Pengendalian Proses 1 Pengendalian Prose

310

Click here to load reader

description

Tugas

Transcript of Pengendalian Proses 1 Pengendalian Prose

Pengendalian Proses_2013

PENGENDALIAN PROSESDisusun olehIr. HERIYANTO, M.T.2010KATA PENGANTARBuku 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 2010Ir. Heriyanto, M.T.DAFTAR ISTILAHGangguan 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 PENDAHULUANTUJUAN PEMBELAJARAN UMUMMengenal 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 PENGENDALIANSistem pengendalian banyak ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa contoh misalnyamempertahankansuhutubuh37oColehpusatkendalihipotalamus; mempertahankan arah kendaraan bermotor dalam jalur yang benar; mempertahankan suhu ruangan dalam kisaran 18 hingga 22 oC; 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 oC 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 PROSESPeranan pengendalian proses dalam pabrik kimia mecakup tiga kelompok yaitu keamanan

(safety), kehandalan operasi (operability), dan keuntungan eknomi (profitability).

1.2.1Keamanan (safety)Dalam kelompok ini, keamanan meliputi: keselamatan manusia, perlindungan peralatan, dan perlindungan lingkungan.

(a) Keselamatan ManusiaSistem 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 PeralatanSistem 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 LingkunganSistem 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 melaluipressuresafetyvalveuntukmenghindarikondisiekstremyang membahayakan peralatan dan manusia.

1.2.2Kehandalan 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.

1.2.3Keuntungan 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

keragaman produk lebih besar. Sehingga rata-rata kualitas produk lebih jauh dari spesifikasi agar tidak ada produk yang keluar batas. Sebaliknya dengan pengendalian proses yang baik, produk lebih seragam, sehingga rata-rata kualitas produk bisa lebih dekat dengan batas spesifikasi.

(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 spefisikasiRata-rata produk

Rata-rata produkWaktu

Waktu(a) Tanpa Pengendalian(b) Dengan Pengendalian

Gambar 1.1 Peranan pengendalian dalam industri proses.

1.3 PRINSIP PENGENDALIAN PROSESLangkahpertamadalammemahamipengendalianprosesdapatdimulaidengan 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 besaran yang mempengaruhi variabel keluaran (suhu minyak keluar).

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).

Padapengendalianotomatik,yangmenjalankanmekanismepengendalian 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 (Tr). 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.

Prinsippengendaliansuhutersebutdiatasberlakuumumuntuksemua 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.MengukurMembandingkanMenghitungMengoreksi

Suhu cairan keluar (T)Suhu T dengan nilai setpoint (Tr)Jika T > Tr perkecil pemanasPerkecil bukaan katup

Jika T < Tr perbesar pemanasPerbesar bukaan katup

Gambar 1.5 Diagram blok proses pemanasan minyak dalam penukar panas

KeteranganTr setpoint (suhu minyak yang diinginkan) T suhu minyak keluar (variabel terkendali) Tm suhu minyak keluar terukur

eerror (= Tr Tm)usinyal kendali (controller output)

F laju alir minyak masuk

To suhu minyak masukTh suhu air panasS laju air panas (manipulated variable)

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.

1.3.1Pengendalian Lingkar Tertutup, Lingkar Terbuka dan ManualTerdapat 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

terjadi mekanisme umpan balik. Peran pengendali digantikan oleh operator (manusia). Operator melihat variabel proses terkendali, membandingkan dengan nilai yang diinginkan dan akhirnya memutuskan untuk memperbesar atau memperkecil bukaan katup kendali. Posisi manual diperlukan pada saat mengatur parameter pengendali ketika penalaan (tuning). Pergantian dari otomatik ke manual juga umum dikerjakan pada saat darurat, bilamana pengendali menimbulkan masalah kestabilan operasi.

1.3.2Pengendalian Umpan MajuInstrumen 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 gangguandapat 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 mengantisipasigangguansebelumberpengaruhkevariabelproses.Satu-satunya keunggulan pengendalian umpan maju adalah kestabilan sistem.

Gambar 1.8 Diagram blok pengendalian umpan maju pada proses pemanasan.

KeteranganF laju alir cairan masuk

To suhu cairan masukTh suhu aliran pemanas

Saliran pemanas sebagai manipulated variableusinyal kendali (controller output)

1.4 TANGGAPAN TRANSIEN SISTEM PENGENDALIANDalam 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 PENGENDALIANTujuan 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 IdealMempertahankan nilai variabel proses agar sama dengan setpoint.

Tujuan PraktisMempertahankan 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 pengendalianSetelah terjadi perubahan beban atau sepoint, diharapkan;

settling time sekecil mungkin (cepat)

offset sekecil mungkin (tepat)

maximum error sekecil mungkin (stabil)

1.6 KRITERIA KUALITAS PENGENDALIANEvaluasi 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 AmplitudoKriteria 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) AbsolutKriteria 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 KritikKriteria ini dipakai variabel proses tidak boleh melebihi batas spesifikasi yang

ditetapkan. Kondisi redaman kritik merupakan batas osilasi teredam.

1.7 PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIANPerancangan 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 sebenarnya

PEMODELAN MATEMATIKA

Model teoritik

TRANSFORMASI (LAPLACE atau Z)

Fungsi transferIDENTIFIKASI SISTEM

Model empirik

ANALISIS DINAMIKA

Perilaku sistemSINTESIS PENGENDALIAN

Implementasi pengendalian proses

PENALAAN PARAMETER

Perilaku dinamik

Sistem pengendalian

ANALISIS SISTEM PENGENDALIAN

Gambar 1.13 Diagram langkah perancangan atau pembelajaran pengendalian proses.

1.8 TERMINOLOGIVariabel 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-SOALA. ULANGAN1.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 GANDAPilih 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 timeB. offsetC. overshoot dan offsetD. overshoot6. Kriteria kontrol meliputi besaran yang berkaitan dengan ketepatan respons adalah A. overshootB. settling timeC. offsetD. offset dan settling time7. Kriteria kontrol meliputi besaran: (1) overshoot,

(2) settling time, dan

(3) offset.Dari ketiga besaran, yang menunjukkan kecepatan respon adalah

A. 1

B. 2

C. 3

D. 1 dan 3

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 variableC. errorD. gangguan beban

BAB-2INSTRUMEN SISTEM PENGENDALIANInstrumen 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.

1.8.1Unit PengukuranUnit 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.SINYALNILAIMINIMUMNILAIMAKSIMUMSIMBOL

Pneumatik

(udara tekan)3 psi(g)20 kPa(g)15 psi(g)100 kPa(g)

Listrik4 mA20 mA

Umum0%100%

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.

1.8.2Unit Kendali AkhirUnit kendali akhir bertugas menerjemahkan sinyal kendali menjadi aksi atau tindakan koreksi melalui pengaturan variabel pengendali atau variabel termanipulasi. Unit ini terdiri

atas dua bagian besar, yaitu actuator dan elemen regulasi. Actuator atau penggerak adalah piranti yang mampu melakukan aksi fisik. Fungsinya mengubah sinyal kendali menjadi pengaturan fisik untuk pengendalian variabel proses. Jenis penggerak yang penting dalam industri proses adalah pneumatik, elektrik, dan hidrolik. Katup kendali (control valve) merupakan unit kendali akhir yang paling banyak dipakai di industri kimia. Piranti ini terdiri atas penggerak (actuator) dan katup (valve). Sebagai energi penggerak adalah udara tekan (pneumatik). Meskipun demikian kadang-kadang memakai penggerak listrik, baik motor listrik (motorized valve) maupun solenoida (solenoide valve). Bukaan katup diatur oleh penggerak.

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 penuh1.8.3Unit PengendaliUnit 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.

Penentuanaksialgoritmapengendali,memerlukanpengetahuanbagaimana 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.AksiVariabel Proses (PV)Variabel Pengendali (MV)atau Sinyal Kendali

Direct actingNaik | TurunNaik | Turun

Reverse actingNaik | TurunTurun | Naik

Tabel 2.3 Aksi sistem proses, pengendali, dan katup kendali.Aksi Sistem ProsesAksi PengendaliAksi Katup Kendali

Direct actingReverse actingBiasanya FC

Reverse actingDirect actingBiasanya 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), tanpa memperhatikan apakah katup kendali jenis fail-open atau fail-closed.

1.9 DIAGRAM BLOKPenggambaran suatu sistem atau komponen dari sistem pengendalian dapat berbentuk blok (kotak)yangdilengkapidengananakpanahmasukdankeluar.Anakpanah 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

(4 - 20 mA)

Control valve

Laju pemanas

(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 INSTRUMENTASISimbol instrumen untuk diagram instrumentasi telah dibakukan oleh ISA (Instrumentation SystemandAutomation),yangdiuraikandalamInstrumentationSymbolsand 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 S5.1-1984LokasiInstrumenDiskretTampilan padaDCS (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)Variabel ProsesTipeElemenTransmitterIndicatorIndicator controllerControllerRatioControllerRecorderControlValveCalculationRatioCalculation

KodeTIICCFCRVYFY

Analisis (konsentrasi)AATAIAICACAFCARAVAYAFY

Aliran (flow)FFTFIFICFCFFCFRFVFYFFY

LevelLLTLILICLCLFCLRLVLYLFY

Tekanan (pressure)PPTPIPICPCPFCPRPVPYPFY

Suhu (temperature)TTTTITICTCTFCTRTVTYTFY

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.Variabelterkendaliadalahsuhuminyakkeluar.Variabelpengendali

(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

(c) Diagram paling sederhana

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 ating, sehingga pengendali level harus direct ating.

Contoh-2.4: Pengendalian Suhu Reaktor TangkiSuhu reaksi dikendalilkan oleh aliran steam. Diinginkan suhu reaksi sebesar 120 oC. 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 2.20Diagram 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 TangkiPengendalian 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 oC. 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.

Gambar 2.22 Diagram blok pengendalian umpan maju suhu reaktor tangki.

Contoh-2.6: Pengendalian Umpan Balik dan Umpan MajuGabungan 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-SOALA. URAIAN1. 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.

(a) Sebutkan apa yang menjadi: variabel proses,

manipulated variable, dan gangguan.

(b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem pengendalian.

2. Level Control-2

Gambar 2.25 Sistem level cairan.

Sebuah tangki mempunyai aliran masuk dan keluar. Laju alir masuk berubah-ubah tergantung proses sebelumnya. Level cairan dikendalikan dengan cara mengatur laju alir keluar sesuai perubahan alirna masuk.

(a) Sebutkan apa yang menjadi: variabel proses, manipulated variable, dan gangguan. (b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi

sistem pengendalian.

3. Pressure Control-1Laju alir gas masuk ke dalam tangki dapat berubah-ubah tanpa diketahui sebabnya. Tekanan dalam tangki gas dikendalikan dengan laju alir keluar.

(a) Sebutkan apa yang menjadi: variabel proses,

manipulated variable, dan gangguan.

(b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem pengendalian.

4. Pressure Control-2

Gambar 2.26 Pengendalian tekanan gas.

Laju alir gas keluar ke dalam tangki dapat berubah-ubah tanpa diketahui sebabnya. Tekanan dalam tangki gas dikendalikan dengan laju alir masuk.

(a) Sebutkan apa yang menjadi: variabel proses, manipulated variable, dan gangguan. (b)Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem pengendalian.

5. Flow ControlBeda tekanan antara aliran masuk dan keluar dapat beruba-ubah. Laju alir keluar dikendalikan oleh hambatan aliran.

(a) Sebutkan apa yang menjadi: variabel proses, manipulated variable, dan gangguan.

(b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem pengendalian.

Gambar 2.27 Pengendalian laju alir.

6. Temperature ControlSuhu dan laju alir fluida dingin dapat berubah-ubah. Suhu ke reaktor dikendalikan oleh aliran fluida panas.

(a) Sebutkan apa yang menjadi: variabel proses, manipulated variable, dan gangguan.

(b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem pengendalian.

Gambar 2.28 Pengendalian suhu.7. Perhatikan flash drum berikut. Agar proses dapat berjalan dengan baik diperlukan loop pengendalian. Level cairan dikendalikan oleh aliran produk bawah. Tekanan operasi dikendalian oleh aliran produk atas.

(a) Lengkapi gambar di samping dengan diagram instrumentasi untuk pengendalian tersebut.

(b) Buat diagram blok sistem pengendalian tekanan.

Gambar 2.29 Pengendalian flash drum.8. Reaksi polimerisasi monomer A berlangsung dalam reaktor CSTRyang dilengkapi jaket pendingin. Reaksi berlangsung endotermik. Kondisi proses yang diinginkan: volume konstan 100 L, suhu reaksi 80 oC, dan konversi A 90%.

Soal:

(a) Sebutkan besaran apa yang menjadi PV, MV, SP, dan gangguan/beban

(b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem pengendalian.

Gambar 2.30 Pengendalian reaktor tangki-1.

9. Sebuah tangki pencampur digunakan untuk mengencerkan larutan asama setat. Karena konsentrasi larutan asam asetat yang masuk berubah-ubah, diperlukan pengendali yang mengatur laju alir air yang masuk ke tangki tersebut agar konsentrasi larutan tetap 25% dengan mengukur konduktivitas larutan yang keluar tangki.

(a) Sebutkan apa yang yang menjadi variabel proses (PV), variabel termanipulasi (MV), nilai acuan (SP), dan gangguan.

(b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem pengendalian.`

10. Perhatikan reaktor yang dilengkapi pemanas berikut. Suhu, tinggi permukaan cairan, dan konsentrasi produk, harus dijaga tetap. Suhu dikendalikan oleh laju alir steam. Level dikendalikan oleh laju alir reaktan.

(a) Gambarkan diagram instrumentasi

(b) Gambarkan diagram blok pengendalian level

Gambar 2.31 Pengendalian reaktor tangki-2.

11. Pengenceran aliran umpan dengan pelarut dilakukan dengan tangki pencampur.

Gambar 2.32 Pengendalian pengenceran-1.

Berdasar gambar yang ada jawablah pertanyaan berikut. (a) Apa tujuan pengendalian proses tersebut.

(b) Apa variabel keluaran proses yang diukur?

(c) Apa variabel masukan proses yang dimanipulasikan? (d) Apa saja gangguan yang mungkin terjadi?

(e) Apa aksi sistem proses?

(f) Apa aksi control valve yang dipilih? Mengapa? (g) Apa aksi pengendali yang dipilih.

(h) Buat diagram blok sistem pengendalian

12. Perhatikan diagram instrumentasi proses pengenceran dalam tangki berikut. Dari gambar ini, untuk masing-masing pengendalian:

Gambar 2.33 Pengendalian pengenceran-2.

Berdasar gambar yang ada jawablah pertanyaan berikut. (a) Apa tujuan pengendalian proses tersebut.

(b) Apa variabel keluaran proses yang diukur?

(c) Apa variabel masukan proses yang dimanipulasikan? (d) Apa saja gangguan yang mungkin terjadi?

(e) Apa aksi sistem proses?

(f) Apa aksi control valve yang dipilih? Mengapa? (g) Apa aksi pengendali yang dipilih.

(h) Buat diagram blok sistem pengendalian

13. Perhatikan diagram instrumentasi proses pemekatan cairan encer dalam evaporator.

Gambar 2.34 Pengendalian evaporator.

Berdasar gambar yang ada jawablah pertanyaan berikut. (a) Apa tujuan pengendalian proses tersebut.

(b) Apa variabel keluaran proses yang diukur?

(c) Apa variabel masukan proses yang dimanipulasikan? (d) Apa saja gangguan yang mungkin terjadi?

(e) Apa aksi sistem proses?

(f) Apa aksi control valve yang dipilih? Mengapa? (g) Apa aksi pengendali yang dipilih.

(h) Buat diagram blok sistem pengendalian

14. Sebuah sistem pengendalian level berikut.

Gambar 2.35 Pengendalian level cairan dalam tangki.

Berdasar gambar yang ada jawablah pertanyaan berikut. (a) Apa tujuan pengendalian proses tersebut.

(b) Apa variabel keluaran proses yang diukur?

(c) Apa variabel masukan proses yang dimanipulasikan? (d) Apa saja gangguan yang mungkin terjadi?

(e) Apa aksi sistem proses?

(f) Apa aksi control valve yang dipilih? Mengapa? (g) Apa aksi pengendali yang dipilih.

(h) Buat diagram blok sistem pengendalian

15. Sebuah tanur (furnace) dipakai untuk memanaskan aliran fluida proses dari suhu kamar hingga 300oC. Suhu fluida proses keluar dikendalikan oleh laju alir bahan bakar..

Gambar 2.36 Pengendalian tanur.

Berdasar gambar yang ada untuk setiap nomor soal di atas, jawablah pertanyaan berikut.

(a) Apa tujuan pengendalian proses tersebut. (b) Apa variabel keluaran proses yang diukur?

(c) Apa variabel masukan proses yang dimanipulasikan? (d) Apa saja gangguan yang mungkin terjadi?

(e) Apa aksi sistem proses?

(f) Apa aksi control valve yang dipilih? Mengapa? (g) Apa aksi pengendali yang dipilih?

(h) Buat diagram blok sistem pengendalian

16. Perhatikan tiga metode pengendalian penukar panas (heat exchanger). Tujuan pengendalian adalah menjaga suhu proses keluar penukar panas pada nilai tertentu. Fluida proses keluar menjadi umpan reaktor. Suhu tersebut tidak boleh melebihi setpoint.

(a) Pengendalian DasarApakah gain antara suhu fluida ke reaktor dan manipulated variable bernilai positif atau negatif? Aksi katup kencali jenis fail-closed (FC) atau fail-open (FO)? Mengapa?

Gambar 2.37 Pengendalian dasar penukar panas.

(b) Pengendalian dengan Aliran Pintas (bypass) Memakai Fluida PanasApakah gain antara suhu fluida ke reaktor dan manipulated variable bernilai positif atau negatif? Aksi katup kencali jenis fail-closed (FC) atau fail-open (FO)? Mengapa?

Gambar 2.38 Pengendalian dengan aliran pintas fluida panas.

(c) Pengendalian dengan Aliran Pintas (bypass) Memakai Aliran Fluida DinginApakah gain antara suhu fluida ke reaktor dan manipulated variable bernilai positif atau negatif? Aksi katup kencali jenis fail-closed (FC) atau fail-open (FO)? Mengapa?

Gambar 2.39 Pengendalian dengan aliran pintas fluida dingin.

(d) Dari ketiga strategi pengendalian tersebut di atas, manakah yang mempunyai respons paling cepat? Mengapa?

17. Pneumatic control valves dipakai untuk mengatur aliran pada penerapan berikut. (a) Tekanan steam dalam koil pemanas reaktor.

(b) Laju alir reaktan ke dalam reaktor polimerisasi.

(c) Aliran keluaran pengolah tangki limbah ke sungai.. (d) Aliran air pendingin untuk kondensor distilasi.

Tentukan aksi control valve, air-to-open (AO) atau air-to-close (AC) dan jelaskan.

18. Diagram instrumentasi proses diperlihatkan pada gambar berikut. Steam dipakai menguapkan sebagian umpan dan produk cair dikeluarkan degan pompa. Terdapat control valve untuk steam (FV-2), produk uap (LV-1), produk cair (PV-1), aliran umpan (FV-1), dan steam

chest (FV-3) yang dipakaiuntukmengalirkan

uap secara cepat pada kondisi darurat.

Tentukan

aksi kelima

controlvalve apakah

fail-closed (FC) atau fail-open (FO) untuk kondisi berikut.

(a)Kondisi paling aman dicapai ketika

FC1FT1Umpan

PC1PT1PV-1LT

Uaptekanan dan suhu

dalam bejana paling rendah.

(b)Aliran uap dan cair ke peralatan beriktunya dapat menyebabkan situasi

SteamFT2

FV-2FC2FV-3

FV-1

1LC1LV-1

Cairberbahaya

KondensatGambar 2.40 Pengendalian separator uap-cair.

BAGIAN-2: SOAL PILIHAN GANDA Sistem Proses1. Variabel yang menjadi masukan sistem proses adalah

A. variabel keadaan

B. variabel proses

C. variabel terkendali

D. variabel tak dikendalikan

E. variabel pengendali

2. Besaran yang menunjukkan keadaan proses adalah .

A. Variabel proses

B. Manipulated variableC. Gangguan

D. Beban

E. setpoint3. Besaran yang digunakan untuk mengendalikan keadaan proses adalah

A. Variabel proses

B. Manipulated variableC. Gangguan

D. Beban

E. setpoint4. Besaran yang menjadi nilai acuan atau target yang diinginkan adalah

A. variabel proses

B. setpointC. manipulated variableD. gangguan

E. beban

5. Anak panah pada diagram blok menunjukkan A. aliran proses

B. aliran informasi atau sinyal

C. aliran variabel proses

D. tindakan

E. besaran variabel proses

6. Yang bukan sifat variabel proses

A. menyatakan keadaan sistem proses. B. sebagai variabel masukan.

C. dipengaruhi oleh gangguan

D. bersifat dinamik.

E. sebagai variabel pengendali.

7. Yang bukan beban adalah

A. gangguan yang perlu dihilangkan

B. diperlukan dalam proses

C. mempengaruhi kecepatan respons variabel proses

D. selalu ada dalam proses

E. besarnya dapat berubah.

Instrumentasi8. Piranti yang secara langsung memungut informasi dari medium terukur adalah

A. transduser B. transmiter C. sensor

D. elemen konversi. E. control valve9. Piranti yang mengubah bentuk energi atau besaran fisik menjadi sinyal standar adalah

A. sensor

B. transduser

C. transmiter

D. elemen elektromekanik

E. elemen konversi

10. Dalam sistem pengendalian proses dikenal unit atau piranti berikut. (1) Unit pengukuran

(2) Unit pengendali (3) Unit kendali akhir (4) Unit konversi

Untuk dapat mengendalikan proses, paling sedikit membutuhkan ... A. 1, 2, dan 3

B. 1 dan 3

C. 2 dan 4

D. 4

E. 1,2,3, dan 4

11. Transmiter berfungsi sebagai A. pengubah besaran fisis

B. pembawa singal kontrol

C. mengirim sinyal kontrol

D. mengirimkan sinyal pengukuran

E. mengirim sinyal setpoint.

12. Unit kendali akhir dalam sistem pengendalian proses, berfungsi sebagai

A. pengubah sinyal kendali menjadi aksi pengendalian B. pengubah sinyal kendali menjadi aksi pemantauan C. pengubah sinyal pengukuran menjadi sinyal kendali

D. pengubah sinyal pengukuran menjadi aksi pengendalian

E. penerima sinyal setpoint

13. Pada katup kendali jenis direct acting air-to-open, jika tekanan udara naik, A. stem ke atas, valve menutup

B. stem ke atas, valve membuka C. stem ke bawah, valve menutup D. stem ke bawah, valve membuka E. stem ke atas saja

14. Jika pasokan tekanan udara hilang, maka plug dari control valvejenis air-to-closeakan

A. membuka

B. menutup

C. setengah membuka

D. membuka lantas menutup

E. tak terpengaruh

15. Jika stem pada katup kendali bergerak ke atas maka...

A. katup membuka. B. katup menutup.

C. bersifat fail closedD. bersifat fail openE. bersifat air-to-open16. Arti istilah direct-acting pada pengendali, adalah bila A. PV naik, MV turun

B. PV turun, MV turun

C. PV naik, SP naik D. PV naik, SP turun E. SP naik, MV turun

17. Pengendalian tinggi permukaan cairan memakai aliran keluar sebagai variabel pengendali. Maka aksi pengendali dan katup kendali berturut-turut adalah

A. direct acting dan FO B. direct acting dan FC C. reverse acting dan FO

D. reverse acting dan FO atau FC E. reverse acting dan FC

18. Tampilan manipulated variable terbaca 60%. Ini berarti bukaan katup sebesar A. 40%

B. 40% untuk aksi reverse actingC. 60%

D. 60% untuk aksi reverse actingE. tergantung nilai variabel proses

Pengendalian Umpan Balik19. Pengendalian proses pada dasarnya adalah bertujuan untuk menjaga variabel

A. keadaan proses. B. setpointC. gangguan

D. beban

E. pengendali

20. Ciri utama pengendalian umpan balik

A. adanya offsetB. setpoint tetapC. adanya umpan balik negatif

D. adanya errorE. adanya osilasi kontinyu

21. Pengendalian suhu minyak dengan penukar panas memakai air panas sebagai pemanas.

Suhu minyak keluar dikendalikan oleh laju air panas yang masuk. Maka A. beban adalah laju alir minyak

B. setpoint adalah suhu minyak panas

C. gangguan adalah laju alir air panas

D. variabel proses adalah suhu air panas

E. error adalah beda antara suhu minyak keluar dan suhu air panas masuk

22. Dari langkah berikut:

1. mengevaluasi

2. mengoreksi

3. mengukur

4. membandingkan

Urutan langkah pengendalian umpan balik adalah A. 1, 2, 3, 4

B. 2, 1, 3, 4

C. 3, 2, 1, 4

D. 3, 4, 1, 2

E. 4, 3, 1, 2

23. Besaran yang dikendalikan disebut...

A. process variable.B. manipulated variable.C. disturbance.D. load.E. Setpoint24. Langkah terpenting pada pengendalian

A. mengukur dan membandingkan

B. mengukur

C. membandingkan

D. mengevaluasi

E. mengoreksi

25. Ciri pengendalian umpan balik

A. aksi koreksi bergantung perubahan variabel terkendali

B. sinyal error selalu negatif

C. setpoint selalu tetap

D. terdapat offset bila terjadi perubahan beban

E. selalu tak stabilan.

26. Kelebihan pengendalian umpan balik adalah sebagai berikut, kecuali ...

A. dapat mengantisipasi gangguan yang tak terukur

B. tidak perlu mengetahui perilaku sistem proses secara tepat.

C. bersifat tegar (robust) yaitu tahan terhadap perubahan perilaku sistem proses. D. tindakan koreksi terjadi sebelum PV berubah.

E. dapat mengantisipasi perubahan beban yang tak terukur

Diagram InstrumentasiPerhatikan diagram instrumentasi berikut.

27. FY-10001 adalah A. I/P converter.B. Input Pressure converter. C. pemasok udara tekan.

D. unit kalkulasi

E. unit kendali akhir

28. FC-10001 adalah A. I/P converter.B. High Low Controller.C. flow calculation. D. flow controller. E. flow calculation29. Arti FT pada FT-10001 adalah A. flow transducerB. flow transmitter C. flow temperature D. float transmitter E. float transducerDiagram instrumentasi berikut dipakai untuk menjawab soal nomor 17 hingga 20.Gas proses pada suhu dan tekanan tertentu dialirkan ke dalam quench tower untuk

didinginkan dan dibersihkan. Sebagai pendingin adalah air yang disirkulasikan oleh pompa

GA-108 dan didingin-kan oleh EA-116 dan EA-117.

Perhatikan pengendali TIC-114.

30. Variabel proses terkendali adalah

A. suhu aliran-7

B. suhu aliran-8

C. aliran-7

D. aliran-8

E. suhu dan laju aliran-8

31. Variabel pengendali adalah

A. suhu aliran-6

B. aliran-7

C. aliran-8

D. suhu aliran-9

E. suhu dan laju aliran-7

32. Gangguan beban adalah

A. suhu aliran-6

B. suhu aliran-7

C. suhu aliran-8

D. suhu aliran-9

E. suhu aliran-6 dan 7

33. Aksi plant & pengendali berturut-turut

A. reverse acting dan direct acting B. reverse acting dan reverse acting C. direct acting dan reverse acting D. direct acting dan direct actingE. bukan salah satu di atas

34. Jika suhu aliran-8 terlalu tinggi, maka A. Bukaan control valve bertambah B. Bukaan control valve berkurang

C. Aliran-6 berkurang D. Aliran-7 bertambah E. Aliran-8 bertambah

BAB-3 KARAKTERISTIK SISTEM PROSESTUJUAN PEMBELAJARAN UMUMMemahami karakteristik sistem proses untuk digunakan dalam menentukan parameter

pengendali yang sesuai.

TUJUAN PEMBELAJARAN KHUSUSSetelah menyelesaikan bab ini, mahasiswa diharapkan dapat:

1) Dapat menentukan karakteristik statik.

2) Dapat membuat sketsa grafik respons step.

3) Dapat mengidentifikasi persamaan matematik sistem.

4) Dapat menentukan gain dan konstanta waktu sistem orde-1.

5) Dapat menentukan aksi integral dalam proses.

6) Dapat menentukan gain, waktu mati dalam proses aliran cair dan padat.

7) Dapat menentukan gain, konstanta waktu dan waktu mati dari sketsa respons langkah.

8) Dapat menentukan apakah proses sukar, sedang, atau mudah dikendalikan dari bentuk respons langkahnya.

9) Dapat menerangkan sistem nonlinier dan salah satu metode linierisasi di lapangan.

3.1 PERANCANGAN DAN PENGENDALIAN PROSESBab ini menjelaskan karakteristik sistem dinamik khususnya sistem proses. Meskipun demikian pemahamam ini dapat diterapkan pada sistem dinamik lain, misalnya control valve, sensor, transmiter, dan sistem lingkar tertutup (closed-loop system). Pemahaman terhadap karakteristik sistem sangat penting dalam kaitan dengan merancang, menganalisa, dan mengoperasikan sistem pengendalian proses. Meskipun demikian, cara pandang ahli pengendalian (control engineer) terhadap sistem khususnya sistem proses terkendali biasanya berbeda dengan ahli perancangan proses (process design engineer). Berikut contoh perbedaan cara pandang itu.

Tabel 3.1 Perbedaan cara pandang perancangan proses dengan pengendalian proses.NO.PERANCANGAN PROSESPENGENDALIAN PROSES

1Menitikberatkan pada laju produksi dan

spesifikasi kualitas, yang biasa disebut

kondisi perancangan.Menitikberatkan pada eksistensi proses

pada saat beroperasi, sebagai contoh mengurangi variasi umpan proses atau kondisi tak normal lain.

2Menginginkan biaya investasi peralatan

serendah mungkin dan umur peralatan selama mungkin.Menginginkan biaya operasional proses

serendah mungkin.

3Variabel perancangan sebagai variabel

bebas. Variabel lain yang diturunkan darisiniberlaku

sebagaivariabel terikat. Sebagai contoh, tekanan steam jenuh

sebagai variabel

bebas, sementara suhumenjadivariabel terikat.Titik operasi pengendalian (misalnya,

bukaan valve atau laju alir) sebagai variabel bebas. Sebagai contoh, tekanan steam menjadi variabel terikat selama operasional sebagai hasil dari bukaan valve atau laju alir dan suhu sebagai variabel bebas.

4Menitikberatkan pada kondisi proses

tunak (steady-state) yang menunjukkan kebutuhanoperasinormalyang seharusnya.Menitikberatkan pada kondisi dinamik

atautransienyangmenunjukkan perilaku proses selama beroperasi secara nyata.

Dalam teknologi proses, setiap proses memiliki karakteristik berbeda-beda. Dari cara pandang pengendalian proses, banyak karakteristik proses yang serupa meskipun berbeda proses. Sebagai contoh, proses pemanasan berbeda dengan proses pengenceran. Tetapi ditinjau dari cara pandang pengendalian, keduanya memiliki karakteristik respon dinamik yang serupa.

3.2 SISTEM PROSES DALAM PENGENDALIAN UMPAN BALIKSistem pengendalian proses terdiri atas sistem proses terkendali (controlled process system) dan sistem kendali (controlling system). Sistem proses terkendali berisi: elemen regulasi (misalnya valve), sistem proses atau plant, dan elemen pengindera (sensor). Sistem kendali berisi: transmiter, pengendali, dan penggerak atau actuator (misalnya motor atau

penggerak pneumatik). Pada praktiknya, antara penggerak (pada sistem kendali) dan elemen regulasi (pada sistem terkendali) dibuat menjadi satu yang disebut unit kendali akhir atau elemen kendali akhir. Demikian pula antara elemen pengindera (pada sistem terkendali) dan transmiter (pada sistem kendali) dibuat menjadi satu dan disebut unit pengukuran. Di lapangan, unit pengukuran seringkali disebut transmiter saja. Dalam hal ini elemen pengindera sudah termasuk dalam transmiter.

Variabel pengendali

(manipulated variable)

Variabel proses terkendali

(controlled variable)

Gambar 3.1 Sistem pengendalian umpan balik.

Gambar 3.2 Sistem pengendalian umpan balik ditinjau dari sistem kendali.

Ditinjau dari sudut pandang sistem kendali, pengendali mengeluarkan perintah ke sistem proses yang berada di lapangan lewat sinyal kendali dan menerima informasi variabel proses lewat sinyal pengukuran dari transmiter. Pengendali hanya melihat proses melalui informasi dari transmiter. Hubungan antara sinyal pengukuran dan variabel proses diperoleh dari kalibrasi transmiter. Demikian pula, pengendali hanya memberi aksi pengendalian proses lewat sinyal kendali. Hubungan antara sinyal kendali dan variabel

pengendali diperoleh dari kalibrasi elemen kendali akhir. Dengan demikian, dari sisi pengendali, sistem proses hanya dilihat sebagai hubungan antara masukan proses (sinyal kendali, u) dan keluaran proses (sinyal pengukuran, y).

3.2 SEKILAS RESPON PROSESBentuk respon keluaran y(t) akan berbeda tergantung masukan u(t). Untuk selanjutnya, jika tidak disebutkan secara khusus, dianggap respon step. Perubahan masukan dalam bentuk fungsi step.

0t0u(t ) At0

(3.1)

Jika A = 1, disebut fungsi step satuan (unit step function) dan keluaran y(t) disebut respon step satuan (unit step response). Ini secara matematika sudah mencukupi. Lebih penting mengetahui perubahan keluaran dari nilai sebelumnya dari pada nilai sesungguhnya. Oleh sebab itulah mengapa dibuat u(t) = 0 pada waktu t < 0.

3.2.1SISTEM TANPA REGULASI DIRI (INTEGRATOR)Gambar 3.2 memperlihatka respon sistem tanpa regulasi (non-self-regulating) atau tak mantap (integrator). Keluaran secara kontinyu naik atau turun pada kemiringan tetap hingga mencapai batas kendala sistem. Sebagai contoh adalah level cairan dalam bejana ketika laju alir keluar tetap tetapi aliran masuk berubah sehingga lebih besar dari pada aliran keluar. Level cairan naik terus hingga luber dari tangki.

Gambar 3.3 Integrator

3.2.2SISTEM DENGAN REGULASI DIRI ORDE SATUGambar 3.4 memperlihatkan respon sistem orde satu, yang juga disebut respon eksponensial. Karakteristik penting respon ini adalah reaksi cepat pada saat awal, kemudian kemiringannya mengecil dan akhirnya nol, sehingga tercapai kondisi steady state baru. Sebagai contoh, pemanasan air dalam ketel. Ketika pemanas dinyalakan, energi panas masuk ke air hingga tercapai suhu tertentu yang menghasilkan respon sistem orde satu. Respon sistem tidak berubah seketika akibat adanya kapasitansi termal ketel dan air. Suhu akan tetap ketika energi panas masuk sama dengan energi panas keluar.

Gambar 3.4 Sistem Orde Satu

3.2.3SISTEM DENGAN REGULASI DIRI ORDE DUA SANGAT TEREDAMGambar 3.5 memperlihatkan respon orde dua sangat teredam (over-damped). Karakteristik penting pada respon ini adalah, respon lambat di awal, kemudian diikuti respon yang mirip orde satu. Banyak proses industri memperlihatkan tipe respon ini. Sebagai contoh, pemanasan campuran reaksi secara tidak langsung. Steam memanaskan air. Air panas selanjutnya memanaskan campuran reaksi. Perubahan laju steam lebih dulu menaikkan suhu air sebelum berpengaruh pada suhu campuran reaksi.

Gambar 3.5 Respon orde dua sangat teredam.

3.2.4SISTEM DENGAN REGULASI DIRI ORDE DUA TEREDAMGambar 3.6 memperlihatkan respon orde dua teredam (under-damped). Ciri respon ini adalah terjadi overshoot yang melewati nilai tunak (steady-state) dan diikuti osilasi dengan amplitudo berangsur mengecil sampai hilang. Seperti pada respon sangat teredam, terdapat respon awal yang lambat. Respon tipe ini adalah karakteristik sistem dengan kelembamam (inersia), misalnya perubahan suhu reaksi oleh perubahan konsentrasi reaktan.

Gambar 3.6 Respon orde dua teredam3.2.5WAKTU MATIWaktu mati adalah waktu antara aksi (perubahan sinyal kendali) hingga munculnya reaksi (perubahan sinyal pengukuran) Gambar 3.7 diperlihatkan respon waktu mati (deadtime) atau respon kelambatan transpor (transport-lag response). Di sini respon keluaran muncul setelah waktu tertentu yaitu sebesar waktu mati. Contoh pengangkutan material (sehingga disebut kelambatan transpor). Jika terjadi perubahan berat aliran material di ujung konveyor akan dibutuhkan waktu untuk sampai di sensor berat.

Gambar 3.7 Respon waktu mati

Table 3.2 Rangkuman sistem dinamik dasar.ElemenResponAwalOsilasiMempunyai Nilai Tunak

IntegratorCepatTidakTidak

Orde-satuCepatTidakYa

Orde dua sangat teredamLambatTidakYa

Orde dua teredamLambatYaYa

Waktu matiTidak adaTidakYa

Dalam kondisi nyata, respon step dapat terlihat berbeda dari elemen sederhana tersebut. Karena pada umumnya berupa kombinasi beberapa elemen sederhana.

Contoh-3.1Respon step yang diperlihatkan dalam gambar 3.8 memiliki karakteristik berikut:

(a)memerlukan waktu beberapa saat sebelum terjadi respon; (b)respon awal adalah berangsur-angsur;

(c)respon berlanjut naik terus hingga tak terbatas;

(d)terdapat osilasi.

Gambar 3.8 Contoh respon sistem

Dari karakterisitk elemen sederhana, dapat disimpulkan hal-hal sebagai berikut: Karakteristik (a) menunjukkan elemen waktu mati;

Karakteristik (b) dan (d) menunjukkan elemen orde dua teredam. Karakteristik (c) menunjukkan elemen integrator;

Berdasar respon step dapat diturunkan model matematika sistem kompleks dengan menganggap sebagai gabungan antara elemen orde satu dan waktu mati (First Order Plus Dead Time, FOPDT). Dengan model yang diperoleh dapat dianalisa, dirancang, dan disimulasikan.

3.3 ELEMEN DASARSistem selalu membutuhkan waktu untuk merespon setiap rangsangan yang masuk, baik teramati maupun tidak. Secara umum dapat dikatakan, bila masukan ke dalam sistem berubah, maka keluaran sistem akan berubah dalam bentuk dan waktu tertentu.

Ditinjau dari sudut pandang sistem dan pengendalian, adalah sangat penting untuk mengetahui lebih dari sekedar respon. Jika keluaran sistem dinamik digambarkan terhadap waktu, bagaimana bentuk respon? Bagaimana respon dapat digolongkan? Dapatkah model dinamika sistem diturunkan dari respon yang diperoleh? Dapatkah parameter sistem dinamik diidentifikasi? Inilah sederet pertanyaan mengenai dinamika sistem proses.

Sistem dinamik berisi elemen-elemen dasar yang tersusun sedemikian rupa sehingga menghasilkan karakteristik tertentu. Terdapat dua elemen dasar penting dalam sistem proses yaitu elemen resistansi (hambatan) dan elemen kapasitansi (penyimpanan). Sistem dinamik dibentuk oleh kombinasi elemen resistansi dan kapasitansi. Jumlah dan susunan elemen-elemen tersebut menghasilkan karaktersitik tertentu.

3.4 KARAKTERISITK STATIK DAN DINAMIKKarakteristik atau perilaku sistem ditentukan oleh bagaimana hubungan antara variabel bebas (masukan) dan variabel terikat (keluaran). Dalam teknik pengendalian, karakteristik atau perilaku sistem dibedakan atas perilaku statik dan dinamik. Kata statik atau dinamik menunjukkan ada atau tidak adanya pengaruh waktu pada keadaan sistem.

Contoh 3.2 Perilaku Statik dan DinamikDua buah bejana masing-masing berisi 1 liter dan 5 liter air. Keduanya dipanaskan dengan suhu nyala api yang sama dari suhu 25 oC hingga mendidih (100 oC). Grafik pemanasan kedua tangki ditunjukkan pada gambar 3.2. Dari gambar tersebut, setelah 12 menit pemanasan, suhu air dalam kedua tangki sama besar yaitu 100 oC. Artinya karakterisitk statik keduanya sama. Tetapi untuk mencapai suhu 100 oC, tangki kecil hanya membutuhkan waktu 5 menit, sedangkan tangki besar membutuhkan waktu 12 menit. Artinya karakterisitk dinamik keduanya berbeda. Dengan perkataan lain dinamika untuk mencapai suhu 100 oC adalah berbeda.

Gambar 3.9 Pemanasan air pada volume berbeda.

3.4.1KARAKTERISTIK STATIKGain Proses. Karakteristik statik atau perilaku statik adalah perilaku sistem yang tidak dipengaruhi waktu. Secara numerik dinyatakan oleh steady-state gain atau static-gain (di kalangan praktisi disebut dengan process gain atau gain saja), yaitu perbandingan antara perubahan keluaran dan perubahan masukan setelah tercapai keadaan tunak (steady-statei). Dengan mengetahui karakteristik statik maka batas pengendalian dapat diketahui.

Karakterisitk statik menunjukkan hubungan satu-satu antara variabel bebas dan variabel terikat. Sebagai contoh, proses pemanasan cairan dalam tangki berikut.

Gambar 3.10. Proses pemanasan cairan dalam tangki.

Tujuan proses adalah memanaskan cairan dingin hingga menjadi cairan panas pada suhu tertentu. Sinyal kendali digunakan untuk memerintahkan temperature control valve (TV) membuka atau menutup aliran steam. Besar bukaan valve (atau aliran steam) sebagai variabel bebas. Steam memanaskan cairan dalam tangki hingga suhu tertentu. Suhu cairan panas sebagai variabel terikat, yaitu tergantung pada aliran steam. Meskipun demikian, selain oleh aliran steam, suhu cairan juga dipengaruhi laju alir cairan dingin (F), suhu cairan dingin (To), suhu steam (Ts), hambatan perpindahan panas, dan kehilangan panas ke lingkungan. Kelimanya dimasukkan dalam kelompok gangguan pemanasan. Jika gangguan tidak berubah, maka suhu cairan panas hanya dipengaruhi oleh aliran steam. Pada satu nilai aliran steam akan menghasilkan satu nilai suhu cairan panas. Oleh sebab itu terdapat hubungan satu-satu antara aliran steam (variabel bebas) dan suhu cairan panas (variabel terikat).

Hubungan satu-satu antara variabel bebas dan variabel terikat dapat digambarkan sebagai kurva karakterisitk statik. Pada kebanyakan proses, kurva karakteristik statik tidak linier. Pada gambar 3.11 disajikan kurva karakteristik statik proses pemanasan tersebut. Dari kurva dapat dilihat bahwa suhu cairan panas berkisar antara nilai suhu cairan dingin (To) dan suhu cairan panas maksimum (Tmax). Pada bukaan valve (aliran steam) sebesar S, maka dihasilkan suhu cairan panas sebesar T.

Perlu mendapat perhatian, bahwa kurva karaterisitk seperti tersebut di atas, hanya berlaku pada nilai beban (gangguan) tertentu. Pada nilai beban yang lain kurva akan bergeser ke atas atau ke bawah (gambar 3.12).

Gambar 3.11. Kurva karakteristik statik pemanasan cairan.

Ts suhu steam.Tmax suhu cairan panas maksimumTo suhu cairan dingin

Gambar 3.12. Kurva karakteristik statik pada perubahan beban.

Salah satu cara menentukan nilai steady-state gain yaitu dengan metode uji step- response atau kurva reaksi. Kedalam sistem diberikan perubahan variabel masukan dari satu nilai steady-state awal ke nilai steady-state akhir. Variabel keluaran sistem diamati hingga tercapai steady-state baru. Dari sini diperoleh nilai steady-state gain atau static- gain, Kp.

K y xGambar 3.13. Uji step-response.

Pada sistem proses, steady-state gain memiliki beberapa nilai kemungkinan tergantung pada pengambilan variabel masukan dan keluarannya.

Kyantara sinyal pengukuran terhadap sinyal kendali (tanpa satuan)puKcantara variabel proses terhadap sinyal kendalipuKcantara variabel proses terhadap variabel pengendalipmBerhubung ketidaklinieran sistem proses, steady-state gain dapat memiliki nilai berbeda jika titik operasi berbeda.

uCONTROLmVALVE

SISTEM PROSES

cyTRANSMITTERGambar 3.14. Diagram blok sistem proses dan piranti yang terlibat.

u - sinyal kendali

m - variabel pengendali (manipulated variable)

c - variabel proses terkendali (controlled variable)

y - sinyal pengukuranDirect Acting dan Reverse Acting.Satu hal penting lainnya adalah arah kemiringan perubahan variabel proses, yaitu langsung (direct acting atau respon positif) atau berlawanan (reverse acting atau respon negatif). Pada direct acting, kenaikan sinyal kendali menghasilkan kenaikan variabel proses. Dan sebaliknya, pada reverse acting kenaikan sinyal kendali menghasilkan penurunan variabel proses.

(a) Proses direct acting.(b) Proses reverse acting.

Gambar 3.15. Kurva karakteristik statik.

3.4.2KARAKTERISTIK DINAMIKPerilaku dinamik atau karakteristik dinamik adalah perilaku sistem yangdipengaruhi waktu. Karakteristik dinamik dinyatakan oleh dynamic gain. Dengan mengetahui karakteristik dinamik maka bagaimana cara mengendalikan sistem proses dapat diketahui. Salah satu cara mengetahui karakteristik dinamik suatu sistem adalah dengan uji respon frekuensi (frequency response). Masukan sistem berupa sinusoida. Keluaran sistem dibandingkan dengan masukan. Dari sini diperoleh dua besaran, yaitu perbandingan amplitudo (Ar) dan kelambatan atau beda fase ( ) antara masukan dan keluaran.

Gambar 3.16. Uji respon sinusoida.

3.5 KLASIFIKASI SISTEM DINAMIKKlasifikasi sistem dinamik didasarkan atas bentuk respon variabel keluaran. Berdasar kemampuan mencapai kestabilan sendiri, sistem dinamik dibedakan menjadi: sistem mantap (self-regulating); sistem tak mantap (non-self-regulating atau integrator); dan sistem tak stabil (unstable atau runaway).

(1) Sistem Mantap (self-regulating). Sistem ini adalah sistem dinamik yang mampu mencapai kondisi steady state baru setelah terjadi perubahan variabel masukan.

(2) Sistem Tak Mantap (non-self-regulating). Sistem ini adalah sistem dinamik yang tidak mampu mencapai kondisi steady state baru setelah terjadi perubahan variabel masukan. Sistem tak mantap sering disebut dengan sistem integrator. Sistem demikian perlu pengendalian. Hanya dengan pengendalian umpan balik sistem dapat mencapai kondisi stabil. Berdasarkan pengalaman, sistem mantap lebih mudah dikendalikan dari pada sistem tak mantap.

(3) Sistem Tak Stabil (unstable atau runaway). Sistem ini adalah sistem dinamik yang keluarannya berubah secara eksponensial jika terjadi perubahan masukan.

3.5.1SISTEM ORDE NOL (PROPORSIONAL)Sistem orde nol hanya mengandung elemen resistansi. Dalam sistem ini, perubahan variabel keluaran selalu proporsional atau sebanding dengan perubahan variabel masukan. Variabel keluaran dapat berubah mengikuti variabel masukan tanpa terjadi keterlambatan.

Model Sistem Orde NolSistem dinamik proporsional memiliki model matematika,

y = Kp u(3.2)dengan:

y= variabel keluaran;

u = variabel masukan; dan

Kp = steady-state gain, static gain, atau sensitivitas proporsional.Persamaan 4.2 dapat diubah ke dalam bentuk fungsi transfer, yaitu berupa perbandingan

antara keluaran dan masukan.

YK pUdengan,

(3.3)

Y = ( y - yo)yo = nilai awal yU = (u - uo)uo = nilai awal uDiagram blok dan respon variabel keluaran diperlihatkan pada gambar 3.17. Di sini respon variabel keluaran terjadi seketika tanpa keterlambatan dan dapat mencapai kestabilan baru, sehingga termasuk sistem mantap (dengan regulasi diri).

Gambar 3.17 Diagram blok dan respon sistem sistem orde-0 (proporsional).

Contoh 3.3 Laju Alir-1Sebuah sistem hanya berisi elemen resistansi (R). Beda tekanan (P) sebagai variabel

keluaran (variabel terikat) dan laju alir (Q) sebagai variabel masukan (variabel bebas).

Gambar 3.18 Rangkaian resistansi sebagai sistem proporsional.Contoh 3.4 Laju Alir-2Sebuah sistem hanya berisi elemen resistansi (R). Laju alir sebagai variabel

keluaran (variabel terikat) dan laju tekanan (P) sebagai variabel masukan (variabel bebas).

Gambar 3.19 Rangkaian resistansi sebagai sistem proporsional.Contoh 3.5 Pengendalian Laju AlirSistem proses terdiri atas control valve, perpipaan, dan sensor laju alir. Sistem dialiri air. Jika valve travel (u) berubah naik atau turun maka laju alir air (Q) seketika berubah. Dalam sistem ini sebagai variabel keluaran (terikat) adalah laju alir dan sebagai variabel masukan (variabel bebas) adalah valve travel (u). Laju alir proporsional dengan gerakan valve. Persamaan hubungan antara laju alir dan valve travel adalah,

QK p uQoGambar 3.20 Pengendalian laju alir sebagai sistem proporsional

3.5.2SISTEM ORDE SATUSistem orde satu berisi gabungan satu elemen resistansi dengan satu kapasitansi. Oleh adanya komponen tersebut, keadaan sistem (energi atau massa yang tersimpan) hanya dapat berubah secara berangsur, baik saat pengisian maupun pengeluaran. Akibatnya terdapat kelambatan respon variabel keluaran.

Kelambatan sistem disebabkan adanya komponen yang bersifat menyimpan massa dan/atau energi.

Kecepatan respon variabel keluaran selama periode transisi, sebelum tercapai steady state, tergantung pada besar kapasitas dan hambatan aliran yang memasuki komponen penyimpan. Sistem orde satu hanya memiliki satu komponen penyimpan energi dan/atau massa.

Model Sistem Orde SatuPersamaan model sistem orde satu adalah,dengan :

dyp dt

yK p u

(3.4)

u = masukan sistem

y = keluaran sistem

p = konstanta waktu sistem, dan

Kp = steady state gain.Fungsi transfer (Gp) sistem orde satu dapat dibuat dengan mengganti operatordiferensial (d/dt) dengan (s) atau dengan transformasi Laplace. Jika nilai awal u dan yberturut-turut adalah uo dan yo maka dari persamaan (4.18) dapat diperoleh fungsi transfer sistem orde satu sebagai,

YK pG p(3.5)dengan,

Y =( y - yo)

U = (u - uo)

Up s1Jika masukan berupa fungsi step dengan perubahan sebesar A, maka hubungan

keluaran dan masukan adalah (gambar 4.20),yK p A 1

e t / py

(3.6)

Konstanta Waktu. Waktu yang diperlukan oleh variabel keluaran sistem dinamik untuk mencapai 63,2 % dari nilai akhirnya yang dihitung dari kondisi awal, jika masukan berubah sebagai fungsi step disebut konstanta waktu. Besaran ini menunjukkan seberapa cepat waktu yang digunakan untuk mencapai steady-state baru. Sehingga konstanta waktu menjadi ukuran keterlambatan. Semakin besar konstanta waktu ( p), berarti semakin besar komponen penyimpan massa/energi dan respon variabel keluaran semakin lambat.

Konstanta waktu menentukan perilaku dinamik sistem

Gain Proses. Steady-state gain, static-gain, atau gain saja menunjukkan besar perubahan variabel keluaran terhadap masukan setelah tercapai steady-state baru. Sehingga steady- state gain menunjukkan karakteristik statik dan menjadi ukuran kepekaan (sensitivitas).

Steady-state gain menentukan kepekaan atau perilaku statik sistem.Sistem orde satu (first-orde lag) biasa ditulis dengan PT1 yang berati sistem proporsional dengan keterlambatan. Banyak proses di industri dapat dimodelkan sebagai sistem orde satu.

Gambar 3.21 Diagram blok dan respon step sistem orde satu

Sebagai ilustrasi diperlihatkan pada gambar 3.21. Suhu cairan dalam tangki dapat diatur melalui keran pencampur. Tergantung pada volume tangki, suhu cairan hanya dapat berubah secara berangsur setelah bukaan keran diubah.

Gambar 3.22 Sistem orde satu dengan suhu sebagai variabel keluaran.

3.5.3SISTEM ORDE DUASistem orde dua disebut juga sistem osilatori, sebab sistem ini dapat mengalami osilasi, baik osilasi teredam maupun kontinyu.

Model Sistem Orde DuaSistem orde dua memiliki model persamaan sebagai berikut.22 d y

dyyK x

(3.7)dengan:

pdt 2

2 p ppdtp = waktu karakterisitik proses;

p = faktor redaman (damping factor) proses;

Kp = steady state gain proses.Fungsi transfer sistem orde dua adalah,

Yp2 2

p

K p2 p p s1

(3.8)

Bentuk respon step sistem orde dua, tergantung nilai faktor redaman ( p ).

Gambar 3.23. Respon step pada sistem orde dua.

Gambar 3.24. Spesifikasi respon osilasi teredam sistem orde dua.

Spesifikasi Respon Osilasi Teredam. Spesifikasi respon osilasi teredam dinyatakan oleh beberapa besaran berikut (indeks p padadansengaja dihilangkan, untuk memberi pengertian, bahwa respon ini berlaku umum, bukan hanya untuk proses).

Waktu tunda, td, (delay time) adalah waktu pertama yang dibutuhkan variabel keluaran sistem untuk mencapai setengah dari nilai akhirnya.

Waktu naik, tr, (rise time) adalah waktu yang dibutuhkan oleh variabel keluaran sistem untuk naik dari 10% ke 90%, atau 0% ke 100% dari nilai akhirnya. Untuk sistem orde dua dengan osilasi teredam (underdamped) dipakai

0% ke 100% waktu naik. Untuk sistem sangat teredam (overdamped), biasa dipakai 10% ke 90% waktu naik.

tr122

(3.9)

tan 1 1

(3.10)

Waktu puncak, tp, (peak time) adalah waktu yang dibutuhkan variabel keluaran sistem untuk mencapai puncak gelombang yang pertama.

t p(3.11)

12Overshoot adalah amplitudo maksimum dari variabel keluaran sistem dihitung dari nilai akhirnya. Jika nilai akhir tidak sama dengan satu, biasanya overshoot dinyatakan dalam persen overshoot. Besaran ini langsung menunjukkan kestabilan relatif dari sistem. Semakin besar overshoot, sistem semakin tak stabil. Tetapi semakin kecil overshoot, sistem semakin lambat.

aMp =

.100%b

exp(

1

) 100%2

(3.12)

Waktu mantap, ts, (settling time) adalah waktu yang dibutuhkan variabel keluaran sistem untuk mencapai nilai dengan penyimpangan di sekitar 5% (atau

2%) dari nilai akhirnya untuk seterusnya berada dalam batas nilai tersebut. Waktu mantap berhubungan erat dengan konstanta waktu sistem.

3Kriteria 5%:t s

(3.13)

Decay ratio adalah perbandingan antara amplitudo kedua dan pertama.Decay ratio =

Periode osilasi,

c2= exp()a12

(3.14)

T2(3.15)12Jika,= 0, akan terjadi osilasi kontinyu dan periode osilasinya disebut periode osilasi alami (Tn).

Respon sistem orde dua sangat penting untuk difahami, karena mirip dengan perilaku sistem pengendalian umpan balik. Dengan adanya umpan balik, sistem dapat mengalami osilasi, baik teredam maupun kontinyu bahkan tidak stabil.

Sedikit catatan tentang respon transien sistem orde dua. Kecuali untuk penerapan khusus yang tidak membolehkan adanya osilasi, biasanya respon transien diinginkan cukup cepat dan cukup teredam. Berdasar pengalaman, nilai faktor redaman ( ) yang memenuhi syarat demikian terletak antara 0,4 dan 0,8. Nilai yang lebih kecil dari 0,4 menyebabkan overshoot berlebihan. Sedangkan lebih besar dari 0,8