Karakteristik Pengendalian Proses [PDF]

Citation preview

Karakteristik Pengendalian Proses



MODUL 3 KARAKTERISTIK PENGENDALIAN PROSES



Tujuan Instruksional Khusus Tujuan pokok bahasan ini adalah menekankan pemahaman tentang karakteristik pengendalian proses. Setelah membaca pokok bahasan ini mahasiswa diharapkan mampu untuk : a. Mengidentifikasi elemen-elemen kontrol proses, b. Membuat suatu diagram sederhana proses pengendalian, c. Mengetahui kriteria evaluasi sistem pengendalian proses, d. Mengetahui kriteria evaluasi tanggapan proses suatu lup pengendalian proses, e. Mengetahui simbol dan diagram dalam pengendalian proses, Pendahuluan Untuk memberikan suatu uraian kerja pengendalian proses yang praktis perlu diuraikan operasi-operasi yang terlibat dalam bagian-bagian yang lebih elementer. Uraian seperti ini sebaiknya tidak tergantung dari suatu aplikasi tertentu dan harus dapat diaplikasikan untuk semua situasi pengendalian. Sebuah



model



yang



dibuat



dengan



memakai



blok-blok



untuk



merepresentasikan elemen-elemen suatu lup dapat dipakai untuk keperluan ini. Selanjutnya karakteristik-karakteristik operasi lup dapat dikembangkan dari sifat-sifat elemen dari interfis (interface). Sejumlah model telah digunakan untuk menjelaskan pengendalian proses dan kita hanya akan memakai model-model untuk dapat menjelaskan pengendalian proses modern dari pengembangan teknologi yang ada. Sistem pengendalian diterapkan untuk memenuhi 3 kelompok kebutuhan (Stephananoppoulus, 1984), yaitu : 1. Menekan pengaruh gangguan eksternal 2. Memastikan kestabilan suatu proses 3. Optimasi kinerja suatu proses Variabel yang terlibat dalam proses proses operasi pabrik menjadi dua , yaitu variable masukan (Input) dan variable keluaran (out put). Variabel input adalah variable 1 Teaching Grant – DUE-like Politeknik Batch I Tahun 4



Karakteristik Pengendalian Proses



adalah variable yang menandai yang menandai efek lingkungan pada proses kimia yang dituju. Varibel ini juga diklasifikasikan dalam dua kategori, yaitu manipulated (adjustable) variable, jika harga variable tersebut dapat diatur dengan bebas oleh operator atau mekanisme pengendalian dan disturbance variable, jika harga tidak dapat diatur oleh operator atau sistem pengendali tetapi merupakan gangguan (Stephanopoulus, 1984). Sedangkan variable output adalah variable output adalah variable yang menandakan efek proses kimia terhadap lingkungan yang diklasifikasikan dalam kelompok



measured output variable , jika variable dapat diketahui dengan pengukuran langsung dan unmeasured output variables tidak dapat diketahui dengan pengukuran langsung (Stephanopoulus, 1984). Elemen-elemen Kontrol Proses Sebelum pengendalian tersebut dilakukan, tujuan pengendalian haruslah ditetapkan lebih dahulu. Misalnya pada pemanasan fluida cair di dalam tangki atau pengisian fluida cair dalam suatu tangki, maka tujuan pengendalian adalah mempertahankan temperatur fluida cair di dalam tangki atau mempertahankan ketinggian fluida cair dalam suatu tangki. Tujuan pengendalian akan berhubungan langsung dengan memastikan kestabilan proses atau menekan gangguan dari luar atau mengoptimalkan unjuk kerja proses atau gabungan ketiga hal tersebut. Metoda



termudah



untuk



mengidentifikasikan



elemen-elemen



suatu



pengendalian proses adalah dengan mempelajari contoh yang ada pada gambar 3.1. Kita bisa mengidentifikasikan dan menguraikan elemen-elemen yang ada seperti berikut ini. a. Proses Tangki, cairan, aliran fluida masuk dan keluar tangki membentuk suatu proses yang akan ditampung di bawah pengendalian dalam hubungannya dengan ketinggian fluida. Secara umum, suatu proses dapat terdiri dari suatu rakitan komplek, kejadian yang menghubungkan beberapa urutan produksi atau pembuatan. Banyak variabel dinamis yang bisa terlibat dalam proses ini, dan mungkin dibutuhkan untuk mengontrol semua variabel tersebut pada saat yang sama. Ada proses-proses bervariabel tunggal dimana hanya ada satu variabel yang akan dikendalikan. Sebaliknya ada proses multi variabel dimana variabelnya cukup banyak yang mungkin bisa berkaitan satu sama lain dan membutuhkan regulasi. Teaching Grant – DUE-like Politeknik Batch I Tahun 4



2



Karakteristik Pengendalian Proses



b. Pengukuran Untuk dapat mengontrol suatu variabel dinamis dalam suatu proses, kita harus mempunyai informasi dari variabel itu sendiri. Informasi seperti ini didapat dari



pengukuran variabel. Secara umum, pengukuran merujuk pada transdusi variabel menjadi beberapa variabel analog, misalnya tekanan pneumatik, tegangan listrik atau arus listrik. Tranduser adalah alat yang dipakai untuk melakukan pengukuran awal dan sekaligus melakukan konversi energi dari suatu variabel dinamis menjadi informasi listrik atau pneumatik yang analog. Transformasi lebih lanjut atau pengkondisian sinyal mungkin saja dibutuhkan untuk melengkapi fungsi pengukuran. Hasil dari pengukuran adalah transformasi dari variabel dinamis ke beberapa informasi proporsional dalam bentuk yang dibutuhkan oleh elemen-elemen lain dalam lup pengendalian proses. Pemilihan pengukuran suatu proses digunakan untuk memonitor unjuk kerja proses kimia tersebut. Hal ini dilakukan dengan mengukur beberapa harga variable proses. Pengukuran dapat langsung dilakukan pada variabel yang ingin diukur atau dikendalikan, pengukuran langsung ini disebut Pengukuran Primer. Sebagai contoh, temperatur dalam tangki yang ingin dikendalikan dapat diukur dengan sebuah termometer. Apabila pengukuran tersebut tidak dapat dilakukan pada variabel yang ingin diukur atau dikendalikan, pengukuran dilakukan dengan mengukur variabel lain yang dapat diukur dan membuat suatu hubungan fungsi matematika terhadap variabel yang ingin dikendalikan. Pengukuran ini disebut Pengukuran Sekunder. Output yang tak terukur =  (pengukuran sekunder) Contohnya, level atau ketinggian fluida di dalam suatu tangki tidak diukur langsung melainkan dengan mengukur tekanan yang terjadi akibat massa fluida. Tekanan kemudian dapat diubah menjadi level berdasarkan dimensi tangki. Beberapa pengukuran tangki variable yang harus dilakukan agar kinerja operasi pabrik dapat dimonitor. Terdapat beberapa jenis pengukuran variable yang dapat diterapkan untuk pengendalian proses, yaitu



1. Primary Measurement 2. Secondary Measurement



Teaching Grant – DUE-like Politeknik Batch I Tahun 4



3



c. Memilih variabel yang dimanipulasi Setelah tujuan pengendalian ditetapkan dan pengukuran dilakukan, langkah berikutnya adalah memilih variabel yang dapat dimanipulasi atau diubah dengan mudah dan aman dan berakibat langsung pada proses yang dikendalikan. Pada contoh pemanasan fluida cair ditangki dengan koil pemanas berisi steam, maka variabel yang dimanipulasi dipilih aliran steam. Pengaturan aliran steam dapat dengan mudah dilakukan melalui sebuah katup kontrol dan efeknya akan langsung dirasakan oleh sistem. d. Memilih konfigurasi pengendalian Konfigurasi pengendalian didefinisikan sebagai susunan informasi yang digunakan untuk menghubungkan pengukuran kepada variabel yang dimanipulasi. Dalam suatu proses kimia, dapat ditemukan lebih dari satu output yang dikendalikan dan lebih dari satu input yang dimanipulasi. Konfigurasi pengendalian membagi dua kelompok sistem kontrol. SISO : Single Input Single Output Satu input satu output MIMO: Multiple Input Multiple



Output Lebih dari input dan lebih dari satu output Sistim kontrol SISO terdapat pada pengendalian yang sederhana, sedangkan MIMO untuk pengendalian yang lebih kompleks.



Secara umum kedua-duanya mempunyai tiga jenis konfigurasi pengendalian seperti berikut ini.



a. Konfigurasi sistim kontrol feed back Pada sistim feed back (umpan balik) hasil dari pengukuran diumpanbalikkan ke controller.



Disini



yang



diukur



adalah



hasil



dari



proses



yang



kemudian



diumpanbalikkan ke controller yang akan memberikan harga pengendalian baru agar output proses sama atau mendekati harga yang diinginkan. Sistim ini disebut juga sistim kompensasi, karena tindakan baru dilakukan setelah terdapat hasil dari suatu proses. Struktur umum konfigurasi pengendali umpan balik seperti terlihat pada Gambar 3.1.



Gangguan



Proses



….



Pengubah kendali



….



…. Keluaran terukur



…. Keluaran tak terukur



Pengendali Harga yang diinginkan



Gambar 3.1 Struktur umum konfigurasi pengendali umpan balik



b. Konfigurasi sistim feed forward Pada sistim konfigurasi ini input gangguan yang masuk ke proses diukur dan diberikan kepada controller yang feed fordward (umpan maju) kemudian memberikan harga pengendalian agar output proses sesuai dengan harga yang diinginkan. Sistim ini disebut dengan ANTISIPASI karena harga pengendalian diberikan sebelum gangguan berakibat terhadap proses. Struktur umum konfigurasi pengendali umpan maju seperti terlihat pada Gambar 3.2.



Gangguan



Pengubah kendali



….



Pengendali



…. Proses



Keluaran terukur



…. Keluaran tak terukur



Gambar 3.2 Struktur umum konfigurasi pengendali umpan maju



c. Konfigurasi sistem inferensial Pengendali sistem inferensial adalah jenis pengendali yang menggunakan hasil pengukuran sekunder untuk mengukur pengubah kendalinya. Pada operasi kolom distilasi sering dijumpai konfigurasi jenis ini. Pengertian pengukuran sekunder adalah pengukuran yang dilakukan tidak secara langsung pada pengubah sasaran operasionalnya, tetapi pada pengubah lainnya yang mempunyai korelasi dengan sasaran operasionalnya. Pada kolom distilasi sasaran operasionalnya adalah mempertahankan konsentrasi distilat atau residu pada harga yang diinginkan. Sensor yang digunakan dapat berupa sensor konsentrasi. Namun hal ini jarang dilakukan karena harga pengukur konsentrasi mahal. Untuk itu diperlukan pengukuran pengubah lain yang mempunyai



korelasi



dengan



konsentrasi,



misalnya



temperatur.



Dengan



menggunakan data kesetimbangan fasa uap-cair dapat dicari korelasi antara konsentrasi dan temperatur. Struktur umum konfigurasi inferensial seperti terlihat pada Gambar 3.3.



Gangguan



Proses



….



Pengubah kendali



….



…. Keluaran terukur



….



Harga yang diinginkan



Pengendali



….



Kendali tak terukur



Alat Penghitung: - Menghitung harga pengubah - Kendali tak terukur



Hasil perhitungan pengendali tak terukur



Gambar 3.3 Struktur umum konfigurasi inferensial Contoh 3.1 Contoh-contoh logika kerja alat pengendali dalam mencapai sasaran operasi Berikut ini adalah contoh-contoh logika kerja pengendali untuk mencapai sasaran operasi seperti memperkecil atau mengatasi pengaruh gangguan dari luar terhadap proses. Sistem proses yang ditinjau adalah pemanas cairan dalam tangki berpengaduk, seperti tampak pada Gambar 3.4. Cairan masuk ke dalam tangki dengan laju alir volumetric (m3/jam) dengan temperatur Ti 0C. Sebagai pemanas digunakan steam yang mengalir dengan laju alir massa Fst (kg/jam). Dari dasar tangki, cairan dikeluarkan dengan laju alir volumetrik F dan temperatur T. Cairan di dalam tangki diaduk, sehingga temperatur di dalam tangki homogen (T dalam tanki = T cairan keluar). Sistem proses tersebut dapat mempunyai salah satu atau kedua sasaran operasi berikut ini. - mempertahankan temperatur aliran cairan keluar tangki (T) pada harga yang diinginkan (Ts). - mempertahankan volum cairan (V) dalam tangki pada harga yang diinginkan (Vs).



Fi, Ti



T h Q



Fo, To



Gambar 3.4 Tangki pemanas Selama proses berlangsung, temperatur aliran keluar atau volum cairan dalam tangki dapat berubah dari nilai yang diinginkan karena terjadi gangguan terhadap sistem, misalnya karena terjadi perubahan laju alir atau temperatur cairan umpan. Untuk mengatasi perubahan semacam itu suatu sistem pengendalian proses dapat diterapkan, seperti yang ditunjukkan Gambar 3.5. Fi, Ti = konstan



Termokopel Harga yang diinginkan Ts



+



T h Q



Fo, To



E



Pengendali Fst



Gambar 3.5 Sistem pengendalian temperatur tangki pemanas jenis umpan balik Gambar 3.5 secara skematis menjelaskan cara kerja sistem pengendali guna mencapai sasaran operasi yang pertama, yaitu mempertahankan temperatur agar



T = Ts



apabila terjadi perubahan Fi atau Ti. Sistem pengendali ini terdiri atas termokopel, kran steam, dan pengendali atau alat pengendali (kontroler). Termokopel akan mengukur temperatur cairan sebesar T, kemudian T ini di bandingkan dengan harga yang diinginkan (Ts). Apabila terjadi penyimpangan sebesar E = Ts – T, maka harga ini dibaca oleh alat kendali yang kemudian akan menggerakan kran steam membuka atau menutup sesuai dengan besarnya E.



Fi Ti = konstan Alat ukur ketinggian Harga yang



T Q E-5



+



E



Fo, To



diinginkan



Pengendali



(a) Pengendali Fi Ti = konstan



Harga yang diinginkan +E T



Alat ukur ketinggian



Q Fo, To



(b) Gambar 3.6 sistem pengendali jenis balikan cairan a. variabel kendali pada keluaran tangki b. variabel kendali pada umpan Pada Gambar 3.6, ditunjukkan skema cara kerja sistem pengendali guna mencapai sasaran operasi kedua, yaitu mempertahankan volume agar V = Vs apabila terjadi perubahan Fi. Perbedaan gambar (a) dan (b) terletak pada penempatan kran. Ketinggian cairan dideteksi oleh sensor dan sinyal yang dihasilkan kemudian dibandingkan dengan nilai ketinggian yang diinginkan. Apabila terjadi penyimpangan (E) pengendali akan membuka atau menutup kran. Untuk sistem yang diwakilkan oleh gambar (a) kran akan membuka apabila ketinggian cairan (h) lebih besar dari ketinggian cairan yang diinginkan (hs) dan sebaliknya akan menutup apabila ketinggian cairan (h) lebih kecil dari ketinggian yang diinginkan (hs).



Untuk sistem yang diwakilkan gambar (b) menunjukkan cara kerja kebalikan gambar (a), kran akan menutup apabila ketinggian cairan (h) lebih besar dari pada ketinggian yang diinginkan (hs) dan sebaliknya akan membuka apabila ketinggian cairan (h) lebih kecil dari pada ketinggian yang diinginkan (hs). Susunan sistem pengendali pada Gambar 3.3 dan Gambar 3.4 disebut sistem pengendali umpan balik. Pengertian sistem pengendali umpan balik adalah bahwa tindakan baru diambil setelah gangguan memberikan akibatnya pada proses. Apabila diamati, termokopel pada Gambar 3.4 dan sensor ketinggian pada Gambar 3.5 keduaduanya mendeteksi kondisi proses (temperatur dan ketinggian). Pengendali baru mengambil tindakan apabila kondisi proses menyimpang dari yang diinginkan setelah mengalami gangguan. Susunan sistem pengendali yang lain ditunjukkan pada Gambar 3.6 Gambar tersebut mewakili sistem pengendali umpan maju. Pengertian sistem pengendali umpan maju adalah bahwa tindakan pengendali diupayakan untuk dilakukan sebelum gangguan



terlanjur



mempengaruhi



proses.



Sensor



temperatur



(termokopel)



mendeteksi temperatur umpan. Pengendali sudah mengambil tindakan sebelum kondisi proses berubah akibat gangguan. Fi, Ti = konstan Ti



Termokopel Harga yang diinginkan Ts



+



E



T h Q E-6



Fo, To



Pengendali Fst



Gambar 3.7 Susunan pengendali temperatur jenis umpan maju. e. Evaluasi Langkah selanjutnya adalah mempelajari pengukuran dan menentukan aksiaksi apa yang perlu dilakukan. Bagian lup ini mempunyai beberapa nama. Yang paling umum adalah alat pengendalian. Evaluasi bisa dilakukan oleh seorang operator (seperti terlihat pada contoh sebelumnya), oleh pemrosesan sinyal elektronik, pemrosesan sinyal pneumatik, atau oleh komputer. Akhir-akhir ini pemakain



komputer di bidang



pengendalian



proses



berkembang



dengan



cepat



karena



mudahnya



adaptasi



pengambilan keputusan yang dibutuhkan dalam pengendalian proses dan karena kemampuannya untuk menangani pengendalian dari sistem-sistem multi variabel. Alat pengendalian membutuhkan masukan dari representasi variabel dinamis yang diukur dan representasi nilai yang dikehendaki dari variabel tersebut, dinyatakan dalam istilah yang sama sebagai nilai terukur. Nilai / harga yang diinginkan dari variabel dinamis disebut set-point. Jadi evaluasi terdiri dari : a. Perbandingan antara pengukuran variabel terpengendalian dan set-point b. Penentuan



aksi-aksi



apa



yang



dibutuhkan



untuk



membawa



variabel



terpengendalian pada harga set-point. f. Elemen Pengendalian Elemen terakhir dalam lup pengendalian proses adalah alat yang memberikan pengaruh langsung pada proses, yaitu yang memberikan perubahan-perubahan yang dibutuhkan pada variabel dinamis untuk membawanya pada kondisi set-point. Elemen ini menerima masukan dari alat pengendalian, yang selanjutnya ditransformasikan pada beberapa operasi proporsional yang dilakukan / berlangsung pada proses tersebut. Pada contoh kita terdahulu, elemen pengendalian adalah katup yang mengatur aliran fluida kelluar tangki. Elemen ini dikenal juga dengan sebutan elemen



pengendalian akhir. Evaluasi Pengendalian Proses Kriteria Evaluasi Pengendalian Proses Definisi-definisi dari berbagai istilah dan kondisi yang dipakai untuk membuat evaluasi-evaluasi pengendalian proses akan dijelaskan pada bagian ini. Kriteria pertama adalah error sistem dalam menjaga variabel dinamis terpengendalian C pada harga spesifik yang ditentukan oleh set-point C SP. Kriteria kedua adalah tanggapan dinamis sistem terhadap setiap gangguan dalam proses atau perubahan dari set-point lup pengendalian proses.



a. Error Sistem Error sistem adalah ukuran dari error perpaduan antara harga set-point variabel pengendalian dan harga sebenarnya dari variabel dinamis yang dijaga oleh sistem. Error ini bisa dinyatakan sebagai presentasi penyimpangan C sebenarnya terhadap set-point CSP. Error ini bukanlah fungsi dari penyetelan atau kalibrasi sistem



atau elemen-elemen sistem. Akan tetapi, lebih merupakan representasi ketidaktentuan sistem



keseluruhan



dalam



mengatur



variabel



dinamis



dengan



penyempurnaan/perbaikan kualitas elemen-elemen sistem saja yang dapat mengurangi error sistem ini.



b. Set-point Harga variabel dinamis yang diinginkan dalam suatu proses dikenal dengan sebutan set-point. Walaupun set-point dinyatakan sebagai harga dari variabel dinamis, set-point tersebut harus disajikan dalam bentuk yang sama dengan yang disediakan



oleh



pengukuran



variabel



dinamis.



Jadi,



jika



suatu



pengukuran



mengkonversikan tekanan menjadi kuat arus llistrik maka harga set-point harus disajikan dalam kuat arus listrik yang dinyatakan dalam kesebandingan yang sama. Umumnya set-point CSP dinyatakan dengan penyimpangan ± C di sekitar harga nominal. Jadi, ketika pengontrolan telah dicapai, harga sebenarnya dari variabel terpengendalian berada dalam daerah (C SP – C) sampai (CSP+C). Maka, semakin lebar penyimpangan yang diizinkan, makin mudah pencapaian pengontrolan. Perlu dicatat bahwa penyimpangan ini tidak akan pernah lebih rendah dari error sistem terpadu.



c. Tanggapan Dinamis Tanggapan dinamis dari suatu sistem merupakan kriteria dasar untuk mengevaluasi sistem. Tujuan dari regulasi variabel dinamis adalah untuk mengontrol perubahan variabel terhadap waktu. Perubahan seperti ini bisa terjadi oleh pengaruh transien atau karena pengaturan set-point itu sendiri. Tanggapan dinamis adalah ukuran dari reaksi sistem, sebagai fungsi waktu, dalam mengoreksi masukan-masukan transien, atau menyetel set-point baru.



d. Perubahan Set-point Dalam banyak hal, set-point dari variabel dinamis dapat disetel ke dalam suatu harga baru. Lup pengendalian proses harus memberikan tanggapan dengan mengoperasikan proses untuk mengubah variabel dinamis ke harga baru tersebut. Tanggapan dari lup dapat diatur dalam bentuk tanggapan siklis atau teredam, tergantung pada sifat proses. Pada tanggapan siklis, seperti diperlihatkan pada Gambar 3.1 a, harga sebenarnya dari variabel dinamis bisa melebihi (overshoot) set-point baru dan



melakukan sejumlah osilasi di sekitas titik ini, sebelum mencapai titik stabil. Pada tanggapan teredam, seperti yang terlihat pada Gambar 3.1 b, harga variabel dinamis tidak pernah melebihi set-point ataupun melakukan osilasi, tetapi mendekati titik kerja pada suatu kurva proses dimana suhu tidak boleh naik melebihi suatu harga kritis.



Baru Csp



Lama Csp



Perubahan



Waktu



a. Tanggapan siklis sebuah sistem terhadap perubahan set-point



Baru Csp



Lama Csp



Perubahan



Waktu



b. Tanggapan terendah yang mengikuti perubahan set-point Gambar 3.8 Suatu sistem pengendalian proses dapat dirancang untuk memperlihatkan tanggapan teredam atau kurang teredam mengikuti suatu perubahan pada set-point



d. Tanggapan Transien Kegunaan dasar suatu lup pengendalian proses adalah untuk menjaga beberapa variabel dinamis berada pada titik kerjanya. Kebutuhan akan sistem seperti ini menyatakan bahwa pengaruh eksternal bisa mengakibatkan fluktuasi variabel. Tanggapan transien menggambarkan kemampuan tanggapan dinamis sistem untuk bisa pulih dari suatu pengaruh mendadak pada proses yang mengakibatkan perubahan mendadak pada variabel terpengendalian. Pada Gambar 3.2 a, kita dapat melihat pola



tanggapan siklis atau teredam dari sustu sistem dimana reaksi lup pengendalian mengakibatkan osilasi di sekitar set-point dari variabel. Gambar 3.2 b, memperlihatkan tanggapan teredam suatu gangguan proses transien dimana sistem pengendalian mampu mengembalikan variabel ke titik kerja tanpa osilasi. Cm



Csp



Waktu Transien



a. Pemilihan siklis suatu sistem terhadap suatu masukan transien



Cm



Csp



Waktu Transien



b. Pemilihan terendah suatu sistem terhadap suatu masukan transien Gambar 3.9 Sistem pengendalian proses bisa pulih dari suatu masukan transien baik dengan karakteristik siklis maupun teredam



3.3.2. Kriteria Evaluasi Tanggapan Proses Lup (Dinamis) Untuk mengevaluasi tanggapan suatu lup pengendalian proses, digunakan suatu himpunan kriteria kestabilan, baik untuk penyimpangan yang berasal dari masukan-masukan transien maupun dari perubahan pada set-point. Kriteria-kriteria ini merupakan karakteristik lup dan bisa diseleksi berdasarkan penerapan masing-masing, sehingga sesuai dengan kondisi proses. Secara umum, suatu harga kriteria



minimum



merupakan respon yang optimum. Definisi-definisi kriteria tanggapan dinamis seperti berikut ini.



a. Settling Time Suatu lup pengendalian proses akan mempunyai set-point (Csp) untuk variabel dinamis dengan penyimpangan yang diperbolehkan di sekitar set-point sebesar ± C. Pada saat ada masukan transien atau perubahan pada setpoin, settling time adalah waktu yang dibutuhkan oleh lup pengendalian proses untuk membawa variabel dinamis kembali ke daerah yang diperbolehkan, yaitu Csp ± C.



b. Kesalahan Puncak (Peak Error) Secara umum, setiap perubahan pada set-point baik sistem siklis maupun transien, akan terjadi penyimpangan maksimum variabel dinamis terhadap set-point.



c. Kesalahan Residual (Residual Error) Setiap lup pengendalian proses mempunyai ketidak-linieran tertentu yang tidak dapat dihindarkan, sehingga mencegah sistem untuk mengembalikan variabel dinamis ke harga set-point yang mengikuti suatu transien atau membuat sistem tetap berada pada suatu keadaan tertentu karena perubahan pada set-point. Kondisi seperti ini akan meningkatkan residual error yang menggambarkan titik kerja yang distabilkan dari variabel dinamis tersebut. Kesalahan ini masih bisa diterima pada daerah kesalahan yang diperbolehkan tetapi diganti dari harga set-point optimum, seperti yang terlihat pada Gambar 3.8 a. Kesalahan ini dapat dikurangi dengan penyetelan lebih lanjut.



d. Pengulangan (Cycling) Tingkah laku osilasi suatu sistem pengendalian harus ditekan seminimal mungkin, bahkan untuk beberapa kasus sama sekali tidak diperbolehkan. Berdasarkan alasan ini, pengulangan minimum sering berhubungan dengan rancang bangun sistem pengendalian proses. Dalam hal ini, minimum cycling berarti bahwa sistem harus disetel jika terjadi transien atau perubahan set-point, jumlah osilasi yang terjadi akan sekecil mungkin.



e. Daerah Minimum Respon dinamis suatu sistem terhadap masukan-masukan transien (berubahubah),



atau



perubahan-perubahan



set-point



mengakibatkan



terjadinya



deviasi



(penyimpangan) dari set-point yang dikehendaki. Dalam banyak hal tingkat dan durasi



deviasi tersebut dapat mengakibatkan produk akhir yang jelek, atau paling tidak mengakibatkan deviasi produk akhir dari spesifikasi keseluruhan. Dalam kasus lain, produk-produk suatu pabrik yang dibiarkan tetap bekerja selama berlangsungnya deviasi harus dibuang mengakibatkan terjadinya kerugian produksi yang merugikan kekayaan perusahaan. Berdasarkan alasan ini, lup-lup pengendalian proses sering kali dirancang untuk meminimalkan penyimpangan dari set-point operasional dan rentang



waktu terjadinya deviasi tersebut. Hal ini ditentukan dengan cara meminimalkan luas kurva deviasi waktu, seperti diperlihatkan Gambar 3.3 b. Jadi, jika C (t) menyatakan variabel dinamis dan Csp sebagai set-point, maka error untuk setiap waktu t adalah : E ( t ) = C ( t ) – Csp



... ( 3.1 )



Luas ini ditunjukkan oleh integral dari besaran absolut terhadap rentang gangguan. A =  E ( t )  dt



... ( 3.2 )



Kriteria daerah minimum menginginkan bahwa besaran A ini harga minimum untuk lup pengendalian proses.



Gambar 3.10 Berbagai kriteria yang dipakai dalam evaluasi tanggapan lup pengendalian proses Kriteria evaluasi yang didiskusikan di atas merupakan ukuran-ukuran tingkah laku lup pengendalian proses yang dipakai untuk menentukan kecukupan suatu lup dalam melaksanakan beberapa fungsi yang telah dirancang sebelumnya. Jelas bahwa karakteristik-karakteristik lup adalah produk dari karakteristik-karakteristik elemen lup. Rancang bangun lup pengendalian proses dengan tanggapan dinamisnya dicerminkan



dalam rancangan elemen-elemen lup dengan melalui spesifikasi karakteristikkarakteristik, misalnya waktu tanggapan, akurasi, drift dan faktor-faktor lainnya. Diagram Blok dan Simbol P & ID Diagram Blok Diagram blok diciptakan para ilmuwan sebagai alat bantu untuk mempermudah mempelajari ilmu sistem pengendalian. Ada dua macam diagram blok yang biasa dipakai pada ilmu sistem pengendalian, yaitu diagram balok simbolis dan diagram balok matematis. Di kedua diagramblok itu, masing-masing elemen yang ada di dalam sistem diwakili oleh sebuah kotak. Pada diagram blok simbolis, setiap kotak dibubuhi nama atau simbol-simbol, sedangkan pada diagram blok matematis, setiap kotak dibubuhi fungsi matematik yang merupakan hubungan input dan output elemen. Setiap kotak pada diagram blok mempunyai sebuah input dan sebuah output yang digambarkan dalam bentuk anak panah. Elemen-elemen yang ada dalam sebuah lup pengendalian proses sering kali diperlihatkan



dalam



bentuk



sebuah



diagram,



dimana



masing-masing



elemen



dipresentasikan sebagai blok. Gambar 3.4 berikut adalah suatu diagram blok yang dikonstruksikan dari elemen-elemen yang sudah kita definisikan sebelumnya. Variabel dinamis terpengendalian pada diagram ini disebut C, sedangkan representasi terukur dari variabel dinamis terpengendalian disebut C M. Set-point variabel terpengendalian diberi label CSP, dan harus dinyatakan dalam proporsi yang sama dengan yang diberikan oleh fungsi pengukuran. Dalam banyak kasus, blok alat pengendalian direpresentasikan dalam suatu bentuk yang membawa umpan balik elektronik atau analisa servo. Hal ini membuat operasi evaluasi menjadi titik penjumlahan yang mengeluarkan sinyal error E = CM – CSP kepada alat pengendalian untuk dibandingkan dan diberi aksi. Gambar 3.4 memperlihatlan lup yang menggambarkan penggunaan representasi elemen-elemen lup tersebut. Contoh selanjutnya yaitu, konsep diagram blok pada Gambar 3.5 memperlihatkan sistem pengendalian aliran dan representasinya memakai diagram blok. Pada contoh ini, kita lihat bahwa variabel dinamis adalah laju aliran yang diubah menjadi kuat arus listrik yang analog.



Elemen kontrol



Csp Proses



Control



C Cm Keterangan: Csp = setpoint Cm = Variabel kontrol E = Error C = Variabel dinamis



Pengukuran



Gambar 3.11 Diagram blok lup pengendalian proses yang memperlihatkan 4 elemen dasar



Elemen kontrol



Titik penjumlahan



Csp



s



Control



Proses



E=Cm-Csp



C



Cm



Pengukuran



Gambar 3.12 Diagram blok lup pengendalian proses yang menggambarkan titik penjumlah S dan sinyal error E Kegunaan dari pendekatan diagram blok adalah memungkinkan penganalisaan sistem pengendalian proses sebagai interaksi dari subsistem-subsistem yang lebih kecil



dan lebih sederhana. Sistem secara keseluruhan adalah jumlah dari masing-masing bagiannya. Jika karakteristik-karakteristik dari masing-masing elemen lup dapat ditentukan, maka karakteristik untuk rakitan keseluruhan dapat ditentukan oleh perpaduan analitik dari subsistem-subsistem ini. Perkembangan historis sistem pendekatan di bidang teknologi ditentukan oleh aspek praktis berikut : Pertama, menentukan karaktersitik-karakteristik sistem keseluruhan yang diinginkan dan selanjutnya menyerahkan perkembangan subsistemsubsistem yang memberikan kriteria keseluruhan. setpoint 4 - 20 mA



4 - 20 mA



Konverter arus ke tekanan



Alat kontrol



3 - 15 psi Katup Kontrol



Transduser Tekanan Diferensial



Orifice



Sistem aliran



a. Diagram fisik sebuah lup kontrol proses Elemen kontrol Akhir (katup) Konverter



Setpoint Alat Kontrol



Csp



Proses (aliran)



s E=Cm-Csp



C



Cm



Pengukuran (selisih tekanan)



b. Diagram blok sebuah lup kontrol proses Gambar 3.13 Sebuah sistem pengendalian proses untuk mengatur aliran serta diagram bloknya. Perhatikan pemakaian sinyal transmisi arus dan tekanan.



Jelaslah bahwa suatu sistem pengendalian proses adalah untuk mengatur suatu variabel C, dalam batasan-batasan tertentu dan dengan respon waktu tertentu, menentukan karakteristik yang harus dimiliki oleh sistem pengukuran. Himpunan yang sama dari spesifikasi sistem ini direfleksikan dalam rancangan alat pengendalian dan elemen pengendalian. Dari konsep ini, disimpulkan bahwa analisa suatu sistem pengendalian proses membutuhkan pemahaman akan tingkah laku sistem yang menyeluruh dan pencerminan tingkah laku yang dimiliki oleh elemen-elemen sistem. Kebanyakan orang berpendapat bahwa pemahaman terhadap bagian-bagian sistem akan mempermudah pemahaman terhadap keseluruhan. Contoh 3.2 Gambarkan diagram blok untuk untuk sistem pengisian air pada sebuah tangki, dimana air yang masuk ke dalam tangki dipompa dari sebuah sumur, dan air yang keluar dari tangki dipakai untuk keperluan pabrik. Penyelesaian : Pemakaian air (di pabrik)



Load Aliran air masuk



Posisi bukaan (opening)



Valve



_



Valve



Level



+



Kotak valve mempunyai input posisi bukaan valve (0 – 100%), dan mempunyai output aliran air masuk ke tangki (juga 0 – 100%). Kotak berikutnya adalah kotak yang mewakili tangki (proses). Pada contoh di atas, kotak ini mewakili tangki dengan input berupa flow air yang masuk ke tangki dan output berupa level. Jadi, output kotak pertama (flow air masuk ke tangki) juga merupakan input kotak kedua (tangki). Kotak yang lain adalah kotak yang mewakili beban ( load). Kotak ini menunjukkan bahwa



load juga mempengaruhi besarnya variabel proses (dalam hal ini output dari kotak proses). Pada contoh ini, load adalah banyaknya pemakain air oleh pabrik. Bila pemakaian air



bertambah, permukaan air di dalam tangki akan turun, dan bila pemakaian air berkurang, permukaan air di dalam tangki akan naik. Elemen lain dari diagram blok adalah tanda lingkaran kecil, yang diberi tanda positif (+) dan negatif (-). Elemen ini disebut elemen summing junction. Elemen ini mewakili fungsi penjumlahan atau pengurangan besaran sinyal. Pada contoh ini, tanda positif menyatakan bahwa level akan bertambah bila aliran air yang masuk ke tangki bertambah, dan level akan turun bila pemakaian air berkurang. Tanda di summing



junction bisa kedua-duanya positif, bisa kedua-duanya negatif, dan bisa juga kombinasi positf-negatif. Simbol P & ID Seperti di bidang elektronika maupun kelistrikan, mempunyai simbol-simbol standar untuk menggambarkan komponen-komponen dalam skematis rangkaian, kontrol proses juga mempunyai simbol-simbol untuk menggambarkan elemen-elemen sistem pengendalian proses. Sebagai pengganti skema, dalam sistem pengendalian proses



disebut



sebagai



Gambar



Instrumentasi



dan



Pemipaan



( Piping



and



Instrumentation Drawing) atau lebih dikenal dengan P & ID. Simbol-simbol yang digunakan merupakan standar yang sudah dipakai dan diterima oleh ISA ( Instrument



Society of America). Simbol P & ID ini digunakan untuk menggambarkan diagram pengendalian proses. P & ID (Piping and Instrumentation Drawing) merupakan suatu ketentuan dalam penggambaran jalur pipa dan instrument. Instrumen digambarkan dalam bentuk bulatan dengan huruf di dalamnya yang menjelaskan jenis instrument dan fungsinya. Jalur pipa terbagi menjadi jalur pipa proses dan jalur pipa sinyal. Contoh 3.3



Gambar 3.13 Contoh Diagram Pengendalian Proses



Pada gambar di atas, sebuah reactor dengan reaksi eksotermis diaduk dengan baik dan temperatur dikendalikan dengan menggunakan aliran air pendingin (cooling water). Variabel yang dikontrol di sini adalah temperatur, sebagai variabel dinamis. Temperatur diukur kemudian dibandingkan dengan temperatur reaksi yang diinginkan. Apabila temperatur lebih tinggi dari temperatur reaksi seharusnya (karena reaksi bersifat eksotermis) maka pengendali (TC, temperatur controller) akan memerintahkan katup aliran air pendingin membuka lebih besar agar air pendingin masuk lebih banyak melalui pipa pendingin untuk menurunkan temperatur reaksi. Terdapat beberapa simbol P & IG dalam penggambaran diagram pengendalian proses yaitu : a. Interkoneksi Interkoneksi dalam P & ID dapat melibatkan berbagai tipe sinyal dan aliran proses. Berdasarkan alasan ini, maka cukup digambarkan dengan suatu garis sebagaimana yang terdapat pada skematis elektronika maupun kelistrikan. Simbol garis digunakan untuk menggambarkan sinyal alami seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.13. Informasinya selanjutnya yang penting dalam P & ID adalah untuk menunjukkan sinyal-sinyal tertentu seperti sinyal 4-20 mA berlawanan arah dengan sinyal 10-50 mA yang keduanya digambarkan dengan garis putus-putus (dashed line).



Pipa kapiler Sinyal listrik EM, Sonik, Radioaktif Hidrolik Pneumatik Proses



Gambar 3.14 Sinyal dan garis proses dalam P & ID



b. Simbol Balon Simbol balon digunakan untuk menunjukkan instrumen yang digunakan dalam pengendalian proses. Digunakan suatu lingkaran yang disebut dengan balon. Di bagian dalam balon terdapat kode yang menyatakan fungsi dan sifat alat. Kode dituliskan dengan huruf dan angka seperti FC 117. Huruf-huruf yang ada dalam balon menyatakan peralatan misalnya FC berarti alat pengendali aliran (FC = flow controller) dan angka menunjukkan pada lup pengendalian proses dimana elemen tersebut bekerja. Balon juga menginformasikan tentang di mana instrumen diletakkan, lokal (ditempat proses) atau di ruang pengendalian. Pada Gambar 3.8 simbol balon di tunjukkan untuk ketiga tempat, lokal, di papan ruang pengendalian dan di ruang pengendalian. Gambar 3.14 menerangkan arti bermacam-macam huruf yang mungkin muncul di dalam balon.



FC Terpasang di tempat proses (mesin) 117 FC Terpasang di papan ruang pengendalian 117 FC



Terpasang di belakang papan ruang pengendalian



117



Gambar 3.15 Kode huruf dan simbol balon



FE 104



Nosel atau Venturi



FI



Rotameter



FE 102



Flowmeter



Plat orifis FE 10



Gambar 3.16 Simbol-simbol untuk tranduser dan elemen-elemen dalam P & ID c. Simbol Instrumen Tranduser yang digunakan dalam lup pengendalian proses seringkali dijabarkan menjadi elemen primer (huruf E kedua dalam balon) dan transmitter (huruf T kedua) untuk memperhitungkan/mempertimbangkan tranduser dan pengkondisian sinyal yang sebenarnya. Elemen kontrol akhir itu sendiri terdapat di dalam garis proses. Tabel 3.1 menunjukkan beberapa simbol khusus yang digunakan untuk tranduser dan elemen pengendalian akhir (EKA). Tabel 3.1 Simbol khusus yang digunakan untuk tranduser dan EKA No.



Simbol



Huruf pertama



1 2 3 4 5



A B C D E



Analisis (analysis) Perubahan (Burner) Konduktivitas (Conductivity) Densitas (Density) Tegangan (Voltage)



6 7



F G



Aliran (Flow) Pendugaan (Gaging)



8 9 10 11



H I J K



Tangan (Hand) Arus Listrik Daya (Power) Waktu (Time)



Huruf ke dua Alarm Kontrol (Control) Elemen primer (Primary element) Gelas/Tabung pelihat (Glass/sight tube) Indikasi (Indicate) Pusat kontrol



12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24



L M O P Q R S T U V W Y Z



Level Campuran Air (Moisture) Tekanan (Pressure) Kuantitas (Quantity) Radioaktif (Radioactivity) Kecepatan (Speed) Temperatur (Temperature) Multivariabel Viskositas (Viscosity) Berat (Weight) Posisi (Position)



Sinar (Light) Orifis (Orifice) Titik (Point) Rekam (Record) Saklar (Switch) Transmitter Multifungsi Katup (Valve) Sumur (Well) Relai (Transformation) Menggerakkan (Drive)



Rangkuman Konfigurasi



pengendalian



didefinisikan



sebagai



susunan



informasi



yang



digunakan untuk menghubungkan pengukuran kepada variabel yang dimanipulasi. Konfigurasi pengendalian terbagi dua, yaitu : SISO : Single Input Single Output Satu input Satu Output MIMO : Multiple Input Multiple Output Lebih dari satu input dan lebih dari satu output Jenis konfigurasi sistem pengendalian berdasarkan logika kerjanya ada tiga, yaitu :







Konfigurasi sistem kontrol feed back (umpan balik) Logika kerjanya alat pengendali baru melakukan tindakan setelah gangguan memberikan akibat pada proses.







Konfigurasi sistem kontrol feed forward (umpan maju) Logika kerjanya alat pengendali melakukan tindakan sebelum gangguan memberikan akibat pada proses.







Konfigurasi sistem inferensial Logika kerjanya alat pengendali yang menggunakan pengukuran sekunder untuk mengatur peubah kendalinya.



Kriteria evaluasi pengendalian proses terdiri dari :







Error system







Set-point







Tanggapan dinamis







Perubahan set-point







Tanggapan transien



Kriteria evaluasi tanggapan proses lup terdiri dari :







Settling time







Peak error







Residual error







Cycling



Simbol-simbol



yang



dipakai



untuk



pengendalian proses ada 3 (tiga), yaitu :







Interkoneksi







Simbol balon







Simbol instrumen



menggambarkan



elemen-elemen



sistem



Soal Latihan 1. Jelaskan perbedaan konfigurasi sistem SISO dan MIMO. 2. Suatu sistem pemanas ruangan menggunakan udara sebagai media pemanas. Udara dipanaskan dengan pembakaran minyak pada dapur. Sistem pemanas seperti terlihat pada gambar berikut :



Termostat



Bahan bakar



Panas hilang ke lingkungan



a. sebutkan kendali objektifnya b. gambarkan konfigurasi sistem pengendali umpan balik c. mungkinkah konfigurasi umpan maju diterapkan pada sistem ini. Jelaskan! 3. Suatu penukar panas digunakan untuk memanaskan suhu air dari 80 oF sampai 190 o



F. Untuk mencapai temperatur tersebut diperlukan alat pengendali. Steam = 250 F Saturated



Air T1 = 80 F



T2 = 190 F



Kondensat



a. susunlah 2 macam konfigurasi umpan balik kendalinya ! b. susunlah umpan balik kendali operasinya !



4. Suatu proses mixing untuk pengaturan pH cairan. Asam



Basa



a. susunlah konfigurasi umpan balik b. susunlah konfigurasi umpan maju c. mungkinkah kedua jenis konfigurasi ini dipakai secara bersamaan ? 5. Suatu sistem tangki pemanas berpengaduk dimana aliran tangki proporsional dengan  h. Tunjukkan dan jelaskan bahwa sistem tersebut adalah self regulating. (Buktikan tangki tidak akan kosong atau over flow walaupun umpan masuk diperkecil atau diperbesar)!. 6. Gambarkan diagram blok untuk sistem pengisian air pada sebuah tangki sesudah tangki tersebut dikosongkan melalui kran dasarnya. Sistem tersebut harus menutup secara otomatis bila tangkinya telah terisi. Komponen manakah yang termasuk



plant pengendali ? Sumber Bacaan Gunterus, Frans.1997. Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses . Cetakan Kedua. Elek Media Komputindo. Jakarta. Johnson, Curtis. 1997. Process Control Instrumentation Technology. Fifth Edition. Prentice Hall International Editions. New Jersey. Marlin, Thomas. 2000. Designing Process and Control Systems For Dynamic Performance. Second Edition. Mc.Graw Hill International Editions. Naryono, Eko, dkk. 1995. Pengendalian Proses Kimia. Pusat Pengembangan Pendidikan Politeknik Bandung. Bandung.