BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pabrik kimia merupakan susunan atau 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.

Pengontrolan dapat diartikan sebagai pengaturan atau pengendalian. Pengontrolan dalam proses produksi didefinisikan sebagai pengaturan atau pengendalian. Pengontrolan dalam proses produksi didefinisikan sebagai upaya pengaturan untuk mempertahankan nilai atau output yang diinginkan tetap terjaga dari pengaruh perubahan atau deviasi yang ditimbulkan oleh proses tersebut. Integrasi komponen kontrol dan pengukur, berfungsi untuk mendapatkan system kontrol yang tepat. Dalam melakukan tuning controller ada beberapa metode yang secara umum dapat dibagi dalam dua yaitu: open loop dan close loop tuning. Pada cascade control, bagian sekunder di tuning terlebih dahulu diikuti bagian primer.

Pengarutran yang presisi dari level, pressure, temperature, dan flow adalah unsur penting dalam aplikasi proses. Perubahan kecil pada control dan pengukuran, akan membawa dampak yang besar pada proses produksi. Pengontrolan secara elektrik dan pneumatik atau kombinasinya lebih banyak ditemukan dalam industry maupun aplikasi teknis lainnya. Hal ini disebabkan beberapa kelebihan yang diberikannya, yaitu pemakaian daya yang lebih kecil, kemampuan untuk pengontrolan jarak jauh, lebih mudah diperoleh dan responnya lebih cepat. Disamping itu dimensi peralatan dapat dibuat lebih kecil.

1.2 Tujuan Percobaan

1. Mengetahui mode kontroler terbaik untuk kasus start-up, servo dan regulatory.2. Mengetahui pengaruh harga Gain terhadap sistem kontrol

3. Mengetahui pengaruh harga Reset terhadap sistem kontrol4. Mengetahui pengaruh harga Rate terhadap sistem kontrolBAB IILANDASAN TEORI2.1Konsep Pengendalian Proses

Pengendalian proses adalah suatu kegiatan untuk menjaga kondisi dari suatu sistem dengan cara mengatur variabel-variabel tertentu dalam suatu sistem tersebut. Prinsip utama sistem pengendalian adalah menjaga atau mengendalikan variabel proses agar selalu sama dengan set point. Walaupun keadaan ideal itu tidak pernah tercapai sepenuhnya, tetap diupayakan agar variabel proses dapat sedekat mungkin dengan set point pada keadaan load dan operasi bagaimanapun. Langkah utama yang dilakukan setelah merencanakan semua instrumentasi pengendalian adalah menyetel sistem agar variabel proses mengikuti setpoint dengan response overdamped atau underdamped. Sistem harus disetel (tuning) agar tidak berisolasi pada semua kondisi operasi.

Suatu proses kimia secara umum ditunjukkan melalui Gambar 2.1 a, memiliki output (y), potensial disturbance atau gangguan (d) dan manipulated variable (m), sehingga tujuan pengendalian proses dilakukan untuk menjaga nilai output (y) tetap pada suatu set point yang diinginkan (ysp).

Gambar 2.1 Diagram Blok Sistem Proses

Gambar 2.1 b menggambarkan langkah pengendalian proses. Aksi pengendali dilakukan dengan mengendalikan ouput tersebut dengan cara mengukur, membandingkan, mengevaluasi dan mengoreksi. Adapun langkah-langkahnya adalah sebagai berikut :

Mengukur nilai output menggunakan perangkat pengukur yang sesuai. Nilai yang ditunjukkan oleh sensor pengukur dinotasikan sebagai ym.

Membandingkan nilai output hasil pengukuran (ym) dengan nilai output yang diinginkan (set point, ysp). Hasil perbandingan berupa penyimpangan atau error.

= ysp ym ..................................................(1.1)Nilai penyimpanan ditransmisikan ke pengendali utama (main controller). Pengendali utama kemudian mengubah nilai manipulated variabel (m) dengan cara tertentu untuk memperkecil penyimpangan . Controller tidak mengubah nilai m secara langsung, tetapi melakukannya melalui peralatan yang disebut elemen pengendali akhir (final control element).

2.2Metode Pengendalian Proses

Metode pengendalian proses dibagi dua macam, yaitu :

Pengendalian oleh manusia (manual control)

Pengendalian otomatis (automatic control)2.2.1Pengendalian oleh Manusia (Manual Control)

Pada pengendalian secara manual memanfaatkan ketelitian dari operator untuk mengendalikan suatu besaran proses. Jika harga proses tidak sesuai dengan yang dikehendaki oleh operator, maka operator tersebut akan melakukan adjustemet sebagai koreksi terhadap besaran proses tersebut sampai proses berjalan stabil dan hal ini dilakukan berulang-ulang selama kondisi proses tidak sesuai dengan yang dikehendaki oleh operator. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Manual Control

Pada gambar di atas terlihat bahwa seorang operator sedang mengamati variabel temperatur pada sebuah pemanas (furnace), apabila hasil penunjukan pada temperatur indikator (temperature gauge) lebih besar dari temperatur yang dikehendaki oleh operator, maka operator tersebut akan menambah jumlah aliran dengan menambah bukaan valve, begitu juga sebaliknya apabila hasil pembacaan pada temperatur gauge lebih kecil dari temperatur yang dikehendaki maka operator akan mengurangi jumlah aliran dengan jalan mengecilkan bukaan valve. Dilihat dari segi ekonomis, pengendalian secara manual tentu lebih murah dibandingkan dengan pengendalian secara otomatis karena instrumen yang dibutuhkan lebih sederhana.2.2.2 Pengendalian Otomatis (Automatic Control)

Pada prinsipnya pengendalian otomatis sama dengan pengendalian manual. Pada pengendalian otomatis, peranan dari operator digantikan oleh suatu alat yang disebut pengendali (controller). Jadi yang bertugas menambah dan mengurangi bukaan valve tidak lagi dikerjakan oleh operator tetapi atas perintah controller, operator hanya bertugas memberikan harga ke controller (set value / set point = SV / SP). Oleh karena itu pengendalian otomatis pada valve harus dilengkapi dengan actuator sehingga unit valve tersebut disebut dengan control valve. Sehingga apabila terjadi ketidaksesuaian harga yang diberikan operator terhadap controller (SV), maka atas perintah controller akan membuka atau menutup sesuai dengan kondisi operasi yang sedang berjalan (variabel proses = PV). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Pengendalian Otomatis

2.3Terminologi Pengendalian Proses

Variabel proses atau variabel yang dikontrol adalah variabel dimana nilainya harus dipertahankan pada nilai yang presisi. Sebagai contoh, kita dapat memanipulasi aliran cairan kedalam tangki untuk mengatur level yang ada di dalam tangki. Level yang ada di dalam tangki adalah variabel yang dikontrol (variabel kontrol) atau variabel proses. Variabel proses yaitu variabel dimana nilai yang kita ukur dengan transmiter dan mengirimkannya ke kontroler agar dipantau dan pertahankannya.

Ada empat variabel proses yang umum yaitu : temperatur, tekanan, flow dan level. Ada satu proses dimana variabel yang dikontrol sama dengan variabel yang dimanipulasi yaitu proses flow.2.3.1Variabel Suplai

Variabel suplai pada proses ialah variabel dimana nilainya dikendalikan oleh final control element. Didalam semua hal tersebut variabel suplai adalah faktor dominan dalam menentukan nilai variabel yang dikontrol atau variabel proses, meskipun tidak hanya variabel itu saja. Variabel ini sering disebut manipulated variable. Hal ini berarti bahwa adalah variabel dimana nilainya diatur oleh final control element.

2.3.2Beban Proses

Beban proses adalah variabel yang cenderung merusak nilai proses. Sebagai contoh, kita asumsikan bahwa kita mempunyai proses level dimana kita memanipulasikan aliran ke dalam tangki. Cairan yang mengalir keluar dari tangki mempunyai kecepatan tertentu. Air yang mengalir keluar dari tangki adalah beban proses. Suatu perubahan pada cairan yang mengalir keluar adalah mengganggu proses. Loop pengontrolan diimplementasikan untuk menghilangkan pengaruh gangguan pada proses tersebut. Proses termal dioperasikan dengan menyuplai uap ke heat exchanger. Aliran uap adalah manipulated variable. Temperatur produk aliran yang keluar dari heat exchanger adalah variabel yang dikontrol (variabel control) atau variabel proses. Beban pada proses adalah sejumlah panas yang hilang ke udara luar dari heat exchanger, atau nilai panas (entalpi) dari uap, atau temperatur produk yang dipanaskan di dalam heat exchanger. Suatu perubahan nilai beban adalah gangguan terhadap loop.2.3.3Set Point

Set Point adalah istilah nilai yang kita inginkan pada variabel yang dikontrol untuk dipertahankan. 2.3.4Transmitter

Transmitter adalah merupakan instrument yang merubah besaran yang dihasilkan oleh sensing element (sensor) menjadi suatu sinyal standar agar dapat dimengerti oleh instrumen lainnya (controller, recorder).2.3.5 Controller

Controller adalah instrumen yang fungsinya membandingkan variabel proses yang sedang berjalan terhadap set variable dan hasilnya digunakan sebagai dasar perhitungan control output yang bersarnya berdasarkan aksi dan mode pengontrolnya, sinyal control output digunakan sebagai dasar koreksi atas deviasi yang diterimanya.

Aksi controller adalah

Direct action, artinya adalah apabila terdvapat kenaikan input (PV) melebihi set variable (SV), maka output controller (mv) akan naik.

Reverse action, artinya adalah apabila terdapat kenaikan input (PV) melebihi set variable (SV), maka output controller (mv) akan turun.

Sedangkan mode kontroler yang biasa digunakan adalah sebagai berikut: Proportional (P) Control

Proportional + Integral (PI) Control

Proportional + Integral + Derivative (PID) Control

Sinyal control output (mv) digunakan sebagai penggerak final control element (Control Valve).2.3.6Final Control Element

Final control element adalah elemen akhir dari suatu sistem pengendalian yang fungsinya mengkoreksi perbedaan antara variabel proses (PV) terhadap set variable (SV) berupa gerakan naik-turun (buka-tutup) valve sesuai sinyal yang diterimanya dari kontroler. Ditinjau dari gerakan valvenya, aksi control valve terdiri dari :

Air To Open (ATO)

Apabila control valve menerima sinyal dari controller sebesar 3 - 15 psi gerakannya akan mengakibatkan bertambahnya aliran yang melewatinya.

Air To Closed (ATC)

Apabila control valve menerima sinyal dari controller sebesar 3 - 15 psi gerakannya akan mengakibatkan berkurangnya aliran yang melewatinya.2.3.7Proses

Proses adalah merupakan variabel yang dikendalikan dalam suatu sistem pengendalian. Ada empat variabel proses yang biasa dikendalikan di dalam suatu sistem pengendalian diantaranya adalah berupa tekanan (Pressure), temperatur (Temperature), laju aliran (Flow) dan tinggi permukaan fluida (Level).

2.4Elemen-Elemen Sistem Pengendalian

Dalam suatu sistem kontrol sekurang kurangnya terdapat lima macam elemen utama yang membentuk sistem kontrol yaitu :2.4.1Sensing Element (Sensor)

Sensor adalah elemen yang pertama kali merasakan adanya variable proses dan kemudian merubahnya ke dalam bentuk gerakan mekanik atau sinyal electrik yang sesuai dengan besarnya varibel yang dideteksinya.2.4.2Transmitter

Transmitter berfungsi untuk merubah nilai variabel proses yang dirasakan oleh sensor menjadi bentuk signal standard dan ditransmisikan ke dalam instrumen lainnya (controller, recorder) yang besarnya tergantung dari jenis transmitternya. yaitu 4-20 mA atau 1-5 Vdc (untuk transmitter elektrik) atau 3-15 psi (untuk transmitter pneumatic)2.4.3Elemen Pengatur (Controller)

Controller adalah elemen pengatur memanfaatkan signal error yang dihasilkan untuk kemudian digunakan sebagai dasar untuk memberikan memberikan perintah perbaikan yang akan dilakukan oleh elemen pengontrol akhir (final control element).2.4.4Elemen Kontrol Akhir (Final Control Element)

Elemen kontrol akhir dapat berupa control valve, motor, pompa yang menerima dan melaksanakan signal instruksi yang diberikan oleh controller untuk mempertahankan nilai variabel proses pada nilai set point-nya. Kelima macam elemen tersebut dapat dihubungkan satu sama lain baik secara hubungan terbuka (open loop) maupun tertutup (closed loop). Istilah open loop dan closed loop akan mempermudah dalam memahami sistem kontrol manual dan otomatis.2.5Control Loop

Apabila dilihat dari bentuknya, Control loop dibagi dalam dua kategori, yaitu: open dan closed loop. Perbedaan utama antara kedua contol loop adalah adanya proses koreksi (feedback) pada tipe closed loop, sedangkan pada open loop tidak terdapat proses koreksi tersebut, sehingga tidak ada mekanisme yang menghubungkan produk yang terjadi dengan input yang dikehendaki.

2.5.1Pengendalian Loop Terbuka (Open Loop Control System)

Sistem pengendalian loop terbuka (open loop control system), atau sering juga disebut sebagai sistem pengendalian umpan balik maju (feed forward control) adalah sistem pengendalian yang keluarannya tidak akan dapat mempengaruhi aksi dari pengendaliannya. Jadi pada sistem pengendalian loop terbuka keluarannya tidak diukur atau diumpan balikkan untuk dibandingkan dengan masukannya dan sistem tersebut biasanya bekerja pada manual control. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.4 berikut ini.

Gambar 2.4 Sistem Pengendalian Loop Terbuka2.5.2Pengendalian Loop Tertutup

Sistem pengendalian loop tertutup atau sering juga disebut sebagai sistem pengendalian umpan balik (feed back control) adalah merupakan sistem pengendalian yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengendaliannya. Pada sistem pengendalian loop tertutup ini terdapat signal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara signal masukan dan signal umpan balik (yang berupa signal keluaran dari proses yang dikendalikan) yang diumpan balikkan ke arah masukan untuk memperkecil kesalahan dan membuat harga keluaran akan mendekati dengan harga yang diinginkan. Atau dengan kata lain, pada aksi umpan balik digunakan untuk memperkecil kesalahan sistem dan sistem tersebut biasanya bekerja pada automatic control. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.5 berikut ini.

Gambar 2.5 Sistem pengendalian loop tertutup

Metoda pengendalian tertutup (close loop control) antara lain adalah:

Feed back control system

Feed forward control system

Cascade control system2.5.2.1 Feed Back Control System

Feedback control termasuk kategori single loop control. Feedback loop mengirimkan hasil pengukuran ke controller untuk dibandingkan dengan nilai setpoint. Jika proses variabel tidak sama dengan setpoint, controller akan bereaksi untuk menyamakannya. Feedback control paling banyak dipakai di industri. Keuntungan utamanya adalah dapat mengontrol semua proses secara langsung. Kekurangannya adalah error harus terjadi sebelum dapat dikoreksi. Berikut adalah aplikasi feedback control:a. Pressure Control Loop

Pressure control loop bereaksi berdasarkan kecepatan. Loop dapat merespon perubahan dari beban (load) atau mengontrol aksi secara cepat atau lambat. Kecepatan pengontrolan ini ditentukan oleh volume dari proses fluid. Contohnya pada sebuah sistem penyimpanan gas yang besar (gas storage facilities) pergerakan controller cenderung lebih lambat dibandingkan dengan sistem yang bervolume kecil.

Gambar 2.6 Pressure Control Loopb. Level Control Loop

Perubahan kecepatan aliran liquida pada level control loop umumnya disebabkan oleh ukuran dan bentuk proses vessel (tangki). Contoh misalnya tangki yang besar akan membutuhkan waktu yang lebih lama untuk diisi dibandingkan tangki kecil. Faktor lain adalah flow rate input dan outflow. Tank overflow kadangkala menjadi masalah yang harus dihindari sehingga digunakan redundant control system.

Gambar 2.7 Level control loop2.5.2.2 Feed-forward (FF) ControlFeed forward (FF) control adalah metode umum untuk kompensasi disturbance terukur. FF controller mengukur disturbance sebelum mempengaruhi proses, dan melakukan manipulasi untuk menghilangkannya. Untuk itu dibutuhkan magnitude dan timing yang tepat ketika aksi koreksi terjadi. Proses akan memburuk jika manipulated variable yang dikoreksi terlalu cepat atau sebaliknya. Pada aplikasi yang sama dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Feedback + FF Controller

FF controller biasanya digabungkan dengan feedback controller. Ini bertujuan untuk mendapatkan nilai magnitude dan laju perubahan yang konsisten.2.5.2.3 Cascade Control

Cascade control pada prinsipnya adalah 2 buah control loop yang disusun secara serial. Output controller yang pertama (primary/master) diumpankan pada setpoint controller kedua (secondary/slave). Secara umum cascade control dipakai apabila variabel kontrol primer bereaksi lambat terhadap perubahan disturbance. Keuntungan pemakaian control ini adalah:

Mengkondisikan agar secondary controller bereaksi lebih cepat mengatasi disturbance Mengkondisikan agar secondary controller dapat mengatasi kondisi non linear pada valve Memungkinkan agar operator dapat melakukan intervensi langsung pada secondary controller (misalkan pada saat start up).2.6Mode Kontrol (Control Mode)

Controller dapat diatur untuk berfungsi secara sempurna pada berbagai macam aplikasi. 2.6.1Proportional Control

Kebanyakan sistem kontrol sudah bekerja bagus hanya dengan menggunakan proportional control (P only).Kita sudah mengetahui bahwa error adalah selisih antara setpoint dengan PV. Pada proportional controller, perubahan set point atau load akan menimbulkan permanent error yang disebut offset. Offset tidak mungkin dihilangkan oleh proportional controller karena proportional output hanya merespon terhadap perubahan error, bukan error permanen.

Timbulnya offset dapat diilustrasikan misalnya sebuah tangki dikontrol oleh proportional only level controller. Selama output tangki konstan, level akan tetap berada pada nilai setpoint. Ketika operator membuka outlet valve lebih besar, level akan turun. Error akan bertambah sehingga controller akan menaikkan output-nya proporsional dengan besarnya error. Control valve akan membuka lebih besar hingga akhirnya tercapai keseimbangan antara liquida masuk dan keluar. Pada titik ini level kembali stabil, namun tidak lagi berada pada set point-nya.

Pengendali proporsional hanya dapat digunakan untuk proses yang dapat menerima offset. Faktor kelipatan disebut gain pengendali (Kc). Pengendali proporsional sebanding dengan error-nya dengan persamaan matematis sebagai berikut: Uo = Kc. + Uo ...........................................................(1.2)Dengan:

U : Keluaran pengendali (signal kendali),

KC : Proportional gain (gain pengendali)

: Error (SP PV)

Uo : bias, yaitu nilai signal kendali saat tidak ada error ( = 0)

Gambar 2.9 Offset pada Level Controller2.6.2Proportional Integral Control

Proportional Integral control (PI control) adalah aksi control yang paling direkomendasikan pada hampir semua aplikasi di lapangan. Penggabungan aksi proportional dan integral ini memberikan respon dan stabilitas control yang tinggi tanpa offset. Integral berfungsi sebagai automatic bias adjustment untuk menghilangkan offset. Aksi integral (reset) didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk merubah controller output sebanyak perubahan yang disebabkan oleh aksi proportional. Aksi integral umumnya digunakan bersama dengan aksi proportional (hampir tidak ada controller yang mempunyai mode integral only). Dengan tambahan mode integral, output controller akan merespon terhadap besar dan lamanya error. Selama deviasi dari set point masih terjadi, controller akan terus memberikan sinyal output untuk mengurangi deviasi (error) tersebut. Persamaan pengendali PI adalah: U = Kc. + + Uo......................................(1.3)

Dengan = waktu integral (integral action).

Gambar 2.10 PI controller mengeliminasi offset

2.6.3Proportional - Integral - Derivative Control

Pengaturan mode controller ini melibatkan tiga fungsi kontrol matematis yang bekerja sekaligus, yaitu: Proportional-Integral-Derivative (PID). PID dapat diartikan sebagai serangkaian aturan-aturan untuk memberikan kestabilan pada sistem control closed loop. Penggunaan PID bertujuan untuk membuat nilai terukur (PV) agar sama dengan nilai set point dapat dicapai.

Aksi derivative (disebut juga rate) membuat output controller sebanding dengan laju perubahan error. Ini berarti jika proses dalam kondisi stabil, meskipun ada error, output controller tetap akan zero. Derivative umumnya dikombinasikan dengan aksi proportional atau proportional - Integral. Aksi derivative menambahkan elemen antisipasi (lead action) pada controller. Fungsinya menaikkan kecepatan respon controller dan kompensasi lag yang ditimbulkan oleh aksi integral.

Fungsi PID adalah didefinisikan sebagai berikut: Proportional control (gain): Menentukan selisih antara setpoint dan variabel proses (error), lalu memberikan perubahan yang proporsional kepada control untuk menghilangkan error tersebut. Proportional control digunakan untuk menjaga proses sesuai dengan set point tanpa fluktuasi yang berarti menggunakan proportional control Integral control (reset): Menentukan apakah terjadi offset dari setpoint dan PV terhadap waktu, kemudian melakukan koreksi untuk menghilangkan offset tersebut. Integral control digunakan untuk menghilangkan offset menggunakan reset control. Derivative Control (rate): Memonitor laju perubahan PV dan melakukan aksi koreksi jika terdeteksi laju perubahan yang tidak normal. Derivative digunakan untuk mempercepat respon controller pada disturbance yang besar menggunakan derivative control.Persamaan standar pengendali proporsional-integral-derivatif (PID) adalah sebagai berikut:

U = Kc. + + Uo......................................(1.4)Dengan,

d = waktu derivative (menit)

Gambar 2.11 PID Controller Performance

Dasar pemakaian mode kontrol disesuaikan dengan sifat proses yang akan dikendalikan apakah prosesnya bersifat cepat atau lambat. Tidak semua proses membutuhkan full PID control. Jika offset yang kecil dapat ditolerir pada sebuah proses, maka proportional control saja (P only) sudah cukup. PI control digunakan jika offset tidak dapat ditolerir. PID control dipakai jika pada proses terjadi offset,

noise dan deadtime yang menjadi masalah.DAFTAR PUSTAKAAnerasari. 2011. Petunjuk Praktikum Pengendalian Proses. Palembang: Electrical Console POLSRI.Coughanowr, Donald. Process Systems Analysis and Control. McGraw-Hill International Editions.R. Endang, dkk. 1996. Petunjuk Praktikum Instrumentasi dan Pengendalian Proses. Direktorat Jendral Pendidikan. Bandung: Direktorat Jendral Pendidikan.

Ritonga, M. Yusuf. 2009. Pengendalian Proses I. Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Stephanopoulus, George. Chemical Process Control Introduction to Theory and Practice. Department of Chemical Enginnering Massachusetts Institute of Technology.