15 Kajian Unjuk Kerja Sistem Pneumatic Hydrlic Pada Kmpnen Katup Kntrl (Cntrl Valve) Ade Elbani Jurusan Teknik Elektr Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura Pntianak E-mail : adeelbani@yah.cm Abstract Untuk keperluan prses suatu industri, kmpnen-kmpnen kendali tertentu selalu menggunakan sistem pneumatic, dimana menghasilkan daya drng yang besar juga presisi, misalnya digunakan untuk mengatur aliran bahan kimia yang mudah terbakar, mengangkat barang yang berat, untuk menekan katup-katup kntrl, pemindahan barang dan sebagainnya. Penelitian ini akan mengamati prilaku kmpnen kendali katup kntrl yang menggunakan sistem pneumatic sebagai energi tekanannya, mengamati prilaku dinamik sistem pengaturan dengan tekanan kmpnen pneumatic terhadap masukan fungsi tangga (step functin) dan sistem pengaturan berdasarkan titik kerja setiap kmpnen, serta menentukan knstanta waktu naik dan waktu stabilnya. Penelitian ini dilakukan pada simulasi cntrl valve yang ada di labratrium teknik kendali, Fakultas Teknik UNTAN. Secara umum dari hasil penelitian telah diketahui gerakan stem indicatr pada katup kntrl (cntrl valve), akan sangat dipengaruhi besar kecilnya tekanan udara, disamping juga mengetahui kurva karakteristik pneumatic yang diperleh dari hubungan antara tekanan udara dan variabel pengaturan.. Dari kesemua hasil kajian ini akan merekmendasi penggunaan sistem pneumatic katup knrl (cntrl valve) pada industri-industri yang bersesuaian secara efisien dan tepat sasaran, terutama industri prses yang memanfaatkan katup kntrl sebagai kmpnen utama pengendalian hasil industrinya, misal industri farmasi, industri makanan, maupun industri kimia lainnya. Keywrds Katup kntrl (cntrl valve), Stem Indicatr, Karakteristik Sistem Pneumatic. 1. Pendahuluan Dewasa ini pemakaian sistem pengaturan autmatik merupakan kebutuhan pada pengendalian prses dalam suatu industri, terutama sejak digunakannya kmputer sebagai unit pengendali dimana akan melakukan pengendalian secara terintegrasi. Sistem ini dipandang sangat menguntungkan karena selain menjanjikan ketelitian, kecepatan pengendalian, kntinyuitas prduksi dan dapat pula menggantikan peratr yang bekerja pada lingkungan yang membahayakan keselamatan. Mengingat bahwa pengendalian utama dari sistem pengaturan tmatis adalah kmputer, secara keseluruhan sistem tersebut akan lebih mudah jika di disain dengan kmpnen yang mengknsumsi jenis energi yang sama dengan unit pengendali yaitu energi listrik. Karena disamping mudah didapat, bentuk energi ini mudah diknversikan kedalam bentuk energi lainnya. Meskipun demikian untuk pertimbangan desain tertentu kmpnen sistem tidak seluruhnya menggunakan daya listrik, misalkan kmpnen yang digunakan untuk menghasilkan daya drng yang besar digunakan kmpnen hidrlik (kmpnen yang digera kkan leh minyak bertekanan), kmpnen yang digunakan untuk mengatur aliran bahan kimia yang mudah terbakar digunakan pneumatic atau kmpnen yang digerakkan dengan udara yang bertekanan. Suatu perancangan sistem memiliki kriteria desain dinamis dari sistem tersebut. Prilaku dinamik dari suatu sistem didapatkan dengan melakukan berbagai pengujian menggunakan sinyal masukan dalam bentuk fungsi tertentu yaitu dengan memberikan masukan sistem fungsi tangga ( step functin), mengamati tanggapan ( respns) sistem untuk mendapatkan sifatsifat dari prilaku dinamiknya. Penelitian ini bertujuan antara lain, mengamati karakteristik sistem pneumatic beserta sistem pengaturannya berdasarkan titik kerja setiap kmpnen pneumatic, mengamati prilaku dinamik sistem pengaturan tekanan kmpnen pneumatic terhadap masukan fungsi tangga, serta menentukan knstanta waktu naik dan waktu stabil dari kmpnen pneumatic. 2. Pengaturan Pada Kmpnen Pneumatic Sistem pengaturan dengan kmpnen pneumatic merupakan sistem pengaturan yang memerlukan sumber daya udara bertekanan dan hasil keluaran digunakan untuk mencatu atau menggerakan kmpnen akhir dari sistem lain yang lebih kmpleks. Sistem pengaturan dengan kmpnen pneumatic berikut ini digunakan untuk mempelajari sistem pengaturan tekanan udara khususnya digunakan sebagai pencatu aliran udara bertekanan untuk prses berikutnya. Tekanan udara dalam saluran merupakan variabel yang akan diatur ( cntrlled Variable) dintasikan sebagai P x. Besarnya tekanan ini berubah sesuai dengan perubahan beban yang dinyatakan sebagai resistansi aliran R z. Sistem pengaturan tekanan tersebut dicatu leh suatu sumber udara bertekanan dengan tekanan knstan P s. Untuk menghindari terjadinya perubahan yang mendadak dari tekanan dalam saluran sebagai akibat dari perubahan variabel pengatur (dapat pula difungsikan sebagai gangguan) atau perubahan beban R z, pada saluran antara sumber dan beban dipasangkan sebuah tabung udara yang disebut Buffer Accumulatr. Jurnal ELKHA Vl.2, N.1, Maret 2010
16 P x P xb P x1 F s 1.0 bar 0.6 0.2 P s PX= f(py ; PZMIN) PX= f(py ; PZB) PX= f(py ; PZMAX) A1 BA Gambar 1. Sistem Pengaturan Tekanan Ket.: BA = Buffer Accumulatr 2.1 Keadaan Tunak Kmpnen Pneumatic Keadaan tunak ( Steady State) pada sistem diatas berarti bahwa tekanan sumber P s, takanan udara dalam saluran P x, tekanan pengatur serta beban R z adalah knstan untuk tiap perubahan waktu. Dalam status ini keadaan tunak dapat ditentukan tanpa menggunakan BA, karena sistem dapat dinyatakan sebagai pembagian tekanan. Seperti layaknya pembagian tegangan pada rangkaian tahanan, tekanan P x yang terletak antara tekanan sumber P s dan tekanan udara luar ( Pressure ambient) P amb = 0 dapat dinyatakan sebagai fungsi dari resistansi pneumatic R cn (resistansi pengatur) dan R z (resistansi penerima aliran atau beban), yaitu: A2 FA 0.2 0.6 Bar 1.0 Py2 PyB Gambar 2. Kurva Karakteristik Sistem Pengaturan Tekanan 2.2 Kurva Karakteristik dan Titik Kerja (Operating Pint) Hubungan dari P X, R Z dan R CON pada frmulasi di atas memberikan gambaran hubungan saling berkaitan antara P X terhadap perubahan dari R Z dan R CON. Melalui hubungan tersebut dapat dideskripsikan Py bahwa keadaan P X yang mungkin untuk perubahan dari R Z dan R CON, yaitu: 1. R Z menyatakan beban dari sistem, jika beban ini bertambah besar (nilai resistansi R Z diturunkan), maka tekanan P X juga turun. 2. Penurunan tekanan P X dapat diatasi dengan mengatur resistansi R CON, dimana jika R CON diturunkan, maka P X akan naik kembali. 3. Nilai resistansi dari R CON tergantung dari tekanan pengatur P Y, dimana jika tekanan P Y turun maka valve lebih terbuka yang artinya resistansi R CON turun. Ketiga keadaan tersebut menggambarkan knsep pengaturan tekanan pada sekitar keadaan tunak yang memberikan pengertian bahwa Meskipun terjadi perubahan beban R Z, tekanan P X dapat dijaga knstan pada keadaan tertentu melalui pengaturan tekanan valve P Y. 3. Kmpnen Pneumatic Untuk melakukan penelitian maupun pengamatan tentang pengukuran karakteristik kmpnen pneumatic, maka perlu diketahui beberapa peralatan yang digunakan, yaitu : - Filter/Air-Pressure Supplay Cmbinatin - Pressure Step Cntrller - Pressure-Vltage Transducer, Triple - Katup Kntrl (Cntrl Valve) - Thrttle Valve - Buffer Accumulatr Fungsi dan kegunaan masing-masing kmpnen tersebut akan di jelaskan pada masing-masing item berikut. 3.1 Filter/Air-Pressure Supply Cmbinatin Fungsi/Kegunaan adalah untuk mengatur penyaluran udara bertekanan yang bersumber dari kmpresr ke sistem berikutnya yaitu cntrl valve dan pressure step cntrller melalui terminal Rapit-Acting Cupling NW7.2, yang besarnya tekanan ini tidak bleh melebihi dari 15 bar. Sedangkan udara bertekanan yang dipakai untuk mencatu sistem disedikan pada saluran energi 1 (besarnya sekitar 3 bar) dan saluran auxiliary energi (besarnya sekitar 1.4 bar). 3.2 Pressure Step Cntrller Fungsi / Kegunaan adalah untuk menyalurkan besar kecilnya tekanan udara yang keluar ke cntrl valve melalui pengntrl tekanan udara. Saklar tngkat berfungsi untuk mengatur salah satu dari level tekanan yang akan dihubungkan pada saluran signal. Saklar tngkat ini juga berfungsi menggerakan rele guna mengatur start awal dari recrder. Sumber daya listrik dipakai untuk mencatu kmpnen listrik yang ada dalam mdul ini. 3.3 Pressure -Vltage Transducer, Triple Kegunaannya adalah untuk merubah tekanan ke tegangan lisktrik sehingga pengukuran tekanan dapat Jurnal ELKHA Vl.2, N.1, Maret 2010
17 dilakukan dengan alat ukur tegangan, disamping itu mdul ini digunakan untuk keperluan pembuatan recrder listrik. Referensi titik pengukuran tegangan (grund) terhubung menjadi satu. Saluran energi 1 dan auxiliary energi diletakan hanya untuk tambahan fasilitas penyambungan dengan mdul lain jika diperlukan. 3.4 Katup Kntrl (Cntrl Valve) Kegunaannya adalah untuk menunjukan suatu tingkat tekanan udara, tekanan dari saluran energi 1 disalurkan melalui kran pengntrl dan diubah menjadi tekanan energi 2. Saluran dari auxiliary air pressure supply cmbinatin digunakan untuk mengperasikan kran pengntrl ini. Psisi dari valve kendali di indikasikan secara mekanik. 3.5 Thrttle Valve Kegunaannya yaitu sebagai pembagi tekanan (pressure divider), saluran energi 2 pada thrttle valve disalurkan ke mdul Pressure-Vltage Transducer (Triple). Saklar tngkat dipakai sebagai penggerak rele untuk mengatur start recrder. Bersama-sama dengan cntrl valve (mdul 744941), Sumber daya listrik dipakai untuk mencatu kmpnen listrik yang ada dalam mdul. 3.6. Buffer Accumulatr Kegunaannya adalah sebagai tabung udara, BA dapat dihubungkan atau dilepas dari saluran energi 2 dengan membuka atau menutup valve. Sebuah valve yang ada pada bagian kanan dipakai untuk membuang udara yang ada pada accumulatr. Kedua valve ini disebut fastacting valve atau menutup saluran cukup dengan memutar tmbl valve sebanyak 90. E1 744 905 S E1 744 912 S E2 E1 744 941 E2 S E2 E1 744 942 E1 744 943 E1 744 933 Gambar 3. Diagram Hubungan Antar Panel Digital Vlt Meter 4. Diagram Blk Dan Hubungan Antara Peralatan Dengan berrientasi pada panel mdul yang digunakan, diagram blk dari percbaan untuk mendapatkan titik kerja dan kurva karakteristik sistem pengaturan dengan kmpnen pneumatic. Tekanan udara (P S ) digunakan leh mdul (744905) dan keluaran pada energi 1 menjadi sumber untuk mengperasikan cntrl valve (kran yang memiliki kntrl) yang bekerja sama dengan mdul thrttle valve (744942) Sebagai pembagi tekanan, keluaran sumber dari saluran energi 2 dihantarkan ke mdul pengubah tekanan ke bentuk energi listrik atau tegangan (744933), sebuah kntrler tekanan lengkap dengan instrumen ukur pada mdul pressure step cntrller (744912) berfungsi untuk mengatur tekanan. sehingga tekanan yang diatur berada pada saluran yang akan menuju thrttle valve, sedangkan buffer-accumulatr (744943) dapat digunakan atau tidak. 5. Langkah Kerja Pengujian Kurva Karakteristik Untuk panel 744943, kedua saklar accumulatr ditutup karena dalam mendapatkan kurva karakteristik tidak diperlukan buffer accumulatr, panel 744933 untuk pengukuran tekanan dengan vltmeter digital. Prsedur standart (titik kerja) percbaan pneumatic: 1. Pada panel 744912, pindahkan saklar kekiri selanjutnya atur tekanan kntrler hingga =50%, hasilnya dapat dilihat pada instrumen ukur. 2. Pada panel 744941, atur tekanan kntrler untuk P s =1.1 bar, hasil dapat dilihat pada tampilan instrumen ukur. 3. Pada panel 744942, pindahkan tngkat saklar keatas, atur resistansi pneumatic (thrttle valve) R z hingga tekanan P x yang ditunjukan instrumen ukur 0.6 bar. Kunci thrttle valve dengan memutar cincin pengunci kearah berlawanan. Pengukuran karakteristik untuk beban nrmal - Setel titik kerja. - Setel mulai dari 0%, 10%, 20%...100%, ukur harga P x. Pengukuran karakteristik beban minimum (R zmax ) - Setel =50%. - Atur R z sedemikian rupa hingga harga P x =0.4 bar, kunci R z. - Setel mulai dari 0%, 10%, 20%...100%, ukur harga P x. Pengukuran karakteristik beban maximum (R zmin ) - Setel. - Atur R z hingga harga P x =0.8 bar, kunci R z. - Setel mulai dari 0%, 10%, 20%...100%, ukur harga P x. 5.1 Data Hasil Pengukuran Karakteristik Pada pengukuran dalam (%) diknversikan ke dalam (bar), prses knversi ini didapatkan melalui diagram knversi sebagai berikut. Jurnal ELKHA Vl.2, N.1, Maret 2010
18 100 X / % Tabel 1. Data Hasil Pengukuran Karakteristik (%) 50 x % (bar) 125 0.2 0,6 P bar x ( R Z = R zb) P x (bar) 25 ( R z = R zmax ) P x (bar) P x bar Px / bar ( R z = R zmin ) P x (bar) 0 0.20 0.95 0.70 1.50 10 0.28 0.90 0.66 1.00 20 0.36 0.85 0.65 0.95 30 0.44 0.79 0.61 0.55 40 0.52 0.72 0.55 0.90 50 0.60 0.60 0.40 0.80 60 0.68 0.40 0.25 0.64 70 0.76 0.20 0.10 0.35 80 0.84 0.50 0.01 0.09 90 0.92 0.00 0.00 0.00 100 1.00 0.00 0.00 0.00 1,0 x 0.008 0.2 % Gambar 4. Kurva Karakteristik Pneumatic 6. Tanggapan Sistem Terhadap Masukan Fungsi Tangga Pengujian tanggapan sistem pengaturan dengan kmpnen pneumatic terhadap masukan fungsi tangga digunakan beberapa kmpnen serta instrumen ukur seperti pada Gambar 1. Dalam pengujian sistem pengaturan tekanan menggunakan sinyal uji fungsi tangga selalu dibutuhkan buffer accumulatr yang berfungsi untuk menambah waktu tunda ( delay time) dan memperlambat waktu naik (rise time) dari sistem. Kmpnen utama sebagai perlengkapan pengujian (testing facility) adalah pembangkit sinyal fungsi tangga (step generatr) dan perekam kurva tanggapan ( line recrder). Pembangkit sinyal fungsi tangga berupa saklar berfungsi untuk mengalihkan masukan sistem dari satu masukan ke masukan lainnya yang mempunyai level tekanan berbeda. Tanggapan sistem terhadap masukan fungsi tangga ini didapatkan dengan menggambarkan P x melalui recrder. Fungsi masukan tangga dapat direkam melalui penggambaran dengan recrder. Gambar 5 merupakan masukan berupa fungsi tangga, setelah sistem menerima masukan fungsi tersebut, maka hasil dari tanggapan sistem ditunjukan pada Gambar 6. Sinyal masukan sebagai fungsi waktu, secara matematik dinyatakan sebagai (t). Kurva sinyal keluaran P x (t) merupakan kurva yang bergantung pada kurva sinyal masukan dan secara matematik hal ini dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan fungsinal, yaitu: P x (t)= F( (t)). Hubungan fungsinal menyatakan suatu transfrmasi tanggapan ( transfer respns) atau tanggapan dinamik ( dynamic respns) dari sistem pengaturan tekanan tersebut, demikian pula untuk masukan berupa fungsi tangga ( step functin), maka tanggapan sistem ( step respns) tersebut juga menyatakan suatu hubungan fungsinal. Berdasarkan pada pengertian step respns, keluaran fungsi dari sistem sesungguhnya juga berupa suatu sinyal fungsi tangga ( step) yang tertunda akibat adanya transfrmasi antar elemen pada kmpnen pneumatic yang digunakan pada sistem pengaturan tekanan. Penundaan ini sesungguhnya disebabkan leh prses pembebanan ( lading prcess) akibat pemakaian kmpnen kmbinasi dari resistansi beban R z dan buffer accumulatr. Prses pembebanan dari suatu sistem dikarakteristikan dengan time cnstant (knstanta waktu) T, yang ditentukan dengan menggunakan garis singgung seperti pada gambar 4. Penggambaran garis singgung ini umumnya sulit dilakukan secara teliti, karenanya secara praktis knstanta waktu T dapat dihitung sebagai waktu yang dibutuhkan mulai t=0 sampai dengan t=t dimana respns sistem mencapai 63% dari keadaan tunak. Secara teritis prses pembebanan ini akan terjadi sangat lama (sampai t= ), sehingga harga akhir dari P x2 akan dicapai pada waktu yang tak terbatas atau dapat dikatakan bahwa P x2 =P x ( ), akan tetapi untuk kebutuhan praktis pengambilan harga P x2 untuk t=5t, yaitu: P x2 =P x (5T) sudah dapat dianggap cukup teliti. Knstanta waktu T lebih berarti matematis, karena dengan memakai harga ini tanggapan keluaran sistem dapat didekati dengan menggunakan fungsi expnensial, yaitu: P x (t)= P x2 {1-exp[-(1/T).t]}. Untuk tujuan praktis, prses pembebanan dapat pula dikarakteristikan dengan waktu naik ( rise time) T r dan waktu keadaan tunak (setting time) T s. Waktu naik dihitung berdasarkan lamanya waktu yang dibutuhkan mulai tanggapan keluaran pada P x =5%P x2 sampai dengan P x =95%P x2, sedangkan waktu keadaan tunak dihitung berdasarkan waktu yang dibutuhkan mulai dari keadaan awal t=0 sampai dengan tanggapan keluaran P x (T s ) = 99.5%P x2. 2 2 (t) Gambar 5. Pengujian Sistem Pneumatic Dengan Masukan Fungsi Step t Jurnal ELKHA Vl.2, N.1, Maret 2010
19 Referensi P x2 P x1 P x T P x 2 = P x ( ) P x (t) = F( (t)) t [1] Mch. Rameli, Rusdiant E, Ys Pramudiant, Djk Susil, 1996, Pryek Lima Universitas Sistem Pengaturan Karakteristik Pneumatic, Erlangga, Malang. [2] Thmas Krist, Dines Ginting, 1993, Dasar-dasar Pneumatic. [3] Parr Andrew, 2003, Hidrlika dan Pneumatic Bagi Teknisi dan Insinyur, Jakarta. Gambar 6. Pengujian Sistem Pneumatic Dengan Masukan Fungsi Step 7. Kesimpulan Dari hasil penelitian, dapat disimpulkan, bahwa: Secara umum gerakan dari stem indicatr pada cntrl valve sangat dipengaruhi besar kecilnya tekanan udara dari mdul 744912. Tahanan R z pada mdul 744924 dapat mempengaruhi nilai tekanan P x. Kurva karakteristik pneumatic dapat diperleh dari hubungan antara P x dan. Tegangan listrik yang dihasilkan pada Pressurevltage Transducer (triple) dipengaruhi leh besar kecilnya signal tekanan yang ada pada thrttle valve, besar tegangan berbanding lurus dengan besarnya tekanan yang diterima (dapat d ilihat pada vltmeter digital). Tekanan P x bisa tetap knstan melalui pengaturan tekanan. B i g r a f i Ade Elbani, lahir di Sanggau pada tanggal 22 Mei 1963. Menyelesaikan prgram Strata I (S1) di Universitas Gadjah Mada (UGM), Fakultas MIPA, Jurusan Fisika, Prdi Elektrnika dan Instrumentasi (ELINS) pada tahun 1992 dan prgram Strata II (S2) di Institut Teknlgi Bandung (ITB), Magister Teknik, Prgram Instrumentasi dan Kntrl (PINK), Fakultas Teknlgi Industri selesai pada tahun 2003. Sejak tahun 1995 sampai sekarang mengajar di Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektr Universitas Tanjungpura Pntianak. Penelitian yang diminati saat ini adalah : Pemdelan Sistem dan Kntrl. Jurnal ELKHA Vl.2, N.1, Maret 2010
Jurnal ELKHA Vl.2, N.1, Maret 2010 20