MODUL Ajar PP 2017 [PDF]

Citation preview

MODUL AJAR PRAKTIKUM PENGENDALIAN PROSES Modul ajar ini digunakan dalam pembelajaran di Laboratorium Pengendalian Proses Jurusan Teknik Kimia POLINEMA



Oleh : TIM PENGAJAR PENGENDALIAN PROSES



POLITEKNIK NEGERI MALANG 2017



KATA PENGANTAR



Modul ajar ini disusun pertama kali dengan menggunakan Dana DIPA Politeknik Negeri Malang Nomor: 0622/023.04.2.01/15/2012 tanggal 9 Desember 2011, dan terus dilakukan perbaikan dalam setiap tahun akademik. Modul ajar ini digunakan sebagai acuan dalam pelaksanaan mata kuliah Praktikum Pengendalian Proses, yang diselenggarakan pada Semester 4. Modul ajar ini disusun untuk membantu mahasiswa dalam proses pembelajaran mata kuliah teresbut. Penyusunan modul ajar ini tidak terlepas dari peran banyak pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu demi satu. Secara khusus penghargaan dan ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada pihak-pihak berikut ini. 1. Ir. Tundung Subali Padma, MT, selaku Direktur Politeknik Negeri Malang, 2. Ir. Hardjono, MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Malang, 3. Pihak – pihak lain yang telah membantu penulisan modul ajar ini. Semoga tulisan ini dapat membawa manfaat yang besar bagi semua pihak yang membutuhkannya.



Malang, Desember 2016 Penulis



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



i



DAFTAR ISI KATA PENGANTAR......................................................................................................... i DAFTAR ISI...................................................................................................................... ii DAFTAR GAMBAR........................................................................................................iv DAFTAR TABEL.............................................................................................................vi TATA TERTIB LABORATORIUM...................................................................................1 BAB I.



PENENTUAN VARIABEL DAN LOGIKA PROSES BERPENGENDALI .. 4



I.1



Capaian Pembelajaran...................................................................................... 4



I.2



Teori Percobaan................................................................................................ 4



I.3



Peralatan percobaan.......................................................................................... 9



I.4



Prosedur Percobaan.......................................................................................... 9



I.5



Hasil Percobaan.............................................................................................. 10



BAB II.



KORELASI ANTARA BESARAN-BESARAN PADA PENGENDALI........12



II.1



Capaian Pembelajaran.................................................................................... 12



II.2



Teori Percobaan.............................................................................................. 12



II.3



PERCOBAAN 1 : Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali Aras (Level) Cairan................................................................................................ 16



II.4



PERCOBAAN 2 : Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali Tekanan.......................................................................................................... 21



II.5



PERCOBAAN 3 : Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali pH . 25



II.6



PERCOBAAN 4 : Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali Temperatur..................................................................................................... 30



BAB III. PENENTUAN FUNGSI HANTAR SISTEM PENGENDALI.......................34 III. 1. Capaian Pembelajaran.................................................................................... 34 III. 2. Teori Percobaan.............................................................................................. 34 III. 3. PERCOBAAN 1 : Penentuan fungsi hantar (transfer function) Sistem Pengendali Aras (level) Cairan....................................................................... 40 III. 4. PERCOBAAN 2 : Penentuan fungsi hantar (transfer function) Sistem Pengendali Tekanan....................................................................................... 42 III. 5. PERCOBAAN 3 : Penentuan fungsi hantar (transfer function) Sistem Pengendali pH................................................................................................ 46 III. 6. PERCOBAAN 4 : Penentuan fungsi hantar (transfer function) Sistem Pengendali Temperatur.................................................................................. 51 BAB IV. KARAKTERISTIK PENGENDALI.............................................................. 55 IV. 1. Capaian Pembelajaran.................................................................................... 55 IV. 2. Teori Percobaan.............................................................................................. 55 IV. 3. PERCOBAAN 1 : Karakteristik Pengendali Aras (Level) Cairan...................65



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



ii



IV. 4. PERCOBAAN 2 : KARAKTERISTIK PENGENDALI TEKANAN............70 IV. 5. PERCOBAAN 3 : KARAKTERISTIK PENGENDALI pH..........................73 IV. 6. PERCOBAAN 4 : KARAKTERISTIK PENGENDALI TEMPERATUR.....76 DAFTAR PUSTAKA....................................................................................................... 80



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



iii



DAFTAR GAMBAR Gambar II. 1.



Blok diagram proses berpengendali sistem tertutup.............................. 12



Gambar II. 2.



Masukan dan keluaran dari blok final control element (FCE)...............12



Gambar II. 3.



Kurva linear yang ideal......................................................................... 13



Gambar II. 4.



Linearitas.............................................................................................. 14



Gambar II. 5.



Hysterisis.............................................................................................. 15



Gambar II. 6.



Rangkaian alat control regulation level (CRL)......................................17



Gambar II. 7.



Skema rangkaian alat pengendali tekanan (PCT – 14)..........................21



Gambar II. 8.



Panel pengendali tekanan (PCT – 10)................................................... 23



Gambar II. 9.



Skema rangkaian alat pengendali pH.................................................... 26



Gambar II. 10.



Panel pengendali pH............................................................................. 26



Gambar II. 11.



Skema rangkaian alat pengendali temperatur (PCT – 13).....................30



Gambar II. 12.



Panel pengendali temperatur (PCT – 10).............................................. 31



Gambar III. 1.



Blok diagram Fungsi Transfer.............................................................. 34



Gambar III. 2.



Fungsi Step........................................................................................... 35



Gambar III. 3.



Kurva waktu proses dengan dead time................................................. 37



Gambar III. 4.



Kurva Reaksi First Order Plus Dead Time............................................37



Gambar III. 5.



Model FOPDT metode 1 (Sumber: Smith;Armando, 2006).................38



Gambar III. 6.



Model FOPDT metoda 2 (Sumber: Smith;Armando, 2006).................38



Gambar III. 7.



Model FOPDT metode 3 (Sumber: Smith;Armando, 2006).................39



Gambar III. 8.



Rangkaian alat control regulation level (CRL).....................................40



Gambar III. 9.



Panel pengendali pada supply and conditioning unit CRL...................41



Gambar III. 10. Skema rangkaian alat pengendali tekanan (PCT – 14)..........................43 Gambar III. 11. Panel pengendali tekanan (PCT – 10)................................................... 43 Gambar III. 12. Skema rangkaian alat pengendali pH.................................................... 47 Gambar III. 13. Panel pengendali pH............................................................................. 47 Gambar III. 14. Skema rangkaian alat pengendali temperatur (PCT – 13).....................52 Gambar III. 15. Panel pengendali temperaur (PCT – 10)............................................... 52



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



iv



Gambar IV. 1.



Offset untuk Servo Problems................................................................ 56



Gambar IV. 2.



Offset untuk Regulator Problem........................................................... 56



Gambar IV. 1.



Blok diagram controler proporsional.................................................... 58



Gambar IV. 2.



Respon sistem sebagai akibat perubahan disturbance (PI control)........59



Gambar IV. 3.



Blok diagram controller diferensial...................................................... 60



Gambar IV. 4.



Respon sistem pengendali dengan berbagai tipe pengendali.................61



Gambar IV. 5.



Respon Underdamped.......................................................................... 62



Gambar IV. 6.



Karakteristik respon sistem underdamped – second order system........63



Gambar IV. 7.



Respon dari sistem orde dua pada berbagai nilai damping factor ( )....64



Gambar IV. 8.



Rangkaian alat control regulation level (CRL).....................................66



Gambar IV. 9.



Panel pengendali pada unit CRL.......................................................... 66



Gambar IV. 10. Rangkaian modul alat pengendali tekanan (PCT – 14)..........................70 Gambar IV. 11. Skema rangkaian alat pengendali tekanan (PCT – 14)...........................71 Gambar IV. 12. Panel pengendali tekanan (PCT – 10).................................................... 71 Gambar IV. 13. Skema rangkaian alat pengendali pH..................................................... 74 Gambar IV. 14. Panel pengendali pH.............................................................................. 74 Gambar IV. 15. Skema rangkaian alat pengendali temperatur (PCT – 13)......................77 Gambar IV. 16. Panel pengendali temperatur (PCT – 10)............................................... 78



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



v



DAFTAR TABEL Tabel II. 1. Hasil Pengamatan Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali Aras 19 Tabel II. 2. Hasil Pengamatan Linearitas dan Histerisis pada Pengendali Aras..................20 Tabel II. 3. Hasil pengamatan korelasi besaran dalam pengendali tekanan........................24 Tabel II. 4. Hasil pengamatan korelasi besaran dalam pengendali pH............................... 29 Tabel II. 5. Hasil pengamatan korelasi %PO dengan laju alir air panas dalam pengendali suhu................................................................................................................ 32



Tabel IV. 1. Data percobaan karakteristik pengendali P untuk sistem pengendali aras........68 Tabel IV. 2. Data percobaan karakteristik pengendali PI untuk sistem pengendali aras......68 Tabel IV. 3. Data percobaan karakteristik pengendali PD untuk sistem pengendali aras.....69 Tabel IV. 4. Data percobaan karakteristik pengendali PID untuk sistem pengendali aras .. 69



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



vi



TATA TERTIB LABORATORIUM 1.



Kehadiran a. Praktikan harus sudah datang kurang-lebih 15 menit sebelum praktikum dimulai. b. Praktikan yang terlambat datang dikenakan sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku, dan sebelum mengikuti praktikum harus menghadap pembimbing. c. Praktikan tidak diperkenankan mengikuti praktikum jika keterlambatan lebih dari 30 menit, dan dianggap alpa. d. Praktikan harus mengikuti semua judul praktikum. Bagi yang tidak mengikuti satu judul atau lebih dengan alasan apapun harus melaksanakan praktikum susulan dengan mengikuti kelas lain atau bekerja sendiri di luar jadwal. e. Praktikan yang harus meninggalkan laboratorium karena sesuatu yang tidak dapat ditunda harus diketahui oleh Pembimbing



2.



Persiapan tertulis dan Pretest a. Praktikan harus membuat ringkasan pelaksanaan praktikum sesuai dengan urutan kerja dilengkapi dengan kolom cek dan kolom catatan pengamatan. b. Praktikan harus membuat daftar alat dan bahan kimia yang akan digunakan,



dilengkapi



dengan



keterangan



mengenai



aspek



K3



(penanganan dan penanggulangan). c. Praktikan harus mengerjakan pretest yang dibuat oleh pembimbing. 3.



Pakaian dan Peralatan K3 a. Praktikan harus mengenakan jas lab atau pakaian kerja yang sesuai dengan benar. d. Praktikan dilarang mengenakan sepatu yang terbuka, beralas licin, dan bertumit (hak) tinggi. e. Praktikan wanita harus mengikat rambut yang panjang. Jas lab dikenakan menutupi rambut / jilbab. f. Praktikan diwajibkan mengenakan alat-alat pelindung diri (APD) yang sesuai jika menangani bahan, alat dan pekerjaan berbahaya.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



1



4.



Setelah praktikum selesai a. Praktikan wajib membersihkan kembali meja dan lantai tempat melaksanakan praktikum dengan sepengetahuan teknisi laboratorium. b. Praktikan wajib mengembalikan alat-alat praktikum kepada teknisi dalam keadaan bersih dan tidak rusak atau cacat (keadaan alat seperti waktu dipinjam). c. Praktikan wajib membuat laporan sementara secara mandiri / berkelompok dengan format sesuai ketentuan pembimbing. d. Praktikan wajib membuat laporan resmi secara mandiri dengan format seperti yang ditetapkan oleh pembimbing / Kepala Laboratorium. Laporan Resmi dikumpulkan pada minggu berikutnya sebagai prasyarat untuk mengikuti praktikum selanjutnya.



5.



Kerusakan Alat a. Alat yang rusak dan pecah selama pelaksanaan praktikum harus segera dilaporkan kepada teknisi untuk dicatat dan mendapatkan ganti sementara waktu. b. Penggantian alat yang rusak / pecah menjadi tanggung jawab individu / kelompok praktikum. c. Penggantian alat yang rusak / pecah paling lambat harus diselesaikan sebelum pelaksanaan kuliah semester berikutnya. Praktikan yang merupakan mahasiswa semester terakhir harus melakukan pengembalian alat paling lambat sebelum pelaksanaan ujian tugas akhir. d. Penggantian alat harus menyertakan bukti pembelian asli. e. Penggantian alat yang bernilai sangat mahal dan di luar jangkauan kemampuan mahasiswa harus dibicarakan dengan Ketua Jurusan. f. Praktikan dalam melakukan penggantian alat dilarang bertransaksi dengan pembimbing maupun teknisi.



6.



Larangan bagi praktikan a. Membawa tas ke dalam laboratorium. b. Makan, minum, merokok di dalam dan ruangan sekitar laboratorium pada jam praktikum.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



2



c. Mengganggu praktikan lain, bergurau dan membuat kegaduhan di dalam laboratorium. d. Melakukan komunikasi menggunakan handphone. e. Membuat percobaan sendiri di luar judul yang dijadwalkan. f. Melakukan percobaan di luar laboratorium atau membawa alat keluar dari laboratorium tanpa seijin Kepala Laboratorium dan Ketua Jurusan g. Membuang sampah sembarangan serta membuang sampah padat maupun limbah / sisa praktikum ke dalam wastafel.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



3



BAB I.



PENENTUAN VARIABEL DAN LOGIKA PROSES BERPENGENDALI I.1



Capaian Pembelajaran



Setelah melakukan percobaan ini, mahasiswa dapat (1) menggambarkan P&ID masing-masing proses pengendali, menjelaskan logika proses pengendali serta menganalogikan dalam blok diagram proses, (2) menjelaskan variabel-variabel pada masing-masing pengendali, dan (3) menentukan jenis proses pengendali (direct / reverse). I.2



Teori Percobaan



Instrumentasi merupakan device atau peralatan yang digunakan untuk menunjang sebuah sistem dalam menjalankan proses tertentu untuk tujuan tertentu pula. Setiap kegiatan proses dalam sebuah system di industri senantiasa membutuhkan peralatan–peralatan



otomatis



untuk



mengendalikan



parameter–parameter



prosesnya. Otomatisasi tidak saja diperlukan demi kelancaran operasi, keamanan, ekonomi, maupun mutu produk, tetapi lebih mengutamakan pada kepentingan penggunaan manusia (user) sebagai kontrol manual, kecepatan, kualitas, serta kuantitas yang dihasilkan dibandingkan dengan menggunakan kontrol manual, dalam hal ini manusia sebagai pengendali dan pelaku keputusan. Hampir semua proses industri dalam menjalankan proses produksinya membutuhkan bantuan sistem pengendali, contohnya pengendalian di suatu proses pengilangan minyak. Proses di suatu pengilangan minyak tidak mungkin dapat dijalankan tanpa bantuan fungsi sistem pengendalian. Ada banyak pengendalian yang harus dikendalikan di dalam suatu proses. Diantaranya yang paling umum, adalah tekanan (pressure) didalam sebuah vessel atau pipa, aliran (flow) didalam pipa, suhu (temperature) di unit proses seperti heat exchanger, atau permukaan zat cair (level) disebuah tangki. Ada beberapa parameter lain diluar keempat elemen diatas yang cukup penting juga dan juga perlu dikendalikan karena kebutuhan spesifik proses, di antaranya: pH, Velocity, berat, lain sebagainya. Gabungan serta kerja alat–alat pengendali otomatis itulah yang dinamai dengan sistem pengendalian proses (proses control system). Sedangkan semua peralatan Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



4



yang membentuk sistem pengendali disebut Instrumentasi pengendali proses (process control instrumentation). Dan sekarang tidak lagi memakai pengendalian manual kontrol tetapi masih tetap dipakai pada beberapa aplikasi tertentu. Untuk itu, sistem dibuat otomatis peran operator didalam sistem pengendalian manual digantikan oleh sebuah alat yang disebut controller. Tugas pelaksana keputusan (aksi control valve) tidak lagi dilakukan oleh operator (manusia), tetapi atas perintah controller yang operasinya dikendalikan oleh user. Untuk keperluan pengendalian otomatis, valve harus dilengkapi dengan alat yang disebut actuator, sehingga unit valve sekarang menjadi unit yang disebut control valve. I. 2. 1. Sistem Pengendalian Otomatis Dalam mengendalikan suatu proses, operator harus melakukan 4 langkah pengendalian yaitu mengukur, membandingkan, menghitung dan mengoreksi. Misalnya pada pengendalian level pada suatu tangki, operator harus mengamati ketinggian level, artinya operator sedang melakukan langkah mengukur process variable. Dalam hal ini yang berperan sebagai process variable adalah tinggi level pada tangki. Selanjutnya, operator akan melakukan langkah membandingkan, apakah hasil pengukuran tadi sesuai dengan apa yang dikehendakinya. Besar process variable yang dikehendaki disebut set point (SP). Apabila terjadi selisih antara process variable dan set point, maka selisih tersebut disebut error. ERROR = SET POINT- PROCESS VARIABLE Apabila set point lebih besar daripada process variable, maka error memiliki harga



positif



dan



sebaliknya.



Kemudian



setelah



dilakukan



langkah



membandingkan, operator akan menghitung dan memperkirakan berapa bukaan valve yang seharusnya. Selanjutnya operator melakukan langkah mengoreksi dengan mengubah bukaan valve sesuai hasil perhitungan. Keempat langkah pengendalian tersebut apabila dilakukan oleh instrumentasi pengendalian proses disebut sistem pengendalian otomatis. Dalam hal ini, operator hanya akan menentukan set point saja. (Frans Gunterus, 1994)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



5



Ada tiga jenis sistem pengendali otomatis: 1. Open Loop Suatu sistem kontrol yang keluaranya tidak berpengaruh terhadap aksi pengontrolan. Dengan demikian pada sistem kontrol ini, nilai keluaranya tidak di umpan – balikkan ke parameter pengendali. 2. Close Loop Suatu sistem kontrol yang sinyal keluarannya memiliki pengaruh langsung terhadap aksi pengendali yang dilakukan. Sinyal kesalahan yang merupakan selisih dari sinyal masukan dan sinyal umpan balik, Lalu diumpankan pada komponen pengendali untuk memperkecil kesalahan sehingga nilai keluaran sistem semakin mendekati harga yang diinginkan. Keuntungannya adalah adanya pemanfaatan nilai umpan balik yang dapat membuat respon sistem kurang peka terhadap gangguan eksternal dan perubahan internal pada parameter sistem. Kerugiannya adalah tidak dapat mengambil aksi perbaikan terhadap suatu gangguan sebelum gangguan tersebut mempengaruhi nilai prosesnya. 3. Cascade Loop Sistem kendali dengan beberapa loop yaitu loop primer dan loop sekunder. Loop yang terdapat pada bagian luar disebut Loop primer, sedangkan loop sekunder adalah loop yang terdapat pada bagian dalam rangkaian pengendali. Misalnya, sebuah pengendali level suatu proses dengan kondisi level yang terjadi tidak sesuai dengan set point yang ditentukan maka output dari pengendali akan dideteksi oleh elemen kontrol (Level Transmitter) lalu dirim ke kontroller level sebagai umpan balik dari kondisi yang terjadi. Keluaran dari kontroler level ini akan dimanfaatkan sebagai set point untuk menentukan laju aliran proses yang keluar dari kolom variabel. Keuntungannya, sistem ini dapat mempercepat respon dari kerja sistem secara keseluruhan bila terjadi suatu kesalahan yang bisa mengakibatkan sistem pengendalian proses semakin stabil. Hal ini dapat terjadi karena adanya pengiriman informasi tentang kondisi yang terjadi lebih awal melalui variabel aliran proses sehingga jika terjadi gangguan pada aliran proses akan segera diperbaiki sebelum mengganggu pada bagian kontrol ketinggian.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



6



I. 2. 2. Elemen – elemen Sistem Pengendalian Otomatis Dalam sistem pengendalian diperlukan diagram kotak yang akan digunakan untuk menentukan transfer function-nya. Di dalam diagram kotak ini terdapat elemen – elemen pokok sistem pengendalian antara lain : 



Proses (process) Merupakan tatanan peralatan yang mempunyai suatu fungsi tertentu, misalnya heat exchanger.







Controlled Variable Merupakan besaran (variable) yang dikendalikan atau disebut process variable, misalnya temperatur air panas yang keluar heat exchanger.







Manipulated Variable Merupakan input dari suatu proses yang dapat diubah – ubah besarnya supaya process variable sama dengan set point.







Sensing Element Merupakan bagian yang berperan untuk melakukan pengukuran sehingga biasa disebut sensor.







Transmitter Merupakan alat yang berfungsi membaca sinyal sensing element dan mengubahnya menjadi sinyal yang dapat dimengerti oleh controller.







Measurement Variable Merupakan sinyal yang keluar dari transmitter.







Set Point Merupakan besar process variable yang dikehendaki.







Error Selisih antara set point dan process variable.







Controller Merupakan elemen yang mengerjakan tiga langkah sekaligus dalam sistem pengendalian



otomatis



yaitu



membandingkan



set



point



dengan



measurement variable, menghitung berapa error yang dihasilkan dan mengeluarkan sinyal koreksi.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



7







Load



Besaran lain seperti manipulated variable yang dapat berubah – ubah sehingga dapat mengubah controlled variable. 



Control Valve



Merupakan final control element yang berfungsi mengubah measurement variable dengan cara memanipulasi besarnya bukaan valve berdasarkan perintah controller. (Frans Gunterus, 1994).



Gambar I. 1.



Blok diagram proses berpengendali sistem tertutup



I. 2. 3. Konfigurasi Pengendalian Jenis konfigurasi sistem pengendalian proses yang banyak dikenal meliputi: 1.



Feedback Control Configuration



Konfigurasi ini mengukur secara langsung variabel yang dikendalikan untuk mengatur harga variabel yang dimanipulasi. Tujuan pengendalian ini adalah mempertahankan variabel yang dikendalikan pada level yang diinginkan (set point). Sebagian instrumentasi pada proses pembuatan formaldehid dan hidrogen peroksida berbahan baku metanol dengan reaksi enzimatik ini menggunakan konfigurasi pengendalian feedback, mulai dari pengendalian temperatur, pengendalian ketinggian, pengendalian perbedaan tekanan, dan pengendalian tekanan. disturbance



Set point



Pengendali



Final control elemen



Proses



Process variable



measurement



Gambar I. 2.



Diagram Input-Output Pengendalian Feedback



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



8



2.



Feedforward Control Configuration



Proses control yang memanfaatkan pengukuran langsung pada disturbance untuk mengatur harga variabel yang akan dimanipulasi. Tujuan pengendalian adalah menghilangkan disturbance sebelum proses berlangsung dan mempertahankan output variable yang dikontrol pada nilai yang diharapkan. Karakteristik dari Feedfoward Control adalah tidak dapat mengatasi semua disturbance, apalagi kalau terlalu banyak maka sulit mengendalikan. Set point



Pengendali



Final control elemen Proses disturbance



Gambar I. 3. I.3



Diagram Input-Output Pengendalian Feedforward



Peralatan percobaan



Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1. CRL (Control Regulation Level) 2. CRpH (Control Regulation pH) 3. Pengendali Tekanan 4. Pengendali Suhu (PCT – 13) I.4



Prosedur Percobaan



Prosedur percobaan dalam praktikum ini adalah sebagai berikut: 1.



Amati masing-masing pengendali dan cara kerjanya



2.



Gambarkan P&ID proses, jelaskan logika proses pengendalian serta tuliskan variabel dari masing-masing pengendali



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



9



I.5



Hasil Percobaan



Hasil percobaan untuk masing – masing pengendali disajikan dalam bentuk seperti tabel berikut. Tabel I. 1. Hasil percobaan pengendali _________________________ (____________________controller) Gambar P&ID



Penjelasan Proses



Variabel Pengendali



Analogi proses



dalam blok diagram



Direct/Reverse Proses



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



11



BAB II.



KORELASI ANTARA BESARAN-BESARAN PADA PENGENDALI II.1



Capaian Pembelajaran



Setelah melaksanakan percobaan ini, mahasiswa dapat (1) Mencari korelasi antara input dan output pada pengendali dan (2) Mendapatkan karakteristik valve pada pengendali II.2



Teori Percobaan



Gambar 1 menunjukkan blok diagram proses berpengendali sistem tertutup. Dari gambar tersebut dapat diperkirakan pengaruh perubahan set point (SP) ataupun disturbance terhadap respon dari proses (process variable – PV). Disturbance



SP



Final Control Element (FCE)



Controller



MV



Process



CV



Sensor



Gambar II. 1.



Blok diagram proses berpengendali sistem tertutup



Masing - masing komponen dari blok diagram mempunyai masukan dan keluaran dengan satuan yang bisa saja berbeda. Sebagai contoh pada blok diagram final control element (FCE) yang menjadi masukan adalah % PO sedangkan keluarannya adalah laju alir air masuk tangki, seperti terlihat pada gambar 2. % PO Gambar II. 2.



FCE



Laju



Masukan dan keluaran dari blok final control element (FCE)



Korelasi antara masukan dan keluaran dari masing – masing komponen pengendali perlu dicari untuk mengetahui hubungan antara keduanya.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



12



II.2.1 Linearitas Idealnya, semua sistem pengukuran maupun elemen-elemen yang ada di sistem pengendalian menghasilkan output yang selalu sebanding dengan input. Tidak peduli di daerah mana sistem beroperasi. Kalau input besarnya 10%, output juga harus 10%. Kalau input besarnya 20%, maka output juga harus 20%. Demikian seterusnya, sampai input mencapai skala 100% dan output juga mencapai skala 100%. Secara grafis, bila hubungan input-output itu digambarkan pada sumbu XY akan diperoleh kurva seperti dalam Gambar 3. Suatu elemen dikatakan linear apabila kurva input vs output membentuk garis lurus seperti yang ada pada Gambar II.3. Sayangnya, bentuk linear yang ideal seperti pada gambar itu nyaris tidak pernah dapat ditemukan. Biasanya, bentuk kurva tidak lurus, mungkin sedikit melengkung atau berkelok-kelok. Tetapi, ketidaklurusan ini masih ada di dalam batas-batas yang bias dianggap linear. Penyimpangan dari garis linear ideal itulah yang disebut linearitas atau linearity.



Gambar II. 3.



Kurva linear yang ideal



(Sumber: Gunterus, Frans. 1997. Falsafah Dasar: Sistem Pengendalian Proses. Jakarta: PT Elex Media Komputindo, hal 3-13) Sebuah elemen dikatakan mempunyai linearitas 1% apabila kurva hubungan input vs output sedikit berkelok-kelok, namun selisih lengkungan ke atas dan ke bawahnya masih ada dalam batas-batas + 1%. Lihatlah Gambar II.4.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



13



Gambar II. 4.



Linearitas



(Sumber: Gunterus, Frans. 1997. Falsafah Dasar: Sistem Pengendalian Proses. Jakarta: PT Elex Media Komputindo, hal 3-14) Jadi yang menentukan linear atau tidaknya suatu kurva adalah lurus atau tidaknya bentuk kurva hubungan input-output tadi. Kalau garis kurvanya tidak lurus, unit elemennya dikatakan tidak linear. Sedangkan kalau garis kurvanya lurus, unit elemennya dikatakan linear. Ada bermacam-macam bentuk tidak linear (non-linear). Ada yang berbentuk lengkungan parabola, ada yang berbentuk lengkungan garis asimtot, ada pula yang berbentuk garis berkelok-kelok. Yang penting, kalau garis kurvanya tidak lurus, elemennya disebut tidak linear. Karena sulitnya menemukan semua yang linear ideal di dalam praktek, syarat suatu elemen dikatakan linear kemudian menjadi sedikit diperlunak. Titik awal linear tidak perlu lagi dimulai dari 0% dan berakhir di 100%, namun bisa saja dimulai di 10% dan diakhiri di 80%. Jadi, sebuah control valve yang linear di daerah 40% sampai 75%, kalau garis hubungan antara sinyal input dengan flow yang melalui control valve digambarkan, kurva itu hanya lurus di daerah 40% sampai 75%.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



14



II.2.2 HYSTERISIS Gejala hysteresis pada sebuah instrument atau sistem pengukuran dapat dilihat pada waktu ia beroperasi secara dua arah. Gejala ini lebih mudah diterangkan melalui gambar.Untuk itu lihatlah gambar II.5. Di gambar itu ada dua kurva yang hampir berhimpitan. Kurva yang satu ditandai dengan panah ke atas dan yang lain ditandai dengan panah ke bawah. Hubungan input-output, tergantung dari arah mana perubahan terjadi. Pada waktu input berubah dari 0% menuju 100%, hubungan input-output akan mengikuti kurva dengan tanda anak panah ke atas. Sebaliknya, pada waktu input berubah dari 100% menuju 0%, hubungan inputoutput mengikuti kurva dengan tanda anak panah ke atas.



Gambar II. 5.



. Hysterisis



(Sumber: Gunterus, Frans. 1997. Falsafah Dasar: Sistem Pengendalian Proses. Jakarta: PT Elex Media Komputindo, hal 3-17) Gejala hysterisis terjadi pada banyak elemen sistem pengendalian yang mengandung unsur mekanis, khususnya control valve. Marilah kita ikuti apa yang terjadi pada waktu sinyal input ke control valve naik dari 0% menuju ke 100% dan pada waktu sinyal input ke control turun dari 100% menuju ke 0%. Pada waktu sinyal naik, posisi bukaan control valve tertinggal di 24% walaupun input sudah 25%. Pada waktu input naik sampai 50%, posisi bukaan control valve tertinggal di 48% walaupun input sudah 50%. Demikian seterusnya, posisi control valve benar-benar sama dengan input setelah sinyal mencapai 100%.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



15



Hal sebaliknya terjadi pada waktu input berubah dari 100% menuju ke 0%. Pada waktu input turun dari 100% ke 75%, posisi bukaan control valve tertinggal di 76% walaupun input sudah 75%. Dan pada waktu input turun dari 75% ke 50%, posisi bukaan control valve tertinggal di 52% walaupun input 50%. Demikian seterusnya, posisi bukaan control valve baru benar-benar sama dengan input setelah input menjadi 0%, atau control valve tertutuprapat. Gejala hysterisis sebenarnya juga salah satu dari jenis error (kesalahan baca). Hanya saja error disini tidak konstan besarnya, dan tergantung ke arah mana input berubah. Namun, gejala hysterisis seperti halnya linearitas, tidak dapat diungkapkan dalam bentuk transfer function. Kalau gejala ini harus diungkapkan perlu banyak transfer function untuk satu elemen. Mengapa demikian, karena gain elemen tidak linear sangat tergantung pada daerah dimana elemen beroperasi.



II.3



PERCOBAAN 1 : Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali Aras (Level) Cairan



II.3. 1. Peralatan Percobaan Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1.



Seperangkat CRL (Control Regulation Level)



2.



PC (Personal Computer)



3.



Kompresor



4.



Printer



II.3. 2. Gambar Alat Gambar II. 6. menunjukkan rangkaian alat control regulation level (CRL). Prosedur kerja yang diuraikan di bawah mengacu pada gambar tersebut.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



16



Keterangan gambar : 1. Water Drainage Tank 2. Centrifugal pump 3. Proportional Pneumatic Valve 4. I/P Tranducer 5. Compressed air feed 6. Low Pressure gauge 7. Pressure regulator (manual) 8. Electronic mini regulator (optional, code 916940) 9. Supply and conditioning unit 10. Personal computer 11. Reservoir 12. Drainage valve 13. P/I tranducer 14. Drainage electric valve Gambar II. 6. Rangkaian alat control regulation level (CRL) II.3. 3. Prosedur Percobaan A. Persiapan a. Periksa kelengkapan alat pengendali level (CRL) dan komputer (lihat gambar 6), pastikan semua kelengkapan sudah terhubung dengan benar. b. Periksa air yang terdapat di tangki penampung, tambahkan air jika tangki penampung kosong. c. Tekan tombol “Main Switch” (lihat gambar 6, no.9) pada CRL. d. Hidupkan personal computer (PC), buka aplikasi pengendali aras. e. Klik tab “File”, pilih “New”. Pilih menu pengendali “PID”, klik “OK”. Pada menu pengisian parameter, biarkan semua isian yang tertera dan klik “OK”. B. Pengoperasian a. Atur bukaan pompa (%PO) – 0% dari PC. b. Arahkan tombol PC control di CRL (lihat gambar 6, no.9) pada tulisan “PC”. c. Lakukan perubahan %PO dengan interval kenaikan 10% hingga %PO mencapai 100%.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



17



d. Setiap kenaikan 10 %, catat ketinggian air pada tangki penampung (lihat gambar 6, no.11) serta waktu yang dibutuhkan, nilai tegangan pada CRL (lihat gambar 6, no.9) serta tekanan pada barometer (lihat gambar 6, no.6). e. Hitung nilai arus dengan persamaan V = I x t. C. Mengamati Linearitas dan Hysterisis a. Atur / setting alat pada kondisi manual (lihat gambar.6, no.9. tombol kanan bawah b. Tutup Valve air keluar tangki (V2) c. Atur Bukaan Valve Air Masuk (dari Komputer) pada posisi 10 % d. Atur tombol “Control Switch“ pada posisi “Manual” e. Nyalakan stopwatch dan alirkan selama selang waktu tertentu, misalkan 5 menit f. Catat ketinggian air yang terbaca g. Ulangi langkah di atas untuk berbagai harga Bukaan Valve (Pr) sampai posisi 100 (%) h. Ulangi langkah 8 – 12 untuk nilai bukaan valve dari 100 % ke 0 % D. Mematikan a. Pindahkan tombol PC control di CRL (lihat gambar 6, no.9) pada tulisan “0”, tunggu hingga air pada tangki penampung habis. b. Tutup aplikasi pengendali aras. c. Matikan PC d. Matikan alat pengendali aras dengan menekan tombol “Main Switch” (lihat gambar 6, no.9)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



18



II.3. 4.



Hasil Percobaan Tabel II. 1.



Hasil Pengamatan Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali Aras



% PO No. 1.



Initial Actuating Signal 0



2.



10



3.



20



4.



30



5.



40



6.



50



7.



60



8.



70



9.



80



10.



90



11.



100



Level air (cm)



Waktu, t (menit)



Laju alir 3 (cm /menit)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



Tekanan (Psi)



Arus (mA)



19



Tabel II. 2. No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.



Hasil Pengamatan Linearitas dan Histerisis pada Pengendali Aras % PO % PO Initial Initial Level air (cm) Level air (cm) Actuating Actuating Signal Signal 10 100 20 90 30 80 40 70 50 60 60 50 70 40 80 30 90 20 100 10



II.3. 5. Pembahasan 1. Buat grafik yang menunjukkan korelasi / hubungan dari masing – masing besaran yang ada! 2. Beri penjelasan tentang linearitas dan hysterisis berdasarkan grafik / kurva yang ada!



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



20



II.4



PERCOBAAN 2 : Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali Tekanan



II.4. 1. Peralatan Percobaan Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1. PCT – 14 (modul proses pengendalian tekanan) 2. PCT – 10 (electrical console) 3. Kompresor 4. Recorder II.4. 2. Gambar Alat Gambar II. 7. menunjukkan skema rangkaian alat pengendali tekanan. Prosedur kerja yang diuraikan berikut mengacu pada gambar tersebut, sedang Gambar II. 8. menunjukkan panel pengendali pada PCT – 10.



Gambar II. 7.



Skema rangkaian alat pengendali tekanan (PCT – 14)



Keterangan gambar : V1, V2 = Pressure regulator valve



V7 = Relief valve



V3, V4, V5, V6 = Selector valve



P1, P2, P3, P4 = Pressure gauge Indicator



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



21



2 1



Gambar II. 8. Panel pengendali tekanan (PCT – 10) II.4. 3. Prosedur Percobaan A. Persiapan a. Buka main valve udara tekan dan pastikan tidak terjadi kebocoran di sistem pengendalian tekanan b. Hidupkan alat pengendali tekanan (PCT-14 + PCT – 10) dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar II. 8., no. 1) c. Tutup V3, V5, V6. d. Buka V1, V2, V4, atur P1 = 22 psig dengan mengubah V1 dan atur P3 = 8 psig pada dengan mengubah V2. B. Pengoperasian a. Atur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT – 10 (lihat Gambar II. 8., no. 2) b. Atur bukaan valve (%PO) – 0%. c. Lakukan perubahan %PO dengan interval kenaikan 10% hingga %PO mencapai 100%. d. Setiap kenaikan 10%, catat %PV pada panel pengendali (lihat Gambar II. 8. no 2), besar tekanan yang terbaca pada P4, dan laju alir udara keluar dari sistem pengendalian tekanan. e. Ulangi langkah a – d, dengan perubahan %PO dari 100% menuju ke 0% untuk mengetahui histerisis dan linearitas pengendali tekanan. f. Buatlah grafik hubungan antara %PO dan %PV, %PO dan nilai P4 (tekanan), serta %PO dan laju alir udara keluar.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



23



C. Mengamati Linearitas dan Hysterisis a. Atur controller pada operasi manual b. Atur bukaan valve (PO) dari 0 % c. Lakukan perubahan PO dengan interval kenaikan 10 % hingga PO mencapai 100 % d. Catat perubahan pada kecepatan gas, tekanan, dan % PV e. Ulangi langkah 2 – 4 untuk nilai bukaan valve (PO) dari 100 % ke 0 % D. Mematikan a. Matikan alat pengendali tekanan dengan menekan tombol “main switch”. b. Tutup main valve udara tekan.



II.4. 4. Hasil Percobaan Tabel II. 3. No.



%PO Initital actuating signal



Hasil pengamatan korelasi besaran dalam pengendali tekanan %PV



P4 (psi)



Laju alir udara keluar ( )



P2 (psi)



%PO Initital actuating signal



1.



0



100



2.



10



90



3.



20



80



4.



30



70



5.



40



60



6.



50



50



7.



60



40



8.



70



30



9.



80



20



10.



90



10



11.



100



0



%PV



P4 (psi)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



Laju alir udara keluar ( )



P2 (psi)



24



II.4. 5. Pembahasan 1.



Buat grafik yang menunjukkan korelasi / hubungan dari masing – masing besaran yang ada!



2.



Beri penjelasan tentang linearitas dan hysterisis berdasarkan grafik / kurva yang ada!



II.5 PERCOBAAN 3 : Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali pH II.5. 1. Peralatan Percobaan Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1. Seperangkat alat pengendali pH 2. Personal computer (PC) 3. Gelas ukur 25 ml 1 buah 4. Stopwatch



II.5. 2. Gambar Alat Gambar II. 9. menunjukkan skema rangkaian alat pengendali pH. Langkah kerja yang diuraikan berikut mengacu pada gambar tersebut, sedang Gambar II. 10. menunjukkan panel pengendali pada pengendali pH.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



25



Gambar II. 9. Skema rangkaian alat pengendali pH Keterangan gambar : Mixing tank 0,4 lt 1 Containers with 2 l 2 correction Solution 3 Solution feed tank 10 lt 4 Peristaltic Pump 5 Agitator 6 Stirrer 7 8A / 8B Solenoid valve 9A / 9B Regulation Tank



Gambar II. 10.



10 11 12 13 14 15 16 17 18 19



Collection Tank Signal Transmiter pH Feed tank drain valve Collection tank drain valve Sample taking tank 0,15 l Flow meters Personal Computer Electric apparatus Printers Main switch



Panel pengendali pH



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



26



II.5. 3. Prosedur Percobaan II.5.3.1. Percobaan 1 : Korelasi antara skala kecepatan pompa (pump speed) dan keluaran (output) pompa peristaltik pada pengendali pH A. Persiapan a. Isi botol penampung NaOH dengan air kran hingga volume 2 liter b. Hidupkan alat pengendali pH (CRpH) dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar II. 10. no. 19) c. Hidupkan personal computer (PC), pilih program CRpH, klik tab “File”, pilih “New”, pilih menu pengendali PID, klik OK pada tampilan pengisian parameter. B. Pengoperasian a. Atur persen bukaan pompa (%PO) – 0%. b. Arahkan tombol “Pump ON/OFF setter” (lihat Gambar II. 10. no.24) pada posisi “ON”. c. Arahkan tombol “PC commutator” (lihat Gambar II. 10. no.27) pada tulisan “PC” bersamaan dengan menampung air yang keluar dari pompa sampai volume 10 ml. d. Catat waktu yang diperlukan e. Pindahkan tombol “PC commutator” (lihat Gambar II. 10. no.27) pada tulisan “Minireg” f. Atur persen bukaan pompa menjadi 10%, ulangi langkah b – e. g. Ulangi pengaturan persen bukaan pompa sampai 100% dengan interval 10%. h. Hitung laju alir keluaran pompa peristaltik dan buat kurvanya. C. Mematikan a. Arahkan tombol “Pump ON/OFF setter” (lihat Gambar II. 10. no.24) pada posisi “OFF”. b. Tutup program CRpH dan matikan PC c. Matikan alat pengendali pH dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar II. 10. no.19)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



27



II.5.3.2.



Percobaan 2: Korelasi antara skala kecepatan pompa (pump



speed) dan keluaran (output) pompa peristaltik pada pengendali pH A. Persiapan a. Isi botol penampung NaOH dengan air kran hingga volume 2 liter b. Hidupkan alat pengendali pH (CRpH) dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar II. 10. no. 19) c. Hidupkan personal computer (PC), pilih program CRpH, klik tab “File”, pilih “New”, pilih menu pengendali PID, klik OK pada tampilan pengisian parameter. B. Pengoperasian a. Atur laju alir keluaran pompa peristaltik dengan memutar tombol “Pump Speed” (lihat Gambar II. 10. no.29) pada posisi 0. b. Arahkan tombol “Pump ON/OFF setter” (lihat Gambar II. 10 no.24) pada posisi “ON”. c. Tampung air yang keluar dari pompa sampai volume 10 ml, dan catat waktu yang diperlukan d. Ulangi langkah a – c hingga skala “Pump Speed” menunjukkan skala 10 e. Hitung laju alir keluaran pompa peristaltik dan buat kurvanya. C. Mematikan a. Arahkan tombol “Pump ON/OFF setter” (lihat Gambar II. 10. no.24) pada posisi “OFF”. b. Tutup program CRpH dan matikan PC c. Matikan alat pengendali pH dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar II. 10. no.19)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



28



II.5. 4. Hasil Percobaan Tabel II. 4.



No.



Hasil pengamatan korelasi besaran dalam pengendali pH



%PO peristaltic pump



Volume air kran yang ditampung (ml)



Waktu, t (menit)



Laju alir keluaran pompa peristaltik (ml/min)



%PO peristaltic pump



Volume air kran yang ditampung (ml)



Waktu, t (menit)



Laju alir keluaran pompa peristaltik (ml/min)



1



2



3



4 = 2/3



1



2



3



4 = 2/3



1.



0



0



2.



10



10



3.



20



20



4.



30



30



5.



40



40



6.



50



50



7.



60



60



8.



70



70



9.



80



80



10.



90



90



11.



100



100



II.5. 5. Pembahasan 1.



Buat grafik yang menunjukkan korelasi / hubungan dari masing – masing besaran yang ada!



2.



Beri penjelasan tentang linearitas dan hysterisis berdasarkan grafik / kurva yang ada!



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



29



I.6



PERCOBAAN 4 : Korelasi antara Besaran – Besaran pada Pengendali Temperatur II. 6. 1.



Peralatan Percobaan



Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1. PCT – 13 (modul proses pengendalian temperatur) 2. PCT – 10 (electrical console) 3. Thermostat 4. Recorder II. 6. 2. Gambar Alat Gambar II. 11. menunjukkan skema rangkaian alat pengendali tekanan. Langkah kerja yang diuraikan berikut mengacu pada gambar tersebut, sedang Gambar II. 12. menunjukkan panel pengendali pada PCT – 10.



Gambar II. 11.



Skema rangkaian alat pengendali temperatur (PCT – 13)



Keterangan gambar : V1, V2 = Flow regulator valve F1, F2 = Flow indicator



V3 = Drain valve TC1 , TC2, TC3, TC4 = Thermocouple



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



30



2 1



Gambar II. 12. Panel pengendali temperatur (PCT – 10) II. 6. 3. Prosedur Percobaan A. Persiapan a. Nyalakan thermostat dan pastikan air yang berada di dalam tangki thermostat dalam jumlah yang mencukupi. b. Periksa semua sambungan peralatan yang ada, khususnya sambungan dari pengendali (PCT – 10) ke motor positioner & dari motor positioner ke socket pada panel depan PCT-13 (terhubung dengan kabel khsusus berwarna hitam). c. Nyalakan alat pengendali temperatur, PCT – 10 dan recorder. d. Atur kecepatan kertas recorder pada kecepatan 30 cm/jam. e. Buka valve V1 sehingga laju alir air dingin masuk (terbaca di F1) sebesar 3



150 cm /jam, jaga agar konstan selama proses. f. Buka valve V2 maksimum. B. Pengoperasian a. Atur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT – 10 (lihat Gambar II. 12, no. 2) b. Atur bukaan valve (%PO) – 0%.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



31



c. Lakukan perubahan %PO dengan interval kenaikan 10% hingga %PO mencapai 100%. d. Setiap kenaikan 10%, catat laju alir panas masuk alat penukar panas (heat exchanger) – terbaca di F2, pada sistem pengendali temperatur e. Ulangi langkah a – d, dengan perubahan %PO dari 100% menuju ke 0% untuk mengetahui histerisis dan linearitas pengendali tekanan. f. Buatlah grafik hubungan antara %PO laju alir air panas. C. Mematikan a. Matikan alat pengendali temperatur dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar II. 12. no 2). b. Tutup V1 dan V2, dan matikan thermostat II. 6. 4. Data Pengamatan Tabel II. 5.



Hasil pengamatan korelasi %PO dengan laju alir air panas dalam pengendali suhu %PO



No.



Initial actuating



Laju alir air panas 3



(cm /jam)



%PO



Laju alir air



Initial actuating



panas



signal 100



(cm /jam)



1.



signal 0



2.



10



90



3.



20



80



4.



30



70



5.



40



60



6.



50



50



7.



60



40



8.



70



30



9.



80



20



10.



90



10



11.



100



0



3



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



32



II. 6. 5. Pembahasan 1.



Buat grafik yang menunjukkan korelasi / hubungan dari masing – masing besaran yang ada!



2.



Beri penjelasan tentang linearitas dan hysterisis berdasarkan grafik / kurva yang ada!



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



33



BAB III.



PENENTUAN FUNGSI HANTAR SISTEM PENGENDALI



III. 1. Capaian Pembelajaran Setelah melakukan percobaan ini, mahasiswa dapat menentukan Transfer Function (Fungsi Hantar) masing - masing proses pengendali dengan metoda kurva reaksi. III. 2. Teori Percobaan Dalam sistem pengendalian terdapat Proses Variabel (PV) yang cepat berubah dengan berubahnya Manipulated Variable (bukaan control valve) dan adapula yang lambat berubah. Sifat-sifat proses ini disebut dinamika proses. Secara kuantitatif dinamika proses dinyatakan dalam bentuk Fungsi Transfer (Transfer Function). Secara umum, Transfer Function suatu elemen proses ditandai dengan huruf G dan digambar dalam bentuk diagram kotak seperti pada gambar berikut:



input



output



Gambar III. 1. Blok diagram Fungsi Transfer Dimana:



G = fungsi transfer proses G = Output/Input



Transfer function (G) mempunyai dua unsur gain, yaitu steady state gain yang sifatnya statik dan dynamic gain yang sifatnya dinamik. Steady state gain adalah besarnya gain dari elemen yang tidak memiliki unsur kelambatan sama sekali (lag), sedangkan dynamic gain adalah gain sebuah elemen yang besarnya tergantung pada frekuensi sinusoida input atau gain pada saat ada osilasi-osilasi kecil. Unsur dynamic gain muncul karena elemen proses mengandung unsur kelambatan (lag). Oleh karena itu, bentuk transfer function elemen proses hampir



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



34



pasti berbentuk matematik fungsi waktu, yang ada dalam wujud persamaan diferensial. Bentuk persamaan diferensial ini dikelompokkan berdasarkan banyaknya pangkat persamaan diferensial yang ada dalam transfer function. Semakin banyak pangkat pada persamaan diferensial, semakin lambat dinamika proses. Sebuah elemen proses kemudian dinamai proses orde satu (first-order process) karena persamaan diferensialnya berpangkat satu. Dinamai proses orde dua (second-order process) karena persamaan diferensialnya berpangkat dua. Dinamai proses orde banyak (higher-order process) karena persamaan diferensialnya berpangkat banyak. Fungsi transfer masing-masing elemen pengendalian proses dapat dicari pada saat kondisi manual. Fungsi transfer yang diperoleh dapat menunjukkan apakah karakteristiknya berupa respon orde satu, orde satu plus dead time, orde dua ataukah proses inverse dengan memberikan masukan berupa fungsi step. III. 2. 1.



Respon Input Sistem Orde Satu (Fungsi Step)



Cara penentuan model dinamis proses yang paling mudah adalah menentukan parameter waktu perlambatan (dead time), waktu konstan (time konstan), koefisien peredaman dan sebagainya. Parameter tersebut ditentukan secara eksperimen dengan cara memberikan gangguan fungsi step, dimana peubah keluaran X(t) sebagai fungsi waktu seperti pada gambar berikut:



Gambar III. 2. Fungsi Step (Sumber: Coughanowr, Donald R.1991. Process Systems Analysis and Control, 2th edition.Singapore :McGraw-Hill, hal: 53)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



35



Grafik X(t) dapat digunakan untuk menentukan fungsi transfer G(s) yang akan memberikan respon fungsi step. G(s) sebanding dengan polinomial s dengan gain pada kondisi steady state Kp dan waktu perlambatan D.



(1) Gain pada kondisi steady state, Kp lebih mudah ditentukan berdasarkan perbandingan besarnya masukan fungsi step ΔQ. Waktu perlambatan dapat juga ditentukan dari grafik output versus waktu. Sedangkan koefisien peredaman sistem ditentukan dari derajat overshoot atau kecepatan peluruhan dari beberapa osilasi. Bentuk dan kecepatan perubahan X(t) dapat digunakan untuk memperkirakan waktu konstan dari G(s).



III. 2. 2. Metode Penentuan Gain (Kp), Time Konstan (τ) dan Dead Time (θ)  Penentuan Nilai Gain Gain suatu proses didefinisikan sebagai bilangan yang menyatakan perbandingan antara perubahan output (process variable) yang terjadi atas suatu perubahan input (manipulated variable). Gain bisa dikatakan sebagai faktor pengali dari inputan, misalnya Kp= 2 berarti inputan akan terbaca pada responnya dua kali Kp. Pada dasarnya gain selalu dimaksudkan steady state gain karena unsur inilah yang menjadi kunci stabil atau tidaknya sistem. (2) 



Dead Time



Dead time adalah tenggang waktu yang dibutuhkan proses untuk mengeluarkan perubahan output setelah terjadi perubahan input. Selama tenggang waktu itu, output tidak bereaksi sama sekali seolah-olah mati. Dead time jelas merupakan unsur waktu, sehingga besarnya juga dinyatakan dalam satuan waktu, detik atau menit. Perubahan output besarnya akan selalu



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



36



sama dengan Gp kali perubahan input, tetapi terlambat selama tenggang waktu dead time (τD).



Gambar III. 3. Kurva waktu proses dengan dead time (Sumber: Gunterus, Frans. 1997. Falsafah Dasar: Sistem Pengendalian Proses. Jakarta: PT Elex Media Komputindo, hal 4-17) Terdapat tiga metode dalam menentukan gain (Kp), dead time (τD) atau t0 dan time constant (τ) dimana ketiganya menghasilkan nilai yang berbeda pula. Ketiga metode tersebut adalah sebagai berikut : a. Metode 1 Metode ini menggunakan garis dimana tangen kurva reaksi proses pada titik perubahan kecepatan atau kecepatan maksimum. Berikut adalah gambar kurva reaksi prosesnya



Gambar III. 4. Kurva Reaksi First Order Plus Dead Time (Sumber: Smith;Armando, 2006)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



37



Untuk model order satu atau First Order Plus Dead Time (FOPDT) ini terjadi pada saat t = t0 seperti yang tampak pada gambar 24. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa garis perubahan kecepatan maksimum memotong titik t = t 0 pada awal garis dan pada akhir garis memotong kurva pada t = t 0 + τ. Penemuan ini memberikan cara untuk menentukan t0 dan τ seperti tampak pada gambar berikut:



Gambar III. 5. Model FOPDT metode 1 (Sumber: Smith;Armando, 2006) b. Metode 2 Pada metode ini, t0 ditentukan sama seperti metode 1, tetapi nilai τ menunjukkan grafik yang terjadi hampir bersamaan dengan respon aktual pada t = t0 + τ. (3) Pada metode 2 ini respon yang ditunjukkan lebih mendekati respon aktualnya dibandingkan dengan metode 1. Nilai dari time constant (τ) yang didapat pada metode 2 biasanya kurang dari hasil yang didapat pada metode 1, tetapi nilai dead time (t0) biasanya sama, seperti tampak pada gambar berikut



Gambar III. 6. Model FOPDT metoda 2 (Sumber: Smith;Armando, 2006)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



38



c. Metode 3 Metode 3 ini merupakan metode yang paling presisi daripada dua metode sebelumnya. Dalam metode 3 ini nilai t0 dan τ ditentukan berdasarkan dua titik pada daerah yang mengalami perubahan kecepatan secara signifikan dalam respon model dan respon aktualnya. Kedua titik tersebut adalah t1 ditunjukkan oleh (t0 + τ/3) dan t2 ditunjukkan oleh (t0 + τ). Untuk titik kedua (t2) sama dengan metode 2 sedangkan titik pertama (t1) ditentukan berdasarkan persamaan berikut (4) Kedua titik tersebut tampak pada gambar III.7.



Gambar III. 7. Model FOPDT metode 3 (Sumber: Smith;Armando, 2006) Nilai t0 dan τ dapat diperoleh melalui persamaan sederhana sebagai berikut:



(5) (6) Disederhanakan menjadi



(7) (8)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



39



III. 3. PERCOBAAN 1 : Penentuan fungsi hantar (transfer function) Sistem Pengendali Aras (level) Cairan. III. 3. 1.



Peralatan Percobaan



Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1.



Seperangkat CRL (Control Regulation Level)



2.



PC (Personal Computer)



3. Kompresor 4. Printer 5. Stopwatch III. 3. 2. Gambar Alat Gambar III. 8 menunjukkan rangkaian alat control regulation level (CRL), sedangkan Gambar III. 9 menunjukkan panel pengendali pada supply and conditioning unit CRL. Langkah kerja yang diuraikan di bawah mengacu pada gambar tersebut.



Gambar III. 8. Rangkaian alat control regulation level (CRL) Keterangan gambar: 1. Water Drainage Tank 2. Centrifugal pump 3. Proportional Pneumatic Valve 4. I/P Tranducer 5. Compressed air feed 6. Low Pressure gauge 7. Pressure regulator (manual)



8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.



Electronic mini regulator Supply and conditioning unit Personal computer Reservoir Drainage valve P/I tranducer Drainage electric valve



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



40



4



1



3



2



5



Gambar III. 9. Panel pengendali pada supply and conditioning unit CRL Keterangan gambar: 1. Main switch 2. Tombol pengatur kondisi pengendali – PC control (manual / otomatis) 3. Tombol pengatur kecepatan pompa air masuk 4. Display persen ketinggian air dalam tangki penampung 5. Tombol pengatur gangguan (disturbance) III. 3. 3. Prosedur Percobaan A. Persiapan a.



Periksa kelengkapan alat pengendali level (CRL) dan komputer (lihat gambar 3), pastikan semua kelengkapan sudah terhubung dengan benar.



b.



Periksa air yang terdapat di tangki penampung, tambahkan air jika tangki penampung kosong.



c.



Tekan tombol “Main Switch” (lihat gambar III. 9., no.1) pada CRL.



d.



Hidupkan personal computer (PC), buka aplikasi pengendali aras.



e.



Klik tab “File”, pilih “New”. Pilih menu pengendali “PID”, klik “OK”. Pada menu pengisian parameter, biarkan semua isian yang tertera dan klik “OK”.



B. Pengoperasian a.



Atur alat pada kondisi manual (lihat gambar III. 9, no.2).



b.



Buka valve air keluar tangki, 50% bukaan (lihat gambar 8, no,12).



c.



Atur tombol pengatur gangguan (lihat gambar III. 9, no.5) pada posisi “0”.



d.



Atur bukaan valve air masuk (dari PC) pada posisi 30% - 40%.



e.



Tunggu sampai steady.



f.



Beri perubahan bukaan valve air masuk sebesar 10 – 20%, tunggu sampai steady.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



41



g. Setelah selesai simpan hasil percobaan pada sub direktori c:\crl\ [kelas_tgl_nama kelompok_FT1] C. Mematikan c.



Pindahkan tombol PC control di CRL (lihat gambar III. 9, no.2) pada tulisan “0”, tunggu hingga air pada tangki penampung habis.



d.



Tutup aplikasi pengendali aras.



e.



Matikan PC



f.



Matikan alat pengendali aras dengan menekan tombol “Main Switch” (lihat gambar III. 9, no.1)



III. 3. 4. 1.



Perhitungan



Hitung parameter – parameter (process gain – Kp, time constant –  dan dead time – ) fungsi hantar proses pengendali aras (level) berdasarkan data pengamatan yang ada!



III. 4. PERCOBAAN 2



: Penentuan fungsi hantar (transfer function) Sistem Pengendali Tekanan



III. 4. 1. Peralatan Percobaan Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1. PCT – 14 (modul proses pengendalian tekanan) 2. PCT – 10 (electrical console) 3. Kompresor 4. Recorder III. 4. 2. Gambar Alat Gambar III. 10 menunjukkan skema rangkaian alat pengendali tekanan. Prosedur kerja yang diuraikan berikut mengacu pada gambar tersebut, sedang Gambar III. 11 menunjukkan panel pengendali pada PCT – 10.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



42



Gambar III. 10.



Skema rangkaian alat pengendali tekanan (PCT – 14)



Keterangan gambar : V1, V2 = Pressure regulator valve



V7



=



Relief valve



V3, V4, V5, V6 = Selector valve



P1 , P2, P3, P4 = Pressuregauge Indicator



2 1



Gambar III. 11.



Panel pengendali tekanan (PCT – 10)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



43



III. 4. 3. Prosedur Percobaan A. Persiapan a.



Buka main valve udara tekan dan pastikan tidak terjadi kebocoran di sistem pengendalian tekanan



b.



Hidupkan alat pengendali tekanan (PCT-14 + PCT – 10) dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar III. 10, no. 1)



c.



Tutup V3, V5, V6.



d.



Buka V1, V2, V4, atur P1 = 22 psig dengan mengubah V1 dan atur P3 = 8 psig pada dengan mengubah V2.



e.



Hidupkan recorder dan atur kecepatan kertas recorder sebesar 3 cm/min.



B. Pengoperasian a.



Atur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT – 10 (lihat Gambar III. 10, no. 2)



b.



Atur bukaan valve (%PO) hingga nilai process variable (PV) konstan



c.



Jalankan recorder dengan kecepatan yang telah diatur pada tahap persiapan.



d.



Setelah stabil, berikan perubahan pada %PO sebesar 20 – 30%.



e.



Amati respon yang yang terjadi sampai proses kembali steady.



C. Mematikan a. Matikan alat pengendali tekanan dengan menekan tombol “main switch”. b. Tutup main valve udara tekan. III. 4. 4. Perhitungan 1.



Hitung parameter – parameter (process gain – Kp, time constant –  dan dead time – ) fungsi hantar proses pengendali aras (level) berdasarkan data pengamatan yang ada!



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



45



III. 5. PERCOBAAN 3 : Penentuan fungsi hantar (transfer function) Sistem Pengendali pH III. 5. 1.



Peralatan Percobaan



Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1. Seperangkat alat pengendali pH 2. Personal computer (PC) 3. Stopwatch III. 5. 2. Gambar Alat Gambar III. 12 menunjukkan skema rangkaian alat pengendali pH. Langkah kerja yang diuraikan berikut mengacu pada gambar tersebut, sedang Gambar III. 13 menunjukkan panel pengendali pada pengendali pH. III. 5. 3.



Prosedur Percobaan



III.5.3.1.



Percobaan 1: Fungsi Hantar Pompa Peristaltik Pengendali pH



A. Persiapan a. Hidupkan alat pengendali pH (CRpH) dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar III. 13 no. 19). b. Hidupkan personal computer (PC), pilih program CRpH, klik tab “File”, pilih “New”, pilih menu pengendali PID, klik OK pada tampilan pengisian parameter. B. Pengoperasian a. Cuci sensor pH dengan cara mencelupkannya ke dalam aquades, kemudian keringkan sensor pH. b. Celupkan sensor pH pada larutan buffer pH 4. c. Klik tab “start” bersamaan dengan mengarahkan tombol “PC commutator” (lihat Gambar III. 13 no.27) pada tulisan “PC”, lihat grafik yang muncul pada layar PC sampai menunjukkan keadaan yang steady. d. Pindahkan sensor pH ke dalam buffer pH 9, lihat perubahan yang terjadi pada grafik dan tunggu hingga keadaan steady. e. Setelah selesai simpan hasil percobaan



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



46



Gambar III. 12. Skema rangkaian alat pengendali pH Keterangan gambar : 1 . Mixing tank 0,4 lt 2 . Containers with 2 l correction 3 . Solution 4 . Solution feed tank 10 lt 5 . Peristaltic Pump 6 . Agitator 7 . Stirrer 8A / 8B . Solenoid valve 9A / 9B . Regulation Tank



Gambar III. 13.



10. Collection Tank 11. Signal Transmiter pH 12. Feed tank drain valve 13. Collection tank drain valve 14. Sample taking tank 0,15 l 15. Flow meters 16. Personal Computer 17. Electric apparatus 18. Printers 19. Main switch



Panel pengendali pH



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



47



C. Pengoperasian a. Cuci sensor pH dengan cara mencelupkannya ke dalam aquades, kemudian keringkan sensor pH. b. Celupkan sensor pH pada larutan buffer pH 4. c. Klik tab “start” bersamaan dengan mengarahkan tombol “PC commutator” (lihat Gambar III. 13no.27) pada tulisan “PC”. d. Lihat grafik yang muncul pada layar PC sampai menunjukkan keadaan yang steady. e. Pindahkan sensor pH ke dalam buffer pH 9. f. Lihat perubahan yang terjadi pada grafik dan tunggu hingga keadaan steady. g. Setelah selesai simpan hasil percobaan D. Mematikan a. Arahkan tombol “Pump ON/OFF setter” (lihat Gambar III. 13 no.24) pada posisi “OFF”. b. Tutup program CRpH dan matikan PC c. Matikan alat pengendali pH dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar III. 13, no.19)



III.5.3.2.



Percobaan 2: Fungsi Hantar Proses Pengendali pH



A. Persiapan a. Buat larutan NaOH 0,1 N sebanyak 2 L, masukkan ke dalam tangki penampung basa (lihat Gambar III. 12 no.2) b. Buat larutan HCl 0,01 N sebanyak 10 L, masukkan ke dalam bak penampung (lihat Gambar III. 12 no.4) c. Hidupkan alat pengendali pH (CRpH) dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar III. 13 no. 19). d. Hidupkan personal computer (PC), pilih program CRpH, klik tab “File”, pilih “New”, pilih menu pengendali PID, klik OK pada tampilan pengisian parameter.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



49



B. Pengoperasian a. Arahkan selektor ke arah “PC” dan “stirrer ON/OFF switch” (lihat Gambar III. 13 no.26) ke arah “ON”. b. Pindah selektor ke arah “Impulse Commutator”(I – lihat Gambar III. 13 no. 31). c. Atur laju alir asam menjadi 4 ml/jam (lihat Gambar III. 12 no. 15). d. Tunggu sampai pH menunjukkan angka yang steady pada alat pengendali pH e. Atur persen bukaan pompa (%PO) hingga nilai process variable (PV) = SP f. Atur bukaan pompa akhir dengan memutar tombol “manual pump speed setter” (lihat Gambar III. 13 no.29). g. Klik tombol “Start” pada PC bersamaan dengan mengarahkan tombol “auto/ manual regulation”(lihat Gambar III. 13 no. 28) ke arah “manual”. h. Lihat grafik yang muncul pada layar PC beserta perubahan yang terjadi sampai menunjukkan keadaan yang steady. C. Mematikan a. Arahkan tombol “auto/ manual regulation”(lihat Gambar III. 13 no. 28) ke arah “auto” a. Matikan “stirrer ON/OFF switch” (lihat Gambar III. 13 no.26). b. Tutup program CRpH dan matikan PC c. Matikan alat pengendali pH dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar III. 13 no.19)



III. 5. 4. 1.



Perhitungan



Hitung parameter – parameter (process gain – Kp, time constant –  dan dead time – ) fungsi hantar proses pengendali aras (level) berdasarkan data pengamatan yang ada!



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



50



III. 6. PERCOBAAN 4 : Penentuan fungsi hantar (transfer function) Sistem Pengendali Temperatur III. 6. 1. Peralatan Percobaan Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1. PCT – 13 (modul proses pengendalian temperatur) 2. PCT – 10 (electrical console) 3. Thermostat 4. Recorder III. 6. 2. Gambar Alat Gambar 14 menunjukkan skema rangkaian alat pengendali tekanan. Langkah kerja yang diuraikan berikut mengacu pada gambar tersebut, sedang Gambar 15 menunjukkan panel pengendali pada PCT – 10. III. 6. 3. Prosedur Percobaan A. Persiapan a. Nyalakan thermostat dan pastikan air yang berada di dalam tangki thermostat dalam jumlah yang mencukupi. b. Periksa semua sambungan peralatan yang ada, khususnya sambungan dari pengendali (PCT – 10) ke motor positioner & dari motor positioner ke socket pada panel depan PCT-13 (terhubung dengan kabel khsusus berwarna hitam). c. Nyalakan alat pengendali temperatur, PCT – 10 dan recorder. d. Atur kecepatan kertas recorder pada kecepatan 30 cm/jam.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



51



Gambar III. 14.



Skema rangkaian alat pengendali temperatur (PCT – 13)



Keterangan gambar : V1, V2 = Flow regulator valve F1, F2 = Flow indicator V3 = Drain valve



TC1 , TC2, TC3, TC4 Thermocouple



=



2 1



Gambar III. 15.



Panel pengendali temperaur (PCT – 10)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



52



e. Buka valve V1 sehingga laju alir air dingin masuk (terbaca di F1) sebesar 3



150 cm /jam, jaga agar konstan selama proses. f. Buka valve V2 maksimum. B. Pengoperasian a. Atur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT – 10 (lihat Gambar III. 15, no. 2) b. Atur bukaan valve (%PO) pada nilai tertentu (missal 10%) hingga nilai process variable (PV) konstan/tetap. c. Jalankan recorder dengan kecepatan yang telah diatur pada tahap persiapan. d. Setelah stabil, berikan perubahan pada %PO sebesar 10 – 20%. e. Amati respon yang yang terjadi sampai proses kembali steady. C. Mematikan a.



Matikan alat pengendali temperatur dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar III. 15 no 2).



b.



Tutup V1 dan V2, dan matikan thermostat



III. 6. 4. Perhitungan 1.



Hitung parameter – parameter (process gain – Kp, time constant –  dan dead time – ) fungsi hantar proses pengendali temperatur berdasarkan data pengamatan yang ada!



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



54



BAB IV.



KARAKTERISTIK PENGENDALI



IV. 1. Capaian Pembelajaran Setelah melakukan percobaan ini, mahasiswa dapat (1) mengoperasikan dan mensimulasikan pengendali, (2) mengamati karateristik pengendali Proportional (P), Proportional Integral (PI), dan proportional integral derivative (PID) lup tertutup sistem pengendali dan (3) menganalisa respon untuk perubahan set point (SP) – servo system dan perubahan disturbance – regulator system. IV. 2. Teori Percobaan Closed-loop control system adalah suatu kondisi dimana controller dihubungkan ke proses, membandingkan Set Point (SP) dengan Procces Variabel (PV) dan menentukan tindakan perbaikan. Closed-loop control system biasa disebut Feedback Control System dikarenakan pengukuran nilai Process Variable (PV) dikembalikan (feedback) ke sebuah alat yang disebut “comparator”. Di dalam comparator PV dibandingkan dengan nilai SP. Jika ada perbedaan antara measured variable dengan set point maka akan dihasilkan Error (E). Error biasa disebut sebagai Offset. Offset = SP– PV



(1)



Nilai error ini disampaikan ke controller, yang mana controller akan memberikan perintah pada Final Control Element untuk membuka, menutup, menambah, atau mengurangi bukaan valve agar mengembalikan nilai PV ke nilai SP. Keuntungan dari Feedback Control System adalah dapat menghilangkan semua disturbance, sedangkan kerugiannya adalah jika ada disturbance maka sulit untuk mengembalikan seperti semula dan kurang baik dalam merespon dead time. Ada dua jenis perubahan yang terjadi pada Closed-Loop Control System, yaitu: 



SERVO PROBLEM  di mana Set Point berubah, sedangkan Disturbance tetap (D = 0), seperti sketsa dalam Gambar IV.1.







REGULATOR PROBLEM  Set Point tetap (SP = 0), sedangkan Disturbance berubah, seperti sketsa dalam Gambar IV.2.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



55



Gambar IV. 1. Offset untuk Servo Problems (Sumber: Coughanowr, Donald R.1991. Process Systems Analysis and Control, 2th edition.Singapore :McGraw-Hill, hal: 153)



Gambar IV. 2. Offset untuk Regulator Problem (Sumber: Coughanowr, Donald R.1991. Process Systems Analysis and Control, 2th edition.Singapore :McGraw-Hill, hal: 154) Secara garis besar karakteristik pengendali dibagi menjadi dua macam, yaitu: (1) Discontinue Controller contoh : On-Off Controller, dan (2) Continue Controller, yang terdiri dari : Proportional Controller (P), Proportional-Integral (PI), Proportional-Integral-Derivatif (PID), dan Proportional-Derivatif (PD). IV.2.1. On- Off Controller Cara kerja pengendali yang paling sederhana adalah mode on-off controller atau sering disebut mode dua posisi. Jenis pengendali on-off merupakan contoh dari Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



56



mode pengendali tidak menerus (diskontinyu). Mode ini paling sederhana, murah dan



seringkali



bisa



dipakai



untuk



mengendalikan



proses-proses



yang



penyimpangannya dapat ditoleransi. Sebagai contoh adalah pengendali temperatur ruangan dengan memakai AC. Karakteristik on-off controller bisa dituliskan sebagai berikut : P = 100%  valve buka penuh (ON), untuk E < 0 P = 0%  valve tutup penuh (OFF), untuk E > 0 di mana,



P = output dan E = error



Dari pernyataan matematis di atas dapat disimpulkan bahwa jenis pengendali onoff hanya dapat mengeluarkan keluaran 0 dan 100 %. Pemakaian jenis pengendali on-off jarang dijumpai pada industri karena pengendalian dengan menggunakan jenis pengendali ini menghasilkan penyimpangan-penyimpangan yang cukup besar. Pada industri kimia peubah yang dikendalikan, pada umumnya tidak boleh memiliki error yang terlalu besar. Pada jenis pengendali on-off untuk memberikan batas rentang maksimum dan minimum saat pengendali bekerja dibatasi daerah netral.



IV.2.2.



Proportional Controller (P)



Proportional Controller (P) memiliki keluaran (output) yang sebanding dengan besarnya sinyal kesalahan (error). Bila dituliskan dalam bentuk model matematis adalah : P = Kc.E + Ps



(2)



Di mana : P Ps Kc E



= output pengendali = output pengendali pada E = 0 = gain pengendali = error



Gambar IV.1. berikut menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara besaran Set Point, besaran aktual (Process Variabel) dengan besaran keluaran proportional controller. Sinyal kesalahan (error) merupakan selisih antara besaran Set Point (SP) dengan besaran aktualnya atau PV. Selisih ini Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



57



akan mempengaruhi controller untuk mengeluarkan sinyal positif (mempercepat pencapaian harga SP) atau sinyal negatif (memperlambat tercapainya harga SP).



Gambar IV. 1. Blok diagram controler proporsional Pada Proportional Controller terdapat dua parameter yaitu Proportional Band dan Konstanta Proporsional (Kp). Proportional Band adalah rentang maksimum sebagai input pengendali yang dapat menyebabkan pengendali memberikan output pada rentang maksimumnya dan sering kali disebut gain pengendali. Harga PB berkisar antara 0 - 500. Sedangkan konstanta proporsional (K p) menunjukkan nilai faktor penguatan terhadap sinyal kesalahan (error). Persamaan 3 menunjukkan hubungan antara PB dengan Kp. (3) Fungsi transfer untuk Proportional Controller adalah: ()



(4)



()



Proportional Controller memiliki ciri-ciri yang harus diperhatikan ketika kontroler tersebut diterapkan pada suatu sistem : 



Jika nilai Kp kecil, Proportional Controller hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat.







Jika nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan stabil. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, maka akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berosilasi.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



58



IV.2.3.



Proportional-Integral (PI)



Proportional Integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki error pada keadaan stabil nol. Proportional Integral memiliki karakteristik seperti sebuah integral. Keluaran controller sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal kesalahan (error). Keluaran controller ini merupakan jumlahan yang terus menerus dari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan (error) tidak mengalami perubahan, keluaran akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Kekurangannya overshoot tinggi, banyak osilasi, dan respon untuk stabil lebih lambat karena error tidak bisa dihilangkan dengan cepat. Berikut model untuk Proportional Integral controller. (5)



)∫



(



Di mana: Kc = gain τi = integral time Ps = keluaran pada E = 0 Fungsi transfer untuk Proportional-Integral controller ditunjukkan dalam persamaan (6), sedang Gambar IV.2 menunjukkan respon sistem karena ada perubahan disturbance. (



)



(



)



*



+



(6)



Gambar IV. 2. Respon sistem sebagai akibat perubahan disturbance (PI control) (Sumber: Coughanowr, Donald R.1991. Process Systems Analysis and Control, 2th edition.Singapore :McGraw-Hill, hal: 156)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



59



IV.2.4.



Proportional-Derivative (PD)



Perubahan yang mendadak pada masukan kontroler, akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Persamaan (7) menunjukkan model untuk Proportional Derivative controller. (



)



(7)



Di mana: Kc = gain = derivative time τD Ps = keluaran pada E = 0 Gambar IV.3 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara sinyal kesalahan (error) dengan keluaran controller.



Gambar IV. 3. Blok diagram controller diferensial



Fungsi transfer untuk Proportional-Integral controller dinyatakan dalam persamaan 8. ()



()



[



]



(8)



Karakteristik dari Proportional Derivative controller dengan penambahan derivative time menyebabkan respon lebih cepat stabil dari Proportional controller. Semakin besar nilai τD, respon akan semakin cepat untuk stabil. Namun tetap ada offset walau kecil.



IV.2.5.



Proportional-Integral-Derivative (PID)



Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing kontroler P, I, dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi controller plus integral plus diferensial (PID controller). Elemen-elemen controller P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk (1)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



60



mempercepat reaksi sebuah sistem, (2) menghilangkan offset dan menghasilkan (3) perubahan awal yang besar. Penyetelan konstanta Kp, τi dan τD akan mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari ketiga konstanta tersebut dapat disetel lebih menonjol dibanding yang lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan. Model dari controller ini menggabungkan kombinasi dari ketiga model sebelumnya, seperti tersaji dalam persamaan (9) dengan fungsi transfer sama dengan persamaan (10). () ()



(



*



) (



)∫



+



(9) (10)



Gambar IV. 4. Respon sistem pengendali dengan berbagai tipe pengendali (Sumber: Coughanowr, Donald R.1991. Process Systems Analysis and Control, 2th edition.Singapore :McGraw-Hill, hal: 132) IV.2.6.



Karakteristik Respon Underdamped



Respon underdamped sering terjadi pada sistem pengendalian. Sehingga beberapa parameter digunakan untuk menggambarkan respon uderdamped, dimana batasanbatasan tersebut tergantung pada ζ dan τ.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



61



Gambar IV. 5. Respon Underdamped (Sumber: Coughanowr, Donald R.1991. Process Systems Analysis and Control, 2th edition.Singapore :McGraw-Hill, hal: 96) Parameter-parameter tersebut adalah : a. Overshoot Overshoot adalah hasil pengukuran besarnya respon pada harga akhir pada perubahan fungsi step dan ditunjukkan sebagai perbandingan antara A dan B pada Gambar IV.7. (



√



 



)



(11)



Semakin besar ζ maka overshoot semakin rendah sehingga semakin lambat dalam mencapai waktu responnya. Hal ini dapat dilihat dari gambar IV.6 di bawah ini.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



62



Gambar IV. 6. Karakteristik respon sistem underdamped – second order system (Sumber: Coughanowr, Donald R.1991. Process Systems Analysis and Control, 2th edition.Singapore :McGraw-Hill, hal: 96) b.



Decay ratio



Decay ratio adalah pebandingan antara dua puncak gelombang diatas harga akhir selama satu periode dan ditunjukkan sebagai perbandingan antara C dan A. *



 √







+



(12)



Semakin besar ζ maka faktor peredaman semakin besar. c.



Rise Time (waktu naik)



Rise time adalah waktu yang dibutuhkan untuk pertama kali mencapai harga akhir dan ditunjukkan sebagai tr pada gambar 2.9-1. Semakin besar ζ maka rise time (tr) semakin besar yang ditunjukkan pada gambar IV.7 berikut ini.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



63



Gambar IV. 7. Respon dari sistem orde dua pada berbagai nilai damping factor () (Sumber: Coughanowr, Donald R.1991. Process Systems Analysis and Control, 2th edition.Singapore :McGraw-Hill, hal: 94) d.



Response Time



Respon time adalah waktu yang dibutuhkan untuk mencapai respon pada rentang ±5% dari harga akhir. e.



Period of Oscillation (periode osilasi)



Period of oscillation adalah waktu yang dibutuhkan gelombang untuk membentuk satu lembah dan satu puncak. Hubungan antara period of oscillation dengan ζ dinyatakan dalam persamaan (13).



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



64



√



Di mana √











(13) (14) (15)



IV. 3. PERCOBAAN 1 : Karakteristik Pengendali Aras (Level) Cairan IV. 3. 1. Peralatan Percobaan Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1.



Seperangkat CRL (Control Regulation Level)



2.



PC (Personal Computer)



3.



Kompresor



4.



Printer



5.



Stopwatch



IV. 3. 2. Gambar Alat Gambar IV. 10. menunjukkan rangkaian alat control regulation level (CRL), sedangkan Gambar IV. 11. menunjukkan panel pengendali pada supply and conditioning unit CRL. Langkah kerja yang diuraikan di bawah mengacu pada gambar tersebut.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



65



Gambar IV. 8. Rangkaian alat control regulation level (CRL) Keterangan gambar: 1. Water Drainage Tank 2. Centrifugal pump 3. Proportional Pneumatic Valve 4. I/P Tranducer 5. Compressed air feed 6. Low Pressure gauge



1



3



7. Pressure regulator (manual) 8. Electronic mini regulator 9. Supply and conditioning unit 10. Personal computer 11. Reservoir 12. Drainage valve 13. P/I tranducer 14. Drainage electric valve 4



2



5



Gambar IV. 9. Panel pengendali pada unit CRL Keterangan gambar: 1. Main switch 2. Tombol pengatur kondisi pengendali – PC control (manual / otomatis) 3. Tombol pengatur kecepatan pompa air masuk



4. Display persen ketinggian air dalam tangki penampung 5. Tombol pengatur gangguan (disturbance)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



66



IV. 3. 3. Prosedur Percobaan A. Persiapan a.



Periksa kelengkapan alat pengendali level (CRL) dan komputer (lihat gambar 3), pastikan semua kelengkapan sudah terhubung dengan benar.



b.



Periksa air yang terdapat di tangki penampung, tambahkan air jika tangki penampung kosong.



c.



Tekan tombol “Main Switch” (lihat gambar IV. 9, no.1) pada CRL.



d.



Hidupkan personal computer (PC), buka aplikasi pengendali aras.



B. Pengoperasian a.



Atur alat pada kondisi pengaturan dari PC (lihat gambar IV. 9, no.2, arahkan ke “PC”).



b.



Klik tab “File”, pilih “New”. Pilih menu pengendali “PID”, klik “OK”.



c.



Pada menu pengisian parameter, atur set point (SP) = 40 – 50, Proportional Band (PB) = 20 – 50%, Integrative Constant (I) = 0 menit, Derivative Constant (D) = 0 menit, klik “OK”



d.



Lakukan start up process dengan cara mengatur persen bukaan valve pengatur laju alir air masuk hingga tercapai kondisi steady dan SP tercapai.



e.



Klik OK dan START, tunggu hingga proses berjalan stabil pada kondisi otomatis.



f.



Berikan perubahan berupa SP menjadi 60% - 80%, dengan cara: klik tab “Parameter”, Atur set point pada 60% - 80%, tekan “OK”.



g.



Tunggu beberapa saat sampai SP yang baru tercapai dan kondisi stabil.



h.



Simpan file .



i.



Lakukan kembali start up process dengan pengaturan parameter yang terakhir, tunggu hingga proses berjalan stabil pada kondisi otomatis.



j.



Berikan gangguan (disturbance) dengan cara: klik “noise”, isikan persen perubahan yang diberikan. Pastikan tombol pengatur gangguan (lihat Gambar IV. 9 no.5) pada posisi “PC”.



k.



Tunggu beberapa saat sampai kondisi stabil.



l.



Simpan file.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



67



m. Ulangi langkah b sampai dengan l dengan mengatur parameter PB = 60% - 100%, n.



Amati dan analisis perubahan SP maupun disturbance yang dilakukan.



o.



Ulangi langkah a – n dengan parameter yang berbeda sesuai petunjuk dosen pengampu (perubahan parameter dilakukan pada poin „c‟).



C. Mematikan a.



Pindahkan tombol PC control di CRL (lihat gambar IV. 9, no.2) pada tulisan “0”, tunggu hingga air pada tangki penampung habis.



a.



Tutup aplikasi pengendali aras.



b.



Matikan PC



c.



Matikan alat pengendali aras dengan menekan tombol “Main Switch” (lihat gambar IV. 9, no.1)



IV. 3. 4. Data Pengamatan IV. 3. 4. 1.



Percobaan 1



Tabel IV. 1.



Data percobaan karakteristik pengendali P untuk sistem pengendali aras



No.



Perubahan SP/disturbance



Perubahan SP



Perubahan Disturbance



Parameter Pengendali 1



PB =



2



PB =



IV. 3. 4. 2.



Percobaan 2



Tabel IV. 2. No.



Data percobaan karakteristik pengendali PI untuk sistem pengendali aras



Perubahan SP/disturbance



Perubahan SP



Perubahan Disturbance



Parameter Pengendali 1



PB =



I =



2



PB =



I =



3



PB =



I =



4



PB =



I =



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



68



IV. 3. 4. 3.



Percobaan 3



Tabel IV. 3.



Data percobaan karakteristik pengendali PD untuk sistem pengendali aras



No.



Perubahan SP/disturbance



Perubahan SP



Perubahan Disturbance



Parameter Pengendali 1



PB =



D =



2



PB =



D =



3



PB =



D =



4



PB =



D =



IV. 3. 4. 4.



Percobaan 4



Tabel IV. 4.



Data percobaan karakteristik pengendali PID untuk sistem pengendali aras Perubahan SP/disturbance



No.



Perubahan SP Parameter Pengendali



1



PB = A



I = B



D = C



2



PB = A



I = B1



D = C



3



PB = A



I = B



D = C1



4



Perubahan Disturbance



PB = A I = B1 D = CI Catatan : A, B dan C disesuaikan dengan nilai parameter yang dipilih



pada waktu praktikum IV. 3. 5. Pembahasan 1. Gambarkan kurva respon dari masing – masing hasil percobaan disertai dengan identitas masing – masing! 2. Analisa masing – masing kurva respon yang ada dan sajikan dalam satu tabel! 3. Beri penjelasan dan bahas hasil yang diperoleh!



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



69



IV. 4. PERCOBAAN 2 : KARAKTERISTIK PENGENDALI TEKANAN IV. 4. 1.



Peralatan Percobaan



Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1. PCT – 14 (modul proses pengendalian tekanan) 2. PCT – 10 (electrical console) 3. Kompresor 4. Recorder IV. 4. 2.



Gambar Alat



Gambar IV. 10 menunjukkan modul rangkaian alat pengendali tekanan, sedang Gambar IV. 11 menunjukkan skema / P &ID alat pengendali tekanan. Langkah kerja yang diuraikan berikut mengacu pada gambar tersebut. Gambar IV.12 menunjukkan panel pengendali pada PCT – 10.



Gambar IV. 10.



Rangkaian modul alat pengendali tekanan (PCT – 14)



Keterangan gambar : 1. masukan untuk udara proses dan udara



8.



tekan penggerak pneumatic valve



9.



2. box penghubung arus untuk I/P controller



pressure transducer box diffused outlet ke tangki



10. diffused outlet ke udara terbuka 11. tangki udara



3. I/P converter



12. kerangka penahan PCT-14



4. Pneumatic valve



13. orifice meter



5. electrical connection untuk square root



14.



6. 7.



stem plug valve



15. stem indicator



extractor square root extractor differential pressure transducer box



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



70



Gambar IV. 11.



Skema rangkaian alat pengendali tekanan (PCT – 14)



Keterangan gambar : V1, V2



=



Pressure regulator valve



V3, V4, V5, V6 = Selector valve



V7



=



Relief valve



P1 , P2, P3, P4



=Pressuregauge



Indicator



2 1



Gambar IV. 12.



Panel pengendali tekanan (PCT – 10)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



71



IV. 4. 3.



Prosedur Percobaan



Tujuan: Mengamati karateristik pengendali Proportional (P), Proportional Integral (PI), Proportional Derivative (PD) dan Proportional Integral Derivative (PID) dari lup tertutup sistem pengendali tekanan dan menganalisa respon untuk perubahan set point (SP) – servo system dan perubahan disturbance – regulator system. A. Persiapan a.



Buka main valve udara tekan dan pastikan tidak terjadi kebocoran di sistem pengendalian tekanan



b.



Hidupkan alat pengendali tekanan (PCT-14 + PCT – 10) dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar IV. 12, no. 1)



c.



Tutup V3, V5, V6.



d.



Buka V1, V2, V4, atur P1 = 22 psig dengan mengubah V1 dan atur P4 = 8 psig dengan mengubah V2.



e.



Hidupkan recorder dan atur kecepatan kertas recorder sebesar 3 cm/min.



B. Pengoperasian a.



Atur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT – 10 (lihat Gambar IV. 11, no. 2)



b.



Masukkan nilai – nilai parameter pengendali, yaitu: Proportional Band (PB) = 20 – 50%, Integrative Constant (I) = 0 menit, Derivative Constant (D) = 0 menit, sedangkan set point (SP) atur pada posisi 30 – 40%.



c.



Lakukan start up process dengan cara mengatur persen bukaan valve pengatur laju alir udara masuk (%PO) hingga tercapai kondisi steady dan SP tercapai.



d.



Jalankan recorder dengan kecepatan yang sudah ditentukan.



e.



Ubah operasi pengendali pada operasi otomatis.



f.



Berikan perubahan SP menjadi 50% - 60%, tunggu beberapa saat sampai SP yang baru tercapai dan kondisi stabil.



g.



Setelah stabil, berikan perubahan pada proses berupa perubahan disturbance dengan membuka V6



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



72



h.



Ulangi langkah a – g dengan mengubah harga PB, I maupun D sesuai arahan dosen pengampu.



i.



Amati dan analisis dengan perubahan perubahan yang terjadi



C. Mematikan a.



Matikan alat pengendali tekanan dengan menekan tombol “main switch”.



b.



Tutup main valve udara tekan.



IV. 4. 4.



Data Pengamatan



Data pengamatan dan pembahasan dilakukan sama seperti percobaan pada pengendali level IV. 5. PERCOBAAN 3 : KARAKTERISTIK PENGENDALI pH IV. 5. 1. Peralatan Percobaan Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari seperangkat alat pengendali pH beserta Personal computer (PC) IV. 5. 2. Gambar Alat Gambar IV. 13 menunjukkan skema rangkaian alat pengendali pH. Langkah kerja yang diuraikan berikut mengacu pada gambar tersebut, sedang Gambar IV. 14 menunjukkan panel pengendali pada pengendali pH.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



73



Gambar IV. 13.



Skema rangkaian alat pengendali pH



Keterangan gambar : 1. Mixing tank 0,4 lt



11. Signal Transmiter pH



2. Containers with 2 l correction



12. Feed tank drain valve



3. Solution



13. Collection tank drain valve



4. Solution feed tank 10 lt



14. Sample taking tank 0,15 l



5. Peristaltic Pump



15. Flow meters



6. Agitator



16. Personal Computer



7. Stirrer



17. Electric apparatus



8A / 8B. Solenoid valve



18. Printer



9A / 9B. Regulation Tank



19. Main switch



10. Collection Tank



Gambar IV. 14.



Panel pengendali pH



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



74



IV. 5. 3. Prosedur Percobaan Tujuan: Mengamati karateristik pengendali Proportional (P), Proportional Integral (PI), Proportional Derivative (PD) dan Proportional Integral Derivative (PID) dari lup tertutup sistem pengendali pH dan menganalisa respon untuk perubahan set point (SP) – servo system. A.



Persiapan a.



Buat larutan NaOH 0,1 N sebanyak 2 L, masukkan ke dalam tangki penampung basa (lihat Gambar IV. 13 no.2)



b.



Buat larutan HCl 0,01 N sebanyak 10 L, masukkan ke dalam bak penampung (lihat Gambar IV. 13 no.4)



c.



Hidupkan alat pengendali pH (CRpH) dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar IV. 14 no. 19).



d.



Hidupkan personal computer (PC), pilih program CRpH, klik tab “File”, pilih “New”, pilih menu pengendali PID, klik OK pada tampilan pengisian parameter.



B.



Pengoperasian a.



Masukkan parameter pengendali yaitu: Proportional Band (PB) = 20 – 50%, Integrative Constant (I) = 0 menit, Derivative Constant (D) = 0 menit, sedangkan set point (SP) atur pada posisi 30 – 40% pada tampilan pengisian parameter, klik OK.



b.



Arahkan selektor ke arah “PC” dan “stirrer ON/OFF switch” (lihat Gambar IV. 13 no.26) ke arah “ON”.



c.



Pindah selektor ke arah “Impulse Commutator”(I – lihat Gambar IV. 14 no. 31).



d.



Atur laju alir asam menjadi 4 L/jam



e.



Arahkan tombol “auto/ manual regulation” (lihat Gambar IV. 14 no.28) ke arah “auto”.



f.



Arahkan tombol “reverse/forward”, “A/B solenoid pump” (lihat Gambar IV. 14 no.20) ke arah “reverse”.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



75



g.



Tunggu sampai pH menunjukkan angka yang steady pada alat pengendali pH.



h.



Arahkan tombol “pump ON/OFF setter“ (lihat Gambar IV. 14 no. 24) ke arah “ON”.



i.



Atur persen bukaan pompa (%PO) hingga process variable PV = SP, klik OK.



j.



Klik “start” kemudian lihat grafik yang muncul di layar PC beserta perubahan yang terjadi sampai menunjukkan kondisi steady kembali.



k.



Lakukan perubahan SP dengan cara tekan/klik tombol “parameter” dan ubah SP menjadi 40 – 50%, klik OK.



l.



Tunggu hingga steady, setelah seady simpan hasil percobaan.



m. Ulangi langkah di atas dengan nilai Proportional Band, Integrative Constant (I), dan Derivative Constant (D)yang berbeda. C. Mematikan a.



Arahkan tombol “auto/ manual regulation”(lihat Gambar IV. 14 no. 28) ke arah “auto”



b.



Matikan “stirrer ON/OFF switch” (lihat Gambar IV. 14 no.26).



c.



Tutup program CRpH dan matikan PC



d.



Matikan alat pengendali pH dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar IV. 14 no.19)



IV. 5. 4. Data Pengamatan Data pengamatan dan pembahasan dilakukan sama seperti percobaan pada pengendali level



6.



PERCOBAAN 4 : KARAKTERISTIK PENGENDALI TEMPERATUR IV. 6. 1.



Peralatan Percobaan



Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : 1. PCT – 13 (modul proses pengendalian temperatur) 2. PCT – 10 (electrical console) 3. Thermostat



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



76



4. Recorder IV. 6. 2.



Gambar Alat



Gambar IV. 15 menunjukkan skema rangkaian alat pengendali tekanan. Langkah kerja yang diuraikan berikut mengacu pada gambar tersebut, sedang Gambar IV. 16 menunjukkan panel pengendali pada PCT – 10.



Gambar IV. 15.



Skema rangkaian alat pengendali temperatur (PCT – 13)



Keterangan gambar : V1, V2



= Flow regulator valve



V3



F1, F2



= Flow indicator



TC1 , TC2, TC3, TC4



= Drain valve = Thermocouple



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



77



2 1



Gambar IV. 16. IV. 6. 3.



Panel pengendali temperatur (PCT – 10)



Prosedur Percobaan



Tujuan: Mengamati karateristik pengendali Proportional (P), Proportional Integral (PI), Proportional Derivative (PD) dan Proportional Integral Derivative (PID) dari lup tertutup sistem pengendali temperatur dan menganalisa respon untuk perubahan set point (SP) – servo system dan perubahan disturbance – regulator system. A.



Persiapan a.



Nyalakan thermostat dan pastikan air yang berada di dalam tangki thermostat dalam jumlah yang mencukupi.



b.



Periksa semua sambungan peralatan yang ada, khususnya sambungan dari pengendali (PCT – 10) ke motor positioner & dari motor positioner ke socket pada panel depan PCT-13 (terhubung dengan kabel khsusus berwarna hitam).



c.



Nyalakan alat pengendali temperatur, PCT – 10 dan recorder.



d.



Atur kecepatan kertas recorder pada kecepatan 30 cm/jam.



e.



Buka valve V1 sehingga laju alir air dingin masuk (terbaca di F1) 3



sebesar 150 cm /jam, jaga agar konstan selama proses. f. B.



Buka valve V2 maksimum.



Pengoperasian a.



Atur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT – 10 (lihat Gambar IV. 6 no. 2)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



78



b.



Masukkan nilai – nilai parameter pengendali, yaitu: Proportional Band (PB) = 5 – 10%, Integrative Constant (I) = 0 menit, Derivative Constant (D) = 0 detik, sedangkan set point (SP) atur pada posisi 20 – 0



25 . c.



Lakukan start up process dengan cara mengatur persen bukaan valve pengatur laju alir udara masuk (%PO) hingga tercapai kondisi steady dan SP tercapai.



d.



Jalankan recorder dengan kecepatan yang sudah ditentukan.



e.



Ubah operasi pengendali pada operasi otomatis.



f.



Berikan perubahan SP menjadi 24 – 29 , tunggu beberapa saat sampai



0



SP yang baru tercapai dan kondisi stabil. g.



Setelah stabil, berikan perubahan pada proses berupa perubahan disturbance dengan mengubah V1 (naik / turun)



h.



Ulangi langkah a – g dengan mengubah harga nilai Proportional Band, Integrative Constant (I), dan Derivative Constant (D)yang berbeda.



i.



Amati dan catat harga offset untuk masing – masing perubahan yang terjadi



C. Mematikan a.



Matikan alat pengendali temperatur dengan menekan tombol “main switch” (lihat Gambar IV. 18 no 2).



b. IV. 6. 4.



Tutup V1 dan V2, dan matikan thermostat Data Pengamatan



Data pengamatan dan pembahasan dilakukan sama seperti percobaan pada pengendali level



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



79



DAFTAR PUSTAKA Anonim. Model Based Controlled Design. (http:// www.cc.ntut.edu.tw/jejeng/Model-based%20Tuning.pdf), diakses 20 Mei 2012 Chien, I-L.; Fruehauf, P. S. Consider IMC Tuning to Improve Controller Performance,(http//www.chemengr.ucsb.edu, diakses 20 Mei 2012). Finn



and



Haugen.



Tuning



of



PID



Controller



Chapter



10.



(http://www.techteach.no diakses 20 Mei 2012). Gunterus, Frans. Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses, Jakarta,1994 Rivera, D.E.,Morari,M.,Skogestad,S., Internal Model Control 4 PID controlled design, Ind. Chem.Res.,1986. Seborg, E. Dale,dkk. Process Dynamic and Control, second edition, John Wiley & Sons, Hoboken, 2004. Shamsuzzoha, Mohammad. On-Line PI Controller Tuning Using Closed-Loop Setpoint



Response.



(http://www.nt.ntnu.no/users/skoge/...pi...



/shamsuzzoha_132_Dycops.pdf), diakses 22 Juni 2012. Smith, A. Charlos; Corripio, Armando B. Principle and Practice of Automatic Process Control, John Willey & Sons Inc, New York, 2006. Stephanopoulus, George. Chemical Process Control, Prentice Hall International, Singapore, 1984. Wicaksono, Handy. Analisa Performansi dan Robustness dalam Sistem Pengendalian Proses, Universitas Kristen Petra, 2004. Coughanowr, Donald R. Process Systems Analysis and Control, 2th edition, McGraw-Hill, Singapore, 1991.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



80



BAB V. V. 1.



TUNING



Capaian Pembelajaran



Setelah melakukan percobaan ini, mahasiswa dapat (1) menunjukkan hubungan antara komposisi larutan, komposisi uap dengan suhu pada kondisi kesetimbangan uap – cair sistem biner, (2) mempraktekkan percobaan distilasi sederhana, dan (3) menghitung komposisi larutan berdasarkan indeks bias. V. 2.



Teori Percobaan



Tuning adalah proses untuk menentukan parameter pengontrol untuk menghasilkan output yang diinginkan. Tuning dapat mengoptimalisasikan sistem proses dan meminimalisasi error antara variabel proses dan set point. Pada uraian berikut akan disajikan beberapa metoda tuning untuk pengendali dengan respon cepat, antara lain (1) Metode Ziegler Nichols (2) Metoda Kurva Reaksi, (3) Metoda Auto Tune, (4) Metoda Auto Relay Tuning (5) Metoda Good Gain, (6) Metoda Skogasted’s , (7) Metoda SIMC, dan (8) Metode IMC. 1.



Metoda Ziegler Nichols Bila suatu sistem proses (GP dan GD) dihubungkan dengan sistem



pengendali, maka akan terjadi sistem pengendali umpan balik (feedback), dan dapat digambarkan dalam bentuk blok diagram proses, yaitu



GL(s)



GD(s)



Hsp(s)



H2(s) GC(s)



GV(s)



(Gc)P



Hm(s) GM(s)



Gambar V. 1. Blok Diagram Sistem Kendali Otomatis.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



81



Gambar V .1. Menunjukkan hubungan antara H2(s) sebagai input dengan perubahan Hsp(s)/Set point dan perubahan GL(s)/Gangguan sebagai input, mempunyai fungsi alih:



H m (s)



GV (s) GC (s) GP (s)



HSP (s) = 1+ GV (s) GC (s) GM (s) GP (s) Dalam melakukan penyetelan parameter kendali dengan metode Ziegler Nichols dengan pendekatan eksperimental dengan tahap-tahap sebagai berikut: 



Data analisis keluaran (respon) menggunakan mode kendali proporsional saja dengan harga PB sebesar 100% (Kc = 1), pada posisi manual.







Alat kendali diubah menjadi posisi otomatis, kemudian diberi gangguan beban atau perubahan acuan.







Jika keluaran berjalan lambat, maka diulang langkah 1 dan 2 dengan menambah harga Kc dua kali lipat, sampai keluaran membentuk osilasi (pada harga Kc,u atau kritis).







Menghitung harga Pc atau periode akhir dan didapatkan parameter kendali optimal.



Pc



Gambar V. 2. Penentuan Harga Periode Akhir (Pc)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



82



Tabel V. 1. Harga Konstanta Parameter Kendali Metode Ziegler Nichols



Mode Kendali



PB



IAT ( I)



DAT ( D)



P



2 PBc



-



-



P+I



2,2 PBc



0,83 Pc



-



P+I+D



1,7 PBc



0,5 Pc



0,13 Pc



2. Metode Kurva Reaksi Penyetelan dengan metode Kurva reaksi tujuannya untuk mendapatkan harga parameter pengendali yang optimal. Metode ini dikembangkan oleh Cohen dan Coon dengan memutus rangkaian (gambar V. 3) anatara Gc dan Gv atau dibuat menjadi Untai terbuka (Opened Loop). Dengan memasukkan variabel c(s) posisi stem yang mengakibatkan perubahan fungsi step manipulated variabel (A/s) sebagai input, maka akan dihasilkan respon (output) H2(s) tiap fungsi waktu.



GL



c(s) = A/s Hsp(s) (GC)



(GD)



(Gc)p



(GV)



H2(s)



Hm(s) (GM)



Gambar V. 3. Opened Loop Metode Kurva Reaksi. Hubungan antara Hm(s) dan c(s), seperti gambar V. 3, mempunyai fungsi alih sebagai berikut: H



m



(s)



= GV (s) GM (s) GP (s)



c (s)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



83



Asumsi : GM=(s) = 1, maka H2(s) = Hm(s) Persamaan diatas dapat disederhanakan (perkiraan) menjadi Hm (s) KP- tds c (s) = (t s + 1)



Persamaan diatas terdapat 3 parameter, yaitu KP (Static Gain), td (dead time) dan  (time constant). Hasil perkiraan yang diperoleh adalah sebagai berikut: K



= output(steady state) = B P



input (steady state) A



 = B/S



S = Slope (kemiringan)



td = waktu mati sampai output terespon Penjelasan diatas untuk kurva reaksi dapat dipresentasikan pada gambar



V. 4,



yaitu



a. Proses Kurva reaksi



a. Proses Kurva Reaksi



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



84



b. Sistem Dead time (orde satu) Gambar V. 4. Proses Kurva reaksi dengan Sistem Dead Time Hasil yang diperoleh untuk analisis nilai parameter pengendali ditunjukkan pada tabel V. 2. Tabel V. 2.Harga parameter pengendali optimum Pengendali



I



Kc



P.



t td ∆ + K td t



P+I



t td ∆, + K td t



td



30+ 3 td/t 9+ 20 td/t



P+I+D



t ∆ K td



td



32+ 6 td/t 13+ 8 td/t



+



td t



D



td



11+ 2 td/t



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



85



3. Metode Auto Tune Pada proses-proses lambat, kontroller mampu menganalisis suatu sistem proses yang telah dihubungkan, dengan menghitung secara otomatis parameter pengendali. Auto Tune bisa juga disebut self optimissing dimana konfigurasi pada PCT-10 dihubungkan dengan proses akan memberikan kenaikan/penurunan respon dengan ditandai lampu kedip. Setelah kira-kira 15 detik tampilan (lampu) kedip mati, maka parameter pengendali secara otomatis akan diperoleh.



4. Metode Auto Relay Tuning Metoda relay auto tuning merupakan modifikasi metoda tuning OnlineZiegler Nichols. Percobaan dilakukan menggunakan pengendali feedback, namun untuk sementara digantikan untuk pengendali on-off (relay). Sesudah pengendali on-off terhubung, variabel proses akan menampilkan respon sustained oscilation seperti karakteristik pengendali on-off. Penggunaan relay auto tuning dalam sistem pengendali lup tertutup, termasuk penggunaan nilai dead band, terlihat di gambar V. 5. Dead band digunakan untuk menghindari terbentuknya frekuensi terhubung yang disebabkan oleh noise (gangguan). (Seborg.dkk,2004)



Gambar V. 5. Auto tuning dengan pengendali relay (Sumber : Seborg. Dkk, 2004)



Gambar V. 6. Respon sistem pengendali dengan metoda relay auto tuning (Sumber : Seborg. Dkk, 2004)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



86



Kcu dan Pu diperoleh dari gambar 2, Pu merupakan periode osilasi pada proses keluaran, sedangkan untuk ultimate gain (Kcu) diperoleh dari persamaan Kcu =



(2.4-1)



d adalah amplitude relay yang diatur oleh penggunaan dan a adalah amplitude yang terukur pada respon yang berosilasi. Dalam metoda Relay Auto Tuning bisa diterapkan dengan sistem servo ataupun regulator,menurut Seborg.Dkk. Harga parameter pengendali PID dapat diperoleh berdasarkan rumus dalam Tabel V. 3 (Seborg. Dkk, 2004) Tabel V. 3.Persamaan Tuning Metoda Relay Auto Tuning (Sumber : Seborg. Dkk, 2004) Jenis Pengendali



Kc



τi



τd



P



0,5 Kcu



-



-



PI



0,45 Kcu



Pu/2



-



PID



0,6 Kcu



Pu/2



Pu/8



Metoda Relay Auto Tuning memiliki beberapa keuntungan disbanding metoda Online Online- Ziegler Nichols / continous cycling, yaitu : 1.



Percobaan cukup dilakukan satu kali, walaupun metoda ini termasuk metoda trial and eror



2.



Amplitude pada respon proses (a) dapat terbatasi oleh amplitude relay (d)



3.



Proses tidak harus dilakukan sampai batas stabilitas (kritis)



4.



Percobaan berlangsung secara otomatis Metoda Relay Auto Tuning juga memiliki kekurangan yaitu tidak sesuai



untuk proses lambat tidak sesuai untuk subjek dengan proses dua atau empat siklus pada osilasi yang diinginkan. (Seborg. Dkk, 2004) 5.



Metoda Good Gain Metoda Good Gain merupakan salah satu metoda tuning secara percobaan.



Metoda ini dapat diterapkan pada semua proses walaupun karakteristik proses yang dikendalikan tidak diketahui. Jika karakteristik atau model proses diketahui



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



87



maka metoda Good Gain dapat digunakan pada simulasi proses, tanpa harus dilakukan secara eksperimen/percobaan.( Finn dan Haugen, 1990) Stabilitas yang dibutuhkan dalam metoda Good Gain dikenal dengan istilah acceptable stability. Acceptable stability adalah kondisi kestabilan yang cukup baik dengan waktu respon yang tidak terlalu lambat. Gambar V. 7 menunjukkan kondisi acceptable stability (kurva b) dianding kondisi stabil yang lain. Kestabilan yang dicapai pada kondisi acceptable stability tidak terlalu stabil, tetapi waktu respon yang dibutuhkan lebih cepat dari pada kondisi yang sangat stabil (kurva a). (Finn dan Haugen,1990)



Gambar V. 7. Kurva respon dengan tiga gain pengendali yang berbeda. (Sumber : Finn dan Haugen,1990) Kondisi acceptable stability juga dapat didefinisikan sebagai kondisi dimana respon menghasilkan undershoot, yang mengikuti overshoot pertama, yang cukup kecil seperti terlihat pada gambar V. 7 (Finn dan Haugen, 1990). Kondisi aceceptable stability bisa diterapkan pada system dengan input berupa servo ataupun reguator. (Finn dan Haugen, 1990). Metoda Good Gain dapat dilakukan secara eksperimen, percobaan real maupun simulasi sistem pengendali, dengan diagram blok seperti terlihat pada gambar V. 7.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



88



Prosedur tuning dengan metoda Good Gain dapat diuraikan sebagai berikut : (1)



Proses diawali dengan start up untuk membawa respon pada nilai yang diinginkan (SP=PV) dengan mengatur pengendali pada kondisi manual.



(2)



Model pengendali yang digunakan adalah pengendali P dengan Kc=0 (τi= ~dan τd=0). Nilai Kc dinaikkan perlahan hingga respon sistem pengendali close loop membentuk kondisi acceptable stability ketika sistem pengendali diberi perubahan step pada set point atau disturbance, seperti terlihat pada gambar V. 8. Trial Kc =1. Nilai Kc yang menghasilkan respon dengan acceptable stability disebut KpGG.



Gambar V. 8. Kurva respon saat acceptable stability (3)



Nilai integral time diperoleh dari persamaan berikut Τi=1,5 Tou



(1)



Tou adalah waktu antara terbentuknya overshoot dan undershoot seperti ditunjukkan pada gambar V.8. Nilai Kc disarankan untuk dikurangi menjadi 80% dari nilai Kp GG. Hal ini terjadi karena respon pengendali PI seringkali berkurang kestabilannya jika dbandingkan dengan respon pengendali P. Kc=0,8 KpGG.



(2)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



89



(4)



Nilai derivative time diperoleh dari ¼ kali nilai integral time. Hubungan ini seperti dalam tuning metoda Online- Ziegler Nichols. τd= τi/4



(5)



(3)



Memeriksa stability sistem pengendali dengan menerapkan perubahan set point. Jika stabilitasnya rendah disarankan untuk menurunkan nilai gain pengendali atau dengan meningkatkan nilai integral



6.



Metoda Skogestad’s Metode Skogestad’s adalah metoda tuning yang berdasarkan pada model



proses. Tuning metoda Skogestad’s membutuhkan model matematika dari proses (fungsi transfer proses). Model matematika ini dapat diperoleh dari penurunan persamaan secara metematis atau dari perhitungan parameter respon proses meliputi (gain, tme constant dan dead time) yang diperoleh secara eksperimen. Model matematika, yang digunakan sebagai dasar tuning metoda skogasted’s dirangkai dalam suatu lup tertutup seperti terlihat pada gambar. Komponen utama dalam diagram tersebut adalah Hc(s) dan Hpsf(s). Hpsf(s) merupakan kombinasi dari fungsi transfer proses, sensor, dan sinyal hasil pengukuran, sehingga Hpsf(s) menggambarkan dinamika dari sistem pengendali. Komponen berikutnya adalah Hc(s) yang menggambarkan fungsi transfer dari komponen pengendali (controller). (Finn dan Haugen,1990)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



90



Gambar V. 9. Diagram sistem pengendali lup tertutup dalam tuning metoda Skogestad’s Hpsf(s) digunakan sebagai dasar perhitungan parameter tuning dengan metoda Skogasted’s, seperti tersaji dalam tabel. Secara umum, Skogsted’s mendefinisikan nilai konstanta „‟k1‟‟ dalam tabel V. 4 adalah 4. Nilai ini memberikan respon yang cukup baik untuk sistem dengan perubahan set point (servo system), sedangkan untuk sistem nilai konstanta k1=1,44. Nilai ini diharapkan dapat mempercepat kompensasi terhadap perubahan disturbance. Selain nilai k1, Skogasted’s juga menyarankan nilai Tc sama dengan nilai dead time (Ѳ) dari Hpsf (s), kecuali ada pertimbangan lain.(Finn dan Haugen,1990)



Tabel V. 4.Persamaan Parameter metoda Skogestad’s



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



91



Persamaan dalam tabel juga dapat digunakan untuk sistem pengendali yang tidak memiliki dead time (Ѳ). Jika proses memiliki dead time maka nilai Tc = Ѳ, jika Ѳ = 0 maka untuk proses yang tidak memiliki nilai Ѳ (dead time) maka Ѳ = 0. Jadi pemilihan nilai Tc untuk proses yang tidak memiliki nilai dead time maka Tc dapat diperoleh dari Tc > 0. (Finn dan Haugen,1990)



7.



Internal Model Control (IMC) Internal Model control (IMC) adalah metoda yang didasarkan pada asumsi



model proses dan fungsi transfer lup tertutup yang diinginkan. Metoda IMC adalah metoda yang didasarkan pada blok diagram sederhana yang ditunjukkan dalam Gambar V. 10 model proses (Ğ) dan keluaran pengendali (P) digunakan untuk model dari respon, (Ŷ), selisih dari actual respon Y dan model Ŷ respon, (Y-Ŷ)



digunakan



sebagai



sinyal



masukan



ke



pengendali



IMC,



Gc*.



(Seborg.dkk,2004) Dari gambar V. 10. Menyatakan bahwa menurut Seborg, pada metoda tuning IMC ini bisa dalam input sistem dengan perubahan set point ataupun dengan perubahan disturbance.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



92



Gambar V. 10. Internal Model Control IMC berdasarkan blok diagram Gambar V. 10 dinyatakan dalam persamaan 5. (Seborg.dkk,2004). Perbedaan respon (Y-Ŷ) terjadi karena adanya error (Ğ ≠ G) dan gangguan yang tidak diketahui dalam model ini. Gambar V. 10 akan memberikan respon yang sama apabila Gc dan Gc* memenuhi persamaan 4, sehingga fungsi transfer pengendali pada IMC (Gc*) sama dengan fungsi transfer pengendali feedback (Gc). Persamaan close loop untuk IMC blok diagram Gambar V. 10 dinyatakan dalam persamaan 5. (Seborg.dkk,2004)



(4)



(5) Berikut persamaan yang menunjukkan bahwa output Y pada Gambar V. 10 (a) sama dengan output Y pada Gambar V. 10 (b). Persamaan 5 menunjukkan persamaan output Y Gambar V. 10 (b), untuk kasus khusus dari model yang sempurna Ğ = G, ( 5) dikurangi menjadi



(6) Untuk model proses yang sempurna (Ğ = G) akan menghasilkan persamaan close loop (persamaan 7)



(7) Tuning dengan metoda Internal Model Control (IMC) dilakukan dalam dua tahap yaitu : Tahap 1. Model proses difaktorkan sebagai



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



93



(8) Ğ+ mengandung dead time dan right half plane zero. Ğ+dibutuhkan untuk persamaan steady state gain pada salah satu orde untuk memastikan dua faktor dalam persamaan (8) yang khas. Tahap 2. Pengendali dispesifikasikan sebagai



(9) f adalah low pass filter dengan gain steady state pada salah satu bentuk (Rivera etal,1986)



(10)



(11)



Penentuan nilai τc adalah kunci dalam metoda IMC. Kenaikan nilai τc akan menghasilkan pengendali yang konservatif karena akan mengurangi nilai Kc saat τI naik. Beberapa petunjuk pemilihan τc antara lain : 1. τc/ Ѳ dan τc > 0,1 τp



(Rivera.dkk,1986)



2. τp > τc > Ѳ



(Chien dan Fruehauf,1990)



3. τc = Ѳ



(Skogestad,2003)



Jika model proses memiliki time constant yang dominans maka nilai τc dapat dipilih dengan τc = τdom / 3. (Seborg.dkk,2004). Tabel 3 berikut menampilkan beberapa model proses untuk metoda tuning IMC. Tabel V. 5.Penentuan pengendali PID berdasarkan IMC untuk Gc Cas



Model



Kc.K



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



94



e A



-



B



C



D



E



-



F



2τc +τ



G



Τ



-



H



I



J



2τ –τ3



K



L



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



95



M



2τc +Ѳ



N



2τc + Ѳ



-



8. Metoda SIMC SIMC merupakan modifikasi dari metode tuning Ineternal Model Control (IMC). Menurut Skogestad pada metode SIMC disarankan untuk menurunkan τi (time integral) dengan cara memperbesar nilai time constant τ. Dalam pengendalian proses, proses orde satu dengan time delay fungsi transfernya sebagai berikut : (12)



Dimana k adalah gain, τ adalah time constant, Ѳ adalah time delay. Sebagian proses di industri kimia menggunakan pengendali PI untuk mendapatkan respon yang diharapkan. Nilai fungsi transfer PI sebagai berikut :



(13)



Persamaan metoda tuning SIMC:



(14)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



96



(15) Dimana (τc) merupakan close loop time constant. Pada metoda tuning IMC selalu menggunakan τi=τ, tetapi metoda SIMC memberikan kontribusi peningkatan nilai integral untuk proses integral close loop (dengan τ besar) untuk mencegah kinerja yang buruk (slow settling). Percobaan lup tertutup dengan respon step seperti ditunjukan pada gambar V. 11 dimana proses pengendali di pertahankan penuh, meliputi perubahan variabel keluaran.



Gambar V. 11. Pengendali proporsional dengan perubahan set point secara close loop.



Prosedur tuning dengan metoda SIMC dapat diuraikan sebagai berikut : 1. Ubah pengendali ke model P 2. Buat perubahan set point dengan memberikan overshoot antara (10%) dan (60%). 30% merupakan nilai yang bagus. Dari percobaan buat grafik dengan Kco (controller gain). Untuk mendapatkan overshoot yang cukup besar gain perlu ditingkatkan 3. Jika overshoot kecil (kurang dari 0.1/10%) tidak dianggap, karena sulit dalam praktek untuk memperoleh data dan peak time yang akurat dari pecobaan jika overshoot terlalu kecil. Jadi overshoot yang besar (lebih dari 0,6/60



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



97



%) memberikan settling time yang besar dan membutuhkan perubahan nilai input yang lebih besar. Untuk alasan ini sebaiknya digunakan overshoot sekitar (0.3/30%) untuk percobaan close loop dengan perubahan set point. 4. Dari percobaan close loop dengan perubahan set point, memperoleh nilai berikut (lihat gambar V. 11): Fractionl overshoot, set point hingga titik puncak (overshoot),tp stady state,



Dimana, ∆ys: perubahan set point ∆yp : perubahan saat keluaran mencapai titik puncak (pada saat tp) ∆y∞: perubahan output stady state setelah mencapai titik puncak Untuk menemukan ∆y∞ kita perlu menunggu respon hingga settling, yang mungkin memakan waktu jika overshootnya terlalu besar (khususnya 0,6 atau lebih). Jika tidak menginginkan respon hingga mencapai steady state, dapat digunakan pendekatan Δy~ = 0.45 (Δyp + Δyu). Berdasarkan rumusan tuning dengan metoda overshoot setpoint didapatkan nilai parameter sebagai berikut : Kc =Kco A/F



(16) 2



A= [1.152(overshoot) -1.607 (overshoot)+1.0]



(17)



Dengan F adalah parameter faktor tuning F=1, dan Kco merupakan konstanta gain hasil percobaan. Integral time τI= min [ 0.86A



tp, 2.44tpF]



(18) Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



98



Dimana untuk proses yang memiliki time delay besar persamaan waktu integralnya sebagai berikut :



(19) Sedangkan untuk proses dengan time delay yang kecil persamaan waktu integralnya :



(20)



V. 3.



PERCOBAAN 1: TUNING PENGENDALI TEKANAN



V. 3. 1. Peralatan Percobaan 1. PCT-14 (modul proses pengendalian tekanan) 2. PCT-10 (electrical console) 3. Kompresor 4. Recorder V. 3. 2. Gambar Alat



Gambar V. 12. Gambar Alat Pengendali Tekanan PCT-14



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



99



Tabel V. 6.Keterangan Gambar Pengendali Tekanan PCT-14 Nomor



Keterangan



1



Inlet untuk udara proses dan udara tekan penggerak pneumatic valve



2



Box penghubung arus untuk I/P controller



3



I/P converter



4



Pneumatic valve



5



Electrical connection untuk square root extractor



6



Square root extractor



7



Differential pressure tranduser box



8



Pressure tranduser box



9



Difused outlet ke tangki



10



Difused outlet ke atmosfer



11



Tangki udara



12



Kerangka penahan PCT-14



13



Orifice meter



14



Stem plug valve



15



Stem indicator



V1, V2 V3, V4, V5, V6 V7



Pressure regulator Selector valve Relief valve



P1, P2, P3, P4



Pressure gauge indikator



V. 3. 3. Prosedur Percobaan V. 3. 3.1. 



Metode Tuning Skogestad’s



Persiapan alat 1.



Menutup V6, V4



2.



Membuka V2, V3, V5 mengatur P1=22 psig dengan mengubah V1 dan mengatur P4= + 8,5-9.5 psig (atau display PV menunjukkan 100%) dengan mengubah V2.



3.



Menghidupkan recorder dan mengatur kecepatan kertas recorder.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



100



4.



Mengatur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT-10.



5.



Memasukkan set point (SP) = 40%



6.



Mengatur bukaan valve (%PO) hingga nilai variabel proses (PV) = SP (error = 0 atau tidak ada offset).



7. 



Setelah SP = PV pengendali diatur secara otomatis.



Penerapan Metoda Tuning Skogestad’s 1.



Mendapatkan fungsi transfer proses seperti prosedur 3.3.2 (dengan metoda kurva reaksi)



2.



Mencocokkan model fungsi transfer yang didapat dengan persamaan Skogestad’s pada tabel V.4.1.



3.



Menerapkan model persamaan Skogestad’s dengan memasukkan nilai Kc dan τi hingga didapatkan respon mencapai stabil, dengan inputan berupa sistem servo dan regulator.



4.



Melakukan analisa respon (menentukan nilai offset, overshoot, decay ratio, rise time, response time dll)



V. 3. 3.2. 



Metode Tuning Good Gain



Persiapan alat 1.



Membuka main valve udara tekan dan pastikan tidak terjadi kebocoran di sistem pengendali tekanan.



2.



Menghidupkan alat pengendali tekanan (PCT-14 + PCT-10) dengan menekan tombol “main switch”.



3.



Menutup V6, V4



4.



Membuka V2, V3, V5 mengatur P1=22 psig dengan mengubah V1 dan mengatur P3= 8,5 psig dengan mengubah V2.



5.



Menghidupkan recorder dan mengatur kecepatan kertas recorder.



6.



Mengatur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT-10



7.



Memasukkan set point (SP) = 40%



8.



Mengatur bukaan valve (%PO) hingga nilai variabel proses (PV) = SP (error = 0 atau tidak ada offset).



9.



Setelah SP = PV pengendali diatur secara otomatis



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



101







Penerapan metoda tuning Good Gain 1.



Memasukkan nilai Pb dilakukan dengan τi = 0, τd = 0 sampai respon yang terbentuk seperti gambar 2.4-3,dengan inputan berupa sistem servo dan regulator.



2.



Respon yang terbentuk diamati hingga stabil.



3.



Menentukan nilai Tou (time between overshoot and undershoot) dan KpGG ( gain pada metoda Good Gain) dari respon yang didapatkan untuk diterapkan ke dalam persamaan parameter Good Gain.



4.



Mendapatkan nilai parameter Good Gain berupa Kc, τi dan τd.



5.



Menerapkan nilai parameter Good Gain ke dalam pengendali tekanan untuk mendapatkan respon grafik.



6.



Melakukan analisa hasil respon berupa respon transient dan integral criteria V. 3. 3.3. Metode Tuning SIMC







Persiapan alat 1. Membuka main valve udara tekan dan pastikan tidak terjadi kebocoran di sistem pengendali tekanan. 2. Menghidupkan alat pengendali tekanan (PCT-14 + PCT-10) dengan menekan tombol “main switch”. 3. Menutup V6, V4 4. Membuka V2, V3, V5, mengatur P1=22 psig dengan mengubah V1 dan mengatur P3= 8,5 psig dengan mengubah V2. 5. Menghidupkan recorder dan mengatur kecepatan kertas recorder 6. Mengatur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT-10 7. Memasukkan set point (SP) = 40 % 8. Mengatur bukaan valve (%PO) hingga nilai process variabel (PV) = SP (error = 0 atau tidak ada offset). 9. Setelah SP = PV pengendali diatur secara otomatis







Penerapan MetodaTuning SIMC



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



102



1. Memasukkan nilai Pb (proportional band) dilakukan dengan τi = 0, τd = 0 hingga mendapatkan respon yang memiliki overshoot antara 10% - 60% dengan inputan berupa perubahan setpoint. 2. Setelah



respon



yang



memiliki



overshootantara



10%



-



60%didapatkan, kemudian dilakukan penghitungan parameter berdasarkan metoda SIMC. 3. Penerapan nilai parameter yang didapatkan ke dalam pengendali tekanan, sehingga didapatkan grafik respon. 4. Melakukan analisa respon berdasarkan respon transient danintegral criteria. 5. Mengulang langkah 4 – 9 untuk persiapan alat dan langkah 1-4 untuk penerapan metoda tuningSIMC dengan mengubah P3=13,5 psig. V. 3. 3.4. Metode Tuning IMC 1. Mendapatkan fungsi transfer proses seperti prosedur 3.3.2 2. Mencocokkan model fungsi transfer yang didapat dengan persamaan IMC pada tabel 2.4-2 



Persiapan alat 1. Menutup V6, V4 2. Membuka V2, V3, V5 mengatur P1=22 psig dengan mengubah V1 dan mengatur P3= 8,5 psig dengan mengubah V2. 3. Menghidupkan recorder dan mengatur kecepatan kertas recorder. 4. Mengatur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT-10. 5. Memasukkan set point (SP) = 40% 6. Mengatur bukaan valve (%PO) hingga nilai variabel proses (PV) = SP (error = 0 atau tidak ada offset). 7. Setelah SP = PV pengendali diatur secara otomatis. 8. Menerapkan model persamaan IMC dengan memasukkan nilai Kc dan τi hingga didapatkan respon yang stabil. 9. Melakukan analisa respon berdasarkan respon transient danintegral criteria.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



103



10. Mengulang langkah 4 – 9 untuk persiapan alat dan langkah 1-4 untuk penerapan metoda tuning IMC dengan mengubah P3=13,5 psig.



V. 3. 3.5. Metode Tuning Relay Auto Tuning 



Persiapan alat 1. Membuka main valve udara tekan dan pastikan tidak terjadi kebocoran di sistem pengendali tekanan. 2. Menghidupkan alat pengendali tekanan (PCT-14 + PCT-10) dengan menekan tombol “main switch”. 3. Menutup V6, V4 4. Membuka V1, V2, V3, V5 mengatur P1=22 psig dengan mengubah V1 dan mengatur P3= 8,5 psig dengan mengubah V2. 5. Menghidupkan recorder dan mengatur kecepatan kertas recorder. 6. Mengatur pengendali pada operasi manual, dengan cara mengatur panel pengendali di PCT-10 7. Memasukkan set point (SP) = 40 % 8. Mengatur bukaan valve (%PO) hingga nilai variabel proses (PV) = SP (error = 0 atau tidak ada offset). 9. Setelah SP = PV pengendali diatur secara otomatis.







Penerapan metoda tuning Relay Auto Tuning 1. Memasukkan nilai Proportional band (Pb) dan Hysterisis hinggaa diperoleh respon seperti gambar 2.4-7. 2. Menentukan nilai Kcu (gain ultimate) dan Pu (periode ultimate) dari grafik respon yang didapatkan. 3. Menentukan nilai parameter berupa Kc,τi dan τd berdasarkan persamaan Relay auto tuning. 4. Penerapan nilai parameter yang didapatkan ke dalam pengendali tekanan dengan perubahan input berupa servo dan regulator. 5. Melakukan analisa respon transient dan integral criteria dari grafik yang didapatkan.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



104



6. Mengulang langkah 4 – 9 untuk persiapan alat dan langkah 1-5 untuk penerapan metoda tuning Relay Auto Tuning dengan mengubah P3=13,5 psig



V. 4. PERCOBAAN 2: TUNING PENGENDALI TEMPERATUR V. 4. 1. Peralatan Percobaan PCT – 13 (modul proses pengendalian temperatur) PCT – 10 (electrical console) Thermostat Recorder V. 4. 2.



Gambar Alat



Gambar V. 13. Skema rangkaian alat pengendali temperatur (PCT – 13) V. 4. 3.



Prosedur Percobaan



1. Rangkai pengendali suhu dengan sistem 2 tangki



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



105



2. Set Pengendali dengan posisi manusl. 3. Buka Valve 25% tunggu sampai tercapai kondisi steady state. 4. Beri perubahan step (buka valve) menjadi 80%, bersamaan catat perubahan level tiap fungsi waktu (dgn recorder). 5. Tentukan harga parameter pengendali dan aplikasikan pada sistem pengendali otomatis. V. 5. PERCOBAAN 3: TUNING PENGENDALI ARAS (LEVEL) V. 5. 1. Peralatan Percobaan 1. Seperangkat CRL (Control Regulation Level) 2. PC (Personal Computer) 3. Kompresor 4. Printer V. 5. 2. Gambar Alat



16 15



Gambar V. 14. Skema rangkaian alat pengendali pH



Keterangan Gambar: 1. 2. 3. 4. 5.



Water Drainage Tank Centrifugal pump Proportional Pneumatic Valve I/P Tranducer Compressed air feed



9. Supply and conditioning unit 10. Personal computer 11. Valve ouput manual 12. Drainage valve 13. P/I tranducer



6. Low Pressure gauge 7. Pressure regulator (manual) 8. Electronic mini regulator (optional, code 916940)



14. Drainage electric valve 15. Reservoir 16. Valve input



V. 5. 3. Prosedur Percobaan V. 5. 3.1. Metode Online- Ziegler Nichols A. Persiapan a. Persiapan dilakukan seperti prosedur kerja sebelumnya b. Tekanan pada barometer diatur sebesar 15 psi c. Kran keluaran air (no.11) dan kran flowrate air masuk (no.16) dibuka penuh B. Pengoperasian a. Pengendali PID dipilih b. Dilakukan start up dengan cara mengatur bukaan hingga kondisi tercapai kondisi stabil (PV = SP) c. Tombol PC Control (CRL) diarahkan pada tulisan “PC” d. Dilakukan trial PB dengan τi= 0, τd= 0 sampai sistem berosilasi kontinyu dan kritis e. Respon yang terjadi diamati hingga respon stabil f. Setelah selesai file disimpan pada sub direktori c:\crl\......... C. Mematikan a. Cara mematikan seperti prosedur kerja sebelumnya V. 5. 3.2. Metoda Relay Auto Tuning A. Persiapan a. Persiapan dilakukan seperti prosedur kerja sebelumnya b. Tekanan pada barometer diatur sebesar 15 psi c. Kran keluaran air (no.11) dan kran flowrate air masuk (no.16) dibuka penuh B. Pengoperasian a. Pengendali on-off dipilih b. Tombol PC Control (CRL) diarahkan pada tulisan “PC” c. Dilakukan trialhysterisis dan gain dengan open time= 2 sampai diperoleh responsepertigambarberikut



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



107



% Po / % PV



time (detik)



% PV



d. Respon yang terjadi diamati hingga stabil e. Setelah selesai file disimpan pada sub direktori c:\crl\......... C. Mematikan a. Cara mematikan seperti prosedur kerja sebelumnya V. 5. 3.3. Metode Internal Model Control (IMC) A. Persiapan a. Persiapan dilakukan seperti prosedur kerja sebelumnya b. Tekanan pada barometer diatur sebesar 15 psi c. Kran keluaran air (no.11) dan kran flowrate air masuk (no.16) dibuka penuh B. Pengoperasian a. Jenis pengendali PID dipilih b. Tombol PC Control (CRL) diarahkan pada tulisan “PC” c. Start up dilakukan dengan cara mengatur bukaan hingga kondisi tercapai kondisi stabil (PV = SP) d. Klik START bersamaan dengan mengarahkan tombol PC control (CRL) pada tulisan “manual” e. Amati respon yang terjadi hingga stabil f. Setelah selesai simpan file pada sub direktori c:\crl\......... C. Mematikan a. Cara mematikan seperti prosedur kerja sebelumnya 5. 3.4.Metode Skogestad A. Persiapan a. Persiapan dilakukan seperti prosedur kerja sebelumnya V.



b. Tekanan pada barometer diatur sebesar 15 psi c. Kran keluaran air (no.11) dan kran flowrate air masuk (no.16) dibuka penuh B. Pengoperasian a. Jenis pengendali PID dipilih b. Tombol PC Control (CRL) diarahkan pada tulisan “PC” c. Start up dilakukan dengan cara mengatur bukaan hingga kondisi tercapai kondisi stabil (PV = SP)



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



108



d. Klik START bersamaan dengan mengarahkan tombol PC control (CRL) pada tulisan “manual” e. Amati respon yang terjadi hingga stabil f.



Setelah selesai simpan file pada sub direktori c:\crl\.........



C. Mematikan a. Cara mematikan seperti prosedur kerja sebelumnya V. 5. 3.5.Metode Good Gain A. Persiapan a. Persiapan dilakukan seperti prosedur kerja sebelumnya b. Tekanan pada barometer diatur sebesar 15 psi c.Kran keluaran air (no.11) dan kran flowrate air masuk (no.16) dibuka penuh B. Pengoperasian a. Pengendali PID dipilih b. Dilakukan start up dengan cara mengatur bukaan hingga kondisi tercapai kondisi stabil (PV = SP) c. Tombol PC Control (CRL) diarahkan pada tulisan “PC” d. Dilakukan trial PB dengan τi= 0, τd= 0 sampai respon terbentuk seperti gambar di bawah ini :



e. Respon yang terjadi diamati hingga respon stabil f. Setelah selesai file disimpan pada sub direktori c:\crl\......... C. Mematikan a. Cara mematikan seperti prosedur kerja sebelumnya



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



109



DAFTAR PUSTAKA Anonim. Model Based Controlled Design. (http:// www.cc.ntut.edu.tw/jejeng/Model-based%20Tuning.pdf), diakses 20 Mei 2012 Chien, I-L.; Fruehauf, P. S. Consider IMC Tuning to Improve Controller Performance,(http//www.chemengr.ucsb.edu, diakses 20 Mei 2012).



Finn and Haugen. Tuning of PID Controller Chapter 10. (http://www.techteach.no diakses 20 Mei 2012). Gunterus, Frans. Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses, Jakarta,1994 Rivera, D.E.,Morari,M.,Skogestad,S., Internal Model Control 4 PID controlled design, Ind. Chem.Res.,1986. Seborg, E. Dale,dkk. Process Dynamic and Control, second edition, John Wiley & Sons, Hoboken, 2004. Shamsuzzoha, Mohammad. On-Line PI Controller Tuning Using Closed-Loop Setpoint Response. (http://www.nt.ntnu.no/users/skoge/...pi... /shamsuzzoha_132_Dycops.pdf), diakses 22 Juni 2012. Smith, A. Charlos; Corripio, Armando B. Principle and Practice of Automatic Process Control, John Willey & Sons Inc, New York, 2006. Stephanopoulus, George. Chemical Process Control, Prentice Hall International, Singapore, 1984. Wicaksono, Handy. Analisa Performansi dan Robustness dalam Sistem Pengendalian Proses, Universitas Kristen Petra, 2004. Coughanowr, Donald R. Process Systems Analysis and Control, 2th edition, McGraw-Hill, Singapore, 1991.



Jurusan Teknik Kimia – POLITEKNIK NEGERI MALANG



110