Pertemuan-1: Pengenalan Dasar Sistem Kontrol

Transkripsi

1 Pertemuan-1: Pengenalan Dasar Sistem Kontrol Tujuan Instruksional Khusus (TIK): Mengerti filosopi sistem control dan aplikasinya serta memahami istilahistilah/terminology yang digunakan dalam system control Pokok Pembahasan: 1. Persamaan diferensial/transformasi Laplace 2. Transfer function 3. Diagram blok 4. Diagram aliran sinyal (signal flow diagram Pendahuluan Sistem kontrol merupakan hal penting di dunia industri dan di era teknologi informasi saat ini. Proses produksi dan manufacturing dituntut kestabilannya dan setiap perubahan dapat direspon secara cepat dan real time. Hal ini karena adanya tuntutan kualitas produk dan proses yang konsisten dari pasar dan dunia industri itu sendiri. Contoh sistem control industri seperti pengontrolan variabel-variabel temperatur (temperature), tekanan (pressure), aliran (flow), level (level), dan kecepatan (speed). Variabel-variabel ini adalan parameter-parameter keluaran (output) yang harus dijaga tetap sesuai dengan keinginan yang telah ditetapkan terlebih dahulu oleh operator yang disebut dengan setpoint/set value (SV) sementara nilai actual proses disebut Process Value (PV). Sistem yang dikontrol (bangunan) agar variabel keluaran dijaga tetap pada kondisi tertentu disebut dengan plant. Implementasi teknik sistem kontrol (System Control Engineering) melibatkan multidisiplin ilmu seperti bidang: teknik mesin (mechanical engineering), teknik elektrik (electrical engineering), elektronik (electronics) dll dimana kolariborasi keilmuan tersebut lazim disebut Mekatronika (Mechatronics) Sistem kontrol berdasarkan aliran sinyal control dibagi atas dua: 1. Sistem kontrol secara manual (Open Loop Controls).

2 Sistem kontrol secara manual, proses pengaturannya dilakukan secara manual oleh operator dengan mengamati keluaran secara visual, kemudian dilakukan koreksi variabelvariabel kontrolnya untuk mempertahankan hasil keluarannya. Sistem kontrol itu sendiri bekerjanya secara open loop, artinya sistem kontrol tidak dapat melakukan koreksi variabel untuk mempertahankan hasil keluarannya. Perubahan ini dilakukan secara manual oleh operator setelah mengamati hasil keluarannya melalui alat ukur atau indikator. 2. Sistem Kontrol otomatis (Closed Loop Controls) Sistem kontrol otomatis dapat melakukan koreksi variabel-variabel kontrolnya secara otomatis, dikarenakan ada untai tertutup (closed loop) sebagai umpan balik (feedback) dari hasil keluaran menuju ke masukan setelah dikurangkan dengan nilai setpointnya. Pengaturan secara untai tertutup ini (closed loop controls), tidak memerlukan operator untuk melakukan koreksi variabel-variabel kontrolnya karena dilakukan secara otomatis dalam sistem kontrol dalam sistem kontrol itu sendiri. Dengan demikian keluaran akan selalu dipertahankan berada pada kondisi stabil sesuai dengan setpoint yang ditentukan. Kebutuhan dalam Sistem Kontrol Otomatis Terdapat tiga alasan utama, mengapa plant proses atau bangunan memerlukan kontrol secara otomatis: 1. Keamanan (Safety). Pada kondisi kompleksitas yang tinggi atau plant/proses yang berbahaya, pada akhirnya dibutuhkan kontrol otomatis dan protokol untuk menjaga keamanan. 2. Stabilitas (Stability). Plant atau proses harus bekerja secara mantap (steadily), dapat diprediksi (predictably) dan keterulangan (repeatably), tanpa fluktuasi atau kegagalan yang tidak terencana. 3. Ketelitian (Accuracy) Hal ini utamanya diperlukan dalam industri dan ini adalah suatu kebutuhan utama dalam pabrikpabrik dan bangunan untuk mencegah produksi cacat, untuk menaikkan mutu dan tingkat produksi, dan memelihara kenyamanan. Ini adalah pokok dari efisiensi secara ekonomis.

3 Contoh Sederhana Sistem Kontrol Agar mudah dimengerti tentang sistem kontrol berikut ini dijelaskan sebuah sistem kontrol yang dioperasikan oleh operator secara manual seperti yang diperlihatkan dalam gambar berikut ini. Gambar 1. Model Sistem Kontrol Sederhana (manual control system) Contoh proses yang diperlihatkan dalam gambar di atas, operator mengoperasikan secara manual (dengan tangan) agar membuat variasi aliran air melalui variasi pembukaan atau penutupan Klep Masukan untuk memastikan bahwa: 1. Permukaan air tidaklah terlalu tinggi; atau dijalankan dengan membuang sampah melalui pelimpah. 2. Permukaan air tidaklah terlalu rendah; atau tidak sampai pada bagian dasar dari tangki. Hasil dari sistem kontrol ini adalah air keluar dari tangki pada tingkat rate yang berada pada daerah cakupan yang diperlukan. Jika air keluar pada rate terlalu tinggi atau rendah, proses pengaliran air melalui klep masukan dikatakan tidak beroperasi secara benar. Pada kondisi awal, klep pengosongan pada pipa produk akhir berada pada posisi yang tetap. Pada contoh sistem kontrol dalam Gambar 1 di atas akan mendemontrasikan bahwa:

4 1. Operator mengarahkan untuk menjaga kondisi air didalam tangki melalui klep masukan agar berada pada level antara 1 dan 2. Level permukaan air pada kondisi tersebut disebut sebagai Kondisi Terkontrol (Controlled Condition). 2. Kondisi Terkontrol atau Daerah Kontrol yang dapat dicapai dengan pengendalian aliran air melalui klep pipa masukan. Aliran arus air (flowrate) tersebut dikenal sebagai Variabel Manipulasi (Manipulated Variable), dan klep masukan disebut sebagai Perangkat Kontrol (Controlled Device). 3. Air itu sendiri disebut sebagai Agen Kontrol (Control Agent). 4. Pengendalian aliran air kedalam tangki, maka level air akan berubah. Perubahan level air dalam tangki dikenal sebagai Variabel Kontrol (Controlled Variable). 5. Sedangkan air dalam tangki dikenal sebagai Media Terkontrol (Controlled Medium). 6. Level air diusahakan dipelihara yang dapat dilihat pada indikator secara visual disebut sebagai Setpoint (Set Point atau Set Value). 7. Level air yang dipelihara pada titik diantara 1 dan 2 yang terlihat pada indikator secara visual dan parameter kontrol masih diperkenankan yaitu berada sedikit diatas dasar tangki dan tidak melimpah. Nilai pada daerah ini disebut sebagai Nilai yang diinginkan (Desired Value). 8. Diasumsikan bahwa level dirawat secara ketat agar berada pada titik antara 1 dan 2. Level air ini berada pada keadaan Mantap (Steady State), dikenal sebagai Nilai Kontrol (Control Value) atau Nilai Nyata (Actual Value). Catatan: Melihat pada point 7 dan 8 di atas, level air secara ideal dipelihara pada titik 3. Tetapi pada kenyataannya level akan berada diantara 1 dan 2, namun masih bekerja dengan baik. Perbedaan antara Setpoint dan Nilai Nyata disebut sebagai Deviasi (Deviation). 9. Jika klep masukan ditutup pada posisi baru, level air dalam tangki akan menurun dan deviasi akan berubah. Ayunan deviasi (Sustained Deviation) ini disebut sebagai Offset.

5 Elemen-elemen kontrol otomatis Elemen-elemen dari sistem kontrol otomatis secara blok diagram diperlihatkan dalam Gambar 2 berikut ini: Gambar 2. Elemen-elemen dari sistem kontrol otomatis Dari Gambar 1 di atas terdapat elemen-elemen kontrol seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 2. Elemen-elemen kontrol tersebut adalah: 1. Mata operator mendeteksi adanya pergerakan level air melalui skala yang telah ditandai terlebih dahulu. Mata operator dikatakan sebagai Sensor. 2. Sinyal dari mata (sensor) menuju ke otak, yang mana akan mengetahui adanya deviasi. Otak dapat dikatakan sebagai Kontroler (Controller). 3. Arm Muscle (Lengan dari klep masukan) dan tangan (aktuator, actuator) memutar klep, disebut sebagai Perangkat Pengontrol (Controlled Device). Cara penjelasan yang berbeda diperlihatkan kempbali dalam Gambar 2, sebagai penjelasan dari Gambar 1 yaitu:

6 Secara sederhana operator dalam Gambar 1 akan menahan air dalam tangki pada kondisi level yang telah didefinisikan atau ditentukan. Level 3 dapat disebut sebagai target dari operator atau disebut sebagai Setpoint. Operator secara fisik memanipulasi level dengan menyetel klep masukan (sebagai perangkat pengontrol). Selanjutnya operasi yang sangat penting adalah kompetensi dan konsentrasi operator. Sebab, tidak akan mungkin secara nyata air akan berada pada level 3 secara terus menerus. Umumnya, level air akan berada di bawah atau diatas level 3. Posisi atau level yang tetap ini disebut sebagai Nilai Kontrol atau Nilai Nyata. Besarnya kesalahan (error) atau perbedaan antara setpoint dan nilai nyata disebut sebagai deviasi. Jika deviasi konstan atau disebut kondisi matap, hal ini disebut sebagai Ayunan Deviasi atau Ofset. Operator memanipulasi level air, pada akhirnya diarahkan untuk menghasilkan keluaran, pada kasus ini, adalah sebuah kebutuhan aliran air yang keluar dari tangki. Ukuran Keselamatan (Safety), Stabilitas (Stability) dan Ketelitian (Accuracy) Hal ini dapat diasumsikan bahwa sebuah proses secara tipikal dari Gambar 1 berisi materi yang tidak berbahaya. Oleh karena itu, limpahan air yang keluar dari pelimpah menjadikan aman bagi operator akan tetapi tidak ekonomis atau tidak produktif. Dalam kaitannya dengan stabilitas, operator akan mampu menangani proses ini, yaitu dengan penuh perhatian mengamati setiap perubahan lever yang terjadi dalam tangki. Ketelitian tidak akan ada pada proses ini sebab operator hanya dapat merespon terhadap kisaran nilai level yang dapat diterima dan kesalahan yang diperbolehkan. Kesimpulan Terminologi Dalam sistem kontrol terdapat istilah-istilah yang sering dipakai dan memiliki arti tersendiri. Untuk memudahkan pembahasan dalam sistem kontrol perlu didefinisikan sebuah terminologi dari istilah-istilah tersebut yaitu: Setpoint (Set Point): Nilai set dalam skala sistem kontrol dalam hal untuk memperoleh kondisi yang diinginkan

7 Nilai yang diinginkan (Desired Value): Nilai Kontrol (Control Value): Deviasi (Deviation): Offset (Offset): Sensor (Sensor): Media Terkontrol (Controlled Medium): Kondisi Terkontrol (Controlled Condition): Kontroler (Controller): Aktuator (Actuator): Perangkat Terkontrol (Controlled Device): Nilai yang diinginkan dan diperbolehkan berayun disekitar kondisi ideal Nilai dari kondisi kontrol pada kenyataannya dipelihara agar menjadi kondisi matap Perbedaan antara nilai setpoint dan nilai kontrol Ayunan dari deviasi Elemen yang merespon secara langsung Media yang dikontrol oleh sistem. Media yang terkontrol dalam contoh di atas adalah air dalam tangki Kondisi fisik dari media terkontrol. Dalam contoh diatas adalah level air dalam tangki Perangkat yang menerima sinyal dari sensor dan mengirimkan sinyal koreksi (atau pengontrolan) ke aktuator Elemen yang menyetel perangkat terkontrol dalam hal merespon sinyal dari kontroler Elemen pengontrolan paling akhir didalam sebuah sistem kontrol, sperti pengontrolan klep atau variabel kecepatan pompa Elemen Sistem Kontrol Temperatur Berikut ini akan dijelaskan sistem kontrol yang lainnya yaitu sistem kontrol temperatur. Jika dioperasikan secara manual diperlihatkan dalam Gambar 3 berikut ini:

8 Gambar 3. Sistem kontrol temperatur secara manual Ukuran Keselamatan (Safety), Stabilitas (Stability) dan Ketelitian (Accuracy) Melihat dari operasi secara manual yang dapat mengontrol level air seperti dalam Gambar 1, pengontrolan secara manual dari temperatur adalah lebih sulit seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 3. Jika aliran dari air bervariasi, kondisi ini akan menyebabkan perubahan secara cepat dari jumlah panas yang tertahan dalam uap air. Operator merespon perubahan posisi dari klep uap masuk yang tidak dapat dilakukan secara cepat. Bahkan setelah klep tertutup, coil akan masih berisi sejumlah sisa uap air, yang akan berlanjut melepaskan panasnya melalui kondensasi. Antisipasi perubahan

9 Pengalaman akan banyak membantu, tetapi secara umum operator tidak akan mampu mengantisipasi perubahan. Ia harus mengamati perubahan terlebih dahulu sebelum membuat suatu keputusan dan melakukan suatu tindakan. Hal ini dan lain faktor, seperti hal yang tidak menyenangkan dan biaya seorang operator secara permanen untuk melakukan pengontrolan, potensi kesalahan operator, kebutuhan variasi proses, ketelitian, perubahan cepat dalam semua kondisi dan keterlibatan beberapa proses, semua mendorong kearah kebutuhan akan sistem kontrol secara otomatis. Demi keselamatan, dipasang sebuah alarm yang dapat didengar, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 3 untuk memperingatkan adanya temeratur lebih. Ini merupakan alasan lainnya dalam sistem pengaturan otomatis. Kontrol Otomatis Suatu kondisi terkontrol (controlled condition) boleh jadi temperatur, tekanan, kelembaban, level, atau aliran. Hal ini mengartikan bahwa elemen pengukuran dapat berupa sensor temperatur, transduser tekanan atau tramitter, detektor level, sensor kelembaban atau sensor aliran. Variabel manipulasi dapat berupa uap air, air, udara, listrik, minyak atau gas, sedangkan perangkat terkontrol dapat berupa sebuah klep, damper (penghadang), pompa atau kipas angin. Untuk kepentingan agar dapat menunjukkan prinsip dasar, penjelasan ini akan berkonsentrasi pada klep sebagai perangkat terkontrol dan temperatur sebagai kondisi terkontrol, dengan sensor temperatur sebagai elemen pengukur. Komponen Sistem Kontrol Otomatis Dalam Gambar 4 mengillustrasikan bagian dari komponen dasar dari sistem pengaturan otomatis. Sinyal dari sensor menuju ke kontroler. Kontroler, dimungkinkan dapat mengambil sinyal dari beberapa sensor, akan menentukan apakah suatu perubahan variabel manipulasi diperlukan berdasarkan dari sinyal tersebut. Hal itu akan memerintahkan aktuator untuk

10 mengubah perbedaan posisi dari klep, terbuka penuh atau tertutup penuh tergantung dari kebutuhan. Gambar 4. Komponen kontrol dalam sistem kontrol otomatis Kontroler biasanya dapat diklasifikasikan berdasarkan sumber energi yang dipergunakan untuk menggerakkannya bisa listrik, pneumatik (tekanan udara), hidrolik (tekanan cairan biasanya oli) atau mekanik. Aktuator dapat berupa motor listrik. Aktuator juga dapat diklasifikasikan berdasarkan sumber energi yang dipergunakan untuk menggerakkannya, hal ini sama dengan kontroler. Klep digolongkan berdasarkan aksinya yang digunakan untuk membuat posisi buka atau tutup dari aliran, dan oleh konfigurasi bentuknya, sebagai contoh apakah terdiri dari spindel gelinding atau gerakan putar. Secara keseluruhan dari sistem kontrol otomatis, kadang-kadang merupakan kombinasi dari beberapa komponen kontrol dengan klasifikasi yang berbeda, misalnya gabungan antara hidrolik, elektrik dan mekanik. Dalam gambar 5 diperlihatkan gabungan beberapa komponen dan elemen kontrol untuk membentuk sistem kontrol proses secara otomatis.

11 Gambar 5. Secara tipikal: Gabungan perangkat kontrol dengan elemen-elemen sistem