X Sistem Pengendalian Advance
KENDALI CASCADE Control cascade adalah sebuah metode control yang memiliki minimal dua buah loop pengontrolan : a. loop pengontrolan primer atau master b. loop pengontrolan sekunder atau slave loop Dalam system heat exchanger tersebut, tugas utama yang dilakukan oleh system control adalah mengatasi berbagai macam gangguan seperti perubahan tekanan steam yang digunakan sebagai sumber energy panas. Perubahan tekanan dapat terjadi karena boiler pemasok steam yang sama umumnya digunakan juga untuk utilitas atau system heat exchanger yang lain. Pengontrolan loop PID tunggal umumnya akan menghasilkan unjuk kerja yang tidak memuaskan. untuk mengatasi keterlambatan aksi control pada system heat exchanger, pengontrolan temperature fluida outlet dapat dilakukan dengan meregulasi laju aliran steam secara langsung. 2
Sistem Pengendalian Heat Exchanger dengan Cascade Gambar 10.1 Kendali Cascade 3
Control laju aliran steam bertindak sebagai loop pengontrolan sekunder, sedangkan control temperature bertindak sebagai loop pengontrolan primer( control utama). Gambar 10.2 Kendali loop tertutup Cascade 4
Diagram Blok dan Model Matematis Proses Sistem Kendali Cascade Gambar 10.3 Blok diagram Kendali Cascade H1(s) merupakan fungsi alih perubahan temperatur fluida outlet terhadap perubahan laju aliran steam. d2 menggambarkan perubahan tekanan steam yang secara langsung mempengaruhi laju aliran steam. 5
Prosedur Tuning PID Dengan Kendali Cascade Sekunder Gambar 10.4 Aliran sinyal kontrol pada mode manual Primer Gambar 10.5 Aliran sinyal kontrol pada mode auto 6
Gambar Aliran sinyal kontrol lengkap pada mode cascade Gambar 10.6 Aliran sinyal kontrol lengkap dengan mode cascade 7
Langkah-Langkah Tuning Pengendalian Cascade Letakan kedua loop control pada mode manual Lakukan tuning terlebih dahulu pada loop sekunder, seperti pada tuning system control PID loop tunggal. setelah setting di secondary loop menghasilkan response yang cukup mantap, persiapkan tuning primary loop. Letakkan primary loop pada posisi auto dan lakukan tuning primary loop. Jika, primary loop cenderung berisolasi, maka primary loop terlalu sensitif. Kurangi sensitivitas dengan menurunkan gain. 8
Perbedaan cascade dengan feedback Gambar 10.7 Feed back Gambar 10.8 cascade 9
Perbedaan feedback dan cascade (blok diagram) Gambar 10.9 Diagram blok Feedback Gambar 10.10 Diagram Blok cascade 10
Perancangan system control cascade Tinjau diagram blok system control cascade pada gambar 10.11 dibawah Gambar 10.11 mode control cascade Untuk proses tersebut diketahui fungsi alih loop primer (H1(s)) dan loop sekunder (H2(s)) berturut-turut adalah: 11
Pertanyaaan 1. Jika kedua controller yang digunakan berjenis PI, carilah parameter optimalnya menurut metode Chien Regulator 1 2. Dengan menggunakan bantuan matlab Simulink,simulasikan output system control hasil jawaban diatas terkait dengan terjadinya gangguan d2 Penyelesaian Pada system control cascade, kontroler yang perlu di tuning terlebih dulu adalah kontroler pada loop sekundernya. Dengan menggunakan metode chien regulator 1 (lihat table 2.4 pada bab 2), didapat parameter control PI pada loop sekunder tersebut sesbesar: T1=4L=4x1=4 Khusus untuk control PI pada loop primer, parameter kontroler dapat dicari jika terlebih dulu diketahui fungsi alih atau model antara sinyal input loop sekunder CO1 terhadap variable primer yang dikontrol PV1 (lihat ilustrasinya pada gamba 4.19 di bawah) 12
KENDALI RATIO Definisi Kendali Ratio adalah Sistem Pengendalian yang biasa digunakan di suatu proses yang menghendaki komposisi campuran dua komponen atau lebih dengan suatu perbandingan tertentu. Dalam dunia industri, banyak kebutuhan proses yang tidak dapat diselesaikan dengan loop sederhana yang hanya mengandalkan sebuah mata rantai feedback. Khusus untuk proses yang melibatkan operasi pencampuran (mixing), selain skema kontrol cascade dan feedforward, sistem kontrol multiloop lain yang dapat dijumpai adalah Ratio Control. 13
Sistem pengendalian pada proses pencampuran Mengendalikan laju alir A dan B pada nilai set-pointnya, sehingga perbandingannya tetap: Masalah: Laju alir A bervariasi karena mungkin A merupakan MV untuk proses lain. Dalam hal ini Gambar 10.12mode kendali Ratio arus A disebut wild flow. 14
Pengendalian rasio pada sistem pencampuran Pengukuran laju alir A (wild-flow) dan mengalikannya dengan rasio (R) di FY102. F = RF Output FY102 merupakan setpoint FC101. Jadi, seiring dengan berubahnya A, setpoint pengendali laju alir B berubah untuk menjaga kedua aliran pada rasio yang diinginkan. Sistem ini adalah linear: Gambar 10.13 mode control cascade alternatif 1 15
Pengendalian rasio pada sistem pencampuran Pengukuran laju alir A dan laju alir B, dan pembagiannya di FY102 merupakan perbandingan (rasio) yang sesungguhnya. Sinyal R (actual ratio) dikirim ke pengendali RC101, dimana set-point-nya adalah rasio yang diinginkan dan dapat diset di tempat (local). Gambar 10.14 mode control cascade alternatif 2 16
Pengendalian rasio pada sistem pencampuran Set-point A dapat diubah. Dengan mengubah set-point A di FC102, maka set-point B di FC101 juga berubah secara otomatis. Alternatif 1 dan 3 paling umum digunakan di industri. Gambar 10.15 mode control cascade alternatif 3 17
Contoh Model Pengendalian rasio pada sistem pencampuran 18
Multivariable vs. Multi-loops Controller Inputs Process Outputs Controller Mulit-loops Scheme Inputs Process Outputs Controller Mulit-variables Scheme 19
Pengendalian Split Range Karena control valve harus mampu mengendalikan flow yang kecil sampai flow yang besar. Diperlukan control valve dengan rangeability yang besar. Kalau kebutuhan rangeability sampai mencapai 500:1, mutlak diperlukan setidaknya dua buah control valve. Pemberian nama split range datang dari adanya pemisahan (split) kerja low-flow dan high-flow. Pengendalian yang memerlukan dua control valve untuk mengendalikan satu process variable 1. Low-flow Bekerja pada sinyal 3-9 psi (0-50%) 2. High-Flow Bekerja pada sinyal 9-15 psi (50%-100%) Dalam diagram kotak terdapat satu final control element karena kerja kedua control valve bergantian (sequencing). 20
Control Valve Split Range Mengkalibrasi valve positioner untuk low-flow agar bekerja di sinyal 3-9 psi, dan high-flow di sinyal 9-15 psi. Ada kekuatiran pada aplikasi tertentu terjadi perpindahan kerja low-flow ke high-flow dan sebaliknya menjadi terlalu sering gangguan mata rantai kerja sistem pengendalian.. Terutama kalau kerja controller ada di sekitar titik 50%. Kedua control valve itu harus dijaga agar tidak terbuka bersamaan. Andaikata valve low-flow masih terbuka penuh, tetapi valve high-flow sudah mulai terbuka, karakteristik kedua control valve menjadi saling mempengaruhi sehingga response di titik itu bisa menjadi tidak stabil. 21
Control Valve Split Range Salah satu cara mengatasi kemungkinan di atas adalah dengan menambahkan sebuah pressure switch high Low (PSHL) yang mempunyai adjustable dead band sebagai penentu perpindahan kerja control valve. Dengan cara ini, perpindahan low-flow ke high-flow lebih dapat diatur dan kebutuhan agar hanya satu control valve yang terbuka dapat lebih terjamin. Sudah barang tentu perpindahan kerja low-flow ke high-flow juga harus berjalan secepat mungkin. Mata rantai sistem pengendalian juga diharapkan tidak terputus karena adanya interupsi flow. Cara lain untuk menghindari seringnya perpindahan FV-1 dan FV-2 adalah dengan membuat rangeability FV-1 berhimpit (overlap) dengan rangeability FV-2. Dengan berhimpitnya rangeability kedua control valve, daerah kerajanya juga berhimpit, sehingga akan mengurangi perpindahan low-flow ke high-flow maupun sebaliknya. Berhimpitnya kedua rangeability control valve itu juga merupakan salah satu cara untuk mempercepat masa transisi flow. 22
Karakteristik Valve Sistem Split Range Hanya valve dengan karakteristik equal percentage yang dapat dipakai di sistem split range. Karena hanya valve dengan karakteristik equal percentage yang akhirnya menjadi linear bilamana terpasang di sistem pipa. Kunci sukses kerja sistem split range ada pada karakteristik kedua control valve tersebut. Kedua karakteristik itu tidak sekedar harus linear, tetapi juga harus berhimpit satu sama lain dalam satu garis lurus. Andaikata mereka masing-masing lurus, namun tidak berhimpit, tetap saja ada perubahan gain di saat perpindahan low-flow ke high-flow. Akibatnya, response saat low-flow berlainan dengan response saat high-flow. Jika karakteristik kedua control valve yang ada di sistem split range memang dapat membentuk satu garis lurus, sesungguhnya pengendalian split range menjadi tidak berbeda dengan sistem pengendalian dengan satu control valve. 23
Aplikasi Control Split Range Sinyal dari kontroler PSHL Flow Input Flow Output 24
Karakteristik Manipulated Variable 100 2 1 Low Flow High Flow 0 50% 100% Manipulated Variable 25
26
27
Sebuah reaktor batch pada saat start up harus disuplai steam dengan flowrate tertentu (katakanlah 100 m3/hr). Dengan alasan safety, pengisian steam dijaga agar tekanan reaktor tidak melebihi tekanan tertentu (katakanlah 10 bar). Input steam dikontrol melalui sebuah control valve dengan sistem LOW SELECTOR controller, yang mana input dari low selector controller adalah berupa FC (Flow Control) dan PC (Pressure Control). FC mengontrol laju alir volumetrik steam, sedangkan PC mengatur pressure di dalam reaktor. LOW SELECTOR berarti control valve (sebagai final element) akan memberikan bukaan berdasarkan nilai TERKECIL dari sebuah controller. Saat start up, operator akan memasukkan set point FC dan 100 m3/hr dan memasukkan set point PC 10 bar. 28
saat start up, karena tekanan di reaktor masih rendah (atmosferik), sedangkan set point PC adalah 10 bar, maka logic dari PC akan memerintahkan control valve untuk membuka 100%. Sementara itu, FC diset di 100 m3/h. Katakanlah control valve diperintahkan untuk membuka 70% pada set point 100 t/h. Maka sekarang controller memiliki 2 sinyal perintah yang akan dipilhnya : Bukaan 100% vs 70%... Ingat, bahwa ini adalah LOW SELECTOR. Dan LOW SELECTOR memilih nilai TERKECIL diantara dua atau lebih nilai input Clue: LOW = KECIL Tentu saja 70% lebih kecil. Karena LOW SELECTOR akan memilih perintah bukaan terkecil, yakni dalam hal ini 70%, maka pada awal start up, control valve akan membuka di 70%. Saat ini, flow takes all the control. Flow adalah master, pressure menjadi slave-nya. Seiring berjalannya waktu, tekanan reaktor akan meningkat karena terus disuplai steam. 29
Misalkan pressure telah mencapai 10 bar. Pada 10 bar, menurut si Pressure Controller, bukaan valve haruslah (let say) 20%, karena saat ini, jumlah steam sudah mulai harus dibatasi karena mulai mendekati set pointnya. Jika tidak, maka kemungkinan akan terjadi overpressure di dalam reaktor yang dapat menyebabkan reaktor meledak. Sementara, karena input set point operator untuk flow tidak berubah (100 m3/hr), FC masih tetap memerintahkan control valve untuk membuka di 70%. Again.. Maka saat ini controller menerima pilihan opening 20% vs 70%... dan ini adalah LOW SELECTOR Kali ini controller akan memilih 20% sebagai nilai terkecil. Maka, control valve akan mengambil perintah dari PC,karena output dari PC memberikan nilai bukaan terkecil. Kebalikan dari proses sebelumnya, pada saat ini, pressure akan take control. Pressure menjadi master, dan flow menjadi slave. 30
Selector 31
Aplikasi Split Range Pada LAbView 32
Terima kasih 33