BAB II LANDASAN TEORI II.1. Sistem Kontrol Dalam proses industri sering dibutuhkan besaran-besaran yang memerlukan kondisi atau persyaratan yang khusus seperti ketelitian yang tinggi, harga yang konstan untuk selang waktu tertentu, perbandingan yang tetap antara dua variabel atau besaran, atau suatu besaran sebagai fungsi dari pada besaran lainnya. Jelas semuanya ini tidak perlu dilakukan hanya dengan pengukuran saja, tetapi juga memerlukan suatu cara pengontrolan agar syarat-syarat tersebut dapat dipenuhi. Karena alasan inilah diperkenalkan suatu konsep pengontrolan yang disebut sistem pngontrolan, sistm kontrol, tehinik pengaturan atau sistem kendali. Istilah yang lebih populer adalah pengontrolan secara otomatik. Instrumentasi dan pngontrolan merupakan suatu bidang yang saling menunjang, terutama dalam syarat-syarat khusus seperti diatas. II.1.1. Pengelompokan Secara sederhana dapat disebutkan, sistem kontrol adalah proses pengaturan atau pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga tertentu. Ditinjau dari segi peralatan, sistem kontrol terdiri dari berbagai susunan komponen fisis yang digunakan untuk mengarahkan aliran energi ke suatu mesin atau proses agar dapat menghasilakan yang kita inginkan. Tujuan utama dari suatu sistem pengontrolan adalah untuk mendapatkan optimasi dimana hal ini diperoleh berdasarkan fungsi daripada sistem kontrol itu sendiri Sistem dapat dikelompokkan menjadi: a. Manual dan otomatis Pengontrolan secara manual adalah pengontrolan yang dilakukan yang dilakukan oleh manusia yang bertindak sebagai operator, sedang pengontrolan secara otomatis yaitu pengontrolan yang dilakukan oleh mesin atau peralatan yang bekerja secara otomatis dan operasinya dibawah pengawasan manusia. b. Jaringan tertutup (closed loop) dan jaringan terbuka (open loop) 9
Close loop adalah : Sistem pengontrolan dimana besaran kekuatan memberiakan efek terhadap besaran masukan sehingga besaran yang dikontrol dapat dibandingakan dengan harga yang diinginkan. Open loop adalah : Dimana kekuatan tidak memberikan efek terhadap besaran masukan, sehingga variabel yang dikontrol tidak dapat dibandingkan dengan harga yang diinginkan. II.1.2 Evaluasi Suatu Proses Kontrol Evaluasi adalah suatu performa atau unjuk kerja dari sistem sederhana yang menjelaskan suatu proses kontrol lup dalam tugas trtntu untuk meregulasi beberapa variabel dinamis proses. Secara umum dapat diuraikan menjadi : Error, suatu sistem yang mempertahankan suatu variabel dinamis yang diukur (C) pada harga tertentu sesuai dengan set pint C sp Sistem Error, Suatu sistem pengukuran dari perbedaan error antara nilai set poin variabel kontrol dengan aktual dari variabel yang dipertahankan oleh sistem, dan sistem error ini dapat diperbaiki dengan suatu pengurangan sisten error. Set Point, adalah niali dari suatu variabel dinamik yang diukur dalam proses nilai setpoint atau C sp. Jadi bila suatu variabel kontrol diperlukan maka nilai aktual variabel yang dikontrol berkisar sebagai C sp ± C. Semakin besar C mak asemakin mudahlah untuk melakukan pengontrolan. Respon Dinamik, suatu sistem merupakan pengukuran reaksi sistem sebagai fungsi waktu dalam pengoreksian transien input atau pengesetan set poin yang baru. Respon dinamik adalah kriteria dasar dari evaluasi sistem yang dibentuk. Respon Transein, merupakan kemampuan dari suatu sistem dinamik untuk mempertahankan keadaan ketika menerima perubahan yang tiba-tiba dari proses yang menyebabkan dari berubahnya variabel kontrol. 10
II.1.3 Perbandingan Kontrol Lup Terbuka dan Tertutup. Suatu kelelbihan dari sistem lup kontrol tertutup adalah penggunaan umpan balik yang membuat respon sistem relatif berkutang terhadap gangguan eksternal dan perubahan internal pada parameter sistem. Jadi dapat dimungkin untuk menggunakan komponen yang relatif kurang teliti dan lebih mudah untuk mendapatkan pengontrolan plant dengan teliti. Hal ini tidak mungkin didapat pada sistem kontrol lup terbuka. Dari segi kestabilan sistem kontrol lup terbuka lebih mudah dibuat karena kestabilan bukanlah merupakan persoalan yang utama pada sistem kontrol lup tertutup untuk menghadapi kecenderungan terjadinya perubahan ataupun kesalahan. II.1.4. Elemen dan Variabel Sistem Setiap proses kontrol terdiri dari unit yang membentukntya yang disebut elemen sistem dan selajutnya elemen ini terdiri dari komponen-komponen Suatu proses kontrol sewcara fungsional dapat dinyatakan oleh blok diagram yang bentuknya bergantung pada jumlah elemen. v + e c Gv G1 G2 b c H Gambar 2.1 Elemen sistem kontrol loop tertutup 11
Secara umum elemen dari sebuah sistem kontrol rangkaian terdiri dari : 1. Masukan (Gv), elemen ini berfungsi untuk mengubah besaran yang dikontrol menjadi sinyal masukan acuan (r) bagi sistem kontrol 2. Pengontrol (G1), berfungsi untuk memproses kesalahan yang terjadi setelah kesalahan tersebut dilewatkan (fimasukkan) melaui elemen pengontrol, akan dihasilkan sinyal yang berfungsi sebagai pengontrol proses. 3. Sistem (proses, G2), elemen ini dapat berupa proses mekanis, elektris, hidraulis, pneumatis, maupun kombinasinya. 4. Jalur umpan balik (feedback element, H), bagian sistem yang mengukur keluaran yang dikontrol dan kemudian mengubahnya menjadi sinyal umpan balik 5. Elemen/jalur maju (forward gain), bagian daripada sistem kontrol tanpa elemen umpan balik. Berdasarkan jumlah elemen yang menyusun suatu sistem kontrol, terdapat beberapa variabel pengontrolan, yaitu : a. Set Point (V), adalah harga yang diinginkan bagi variabel yang dikontrol selama pengontrolan. Harga ini tidak tergantung dari keluaran sistem. b. Masukan acuan (r), sinyal aktual yang masuk kedlam sistem kontrol. Sinyal ini diperoleh dengan menyetel harga set point melalui masukan (misal sebuah saklar pemilih atau (selector swich)sehingga dapat dipakai dalam sistem kontrol. c. Keluaran yang dikontrol (controlled output, c), merupakan harga atau nilai yang akan dipertahankan bagi variabel yang dikontrol, dan merupakan harga yang yang ditunjukkan oleh pencatat. d. Variabel yang dimanipulasi (manipulated variabel, ). Sinyal yang keluar dari elemen pengontrol dan perfungsi sebagai sinyal pengontrol tanpa adanya gangguan (u) e. Sinyal umpan balik (feedblack sinyal, b ). Sinyal yang merupakan fungsi dari keluaran yang dicatat oleh pencatat. f. Kesalahan (error, actuating singnal, e). Selisih antara sinyal acyan masukan dan sinyal umpan balik. Sinyal ini adalah sinyal yang dimasukkan ke elemen pengontrol dan harganya diinginkan sekecil mungkin. 12
g. Sinyal gangguan (disturbance, u) merupakan sinyal-sinyal tambahan yang tidak diinginkan. Gangguan ini cenderung mengakibatkan harga keluaran masukan acuan. Gangguan ini disbabkan oleh perubahan sistem, misalnya perubahan kondisi lingkungan, derau dan lain-lain. II.2. Sistem Kontrol Otomatis Sebuah kontrol otomatis adalah suatu susunan alat yang dikonversikan atau diatur untuk menghasilkan getaran-getaran atau akibat lain yang bisa digunakan tanpa pengaturan oleh manusia. Sistem kontrol otomatik dapat terjadi bila sistem tersebut merupakan jaringan tertutup (closed loop) dan cara pengontrolan variabel dilakukan oleh peralatan-peralatan otomatik, dapat berupa peralatan elektris, pneumatis, maupun kombinasinya. Berdasarkan hal tersebut maka dapat disimpulkan ada beberapa karakteristik penting dari sistem kontrol otomatik, yaitu : Sistem kontrol otomatik merupakan sistem dinamis (berubah terhadap waktu) yang dapat berbentuk linier. Secara matmatis kondisi ini dinyatakan oleh persamaanpersaman yang berubah terhadap waktu, misalnya persamaan diferensial linier maupun tidak linier. Bersifat menerima informasi, memproses, mengelolahnya dan kemuidian mengembangkannya. Komponen atau unit yang berbentuk sistem kontrol ini akan saling mempengaruhi (berinteraksi) Bersifat mengembalikan sinyal ke bagian masukan (feedback) dan ini digunakan untuk memperbaiki sifat sistem. Karena adanya pengembalian sinyal ini (sistem umpan balik) maka pada sistem kontrol otomatik seelalu terjadi masalah stabilisasi. II.2.1 Cybernetics Cybernetics adalah suatu ilmu pengetahuan yang membandingkan fungsi mekanisme otomatis dengan sistem mekanisme tubuh manusia. Misalnya : Orang menegemudi mobil. 13
Mata berfungsi sebagai alat ukur yang mendeteksi penyimpangan dari posisi mobil kearah yang diinginkan. Otak berfungsi sebagai kontroller yang menilai kesalahan atau penyimpangan dalam memberi komando. Tangan berfungsi sebagai alat gerak yang menggerakkan kemudi untuk memperbaiki kesalahan. II.2.2 Blok Diagram Telah diketahui bahwa sistem jaringan terbujka keluarannya tidak memberikan efek terhadap besaran masukan, sehingga variabel yang dikontrol tidak dapat dibandingkan dengan yang diinginkan. input Alat Kontrol Alat Kontrol Akhir Proses input Gambar 2.2 Blok diagram sistem open Loop Untuk menganalisisnya kita ambil contoh sebuah bejana yang berisi air dipanaskan dengan uap. Pada bejana tersebut terdapat sebuah temperatur indikator sebagai penunjukkan temperatur air. Pada sisi masuknya uap terdapat katup untuk mengatur banyaknya uap yang dimasukkan kedalam proses. Dimana uap berfungsi sebagai input, operator sebagai alat kontrol, pemanas air sebagai proses sedangkan pengukuran temperatur sebagai autput. 14
Dari blok diagram sistem ini dapat diketahui bahwa orang yang mengatur katup tidak bisa melihat temperatur sehingga ia hanya membuka dan menutup uap masuk tanpa mengetahui uap yang dialirkan sudah cukup, terlalu banyak atau sedikit. Dengan cara demikian sudah tentu kita tidak mendapatkan hasil yang sesuai dengan yang dikehendaki. Jadi dalam praktek sistem open loop tidak atau jarang dipakai. Untuk mendapatkan hasil output sesuai yang dikehendaki dipakai sistem closed loop. Set pointn t Alat kontrol Alat kontrol akhir proses disturb a Alat ukur Gambar2.3 Blok diagram sistem close loop Masih seperti pada contoh diatas untuk menerangkan sistem ini, hanya saja bedanya sekarang adalah orang yang mengatur katup uap masuk tadi bisa melihat penunjukkan pada temperatur indikator. Fungsi alat tersebut adalah uap sebagai input, operator (tangan, otak) sebagai alat kontrol, katup sebagai alat kontrol akhir, pemanas air sebagai proses, pengukuran pada temperatur indikator sebagai output, operator (mata) sebagai alat ukur, sedang set point 15
sebagai temperatur yang dikehendaki dan disturbance merupakan hal yang mngakibatkan perubahan kondisi dari temperatur air. Jadi dalam sistem ini bila operatur melihat temperatur turun yang berarti tidak sesuai dengan yang dikehendaki (setpointy), maka ia membuka katup uap untuk mendapatkan temperatur air sesuai dengan yang dikehendaki, meskipun ketepatannya dipengartuhi respon operator terhadap perubahan. II.3. Komponen Sistem Kontrol II.3.1 Transduser Transduser ialah : suatu piranti yang mengubah energi dari bentuk yang satu menjadi bentuk yang lain atau dengan kata lain mengubah besaran fisis yang diukur menjadi besaran fisis lainnya. Pada umumnya adalah mengubah besaran-besaran fisis tersebut menjadi besaran listrik. Misalnya tekanan, temperatur, aliran, posisi dan lainlain. II.3.1. Transduser Kapasitif Kapasitasi dari sebuah plat pararel diberikan oleh : c K. A. E0 D ( farad ) Dengan A = Luas masing-masing plat (m 2 ) D = Jarak kedua plat (m) E 0 = 8.85 x 10-12 (F/m) K = Konstanta dielektrik Karena kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak kedua plat pararel, setiap varians dalam menyebabkan variansi yang berkaitan dengan kapasitansi, Prinsip ini ditetapkan pada transduser kapasitif. Sebauh gaya yang diberikan pada diafrakma yang berfungsi sebagai salah satu plat sebuah kapasitor sederhana mengubah jarak antara diafrakma dan plat diam. Perubahan kapasitas yang dihasilkan ini dapat diukur oleh 16
sebuah jembatan ac, tetapi biasanya dia diukur dengan sebuah rangkaian osilator. Transduser sebagai bahan bagian dari rangkaian osilator menyebabkan perubahan frekuensi osilator. Perubahan frekuensi ini merupakan ukuran dari besarnya gaya yang dipasang. Transduser kapasitif mempunyai respon frekuensi yang sangat baik dan dapat mengukur fenomena statik dan dinamis. Kekurangannya adalah kepekaan terhadap variasi temperatur dan kemungkinan sinyal-sinyal tak teratur atau cacat (distorsi) karena kawat panjang. Jaga instrumntasi peralatan bisa besar dan rumit dan sering membutuhkan sebuah osilator kedua dengan frekuensi yang tetap untuk tujuan pencampuran frekuensi guna menghasilkan selisih frekuensi yang dapat dibaca oleh sebuah alat keluaran yang sesuai dengan pencacah elektronik. Pada feedwatr control traduser kapasitif dipasangkan pada pressure transmitter yang berfungsi sebagai sensor bagi gaya (tekanan) pada suatu pipa drum yang bertekanan atau yang terdapat gaya yang perlu dipantau besaranh bagi kontrol ini. II. 3.1.2 Termokopel Transduser ini paling banyak dipakai untuk mengukur temperatur berdasarkan pengubahan temperatur menjadi sinyal listrik. Termokopel ini bekerja berdasarkan pembangkitan tenaga listrik pada titik sambung dua buah logam yang tidak sama, tegangan ini sebanding dengan temperatur sambungan. Tegangan termokopel dapat diukur oleh galvanometer atau rangkaian jembatan. Walaupun titik panas (hot junction) sering ditempatkan pada suatu jarak dari alat pencatat, dalam prakteknya kawat-kawat termokopel sendiri dibuat cukup pendek dan untuk memperpanjang jarak digunakan kawat tembaga bertahannan rendah. Dalam beberapa hal kabel-kabel dengan sifat temoelektris yang sama dengan kabel termokopel digunakan untuk memperpanjang jarak ukur termokopel ke saru titik dimana tersedia suatu temperatur yang mantap bagi titik dingin (cold juction). Kabel ini disebut compensating leads. 17
Titik indera II.3.1.3 Flow Pick Up Dalam metode pengukuran jumlah aliran ada beberapa macam sensor yang digunakan, misalnya : head flow meter, rota meter, magnetik flow meter, turbin flow meter. Sensor flow yang paling sering digunakan diindustri adalah head flow meter. Head flow meter terdiri atas dua elemen utama, yaitu elemen primer yang berfungsi sebagai penghambat aliran untuk mendapatkan perbedaan tekanan, dan elemen sekunder. Elemen sekunder itu bisa berupa pipa U manometer, dimana besar perbedaan tekanan ini dikonversikan kepenunjukan jumlah aliran cairan. Selain itu jenis sensor yang sering digunakan adalah magnetik pick up. Pada sensor ini perputaran turbin (sudu-sudu turbin) akan melintasi magnetik pick up akan secara periodik sesuai dengan laju aliran sehingga magnetik pick up akan mengeluarkan pulasa secara periodik. Amplitudo pulsa-pulsa yang terbentuk pada magnetik pick up akan memberikan frekuensi yang sesuai dengan laju aliran cairan yang memutar suduto Alat ukur Titik ref Gambar 2.4 Rangkaian dasar termokopel 18
sudu turbin. Kecepatan aliran dengan demikian bersesuaian dengan frekuensi pulsa yang dikeluarkan oleh magnetik pick up tersebut. Opada hakekatnya gaya yang memutar turbin berasal dari momentum cairan yang bergerak. Jadi setiap alat yang memakai prinsip perputaran turbin disebut dengan flow meter massa. Untuk menghitung besarnya debit dari kecepatan aliran diperlukan faktor konversi yang meliputi diameter pipa dan distribusi laju aliran pada pipa. Biaanya laju aliran diukur berdasarkan pengukuran debit (volume cvairan/satuan waktu) dan dihubungkan dengan frekuensi yang diukur sehingga akan diperoleh hubungan laju aliran dan frekuensi yang diukur. turbin Aliran keluar Aliran masuk Magnetik Pick up Gambar 2.5 Prinsip dasar sensor magnetik pickup II.3.2. Alat Penggerak Alat ini berfungsi mengontrol aliran energi ke sistem yang dikontrol. Alat ini disebut juga elemen kontrol akhir (final control element). Misalnya katup pengontrol, pompa, roda gigi dan lain-lain. Elemen ini harus mempunyai kemampuan untuk menggerkkan beban ke suatu harga yang diinginkan. 19
II.3.2.1 Roda Gigi Roda gigi (gears) adalah sebuah transmisi daya mekanis yang berfungsi utnuk mempercepat atau memperlambat putaran bergantung pada diameter masing-masing roda gigi tersebut. II. 3.2.2 Katup Pengatur Katup pengatur dipakai untuk mengatur aliran fluida agar menghasilkan kondisi operasi tertentu (misalkan kondisi temperatur, tekanan, tinggi permukaan cairan). Didalam sistem pengaturan, katup ini merupakan elem,en pengatur terkhir yang memerlukan daya kecil namun menghasilakan output yang besar. Pada dasarnya yang tyerjadi adalah mengontrol luas permukaan yang dialiri oleh fluida, dan ini disebut variable orifice. Katup dapat dihubungkan ke garis aliran dengan las, baut, dan sekrup. Katup pengatur terdiri dari sumbat (plug) beserta tangkai (stem) yang dihubungklan ke aktuator (motor hidrolik, elektrik, solenoida elektro magnetik atau diafrakma pnematik) sebagai penggerak sumbat dalam arah turun naik (vertikal). Katup pengatur yang digerakkan oleh aktuator secara linier disebut katup bergeser (sliding stem valve). Sedang jika penyumbatan terjadi karena perputaran sumbat disebut katup tangkai berputar(rotating sistem valve). 20