BAB II LANDASAN TEORI II.1. Sistem Kontrol Sistem kontrol adalah proses pengaturan ataupun pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu. Di dalam dunia industri, dituntut suatu proses kerja yang aman dan berefisiensi tinggi untuk menghasilkan produk dengan kualitas dan kuantitas yang baik serta dengan waktu yang telah ditentukan. Otomatisasi sangat membantu dalam hal kelancaran operasional, keamanan (investasi, lingkungan), ekonomi (biaya produksi), mutu produk, dll. Ada banyak proses yang harus dilakukan untuk menghasilkan suatu produk sesuai standar, sehingga terdapat parameter yang harus dikontrol atau di kendalikan antara lain tekanan (pressure), aliran (flow), suhu (temperature), ketinggian (level), kerapatan (intensity), dll. Gabungan kerja dari berbagai alat-alat kontrol dalam proses produksi dinamakan sistem pengontrolan proses (process control system). Sedangkan semua peralatan yang membentuk sistem pengontrolan disebut pengontrolan instrumentasi proses (process control instrumentation). Dalam istilah ilmu kendali, kedua hal tersebut berhubungan erat, namun keduanya sangat berbeda hakikatnya. Pembahasan disiplin ilmu Process Control Instrumentation lebih kepada pemahaman tentang kerja alat instrumentasi, sedangkan disiplin ilmu Process Control System mengenai sistem kerja suatu proses produksi. 15
II.2. Prinsip Pengontrolan Proses Ada 3 parameter yang harus diperhatikan sebagai tinjauan pada suatu sistem kontrol proses yaitu : - cara kerja sistem kontrol - keterbatasan pengetahuan operator dalam pengontrolan proses - peran instrumentasi dalam membantu operator pada pengontrolan proses Empat langkah yang harus dikerjakan operator yaitu mengukur, membandingkan, menghitung, mengkoreksi. Pada waktu operator mengamati ketinggian level, yang dikerjakan sebenarnya adalah mengukur process variable (besaran parameter proses yang dikendalikan). Contohnya proses pengontrolan temperatur line fuel gas secara manual, proses variabelnya adalah suhu. Lalu operator membandingkan apakah hasil pengukuran tersebut sesuai dengan apa yang diinginkan. Besar proses variabel yang diinginkan tadi disebut desired set point. Perbedaan antara process variabel dan desired set point disebut error. Dalam sistem kontrol suhu di atas dapat dirumuskan secara matematis: Error = Set Point Process Variabel Process variabel bisa lebih besar atau bisa juga lebih kecil daripada desired set point. Oleh karena itu error bisa diartikan negatif dan juga bisa positif. 16
II.3. Sistem Kontrol Otomatis Suatu sistem kontrol otomatis dalam suatu proses kerja berfungsi mengendalikan proses tanpa adanya campur tangan manusia (otomatis). Ada dua sistem kontrol pada sistem kendali/kontrol otomatis yaitu : A. Open Loop (Loop Terbuka) Suatu sistem kontrol yang keluarannya tidak berpengaruh terhadap aksi pengontrolan. Dengan demikian pada sistem kontrol ini, nilai keluaran tidak di umpan-balikkan ke parameter pengendalian. Input Controller Plant Output Gambar 2.1. Diagram Blok Sistem Pengendalian Loop Terbuka B. Close Loop (Loop Tertutup) Suatu sistem kontrol yang sinyal keluarannya memiliki pengaruh langsung terhadap aksi pengendalian yang dilakukan. Sinyal error yang merupakan selisih dari sinyal masukan dan sinyal umpan balik (feedback), lalu diumpankan pada komponen pengendalian (controller) untuk memperkecil kesalahan sehingga nilai keluaran sistem semakin mendekati harga yang diinginkan. Keuntungan sistem loop tertutup adalah adanya pemanfaatan nilai umpan balik yang dapat membuat respon sistem kurang peka terhadap gangguan eksternal dan perubahan internal pada parameter sistem. 17
Kerugiannya adalah tidak dapat mengambil aksi perbaikan terhadap suatu gangguan sebelum gangguan tersebut mempengaruhi nilai prosesnya. Input + Controller Actuator Plant Output - Feedback Gambar 2.2. Diagram Blok Sistem Kontrol Tertutup II.4. Aksi Kontroler a. Kontroler On Off (Two Position Controller) Karakteristik kontroler on off ini hanya bekerja pada 2 posisi, yaitu on dan off. Kerja kontroler on off banyak digunakan pada aksi pengontrolan yang sederhana karena harganya murah. Karena sistem kerja yang digunakan adalah on off saja, hasil output dari sistem pengendalian ini akan menyebabkan proses variabel tidak akan pernah konstan. Besar kecilnya fluktuasi process variabel ditentukan oleh titik dimana kontroller dalam keadaaan on dan off. Pengendalian dengan aksi kontrol ini juga menggunakan feedback. CV % open close t (dtk) Gambar 2.3. Aksi Kendali On Off 18
b. Kontroler Aksi Proporsional Aksi kontrol proporsional memiliki karakteristik dimana besar output unit control P selalu sebanding dengan besarnya input. Bentuk transfer function dari aksi pengendalian proporsional sbb : Output = Gain * Input PV % beban PV% proses variabel t (dtk) Gambar 2.4. Aksi Kendali Proporsional offset t (dtk) Gain control proporsional dapat berupa bilangan bulat, bilangan pecahan, positif atau juga negatif. Dengan syarat besarnya tetap, linier di semua daerah kerja dan tidak bergantung pada fungsi waktu. Pengertian gain disini dapat berbentuk bilangan pecahan bahkan negatif, sehingga nilai output dapat lebih kecil dari input bahkan negatif. Oleh karena itu, istilah gain jarang dipakai dan yang lazim dipakai adalah istilah proporsional band. Fungsi transfer dari proporsional band (Pb)adalah sbb : 100% % Pb = G c. Kontroler Aksi Integral Berfungsi untuk menghilangkan offset sebagai hasil dari reset yang dapat menghasilkan output walaupun tidak terdapat input, sehingga dibutuhkan suatu pengendali yang dapat menghasilkan output lebih besar atau lebih kecil pada saat error = 0. 19
d. Kontroler Aksi Derivatif Memiliki karakteristik cenderung untuk mendahului atau bisa disebut anti pasif controlling. Oleh karena itu aksi kontrol ini sering diterapkan pada sistem yang memiliki inersia tinggi yang bersifat lagging. e. Kontroler Aksi Proporsional + Integral Pada pengontrolan proporsional dapat menimbulkan offset pada keluaran pengendali. Untuk proses-proses dimana offset tidak dapat ditolerir maka perlu ditambahkan aksi pengontrolan integral. Aksi kontrol integral dapat menghilangkan perbedaan pengukuran dan titik acuan yang dapat mengakibatkan keluaran pengendali berubah sampai dengan perubahan tersebut berharga nol. f. Kontroler Aksi Proporsional + Integral + Derivatif Sistem pengontrolan derivatif merupakan pengontrolan dengan proses umpan balik yang berlawanan dengan cara pengendalian integral. Penambahan aksi derivatif pada pengendalian proporsional + integral bertujuan untuk meningkatkan kestabilan pengontrolan dan mempercepat tanggapan dari sistem, peningkatan kestabilan sistem kontrol diperoleh dari penurunan overshoot. Jika terjadi perubahan sinyal pengukuran maka keluaran pengontrol dengan proporsional bellow tidak terhubung langsung tetapi katup yang akan memperkecil aliran ke arah proporsional bellow. 20
II.5. Penggunaan Instrument Penggunaan alat instrument di PT. Arun NGL banyak digunakan untuk mengendalikan liquid/cairan diantaranya : Level (permukaan zat cair), volume zat cair dalam sebuah tangki. Pengukuran dilakukan untuk dapat mengetahui volume permukaan zat cair dalam zat cair. Bahan yang dapat diukur oleh sensor level yaitu cairan (liquid), lumpur, curah hujan, serta polusi. Flow (aliran), aliran dalam sebuah pipa. Elemen proses flow merupakan salah satu jenis pengendali akhir yang paling umum dipakai untuk sistem pengendali proses. Pressure (tekanan), tekanan liquid dalam sebuah pipa atau vessel. Prinsip kerjanya sama dengan proses flow karena samasama mengendalikan flow. Temperatur (suhu), suhu pada unit-unit proses. Pengukuran suhu biasanya terjadi pada suatu unit proses yang memerlukan perubahan suhu, baik jenis steam maupun yang lainnya. Misalnya perpindahan panas yang terjadi pada sistem pengukuran suhu yaitu pada proses endotermis (suatu perolehan energi panas dari suatu media panas), seperti yang terjadi pada heat exchanger. 21
Dan juga pengendalian temperatur pada line fuel gas ketika sedang beroperasi merupakan suatu hal yang sangat penting guna terciptanya keintegrasian proses di PT. Arun NGL. II.6. Temperatur Alat yang digunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran temperatur disebut sebagai Alat Ukur Temperatur. Skala Temperatur Skala temperatur adalah besar dari satu unit ukuran yaitu satu energi termal rata-rata per molekul dinyatakan oleh satu unit dari skala tersebut. Skala temperatur absolut yaitu skala yang menetapkan temperatur nol suatu material yang tidak mempunyai energi termal (tidak ada getaran molekuler). Skala yang biasa digunakan dalam suatu temperatur yaitu: Skala Farenheit ( 0 F) Skala Celcius ( 0 C) Skala Kelvin ( 0 K) Skala Rankine ( 0 R) 0 C +32 0 F 32 0 C + 273.15 0 F + 459.7 Dibawah ini merupakan gambar dari skala temperatur relatif dengan pergeseran sumbu nol : Gambar 2.5. Skala Temperatur Relatif 22
II.6.1.Tujuan Pengukuran Temperatur Tujuan pengukuran temperatur pada proses adalah untuk : 1. Mencegah kerusakan pada equipment. 2. Mendapat mutu produksi/kondisi operasi yang diinginkan. 3. Pengontrolan jalannya proses. II.6.2. Metode Pengukuran Temperatur Metoda pengukuran temperatur ada dua yaitu : 1. Metode Pemuaian. Panas yang diukur menghasilkan pemuaian. Pemuaian dirubah kedalam bentuk gerak gerak mekanik kemudian dikalibrasi kedalam skala angka-angka yang menunjukkan nilai panas (temperatur) yang diukur. Seperti pada gambar 2.6 berikut: Panas Memuai, Gerak Mekanik Kalibrasi Skala Angka Gambar 2.6. Metode Pemuaian 2. Metode Elektris Panas diukur menghasilkan gaya gerak listrik (Emf). Gaya Gerak Lisrik kemudian dikalibrasi kedalam skala angka-angka yang menunjukan nilai panas (temperatur) yang diukur, seperti pada gambar 2.7 23
Panas Arus Listrik Kalibrasi Skala Angka Gambar 2.7. Metoda Elektris II.6.3. Jenis-Jenis Alat Ukur Temperatur Secara sederhana, alat ukur temperatur dapat dibagi kedalam dua kelompok besaran yaitu : Alat Ukur Temperatur dengan Metoda Pemuaian. Alat Ukur Temperatur dengan metoda Elektris. Alat Ukur Temperatur dengan metoda Pemuaian terdiri dari : 1. Termometer Tabung gelas 2. Termometer Bi-metal 3. Filled Thermal Thermometer Alat Ukur Temperatur dengan Metoda Elektris terdiri dari : 1. Thermocouple 2. Resistansi Thermometer. II.6.4. Termometer Tahanan/ Resistance Temperatur Detector (RTD) Resistance Temperature Detector (RTD) atau dikenal dengan Detektor Temperatur Tahanan adalah salah satu bagian dari instrumen yang digunakan untuk menentukan nilai atau besaran suatu temperatur/suhu, yang menggunakan elemen sensitif dari kawat platina, tembaga, atau nikel murni yang memberikan 24
nilai tahanan yang terbatas untuk masing-masing temperatur di dalam batas suhunya. Tabel 2.1. Range Sensor Temperatur Sensor Temperatur ( 0 C) Temperatur ( 0 F) Tipe K termokopel -200 sampai 1250-328 sampai 2282 Tipe J termokopel 0 sampai 750 32 sampai 1382 Tipe T termokopel -200 sampai 350-328 sampai 662 Tipe E termokopel -200 sampai 900-328 sampai 1652 Pt100 RTD(α = 0,00385) -200 sampai 850-328 sampai 1562 Termistor -40 sampai 200-40 sampai 392 IC sensor -40 sampai 125-40 sampai 257 Infrared termistor -18 sampai 1370 0 sampai 2500 II.6.5. Jenis Logam RTD Beberapa jenis logam yang digunakan pada RTD adalah platinum, nickel dan copper (tembaga), yang masing-masing mempunyai karakteristik yang sesuai dengan kenaikan temperatur dan kenaikan besaran tahanan. A. Platinum Resistance Temperature Detector Dari semua jenis logam, biasanya Resistance Temperature Detector yang sering digunakan pada industri adalah jenis Platinum Resistance Temperature Detector, karena memiliki kemampuan pengukuran suhu yang sangat luas dan memiliki koefisien tahanan terhadap suhu yang besar. Platina memiliki karakteristik optimum dalam melayani berbagai rentang suhu. Meskipun platina itu adalah logam mulia yang paling sempurna dan tidak mudah teroksidasi, namun akan mudah mengalami kontaminasi pada suhu yang 25
tinggi, diakibatkan oleh beberapa jenis gas seperti karbon monoksida, reduksi atmosfir lainnya dan oleh oksida logam. Platina tersedia secara komersial dalam bentuk murni, serta memberikan karakteristik yang tahan terhadap suhu. Platina dengan koefisien temperatur dari tahanan sama dengan 0,00385 Ω/ 0 C (untuk kisaran suhu 0 sampai 100 0 C) telah digunakan sebagai standar untuk termometer industri di Amerika Serikat dan di seluruh Eropa Barat sejak Perang Dunia II. Platina telah semakin mendapatkan perhatian di Amerika Serikat semenjak tidak adanya koefisien standar yang sudah terdefenisi dan diterima secara umum. Platina memiliki titik lebur yang tinggi dan tidak mudah menguap pada suhu dibawah 1.200 0 C. Selain itu, platina juga memiliki kekuatan tarik mencapai 18.000 psi dan resistivitas 60 Ω/(cir mil) (ft) pada 0 0 C (9,83μΩ-cm). Platina adalah bahan yang umumnya sering digunakan dalam pembuatan termometer standar laboratorium untuk pekerjaan kalibrasi. Dalam kenyataannya, termometer resistan platina (biasanya dengan dasar tahanan sama dengan 25,5 Ω pada 0 0 C) adalah merupakan standar yang didefinisikan untuk standar kisaran suhu pada titik oksigen (-182,96 0 C) hingga pada titik antimoni (630,74 0 C) sebagaimana didefinisikan oleh International Practical Temperature Scale tahun 1968 (IPTS 68). B. Nickel Resistance Temperature Detector Untuk pengukuran temperatur pada industri dalam jarak -70 0 C sampai dengan 150 0 C, Resistance Temperature Detector dengan menggunakan jenis elemen logam nikel telah memiliki kegunaan yang luas dan efisien. Nikel 26
memiliki kekuatan tarik 120.000 psi dan resistivitas 38,36 Ω/(cir mil)(ft) pada 0 0 C (6,38 μω-cm). Suhu maksimum dari termometer ini adalah terkait dengan jenis material yang digunakan sebagai pelindung kabel nikel, yang diantaranya lapisan tipis 20 porselein, sutera atau kapas. Pemanfaatan kawat isolasi fiberglass untuk konstruksi elemen secara efektif mendorong batasan suhu maksimum hingga 300 0 C. Diatas suhu 300 0 C nikel akan mengalami perubahan bentuk yang membuat kurva resistensi suhu tidak beraturan. Koefisien suhu dari nikel murni mendekati 0,0066 Ω/ 0 C, sedangkan platinum kurang dari 0,0033 Ω/ 0 C. Sehingga penggunaan nikel yang menggantikan platina dalam termometer resistansi seringkali memberikan sensitivitas yang tinggi. C. Copper Resistance Temperature Detector Tembaga elektrolit dengan kemurnian tertinggi telah tersedia secara komersial, dan memiliki koefisien suhu dengan konsistensi tinggi untuk nilai resistansi sama dengan atau mendekati 0,0042 Ω/ ( 0 C), yang lebih tinggi dari platinum. Elemen resistansi tembaga ini dibuat untuk memanfaatkan koefisien suhu maksimal dan juga dapat dipertukarkan dengan merujuk pada hubungan suhu resistensi. Kisaran suhu Resistance Temperature Detector tembaga adalah berkisar antara -200 hingga +150 0 C, dan memiliki kecenderungan oksidasi pada suhu tinggi. Tembaga memiliki kekuatan tarik 300.000 psi. Resistivitas 27
tembaga adalah 9,38 Ω pada 0 0 C dengan nilai yang lebih rendah dari platina atau nikel. Tabel 2.2. Elemen- elemen RTD Jenis Platina Tembaga Nikel Rangkuman temperatur -300 0 F(-198,6 0 C) sampai +1500 0 F (801,3 0 C) -325 0 F(-212,5 0 C) sampai +250 0 F (106,8) +32 0 F(-14,2 0 C) sampai 150 0 F(51,3 0 C) Ketelitian Keuntungan Kekurangan ±1 0 F (-31,4 0 C) ± 0,5 0 F (-31,7 0 C) ± 0,5 0 F (-31,7 0 C) - Murah - Stabilitas tinggi - Rangkuman kerja lebar - linieritas tinggi - Ketelitian dalam rangkuman temperatur sekeliling - Umur panjang - Sensitivitas tinggi - Koefisien temperatur tinggi - Waktu respon yang relatif lambat (15 S) - tidak selinier tembaga - Rangkuman temperatur terbatas (sampai 250 0 F) - Lebih linier dari pada tembaga - Rangkuman (temperatur terbatas sampai 150 0 F) Tempera tur ( 0 C) Ni-100 - Pt-100 Tabel 2.3. Nilai Resistansi dalam ohm untuk termometer tahanan Ni dan Pt -220-60 0 100 150 180 500 550 850 10,41 69, 5-100 100 161,7 138,5 198,7 157,3 223,1 168,5 - - - 280,9 297,4 390,4 28