BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Umum Didalam dunia industri, dituntut suatu proses kerja yang aman dan berefisiensi tinggi agar menghasilkan produk dengan kualitas baik dalam jumlah banyak serta dengan waktu yang telah ditentukan. Otomatisasi sangat membantu dalam kelancaran operasional, keamanan (investasi, lingkungan), ekonomi (biaya produksi) maupun mutu produk, dll. Ada banyak proses yang harus dikerjakan untuk mengahasilkan suatu produk sesuai standar, sehingga ada banyak parameter yang harus dikendalikan antara lain tekanan (pressure), aliran (flow). Suhu (temperature), ketinggian (level), kerapatan (intensity), dll. Gabungan kerja dari berbagai alat-alat pengendali dalam proses produksi dinamakan sistem pengendali proses (process kontrol sistem). Sedangkan semua peralatan yang membentuk sistem pengendali disebut instrumentasi pengendali proses (process kontrol instrumentation). Kedua istilah ilmu kontrol tersebut sangat berhubungan erat, namun keduanya sangat berbeda hakikatnya. Pembahasan disiplin ilmu Proses Kontrol Instrumentation lebih kepada pemahaman tentang kerja alat instrumentasi, sedangkan disiplin ilmu Process Kontrol Sistem mengenai sistem kerja suatu proses produksi. Contohnya sistem pengendalian pada pabrik pencairan gas alam di PT.Arun NGL, perusahaan ini memiliki banyak sekali sistem pengendali otomatis pada unit-unit
prosesnya seperti pengendali proses pada MHE, pada gas liquefaction, dll. Pada kesempatan ini, saya akan membahas sistem pengendalian aliran feedwater boiler dengan Three Element Kontrol pada unit 92 HRSG (Heat Recovery Steam Generation). 2.2 Prinsip Pengendali Proses Ada 3 parameter yang harus diperhatikan sebagai tinjauan pada suatu sistem pengendali proses yaitu : 1. cara kerja pengendali 2. keterbatasan manusia dalam mengendali proses 3. peran instrumentasi dalam membantu manusia mengendalikan proses Empat langkah yang harus dikerjakan operator yaitu mangukur, membandingkan, menghitung, mengkoreksi. Pada waktu operator mengamati ketinggian level, yang dikerjakan sebenarnya adalah mengukur process variable (besaran parameter proses yang dikendalikan ). Contohnya proses pengendalian level didalam tangki secara manual, proses variabelnya adalah level. Lalu operator membandingkan apakah hasil pengukuran tadi disebut set point. Misalkan level tangki yang dikehendaki selalu 40% maka set point didalam sistem pengendalian ini besarnya 40%. Perbedaan antara process variable dan set point disebut error.
Proses variabel bisa lebih besar atau bisa juga lebih kecil dari pada set point. Oleh karena itu error bisa diartikan negative dan juga bisa positif. Blok diagram dari sistem kontrol boiler dapat dilihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 Blok Diagram Sistem Kontrol Boiler 2.3 Sistem Kontrol Otomatis Suatu sistem kontrol otomatis dalam suatu proses kerja berfungsi mengendalikan proses tanpa adanya campur tangan manusia. Ada beberapa sistem kontrol otomatis yaitu : A. 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.
B. 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. C. 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. 2.4 Analisa Sistem Kontrol Persoalan-persoalan pada kontrol sistem adalah kriteria-kriteria sistem yang harus harus dipenuhi untuk mendapatkan suatu sistem yang baik yaitu : 1. transient respon 2. steady state response 3. sensitivity 4. stability Pencapaian komposisi terbaik dari gabungan keempat kriteria diatas, dilakukan dengan analisa terhadap masing-masing kriteria berdasarkan metodemetode root locus, bode diagram, nyquist, dsb. Berdasarkan analisis kriteria yang diperoleh dapat ditentukan kriteria yang dapat diperoleh dapat ditentukan kriteria terbaik yang dikehendaki, maka perbaikan performance dapat dilakukan dengan dua cara yaitu kompensasi pararel dan kompensasi seri. Berdasarkan besarnya error, dapat ditentukan kearah mana dan seberapa besar koreksi bukaan valve perlu dilakukan. Bila error bernilai negative, maka
flow harus dikurangi dengan mengurangi bukaan valve. Sebaiknya bila error positif maka flow harus ditambahkan dengan membuka valve. 2.5 Aksi Pengontrolan Aksi pengontrolan yang umumnya dikenal pada sistem alat kontrol terdapat enam jenis yaitu : a. Pengendali on-off (two position kontroller) Karakteristik pengendali on off ini hanya bekerja pada dua posisi, yaitu on dan off. Kerja pengendali 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 pengendali ini akan menyebabkan proses variabel tidak akan konstan. Besar kecilnya fluktuasi process variabel ditentukan oleh titik dimana kontroller dalam keadaan on dan off. Pengendali dengan aksi kontrol ini juga menggunakan feedback. b. Pengendali Proporsional Aksi kontrol proporsional memiliki karakteristik dimana besar output unit kontrol P selalu sebanding dengan besarnya input. Bentuk transfer function dari aksi pengendali proporsional sbb : Gain kontrol proporsional dapat berupa bilangan bulat, bilangan pecahan, positif atau juga negatif. Dengan syrat 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 proporsional band. c. Pengendali 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. d. Pengendali derivatif Memiliki karakteristik cenderung untuk mendahuluiatau bisa disebut anti pasif kontrolling. Oleh karena itu aksi kontrol ini sering diterapkan pada sistem yang memiliki inersia tinggi yang bersifat lagging. Berikut adalah grafik dari pengontrolan derivatif : e. Pengendalian proporsional + integral Pada pengontrolan proporsional dapat menimbulkan offset pada keluaran pengendali. Untuk proses-proses dimana offset tidak dapat ditolerir maka perlu ditambahklan 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. Apabila sinyal pengukuran meningkat dan tekanan pada ttik acuan dalam keadaan tetap maka titik B akan bergerak ke kanan sehingga floofer akan menutupi nozzle dan turunnya tekanan keluaran. Tekanan keluaran dari proporsional bellow mengikuti perubahan tekanan keluaran dengan waktu selisih
yang kecil, sedangkan pada integral bellow akan mengalami perubahan yang lambat ( dengan adanya perubahan pada katup ). f. Pengendali proporsional + integral + derivatif Sistem pengendali derivatif merupakan pengendali dengan proses umpan balik yang berlawanan dengan cara pengendali cara pengendali integral. Penambahan aksi derivatif pada pengendali proporsioanal + integral bertujuan untuk meningkatkan kestabilan pengendalian diperoleh dari penurunan overshoot. Jika terjadi perubahan sinyal pengukuran maka keluaran pengendali dengan proporsional bellow tidak terhubung langsung tetapi katup yang akan memperkecil aliran ke arah proporsional bellow. 2.6 Pemakaian Instrument Penggunaan alat instrument di PT. Arun banyak digunakan untuk mengontrol liquid diantaranya : 1. 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 di ukur oleh sensor level yaitu cairan (liquid), lumpur, curah hujan, serta polusi. 2. Flow (aliran), aliran dalam sebuah pipa. Elemen proses flow merupakan salah satu jenis pengendali akhir yang paling umum dipakai untuk sistem pengendali proses. 3. Pressure (tekanan), tekanan liquid dalam sebuah pipa atau vessel.
Prinsip kerjanya sama dengan proses flow karena sama-sama mengendalikan flow. 4. Temperature (suhu), suhu pada unit unit proses. Pengukuran suhu biasanya terjadi pada suatu unit proses yang memerlukan perubahan suhu, baik jenis liquid jenis maupun yang lainnya. Misalnya perpindahan panas yang terjadi pada sistem pengukuran suhu yaitu pada proses endotermis (suatu perolehan energi panas dari dari suatu media panas), Seperti yang terjadi pada heat exchanger. 2.7 Elemen Elemen Sistem Instrumentasi Untuk Mengendalikan besaran besaran fisis ( temperature, level, tekanan dan flow ), dibutuhkan beberapa komponen untuk mengukur besaran besaran tersebut yaitu : 1. Sensing Elemen Bagian yang paling utama dari suatu sistem pengukuran, contohnya termokopel. 2. Transmitter Alat yang berespon terhadap variabel yang diukur dengan perantara sesnsing elemen, lalu diubaha menjadi sinyal tranmisi yang standar. 3. Kontroller a. membandingkan set point dengan measurement variabel. b. menghitung koreksi yang perlu dilakukan. c. mengeluarkan sinyal koreksi sesuai dengan hasil perhitungan. 4. Kontrol Valve Kontrol valve dapat bekerja pada 2 posisi yaitu terbuka penuh tertutup penuh. Pengendalian yang menggunakan pengendali (P, PI, PD dan PID),
kontrol valve diharapkan secara kontinyu mengendalikan nilai input dari suatu proses agar tetap sama dengan set point. 5. Actuator Berfungsi sebagai penggerak kontrol valve agar dapat membuka dan menutup. 2.8 Sistem Pengendalian Aliran (flow) Pengendalian flow memilki sifat khusus karena cepatnya proses. Elemen proses flow, baik flow gas maupun flow zat cair bereaksi cepat terhadap perubahan bukaan kontrol valve. Dinamika prosesnya adalah proses orde 1 dan time constant-nya berkisar antara 0,4 detik hingga 1 detik. Padahal time constant elemen-elemen lain (seperti transmitter, transmisi sinyal pengukuran pneumatik, transmisi kontroller ke kontrol valve dan kontrol valve ke time constant) jauh lebih besar dari time constant elemen proses. Jadi dalam bentuk loop, periode respon sistem pengendali flow lebih ditentukan oleh elemen-elemen instrumentasi daripada elemen prosesnya.periode respon berkisar antara 1 sampai 10 detik sehingga setting time-nya berkisar sekitar 1 menit. Berdasarkan sifat sinyalnya, metode pengukuran flow dapat dibagi menjadi dua yaitu linier dan non-linier. Pada dasarnya semua metode yang berdasarkan pada prinsip differential head akan menghasikan sinyal yang tidak linier. Pada metode ini di tengah-tengah pipa dipasang sebuah constriction element, dimana beda tekanan pada constriction element inilh yang dibaca sebagai cerminan laju flow.
Ciri lain pengedali flow adalah sifat sinyal pengukuran flow yang selalu mengandung noise, karena alasan inilah banyak flow transmitter yang dilengkapi dengan damping. Tetapi penggunaan damping juga dapat menyebabkan resiko kelambatan pada sistem pengukuran dan damping yang terlalu besar justru akan menipu hasil pengukuran. Konsekuensinya, pengendali memerlukan unsur integral untuk mengurangi offset yang mungkin timbul karena terbatasnya proportional band. Itulah sebabnya, hampir semua pengendali flow tidak dapat menngunakan unsur derivatif. Karena kecilnya time constant elemen proses flow, derivatif memang tidak diperlukan disini. Hal lainnya yang diperlukan adalah pengaruh hysterisis dari kontrol valve dan perlu tidaknya valve positioner dipakai pada pengendali flow. Hysterisis mempunyai pengaruh yang cukup besar dalam respon pengendalian, elain itu efek hysterisis pada respon tidak mudah tidak mudah disimulasikan di lapangan. Valve positioner tidak dapat digunakan pada flow loop karena valve positioner sendiri adalah sebuah kontroller proporsional dengan gain yang sangat tinngi. Pemakaian valve positioner pada sebuah loop, secara tidak langsung akan membentuk sistem pengendali cascade loop. Cascade loop dalam hal ini akan mempunyai master loop yang jauh lebih cepat daripada bagian slave, karena keadaan itulah pengendali akan mudah menjadi kacau dan tidak stabil.