TK3020 PENGENDALIAN PROSES SEMESTER II-2014/2015
PRAKTIKUM PENGENDALIAN PROSES
Laporan Singkat
Oleh : Kelompok K.3202.15.20 Adrian Hartanto Tandias
(13012062)
Pembimbing : Dr. Johnner Sitompul Dr. Antonius Indarto
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2015
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Dalam industri kimiasebuah proses dapat mengalami dinamika yang dapat mengganggu berjalannya usatu proses. Pengendalian proses bertujuan untuk menjaga suatu proses pada kondisi operasi yang diinginkan sesuai s esuai dengan criteria criteri a spesifikasi spesifi kasi proses, produk, dan/atau standar lingkungan yang ditetapkan dengan aman, efisien, dan ekonomis. Tujuan yang paling penting dicapai adalah pemenuhan spesifikasi produksi dan keselamatan kerja serta lingkungan. Terdapat dua jenis sistem pengendalian yaitu sistem servo dan regulatory. Sistem servo adalah kondisi pengubahan standar/set point suatu sistem untuk mengubah spesifikasi produk atau proses yang diinginkan. Sistem regulatory, di sisi lain, adalah sistem pengendalin untuk menjaga agar proses berjan sesuai dengan spesifikasi/set point dengan merspon gangguan yang berasal dari luar sistem. Untuk dapat mengendalikan suatu proses, dibutuhkan transfer fungsi untuk masing-masing instrumen beserta parameter-parameter pengendaliannya. Salah satu instrument yang paling penting adalah valve sebagai alat pengendalian akhir. Dalam mengetahui parameter-parameter pengendalian digunakan metode tuning dalam bentuk Cohen-Coon maupun Ziegler Nichols. Metode Cohen-Coon menggunakan sirkuit terbuka, sedangkan Ziegler Nichols menggunakan sirkuit tertutup. Oleh karena pentingnya bagi calon sarjana teknik kimia untuk mengerti dinamika proses dan langkah-langkah untuk mengatasinya maka praktikum pengendalian proses ini dilakukan. 1.2 Tujuan
Percobaan ini bertujuan untuk memahami aspek teoretis dan praktis cara kerja dan penalaan pengendalian tipe umpan balik untuk loop tunggal SISO ( single input single output ). ).
1.3 Sasaran
Untuk mencapai tujuan percobaan, sasaran yang harus dipenuhi adalah: 1. Memahami dasar dinamika proses dan filosofi pengendalian proses tipe umpan balik. 2. Memahami perangkat keras, konfigurasi, dan cara kerja pengendali tipe umpan balik. 3. Menala parameter pengendali umpan balik dengan metode Cohen-Coon dan Ziegler Nichols dalam ragam kasus pengendalian servo dan regulatory
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Jenis Pengendalian 2.1.1 Feedback
Konfigurasi feedback menggunakan sistem pengukuran langsung untuk variabel proses yang dikendalikan. Adanya selisih / deviasi antara nilai terukur dengan nilai yang ditetapkan ( set point ) memicu pengendali (controller ) untuk mengambil tindakan manipulasi terhadap manipulated variable. 2.1.2 Feedforward
Konfigurasi feedforward merupakan tipe pengendalian yang cocok untuk sistem dengan karakteristik proses yang sudah diketahui dengan baik. Tipe pengendalian ini mengukur langsung gangguan yang terjadi. Adanya gangguan ini digunakan oleh pengendali untuk mengubah manipulated variable atas dasar fungsi transfer pada pengendali yang memprediksikan perubahan variabel proses sebagai akibat adanya gangguan. 2.1.3 Inferensial
Konfigurasi pengendalian inferensial menggunakan pengukuran sekunder pada parameter yang berhubungan dengan output proses. Jenis pengendalian ini umumnya digunakan pada sistem dengan output proses yang sulit diukur. 2.2 Metode Cohen-Coen
Dikenal juga dengan metode process reaction curve. Tuning metode ini dilakukan dengan melakukan perhitungan parameter close loop dengan pendekatan open loop. Fungsi transfer dari metode ini adalah:
Persaman diatas menunjukkan bahwa metode ini tidak hanya dipengaruhi dinamika proses utama namun juga dipengaruhi oleh sensor dan elemn pengendali akhir. Pendekatan persamaan Cohen-Coen ditampilkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Hasil penalaan Cohen coon
Parameter
Tipe Pengendali
Kc
τi
τd
Proporsional
Proporsional Integral Proporsional Integral Derivatif
2.3 Metode Ziegler-Nichols
Tuning dengan metode ini dilakukan berdasarkan pada analisi respon frekuensi. Pada metode ini tuning dilakukan dengan respon closed-loop. Hasil penalaan Ziegler-Nichols dapat dilihat pada Tabel 2.2 Tabel 2.2 Hasil penalaan Ziegler-Nichols
BAB III METODOLOGI PERCOBAAN
3.1. Alat dan Bahan
Peralatan yang digunakan dalam percobaan kali ini adalah: 1. 1 set peralatan Gas Pressure Control Mini Plant 2. 1 set peralatan Mixing Tank Control System
Bahan yang digunakan dalam percobaan kali ini adalah: 1. Air
3.2. Skema Alat
Skema alat yang digunakan dalam percobaan kali ini ditunjukkan dalam Gambar 2.1 dan 2.2.
Gambar 2.1. Skema alat mixing tank control system
Gambar 2.2. Skema alat gas pressure control mini plant
3.3. Langkah Kerja
3.3.1. Pengendalian Laju Alir
Langkah-langkah pengendalian laju alir pada mixing tank control system adalah sebagai berikut: 1. Tab control 1 dipilih 2. AVS-1, AVS-2, AVS-3, dan AB-1 dinyalakan 3. Pada bagian Graph A, SC-1 dan set point diaktifkan 4. Button start diaktifkan dan dilakukan penyimpanan data 5. Pada bagian control 1, pengendalian laju alir ( flow) dipilih dan set point ditentukan 6. Bukaan valve AVP-1 diatur sehingga laju alir mendekati nilai set point 7. set point dirubah hingga respon sistem stabil 8. Penyimpanan data dihentikan 9. Data yang sudah tersimpan dapat dianalisis melalui perangkat lunak Microsoft Excel
3.3.2. Pengendalian Level Tangki
Langkah-langkah pengendalian aras (level) tangki pada mixing tank control system adalah sebagai berikut: 1. Tab control 1 dipilih 2. AVS-1, AVS-2, dan AB-1 dinyalakan 3. Pada bagian Graph A, SN-1 dan set point diaktifkan 4. Button start diaktifkan dan dilakukan penyimpanan data 5. Pada bagian control 1, pengendalian ketinggian cairan (level) di pilih dan set point ditentukan 6. Bukaan valve AVP-1 diatur sehingga ketinggian cairan mendekati nilai set point 7. set point dirubah hingga respon sistem stabil 8. Penyimpanan data dihentikan 9. Data yang sudah tersimpan dapat dianalisis melal ui perangkat lunak Microsoft Excel
3.3.3. Gas Pressure Control Mini Plant
Tahapan-tahapan yang dilakukan dalam gas pressure control mini plant adalah sebagai berikut: 1. Valve 3 dibuka agar udara yang tersisa pada akumulator terbuang, setelah itu valve 3 ditutup 2. Valve 1, 2, dan 4 dibuka 3. Kompresor dinyalakan 4. Laju alir udara diatur dengan mengamati ketinggian pada Rotameter 5. Controller diatur dalam mode manual ( sheet excel 1) 6. Sinyal dan setpoint disesuaikan (sesuai dengan penugasan) dengan mengatur bukaan valve 4 7. Sistem diganggu dengan mengubah bukaan kontrol valve 8. Apabila telah terjadi kemiripan sinyal output selama 5 menit, respon sistem terhadap waktu dicatat 9. Nilai input , output , time delay, dan slope respons dapat ditentukan sebagai parameter tuning
10. Hitung nilai Kc, тi, dan/atau тd dengan metode Ziegler-Nichols 11. Controller diatur dalam mode otomatis 12. Parameter pengendalian yang telah dihitung dimasukkan 13. Parameter pengendalian diubah hingga respon sistem stabil 14. Data parameter pengendalian yang digunakan dicatat
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengendalian Tekanan – Servo
Pengendalian tekanan yang dilakukan oleh praktikan secara langsung menggunakan metode Ziegler-Nichols. Hasil tuning ditampilkan pada Tabel 4.1 Tabel 4.1 Parameter Tuning Pengendalian Miniplant Metode Ziegler-Nichols
Kc
τi
P
0,5
PI
0,4545
9,309
PID
0,5882
5,586
τD
1,396
Pada tuning yang dilakukan (grafik tidak ditampilkan karena rusaknya file Microsoft Excel yang di-copy dari computer pelaksanaan praktikum) AR bernilai satu didapatkan pada nilai frekuensi 0,0895. Nilai ini menghasilkan ωco sebesar 0,5621. Nilai tuning ini digunakan pada set point awal tekanan sebesar 95 bit atau 9,937 bar. Ketika set point diganti menjadi 100 bit atau 10,25 bar hal ini menyebabkan offset sebesar 33% pada sistem pengendalian proposional integral yang digunakan. Nilai Kc pun diubah-ubah untuk mendapatkan off set yang rendah dengan hasil ditampilkan pada Tabel 4.2. Tabel 4.2 Tuning Parameter Pengendalian Miniplant Meotde Ziegler-Nichols Kc
τi
τD
Offset
0,4545
9,309
0
33%
1,5
9,309
0
14%
2,5
9,309
0
8%
3,5
9,309
0
5%
Dari trial and error didapatkan nilai parameter pengedalian yang dapat memberi offset maksimal 5% seperti tertera pada Tabel 4.2.
Perbandingan hasil tuning pengerjaan yang dilakukan dengan metode Cohen-Coen ditampilkan pada Tabel 4.3. Tabel 4.3 Parameter Pengendalian Miniplant Metode Cohen-Coen
Kc
τi
P
25,475
PI
22,756
3,031
PID
33,81
3,911
τD
0,582
Pengendalian dengan metode Cohen-Coen menghasilkan Kc yang lebih besar dengan waktu respon yang lebih kecil dibandingkan metode Zieger-Nichols pada sistem yang ditinjau. Secara teoritik berarti metode Cohen-Coen akan memiliki tingkat osilasi menuju kestabilan lebih tingi dibandingkan dengan metode Ziegler-Nichols. Tetapi metode ini menghasilkan nilai waktu respon yang lebih kecil sehinga secara teoritik dapat menghasilkan kestabian lebih cepat. Apabila parameter tuning dibandingkan dengan Simulink dengan kondisi tekanan awal 0 bar dibawa ke set point 9,937 bar amaka akan ditampilkan grafik seperti Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Simulasi Sistem Pengendalian Miniplant – Simulink
Gambar 4.2 Perbandingan Tuning Miniplant, warna kuning menggambarkan hasil
metode Ziegler-Nichols dan warna ungu menggambarkan hasil Cohen-Coen Dapat dilihat bahwa metode Coehen-Coen menghasilkan kestabilan dengan lebih cepat dan hampir tidak adanya osilasi. Sehingga dari hasil ini didapatkan bahwa metode CohenCoen lebih baik untuk sistem mini plant. Untuk masalah servo perlu ditinjau lebih lanjut karena nilai parameter pengendalian hasil tuning tidaklah sama, tetapi karena data pengoperasian sistem servo untuk pengoperasian metode Cohen-Coen tidak diapatkan maka perbandingan tidak dapat dialkukan. Hasil simulasi menggunakan Simulink pada metode Ziegler-Nichols ditampilkan pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Perbandingan Tuning Miniplant Metode Ziegler-Nichols, warna kuning
menggambarkan hasil metode PI dan warna ungu menggambarkan hasil metode P Seperti hasil yang ditampilkan pada Gambar 4.2, sistem pengendalian berlangsung dengan sangat baik pada pengendalian dengan sistem proporsional saja. Hal ini disebabkan karena nilai Kc yang didapat pada praktikum besar. Selain itu pada simulasi diasumsikan fungsi EPA dan alat pembaca (Gm) bernilai satu sehingga pada simulasi dapat terjadi kesalahan. 4.2 Pengendalian Flow – Servo
Pengendalian lajur alir pada alat Edibon yang dilakukan oleh praktikan menggunakan metode Cohen-Coen dengan sistem PID. Hasil tuning ditampilkan pada Tabel 4.4. Karena ter-overwrite-nya file Microsoft Excel saat praktikum dengan data saat dilakukan percobaan servo maka kurva respons tuning tidak dapat ditampilkan.
Tabel 4.4 Parameter Tuning Pengendalian Edibon Metode Cohen-Coen
Kc
τi
P
0,2103
PI
0,0608
2,752
PID
0,1651
0,2053
τD
0,0097
Setelah didapatkan parameter tuning tersebut pada laju alir sebesar 1,6, pengendalian servo dilakukan dengan mengubah setpoint menajdi 1,8. Hasil yang didapatkan sistem mengalami offset sebesar 3,33%, dibawah 5%. Oleh karena itu sistem sudah cukup baik dan tidak dilakukan trial and error untuk parameter pengendalian. Perbandigan hasil tuning dengan metode Ziegler-Nichols ditampilkan pada Tabel 4.5. Tabel 4.5 Parameter Tuning Pengendalian Edibon Metode Ziegler-Nichols
Kc
τi
P
0,5
PI
0,4545
0,041
PID
0,588
0,025
τD
0,00625
Dengan menggunakan parameter PID tersebutm ketika set point diubah menajadi 1,8 maka didapatkan offset sebasar ~0%. Hal ini menunjukan metode Ziegler-Nichols lebih baik untuk pengontrol flow dalam Edibon dengan menggunakan sistem PID. 4.3 Pengendalian Level – Tuning
Pada pengendalian level Edibon hanya dilakukan tuning karena waktu praktikum pada alat tersebut sudah habis. Kurva respons ditampilkan pada Gambar 4.4. Karena proses run harus diputus ditengah-tengah berjalannya praktikum, maka seperti ditampilkan pada Gambar 4.3, belum terbentuk kondisi stabil sehingga tuning tidak dapat dil akukan. Oleh karena itu tidak dapat diketahui besar nilai parameter sistem kontrol
300.000
250.000
200.000 l e v 150.000 e L
100.000
50.000
0.000 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Waktu
Gambar 4.4 Kurva Respons Level Edibon – Cohen-Coen
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Dari praktikum ini didapatkan kesimpulan: 1. Untuk pengendalian tekanan pada miniplant dengan sistem PI didapatkan offset 5% untuk metode Ziegler-Nichols. Metode Cohen-Coen diprediksi lebih sesuai untuk pengendalian pada sistem ini. 2.
Untuk pengendalian tekanan pada miniplant dengan simulasi menggunakan Simulink didapatkan bahwa pengendalian dengan sistem Proporsional saja sudah cukup dengan nilai Kc yang didapat pada tuning.
3. Untuk pengendalian flow pada Edibon dengan sistem P ID didapatkan offset 3,33% untuk metode Ziegler-Nichols dan 0% untuk metode Cohen-Coen. Dapat disimpulkan bahwa metode Cohen-Coen lebih efektif untuk pengendalian flow pada Edibon dengan sistem PID. 4. Untuk pengendalian level pada Edibon, tuning awal gagal dilakukan karena habisnya waktu percobaan. 5.2 Saran
1. Sebelum praktikum agar dilakukan dry run yang jelas dan/atau adanya modul yang jelas mengenai prosedur praktikum karena selama pelaksanaan praktikan kesulitan dalam pengoperasian alat/computer. 2. Waktu praktikum ditambah agar semua praktikan dapat mencoba melaksanakan penggunaan alat.
DAFTAR PUSTAKA
Stephanopoulos, G.; “Chemical process control: an introduction to theory and practice", Prentice-Hall, 1984.
LAMPIRAN A CONTOH PERHITUNGAN A.1. Penentuan Tekanan dalam Satuan Bar
Satuan tekanan pada pressure plant pada layar komputer merupakan satuan bit komputer. Nilai bit komputer tersebut berkisar antara 0-256 bit dengan rentang tekanan 4-20 bar. Dengan metode interpolasi linear, tekanan pada rentang tersebut dihitung antara kedua titik ujung. Untuk set point 95 bit, maka nilai tekanan dalam satuan bar adalah sebagai berikut:
A.2 Tuning Parameter Pengendalian dengan Cohen-Coen
A.3 Tuning Parameter Pengendalian dengan Zieger-Nichols
