Filosofi Dasar Sistem Kontrol

BAB 1 FILOSOFI DASAR SISTEM KONTROL

1. 1 Obyektif Sistem Kontrol Automatis

Sebuah pabrik Kimia (chemical plant) adalah adal ah susunan susun an unit-unit proses (reaktor, pompa, kolom kolo m desti des tilas lasii, absorber, evaporator, tangki, dsb.) yang terinteg ter integrasi rasi satu sa tu sama lain secara sistematik sistemati k da n rasional. rasi onal.

Obyektif keseluruha n pabrik tersebut tersebu t adalah adal ah untuk 

mengubah bahan baku tertentu ( input feedstock ) menjadi produk yang diinginkan dengan menggunakan menggu nakan sumber daya energi energ i yang tersedia, deng d engan an cara yang sangat sang at ekonomis. Selama beroperasi, suatu pabrik harus terpenuhi beberapa kebutuhan yang ditentuk dite ntukan an oleh ol eh pendisainnya pendisai nnya dan kondisi kondi si teknik, ekonomi dan sosial sosi al yang umum terutama dengan adanya pengaruh-pengaruh luar (gangguan) yang sangat menantang. Di antara kebutuhan-kebutuhan tersebut tergambar pada Gambar 1.1 di bawah ini.

Safety Prod. Spec. Proses

Dinamik

Dikontrol

Environ. regulation

Kontrol Proses Automatis

Operational constraint

Studi Kontrol Proses

Economic Principles of  process eng. Modeling

Penguasaan Mathematics (Diff. Eq.)

SIMULASI

Gambar 1.1 Skema Dasar Sistem Kontrol

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

1

Dalam melakukan melak ukan studi stud i proses penti pe nting ng untuk untuk diket d iketahui ahui bahwa proses pros es yang berlangsung di Industr Indu strii Kimia sesungguhnya (real world ) berjalan secara dinamik, yakni variabel variab el-- variabel variab el yang menentuk me nentukan an terjadinya terjadi nya proses itu i tu berubah-ub ber ubah-ubah ah terhadap waktu. wak tu. Agar proses itu i tu berjalan berj alan sesuai deng de ngan an target-targe target- targett yang ditentuk diten tukan an,, maka proses itu i tu harus harus dikontrol secara automatis. Target-target proses yang tersebut antara lain adalah: 1. Terjaminnya keselamat kesel amatan an (safety) baik bagi buruh maupun peralatan yang ada. 2. Terjaganya kualitas kualita s produk, misalnya komposisi komposis i produk, warna, dll. pada keadaa kea daan n yang kontinyu dan dengan biaya minimum. 3. Proses berlangsung berla ngsung sesuai ses uai dengan den gan batasa bat asan n lingkungan ling kungan,, maksudnya maksudnya adala ada lah h limbah lim bah yang dihasilkan oleh proses tersebut tidak melebihi ambang batas lingkungan. 4. Proses Proses berlangsung sesuai dengan batasan batasa n-batasan -ba tasan operasinya. operasinya. Berbagai jenis jenis peralatan peralat an yang digunak dig unakan an dalam dala m sebuah seb uah pabrik kimia memiliki memili ki batasan bat asan (constraint ) yang inherent untuk untuk oper o perasi asi peral pe ralatan atan tersebut. Batasan Bata san-b -batasa atasan n itu it u seharusnya terpenuhi di seluruh selur uh operasi sebuah pabrik. Contohnya pompa harus menjada net positive suction head  tertentu; tangki seharusnya tidak  overflow atau menjadi kering; kolom kol om distilasi seharusnya tidak terjadi banjir ( flood ); ); suhu pada sebuah sebu ah reaktor reakt or katalitik seharusnya tidak melebihi batas atasnya sehingga katalis menjadi rusak. 5. Ekonomis:

Operas Ope rasii

sebua seb uah h pabrik harus harus sesuai sesua i deng de ngan an kondisi kondi si pasar, yakni

ketersediaan keter sediaan bahan bah an baku ba ku dan da n permint perm intaan aan produk akhirnya. Oleh Ole h karena itu it u, harus harus seekonomis mungkin dalam dala m konsumsi kons umsi bahan bah an baku ba ku,, energi, modal, modal, dan tenaga tenaga kerja. Hal ini membutuhkan membutuh kan pengontrol pengont rolan an kondisi kondi si operasi oper asi pada pa da tingkat yang optimum, sehingga terjadi biaya operasi yang minimum, keuntungan yang maksimum, dan sebagainya. Agar Agar studi st udi proses berhasil dengan de ngan baik, maka maka perlu dilakukan dilaku kan pemodelan (modeling), yakni dengan den gan membuat suatu suat u persam per samaan aan differensi diff erensial al fungsi waktu wak tu (dinamik). (dinami k). Untuk Untuk dapat dapa t melakukan melak ukan pemodela pemo delan n diperl dipe rlukan ukan penguasaan pengu asaan akan ak an prinsip-prinsip prinsip- prinsip rekayasa proses (prinsip(p rinsip-prinsip prinsip termodinamika, aliran ali ran fluida, perpinda perp indahan han panas, proses pros es separasi, sepa rasi, proses reak r eaksi si,, dll.)d d ll.)dan an matematika. Model yang sudah sud ah dibangun diba ngun selanjutnya dibuat dibu at simulasi komputer.

1. 2 Jenis Sistem Sist em Kontrol Kontrol

Ada 2 jenis sistem kontrol: 1. Sistem Siste m kontrol kontr ol lup lup tertutup tertutup (closed-loop control system). 2. Sistem Siste m kontrol kontr ol lup lup terbuka (open-loop control system).

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

2

⇒ ⇒

Sistem Sist em Kontrol Lup Tertutup

Jenisnya:   feedback control system) • sistem kontrol berumpan balik ( feedback • sistem kontrol inferensial (inferential control system) •

 feedforwardcontrol sistem kontrol berumpanberumpan- maju ( feedforwardcontrol system )

Masukan

Kontroler

Proses

Keluaran

Alat Ukur Gambar 1.2 Diagram blok sistem sis tem kontrol lup tertutup

Masukan: harga yang diinginkan Keluaran: harga yang sebenarnya (respon) Contoh: Sistem termal

Gambar 1.3 Kontrol manual berumpan-balik sebuah sistem termal

Gambar 1.4 Kontrol automat automatik ik berumpan berump an-balik -balik sebuah sistem termal ter mal

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

3

Contoh dalam rumah tangga: AC, kulkas, seterika automatik, pompa automatik, dll.

⇒ ⇒

Sistem kontrol lup terbuka

Masukan

Kontroler

Proses

Keluaran

Gambar 1.5 Diagram blok sistem kontrol lup terbuka

Faktor Faktor penting: WAKT U

Kelebihan: ◊ konstruksinya sederhana dan perawatannya mudah ◊ lebih murah ◊ tidak ada ada persoala per soalan n kestabilan ◊ cocok untuk keluar kel uaran an yang sukar suk ar diukur diukur /tidak ekonomis (cont (c ontoh: oh: untuk mengukur

kualitas kualitas keluaran ke luaran pemanggang roti)

Kelemahan: ◊ gangguan dan da n perubahan kalibrasi ◊ untuk menjaga kualitas yang diinginkan perlu kalibrasi ulang dari waktu ke waktu

1. 3 Klasifikasi Kebutuhan Sistem Sist em Kontrol

Ada 3 klasifikasi kebutuhan sistem kontrol secara umum: 1. Menekan Mene kan pengaruh pengaru h gangguan ganggu an (disteurbance/upset ) eksternal. 2. Memastikan Memast ikan kestabi kest abilan lan suat su atu u proses kimia. 3. Optimisasi performansi suatu sua tu proses proses kimia.

1. 4 Aspek-aspek Disain Sistem Kontrol

Variabel Vari abel (laj ( laju u alir, suhu, tekana tek anan n, konsentrasi, konsen trasi, dll) dalam dal am proses dibagi diba gi menjadi menjad i 2 kelompok: 1. Variabel masukan (input): • manipulated (adjustable) variable • disturbance:

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

4

♦ dapat diukur (measured): suhu masuk, laju alir masuk, dll ♦ tidak dapat diukur (unmeasured): komposisi umpan

2. Variabel keluaran keluar an (output): • dapat dikur (measured): suhu produk, laju alir produk, dll. • tak dapat diukur (unmeasured) : suhu di tray

Adapun elemen-elemen elemen-elemen disain sistem kontrol: 1. Mendefinisikan obyektif pengontrolan 2. Menyeleksi pengukuran 3. Menyeleksi Menyelek si variabel variab el yang dimanipu dima nipulasi lasikan kan 4. Menyeleksi konfigurasi kontrol 5. Mendisain kontroler

1. Mendefinisikan Mendefinis ikan obyektif pengontrolan Pertanyaan 1: Apa obyektif operasional operasional yang ingin dicapai? dicapai?

Ada beberapa beberapa obyektif pengontrolan: • Memastikan kestabilan proses • Menekan pengaruh gangguan luar • Optimisasi kinerja plant secara ekonomis • Kombinasi dari dar i semua semua yang di atas

2. Menyeleksi Menyel eksi pengukuran

Apapun obyektif pengontrola pengont rolan n kita, kit a, kita kit a perlu beberapa hal h al untu untuk k memonitor kinerja proses. Ini I ni dilakuk dil akukan an dengan deng an mengukur harga-harga variabel variab el proses terten ter tentu tu (suhu, tekanan, tekanan, konsentrasi, dll). Pertanyaan 2: Variabel apa yang seharusnya diukur agar bisa b isa

memantau kinerja

 proses? Ada 3 jenis pengukuran: • pengukuran primer (primary measurement): variabel yang dimonitor secara langsung

dan dapat diukur secara kuantitaif  • pengukuran sekunder (secondary measurement): variabel lain yang dapat diukur

secara mudah dalam rangka memonitor variabel keluaran yang tak dapat diukur • pengukuran gangguan: pengukura pengu kuran n gangguan gang guan secara secar a langsung dipaka dip akaii dalam dala m kontrol kontr ol

umpan-maju.

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

5

3. Menyeleksi Menyel eksi variabel variabel yang yang dimanipulasikan Pertanyaan 3:   Apakah

manipulated manipulat ed variable yang digunakan untuk

mengontrol 

 proses?

Biasanya dalam dala m sebuah seb uah proses kita memili mem iliki ki sejuml sej umlah ah variabel variabe l masukan masuk an yang dapat disetel secara bebas. Variabel Vari abel-- variabel variab el manakah manak ah yang gunakan guna kan sebagai sebaga i manipulated variable adalah adal ah piliha pil ihan n

yang yang

sangat

penting pent ing

karena

akan ak an

mempengaruhi mempengar uhi kualitas kualit as aksi aks i

pengontrolannya.

4. Menyeleksi Menyel eksi konfigurasi konfigurasi kontrol Konfigurasi/struktur kontrol: struktur informasi yang digunakan untuk menghubungkan

pengukuran-pengukuran yang ada dengan manipulated variable yang tersedia.

Gambar 1.6 Alternatif skema kontrol levellevel-cairan cairan

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

6

Gambar 1.7 Kontrol suhu berumpan-balik pada tangki pemanas

Gambar 1.8 Kontrol suhu berumpan-maju untuk  stirred tank heater

Ada dua dua jenis konfigurasi kontr kontrol: ol: i) Manipulated variable variable dengan deng an aliran-ali ali ran-aliran ran informasi infor masi yang sama sama (Gambar 1.6) ii) Informasi Info rmasi (pengukuran (pengukur an)) melalui manipulated variable yang sama (Gambar 1.7 dan 1.8) 1.8 )

Pertanyaan 4: Apakah konfigurasi kontrol terbaik untuk situasi proses yang diketahui?

Berdasarkan Berda sarkan berapa kelua ke luaran ran yang dikontrol dikont rol dan da n masukan masuk an yang dimanipu dima nipulasi lasikan kan yang yang dimiliki dimili ki dalam proses proses konfigurasi kontrol kontr ol dibagi menjadi: sistem kontrol SISO (single-input, single-output) dan da n sistem kontrol MIMO (multiple-input, multiple-output).

Ada 3 jenis konfigurasi kontrol yang umum: 1) Konfigurasi kontrol kontr ol berumpan-balik berumpan-balik (Gambar 1.9)

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

7

2) Konfigurasi Konfigur asi kontrol kontr ol inferensial: infer ensial: menggunakan mengg unakan pengukuran penguk uran sekunder untuk untuk controlled control led variable yang tidak dapat diukur (Gambar 1.10) 3) Konfigurasi kontrol kontr ol berumpanberumpan- maju (Gambar 1.11) Keuntungan dan kerugian feedback dan forward adalah: •

Keuntu Keu ntunga ngan n feedback feedba ck : sederhana Keru Kerugi giaannya

•

: aksi aksi sete setela lah h controlled variable beru beruba bah h dari dari set point

Keuntungan forward: dapat mengantisipasi perubahan set point Kerugi Kerugiann annya ya

: hany hanyaa bisa bisa mengantisipa mengantisipasi si dua dua variabel variabel saja, yaitu aliran alira n dan suhu

Gambar 1.9 Sistem Sist em kontrol berumpan-balik  berumpan-balik 

Gambar Gambar 1.10 Sistem Si stem kontrol kontr ol inferensial

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

8

Gambar 1.11 Sistem kontrol kontro l berumpan berum pan-- maju

5. Mendisain kontroler kontr oler

Dalam setiap konfigurasi kontrol kontr ol,, kontroler merupakan elemen eleme n aktif yang menerima informasi infor masi dar d arii pengu pe ngukur kuran an dan da n mengambil aksi aks i pengontro pengo ntrolan lan yang tepat tepat untuk  menyetel harga manipulated variable.

Pertanyaan 5:   Bagaimana informasi (diambil dari pengukuran)

digunakan untuk

  menyetel harga manipulated variable?

 huku m pengontrolan pengontrolan,, yang diimplementasikan secara Jawaban Jawaba n pertanya pert anyaan an ini merupakan merup akan huku otomatis oleh kontroler.

1. 5 Komponen Sistem Kontrol

Komponen Kompo nen-k -kompo omponen nen dasar das ar sistem sist em pengontro pengo ntrolan lan adalah ada lah sebaga seb agaii berikut (lihat Gambar 1.12): 1. Proses  primary element ) 2. Sensor, disebut jug jugaa eleme el emen n primer ( primary

Contoh: • suhu: termokopel atau resistance thermometer • laju alir: venturi meter • komposisi: komposisi: gas chromatograph

3. Transduser: untuk untuk mengubah menguba h sinyal sin yal 4. Transmiter: Transmiter : menguatkan menguatka n sinyal, sin yal, disebut juga elemen eleme n sekunder 5. Kontroler (otaknya (otaknya sistem sis tem kontro kon trol) l)

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

9

6. Elemen Ele men kontro kon troll akhir 7. Recorder Komponen-komponen di atas melakukan tiga operasi dasar yang harus ada di setiap sistem kontrol. kontrol. Operasi-operasi Op erasi-operasi ini adalah:

1.   Measurment (M) atau ata u pengukura penguk uran n, yakni mengukur variabel varia bel yang dikontro diko ntroll dengan den gan mengkombinasikan sensor dan transmitter. 2.   Decision

(D) atau keput ke putusan, usan,

didasark dida sarkan an pada penguku peng ukuran ran;; kontroler kontro ler harus

memutuskan memu tuskan apa yang harus dilaku di lakukan kan untuk untuk menjaga variabel variab el tersebut pada harga yang diinginkan. 3.   Action (A) atau aksi, a ksi, sebagai sebag ai hasil dari dar i keputusan keput usan kontroler, kontrol er, biasanya dilakuk dil akukan an oleh ol eh

elemen kontrol akhir.

Gambar 1.12 Komponen Kompone n sistem kontrol pada pada stirred tank heater Komponen Kompon en-k -kompo omponen nen yang biasanya digamba dig ambarka rkan n dalam diagram blok adala ada lah h kontroler, elemen kontrol akhir, proses, sensor dan transmitter (lihat Gambar 1.13). Masukan Kontroler

Elemen Kontrol Akhir

Keluaran Proses

SensorTransmitter

Gambar 1.13 Diagram blok komponen kompo nen dasar dasar sistem si stem kontrol kontr ol

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

10

1.6 Sinyal Transmisi

Ada tiga jenis sinyal yang digunakan pada industri proses saat ini, yaitu: 1. Sinyal  pneumatic atau tekanan tekanan udara, udara, normaln normalnya ya 3 30 psig psig atau 3.0

15 psig. psig. Jarang Jarang menggun menggunakan akan 6

27 psig. psig. Gamba Gambarr sinya sinyalny lnyaa pada pada gamb gambar ar P&ID P&ID (pipin (piping g and and

instrument instrument diagram) adalah adal ah

2. Sinyal elektrik elektri k (elentric) atau elektronik, normalnya antara 4 dan 20 mA. Jarang menggunakan 10

50 mA mA atau atau 1

5 V atau atau 0

10 V. Ga Gambarnya:

3. Sinyal digital atau diskret (nol dan da n satu sat u).

Sering juga diperl dip erlukan ukan untuk untuk mengubah meng ubah dari dar i satu sa tu sinyal sinya l ke sinyal sin yal lainnya. lainnya. Ini dilakukan oleh transducer .

Contohnya Contohnya dari dar i sinyal sinya l listrik ke sinyal sinya l pneumatik. Ini

menggunakan transduser arus (I) dan pneumatik (P) atau I/P (lihat Gambar 1.14).

I P FY 10 Gambar 1.14 Transduser Transd user I/P

1.7 Istilah-istilah Penting 1. Controlled variable variable (variabel yang yang dikontrol): dikontrol):

Variabel Vari abel yang harus dijaga atau at au dikendali diken dalikan kan pada pad a harga harga yang diingi dii nginkan. nkan. Contoh: Con toh: laju alir, alir, komposisi komp osisi,, suhu, level, dan da n tekanan 2. Setpoint:

Harga yang diinginkan dari controlled variable 3. Manipulated Manipulated variable (variabel yang yang diubah-ubah): diubah-ubah):

Variabel Vari abel yang digun di gunakan akan untuk untuk menjaga contolled variable berada pada pa da setpointnya nya ; biasanya berupa laju laj u alir dari da ri alir al iran an terten ter tentu tu yang masuk masuk atau ata u meninggalk menin ggalkan an suatu proses

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

11

4. Uncontrolled variable:

Variabel di dalam proses yang yang tidak bisa dikontrol. Contohnya Contohnya:: suhu dari dar i sebuah tray dalam kolom distilasi 5. Disturbance atau upset (gangguan):

Variabel Vari abel yang dapat dap at menyebabkan controlled variable beruba ber ubah h dari dar i harga harga setpointsetpoin tnya nya ; biasanya berupa laju laj u alir, suhu, su hu, atau ata u komposi kom posisi si sebua h aliran ali ran yang masuk (tapi (t api kadang meninggalkan) suatu proses. Gangguan dapat dapat diklasifikasikan diklasifi kasikan dan didefinisikan didefinisik an dalam beberapa beberapa cara: a. Bentuk: step, pulse, impulse, ramp, sinusoidal, dsb. b. Lokasi di feedback loop: - load disturbance (perubahan perubahan komposisi umpan, umpan, suplai supla i tekanan teka nan uap air, suhu air pendingin, dsb.); fungsi kontroler: mengembalikan controlled variable

pada

setpoint-nya

dengan

perubahan

yang

tepat

pada

manipulated variable - setpoint disturbance (perubaha (perubahannya nnya dapat dibuat, khususnya khususnya dalam proses batch atau dalam dal am merubah merub ah dari da ri satu sa tu kondis kon disii ke kondis kon disii lain dalam dala m proses

kontinyu); fungsi kontroler : mendorong controlled variable mencapai mencap ai setpoint yang baru Gambar 1.15 menunjukkan menunj ukkan variabel vari abel-- variabel variab el siste si stem m kontro kon troll dalam dal am sebuah seb uah kolom kol om distilasi.

Load Disturbances

Feed flow rate F rate F

Distillate composition

Feed composition z composition  z

Bottom composition x composition x B Level reflux drum  M  R

Manipulated variables

Reflux flow rate

Level base M  base  M   B

Reboiler heat Q R

Pressure P Pressure P

Controlled variables

Distillate flow rate  D Bottom flow rate  B Cooling water flow rate

Tray 15 temperature Tray 5 temperature

Uncontrolled variables

Gambar Gambar 1.15 VariabelVariabel- variabel sistem kontrol kontr ol dalam distilasi

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

12