BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pabrik kimia merupakan susunan/rangkaian berbagai unit pengolahan yang terintegrasi satu sama lain secara sistematik dan rasional. Tujuan pengoperasian pabrik kimia secara keseluruhan adalah mengubah (mengkonversi) bahan baku menjadi produk yang lebih bernilai guna. Dalam pengoperasiannya pabrik akan selalu mengalami gangguan (disturbance) dari lingkungan eksternal. Selama beroperasi, pabrik harus terus mempertimbangkan aspek keteknikan, keekonomisan, dan kondisi sosial agar tidak terlalu signifikan terpengaruh oleh perubahanperubahan eksternal tersebut. Agar proses selalu stabil dibutuhkan instalasi alat-alat pengendalian. Alat-alat pengendalian dipasang dengan tujuan menjaga keamanan dan keselamatan kerja, memenuhi spesifikasi produk yang diinginkan, menjaga peralatan proses dapat berfungsi sesuai yang diinginkan dalam desain, menjaga agar operasi pabrik tetap ekonomis dan memenuhi persyaratan lingkungan. Untuk memenuhi persyaratan diatas diperlukan pengawasan (monitoring) yang terus menerus terhadap operasi pabrik kimia dan intervensi dari luar (external intervention) untuk mencapai tujuan operasi. Hal ini dapat terlaksana melalui suatu rangkaian peralatan (alat ukur, kerangan, pengendali, dan komputer) dan intervensi manusia (plant managers, plants operators) yang secara bersama membentuk control system. Dalam pengoerasian pabrik diperlukan berbagai prasyarat dan kondisi operasi tertentu, sehingga diperlukan usaha-usaha pemantauan terhadap kondisi operasi pabrik dan pengendalian proses supaya kondisi operasinya stabil. 1.2. Tujuan Instruksional Umum 1. Meningkatkan kemampuan mahasiswa dalam mengoperasikan suatu proses dengan sistem pengendali 2. Mahasiswa akan mampu mengevaluasi proses dengan variasi sistem pengendali umpan balik atau Feedback Controller (Proporsional (P), Integral (I), Derivatif (D), atau gabungan PI, PID, atau PD) 3. Membandingkan sistem performansi pengendali umpan balik dengan sistem pengendali on-off dalam menolak gangguan (disturbance rejection) maupun melakukan jejak titik set (set point tracking) 1.3. Tujuan Instruksional Khusus 1. Mahasiswa mampu mengoperasikan peralatan proses (tangki dengan pemanasan) terutama melakukan kontrol tinggi level atau pun suhu cairan dengan pengendali on off dan umpan balik (Feedback)
2. Mahasiswa mampu menghitung dan mengevaluasi besarnya kesalahan dalam sistem pengendali umpan balik dan on-off 3. Mahasiswa mampu membandingkan performansi sistem pengendali umpan balik dan on-off dalam menolak gangguan ataupun melakukan jejak titik set 4. Mahasiswa mampu membandingkan performansi dari alat proses (tangki dengan pemanasan) pada berbagai nilai konstanta pengendali umpan balik PID yaitu Kc, Time Integral, dan Time Derivative 1.4. Manfaat Percobaan 1. Mengetahui pengoperasian suatu proses dengan system pengendali. 2. Mengetahui evaluasi proses dengan variasi sistem pengendali umpan balik atau Feedback Controller (Proporsional (P), Integral (I), Derivatif (D), atau gabungan PI, PID, atau PD). 3. Mengetahui Perbandingan sistem performansi pengendali umpan balik dengan sistem pengendali on-off dalam menolak gangguan (disturbance rejection) maupun melakukan jejak titik set (set point tracking).
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Teori Dasar Sistem pengendalian proses merupakan faktor yang sangat menentukan dalam menjamin tingkat keberhasilan proses. Dengan unit pengendali yang kuat maka proses dapat dijalankan pada kondisi optimalnya dengan cara merejeksi/menolak segala macam gangguan seperti fluktuasi laju aliran umpan, suhu, aliran pendingin, ataupun gangguan lain yang tidak terprediksi. Marlin menyebutkan bahwa pengendalian proses memberikan kontribusi yang penting dalam safety, perlindungan lingkungan (menekan polusi/emisi bahan berbahaya), perlindungan peralatan terutama dari over capacity/over heated, operasi pabrik yang lancar, menjamin kualitas produk, menjaga operasional pabrik pada keuntungan maksimumnya, dan berguna dalam monitoring dan diagnose proses (Marlin, 1995). Dalam industrik kita mengenal setidaknya ada dua jenis sistem pengendali yang bekerja secara konvensional yaitu sistem pengendali umpan balik (Feedback Control) dan sistem pengendali umpan depan (Feedforward Control). Sistem pengendali umpan balik akan bekerja berdasarkan tingkat kesalahan yang terjadi pada produk yang dimonitor/dikontrol besarnya. Artinya jika variable yang dikontrol nilainya (di-set) mengalami perubahan (error) maka sistem pengendali ini akan bekerja memanipulasi input pasangannya (mengubah besarnya) sehingga nilai variabel yang dikontrol sebagai output akan sama dengan nilai yang diset (ditetapkan besarnya), seperti pada gambar 1 (Stephanopoulos, 1988; Coughannowr, 1991). Set Point Comparator Error Controller Device Input Proses Output sensor Gambar 1: Sistem pengendali umpan balik Dalam feedforward controller, sistem yang terjadi adalah sebaliknya dimana gangguan yang ada diukur lebih dulu, kemudian baru nilai inputnya diubah berdasarkan tingkat gangguan yang ada, sehingga harga output yang menjadi tujuan tidak mengalami perubahan atau pengaruh gangguan terhadap nilai output dapat dikurangi atau dihilangkan (gambar 2).
Input Controller Gangguan Proses Output terukur Gambar 2: Sistem pengendali Feedforward Output 2.2. Perangkat Unit Pengendali Sistem pengendali memerlukan berbagai macam perangkat baik lunak maupun keras. Perangkat lunak berkaitan dengan model proses, korelasi input dan output, sistem manipulasi input, serta program-program lainnya berkaitan dengan pengolahan data karakteristik proses. Sedangkan perangkat keras melibatkan peralatan fisik yang diperlukan, antara lain terdiri dari (Stephanopoulos, 1984): 1. Proses: adalah suatu sistem yang diamati/dikontrol. Proses ini bisa terdiri dari proses kimia seperti reaksi kimia (jenis reaksi (hidrolisa, penyabunan, polimerisasi), fase reaksi (reaksi gas-gas, gas-padar, katalitis dan non katalitis)), maupun fisika (pemanasan, pengisian tangki, pemisahan, ekstraksi, destilasi, pengeringan). Dalam sistem pengendalian konvensional seperti feedback dan feedforward ini proses sebagai suatu sistem harus diidentifikasi dahulu karakteristik prosesnya melalui permodelan matematika dalam sistem dinamik tervalidasi, diuji karakteristikanya berdasarkan pengaruh input terukur terhadap output proses, serta hitung parameter proses yang penting dan digunakan untuk mendesain sistem pengendalinya seperti time delay, time constant, dan process gain. 2. Alat ukur/sensor: Adalah perangkat yang digunakan untuk mengukur input maupun output proses, seperti rotameter dan flow meter untuk mengukur laju alir, thermocouple untuk mengukur suhu, dan gas chromatography untuk mengukur komposisi. Alat ukur lainnya sepeti uji kelembaban udara dalam gas maupun padatan. Prinsipnya adalah apa yang terbaca dalam sensor ini harus dapat ditransmisikan, sehingga dapat dibaca oleh sistem pengolah data/pengendali. Karena sensor ini memberi sinyal maka keberhasilan suatu sistem pengendali juga tergantung pada reliabilitas alat ini. 3. Transducers: supaya hasil pengukuran bisa dibaca oleh pengolah data, maka pengukuran ini harus diubah ke besaran fisik seperti tegangan listrik, tekanan udara. Transducer adalah alat yang digunakan untuk melakukan konversi ini. 4. Transmission lines: Digunakan untuk mengirimkan sinyal dari alat ukur ke unit pengendali. Dulu model transmisi ini hanya menggunakan model penuematis (udara/cairan bertekanan), tapi dengan perkembangan model analog digital dan sistem komputer, sinyal yang dibawa sudah dalam bentuk aliran/sinyal listrik. Jika
output sinyal listrik tidak mencukupi misalkan hanya beberapa milivolt untuk temperatur tertentu, maka digunakan amplifier, untuk menguatkan sinyalnya, sehingga dapat terdeteksi. 5. Controller/Pengendali: Adalah element perangkat keras (hardware), yang memiliki intelegensi. Dia dapat menerima informasi dari alat ukur, dan menentukan tindakan yang harus dilakukan untuk mengendalikan/mempertahankan nilai output. Dulu unit ini hanya dapat melakukan aksi-aksi kontrol sederaha, namun sekarang dengan digital komputer maka kontrol yang rumit dapat dilakukan dengan perangkat ini. 6. The final control elemen (elemen pengendali akhir). Alat ini akan menerima sinyal dari controller dan melakukan aksi sesuai dengan perintah. Sebagai contoh input cairan semakin besar, maka untuk mempertahankan tinggi cairan dalam tangki, valve pengeluaran harus dibuka lebih lebar. Maka unit pengendali ini akan membuka valve sehingga tinggi level cairan dapat sesuai dengan nilai set pointnya. Beberapa unit pengendali akhir adalah control valve, relay-switches untuk on-off controller, variabel-speed pump, dan variable-speed compressor. 7. Recording elements; Adalah perangkat yang men-display proses yang terjadi. Biasanya variabel yang direcord adalah variabel penting yang dikontrol (output), serta variabel yang digunakan untuk pengendali (manipulated variable). Variabel seperti komposisi, suhu, tinggi cairan, laju alir dan lain sebagainya dapat di-display dalam layar monitor, dan datanya dapat disimpan. 2.3. Jenis Pengendali Dalam materi ini disajikan dua jenis sistem pengendali yaitu on-off yang sangat sederhana, dan pengendali feedback (umpan balik). Sistem pengendali on-off bekerja pada rentang kesalahan (galat) tertentu. Misalkan suhu kita diset pada 100 o C. Thermoregulator akan bekerja berdasarkan ketelitian dan kecepatan dalam mengukur suhu proses (sebagai contoh +/- 5). Jika suhu awal proses 60 o C, maka pemanas akan bekerja pada sistem proses, sehingga suhu tercapai 105 o C. Pada kondisi 105 o C pemanas akan mati (off), jika suhu proses turun mencapai 95 o C, pemanas akan menyala lagi. Dan seterusnya sehingga suhu real proses (95-105 o C). Sebagian alat-alat dalam laboratorium di Jurusan Teknik Kimia Undip bekerja dengan model on-off controller ini. Tentu saja besar galat total selama proses akan menjadi besar. A. Sistem Pengendali Feedback Sistem pengendali feedback seperti dalam gambar 1 secara sistematis memiliki tahapan aksi seperti berikut ini: 1. Sensor akan memonitor dan mengukur output yang dikontrol (contoh suhu, level, komposisi, dan sebagainya). 2. Hasil pengukuran ini kemudian dibandingkan nilainya dengan nilai set point yang diinginkan/ditetapkan dalam komparator. Dari komparasi ini menghasilkan galat/error, dimana besarnya error ini akan dikirimkan ke unit pengendali akhir (controller) 3. Controller akan mengubah besarnya input, sehingga nilai output akan dipertahankan sesuai dengan set point-nya.
Tergantung dari jenis feedback, dan besarnya konstanta kontroller yang digunakan, hasil manipulasi ini ternyata memberikan performansi yang berbeda, terutama apabila diukur dari berapa lama nilai output dapat kembali ke kondisi set point, dan berapa nilai total error-nya selama ada gangguan. Bahkan jika kontrolnya terlalu lemah, bisa saja nilai set point tidak dapat dipertahankan, dan proses akan gagal dalam menolak pengaruh gangguan. Sehingga produk yang dihasilkan tidak dapat dipakai. B. Jenis Pengendali Feedback Jenis-jenis pengendali feedback yang umum dipakai adalah: 1. Proporsional: Controller ini akan memanipulasi input proporsional dengan besarnya error (galat) yaitu: Dimana MV(t) adalah nilai input variable yang dimanipulasi, K c (Konstanta Proporsional Controller), E adalah galat output, dan MV(s) adalah nilai input variable pada kondisi steady-statenya (atau nilai MV pada saat output pada kondisi set point-nya). Makin besar harga Kc, maka makin besar response yang ditimbulkan. 2. Proporsional Integral: Controller ini akan memanipulasi input berkaitan dengan besarnya error (galat) mengikuti persamaan: Dimana MV(t) adalah nilai input variable yang dimanipulasi, K c (Konstanta Proporsional Controller), E adalah galat output, MV(s) adalah nilai input variable pada kondisi steady-statenya (atau nilai MV pada saat output pada kondisi set point-nya), t adalah waktu proses, dan T I adalah constant of times integral dari kontroler ini. T I ini biasanya bervariasi antara 0.1 sampai 50 menit. Makin besar harga T I maka, makin lambat response yang dihasilkan. Namun adanya T I ini akan menghilangkan harga off-set 3. Proporsional Integral Derivative: Controller ini akan memanipulasi input berkaitan dengan besarnya error (galat) mengikuti persamaan: Dimana MV(t) adalah nilai input variable yang dimanipulasi, K c (Konstanta Proporsional Controller), E adalah galat output, MV(s) adalah nilai input variable pada kondisi steady-statenya (atau nilai MV pada saat output pada kondisi set point-nya), t adalah waktu proses, dan T I adalah constant of times integral dari kontroler ini. Sedangkan T D adalah waktu derivative. Fungsi dari waktu/time derivative ini adalah untuk mempercepat response terhadap gangguan.
3.1. Bahan dan Alat Yang Digunakan 1. Bahan Yang Digunakan - Air BAB III PELAKSANAAN PERCOBAAN 2. Alat Yang Digunakan Level sensor Air masuk Tangki Proses PID controller Set Point Power set Pompa Air keluar thermocouple Electric Heater Monitor Reservoir CPU - CPU - Monitor - Electric Heater - PID Controller - Thermocouple - Reservoir - Pompa - Tangki Proses - Level Sensor Gambar 3 : Rangkaian Alat Praktikum 3.2. Variabel Operasi
a. Variabel Tetap - Kc - Time Integral - Time Derivative b. Variabel Berubah - Suhu Cairan 3.3. Respon Uji Hasil Kesalahan dalam sistem pengendali umpan balik dan on-off 3.4. Prosedur Percobaan a. Disturbance Rejection (penolakan gangguan) Materi ini mempelajari pengaruh jenis pengendali on-off dan feedback, serta besarnya konstanta controller dalam merejeksi gangguan pada level dan temperatur kontrol (Djaeni, 1999). Sebagai obyek percobaan adalah temperature atau level controller. Cara yang dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Jalankan alat sesuai dengan petunjuk operasi (lampiran), 2. Pilih menu PID dan masukkan harga Konstanta Controller dan nilai set point. 3. Operasikan alat sampai nilai set point tercapai. 4. Berikan gangguan pada sistem dengan mengubah valve yang keluar atau menambah cairan pada tangki dengan volume tertentu (misalkan 3 liter) 5. Amati response yang terjadi dan tunggu sampai kondisi set point tercapai 6. Simpan data percobaan, dan hitung sum of square error-(sse) nya dalam MSExcell 7. Ulangi percobaan untuk berbagai variasi nilai konstanta controller (K c, T I, dan T D ) 8. Bandingkan performansi pengendali/controller dalam menolak gangguan (disturance rejection) berdasarkan nilai SSE 9. Ulangi percobaan dengan memilih menu on-off, dan jalankan alat serta hitung SSE-nya 10. Lakukan juga percobaan untuk pengendali temperature b. Set Point Tracking (Jejak Titik Set) Materi ini mempelajari pengaruh jenis pengendali on-off dan feedback, serta besarnya konstanta controller dalam melakukan pengubahan jejak titik set atau set point tracking (Djaeni, 1999). Artinya pada suatu saat/alasan tertentu nilai set point dari suatu alat dapat mengalami perubahan. Unit kontrol akan bekerja meresponse perubahan ini, sehingga set point segera dapat berubah sesuai dengan keinginan/tuntutan proses/operator. Cara yang dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Jalankan alat dijalankan sesuai dengan petunjuk operasi (lampiran), pilih menu PID 2. Masukkan harga konstanta pengendalinya (sesuai point 2 section 5.1) dan nilai set point 1. 3. Operasikan alat sampai nilai set point 1 tercapai
4. Tunggu sampai 1-2 menit kondisi steady state dengan set point 1 berjalan 5. Lakukan pengubahan nilai set point 1 ke set point 2 6. Amati perubahan response yang terjadi dan tunggu sampai set point 2 tercapai 7. Biarkan proses stedy-state selama 1-2 menit 8. Simpan data percobaan, dan hitung sum of square error (SSE) nya dalam MSExcell 9. Ulangi percobaan untuk berbagai variasi nilai konstanta controller (K c, T I, dan T D sesuai point 7 section 5.1) 10. Bandingkan performansi pengendali/controller berdasarkan nilai SSE 11. Lakukan juga percobaan jejak titik set seperti pada gambar berikut untuk berbagai nilai konstanta kontroller-nya (K c, T I, dan T D ) sesuai point 7 12. Lakukan percobaan untuk on-off controller, dan bandingkan response serta nilai SSE 13. Lakukan juga percobaan untuk pengendali temperature Set point 2 Set point 1 Set point 4 Set point 3 Waktu 1 Waktu 2 Waktu 3 Gambar 4: Percobaan jejak titik set atau set point tracking (Djaeni, 1999)
DAFTAR PUSTAKA Coughannowr, D.R. 1991. Process System Analysis and Control, 2 nd Edition. McGraw- Hill, Inc., USA Djaeni, M. 1999. Modelling and Control of Fuel Cell System. Master Thesis, UTM, Malaysia Hutagulung, Michael. 2008. Pengendalian Proses (Bagian 1). Dalam http://majarimagazine.com/2008/02/pengendalian-proses-1/. Diakses pada 28 Maret 2013 pukul 05.35 WIB. Marlin, T.E. 1995. Process Control: Designing Process and Control Systems for Dynamic Performance. McGraw-Hill, Inc., USA Stephanopoulos, G. 1984. Chemical Process Control: An Introduction to Theory and Practice. Prentice-Hall, New Jersey, USA