MAKALAH INSTRUMENTASI DAN PENGENDALIAN PROSES
“SYSTEM CASCADE CONTROL ”
OLEH: Kelompok 3 Aulia Eriansyah
Cut Rozalia
Hoemaira Yoesita
Rachmat Arianda
JURUSAN TEKNIK KIMIA/ PRODI PENGOLAHAN MIGAS POLITEKNIK NEGERI LHOKSEUMAWE 2013/2014
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga kami dapat menyelesaikan Makalah Instrumentasi dan Pengendalian proses yang berjudul “SYSTEM CASCADE CONTROL”. Makalah ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat dalam pembelajaran mata kuliah Instrumentasi dan Pengendalian Proses jurusan Teknik Kimia Program Studi Pengolahan Migas Politeknik Negeri Lhokseumawe. Dalam pelaksanaan dan penulisan makalah ini penulis banyak mendapatkan bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, terutama dosen pembimbing Bapak Reza Fauzan, ST. M.Sc dan juga rekan-rekan kelompok 4 lainnya. Tanpa bantuan dari berbagai pihak, kami tidak mampu menyelesaikan makalah ini, Oleh karena itu kami ingin mengucapkan terima kasih yang setulus-tulusnya kepada seluruh pihak yang telah membantu dan memberi dukungan moril terhadap selesainya laporan seminar ini. Kami menyadari bahwa makalah ini masih banyak kekurangan, maka dari itu kritikan dan saran yang sifatnya membangun sangat diharapkan dari semua pihak demi kesempurnaan laporan ini di masa datang. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi kami khususnya dan pembaca pada umumnya. Amin.
Lhokseumawe, 30 April 2014
Kelompok 3
PENDAHULUAN
Latar belakang Proses adalah sebuah kegiatan berkesinambungan yang mengubah suatu material. Istilah proses di industrial mencakup input (raw material/feed/bahan baku) dan output (product). Kontrol untuk menjaga kondisi (operasi kilang) sesuai yang diinginkan dalam sistem dengan mengatur variabel yang dipilih di sistem tersebut.
Proses Kontrol : menjaga kondisi yang diinginkan dalam sistem dengan mengatur variabel yang dipilih dalam sistem untuk mengurangi gangguan (disturbances) yang mempengaruhi sistem. Sebelum membahas satu persatu aksi kontrol tersebut, ada baiknya terlebih dahulu kita membahas secara garis besar beberapa jenis variabel yang selalu digunakan dalam suatu loop kontrol. Beberapa jenis variabel yang selalu digunakan dalam suatu loop kontrol, yang dapat dijelaskan sebagai berikut:
Controlled variable : yaitu variabel proses yang akan dikontrol, seperti temperature, pressure, flow, level, qualitas produk, dsbnya. Idealnya “controlled variable” ini harus diukur untuk kemudian dibandingkan dengan “set point”-nya. Akan tetapi apabila tidak memungkinkan untuk dilakukan pengukuran langsung, maka nilai variable ini bisa diperoleh melalui suatu perhitungan (inferensial). Manipulated variable : variabel yang akan dimanipulasi oleh final control elementdalam rangka melakukan aksi koreksi (atau mempertahankan) harga “controlled variable” yang ada. Sebagai contoh flow fuel dalam sebuah boiler atau heater. Load variable : variabel yang merupakan beban dari suatu loop kontrol, sebagai contoh flow/pressure steam dalam suatu boiler (steam drum level control), atau temperature outlet dalam suatu heater. Disturbanced variable : merupakan variabel gangguan bisa terhadap load maupun terhadap manipulated variable. Pada struktur kontrol tertentu nilai variabel ini harus diketahui baik melalui pengukuran langsung maupun tak langsung melalui hasil perhitungan. Struktur kontrol yang membutuhkan harga variabel ini adalah “cascade control” atau “feedforward control”. Contoh untuk variabel ini adalah pressure fuel gas dalam suatu heater atau boiler, dalam hal ini gangguan terhadap “manipulated variabel”. Sedangkan contoh gangguan terhadap load adalah perubahan pressure/flow steam pada sebuah boiler. Measured variable : yaitu variabel proses yang diukur dalam rangka mengetahui nilai “controlled variable” atau “disturbanced variable”, jadi “measurement variable” ini bisa merupakan kedua variabel tersebut ataupun variabel lainnya yang akan digunakan untuk menghitung harga/nilai darai kedua variabel tersebut. Sebagai contoh pengukuran temperature outlet dalam suatu heater, atau pengukuran
temperature (inlet dan outlet heat exchanger) dan flow dalam suatu sistem kontrol duty.
Set point : Harga yang diinginkan dari suatu “controlled variable
Error : Perbedaan antara harga aktual “control variable” terhadap “set point”-nya.
Dari contoh diatas dapat disimpulkan element-elemen loop proses kontrol :
Sensor , pembaca variabel proses
Transmitter , mengubah bacaan variabel proses ke sinyal standar
Controller , menggerakkan actuator dengan memberikan sinyal output kontroller yang sesuai
Actuator , mengatur manipulated variabel berdasar dari nila i output sinyal kontroller
Proses, sistem yang dikontrol
TINJAUAN PUSTAKA
A. Complicated Control Loop (Enhanced Regulatory Control)
Di dalam industry proses, banyak kebutuhan proses yang tidak dapat diselesaikan dengan loop sederhana ( simple loop), yang hanya mengandalkan sebuah feedback control atau feedforward control . Beberapa jenis proses yang memiliki time constant yang sangat besar. Walaupun unit derivative sudah dipasang di controller , karena lambannya proses sehingga reaksi proses tetap saja lambat. Dari segi operasi proses keterlambatan ini sangat merugikan. Untuk mengatasinya maka dipergunakan dua atau lebih elemen pengukuran dalam satu control loop, yang dikenal sebagai complicated control loop, seperti yang akan kita bahas CASCADE CONTROL.
B. Pengertian Cascade Control.
Cascade bukan hanya dapat ditemukan ketika memainkan function blok dalam pendefinisian loop control, tapi secara matematika pun cascade dapat dibuktikan fungsinya untuk meredam ketidakstabilan sebuah controlled variable yang berupa persamaan differensial orde satu dengan PID ditambah gangguan berupa fungsi matematika juga. Dalam aplikasi sistem kontrol, asalkan gangguan yang hendak diredam itu diketahui dan bisa dijadikan input bagi sistem kontrol maka cascade dapat diaplikasikan untuk meredam efek gangguan tersebut. Semua konsep kontrol pada dasarnya berasal dari analisis matematika, akan tetapi sebagaimana biasa lebih baik bagi praktisi untuk membahasnya dengan untaian kata. Cascade loop control digolongkan sebagai Advanced Regulatory Control bersama feedforward control, ratio control, dan override control. Cascade dan feedforward mempunyai fungsi yang sama yaitu untuk meredam gangguan dari sebuah existing feedback loop control yang sulit mencapai kestabilan akibat gangguan pada process, misalnya sebelum menimbulkan temperature yang berubah-ubah. Pengawas dan pengontrol perlu ditempatkan untuk mengawasi dan mengontrol gangguan flow. Ketika loop pengawas dan pengontrol ini digabungkan ke feedback kontrol maka aplikasi ini disebut sebagai CASCADE LOOP CONTROL. Tujuan utama dari cascade adalah untuk mengontrol TT. Untuk mencapai pengontrolan TT yang stabil maka FT harus juga dikontrol dengan menggunakan valve yang sama.
C. System Kerja Cascade Control
Closed loop feedback control mengilustrasikan pengendalian temperature feed outlet control pada sebuah furnace. Load pada loop digambarkansebagai perubahan aliran feed pada inlet. Bila mana feed mendadak bertambah maka energy panas fuel oil yang bekerja pada furnace tidak akan mencukupi. Akibatnya, temperature feed outlet akan turun dan controller baru membaca error, kemudia memakainya sebagai dasar perhitungan untuk menambah fuel oil .
Namun system ini tidak mempertimbangkan load atau gangguan lain pada system, yaitu terjadi penurunan tekanan fuel oil . Pada system ini pengendalian temperature tidak akan segera melihat perubahan tekanan fuel oil sebelum temperature feed outlet benar-benar turun. Untuk mengatasi permasalan itu, maka system control disempurnakan dengan menambah Pressure Controller diantara Temperature Controller dan Control Valve sep erti pada gambar.
Pada gambar diatas manipulate variable dari temperature controller TIC (yang dinamakan primary atau master) menjadi set point bagi preesure controller (yang dinamakan secondary atau slave). Penerapan pengendalian cascade dapat merugikan apabila elemen proses di primary loop lebih cepat dari elemen proses pada secondary loop, karena system akan cenderung berosilasi (variasi) akibat timbulnya interaksi antara primary loop dan secondary loop. Jadi system pengendalian cascade hanya dapat diterapkan pada proses dengan elemen primer yang jauh lebih lambat dari elemen se condary-nya.
Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, bahwa dalam sistem ini, temperature air dalam tanki dijaga agar tetap konstan dengan mengatur kecepatan alir kalori (uap), q sebagai variabel yang dimanipulasi (manipulated variable). Jika pada suatu saat terjadi gangguan pada tekanan supply uap, maka kecepatan alir uap juga akan berubah, sehingga dengan sendirinya akan mengubah temperature air dalam tanki sebagai variabel yang dikontrol (control variable). Karena sistem ini mempunyai time delay yang cukup besar, maka perubahan pada temperature air tadi tidak langsung terukur oleh elemen sensing (thermocouple – TT) sehingga aksi koreksi yang dilakukan oleh feedback control juga mengalami penundaan. Sementara itu, akibat dari gangguan ini terus masuk kedalam sistem. Apabila gangguan perubahan tekanan supply uap ini berlangsung terus menerus, maka akan menyebabkan control variable (temperature air) tidak akan berada pada setpointnya untuk waktu yang lama (akan berosilasi terus menerus). Untuk memperbaiki sistem ini, control loop kedua ditambahkan seperti pada gambaar berikut:
Pada sistem ini, fluktuasi pada tekanan supply uap diukur oleh sensor tekanan (PT) dan kontrol tekanan (pressure control – PC) akan memanipulasi bukaan control valve uap (CV) sedemikian sehingga tekanan uap yang masuk ke tanki tetap konstant. Dengan jalan ini, efek fluktuasi tekanan supply uap terhadap temperature air dalam tanki dapat dihilangkan, dengan demikian kinerja control dapat dipertahankan. Blok diagram untuk sistem pada gambar diatas, dapat dilihat pada gambar berikut:
Dari kedua gambar terakhir ini dapat dilihat bahwa yang menjadi setpoint untuk pressure control (PC) adalah output dari temperature control (TC). Konfigurasi kontrol seperti ini, yang mana output suatu controller memanipulasi setpoint controller yang lainnya disebut sebagai sistem kontrol kaskad (cascade control system). Bentuk umum diagram blok cascade control dapat dilihat pada gambar berikut.
Dari gambar tersebut terlihat kedua controller masing-masing mempunyai elemen pengukur (sensing) sendiri. Akan tetapi hanya satu controller yang disebutprimary atau master controller mempunyai setpoint yang bebas, dan hanya satu controller yang disebut sebagai secondary atau slave controller yang berhubungan langsung dengan atau mempunyai output ke process. Secondary controller, variable yang dimanipulasi (manipulated variable) serta elemen pengukurnya akan mempentuk satu loop sendiri yang disebutsecondary loop atau inner loop. Inner loop ini jika dilihat dari primary controller bisa dianggap sebagai satu elemen dinamik baru sehingga dapat digambarkan sebagai satu blok sendiri. Dengan demikian diagram blok diatas dapat disederhanakan menjadi seperti gambar berikut.
Gambar ini merupakan outer loop atau primary loop yang terdiri dari semua elemen cascade control termasuk inner loop yang sudah digambarkan sebagai satu blok. Untuk menjamin agar cascade control berfungsi sebagaimana mestinya, maka dinamika inner loop harus lebih cepat dari outter loop, atau dalam frequency domain dikatakan bahwa bandwidth inner loop harus lebih besar (lebar) dari bandwidth outer loop, sehingga inner
controller akan mengoreksi sendiri loop-nya sebelum ia mengubah control variable. Jika kondisi ini tidak dipenuhi, maka kinerja cascade control tidak akan memuaskan. Configurasi cascade mempunyai dua buah loop, yaitu loop primer danloop sekunder. Dalam kontrol ini ada satu variabel yang dimanipulasi dengan dua buah var iabel yang diukur. Dalam kilang, konfigurasi ini lebih dikenal dengan sistem master dan slave. Sebagai contoh adalah kontrol laju aliran yang sering menjadi kontroler sekunder bagi kontroler yang lainnya. Loop primernya seperti temperatur, level, ataupun tekanan. Penerapan di kilang adalah bagian boiler, kolom distilasi, heat exchanger. Di bawah ini contoh gambar untuk loop cascade.
Gambar Cascade Control
Flow indicator control (FIC) diletakkan pada feed steam, sehingga flow steam dipertahankan pada harga yang dikehendaki meskipun terjadi fluktuasi padapressure steam supply nya. Pada line-product outlet dipasang temperatur indicator control (TIC) yang cascade dengan flow controller. Sehingga apabila terjadi fluktuasi dari rate feed, maka temperatur product outlet tetap dipertahankan pada harga yang dikehendaki dengan mengatur secara otomatis bukaan pada control valve dari flow steam.
D. Aplikasi Dari Cascade Control.
Banyak sekali aplikasi cascade control, biasanya terdapat di : 1. Pengaturan bahan bakar (fuel oil) pada furnance. 2. Pengontrol laju alir air panas dan dingin pada Heat Exchanger. Jika panas berlebihan atau suhu keluaran fluida panas terlalu rendah, maka cascade control yang akan mencegahnya.
DAFTAR PUSTAKA
http://muklis-chemicalengineer.blogspot.com/2011/01/introduction-to-processcontrol.html
http://ipunk-ip.blogspot.com/
http://lahanriza.blogspot.com/2011/08/konfigurasi-kontrol.html
http://asro.wordpress.com/2008/06/19/process-control-2-cascade-control/
htttp://pertamina.com/ DASAR INST & PROSES KONTROL _BPST XVII_.pdf
