PENGENDALIAN PROSES
TK6543
KONSEP DASAR PENGENDALIAN PROSES
Program Studi Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret 2020
Tika Paramitha, S.T., M.T.
Contoh Pengendalian Proses
Contoh pengendalian proses dalam kehidupan sehari-hari, yaitu pengendalian proses pada water heater.
Terdapat sensor air dan sensor pemantik api yang terhubung dengan panel.
Termostat : alat kontrol suhu air. Jika suhu air melebihi 70°C, maka aliran gas akan berhenti.
TRAGEDI BHOPAL
(kegagalan pengendalian proses)BAB 1
“Incentives for Chemical Process Control”
PENGENDALIAN PROSES ???
Proses dalam kata pengendalian proses dan industri proses menunjuk pada “cara perubahan”
materi atau energi untuk memperoleh produk akhir.
Mengendalikan (kata kerja) adalah “memperoleh” keadaan yang diinginkan dengan cara mengatur variabel tertentu dalam sistem.
Pengendalian proses adalah “cara memperoleh” keadaan proses agar sesuai
dengan yang diinginkan.
Persyaratan dalam Menjalankan Pabrik Kimia
1. Keamanan (safety): menjalankan operasi dengan aman dari suatu proses kimia adalah persyaratan utama. Sehingga kondisi operasi dilakukan pada batasan tertentu.
2. Spesifikasi produk: suatu pabrik memproduksi produk dengan jumlah dan kualitas produk sesuai yang diharapkan.
3. Peraturan lingkungan: memperhatikan peraturan lingkungan, seperti temperatur, konsentrasi bahan kimia, dan laju aliran keluaran dari pabrik harus dalam batasan tertentu.
Persyaratan dalam Menjalankan Pabrik Kimia
4. Batas operasional: mempertahankan kondisi tetap dalam batas operasional (operational constraint) sehingga produktivitas dan kualitas produk terjaga.
5. Keuntungan (profitability): operasi yang dijalankan harus memperhatikan ketersediaan bahan baku dan kebutuhan produk oleh konsumen. Selain itu, pemanfaatan bahan baku, energi, tenaga buruh harus optimal. Proses yang berjalan optimum akan menghasilkan keuntungan maksimum.
Tujuan Pengendalian Proses
1. Menekan pengaruh gangguan eksternal
2. Memastikan stabilitas proses kimia
3. Mengoptimalkan kinerja proses kimia
Tujuan Pengendalian Proses
Menekan pengaruh gangguan eksternal
Example 1.1. Kontrol pada tangki pemanas berpengaduk Set point : T sesuai dengan Ts dan V sesuai dengan Vs
Tujuan Pengendalian Proses
Menekan pengaruh gangguan eksternal
Feedback : sistem kontrol mengukur variabel T setelah variabel yang mengganggu memberikan efek pada sistem.
Feedforward : sistem kontrol tidak menunggu efek gangguan pada sistem, tetapi bertindak sebelum mempengaruhi sistem.
Kontrol terhadap Temperatur
Tujuan Pengendalian Proses
Menekan pengaruh gangguan eksternal
Kontrol terhadap Volume (Feedback)
Tujuan Pengendalian Proses
Memastikan stabilitas proses kimia
SELF REGULATING : kembali ke kondisi awal, dan tetap pada kondisi tersebut tanpa intervensi dari luar.
Proses tidak stabil dan membutuhkan controller untuk menstabilkannya.
Tujuan Pengendalian Proses
Memastikan stabilitas proses kimia
Example 1.2. Kontrol pada CSTR dengan jaket pendingin
Berdasarkan gambar 1.8. P2 tidak stabil, sedangkan P1 dan P3 stabil.
Tujuan Pengendalian Proses
Memastikan stabilitas proses kimia
G (T) : jumlah panas yang terbangkitkan (generated heat)
R (T) : jumlah panas yang terambil oleh pendingin (removal heat)
Jika reaksi terjadi pada P3, maka :
Suhu naik menjadi dari T3 menjadi T3’: R
> G, sehingga suhu akan turun ke T3.
Suhu turun menjadi dari T3 menjadi T3”:
G > R, sehingga suhu akan naik ke T3.
Hal yang sama akan terjadi juga jika reaksi terjadi pada P1.
Kestabilan P1 dan P3
Tujuan Pengendalian Proses
Memastikan stabilitas proses kimia
G (T) : jumlah panas yang terbangkitkan (generated heat)
R (T) : jumlah panas yang terambil oleh pendingin (removal heat)
Jika reaksi terjadi pada P2, maka :
Suhu naik dari T2 menjadi T2’: G > R, sehingga suhu akan naik terus-menerus menjauhi T2.
Suhu turun dari T2 menjadi T2”: R > G, sehingga suhu akan turun terus-menerus menjauhi T2.
Ketidakstabilan P2
Tujuan Pengendalian Proses
Memastikan stabilitas proses kimia
Operasi harus dilakukan pada T2 dengan pertimbangan :
T1 : suhu terlalu rendah (reaksi berjalan lambat)
T3 : suhu terlalu tinggi (unsafe/mahal), bisa merusak katalis dan mendekomposisi produk.
Tujuan Pengendalian Proses
Mengoptimalkan kinerja proses kimia
Tujuan : SAFETY dan SPESIFIKASI PRODUK Selanjutnya, PROFITABLE.
Example 1.3. Optimasi performa reaktor batch Reaksi : A → B → C
B merupakan produk utama, sedangkan C merupakan produk yang tidak diinginkan.
Maksimum profit= 0tR pendapatan hasil penjualan B − biaya uap dt + biaya pembelian A
Tujuan Pengendalian Proses
Berdasarkan persamaan menentukan keuntungan, yang dapat diatur dalam suatu operasi adalah kebutuhan steam.
1) Q (t) besar (laju alir steam besar) : suhu reaksi akan besar dan kecepatan reaksi besar.
Pada awalnya CA besar, maka yield B besar. Dengan bertambahnya waktu, B akan terurai menjadi C, sehingga produk B akan menurun.
2) Q (t) = 0 : tidak membutuhkan biaya steam dan tidak ada produksi B.
Sehingga diperlukan sistem kontrol untuk mengatur laju alir steam.
→ Jumlah aliran steam sebagai fungsi waktu
BAB 2
“Design Aspects of a Process Control System”
Klasifikasi variabel pada proses kimia
Variabel yang berhubungan dengan proses kimia:
1. Input variables adalah variabel yang masuk ke proses.
2. Output variables adalah variabel yang keluar dari proses.
Input variables :
1. Manipulated variables adalah variabel yang nilainya dapat diatur.
2. Disturbances adalah variabel yang nilainya bukan hasil pengaturan.
Output variables :
1. Measured output variables adalah variabel yang nilainya diketahui dengan mengukur secara langsung.
2. Unmeasured output variables adalah variabel yang nilainya tidak dapat dihitung secara langsung
Klasifikasi variabel pada proses kimia
Example 2.3.
Reaktor CSTR dengan pendingin jaket Input variables :
Manipulated variables : Fc dan F Disturbances : Cai, Ti, Fi, Tci
Output variables :
Measured output variables : T, Tco (termokopel), F (venturimeter), V (differential pressure cell).
Unmeasured output variables : Ca (gas kromatografi, infrared spectrometer).
Klasifikasi variabel pada proses kimia
Example 2.4.
Tangki pemanas berpengaduk Input variables :
Manipulated variables : Fst, F Disturbances : Ti, Fi
Output variables :
Measured output variables : T dan V
Elemen desain sistem kontrol
1. Menentukan tujuan pengendalian proses
1. Menekan pengaruh gangguan eksternal
2. Memastikan stabilitas teknik kimia
3. Mengoptimalkan kinerja proses kimia
Tujuan proses bisa dipilih dari ketiga tujuan di bawah, atau kombinasinya.
Elemen desain sistem kontrol
2. Menentukan pengukuran
Menentukan variabel apa saja yang akan diukur.
Example 2.9.
Untuk proses tangki pemanas berpengaduk variabel yang diukur yaitu temperatur dan volume cairan.
Elemen desain sistem kontrol
2. Menentukan pengukuran
Example 2.10.
Menara distilasi sederhana bertujuan memisahkan dua komponen (pentan dan heksan) menjadi dua aliran produk yaitu pentan (hasil atas) dan heksan (hasil bawah). Spesifikasi yang diinginkan yaitu hasil atas berupa 95% mol pentan.
Elemen desain sistem kontrol
2. Menentukan pengukuran
Gambar 1 : yang diukur komposisi hasil atas (feedback control configuration) Gambar 2 : yang diukur komposisi umpan (feedforward control configuration) Gambar 3 : yang diukur temperatur tray (inferential control configuration)
Elemen desain sistem kontrol
3. Menentukan manipulated variables
Gambar 1 : manipulated variable adalah laju alir keluaran (F) Gambar 2 : manipulated variable adalah laju alir masuk (Fi)
Elemen desain sistem kontrol
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
Ada dua sistem kontrol :
1) Variabel yang diukur/dikontrol berbeda → manipulated variables/variabel yang diatur sama.
Gambar 1 : variabel yang diukur T pada tangki, variabel yang diatur laju alir steam (Fst) Gambar 2 : variabel yang diukur Ti pada umpan, variabel yang diatur laju alir steam (Fst)
Elemen desain sistem kontrol
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
Ada dua sistem kontrol :
2) Variabel yang diukur/dikontrol sama → manipulated variables/variabel yang diatur berbeda.
Gambar 1 : variabel yang diukur V pada tangki, variabel yang diatur laju alir keluar (F) Gambar 2 : variabel yang diukur V pada tangki, variabel yang diatur laju alir umpan (Fi)
Elemen desain sistem kontrol
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
Berdasarkan jumlah variabel yang dikontrol dan variabel yang diatur, dibedakan menjadi : 1) SISO (single input, single output)
Contoh : kontrol ketinggian cairan dengan mengatur laju alir keluaran.
Elemen desain sistem kontrol
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
2) MIMO (multiple input, multiple output)
Contoh : kontrol ketinggian cairan dan temperatur dengan mengatur laju alir steam dan laju alir umpan.
Elemen desain sistem kontrol
32
4. Menentukan konfigurasi pengendalian
Tiga jenis konfigurasi pengendalian proses adalah :
1) Pengendalian Umpan Balik (Feedback control configuration) : pada konfigurasi ini, variabel yang diukur/dikontrol adalah output variables untuk mengatur manipulated variables.
2) Pengendalian Inferential (Inferential control configuration) : pada konfigurasi ini menggunakan pengukuran secara tidak langsung yaitu dengan mengukur output variables tertentu untuk mengestimasi variabel yang akan dikendalikan. Hal ini dilakukan karena variabel terkontrol tidak dapat diukur secara langsung.
3) Pengendalian Umpan Maju (Feedforward control configuration) : pada konfigurasi ini, variabel yang diukur adalah gangguan (disturbances) untuk mengatur manipulated variables.
Elemen desain sistem kontrol
Feedback
Variabel yang diukur : Measured output variables : komposisi hasil atas Variabel yang diatur : Manipulated variables : Reflux ratio
Elemen desain sistem kontrol
Feedforward
Variabel yang diukur : Disturbances : komposisi umpan Variabel yang diatur : Manipulated variables : Reflux ratio
Elemen desain sistem kontrol
Variabel yang diukur : variabel sekunder : temperatur pada tray
Variabel yang diatur : Manipulated variables : Reflux ratio
Inferential
Elemen desain sistem kontrol
4. Mendesain controller
Kondisi steady state :
Kondisi transient :
Kedua persaman di atas menjadi :
Elemen desain sistem kontrol
4. Mendesain controller
Propotional control
Propotional control tidak stabil ketika diaplikasikan.
Elemen desain sistem kontrol
4. Mendesain controller
Integral control
Integral control : semakin besar nilai α, maka semakin kecil waktu yang dibutuhkan untuk stabil dan semakin kecil error yang dihasilkan.
Elemen desain sistem kontrol
4. Mendesain controller
Propotional-Integral Control
Aspek kontrol untuk keseluruhan proses pabrik kimia
Example 2.13.
Terdiri dari dua unit yaitu CSTR dan menara distilasi.
Reaksi : A + B → C
Reaksi endotermis, panas disuplai dari steam.
Tujuan :
1) Spesifikasi produk :
Menjaga aliran produk (Fp)
Menjaga kemuarnian produk (C) 2) Hambatan dalam operasi :
Reaktor CSTR dijaga agar tidak overflow
Menara distilasi dijaga agar tidak flooding 3) Pertimbangan ekonomi :
Memaksimalkan keuntungan dengan meminimalkan biaya operasional (harga bahan baku, steam (reaktor dan menara distilasi), cooling water (menara distilasi).
Aspek kontrol untuk keseluruhan proses pabrik kimia
Disturbances/gangguan :
1) Laju alir, komposisi, temperatur bahan baku
2) Tekanan pada menara distilasi
3) Temperatur pendingin pada kondensor (jika yang digunakan air, maka temperatur pendingin pada siang hari dan malam hari berbeda)
Aspek kontrol untuk keseluruhan proses pabrik kimia
Kontrol dilakukan pada dua unit proses
1) Hasil atas menara distilasidikontrol dengan mengatur laju alir steam pada reboiler
2) Konversi pada reaktor dikontrol dengan rasio FA/FB dan temperatur.
Keluaran reaktor mempengaruhi operasi pada menara distilasi
Hasil atas menara distilasi mempengaruhi konversi pada reaktor
BAB 3
“Hardware for a Process Control System”
Perangkat keras sistem kontrol
1. Proses : proses terjadinya operasi kimia dan fisika.
2. Instrumen/sensor: alat untuk mengukur gangguan, variabel output, maupun variabel sekunder.
Variabel Sensor
Temperatur Thermocouple, resistance thermometer
Tekanan Manometer
Laju alir Orifice meter, venturimeter
Level ketinggian cairan Differensial pressure cell (DP cell)
Komposisi Chromatographic analyzer
Perangkat keras sistem kontrol
3. Transmitter: mengubah hasil pengukuran sensor menjadi sinyal standar. Sinyal standar yang dapat dipakai adalah sinyal pneumatik dan sinyal listrik.
Transduser: mengubah sinyal arus ke tekanan udara (I/P).
Perangkat keras sistem kontrol
4. Transmission lines: kabel untuk menyampaikan sinyal listrik.
Terkadang hasil pengukuran sinyal sangat lemah, sehingga tidak dapat ditransmisikan untuk jarak jauh. Sehingga perlu ada penambahan amplifier yang dapat meningkatkan level sinyal. Misalnya : hasil pengukuran termokopel hanya beberapa milivolt diubah menjadi beberapa volt.
Sensor Controller Final control element, ex. Control valve
Perangkat keras sistem kontrol
5. Kontroler : menerima informasi dari sensor dan menentukan output/tindakan yang harus dilakukan.
- Perhitungan sinyal dari sensor - Aksi apa yang akan diambil
6. Elemen kontrol : alat untuk mengimplementasikan output kontroler.
- Control valve, pump, compressor
7. Alat perekam : merekam fenomena dari proses tersebut.
- Video display unit
Perangkat keras sistem kontrol
Perangkat keras sistem kontrol
Sketsa dan simbol katup kendali pneumatik
Berdasar aksi katup oleh adanya perubahan tekanan udara, katup kendali dibedakan menjadi dua macam, yaitu : 1. air-to-open (AO) atau disebut fail-
closed (FC)
2. air-to-close (AC) atau disebut fail- open (FO).
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.
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
Perangkat keras sistem kontrol
Sketsa dan simbol katup kendali pneumatik
Berdasar aksi penggerak (actuator) oleh adanya perubahan tekanan udara, katup kendali dibedakan menjadi dua macam, yaitu:
1. direct acting 2. reverse acting.
Direct acting, sinyal tekanan udara masuk dari atas. Dengan kenaikan sinyal tekanan udara, stem bergerak ke bawah.
Reverse acting, sinyal masuk dari bawah. Dengan kenaikan sinyal tekanan udara,
stem bergerak ke atas.
Perangkat keras sistem kontrol
Direct acting
Jika level tanki mengalami kenaikan melebihi setpoint maka control valve akan membuka lebih
besar untuk menjaga level tanki kembali ke setpoint
Reverse acting
Jika level tangki mengalami kenaikan melebihi setpoint, maka control valve harus
mengurangi bukaannya untuk menjaga level
Perangkat keras sistem kontrol
Diagram Instrumentasi Pengendalian Suhu dan Level Reaktor
Perangkat keras sistem kontrol
Diagram Instrumentasi Pengendalian Suhu dan Level Reaktor (disederhanakan)
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 dapat diukur, maka hasil pengendalian umpan maju tidak terlalu bagus. Lebih jauh, tidak ada jaminan bahwa nilai variabel proses sama dengan setpoint. Oleh sebab itu pengendalian umpan maju hampir selalu dipakai bersama pengendalian umpan balik. Pengendalian umpan balik bertugas mengantisisapi gangguan tak terukur serta memastikan nilai variabel proses sesuai yang diharapkan. Pengendalian umpan maju dipakai untuk mengantisipasi gangguan sebelum berpengaruh ke variabel proses. Satu-satunya keunggulan pengendalian umpan maju adalah kestabilan sistem.
