Konsep_Materi_Dsr_Komp_Proses_dan_Instr.docx

(1)

DESKRIPSI MATERI

Bidang Studi Keahlian : Teknologi dan Rekayasa Program Studi Keahlian : Teknik Kimia

Mata Pelajaran : Dasar Komputasi Proses dan Instrumen Kontrol

Ruang Lingkup Materi

1. Mengoperasikan sistem proses terbuka (batch proses) dan tertutup (continues proses) pada industri kimia

Proses kontrol sistem.

Seiring dengan perkembangan ilmu dan teknologi dewasa ini sistem kendali manual maupun automatik memiliki peran yang sangat penting. Peranan sistem kendali automatik adalah paling menonjol dalam berbagai keperluan hajat manusia atau bangsa yang telah maju peradabannya. Contoh konkrit dapat kita temui pada pengendalian pesawat ruang angkasa, peluru kendali, sistem pengemudi pesawat, satelit, dan sebagainya. Sementara di industri diperlukan untuk pengendalian mesin-mesin produksi bidang manufaktur dan pengendalian proses seperti tekanan, temperatur, aliran, gesekan, kelembaban, dan sebagainya.

Kemajuan sistem kendali automatic dalam bentuk teori maupun praktik akan memberikan kemudahan dalam mendapatkan unjuk kerja sistem dinamik, mempertinggi kualitas, menurunkan biaya produksi dan penghematan energi. Tingkat kemajuan ini dicapai tidak secara tiba-tiba, melainkan melalui sejarah perkembangan yang cukup panjang. Tepatnya adalah sejak ditemukannya governor centrifugal sebagai pengendalian kecepatan mesin uap yang dibuat oleh James Watt pada abad ke-18. Pada tahun 1922, Minorsky membuat alat kendali automatik untuk pengemudian kapal dan menunjukkan cara menentukan kestabilan dari persamaan diferensial yang melukiskan sistem. Pada tahun 1932, Nyquist mengembangkan suatu prosedur yang relative sederhana untuk menentukan kestabilan loop tertutup. Pada tahun 1934, Hazen memperkenalkan servomekanik untuk sistem kendali posisi. Pada tahun 1940 hingga 1950 kendali linier berumpan balik dan metode tempat kedudukan akar dalam desain sistem kendali.

Metode respon frekuensi dan tempat kedudukan akar yang merupakan inti teori sistem kendali klasik, akan mendasari pembahasan sistem yang stabil yang memenuhi persyaratan unjuk kerja untuk sembarang sistem pengendalian. Sejak akhir tahun 1950, penekanan desain sistem kendali telah beralih kesalah satu dari beberapa sistem yang bekerja menjadi desain satu sistem optimal. Teori klasik yang membahas sistem satu masukan satu keluaran, semenjak tahun 1960 sudah tidak dapat digunakan untuk sistem multi masukan dan multi keluaran. Dengan kata lain bahwa sistem kendali multi masukan-multi keluaran menjadi semakin kompleks, sehingga pemecahannya memerlukan banyak persamaan. Lebih jauh dari itu, logis bila memerlukan peralatan Bantu yang memadai seperti penggunaan komputer analog maupun digital secara langsung. Semenjak itu pulalah sistem kendali modern dikembangkan guna mengatasi kompleksitas yang dijumpai pada berbagai sistem pengendalian yang menuntut ketelitian tinggi dan cepat dengan hasil akhir (output) optimal. Oleh sebab itu wajar bila suatu industri besar dan modern sangat memerlukan tenaga ahli dalam perencanaan sistem kendali dan teknisi profesional sebagai operator dari berbagai disiplin ilmu yang sating terkait.

Karakteristik dalam proses kontrol.

Materi dasar komputasi proses dan instrumentasi control yang akan disajikan disini penekanannya pada teori klasik, yaitu sistem satu masukan-satu keluaran berumpan-balik maupun tanpa umpan-balik. Namun demikian sistem kendali multi masukan-multi keluaran yang melibatkan peralatan mikroprosesor/mikrokomputer pun akan disajikan Pula dengan porsi yang relative sedikit. Dengan demikian materi sistem kendali yang disajikan di sini sebagian besar berfokus pada sistem loop tertutup (closed-loop system).

Pengertian Dasar Flowchart

(2)

langkah-langkah penyelesaian suatu masalah. Flowchart merupakan cara penyajian dari suatu algoritma

Tujuan Membuat Flowchat :

 Menggambarkan suatu tahapan penyelesaian masalah  Secara sederhana, terurai, rapi dan jelas

 Menggunakan simbol-simbol standar

Dalam penulisan Flowchart dikenal dua model, yaitu Sistem Flowchart dan Program Flowchart

a) System Flowchart :

Yaitu : bagan Yang memperlihatkan urutan prosedure dan proses dari beberapa file di dalam media tertentu.

Melalui flowchart ini terlihat jenis media penyimpanan yang dipakai dalam pengolahan data.

 Selain itu juga menggambarkan file yang dipakai sebagai input dan output.

 Tidak digunakan untuk menggambarkan urutan langkah untuk memecahkan masalah  Hanya untuk menggambarkan prosedur dalam sistem yang dibentuk

Contoh System Flowchart

b) Program Flowchart

Yaitu: Bagan yang memperlihatkan urutan dan hubungan proses dalam suatu program. Dua jenis metode penggambaran program flowchart :

1) Conceptual flowchart, menggambarkan alur pemecahan masalah secara global 2) Detail flowchart, menggambarkan alur pemecahan masalah secara rinci

(3)

Simbol-simbol Flowchart

Simbol-simbol yang di pakai dalam flowchart dibagi menjadi 3 kelompok : 1) Flow direction symbols

– Digunakan untuk menghubungkan simbol satu dengan yang lain – Disebut juga connecting line

2) Processing symbols

- Menunjukan jenis operasi pengolahan dalam suatu proses / prosedur 3) Input / Output symbols

- Menunjukkan jenis peralatan yang digunakan sebagai media input atau output. Flow Direction Symbols

Simbol arus / flow, yaitu menyatakan jalannya arus suatu proses

Simbol communication link, yaitu menyatakan transmisi data dari satu lokasi ke lokasi lain Simbol connector, berfungsi menyatakan sambungan dari proses ke proses lainnya dalam halaman yang sama

Simbol offline connector, menyatakan sambungan dari proses ke proses lainnya dalam halaman yang berbeda Processing Symbol

Simbol process, yaitu menyatakan suatu tindakan (proses) yang dilakukan oleh komputer

Simbol manual, yaitu menyatakan suatu tindakan (proses) yang tidak dilakukan oleh komputer Simbol decision, yaitu menujukkan suatu kondisi tertentu yang akan menghasilkan dua kemungkinan jawaban : ya / tidak

Simbol predefined process, yaitu menyatakan penyediaan tempat penyimpanan suatu pengolahan untuk memberi harga awal

(4)

Simbol terminal, yaitu menyatakan permulaan atau akhir suatu program

Simbol keying operation, Menyatakan segal jenis operasi yang diproses dengan menggunakan suatu mesin yang mempunyai keyboard

Simbol offl i ne-sto rage, menunjukkan bahwa data dalam simbol ini akan disimpan ke suatu media tertentu

Simbol manual input, memasukkan data secara manual dengan menggunakan online keyboard Symbol input/ output

Simbol input/output, menyatakan proses input atau output tanpa tergantung jenis peralatannya

Simbol punched card, menyatakan input berasal dari kartu atau output ditulis ke kartu

Simbol magnetic tape, menyatakan input berasal dari pita magnetis atau output disimpan ke pita magnetis Simbol disk storage, menyatakan input berasal dari disk atau output disimpan ke disk

Simbol document, mencetak keluaran dalam bentuk dokumen (melalui printer)

Simbol display, mencetak keluaran dalam layar monitor

HIPO (Hierarchy plus Input-Process-Output)

Merupakan alat dokumentasi program yang dikembangkan dan didukung oleh IBM. Tetapi kini HIPO juga telah digunakan sebagai alat bantu untuk merancang dan mendokumentasikan siklus pengembangan sistem

SASARAN HIPO

HIPO telah dirancang dan dikembangkan secara khusus untuk menggambarkan suatu struktur bertingkat guna memahami fungsi-fungsi dari modul-modul suatu sistem, dan HIPO juga dirancang untuk menggambarkan modul-modul yang harus diselesaikan oleh pemrogram. HIPO tidak dipakai untuk menunjukkan instruksi-instruksi program yang akan digunakan, disamping itu HIPO menyediakan penjelasan yang lengkap dari input yang akan digunakan, proses yang akan dilakukan serta output yang diinginkan.

DIAGRAM HIPO

HIPO menggunakan tiga macam diagram untuk masing-masing tingkatannya, yaitu sebagai berikut :

a. Visual table of contents

Diagram ini menggambarkan hubungan dari modul-modul dalam suatu sistem secara berjenjang

(5)

b. Overview diagrams

Overview diagrams digunakan untuk menunjukkan secara garis besar hubungan dari input, proses dan output, dimana bagian input menunjukkan item-item data yang akan digunakan oleh bagian proses berisi langkah-langkah yang menggambarkan kerja dari fungsi atau modul dan bagian output berisi hasil pemrosesan data.

Input Process Output

Data Bahan Memasukkan Data - Kartu Identitas - Daftar Bahan - Surat Keluar bahan c. Detail Diagram

Detail Diagram berisi elemen-elemen dasar dari paket yang menggambarkan secara rinci kerja dari fungsi atau modul

Input Process Output

Data Bahan Kimia meliputi : - N0 - Nama bahan - Tempat/rak - Exp Date - Masukkan Data - Uji Kesamaan Data - Uji Akhir Input Data

- Kartu Identitas - Daftar bahan - Surat Keluar bahan

- Pemberitahuan Kesamaan Data - Pemberitahuan Kesalahan Data - Kembali ke Menu Induk Karakteristik Sistem Kontrol Tertutup.

Sistem kendali loop tertutup (closed-loop control system) adalah sitem kendali yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi pengendaliannya. Dengan kata lain sistem kendali loop tertutup adalah sistem kendali berumpan-balik. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan-balik (yang dapat berupa sinyal keluaran atau suatu fungsi sinyal keluaran dan turunannya), diumpankan ke elemen kendali untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan. Hal ini berarti bahwa pemakaian aksi umpan-balik pada loop tertutup bertujuan untuk memperkecil kesalahan system.

(6)

• Sebagai proses adalah pemanasan air dengan sumber kalor dari steam. • Sebagai alat ukur adalah tangan kanan pemakai.

• Sebagai prosesor adalah otak pemakai, yang akan mengevaluasi apakah temperature air sudah sesuai dengan keperluannya.

• Sebagai sistem control dan final control elemen adalah tangan kiri pemakai dan kran steam

Melalui observasi mata terhadap steam valve yang terpasang pada terminal keluaran pipa, operator dengan cepat mengetahui penyimpangan (kesalahan) jarum penunjuk tegangan dari tegangan kerja yang diharapkan dan secepat itu pulalah is harus segera bertindak untuk mengatasi pada kedudukan normalnya

Karakteristik Sistem Kontrol Terbuka.

Sistem kendali loop terbuka (open-loop control system) adalah sistem kendali yang sinyal keluarannya tidak berpengaruh terhadap aksi pengendaliannya. Dalam hal ini sinyal keluaran tidak diukur atau diumpanbalikan untuk dibandingkan dengan sinyal masukannya.

(7)

• Dalam sistem ini, temperature yang dikehendaki (set point temperature) dapat ditentukan sebagai suatu acuan, sedangkan alat ukur temperature dilakukan oleh sensor pressure thermometer, sistem kontrol dan final control elemennya dilakukan oleh sistem pneumatik dan katup pengontrol (control valve)

• Jadi pada sistem kendali loop terbuka, keluaran tidak dibandingkan dengan masukan acuannya. Oleh sebab itu, untuk setiap masukan acuan terdapat suatu kondisi operasi yang tetap. Perlu diketahui bahwa sistem kendali loop terbuka harus dikalibrasi dengan hati-hati, agar ketelitian sistem tetap terjaga dan berfungsi dengan baik.

• Dengan adanya gangguan (disturbances), sistem kendali loop terbuka tidak dapat bekerja seperti yang diharapkan.

• Kendali loop terbuka dapat digunakan dalam praktek hanya jika hubungan masukan dan keluaran diketahui dan jika tidak terdapat gangguan internal maupun gangguan eksternal. • Dengan demikian jelas bahwa sistem semacam ini bukan sistem kendali berumpan-balik. • Demikian pula bahwa setiap sistem kendali yang bekerja berdasar basis waktu adalah sistem

loop terbuka

2. Mengoperasikan pengendalian proses pada sitem proses terbuka Proses pengukuran sistem terbuka.

Alat ukur (measuring device) adalah alat yang berada di lapangan (field) untuk mengukur variable proses seperti flow, pressure, level dan temperature. Pada industri proses output data dari alat ukur akan ditransmisikan ke ruangan control (control room) untuk diproses lebih lanjut dalam kaitannya dengan sistem kontrol.

Pemilihan jenis alat ukur yang sesuai dan terbaik untuk mengukur suatu variable proses, sering kali sukar dilaksanakan, bahkan seorang engineer yang berpengalaman dan sudah mempunyai metoda pemilihan akan mengalami demikian.

Pemilihan dapat lebih sederhana bilamana semua kondisi operasi (service condition) yang dipersyaratkan diketahui. Beberapa pengukuran memerlukan lebih informasi dibanding dengan yang lain. Sebagai contoh, beberapa kondisi operasi dan stream characteristic harus diketahui untuk aplikasi pengukuran aliran (flow) dibanding untuk peralatan pengukuran tekanan

(pressure). Oleh karena itu sangat penting untuk mendaftar semua informasi yang berhubungan dengan pemilihan alat ukur yang dimaksud

(8)

Pengukuran tekanan

Pengukuran debit dan level ketinggian.

3. Mengoperasikan pengendalian proses pada sistem tertutup Pengukuran suhu dengan sistem resistan

Pengukuran tekanan dengan sistem elektrik.

Pengukuran kelembapan dengan sistem resistance dan piezaelektrik

4. Mengoperasikan kontrol suhu, tekanan, kelembaban pada proses industri kimia Sistem transducer.

Sistem balance. Instrumen indikator Instrumen recording Automatic kontroler

5. Mengoperasikan prinsip dasar penggunaan kontrol suhu dengan sistem mekanik, elektrik serta hubungannya dengan interface

Sistem transducer. Sistem balance. Instrumen indikator Instrumen recording Automatic kontroler. Mikrokontroler

6. Mengoperasikan prinsip dasar penggunaan kontrol tekanan dengan sistem mekanik dan elektrik serta hubungannya dengan interface computer.

Sistem transducer. Sistem balance. Instrumen indikator Instrumen recording Automatic kontroler. Mikrokontroler

7. Mengoperasikan prinsip dasar penggunaan kontrol kelembapan dengan sistem mekanik dan elektrik serta hubungannya dengan interface computer

Digital transmisi.

Sistem organisasi peralatan kontrol untuk pengendalian proses. Komputer kontrol pada unit proses.

8. Mengoperasikan program komputer untuk mengontrol proses Sistem kalibrasi peralatan proses.

Perawatan instrumen kontrol .

Perawatan sistem koneksi dan kalibrasi sistem koneksi

9. Mengoperasikan perawatan peralatan kontrol proses yang terhubung dengan komputer Pengendalian Level

1. TUJUAN :

 Mengetahui prinsip alat pengukur ketinggian level switch dan differential switch.  Mengetahui prinsip alat pengukur controller.

 Untuk mengetahui karakterisitk masing – masing parameter pengendalian PID  Melakukan optimasi parameter pengendalian dengan metode Tuning.

 Melakukan optimasi dengan mode PSV 2. DASAR TEORI :

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

(9)

cairan kurang dari ketinggian yang diinginkan maka proses tidak akan bekerja. Oleh karena itu ketinggian suatu cairan harus dikendalikan dalam suatu industry.

Jenis-jenis variable yang berperan dalam sistem pengendalian, yaitu:

1) Process Variable (PV) adalah besaran fisik atau kimia yang menunjukkan keadaan sistem proses yang dikendalikan agar nilainya tetap atau berubah mengikuti alur tertentu (variable terkendali). 2) Manipulated Variable (MV) adalah variable yang digunakan untuk melakukan koreksi atau

mengendalikan PV (variable pengendali).

3) Set Point (SP) adalah nilai variable proses yang diinginkan (nilai acuan).

4) Gangguan (w) adalah variable masukan yang mampu mempengaruhi nilai PV tetapi tidak digunakan untuk mengendalikan.

5) Variable Keluaran Tak Dikendalikan adalah variable yang menunjukkan keadaan sistem proses tetapi tidak dikendalikan secara langsung.

Pengendalian proses adalah bagian dari pengendalian automik yang diterapkan di bidang teknologi proses untuk menjaga kondisi proses agar sesuai dengan yang diinginkan. Seluruh komponen yang terlibat dalam pengendalian proses disebut sistem pengendalian atau sistem control. Langkah-langkah sistem pengendalian proses adalah sebagai berikut:

a. Mengukur

Tahap pertama dari langkah pengendalian adalah mengukur atau mengamati nilai variable proses. b. Membandingkan

Hasil pengukuran atau pengamatan variable proses (nilai terukur) dibandingkan dengan nilai acuan (set point).

c. Mengevaluasi

Perbedaan antara nilai terukur dan nilai acuan dievaluasi untuk menentukan langkah atau cara melakukan koreksi atas perbedaan itu. Yang digunakan sebanyak tiga mode anatarai lain

1. Level Switch

Pengukuran level menggunakan level switch umumnya digunakan di lapangan dengan prinsip kerja seperti pada sistem pengendali otomatis secara on-off dimana terdapat batas atas dan batas bawah dengan range yang ditentukan. Batas atas dan batas bawah ini ditentukan oleh pelampung yang terbuat dari plastic yang menempel pada batang besi yang ketinggiannya dapat diatur sesuai keinginan. Apabila ketinggian air di bawah level switch ini maka pelampung berada pada batas bawahnya dan ketika ketinggian cairan meningkat maka akan membuat pelampung ini naik hingga batas atasnya.

2. Differential Switch

Pengukuran level menggunakan differential switch memiliki prinsip kerja yang hampir sama dengan level switch, bedanya yaitu alat pengukur ketinggiannya. Differential switch terdiri dari dua buah batang elektroda yang dipasang berdekatan, dimana batang elektroda yang satu dipasang lebih panjang daripada elektroda yang lainnya dengan beda ketinggian 10 mm. Range dari batas atas dan batas bawahnya ditentukan oleh ketinggian kedua buah elektroda tadi. Elektroda yang lebih panjang berfungsi sebagai batas bawah dan elektroda yang lebih pendek berfungsi sebagai batas atasnya.

Berikut adalah gambar dari level switch dan differential switch yang digunakan dalam praktikum:

3. Controller

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).

d. Mengoreksi

Tahap ini bertugas melakukan koreksi variable proses, agar perbedaan antara nilai terukur dan nilai acuan tidak ada atau sekecil mungkin.

(10)

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:

 DC voltage 0-5 volt  DC current 4-20 mA  Pressure 3-15 psi

3. 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).

4. 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).

Pengendalian level bisaanya digunakan untuk mengendalikan aliran air pada ketinggian tertentu dengan tekanan tertentu pada suatu tabung atau pipa.

Tipe-tipe pengendalian  Pengendali ON-OFF

Pengendali yang paling dasar adalah mode on-off atau sering disebut metode dua posisi. Jenis pengendali on-off ini merupakan contoh dari mode pengendali tidak terus menerus (diskontinyu). Mode ini paling sederhana, murah dan seringkali bisa dipakai untuk mengendalikan proses-proses yang penyimpanannya dapat ditoleransi. Keluaran pengendali hanya memiliki dua kemungkinan nilai, yaitu nilai maksimum (100%) dan nilai minimum (0%). Sebagai contoh adalah pengendali temperature ruangan dengan memakai AC, setrika listrik menggunakan sakelar temperature.

Respon Pengendali :

 Hanya memiliki dua nilai keluaran, maksimum (100%) atau minimum (0%).  Selalu terjadi cycling (perubahan periodic pada nilai PV)

 Cocok dipakai untuk respon PV yang lambat  Tidak cocok jika terdapat waktu mati.

Gambar 6.7. Pengendali dua posisi pada proses pengendalian tinggi air.

Mekanisme pengendali ini mudah difahami bila ditinjau pengatur tinggi air dalam tangki. Air dalam tangki secara terus menerus dikeluarkan dengan laju tetap. Apabila permukaan air turun melebihi titik acuan R, maka sensor tinggi air akan memberi sinyal bahwa terjadi penurunan permukaan air melebihi batas. Sinyal ini masuk ke pengendali dan pengendali memerintah pompa untuk bekerja. Dengan bekerjanya pompa, air akan masuk ke tangki dan permukaan air akan naik kembali. Pada saat tinggi air tepat mencapai R pompa berhenti.Akibat terjadi pengosongan tangki, dan proses di atas berulang lagi. Dengan demikian pompa akan selalu matihidup secara periodic seiring dengan perubahan tinggi permukaan air. Peristiwa ini disebut cycling atau osilasi.

(11)

Keterangan gambar:

y = sinyal pengukuran tinggi air u = sinyal kendali ke pompa

secara matematik, u =

Pengendali On-Off dengan Histerisis

Untuk mencegah osilasi terlalu cepat pada pengendalian on-off dua posisi, perlu dibuat lebih dari satu batas yaitu batas atas (BA) dan batas bawah (BB).

Adapun langkah pengerjaan pengendalian on-off dengan histerisis:  Dibuat lebih dari satu batas atas (BA) dan batas bawah (BB)  Batas atas adalah batas tertinggi variable proses saat naik  Batas bawah adalah batas terbawah variable proses saat turun

 BA dan BB disebut celah diferensial (differential gap), daerah netral, atau histerisis  Fungsi celah diferensial adalah untuk memperlambat periode-periode cycling

Gambar Pengendali dua posisi pada proses pengendalian tinggi air dengan celah diferensial.

Dengan adanya dua titik acuan (batas), maka terdapat daerah netral yang berada di antara dua titik acuan. Jika permukaan air berada pada daerah netral, terdapat dua kemungkinan. Pertama, bila air sedang turun maka pompa tidak bekerja, karena permukaan air masih di atas batas bawah. Kedua, bila permukaan air sedang naik maka pompa sedang bekerja, karena permukaan air di bawah batas atas.

Gambar Pengendali dua posis pada proses pengendalian tinggi air dengan celah differensial.

(a) Osilasi pada variabel proses (PV) (b) Keluaran pengendali

(12)

Pengendali dua posisi mencatu energy atau massa ke dalam proses dengan bentuk pulsa-pulsa, sehingga menimbulkan osilasi atau cycling pada variable proses.

Amplitude cycling bergantung pada tiga factor, yaitu:  Konstanta waktu proses

 Waktu mati

 Besarnya perubahan beban Kelebihan pengendali dua posisi:  Perancangan mudah

 Murah  Terpercaya

Kekurangan pengendalian dua posisi:

 Terjadi fluktuasi pada variable proses, terutama bila perubahan beban cukup besar.  Pengendali Proporsional

Proporsional adalah persen perubahan sinyal kendali sebanding dengan persen perubahan sinyal pengukuran. Dengan kata lain sinyal kendali merupakan kelipatan sinyal pengukuran. Respon proporsional merupakan dasar pengendali PID. Pemakaian pengendali proporsional selalu menghasilkan offset. Offset berarti pengendali mempertahankan nilai PV pada suatu harga yang berbeda dengan setpoint. Offset muncul dalam usaha pengendali mempertahankan keseimbangan massa dan/atau energi. Pengendali proporsional hanya dapat digunakan untuk proses yang dapat menerima offset. Faktor kelipatan disebut gain pengendali (Kc). Pengendali proporsional sebanding dengan error-nya.

Persamaan matematika : U = Kc.e + Uo

dengan,

U = Keluaran pengendali (sinyal kendali), Kc = Proportional gain (gain pengendali) e = Error (SP – PV)

Uo = bisa, yaitu nilai sinyal kendali saat tidak ada error (e = 0)

Istilah gain pengendali bisaanya dinyatakan dalam proportional band (PB) Harga PB berkisar 0 – 500.

PB pada dasarnya menunjukkan persentasi rentang PV yang dapat dikendalikan atau range error maksimum sebagai masukan pengendali yang dapat menyebabkan pengendali memberikan keluaran dengan range maksimum. Semakin sempit proportional band, offset semakin kecil yang sesuai dengan proses dengan kapasitas besar, waktu mati kecil sehingga dapat memakai proportional band yang sempit.

Tanggapan loop terbuka pengendali proporsional

Gambar Respon Pengendali Proporsional  Pengendali Proportional Integral

Penambahan fungsi aksi integral pada pengendali proporsional adalah menghilangkan offset dengan tetap mempertahankan respons. Pada pengendali proporsional-integral sistem pengendali cenderung mudah osilasi, sehingga PB perlu lebih besar.

Persamaan pengendali PI: dengan :

(13)

Aksi integral merespons besar dan lamanya error. Aksi integral dapat dinyatakan dalam menit per-pengulangan (= waktu integral) atau pengulangan per-menit (konstanta integral). Respon loop terbuka pengendali proporsional integral (PI) pada gambar di bawah ini.

Persamaan:

Gambar 6.13 Respon loop terbuka Pengendali Proporsional-Integral (PI) Catatan :

 Waktu integral tidak boleh lebih kecil disbanding waktu mati proses sebab valve akan mencapai batas sebelum pengukuran (PV) dapat dibawa kembali ke setpoint.

 Ketika aksi integral diterapkan pada sistem pengendalian yang memiliki error dalam waktu yang lama, misalnya proses batch, maka aksi integral akan mengemudikan sinyal kendali kearah keluaran maksimum menghasilkan integral resr wind-up atrau ke arah minimum (integral reset wind-down).  Pengendali Proporsional Integral Differential (PID)

Kelambatan akibat aksi integral dapat dihilangkan dengan menambah aksi aksi derivative pada pengendali proporsional integral (PI) sehingga menghasilkan jenis pengendali proporsional-integral-derivatif (PID). Aksi derivarif bertujuan mempercepat respons perubahan PV dan memperkecil overshoot, namun sistem ini sangat peka terhadap gangguan bising (noise). Sistem ini sangat cocok pada proses yang memiliki konstanta waktu jauh lebih besar dibanding waktu mati, penambahan aksi derivative dapat memperbaiki kualitas pengendalian, namun tidak dapat digunakan pada proses dengan waktu mati dominant, penambahan aksi derivative dapat menyebabkan ketidakstabilan, sebab adanya keterlambatan (lag) respons pengukuran.

Persamaan standar pengendali proporsional-integral-derivatif (PID) Dengan:

(14)

Gambar 6.14 Respons steep loop terbuka pengendali (PID)

Sifat-sifat pengendali proporsional-integral-derivatif (PID) yaitu tanggapan cepat dan amplitude osilasi kecil (lebih stabil), tidak terjadi offset dan peka terhadap noise.

 Pengendalian Proporsional Derivativ (PD)

Pengendali proporsional-derivatif (PD) banyak menimbulkan masalah sehingga model pengendali ini hamper tidak pernah dipakai di industri karena kepekaan terhadap noise dan tidak sesuai untuk proses dengan waktu dominan. Model pengendali PD sesuai untuk proses multikapasitas, proses batch dan proses lain yang memiliki tanggapan lambat.

(15)

Gambar 6.15 Respons steep loop terbuka pengendali (PD)

Pengendali proporsional derivative (PD) tanggapan cepat terhadap respons dengan overshoot kecil namun sangat peka terhadap noise.

 Penentuan Parameter Pengendali Optimum (Optimum Control Setting)

Ada banyak cara yang digunakan untuk menentukan nilai parameter pengendali optimum pada sistem pengendali, diantaranya adalah:

a. Metode Osilasi teredam (Damped Ossilation Method)

Metode ini didasarkan pada respon proses yang mempunyai decay ratio ¼ pada suatu sistem tertutup yang hanya menggunakan aksi proporsional. Metode ini dilakukan dengan cara mengecilkan nilai gain dari harga terkecil sampai satu nilai tertentu sehingga didapat respon yang berosilasi dan mempunyai decay ratio ¼.

b. Metode Loop Tuning (Continous–Cycling Method)

Metode penyetelan dengan menggunakan metode loop tuning pada dasarnya adalah penyetelan secara eksperimen untuk mendapatkan suatu nilai konstanta kritis atau penguat ultimat (gain ultimat) pada kontroller yang hanya menggunakan aksi proportional dalam siklus pengendali tertutup (closed loop sistem). Penyetelan dilakukan secara coba–coba dengan cara merubah nilai gain secara selangkah demi selangkah, sampai didapatkan respon dari sistem yang berosilasi secara terus menerus. Kondisi dimana sistem berosilasi secara terus menerus yang disebabkan oleh nilai penguatan proporsional yang digunakan disebut gain ultimate (Ku) dan besarnya perioda yang terjadi tiap cycle disebut ultimate periode (Pu).

(16)

Gambar Respon Proses pada kondisi Kritis atau Kondisi ultimat

Pada kondisi respon proses yang berisolasi secara continue waktu tiap periode kritis dapat dihitung dengan mengambil titik sembarang dari satu puncak ke puncak berikutnya (lihat gambar di atas). Untuk mendapatkan parameter yang optimum maka Ziegler Nichlos telah menetapkan sesuai dengan tabel berikut ini :

AKSI KONTROL NILAI PENGENDALI

Kc TI TD P P + I P + I + D 0.50 Ku 0.45 Ku 0.60 Ku -Pu /1.2 Pu /2.0 -Pu /8

Tabel Pengesetan parameter pengendali menurut metode Ziegler Nichols. c. Metode Kurva Reaksi (Reaction Curve Method)

Metode ini juga dikembangkan oleh Ziegler Nichlos dan sering disebut dengan metoda reaksi proses. Pendekatan dasarnya yaitu didasarkan pada respon transient suatu proses akibat adanya suatu perubahan step input pada suatu rangkaian terbuka (open loop). Pada saat mulai untuk metode ini, bisaanya dilakukan gangguan terhadap proses yaitu dengan cara melakukan perubahan step terhadap output kontroller sebesar M%. Nilai variabel kontrol saat dilakukan gangguan dan setelah mencapai nilai jenuh diukur atau dicatat (jika menggunakan recorder), serta waktu yang dibutuhkan proses untuk mencapai nilai jenuh yang baru. Selang waktu yang dibutuhkan tepat saat gangguan dilakukan dan saat tercapainya nilai baru yang jenuh merupakan penjumlahan dari waktu mati (TAD) dan waktu naik (Ta) secara keseluruhan. Tanggapan proses untuk loop terbuka diperlihatkan pada gambar 1.6. dibawah ini :

Gambar Tanggapan Proses Loop Terbuka

Berdasarkan hasil dan respon proses tersebut diatas maka COHEN & COONS menetapkan nilai – nilai parameter pengendali seperti tabel berikut :

Metode Kontrolle r Penyetelan Kontroller Kc TI TD P

(17)

P + I P + D P + I + D

Dimana Us = penguatan sistem = Cp/M%  Kestabilan

Dalam kondisi normal, sistem pengendalian harus menghasilkan operasi yang stabil. Artinya pengendali mampu mengembalikan penyimpangan variabel proses ke nilai yang diinginkan dengan sesedikit mungkin overshoot dan osilasi. Pada gain pengendali yang besar (proportional band terlalu kecil) dapat menyebabkan sistem berosilasi meskipun memiliki tanggapan cepat. Sebaliknya jika gain terlalu kecil, penyimpangan variabel proses terlalu besar. Kalaupun kembali ke nilai yang dikehendaki, akan membutuhkan waktu yang lama. Untuk mendapatkan kompromi antara kecepatan dan kestabilan sistem, telah dibakukan criteria Redaman Seperempat Amplitude. Artinya, amplitude puncak gelombang berikutnya adalah seperempat amplitude sebelumnya. Ini terjadi jika gain total pada periode osilasi.

Gc Gv Gp Gt = 0,5

Dengan G adalah gain, indeks c,v,p,t berturut-turut menunjukkan pengendali, elemen kendali akhir, proses dan transmitter.

Dinamika elemen kendali akhir dan transmitter bisaanya diabaikan terhadap dinamika proses, sehingga hanya memiliki nilai Kv dan Kt. Dengan memasukkan gain keduanya ke dalam dinamika proses, maka persamaan di atas menjadi;

Gc Gps = 0,5

Di sini Gps = Kv Gp Kt yaitu gain sistem proses termasuk elemen kendali akhir dan transmitter.  Pemilihan Jenis Pengendali

Hakikat utama pengendalian proses adalah mempertahankan nilai variable proses agar sesuai dengan kebutuhan operasi, untuk mecapai hal tersebut maka perlu dilakukan pemilihan jenis pengendali yang tepat dan sesuai dengan tujuan dan kebutuhan operasi.Teknik pemilihan dan penerapan jenis pengendali sebagai berikut:

1. Penggunaan pengendali dua posisi, jenis ini dapat digunakan jika :  Variabel proses tidak memerlukan ketelitian tinggi

 Cycling pada variable proses dapat diterima dan laju perubahan variable proses lambat.

2. Pengendali proporsional, jenis ini digunakan jika pengendali dua posisi tidak mencukupi. Jenis ini dapat digunakan jika :

 Offset dapat diterima dengan Kc (atau PB) yang moderat atau jika PB besar

 Sistem operasi memiliki aksi integrasi, contoh tekanan gas dan tinggi permukaan cairan dan sistem proses memiliki tanggapan lambat hingga sedang.

3. Jika pengendali proporsional tidak mencukupi, perlu digunakan pengendali proporsional – integral. Jenis ini dapat digunakan jika :

 Variabel proses memiliki tanggapan yang cepat, contoh laju alir. Sebab aksi integral memperlambat tanggapan, sehingga jika prosesnya cepat, penambahan aksi integral masih tetap memuaskan. Oleh sebab itu tekanan gas dan tinggi permukaan cairan jarang dikendalikan dengan PI.

 Sistem proses yang tidak dapat membolehkan adanya offset.

4. Jika pengendali PI tidak mencukupi, perlu digunakan pengendali proporsional integral derivatif (PID).

Jenis ini dapat digunakan jika sistem proses memiliki tanggapan lambat, offset tidak diperbolehkan, waktu mati cukup kecil (tidak dominant) dan tidak ada noise, contoh suhu, komposisi, dan pH. 5. Pengendali jenis proporsional-derivatif (PD) hamper tidak pernah digunakan di industri.

Adanya aksi derivative mempercepat tanggapan, tetapi sangat peka terhadap noise. Padahal variable proses di industri hampir selalu mengandung noise. Namun demikian jika diinginkan memakai PB yang kecil sementara overshoot diharapkan tetap kecil, penambahan derivative dapat membantu. Pengendali PD cocok dipakai untuk proses batch dan multikapasitas dengan catatan noise tidak ada.

(18)

3. Alat Dan Bahan :  Alat:

 Serangkaian alat pengendalian level (PCT-40)  Seperangkat komputer

 Bahan:  Air

4. Cara Kerja  Section I

a. Pengendalian level mode controller manual dan automatic

1. Menyalakan computer dan seperangkat alat pengendalian level PCT-40. 2. Menyalakan kran air.

3. Membuka program PCT40 software dan memilih section 1. 4. Memasang selang input dari pompa pada SOL 1.

5. Memilih ikon pada tab menu untuk menampilkan layar diagram pengendalian level yang berisi penampakan dari level tangki.

6. Memilih “configure” pada menu kemudian mengatur interval waktu pengambilan data sebesar 5 detik secara kontinyu.

7. Memastikan sirkulasi air yang masuk ke tangki sudah lancar kemudian mengosongkan air yang ada di dalam tangki.

8. Pada layar diagram, memilih “control” di bawah tank level kemudian mengubah set point yang diinginkan yaitu 50, 100 dan 150 serta memilih sistem manual dengan pengeluaran 50% lalu meng-klik “Ok”.

9. Memilih ikon “GO” untuk merekam data. Jika selesai mengambil data pilih “STOP”. 10. Menyimpan data yang telah diperoleh ke dalam bentuk excel.

11. Memilih ikon “new sheet” untuk mengambil data baru.

12. Mengulangi percobaan di atas dengan mengganti mode operasi pada menu “control” di samping tampilan tangki dengan “automatic” dan off.

b. Pengendalian Level dengan Mode Level Switch

1. Menyalakan computer dan seperangkat alat pengendalian level PCT-40. 2. Menyalakan kran air.

3. Membuka program PCT40 software dan memilih section 1. 4. Memasang selang input dari pompa pada SOL 1.

7. Mengatur level float switch pada ketinggian tertentu (tidak sama dengan nilai set point).

9. Pada layar diagram, memilih “control” di bawah tank level kemudian mengubah set point yang diinginkan yaitu 50,100 dan 150.

10. Memilih kolom pengendalian di kiri atas pada “level switch serta memilih sistem automatik lalu meng-klik “Ok”.

11. Memilih ikon “GO” untuk merekam data. Jika selesai mengambil data pilih “STOP”. 12. Menyimpan data yang telah diperoleh ke dalam bentuk excel.

14. Mengulangi percobaan di atas dengan memberian gangguan selama proses yaitu dengan cara membuka atau meng-klik SOL 2 pada layar diagram.

16. Mengulangi percobaan di atas dengan mengganti mode operasi pada menu “control” di samping tampilan tangki dengan “automatic” dan off.

(19)

c. Pengendalian level mode differential switch:

1. Menyalakan komputer dan alat pengendalian level serta memeriksa rangkaiannya. 2. Menyalakan kran air.

3. Memasang selang input dari pompa pada SOL 1.

4. Membuka program PCT40 software dan memilih section 1.

8. Pada layar diagram, memilih “control” di bawah tank level kemudian mengubah set point yang diinginkan yaitu 50 serta memilih sistem “automatik” dengan pengeluaran 100% lalu meng-klik “Ok”.

9. Memilih kolom pengendalian di kiri atas pada “differential switch” sistem.

10. Memilih ikon “GO” untuk merekam data. Jika telah selesai mengambil data pilih “STOP”. 11. Menyimpan data yang telah diperoleh ke dalam bentuk exel.

13. Mengulangi percobaan di atas dengan memberikan 1 gangguan selama proses yaitu dengan cara membuka atau meng-klik SOL 2 pada layar diagram.

14. Mengulangi percobaan diatas dengan mengganti mode operasi pada menu “control” disamping tangki dengan “manual” dan off.

 Section 2

Membandingkan respon pengendalian P, PI, dan PID dengan metode Tuning: 1. Menyalakan computer dan alat pengendalian level serta memeriksa rangkaiannya. 2. Menyalakan kran air.

3. Memasang selang input dari pompa pada PSV.

7. Pada layar diagram, memilih “control” di bawah tank level kemudian mengubah set point yang diinginkan yaitu 200 dan nilai PB, TI, dan TD sesuai dengan perhitungan optimasi pada prosedur sebelumnya serta memilih sistem “automatic” lalu meng-klik “Ok”.

8. Memilih kolom pengendalian di kiri atas pada “controller” sistem. 9. Membuka drain di bawah tangki level ½ putaran.

10. Memilih ikon “GO” untuk merekam data dan “STOP” untuk menghentikan proses pengambilan data.

11. Setelah beberapa saat proses diberi gangguan pada SOL 3 dan setelah beberapa menit proses dihentikan kemudian menyimpan data dalam bentuk excel.

13. Mengulangi prosedur di atas dengan hanya mengisi nilai PB dan TI saja untuk pengendalian PI dan hanya mengisi nilai PB saja untuk pengendalian P dengan gangguan pada SOL 3.

14. Membandingkan respon ketiga pengendalian di atas.

 Optimasi parameter pengendalian dengan metode Tuning:

1. Menyalakan computer dan alat pengendalian level serta memeriksa rangkaiannya. 2. Menyalakan kran air.

3. Memasang selang input dari pompa pada PSV.

(20)

8. Pada layar diagram, memilih “control” di bawah tank level kemudian mengubah set point yang diinginkan yaitu 100 serta memilih sistem “automatic” lalu meng-klik “Ok”.

9. Memilih kolom pengendalian di kiri atas pada “controller” sistem. 10. Membuka drain di bawah tangki level ½ putaran.

11. Memilih ikon “GO” untuk merekam data dan “STOP” untuk menghentikan proses pengambilan data.

12. Memilih tampilan grafik pada tab menu untuk melihat grafik respon yang terbentuk. 13. Menghentikan proses setelah terjadi osilasi respon yang sama.

14. Menyimpan data yang telah diperoleh ke dalam bentuk exel. 15. Menghitung nilai amplitudo dan waktu 1 gelombang (t).

16. Menghitung nilai PB, TI, dan Td dengan rumus seperti di bawah ini: PB = y/3

TI = t Td = t/6

Terhadap Respon Pengendali:

1. Menyalakan computer dan alat pengendalian level serta memeriksa rangkaiannya. 2. Menyalakan kran air.

3. Membuka program PCT40 software dan memilih section 3. 4. Memasang selang output dari pompa pada PSV.

7. Pada layar diagram, memilih “control” di bawah tank level kemudian mengubah set point yang diinginkan yaitu 150 dan mengisi nilai PB sebesar 0, IT sebesar 0 dan DT sebesar 0 serta memilih sistem “automatic” lalu meng-klik “Ok”.

8. Mensetting PSV 50 pada kolom PSV

9. Memilih kolom pengendalian di kiri atas pada “controller” sistem. 10. Memilih ikon “GO” untuk merekam data. Memberi gangguan SOL2

11. Jika laju alir yang semakin tinggi maka PSV diturunkan dan begitu pula dengan sebaliknya. 12. Jika telah selesai mengambil data pilih “STOP”.

13. Menyimpan data yang telah diperoleh ke dalam bentuk excel. 14. Memilih ikon “new sheet” untuk mengambil data baru.

Optimasi parameter pengendalian pada Out flown:

1. Menyalakan komputer dan alat pengendalian level serta memeriksa rangkaiannya. 2. Menyalakan kran air.

3. Membuka program PCT40 software dan memilih section 3. 4. Memasang selang output dari pompa pada PSV.

7. Pada layar diagram, memilih “control” di bawah tank level kemudian mengubah set point yang diinginkan yaitu 150 serta memilih sistem “automatic” lalu meng-klik “Ok”.

8. Mensetting PSV 100 pada kolom PSV

9. Memilih kolom pengendalian di kiri atas pada “controller” sistem. 10. Memilih ikon “GO” untuk merekam data dan memberi gangguan SOL 3 11. Nilai PSV sama dengan nilai PSV yang diberikan pada kondisi on-off 12. Memilih “STOP” untuk menghentikan proses pengambilan data.

13. Memilih tampilan grafik pada tab menu untuk melihat grafik respon yang terbentuk. 14. Menghentikan proses setelah terjadi osilasi respon yang sama.

15. Menyimpan data yang telah diperoleh ke dalam bentuk excel. 16. Menghitung nilai amplitudo dan waktu 1 gelombang (t).

17. Menghitung nilai PB, TI, dan Td dengan rumus seperti di bawah ini: PB = y/3

TI = t Td = t/6

(21)

5. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada praktikum kali ini adalalah pengendalian level atau permukaan cairan. Tujuan dilakukan pengukuran ketinggian cairan adalah untuk mencegah kerusakan alat akibat kekosongan level serta kerugian akibat cairan terbuang, sebagai pengontrol jalannya proses, dan mendapatkan kualitas terbaik. Namun dalam praktikum yang dilakukan yaitu pengendalian level

1. Section I

a. Level Switch Manual