pengendalian laju alir klp 1
DESCRIPTION
Contog laporanTRANSCRIPT
PENGENDALIAN LAJU ALIR
1. Tujuan Percobaan
mengendalikan laju alir air secara otomatis menggunakan PID-
Controller.
2. Dasar Teori
Pada percobaan ini, kecepatan aliran air yang berasal dari pompa
peristaltik dimonitor secara terus-menerus oleh sebuah flow sensor. Dengan
cara mengatur kecepatan pompa dan dengan memperhatikan kecepatan aliran
air, maka kecepatan aliran air dari pompa peristaltik dapat dikendalikan.
Pengukuran laju aliran fluida adalah salah satu yang terpenting dalam
proses Flow control. Pengukuran ini bertujuan untuk mengetahui berapa
kapasitas fluida yang dialirkan untuk mendapatkan harga pengukurannya
(measurement variable). Aliran pada umumnya diukur berdasarkan besarnya
kecepatan fluida yang melewati luas penampang tertentu, atau
QV = A x V
dimana : QV : laju aliran (m3 / det)
A : luas penampang dari pipa (m2)
V : kecepatan fluida (m / det)
Empat faktor penting dalam pengukuran aliran fluida dalam pipa
adalah :
• Kecepatan fluida
• Friksi/gesekan fluida dengan pipa
• Viskositas/kekentalan fluida
• Densitas/kerapatan fluida
Banyak alat-alat yang dapat digunakan untuk mengukur aliran fluida.
Flowmeter dapat dibagi dalam 4 grup umum, yaitu positive displacement
meters, head meters, velocity meters dan mass meters. Yang termasuk dari
displacement meter antara lain : piston, oval gear, dan nutatic disk. Head
meter adalah tipe yang sering digunakan. Pengukuran flow fluida secara tidak
langsung, yaitu dengan mengukur differential pressure. Yang termasuk dalam
head meter antara lain orifice plate, venturi tubes, flow nozzle, pitot tubes,
target meter, elbow tap meter dan rotatometer. Adapun keuntungan dalam
penggunaan oriface plate disisi harganya murah, dapat digunakan dalam
berbagai material serta bisa dipakai pada range yang luas dari ukuran pipa,
akurasinya bagus bila plat dipasang tepat. Sedangkan kelemahan dari sensor
oriface yaitu permanen pressure loss yang relatif tinggi dan akurasi
tergantung dari pemasangannya. Apabila kita menggunakan flow nozzle
keuntungannya permanen pressure loss yang lebih rendah dibandingkan
oriface plate, bagus untuk fluida yang mengandung padatan, dapat digunakan
pada banyak material. Sedangkan kelemahan dari penggunaan flow nozzle
antara lain harganya lebih mahal dari oriface plate dan terbatas pada ukuran
pipa tertentu.Yang termasuk dalam velocity meters antara lain turbine meters,
electromagnetic flow meters, vortex meters dan ultrasonc meters. Sedangkan
yang termasuk dalam mass meters antara lain : thermal meters dan coriolis
meters.
Dari sistem proses seperti pipa atau tangki, fluida mengalir yang akan
dibaca besaran fisika atau kimia oleh sensor atau dan transmitter kemudian
diubah menjadi nilai standar pengukuran ke unit kendali (komputer) yang
akan dibandingkan dan dievaluasi dengan nilai acuan dan keluar sebagai error
yang akan dikendalikan dan keluar sinyal kendali dari unit kendali ke katup
kendali yang mengatur besar kecilnya aliran fluida dan keluar sebagai
variabel termanipulasi untuk melakukan koreksi atau mengendalikan variabel
proses dan adanya variabel gangguan (masukan atau keluaran atau kendali
akhir fluida) kemudian kembali ke sistem proses dan keluar sebagai nilai
keluaran (variabel proses).
Sistem Pengendalian
Pengendalian Proses adalah bagian dari pengendalian automatik yang
diterapkan di bidang teknologi proses untuk menjaga kondisi proses agar
sesuai dengan yang diinginkan. Seluruh komponen yang terlibat dalam
pengendalian proses disebut sistem pengendalian atau sistem kontrol. Tujuan
pengendalian proses bertujuan untuk mempertahankan nilai proses agar
sesuai dengan kebutuhan operasi. Tujuan pengendalian adalah
mempertahankan nilai variabel proses agar sesuai dengan kebutuhan operasi
sesuai dengan yang diinginkan. Tujuan pengendalian erat berkaitan dengan
kualitas pengendalian yang didasarkan atas bentuk tanggapan variabel proses.
Setelah terjadi perubahan nilai acuan (settpoint) atau beban diharapkan,
• Penyimpangan maksimum dari nilai acuan sekecil mungkin
• Waktu yang diperlukan oleh variabel proses mencapai kondisi mantap
sekecil mungkin
• Perbedaan nilai acuan dan variabel proses setelah tunak sekecil
mungkin
Atau dapat dinyatakan dengan istilah umum, yaitu
• Minimum overshoot
• Minimum offset
• Minimum settling time
Dengan kata lain kualitas pengendalian yang diharapkan adalah,
• Tanggapan cepat
• Hasilnya stabil dan tidak ada penyimpangan
Jenis Variabel
Jenis variabel yang mendapatkan perhatian penting dalam bidang
pengendalian proses adalah variabel proses (process variable, PV) atau yang
disebut juga variabel terkendali (controlled variable). Variabel proses adalah
besaran fisika atau kimia yang menunjukkan keadaan proses. Variabel ini
bersifat dinamik, artinya nilai variabel dapat berubah spontan oleh sebab lain
baik yang diketahui ataupun tidak. Di antara banyak macam variabel proses
terdapat empat variabel dasar, yaitu: suhu (T), tekanan (P), laju alir (F), dan
tinggi permukaan cairan (L).
Dalam teknik pengendalian proses, titik berar permasalahan adalah
menjaga agar nilai variabel proses tetap atau berubah mengikuti alur
(trayektori) tertentu. Variabel yang digunakan untuk melakukan koreksi atau
mengendalikan variabel proses disebut variabel termanipulasi (manipulated
variable, MV) atau variabel pengendali. Sedangkan nilai yang diinginkan dan
dijadikan acuan atau referensi variabel proses disebut nilai acuan (settpoint
value, SV). Selain ketiga jenis variabel tersebut masih terdapat variabel lain
yaitu gangguan (disturbance) baik yang terukur (measured disturbance)
maupun tidak terukur (unmeasured disturbance) dan variabel keluaran tak
terkendali (uncontrolled output variable). Variabel gangguan adalah variabel
masukan yang mampu mempengaruhi nilai variabel proses tetapi tidak
digunakan untuk mengendalikan.
Sistem Pengendalian Umpan Balik
Prinsip mekanisme kerja sistem pengendalian umpan balik adalah
mengukur variabel proses dan kemudian melakukan koreksi bila nilainya
tidak sesuai dengan yang diinginkan. Ciri utama pengendalian umpan balik
adalah adanya umpan balik negatif, artinya jika nilai variabel proses berubah,
terdapat umpan balik yang melakukan tindakan untuk memperkecil
perubahan itu.
a. Langkah Pengendalian
Langkah pengendalian umpan balik adalah sebagai berikut:
1.Mengukur, tahap pertama dari langkah pengendalian adalah mengukur
atau mengamati nilai variabel proses
2.Membandingkan, hasil pengukuran atau pengamatan variabel proses
(nilai terukur) dibandingkan dengan nilai acuan (settpoint)
3.Mengevaluasi, perbedaan antara nilai terukur dan nilai acuan
dievaluasi untuk menentukan langkah atau cara melakukan koreksi atas
perbedaan itu.
4. Mengoreksi, tahap ini bertugas melakukan koreksi variabel proses agar
perbedaan antara nilai terukur dan nilai acuan tidak ada atau sekecil
mungkin
b. Jenis Sistem Pengendalian
1. Sistem Pengendalian Simpal Terbuka dan Tertutup
Berdasarkan ada atau tidak adanya umpan balik, sistem pengendalian
dibedakan ata sistem pengendalian sistem simpal terbuka (open loop control
system) dan sistem pengendalian simpal tertutup (closed loop control
system). Sistem pengendalian simpal terbuka bekerja tampa membandingkan
variabel proses yang dihasilkan dengan nilai acuan yang diinginkan. Sistem
ini semata-mata bekerja atas dasar masukan yang telah dikalibrasi. Sebagai
contoh sederhana adalah kran air yang dikalibrasi. Dengan memandang kran
sebagai sistem, maka bukaan keran (atau sudut aturan keran) adalah sebagai
masukan dan laju alir air sebagai keluaran sistem. Berdasarkan hukum
dinamika fluida, laju alir tergantung pada beda tekanan yang melintas keran.
Misal pada posisi keran x1 dengan beda tekanan P2 mengalir air pada laju
Q2. jika oleh suatu sebab tertentu tiba-tiba beda tekanan berubah menjadi P1,
maka pada posisi keran tetap x1 akan menghasilkan laju alir Q1. dengan
demikian sistem pengendalian simpal terbuka tidak dapat mengatasi
perubahan beban atau gangguan yang terjadi.
Meskipun dari uraian di atas, sistem simpal tebuka merupakan sisitem
yang buruk, karena tidak mampu mengatasi gangguan, tetapi memiliki
keuntungan sebagai berikut.
• Lebih murah dan sederhana dibanding simpal tertutup.
• Jika sistem mampu mencapai kestabilan sendiri, maka akan stabil.
Untuk mengurangi kekurangan sistem terbuka, seorang operator pabrik
akan mengatur kembali besarnya gangguan agar diperoleh sasaran yang
diinginkan. Tetapi dengan tindakan operator ini berarti sudah membuat sistem
simpal tertutup! Berbeda dengan simpal terbuka, pada pengendalian simpal
tertutup terdapat tindakan membandingkan nilai variabel proses dengan nilai
acuan yang diinginkan.
Perbedaan itu digunakan untuk melakukan koreksi sedemikian rupa
sehingga nilai variabel proses sama atau dekat dengan nilai acuan. Dengan
demikian tedapat mekanisme umpan balik. Sehingga sistem pengendalian
simpal tertutup lebih dikenal dengan sistem pengendalian umpan balik.
Meskipun sistem simpal tertutup mampu mengatasi ganguan atau
perubahan beban, tetapi memiliki kelemahan sebagai berikut.
• Lebih mahal dan kompleks dibanding simpal terbuka.
• Dapat membuat sistem tidak stabil, meskipun sebenarnya tampa
umpan balik sistem dapat mencapai kestabilan sendiri.
2. Sistem Pengaturan dan pengendalian
Berdasarkan nilai acuan, sisitem pengendalian umpan balik dibedakan
atas dua jenis, yaitu; sistem pengendalian dengan nilai acuan tetap (di bidang
elektro sering disebut sistem pengaturan) dan sistem pengendalian dengan
nilai acuan berubah ( di bidang mekanik sering disebut sistem pengendalian,
sistemservo, atau tracking).
Tujuan utama sistem pengaturan adalah mempertahankan agar nilai
variabel prosestetap pada nilai yang diinginkan. Sedangkan pada sistem
pengendalian, tujuan utamanya adalah mempertahankan agar nilai variabel
proses agar selalu mengikuti perubahan nilai acuan.
Di bidang teknologi proses termasuk teknik kimia, mekipun hampir
semuanya bekerja dengan titik acuan tetap, tetapi lebih populer dengan istilah
sistem pengendalian dan bukan sistem pengaturan. Hal ini disebabkan karena
istilah pengendalian lebih mencerminkan kondisi dinamik.
Instumentasi proses
Pelaksanaan langkah pengendalian pada penjelasan diatas memelukan
instrumentasi sebagai berikut:
1. Unit Pengukuran
Bagian ini bertugas mengubah nilai variabel proses yang berupa besaran
fisik atau kimia seperti laju alir, tekanan, suhu, pH, konsentrasi, dan
sebagainya menjadi sinyal standar. Bentuk sinyal standar yang populer
dibidang pengendalian proses adalah berupa sinyal penuematik (tekanan
udara) dan sinyal listrik. Unit pengukuran terdiri dari atas dua bagian yaitu
sensor dan transmiter.
• Sensor yaitu elemen perasa yang lansung bersentuhan dengan variabel
proses.
• Transmiter yaitu bagian yang berfungsi mengubah sinyal dari sensor
(gerakan mekanik, perubahan hambatan, perubahnan tegangan atau arus)
menjadi sinyal standar. Dalam bidang pengendalian proses istilah transmiter
lebih populer dibanding dengan transduser. Meskipunkeduanya berfungsi
serupa, tetapi transmiter mempunyai makna pengirim sinyal pengukuran ke
unit pengendali yang biasanya terletak jauh dari tempat pengukuran. Ini lebih
sesuai dengan keadaan yang sebenarnya di pabrik.
2. Unit Pengendali
Bagian ini bertugas membandingkan, mengevaluasi, dan mengirimkan
sinyal ke unit kendali akhir. Evaluasi yang dilakukan berupa operasi
matematika. Hasil evaluasi berupa sinyal kendali yang dikirim keunit kendali
akhir. Sinyal kendali berupa sinyal standar yang serupa dengan sinyal
pengukuran.
• Controller (pengendali) yaitu menerima nilai error dari hasil
pembanding, kemudian menginterprestasikan nilai yang tepat lalu
memerintahkan elemen kontrol pengendali akhir agar bisa sesuai dengan nilai
yang diinginkan. Respon dari konriller memiliki tiga kriteria koreksi, yaitu:
1. Proportional : sinyal keluaran sebanding dengan penyimpangan
(deviasi). Pengendali ini cepat stabil dan memiliki offset kecil.
2. Integral: keluaran selalu berubah selama terjadi deviasi dan kecepatan
perubahan keluaran tersebut sebanding dengan penyimpangan.
Pengendali ini lambat stabil karena sering terjadi gangguan, tetapi
memiliki offset kecil.
3. Derivatif: mempercepat respon pengendali tetapi sangat
peka terhadap noise (gangguan akibat bising, turbulensi). Pengendali
ini cepat stabil dan memiliki offset kecil.
4. Kombinasi: pengontrol tipe integral dan derivatif jarang digunakan
secara tersendiri, tetapi digabungkan dengan sistem proportional untuk
menghilangkan keragu-raguan jika jenir proportional memerlukan
karakteristik yang stabil. Dengan penggabungan ini akan diperoleh suatu
sistem kontrol yang lebih stabil sehingga sensitivitas responnya akan menjadi
lebih besar.
3. Unit Kendali Akhir
Bagian ini bertugas menerjemahkan sinyal kengali menjadi aksi atau
koreksi melalui pengaturan variabel termanipulasi. Unit ini terdiri atas dua
bagian besar, yaitu aktuator dan elemen kendali akhir. Aktuator adalah
penggerak elemen kendali akhir. Bagian ini dapat berupa motor listrik,
selenoida, atau membran peneumatik. Sedangkan elemen kendali akhir
biasanya berupa katup kendali akhir (control valve) atau elemen pemanas.
3. Tanggapan Transien Sistem Tertutup
Jika ke dalam sistem pengendalian terjadi perubahan nilai acuan,
idealnya nilai variabel proses tepat mengikuti nialai acuan baru. Tetapi
kondisi demikian biasanya tidak terjadi. Nilai variabel proses akan
mengalami beberapa kemungkinan perubahan, yaitu:
• Tanpa osilasi (everdamped)
• Osilasi teredam (underdamped)
• Osilasi kontinyu (sastrained oscilation)
• Tidak stabil (amplitudo membesar)
Keempat tanggapan diatas dibuat dengan memberi masukan berupa step
function (fungsi langkah) yaitu dengan perubahan mendadak dari satu nilai
masukan konstan ke nilai masukan konstan yang lain. Besarnya perubahan
tersebut biasanya paling besar 10%.
Tanggapan tanpa osilasi bersifat lambat namun stabil. Sedangkan
tanggapan osilasi teredam mengalami sedikit gelombang di awal perubahan,
dan selanjutnya amplitudo mengecil dan akhirnya hilang. Tanggapan ini
cukup cepat meskipun terjadi sedikit ketidakstabilan. Pada tanggapan dengan
osilasi kontinyu, variabel proses secara terus menerus bergelombang dengan
amplitudo dan frekuensi yang tetap, terakhir, tanggapan tak stabil memiliki
amplitudo besar, kondisi demikian sangat berbahaya karena dapat merusak
sistem keseluruhan.
4. Kalibrasi
Kalibrasi merupakan suatu proses verifikasi bahwa suatu akurasi alat
ukur yang sesuai dengan rancangannya. Kalibrasi biasanya dilakukan dengan
membandingkan suayu standar yang tergabung dengan standar yang
nasional
maupun internasional dan bahan-bahan acuan verifikasi. Kalibrasi pada
umumnya merupakan suatu proses untuk menyesuikan keluaran atau indikasi
dari suatu perangkat pengukuran agar sesuai dengan besaran dari standar
yang digunakan dalam akurasi tertentu.
Sistem manajeman kualitas memerlukan sistem pengukuran yang efektif,
termasuk dalamnya kalibrasi formal, periodik dan terdokumentasi,untuk
semua perangkat pengukuran, ISO 9000 dan ISO 17025 memerlukan sistem
kalibrasi yang efektif.
Kalibrasi di lakukan untuk beberapa hal yaitu :
1. Perangkat baru
2. Suatu perangkat setiap waktu tertentu
3. Suatu perangkat setiap waktu penggunaan tertentu (jam operasi)
4. Ketika suatu perangkat mengalami tumbukan atau getaran yang
berpotensi mengubah kalibrasi
5. Ketika suatu hasil observasi dipertanyakan
3. Gambar Rangkaian Alat
Praktikum ini menggunakan PCT40 bench yang dilengkapi dengan
selang-selang fleksibel. PCT 40 terhubung dengan sebuah komputer melalui
koneksi USB. Pada komputer telah terinstall paket software yang dapat
digunakan untuk mengendalikan dan mengelola signal-signal yang berasal
dari semua sensor dan controller.
4. Prosedur Kerja
Equipment set up
Pada software PCT40, pilih Section 9: Flow Control. Klik ikon
untuk menampilkan layar diagram mimic. Cocokkan hubungan selang ke
semua alat yang ada dengan gambar yang terlihat pada diagram mimic.
Klik menu Sample-Configure lalu atur data logging dilakukan secara
Automatic dengan interval 1 detik dan durasi Continuous.
Pastikan bahwa mains water supply pada kondisi off dan pressure
regulator pada posisi minimum.
Gunakan selang panjang peristaltik berdiameter 6.3 mm yang memiliki
self-sealing pada salah satu ujungnya untuk menghubungkan soket keluaran
pada SOL1 dan pompa peristaltik A. Arahkan ujung lainnya ke bak
pembuangan.
Gunakan selang panjang peristaltik lainnya untuk menghubungkan soket
sebelum SOL1 dan pompa peristaltik B. Arahkan ujung lainnya ke bak
pembuangan.
Pengaturan Pompa A dan B
Atur kecepatan pompa B pada 50%. Pastikan rotor pompa teraba berputar
(bergetar). Buka mains wáter supply lalu secara hati-hati tutup penutup
pompa. Jika air terlihat mengalir melalui pompa, perbesar kecepatannya
hingga 100%.
Atur pressure regulator pada laju alir maksimum (1400 mL/menit).
Atur kecepatan pompa B pada 0%
Tutup dengan hati-hati penutup pompa A dan atur pada kecepatan 50%.
Buka katub SOL1 dan pastikan air mengalir melalui pompa A.
Atur kecepatan pompa A pada 0%
Percobaan dengan PID-controller
PID setting dan Optimasi
Buat data sheet baru dan persiapkan sebuah on/off controller (Automatic,
PID=0) serta setpoint 1000 mL/menit. Klik “Apply” dan “GO” untuk
memulai data logging.
Terlihat bahwa laju alir meningkat dan melewati setpoint dan akhirnya
membentuk overshoot dan beroscilasi kontinu. Pada oscilasi yang ke dua atau
ke tiga, klik ”STOP” untuk menghentikan data logging.
Buat gambar kurva dengan menggunakan software EXCEL antara data
waktu versus laju alir air.
Dari gambar kurva tersebut, tentukan jarak puncak atas dan puncak
bawah sebagai y dan waktu yang dibutuhkan dari puncak ke puncak sebagai t.
Dari nilai y dan t tersebut, nilai awal untuk P, I,dan D dapat ditemukan
sebagai berikut:
Nilai-nilai P, I, dan D hasil optimasi ini selanjutnya disebut sebagai nilai
hasil optimasi atau nilai optimal. Ketikkan nilai optimal ini pada software,
dan buat data sheet baru lalu klik ”GO” untuk memulai data logging dan jika
selesai klik ”STOP”.
Lakukan observasi tentang nilai P, I, D lain yang lebih baik.
Proportional action mengatur gain dari controller. Jika terlihat suatu
respon yang lambat, atau dengan jumlah oscilasi yang banyak, maka kurangi
nilai P.
Integral action dapat digunakan untuk mengurangi dan mengeliminasi
offset. Jika offset terlihat, kurangi nilai I.
Derivative action dapat diatur untuk mengurangi oscilasi yang
berlebihan. Jika respon beroscilasi ekstrem, kurangi nilai D.
Lakukan pengambilan data dengan nilai P, I , dan D yang didapat,
bandingkan dengan respon hasil optimasi.
6;;
3
tDtI
yP
5. Data Pengamatan dan Perhitungan
Setpoint = 700 ml/min
0 100 200 300 400 500 6000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Grafik Hubungan waktu vs laju alir
waktu (detik)
laju
alir
0 50 100 150 200 2500
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Grafik Hubungan waktu vs laju alir
waktu (detik)
laju
alir
Perhitungan optimasi PID pada pompa A dari grafik di atas:
A = overshoot-undershoot= 90 – 55 = 35
t = jarak lembah 2 – jarak lembah 1= 938 – 450 = 488
PB= A3
=353
=11,7
TI=t=48860
=8,13=8 detik
TD= t6=8
6=5,83 detik
6. Pembahasan
Pada percobaan ini, dilakukan optimasi PID pada pompa A dengan
mengatur set point pada 700 ml/min dan mengatur bukaan pompa A pada
100%. Dari hasil optimasi didapatkan nilai P = 11.7, I = 8 dan D = 5.83, hasil
optimasi ini kemudian akan diterapkan pada percobaan pengendalian laju alir
dengan menggunakan pompa A dan dengan menggunakan hasil optimasi
tersebut maka nilai respon proses akan lebih cepat dicapai sehingga waktu
untuk mencapi setpoint juga akan semakin cepat.
7. Daftar Pustaka
ARMFIELD, 2008, Multifunction Process Control Teaching System :
Basic Process Control Unit. Instruction Manual for PCT40
The instrumentation pengendalian proses (www.google.com diakses 1
februari 2011).
Artikel pengendalian proses (www.google.com diakses 1 februari 2011).