LAPORAN PENGENDALIAN ALIRAN

(1)

1

BAB I

PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Satu besaran penting pada proses yang melibatkan cairan adalah laju aliran. Pengendalian aliran menjadi factor sangat penting pada proses.

1). Aliran cairan ke alat berikutnya diharapkan pada nilai konstan

2). Banyak fungsi unit proses berjalan baik jika bekerja pada aliran tetap.

1.2 Tujuan

Praktikum ini memberi kompetensi dasar pada mahasiswa yaitu kemampuan untuk dapat mengendalikan system aliran.

 Mempelajari pengaruh nilai parameter pengendali pada respons aliran.

(2)

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Prinsip Pengendalian

Proses operasi dalam industri kimia bertujuan untuk mengoperasikan rangkaian peralatan sehingga proses dapat berjalan sesuai dengan satuan operasi yang berlaku. Untuk mencapai hal tersebut maka diperlukan pengendalian. Hal yang perlu diperhatikan dalam proses operasi teknik kimia seperti suhu (T), tekanan (P), laju alir (F) tinggi permukaan cairan (L), komposisi, pH, dan lain sebagainya. Peranan pengendalian proses pada dasarnya adalah mencapai tujuan proses agar berjalan sesuai dengan apa yang diinginkan.

Ketinggian suatu cairan merupakan salah satu hal yang harus dikendalikan dalam suatu industry kimia. Apabila ketinggian cairan tidak dikendalikan maka proses dalam industry akan terganggu. Jika ketinggian cairan melebihi ketinggian yang diinginkan maka akan terjadi overflow atau cairan akan meluap sehingga mengganggu atau daoat merusak alat-alat lain dan jika ketinggian cairan kurang dari ketinggian yang diinginkan maka proses tidak akan bekerja. Oleh karena itu ketinggian suatu cairan harus dikendalikan dalam suatu industry.

Untuk pelaksanan langkah-langkah pengendalian proses tersebut diperlukan instrumentasi sebagai berikut:

1. Unit proses.

2. Unit pengukuran.

Bagian ini bertugas mengubah nilai variable proses yang berupa besaran fisik atau kimia menjadi sinyal standar (sinyal pneumatic dan sinyal listrik).

Unit pengukuran ini terdiri atas:

a) Sensor: elemen perasa (sensing element) yang langsung “merasakan” variable

proses. Sensor merupakan bagian paling ujung dari sistem/unit pengukuran dalam sistem pengendalian. Contoh dari elemen perasa yang banyak dipakai adalah thermocouple,

orificemeter, venturimeter, sensor elektromagnetik, dll.

b) Transmitter atau tranducer: bagian yang menghitung variable proses dan mengubah

sinyal dari sensor menjadi sinyal standar atau menghasilkan sinyal proporsional, seperti:

(3)

3

 DC voltage 0-5 volt

 DC current 4-20 mA

 Pressure 3-15 psi

Unit pengendali atau controller atau regulator yang bertugas membandingkan, mengevaluasi dan mengirimkan sinyal ke unit kendali akhir. Hasil evalusi berupa sinyal kendali yang dikirim ke unit kendali akhir. Sinyal kendali berupa sinyal standar yang serupa dengan sinyal pengukuran.

Pada controller bisaanya dilengkapi dengan control unit yang berfungsi untuk menentukan besarnya koreksi yang diperlukan. Unit ini mengubah error menjadi manipulated variable berupa sinyal. Sinyal ini kemudian dikirim ke unit pengendali akhir (final control element).

Unit kendali akhir yang bertugas menerjemahkan sinyal kendali menjadi aksi atau tindakan koreksi melalui pengaturan variable termanipulasi. Unit kendali akhir ini terdiri atas:

a) Actuator atau servo motor: elemen power atau penggerak elemen kendali akhir.

Elemen ini menerima sinyal yang dihasilkan oleh controller dan mengubahnya ke dalam action proporsional ke sinyal penerima.

b) Elemen kendali akhir atau final control element: bagian akhir dari sistem pengendalian yang

berfungsi untuk mengubah measurement variable dengan cara memanipulasi besarnya manipulated variable yang diperintahkan oleh controller. Contoh paling umum dari elemen kendali akhir adalah control valve (katup kendali). bisaanya digunakan untuk mengendalikan aliran air pada ketinggian tertentu dengan tekanan tertentu pada suatu tabung atau pipa.

2.2 Pengendalian Laju Alir

Dalam praktikum ini sebagai sensor laju alir adalah jenis turbin. Putaran turbin berbanding lurus dengan laju alir. Sinyal listrik sensor turbin berupa gelombang balok. Oleh converter, gelombang balok diubah menjadi sinyal tegangan 1-5 (0-100%). Sinyal ini dikirim ke pengendali (computer). Aksi pengendali berjenis berkebalikan (reverse acting). Artinya jika laju ali bertambah besar, sinyal kendali berkurang dan katup kendali lebih menutup untuk mengurangi laju alir.

(4)

4

Sinyal kendali dari pengendali (computer) berupa sinyal tegangan 1-5 V, yang selanjutnya diubah menjadi sinyal arus 4-20 mA, oleh converter sinyal arus diubah menjadi sinyal pneumatic 0,2-1 bar (3-15 psi). control valve (unit kendali akhir) adalah jenis pneumatic yang mendapat sinyal pneumatic tersebut.

Dalam pengendalian aliran ini sebagai PV adalah laju alir, MV adalah aliran masuk, SP adalah laju alir yang diinginkan, gangguan adalah laju lalir yang keluar system. Pengendalian laju alir memiliki sifat cepat dan banyak noise khususnya untuk aliran turbulen.

Karakteristik dinamik lingkar pengendalian laju alir didominasi oleh dinamika elemen kendali akhir. Juga akibat gesekan stem dapat menimbulkan hysteresis. Factor linileritas pengendalian laju alir ditentukan oleh karakteristik katup kendali, tipe instrument ukur laju alir yang dipakai dan penyempitan dalam pipa.

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

(5)

5

3.1 Alat dan Bahan

3.1.1 Alat dan Bahan yang digunakan untuk percobaan pengendalian Level adalah sebagai berikut :

1. Seperangkat sistem pengendalian Aliran 2. Komputer

Susunan alat percobaan adalah sebagai berikut :

(6)

Keterangan :

1. Water drainage tank 2. Centrifugal pump 3. Control valve 4. I / P transduser 5. Udara instrument 6. Manometer

7. Pressure regulator (manual) 8. Pengendali luar

9. Panel Kendali 10. Personal computer 11. Tangki Penampung 12. Katup Buang manual

13. Sensor dan Transmitter level 14. Katup Solenoida

X. Actuating signal

Y. Controlled quantity signal

3.2 Percobaan 3.2.1 Persiapan

1) Pastikan penampung air telah terisi paling sedikit tiga perempat penuh 2) Sistem peralatan aliran telah terhubung secara benar dengan komputer 3) Pastikan komputer bekerja normal

3.3.3 Pengoprasian perangkat keras

1) Pastikan udara instrumen telah mengalir pada tekanan masuk 140 kPa (1,4 bar) atau maksimum 200 kPa (2 bar). Jika perlu atur regulator tekanan udara instrumen agar memenuhi tekanan tersebut.

2) Nyalakan peralatan CRL dengan menekan tombol daya

3) Ubah saklar pemilih ke posisi PC. Pompa akan hidup dan mengalirkan air ke dalam tangki

3.3.4 Pengoprasian perangkat lunak

1) Nyalakan komputer/laptop dan jalankan program level control 2) Pastikan posisi tombol AUTO/MANUAL pada posisi MANUAL 3) Pastikan posisi tombol REVERSE/DIRECT pada posisi REVERSE 4) Tekan tombol RUN (berupa panah) sehingga pengendalian mulai berjalan.

5) Atur manipulated variable yang mempresentasikan bukaan katup kendali dengan menggeser horizontal scroll ke kanan hingga 100%

6) Atur katup buang sehingga aliran yang ditunjukan rotameter (11) dan tampilan layar computer sebesar 100 L/jam. Bila nilainya tidak sama, gunkan tampilan di layar computer.

(7)

3.3.5 Pengendalian Automatik

1) Geser vertical scroll SP (set point) ke posisi 50 L/h atau dengan cara mengetikan nilai 50 kemudian tekan ENTER

2) Pastikan parameter pengendali dengan nilai PB=100, waktu integral=1, dan waktu derivatif=0

3) Ubah posisi setpoint AUTO/MANUAL ke posisi AUTO

4) Amati aliran air (warna hijau) terhadap nilai setpoint (warna merah). Aliran akan bergerak kea rah setpoint sehingga konstan disitu.

3.3.5 Pengaruh Parameter Pengendali Tanpa Tangki Peredam Pengendali Proporsional (P)

1) Pastikan SP=50 L/h

2) Pastikan nilai PB=100% dan waktu derivative, Td=0

3) Ubah waktu integral (Ti) ke nilai yang sangat besar (missal 100000) dengan demikian maka pengaruh integral hamper tidak ada.

4) Ubah setpoint (SP) ke 60 L/h dengan mengetikkan angka 60 dan diikuti menekan ENTER

5) Amati nilai aliran (PV), apakah bias mengikuti SP. Perhatikan juga adakah osilasi nilai aliran (PV).

6) Ubah setpoint (SP) kembali ke 50 L/h, dan tunggu sampai nilai PV stabil dan konstan. 7) Ubah gain PB ke 20,50,150, dan 200. Setiap perubahan lakukan langkah (3)-(5). Amati

nilai aliran (PV).

8) Pilih nilai proporsional band (PB) yang menghasilkan pengendalian cepat, tepat, dan stabil.

Pengendali Proporsional-Integral (PI)

1) Gunakan nilai PB terbaik dari pengendalian proporsional di atas 2) Pastikan SP = 50 L/h dan tunggu hingga nilai PV konstan.

3) Ubah waktu integral bernilai 60 detik (1 menit) dan tunggu hingga nilai PV konstan 4) Ubah setpoint (SP) ke 60 L/h

(8)

5) Amati nilai aliran (PV), apakah bias mengikuti SP. Perhatikan juga adakah osilasi nilai PV

6) Ubah setpoint (SP) kembali ke 50%, dan tunggu sampai nilai PV stabil dan konstan. 7) Ubah waktu integral ke nilai 30,10,5,2,1 dan 0,5. Setiap perubahan lakukan langkah

(4)-(6). Amati nilai PV

8) Pilih nilai waktu integral yang menghasilkan pengendalian cepat, tepat dan stabil.

Pengendali Proporsional-Integral-Derivatif (PID)

1) Gunakan nilai PB dan Ti terbaik dari pengendalian PI sebelumnya 2) Pastikan SP =50 L/h dan tunggu hingga nilaiPV konstan

3) Ubah waktu derivative menjadi 1 detik 4) Ubah setpoint (SP) ke 60 L/h

5) Amati nilai aliran (PV), apakah bias mengikuti SP. Perhatikan juga adakah osilasi nilai PV

6) Ubah setpoint (SP) kembali ke 50 L/h dan tunggu sammpai nilai PV stabil dan konstan 7) Ubah waktu derivative ke nilai 2,5,10,20 dan 30. Setiap perubahan lakukan langkah

(4)-(6). Amati nilai PV

8) Pilih nilai waktu derivative yang memnghasilkan pengendalian cepat , tepat dan stabil.

3.3.6 Penyelesaian Percobaan

1) Jika sudah seeai, tekan tombol OPERASI STOP

2) Maka akan muncul tampilan untumengisi nama file data, isikan dengan ekstensi XLS (misalnya “kelompok-2.xis’) kemudan telkan OK

3) Matikan CRLF dengan menekan tombol daya ke posiis OFF 4) Buka katup buang tangki sehingga kosng

5) Bersihkan tempat kerja sehingga tidak ada sampah, kertas atau barang lain berserakan di sekitar peralatan.

4.Keselamatan Kerja

Potensi bahaya yang perlu diwaspadai

 Hati-hati dengan listrik bolak-balik 220 V dari PLN

(9)

 Sselidiki dengan test-pen atau peralatan lain, apakah semua peralatan telah ditanahkan dengan baik. Hal ini untuk menghindari sengatan listrik akibat efek kapasitif atau induktif

 Berhati-hatilah dengan perhiasan logam seperti cincin, jam tangan, mistar logam, dan lain-lain alat yang mampu membuat hubungan singkat.

 Usahakan agar tidak seorangpun dapat tersandung oleh kawat-kawat atau tidak sengaja merobohkan peralatan

 Bila menghubungkan peralatan, maka hubungkan dengan jaringan listrik dilakukan paling akhir

 Jika terjadi sengatan listrik dan korban terbelit kawat, jangan panik, cepat putuskan sambungan listrik, baru menolong korban.

BAB IV

HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Pengamatan

(10)

0 20 40 60 80 100 120

Proporsional

Y1 Y2

Y1 = Proses Variabel (PV), Y2 = Set Point (SP)

Kc/Pb 100 Ti 100000 Td

-N o

Karakteristik Dinamik Nilai

1. Step Respon 9 s 2. Delay Time (td) 10 s 3. Time Konstan 157-145 = 12 s 4. Rise Time 11 s 5. Peak Time 15 s 6. Overshoot 44:56x100% = 78,57% 7. Offset 60-36 = 24 8. Decay Ratio 0

(11)

-20 0 20 40 60 80 100 120

Proporsional

y1 y2

Kc/Pb 20 Ti 100000 Td

-N o

1. Step Respon -2. Delay Time (td) -3. Time Konstan 183-171=12 s 4. Rise Time -5. Peak Time -6. Overshoot 42:60x100% = 70% 7. Offset 60-21 = 39 8. Decay Ratio

-Catatan : Nilai Step respon, delay time, rise time, dan peak time tidak didapat karena keterlambatan mengganti nilai SP ke 60

(12)

0 20 40 60 80 100 120

Proporsional

Y1 Y2

Kc/Pb 50 Ti 1000000 Td

-N o

1. Step Respon 24 s 2. Delay Time (td) 26 s 3. Time Konstan 222-190=32 s 4. Rise Time 27 s 5. Peak Time 33 s 6. Overshoot 42:55x100% =81,82% 7. Offset 60-43=17 8. Decay Ratio 42:42= 0

(13)

0 20 40 60 80 100 120

Proporsional

Y1 Y2

Kc/Pb 150 Ti 1000000 Td

-N o

1. Step Respon 11 s 2. Delay Time (td) 13 s 3. Time Konstan 269-255=14 s 4. Rise Time 16 s 5. Peak Time 18 s 6. Overshoot 43:47x100% =91,49% 7. Offset 60-46=14 8. Decay Ratio 6 : 3 = 2

(14)

0 10 20 30 40 50 60 70

Proporsional

y1 y2

Kc/Pb 200 Ti 100000 Td

-N o

1. Step Respon 14 s 2. Delay Time (td) 15 s 3. Time Konstan 150-26=124 s 4. Rise Time 16 s 5. Peak Time 19 s 6. Overshoot -7. Offset 60-51=9 8. Decay Ratio

(15)

0 10 20 30 40 50 60 70

Proporsional -Integral

Y1 Y2

Kc/Pb 200 Ti 60 Td

-N o

(16)

-0 10 20 30 40 50 60 70

Proporsional-Integral

Y1 Y2

Kc/Pb 200 Ti 30 Td

-N o

(17)

-0 10 20 30 40 50 60 70

Proporsional-Integral

Y1 Y2

Kc/Pb 200 Ti 10 Td

-N o

(18)

-0 10 20 30 40 50 60 70

Proporsional-Integral

y1 y2

Kc/Pb 200 Ti 5 Td

-N o

(19)

-0 10 20 30 40 50 60 70

Proporsional-Integral

y1 y2

Kc/Pb 200 Ti 2 Td

-N o

(20)

-0 10 20 30 40 50 60 70

Proporsional-Integral

y1 y2

Kc/Pb 200 Ti 1 Td

-N o

1. Step Respon 17 s 2. Delay Time (td) 22 s 3. Time Konstan 132-72=60 s 4. Rise Time 51 s 5. Peak Time 57 s 6. Overshoot 7. Offset 60-59=1 8. Decay Ratio

(21)

0 10 20 30 40 50 60 70

Proporsional-Integral

y1 y2

Kc/Pb 200 Ti 0,5 Td

-N o

1. Step Respon 40 s 2. Delay Time (td) 41 s 3. Time Konstan 167-125=42 s 4. Rise Time 42 s 5. Peak Time 46 s 6. Overshoot 3:19x100% = 15,79% 7. Offset 1

(22)

PENGENDALI PROPORSIONAL-INTEGRAL-DERIVATIF (PID) 0 20 40 60 80 100 120

Proporsional-Integral-Derivatif

y1 y2

Kc/Pb 200 Ti 30 Td 1

N o

1. Step Respon -2. Delay Time (td) -3. Time Konstan 289-273=16 s 4. Rise Time -5. Peak Time -6. Overshoot -7. Offset 60-41= 19 8. Decay Ratio

-Catatan : Nilai Step respon, delay time, rise time, overshoot, decay ratio dan peak time tidak didapat karena keterlambatan mengganti nilai SP ke 60

(23)

0 20 40 60 80 100 120

Proporsional-Integral-Derivatif

Y1 Y2

N o

1. Step Respon -2. Delay Time (td) -3. Time Konstan 166-140=26 s 4. Rise Time -5. Peak Time -6. Overshoot 39:9x100% = 433,33% 7. Offset 60-41= 19 8. Decay Ratio

-Catatan : Nilai Step respon, delay time, rise time, decay ratio dan peak time tidak didapat karena keterlambatan mengganti nilai SP ke 60

(24)

0 20 40 60 80 100 120

Proporsional-Integral-Derivatif

Y1 Y2

N o

1. Step Respon -2. Delay Time (td) -3. Time Konstan 243-204 = 39 s 4. Rise Time -5. Peak Time -6. Overshoot 38:27x100% = 140,74% 7. Offset 60-32 = 28 8. Decay Ratio

(25)

0 10 20 30 40 50 60 70

Proporsional-Integral-Derivatif

y1 y2

Kc/Pb 200 Ti 30 Td 10

N o

1. Step Respon 15 s 2. Delay Time (td) 16 s 3. Time Konstan 173-162= 11 s 4. Rise Time 17 s 5. Peak Time 21 s 6. Overshoot -7. Offset 60-35= 25 8. Decay Ratio

(26)

-0 20 40 60 80 100 120

Proporsional-Integral-Derivatif

y1 y2

Kc/Pb 200 Ti 30 Td 20

N o

1. Step Respon -2. Delay Time (td) -3. Time Konstan 204-188 = 16 s 4. Rise Time -5. Peak Time -6. Overshoot 43:10x100%= 430% 7. Offset 60-45 = 15 8. Decay Ratio

(27)

0 20 40 60 80 100 120

Proporsional-Integral-Derivatif

y1 y2

Kc/Pb 200 Ti 30 Td 30

N o

1. Step Respon -2. Delay Time (td) -3. Time Konstan 116-92= 24 s 4. Rise Time -5. Peak Time -6. Overshoot 30:11x100% = 272,73% 7. Offset 60-24= 36 8. Decay Ratio

(28)

4.2 PEMBAHASAN

Praktikum kali ini bertujuan untuk menentukan jenis pengendali yang cocok untuk pengendalian aliran. Jenis pengendali yang digunakan adalah pengendali kontinyu dengan parameter pengendali proposional (P), pengendali proposional integral (PI) dan pengendali proposional integral derivative (PID).Variabel yang dikendalikan adalah aliran/laju alir (PV) pada unit proses (pipa) agar sesuai dengan set point (SP) yang dimasukan. Untuk mengendalikan PV, laju alir masuk cairan (MV) harus di atur dengan bukaan control valve (unit pengendali akhir) sebagai hasil dari unit pengukuran level. Jika aliran/laju alir dalam pipa kurang dari SP maka valve akan membuka, sedangkan jika aliran/laju alir dalam pipa melebihi SP valve akan menutup. Maka dapat disimpulkan bahwa pengendalian aliran aksi pengendalinya direct sehingga aksi plantnya reverse.

 Proporsional (P)

Pada percobaan dilakukan variasi nilai PB (proporsional Band) dengan rentang nilai 20-200%. Pastikan SP 50 L/h dengan nilai Ti 100000 dengan demikian maka pengaruh integral hampir tidak ada, Td=0. Dari data yang diperoleh saat nilai Kc/Pb 100 %, Ti=100000,Td=0 dengan karakteristik dinamik step respon dan delay time berturut-turut 9-10 s.

Dilakukan variasi nilai PB (Proporsional Band) tanpa pengaruh Integrasi dan Derivasi. Dari hasil variasi pengendalian PB, didapatkan bahwa semakin besar harga PB, maka nilai offset semakin kecil yang mengakibatkan grafik yang semakin stabil.

Nilai PB terbaik yang digunakan adalah 200% kemudian digunakan pada saat melakukan pengedalian Integrasi. Offset yang terjadi pada hasil sebelumnya, dapat dihilangkan dengan menambahkan pengendalian Integrasi. Begitu pun osilasi menjadi hilang, respon lebih cepat, dan stabil. Nilai waktu integrasi yang didapat paling optimal adalah yang kecil.

Pada pengendali proporsional Pb/Kc 20% didapatkan nilai overshoot 70% dan pb/Kc 150% didapatkan overshoot 91,94%, jika nilai akhir tidak sama dengan satu, biasanya overshoot dinyatakan dalam persen overshoot. Besaran ini langsung menunjukkan kestabilan relative dari system. Semakin besar overshoot, system semakin tak stabil. Tetapi semakin kecil overshoot system semakin lambat. Tapi pada pb/Kc 200% tidak terdapat overshoot disimpulkan bahwa pengendali pada PB 200% ini cepat tepat dan stabil.

(29)

Nilai PB 200% dan Ti 30 yang terbaik digunakan pada saat melakukan pengendalian Derivatif. Parameter waktu derivatif sangat peka terhadap gangguan sehingga menghasilkan osilasi dan offset semakin besar. Pada pengendali proporsional-integral menggunakan Ti 30,10,5,2,1 dan 0,5. Pada Ti yang digunakan 0,5 maka nilai overshoot yang didapatkan 15,49% tetapi Ti, 1,2,5,10 dan 30 tidak ada overshoot maka pengendali stabil. Waktu integral dengan nilai offset terbaik byaitu pada Ti 1 dan 0,5. Karena akan mempengaruhi pengendali yang tepat,cepat dan stabil.

 Proporsional-Integral-Derivatif (PID)

Hasil percobaan menunjukkan bahwa pengendalian PID terbaik adalah pada PB 200, Ti 30, dan Td 1. Dari hasil percobaan didapatkan bahwa semakin banyak parameter pengendalian yang digunakan, maka pengendalian proses semakin mudah. Tetapi, pada sistem pengendalian aliran, parameter Derivatif tidak begitu sangat berpengaruh, dtambah lagi dengan adanya gangguan.

(30)

BAB V SIMPULAN

 PB (proporsional band) terbaik yang digunakan 200%

 Ti (waktu integral) terbaik adalah 30

 Td (waktu derivative) adalah 1

 Hasil PB, Ti dan td terbaik

 0 20 40 60 80 100 120

Proporsional-Integral-Derivatif

y1 y2

 Y1 = Proses Variabel (PV), Y2 = Set Point (SP)

N o

1. Step Respon -2. Delay Time (td) -3. Time Konstan 289-273=16 s 4. Rise Time -5. Peak Time -6. Overshoot -7. Offset 60-41= 19 8. Decay Ratio

(31)

-DAFTAR PUSTAKA

Heriyanto (2010). Pengendalian Proses. Jurusan Teknik Kimia, Bandung: POLBAN Wade, H.L.(2004).Basic and Adavanced Regulatory Control: System Design and