengendalian. Contoh sederhana mempertahankan suhu air pada titik didih. Meskipun tanpa pengendalian suhu air akan tetap. Sebaliknya, proses perlu dikendalikan jika untuk mencapai tujuan

perlu pengawasan terus-menerus. Misalnya mempertahankan suhu air pada 40 o

C dalam kondisi lingkungan normal.

Proses dalam kata pengendalian proses dan industri proses menunjuk pada “cara perubahan” materi atau energi untuk memperoleh produk akhir.

Dalam industri proses modern terdapat peralatan proses yang bekerja pada suhu dan tekanan ekstrem. Rangkaian peralatan sudah sedemikian kompleks. Sementara kondisi proses bersifat dinamik. Dari waktu ke waktu dapat berubah-ubah. Perubahan sedikit pada kondisi proses bisa berakibat fatal. Inilah yang menjadi alasan mengapa diperlukan suatu sistem pengendalian.

Mengendalikan (kata kerja) adalah “memperoleh” keadaan yang diinginkan dengan

cara mengatur variabel tertentu dalam sistem.

Sistem pengendalian atau sistem kontrol adalah susunan beberapa komponen yang terangkai membentuk aksi pengendalian. Sistem pengendalian yang diterapkan dalam teknologi proses disebut sistem pengendalian proses. Dalam bidang ini, pengendalian proses diterapkan pada reaktor, penukar panas (heat exchanger), kolom pemisahan (misalnya distilasi, absorpsi, ekstraksi), tangki penampung cairan, aliran fluida, dan masih banyak lagi.

Pengendalian proses adalah “cara memperoleh” keadaan proses agar sesuai dengan yang diinginkan

1.2 PERANAN PENGENDALIAN PROSES

Peranan pengendalian proses dalam pabrik kimia mecakup tiga kelompok yaitu keamanan (safety), kehandalan operasi (operability), dan keuntungan eknomi (profitability).

1.2.1 Keamanan (safety)

Dalam kelompok ini, keamanan meliputi: keselamatan manusia, perlindungan peralatan, dan perlindungan lingkungan.

(a) Keselamatan Manusia

Sistem pengendalian bertugas menjaga keselamatan kerja. Beberapa sistem proses di pabrik memiliki kondisi operasi yang berbahaya bagi keselamatan manusia. Kondisi operasi pada suhu dan tekanan tinggi dengan bahan kimia berbahaya sangat berpotensi menimbulkan kecelakaan. Perlengkapan sistem alarm dan safety valve dapat memperkecil kemungkinan kecelakaan akibat kondisi ekstrem terlampaui.

(b) Perlindungan Peralatan Sistem pengendalian bertugas mempertahankan batas aman operasi. Peralatan industri biasanya mahal dan sulit diperoleh. Jika terjadi kondisi darurat, sistem dapat melakukan penghentian (automatic shutdown) dan penguncian darurat (automatic emergency interlock) sehingga kegagalan satu peralatan tidak menjalar ke peralatan lain. Sistem ini selain melindungi peralatan juga melindungi manusia dari kecelakaan.

(c) Perlindungan Lingkungan

Sistem pengendalian bertugas mempertahankan batas aman pencemaran. Proses industri dapat menghasilkan bahan berbahaya bagi lingkungan. Kebocoran gas, cairan, atau padatan beracun dan yang merusak lingkungan perlu dihindari. Gas-gas yang berbahaya dan mudah terbakar disalurkan ke menara pembakar (flare). Jika menara pembakar tidak mampu menangani, gas terpaksa dibuang ke atmosfer melalui pressure safety valve untuk menghindari kondisi ekstrem yang membahayakan peralatan dan manusia.

1.2.2 Kehandalan Operasi (operability)

Kehandalan operasi meliputi ketahanan terhadap gangguan produktivitas dan kualitas produk. Sistem pengendalian proses harus mampu menekan pengaruh gangguan sehingga dapat mempertahankan kondisi operasi yang mantap (steady operation) dalam batas operasional (operational constraint). Dengan perkataan lain, pengendalian proses mampu memperkecil keragaman kualitas dan produktivitas. Kualitas dan produktivitas sesuai spesifikasi dengan tingkat keragaman (variability) sekecil mungkin.

1.2.3 Keuntungan Ekonomi (profitability)

Keuntungan ekonomi menjadi tujuan akhir dari proses produksi. Proses yang tidak aman dengan kondisi operasi tidak optimal, akan memperkecil keuntungan. Oleh sebab itu sistem pengendalian bertujuan menghasilkan kondisi operasi optimum. Ini mengandung arti kuantitas dan kualitas produk utama (yield) maksimum dengan biaya produksi minimum.

Kuantitas dan kualitas (atau spesifikasi) produk ditetapkan oleh permintaan pasar. Jika terjadi penyimpangan dari spesifikasi akan menurunkan nilai jual produk. Misalnya, spesifikasi produk dengan batas maksimum pengotor, maksimum viskositas, minimum ketebalan, minimum konsentrasi, dsb.

Pengendalian proses bekerja untuk menghasilkan kualitas produk sedekat mungkin dengan batas spesifikasi agar keuntungan maksimum. Pada proses tanpa pengendalian Pengendalian proses bekerja untuk menghasilkan kualitas produk sedekat mungkin dengan batas spesifikasi agar keuntungan maksimum. Pada proses tanpa pengendalian

(1) Keamanan (safety) . Menjaga dan mempertahankan batas aman keselamatan kerja, operasi, dan pencemaran; (2) Kehandalan operasi (operability) . Mempertahankan kondisi tetap mantap dalam batas operasional (operational constraint) sehingga produktivitas dan kualitas produk terjaga (3) Keuntungan (profitability) : proses berjalan optimum dengan keuntungan maksimum.

Semua tujuan pengendalian proses seperti yang telah diuraikan adalah untuk pabrik secara keseluruhan. Sementara itu, pengendalian pabrik kimia dapat dirinci ke dalam pengendalian unit-unit proses atau operasi secara individual. Oleh sebab itu pembahasan dalam buku ini difokuskan pada metode pengendalian untuk variabel proses individual.

Batas spefisikasi Batas spefisikasi

g an

tu Rata-rata produk

Rata-rata produk eu

Waktu (a) Tanpa Pengendalian

Waktu

(b) Dengan Pengendalian

Gambar 1.1 Peranan pengendalian dalam industri proses.

1.3 PRINSIP PENGENDALIAN PROSES

Langkah pertama dalam memahami pengendalian proses dapat dimulai dengan mempelajari contoh proses pemanasan dalam alat penukar panas seperti dilukiskan pada gambar 1.2. Tujuan proses adalah memanaskan aliran minyak hingga suhu tertentu. Minyak dingin masuk penukar panas dan dipanaskan oleh aliran air panas. Suhu minyak keluar menunjukkan hasil kerja proses pemanasan. Oleh sebab itu suhu minyak keluar disebut sebagai nilai proses (process value), variabel proses (process variable), atau variabel keluaran (output variable) sistem proses.

Pada proses pemanasan, minyak dingin menjadi panas karena terjadi perpindahan panas dari aliran air panas ke minyak dingin. Proses ini dipengaruhi oleh: (1) laju aliran minyak masuk, (2) suhu minyak masuk, (3) laju alir air panas, (4) suhu air panas, dan (5) kehilangan panas ke lingkungan. Dengan kata lain, suhu minyak keluar dipengaruhi oleh ke lima besaran tersebut. Ke lima besaran itu sebagai variabel masukan sistem proses yaitu

Gambar 1.2 Proses pemanasan cairan dalam penukar panas

Laju dan suhu aliran minyak masuk serta kehilangan panas bersifat membebani proses, sehingga disebut beban proses. Perubahan pada beban bersifat sebagai gangguan beban (load disturbance) atau variabel gangguan beban. Berbeda dengan ketiganya, perubahan suhu air panas bersifat sebagai gangguan murni (bukan beban proses) karena bertindak sebagai pemanas. Sedangkan laju alir air panas yang digunakan sebagai pengendali suhu disebut sebagai variabel pengendali atau termanipulasi (manipulated variable).

Gambar 1.3 Diagram blok sistem proses pemanasan minyak.

Pengendalian proses bertujuan menjaga suhu minyak keluar (variabel proses) pada nilai yang diinginkan (setpoint). Ini dilakukan karena adanya gangguan yang berupa perubahan suhu aliran air panas, laju aliran minyak masuk, suhu minyak masuk, dan/atau kehilangan panas. Suhu minyak keluar disebut juga sebagai variabel terkendali (controlled variable) karena nilainya dikendalikan.

Mekanisme pengendalian dimulai dengan mengukur suhu minyak keluar. Hasil pengukuran dibandingkan dengan nilai yang diinginkan (setpoint). Berdasar perbedaan keduanya ditentukan tindakan apa yang akan dilakukan. Bila suhu minyak keluar lebih rendah dibanding suhu yang diinginkan, maka laju aliran air panas diperbesar. Dan sebaliknya, laju aliran air panas diperkecil. Mekanisme demikian disebut pengendalian umpan balik (feedback control).

Pada pengendalian otomatik, yang menjalankan mekanisme pengendalian diperankan oleh instrumen. Instrumen yang diperlukan dalam pengendalian suhu adalah unit pengukuran suhu (berisi sensor dan transmitter suhu), pengendali suhu (temperature controller) dan katup kendali (control valve). Ketiga komponen ini bersama dengan sistem proses (penukar panas) membentuk lingkar pengendalian umpan balik (feedback control loop) atau sistem lingkar tertutup (closed-loop system). Mekanisme pengendalian lingkar tertutup dapat dijelaskan melalui gambar 1.4.

(a)

(b)

Gambar 1.4 Pengendalian umpan balik pada proses pemanasan cairan.

(a) Hubungan antar komponen sistem pengendalian. (b) Diagram instrumentasi pengendalian.

Sensor mengindera variabel proses (suhu minyak keluar, T). Informasi suhu dari sensor selanjutnya diolah oleh transmitter dan dikirimkan ke pengendali dalam bentuk sinyal listrik atau pneumatik. Dalam pengendali, variabel proses terukur dibandingkan dengan setpoint (T r ). Perbedaan antara keduanya disebut error (e). Berdasar besar error, lamanya error, dan kecepatan error, pengendali suhu (temperature controller) melakukan perhitungan sesuai algoritma kendali untuk menghasilkan sinyal kendali (controller output, u) yang berupa sinyal listrik atau pneumatik yang dikirimkan ke elemen kendali akhir (final control element biasanya berupa katup kendali atau control valve). Perubahan pada sinyal kendali menyebabkan perubahan bukaan katup kendali. Perubahan ini menyebabkan perubahan manipulated variable (laju alir air panas, S). Jika perubahan manipulated variable dalam arah dan nilai yang benar, maka variabel proses terukur dapat dijaga pada nilai setpoint. Dengan cara demikian akan tercapai tujuan pengendalian.

Pengendalian umpan balik adalah pengendalian yang memakai variabel keluaran

sistem untuk mempengaruhi masukan dari sistem yang sama.

Prinsip pengendalian suhu tersebut di atas berlaku umum untuk semua pengendalian proses umpan balik. Di sini terdapat empat fungsi dasar, yaitu: mengukur (measurement), membandingkan (comparision), menghitung (computation, decision, atau evaluation) dan mengoreksi (correction atau action).

Tabel 1.1 Contoh empat fungsi dasar pengendalian.

Mengukur Membandingkan

Menghitung

Mengoreksi

Suhu cairan Suhu T dengan

Perkecil bukaan katup keluar (T)

Jika T > T r perkecil pemanas

nilai setpoint (T r )

Jika T < T r perbesar pemanas

Perbesar bukaan katup

Gambar 1.5 Diagram blok proses pemanasan minyak dalam penukar panas Keterangan T r setpoint (suhu minyak yang diinginkan)

F laju alir minyak masuk T suhu minyak keluar (variabel terkendali)

T o suhu minyak masuk T m suhu minyak keluar terukur

T h suhu air panas e error (= T r –T m )

S laju air panas (manipulated variable) u sinyal kendali (controller output)

Diagram blok pengendalian proses pemanasan minyak dingin dengan penukar panas dilukiskan pada gambar 1.5. Termokopel (sebagai sensor) mengukur variabel proses terukur (suhu minyak keluar) kemudian dikirimkan oleh transmitter dan diumpan-balikkan ke pengendali. Sinyal pengukuran yang diumpan-balikkan dikurangkan dari setpoint untuk menghasilkan error. Oleh pengendali, error dihitung melalui algoritma tertentu untuk menghasilkan sinyal kendali (controller signal atau controller output). Sinyal kendali dipakai untuk melakukan aksi mekanik katup kendali yang akan mengubah manipulated variable. Perubahan manipulated variable dipakai untuk menjaga variabel proses terukur pada nilai setpoint dari adanya perubahan pada variabel gangguan.

1.3.1 Pengendalian Lingkar Tertutup, Lingkar Terbuka dan Manual

Terdapat dua metode pengendalian, yaitu pengendalian umpan balik (feedback control) dan umpan maju (feedforward control). Pengendalian umpan balik bekerja berdasar perubahan variabel proses terkendali yaitu penyimpangan variabel proses terhadap setpoint. Sedangkan pengendalian umpan maju bekerja berdasar perubahan gangguan yang masuk sistem.

Pengendalian umpan balik yang dilakukan oleh instrumen kendali disebut pengendalian lingkar tertutup (closed loop control) atau pengendalian otomatik. Jika tidak ada umpan balik oleh instrumen kendali, disebut pengendalian lingkar terbuka (open loop control). Besar nilai sinyal kendali yang dikirimkan ke elemen kendali akhir ditetapkan berdasar perhitungan atau skala kebutuhan proses. Pada pengendalian lingkar terbuka (open loop control) jika tindakan umpan balik dilakukan oleh manusia, disebut pengendalian manual (manual control). Perlu ditegaskan, pada pengendalian manual, tetap Pengendalian umpan balik yang dilakukan oleh instrumen kendali disebut pengendalian lingkar tertutup (closed loop control) atau pengendalian otomatik. Jika tidak ada umpan balik oleh instrumen kendali, disebut pengendalian lingkar terbuka (open loop control). Besar nilai sinyal kendali yang dikirimkan ke elemen kendali akhir ditetapkan berdasar perhitungan atau skala kebutuhan proses. Pada pengendalian lingkar terbuka (open loop control) jika tindakan umpan balik dilakukan oleh manusia, disebut pengendalian manual (manual control). Perlu ditegaskan, pada pengendalian manual, tetap

1.3.2 Pengendalian Umpan Maju

Instrumen yang diperlukan dalam pengendalian umpan maju adalah unit pengukuran gangguan (sensor dan transmitter), pengendali (controller) dan katup kendali (control valve). Susunan ketiga komponen ini bersama dengan sistem proses (misalnya penukar panas) membentuk lingkar pengendalian umpan maju (feedforward control loop). Mekanisme pengendalian umpan dapat dijelaskan melalui gambar 1.7.

Pengendalian umpan maju (feedforward control) adalah pengendalian yang memakai variabel masukan untuk mempengaruhi variabel masukan lain dalam sistem.

Gambar 1.7 Diagram instrumentasi pengendalian umpan maju pada proses pemanasan

(FT – flow transmitter dan TT – temperature transmitter).

Prinsip pengendalian umpan maju dimulai dari mengukur gangguan, mengevaluasi dan selanjutnya melakukan koreksi besar variabel pengendali. Sensor-sensor FT dan TT berturut-turut menerima rangsangan dari gangguan yaitu laju alir cairan masuk, suhu cairan masuk, dan suhu pemanas. Informasi tersebut selanjutnya diolah oleh pengendali umpan maju. Dalam pengendali, dilakukan perhitungan untuk menentukan laju aliran pemanas (manipulated variable) yang dibutuhkan berdasar perubahan beban atau gangguan yang terjadi. Hasil perhitungan dikirimkan ke katup kendali agar dapat mengalirkan aliran pemanas sesuai kebutuhan.

Pengendalian umpan maju tidak mengukur variabel proses melainkan gangguan. Padahal tidak semua gangguan dapat atau mudah diukur. Sebagai contoh, kehilangan panas ke lingkungan termasuk besaran yang sukar diukur. Karena tidak semua gangguan Pengendalian umpan maju tidak mengukur variabel proses melainkan gangguan. Padahal tidak semua gangguan dapat atau mudah diukur. Sebagai contoh, kehilangan panas ke lingkungan termasuk besaran yang sukar diukur. Karena tidak semua gangguan

Gambar 1.8 Diagram blok pengendalian umpan maju pada proses pemanasan.

Keterangan F laju alir cairan masuk

S aliran pemanas sebagai manipulated variable T o suhu cairan masuk

u sinyal kendali (controller output) T h suhu aliran pemanas

1.4 TANGGAPAN TRANSIEN SISTEM PENGENDALIAN

Dalam sistem pengendalian umpan balik, variabel proses terkendali dipengaruhi oleh setpoint dan beban (gangguan). Perubahan setpoint dapat dilakukan oleh operator atau pengendali lain. Sedangkan beban dapat berubah secara acak tergantung sistem proses dan lingkungannya. Jika terjadi perubahan setpoint atau beban, idealnya nilai variabel proses terkendali selalu sama dengan setpoint. Tetapi kondisi demikian tidak selalu dapat diperoleh. Variabel proses mungkin akan mengalami beberapa cara perubahan, yaitu: sangat teredam (overdamped), redaman kritik (critically damped), teredam (underdamped), osilasi kontinyu (sustained oscillation), atau tidak stabil (amplitudo membesar).

Tanggapan tanpa osilasi bersifat lambat namun stabil. Tanggapan redaman kritik merupakan batas mulai terjadi osilasi teredam. Sedangkan tanggapan osilasi teredam mengalami sedikit gelombang di awal perubahan, dan selanjutnya amplitudo mengecil dan akhirnya hilang. Tanggapan ini cukup cepat meskipun sedikit terjadi ketidakstabilan. Pada tanggapan dengan osilasi kontinyu, variabel proses secara terus menerus bergelombang dengan amplitudo dan frekuensi yang tetap. Terakhir, tanggapan tak stabil, memiliki amplitudo membesar. Kondisi denikian sangat berbahaya karena dapat merusak sistem keseluruhan.

Gambar 1.9 Bentuk respons variabel proses pada perubahan nilai setpoint.

Dari keempat kemungkian tadi, yang paling dihindari, bahkan sama sekali tidak boleh terjadi adalah tanggapan tidak stabil (amplitudo membesar). Sedangkan tanggapan osilasi kontinyu dalam beberapa hal masih bisa diterima, meskipun cukup berbahaya.

1.5 TUJUAN PENGENDALIAN

Tujuan ideal pengendalian proses adalah mempertahankan nilai variabel proses agar sama dengan nilai yang diinginkan (setpoint). Tetapi tujuan tersebut sering tidak dapat atau sukar dipenuhi karena keterbatasan operasi dan kemampuan sistem pengendalian. Oleh sebab itu, tujuan praktis atau tujuan nyata pengendalian proses adalah mempertahankan nilai variabel proses di sekitar nilai yang diinginkan dalam batas-batas yang ditetapkan. Namun perlu diingat bahwa hakikat utama pengendalian proses dalam industri adalah untuk memperoleh hasil akhir proses produksi agar sesuai target. Makna dari pernyataan ini adalah, satu atau beberapa nilai variabel proses mungkin perlu dikorbankan semata- mata untuk mencapai tujuan yang lebih besar yaitu hasil akhir proses produksi.

Tujuan Ideal Mempertahankan nilai variabel proses agar sama dengan setpoint.

Tujuan Praktis

Mempertahankan nilai variabel proses di sekitar setpoint dalam batas yang ditetapkan.

Tujuan pengendalian erat berkaitan dengan kualitas pengendalian yang didasarkan atas tanggapan variabel proses bila ada perubahan setpoint atau beban. Jika terjadi perubahan setpoint atau beban, variabel proses diharapkan:

• secepat mungkin mencapai kondisi mantap (settling time sekecil mungkin); • setepat mungkin mencapai setpoint (offset sekecil mungkin); dan • sekecil mungkin terjadi osilasi (maximum error sekecil mungkin).

Kualitas pengendalian

Setelah terjadi perubahan beban atau sepoint, diharapkan; • settling time sekecil mungkin (cepat) • offset sekecil mungkin (tepat) • maximum error sekecil mungkin (stabil)

1.6 KRITERIA KUALITAS PENGENDALIAN

Evaluasi kinerja sistem pengendalian memerlukan dua hal, yaitu jenis uji dan kriteria yang tepat. Jenis uji yang sering dipakai adalah dengan cara mengubah nilai setpoint atau beban (step response test). Dari hasil uji, selanjutnya dianalisa apakah memenuhi kriteria atau tidak. Kriteria yang umum dipakai adalah: redaman seperempat amplitudo, redaman kritik, dan nilai minimum dari integral galat absolut (integral absolute error, IAE).

Kriteria Redaman Seperempat Amplitudo

Kriteria ini cukup populer, sebab mampu mengakomodasikan ketiga tujuan pengendalian sebagaimana tersebut di atas. Arti kriteria ini adalah, besar amplitudo berikutnya adalah seperempat dari sebelumnya. Atau decay ratio sebesar 0,25.

Gambar 1.10. Tanggapan sistem pengendalian lingkar tertutup pada perubahan setpoint.

Gambar 1.11. Tanggapan sistem pengendalian lingkar tertutup pada perubahan beban.

Kriteria Nilai Minimum dari Integral Galat (Error) Absolut Kriteria integral galat (error) absolut menunjukkan luas total galat (error). Kriteria IAE lebih disukai di kalangan praktisi industri karena kemudahan dalam mengukur.

Gambar 1.12. Kriteria redaman seperempat amplitudo dan IAE.

Kriteria Redaman Kritik Kriteria ini dipakai variabel proses tidak boleh melebihi batas spesifikasi yang ditetapkan. Kondisi redaman kritik merupakan batas osilasi teredam.

1.7 PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN

Perancangan sistem pengendalian sebenarnya tidak bisa dilepaskan dari perancangan proses. Sebab sistem proses yang telah dibangun tanpa mempertimbangkan metode pengendaliannya tidak dapat menghasilkan kinerja yang baik. Antara kebutuhan pengendalian dan proses kadang-kadang bertentangan. Sebagai contoh, katup kendali yang dipakai mengatur laju alir fluida. Bagi proses, katup sebaiknya mempunyai hambatan sekecil mungkin, sehingga menghemat energi. Sebaliknya bagi pengendalian proses, katup sebaiknya mempunyai hambatan besar, agar dapat dicapai pengendalian yang baik.

Langkah perancangan sistem pengendalian sekaligus bisa dijadikan urutan pembelajaran. Langkah pertama adalah memperoleh model proses baik dari analisis matematika maupun empirik melalui identifikasi sistem. Dari model proses diperoleh parameter proses atau diubah ke dalam bentuk fungsi transfer (transformasi Laplace atau z). Atas dasar model proses dianalisis perilaku dinamik atau digunakan untuk sintesis pengendalian. Bagaimana respon model terhadap masukan dapat dipelajari. Dari hasil analisis dapat ditentukan batas-batas dan cara mengendalikan. Sintesis sistem pengendalian dibuat dari model proses dengan kriteria yang ditetapkan. Hasilnya dianalisa apakah memenuhi kinerja yang diinginkan atau tidak. Pada saat ini dapat ditentukan parameter pengendali yang cocok. Bilamana hasilnya tetap belum memuaskan tetapi masih memungkinkan dari sisi teknologi dan ekonomi, perlu dicari strategi pengendalian lain yang lebih kompleks.

Sistem fisik

TRANSFORMASI sebenarnya

PEMODELAN

Model

MATEMATIKA teoritik

(LAPLACE atau Z)

Fungsi transfer

Perilaku sistem

SINTESIS PENGENDALIAN

Sistem pengendalian

Implementasi

pengendalian ANALISIS SISTEM

PENALAAN

Perilaku

proses PENGENDALIAN

PARAMETER

dinamik

Gambar 1.13 Diagram langkah perancangan atau pembelajaran pengendalian proses.

1.8 TERMINOLOGI

Variabel keadaan adalah besaran yang menyatakan keadaan dinamik sistem

Variabel proses (process variable, PV) adalah besaran yang menyatakan keadaan proses.

Variabel Terkendali (controlled variable) adalah variabel yang secara langsung dikendalikan.

Variabel Tak Dikendalikan (uncontrolled variable) adalah variabel proses yang tidak dikendalikan atau tidak langsung dikendalikan.

Variabel pengendali atau variabel termanipulasi (manipulated variable, MV) yaitu besaran yang dipakai untuk mengendalikan atau mempertahankan keadaan proses.

Gangguan adalah besaran yang menyebabkan penyimpangan keadaan proses.

Beban (load) atau gangguan beban (load disturbance) adalah besaran yang membebani proses dalam mencapai tujuan.

Setpoint, Titik Setel, atau Nilai Acuan (reference) adalah nilai variabel proses yang diinginkan atau nilai acuan variabel proses

SOAL-SOAL

A. ULANGAN

1. Apa peranan pengendalian proses di pabrik kimia?

2. Perhatikan pengendalian suhu pada setrika listrik. (a) Apa yang dikendalikan? (b) Apa yang dipakai mengendalikan? (c) Jelaskan mekanisme kerja pengendaliannya!

3. Apa hakikat utama dan tujuan pengendalian proses?

4. Apa arti kriteria redaman seperempat amplitudo, redaman kritik, dan IAE?

B. PILIHAN GANDA

Pilih satu jawab yang benar.

1. Hal berikut bukan merupakan sebab mengapa proses perlu dikendalikan,

A. Agar PV sesuai yang diinginkan

B. Agar MV di sekitar 50%

C. Keamanan proses

D. Efisiensi energi

2. Hal berikut bukan alasan mengapa perlu pengendalian proses…

A. proses berlangsung aman

B. operasi berlangsung halus (tidak berfluktuasi)

C. keuntungan yang besar

D. variabel pengendali tidak berfluktuasi

3. Tersebut di bawah alasan sistem proses perlu dikendalikan, kecuali …

A. nilai variabel proses tetap

B. nilai manipulated variable tetap

C. nilai variabel proses dan setpoint sama

D. energi minimum

4. Arti kriteria redaman seperempat amplitudo adalah…

A. perbandingan puncak dan puncak yang berurutan = 0,25

B. perbandingan puncak dan lembah yang berurutan = 0,25

C. perbandingan lembah dan puncak yang berurutan = 0,25

D. persentase overshoot = 25%

5. Kriteria kontrol yang menunjukkan error maksimum adalah

A. settling time

B. offset

C. overshoot dan offset

D. overshoot

6. Kriteria kontrol meliputi besaran yang berkaitan dengan ketepatan respons adalah …

A. overshoot

B. settling time

C. offset

D. offset dan settling time

7. Kriteria kontrol meliputi besaran: (1) overshoot, (2) settling time, dan (3) offset.

Dari ketiga besaran, yang menunjukkan kecepatan respon adalah

8. Diameter maksimum produk 0,5 mm. Kriteria pengendalian yang cocok adalah…

A. redaman seperempat amplitudo

B. redaman kritik

C. nilai minimum dari integral error absolut

D. redaman seperempat amplitudo dan redaman kritik

9. Sistem pengendalian dilakukan dengan mengatur besar manipulated variable tanpa mengukur variabel proses. Ini adalah sistem pengendalian...

A. umpan balik

B. lingkar tertutup

C. lingkar terbuka

D. otomatik

10. Pada contoh pengendalian proses yang telah dibahas, ternyata suhu aliran proses keluar dipengaruhi oleh kehilangan panas ke lingkungan. Maka kehilangan panas termasuk...

A. variabel proses

B. manipulated variable

C. error

D. gangguan beban

BAB-2 INSTRUMEN SISTEM PENGENDALIAN

Instrumen atau piranti utama dalam pengendalian proses adalah: sensor, transmiter, pengendali, transduser/konverter (bila diperlukan), dan katup kendali. Pada pengendali pneumatik, seluruh sinyal pengendalian memakai tekanan udara. Sehingga insteumen pengendalian hanya terdiri atas tiga macam. Sensor/transmiiter, pengendali, dan katup kendali pneumatik. Berbeda dengan sistem pengendalian pneumatik, pada pengendali elektronik, sinyal pengendalian memakai arus listrik. Oleh karena katup kendali biasanya jenis pneumatik, maka diperlukan konverter atau transduser I/P (arus ke pneumatik). Sehingga instrumen yang diperlukan adalah: sensor/transmiiter, pengendali, transduser I/P, dan katup kendali pneumatik.

Gambar 2.1 Instrumen atau piranti pengendali pneumatik.

Gambar 2.2 Instrumen atau piranti pengendali elektronik.

1.8.1 Unit Pengukuran

Unit pengukuran berfungsi mengubah informasi besaran fisik terukur (variabel proses) menjadi sinyal standar. Unit ini terdiri atas dua bagian besar yaitu sensor dan transmiter.

• Sensor (elemen perasa atau pengindera) adalah piranti yang merespon rangsangan fisik. Sensor berhubungan langsung atau paling dekat berhubungan dengan variabel

proses. Disebut dengan detecting element (elemen pendeteksi) atau elemen primer.

• Transmiter yaitu piranti yang berfungsi mengubah energi atau informasi yang datang dari sensor menjadi sinyal standar. Dua macam sinyal standar yang sering dapat dipakai yaitu sinyal listrik dan pneumatik.

Tabel 2.1 Sinyal standar dalam pengendalian proses.

NILAI

SINYAL SIMBOL

3 psi(g)

15 psi(g)

(udara tekan)

20 kPa(g)

100 kPa(g)

Dalam beberapa hal lebih sederhana dengan memasukkan sensor dalam blok transmiter. Sehingga dalam arti sempit, transmiter adalah instrumen yang mengukur besaran fisik dan mengirimkannya dalam bentuk sinyal pengukuran standar. Bila besaran fisik bertambah besar, maka sinyal pengukuran juga akan bertambah besar (bersifat direct acting).

(a) Gambar lengkap

(b) Penyederhanaan gambar (sensor termasuk dalam transmiter).

Gambar 2.3 Unit pengukuran terdiri atas sensor dan transmiter.

1.8.2 Unit Kendali Akhir

Unit kendali akhir bertugas menerjemahkan sinyal kendali menjadi aksi atau tindakan Unit kendali akhir bertugas menerjemahkan sinyal kendali menjadi aksi atau tindakan

Gambar 2.4 Penggerak (actuator) dan elemen regulasi.

Fungsi katup kencali adalah mengatur laju alir. Prinsipnya adalah bertindak sebagai penyempitan variabel (variable restriction) dalam perpipaan proses. Dengan mengubah bukaan akan mengubah hambatan, sehingga laju alir berubah. Gambar 2.12 dan 2.13 manampilkan sebuah katup kencali dengan penggerak pneumatik jenis air-to-close. Sinyal kendali 4-20 mA yang berasal dari pengendali elektronik memerlukan sebuah transduser yang mengubah sinyal arus ke tekanan udara (I/P) yaitu mengubah sumber udara tekan 20-

25 psig (140-170 kPa) menjadi 3-15 psig (20 - 100 kPa).

Gambar 2.5 Katup kendali pneumatik. Gambar 2.6 Rangkaian unit kendali akhir.

Gambar 2.7 Sketsa dan simbol katup kendali pneumatik. (FO – fail-open, FC – fail-closed).

Penggerak pneumatik berisi diafragma yang terbuat dari karet sintetis (misalnya neoprena) dan pegas. Tekanan udara dari atas atau bawah diafragma akan melawan gaya pegas. Gerakan penuh stem terjadi pada rentang tekanan udara 3-15 psig. Oleh tekanan udara yang dikenakan pada diafragma stem bergerak dan katup membuka atau menutup.

Berdasar aksi katup oleh adanya perubahan tekanan udara, katup kencali dibedakan menjadi dua macam, yaitu air-to-open (AO) atau disebut fail-closed (FC) dan air-to-close (AC) atau disebut fail-open (FO). Pada jenis air-to-open, katup akan membuka jika mendapat tekanan udara. Atau dengan kata lain, bila terjadi kegagalan pasokan udara hingga tekanan jatuh ke minimum, katup akan menutup. Sebaliknya, pada jenis air-to- close, katup akan menutup jika mendapat tekanan udara. Atau dengan kata lain, bila terjadi kegagalan pasokan udara hingga tekanan jatuh ke minimum, katup akan membuka .

Berdasar aksi penggerak (actuator) oleh adanya perubahan tekanan udara, katup kendali dibedakan menjadi dua macam, yaitu: direct acting dan reverse acting. Pada modus direct acting, sinyal tekanan udara masuk dari atas. Dengan kenaikan sinyal tekanan udara, stem bergerak ke bawah. Sebaliknya, pada modus reverse acting, sinyal masuk dari bawah. Dengan kenaikan sinyal tekanan udara, stem bergerak ke atas.

Di kalangan praktisi industri telah berlaku kaidah umum bahwa kenaikan stem berarti katup membuka . Operator lebih berminat untuk mengetahui dan mengatur posisi katup, dan bukan nilai sinyal kendali. Sehingga nilai sinyal kendali 0% pada tampilan panel kendali selalu berarti katup kendali menutup, dan 100% membuka penuh, tanpa peduli jenis katup kendali. Oleh sebab itu jenis katup kendali yang populer adalah jenis direct acting air-to-close dan reverse acting air-to-open.

Kenaikan stem katup kendali, berarti katup membuka. Sinyal kendali 0 % berarti katup menutup, dan 100% katup membuka penuh

1.8.3 Unit Pengendali

Unit pengendali merupakan "otak" sistem dalam pengendalian. Pengendali adalah piranti yang melakukan perhitungan atau evaluasi nilai error menurut algoritma kendali. Evaluasi yang dilakukan berupa operasi matematika seperti, penjumlahan, pengurangan, perkalian, pembagian, integrasi dan diferensiasi. Hasil evaluasi berupa sinyal kendali yang dikirim ke unit kendali akhir. Sinyal kendali berupa sinyal standar yang serupa dengan sinyal pengukuran.

Gambar 2.8 Skema dasar unit pengendali.

Pengendali paling tidak memiliki tampilan nilai variabel proses (PV), pengatur dan tampilan setpoint (SP), pengatur dan tampilan nilai variabel pengendali (MV), serta sakelar AUTO/MANUAL. Yang terakhir merupakan satu sakelar penting. Sakelar ini menentukan operasi pengendali. Ketika sakelar pada posisi AUTO (otomatik), sinyal kendali diperoleh dari hasil pengolahan nilai error. Ketika sakelar pada posisi MANUAL, pengendali menghentikan pengolahan. Sinyal kendali diperoleh dari penyetelan manual oleh operator. Hanya dalam posisi auto pengendali memberi manfaat pengendalian proses.

Penentuan aksi algoritma pengendali, memerlukan pengetahuan bagaimana kebutuhan proses yang dikendalikan dan aksi katup kendali (control valve). Kedua pengetahuan tersebut mutlak harus dimiliki. Ahli proses dapat bertanya kepada diri sendiri, misalnya, apa aksi pengendali yang tepat untuk pengendalian tinggi permukaan cairan jika dipakai katup air-to-close dengan aliran keluar sebagai variabel pengendali. Aksi pengendali biasanya dapat disetel dengan sakelar pada sisi panel pengendali pneumatik atau elektronik.

Blok algoritma kendali dapat berupa perangkat keras atau perangkat lunak. Sinyal kendali yang diperoleh selanjutnya diproses menjadi sinyal kendali standar (4 - 20 mA DC). Hubungan antara pengukuran dan sinyal kendali bergantung pada modus langsung (direct acting) atau berlawanan (reverse acting).

Tabel 2.2 Aksi pengendali.

Variabel Pengendali (MV) Aksi

Variabel Proses (PV)

atau Sinyal Kendali

Naik | Turun Reverse acting

Direct acting

Naik | Turun

Turun | Naik

Tabel 2.3 Aksi sistem proses, pengendali, dan katup kendali.

Aksi Sistem Proses

Aksi Pengendali

Aksi Katup Kendali

Biasanya FC Reverse acting

Direct acting

Reverse acting

Direct acting

Biasanya FO

Gambar 2.9 Pengendali direct acting dan katup kendali fail-open (air-to-close).

Gambar 2.10 Pengendali reverse acting dan katup kendali fail-closed (air-to-open).

Pada sistem pengendali digital pada umumnya memisahkan kebutuhan aksi direct atau reverse dari posisi kegagalan katup kendali (control valve). Sinyal kendali atau controller output signal pada sistem kendali digital berkisar dari 0 hingga 100%, yang merepresentasikan “persen bukaan” katup kendali (control valve). Oleh sebab itu, aksi direct atau reverse merepresentasikan arah perubahan variabel proses dan katup (valve),

1.9 DIAGRAM BLOK

Penggambaran suatu sistem atau komponen dari sistem pengendalian dapat berbentuk blok (kotak) yang dilengkapi dengan anak panah masuk dan keluar. Anak panah menggambarkan informasi besaran fisik dan atau sinyal. Informasi yang dimaksud dapat berupa nilai suhu, laju alir, tekanan, tinggi permukaan, konsentrasi, bukaan katup, dan lain- lain. Sedangkan sinyal yang dipakai dalam sistem pengendalian dapat berupa sinyal listrik (4-20 mA atau 1-5 V) dan sinyal pneumatik (20-100 kPa). Sinyal ini menunjukkan informasi besaran fisik.

Sinyal kendali

Control

Laju pemanas

(4 - 20 mA)

valve

(0 -500 kg/jam)

Gambar 2.11 Diagram blok.

Titik penjumlahan atau pengurangan (summing junction) sinyal digambarkan sebagai bulatan dengan anak panah masuk dan keluar.

Gambar 2.12 Titik penjumlahan dan pengurangan sinyal.

Gambar 2.13. Diagram blok pengendalian umpan balik reverse acting.

(MV – manipulated variable dan PV – Process variable).

Gambar 2.14. Diagram blok pengendalian umpan balik direct acting. Perhatikan tanda (+) dan (-).

Gambar 2.15. Diagram blok pengendalian umpan maju.

Diagram blok sistem pengendalian umpan balik secara umum diperlihatkan seperti pada gambar 2.13. Perhatikan tanda (+) dan (-) pada bagian penjumlah antara setpoint sinyal pengukuran untuk membedakan antara pengendali direct acting dan reverse acting. Bila tidak ada keterangan lain, pengendali adalah reverse acting sesuai gambar 2.13.

1.10 DIAGRAM INSTRUMENTASI

Simbol instrumen untuk diagram instrumentasi telah dibakukan oleh ISA (Instrumentation System and Automation), yang di uraikan dalam Instrumentation Symbols and Identifications ANSI/ISA-S5.1-1984. Penulisan label yang diletakkan dalam simbol pada tabel di atas mengikuti standar ANSI/ISA S5.1-1984 (R 1992) seperti pada tabel berikut.

Tabel 2.4 Simbol Instrumen Menurut Standar ISA S5.1-1984

Tampilan pada Lokasi

Instrumen

Diskret

DCS (Distributed Control System)

Dipasang di lapangan secara

langsung pada peralatan

Dipasang di ruang kendali pusat atau panel kendali utama

Dipasang di belakang panel kendali utama atau tak ditampilkan pada layar monitor

Tabel 2.5 Simbol instrumentasi dan standar identifikasi ANSI/ISA S5.1-1984 (R 1992)

a a Variabel Proses

Analisis (konsentrasi)

A AT AI AIC AC AFC AR AV AY AFY Aliran (flow)

F FT FI FIC FC FFC FR FV FY FFY Level

LT LI LIC LC LFC LR LV LY LFY Tekanan (pressure)

PT PI PIC PC PFC PR PV PY PFY Suhu (temperature)

TT TI TIC TC TFC TR TV TY TFY

Gambar 2.16 Simbol fungsi dan koneksi instrumen

Contoh-2.2: Diagram Instrumentasi Pengendalian Suhu.

Pemanasan aliran minyak dalam sebuah alat penukar panas memakai aliran steam sebagai pemanas. Variabel terkendali adalah suhu minyak keluar. Variabel pengendali (manipulated variable) adalah aliran steam. (laju panas yang dipindahkan ke minyak dingin). Aksi penukar panas terhadap perubahan aliran steam adalah diret acting, sehingga pengendali harus reverse acting.

(a) Diagram lengkap.

(b) Diagram sederhana (c) Diagram paling sederhana (TV sudah termasuk FY)

(TC sudah termasuk TT)

Gambar 2.17 Diagram instrumentasi pengendalian suhu minyak.

Contoh-2.3: Diagram Instrumentasi Pengendalian Suhu dan Level Reaktor.

(a) Diagram lengkap

(b) Diagram disederhanakan

Gambar 2.18 Diagram instrumentasi lengkap pengendalian suhu dan level reaktor tangki.

• Aksi reaktor (suhu) terhadap perubahan aliran steam adalah direct ating, sehingga pengendali suhu harus reverse ating.

• Aksi reaktor (level) terhadap perubahan aliran produk adalah reverse

Contoh-2.4: Pengendalian Suhu Reaktor Tangki

Suhu reaksi dikendalilkan oleh aliran steam. Diinginkan suhu reaksi sebesar 120 o C. Gangguan terhadap suhu reaksi adalah: suhu dan laju alir umpan, konsentrasi umpan, suhu steam, dan kehilangan panas ke lingkungan.

Gambar 2.19 Diagram instrumentasi pengendalian umpan balik suhu reaktor tangki.

Gambar 2.20 Diagram blok pengendalian umpan balik suhu reaktor tangki

Keterangan: • c – suhu campuran reaksi. • m – laju alir steam. • r – suhu campuran reaksi yang diinginkan. • y – suhu terukur • u – sinyal kendali • Control valve sebagai unit kendali akhir. • Transmiter suhu sebagai unit pengukuran.

Contoh-2.5: Pengendalian Umpan Maju Suhu Reaktor Tangki

Pengendalian suhu reaktor tangki seperti pada contoh-2.6 akan dikendalikan dengan pengendali umpan maju. Suhu reaksi dikendalilkan oleh aliran steam. Diinginkan suhu

reaksi sebesar 120 o C. Gangguan terukur adalah: suhu dan laju alir umpan.

Gambar 2.21 Diagram instrumentasi pengendalian umpan maju suhu reaktor tangki.

Strategi Pengendalian Umpan Maju. Pengendalian umpan maju pada gambar 2.24 dan 2.25 menganggap gangguan hanya berasal dari laju alir umpan dan suhu umpan. Laju alir dan suhu berturut-turut dideteksi. Oleh transmiter (FT dan TT), dikirimkan sinyal pengukuran ke dalam feedforward control (TC). Dalam bagian ini dilakukan perhitungan matematik berdasar hubungan antara laju alir steam, laju alir, dan suhu umpan. Perubahan laju alir dan suhu umpan menyebabkan perubahan laju steam. Dengan demikian suhu produk akan tetap meskipun terjadi perubahan laju alir dan suhu umpan.

Contoh-2.6: Pengendalian Umpan Balik dan Umpan Maju

Gabungan dua strategi ini menghasilkan pengendalian suhu yang lebih sempurna.

. Gambar 2.23 Diagram instrumentasi pengendalian umpan balik dan umpan maju.

Gambar 2.24 Diagram blok pengendalian umpan balik dan umpan maju.

SOAL-SOAL

A. URAIAN

1. Level Control-1 Sebuah tangki mempunyai aliran masuk dan keluar. Laju alir keluar berubah-ubah tergantung pada pemakaian. Level cairan dikendalikan dengan cara mengatur laju alir masuk sesuai pemakaian aliran keluar.