MP13 Pemeliharaan Kontrol Proteksi Dan Instrumen

MATA PELAJARAN 1 3 PEMELIHARAAN KONTROL, PROTEKSI DAN INSTRUMEN

TUJUAN PEMBELAJARAN : Setelah mengikuti pembelajaran Pembidangan Prajabatan S1/D3 Bidang Pembangkitan – Pemeliharaan Kontrol Proteksi & Instrumen peserta mengetahui dan mampu memahami pemeliharaan di Bidang Kontrol Instrumen sesuai dengan SOP/IK (Instruksi Kerja) dan standar yang berlaku di perusahaan.

DURASI

: 24 JP 3 HARI EFEKTIF

PENYUSUN : 1. Muhammad Mawardi (Instruktur – Udiklat Suralaya)

Simple Inspiring Performing Phenomenal

1

DAFTAR ISI MANAJEMEN PEMELIHARAAN..........................................................Error! Bookmark not defined. TUJUAN PELAJARAN..........................................................................................................................i DAFTAR ISI............................................................................................................................................ii DAFTAR GAMBAR...............................................................................................................................iii DAFTAR TABEL...................................................................................................................................iiii 1.

PENDAHULUAN.............................................................................................................................1

2.

PERKEMBANGAN TEKNOLOGI KONTROL INSTRUMEN.....................................................5

2.1. Pengertian Kontrol dan Proteksi...................................................................................................7 2.2. Sistem Kontrol Manual...................................................................................................................8 2.3. Sistem Kontrol Otomatis................................................................................................................8 2.4. Fungsi Kontrol Instrumen pada Pembangkitan.........................................................................10


2

DAFTAR GAMBAR Gambar 1 Pengaturan temperatur air secara manual ................................................................3 Gambar 2 Pengaturan temperatur air dengan kontrol pneumatik................................................4 Gambar 3 Pengaturan sistem kontrol proses berbasis komputer ..............................................4 Gambar 4 Perkembangan teknologi instrumentasi dan kontrol industri.......................................5 Gambar 5 Hierarki dan response time jenis-jenis sistem kendali ...............................................6 Gambar 6 Sistem kontrol manual pengendali level tangki...........................................................8 Gambar 7 Sistem kontrol otomatisl pengendali level tangki .......................................................9 Gambar 8 Instrumentasi pada pengendalian level tangki secara otomatis..................................9 Gambar 9 Loop tertutup pengendalian secara otomatis ...........................................................10 Gambar 10 Sistem kontrol instrumen terpadu berbasis komputer.............................................11 Gambar 11 Contoh penerapan proses sistem kontrol instrumen (heat exchanger) ..................12


3

DAFTAR TABEL


4

PEMELIHARAAN KONTROL, PROTEKSI DAN INSTRUMEN


1

1. INSTRUMENTASI PEMBANGKIT 1.1 Pengantar Kontrol Instrumen Instrumentasi adalah seni dan ilmu pengetahuan dalam penerapan alat ukur dan sistem pengendalian pada suatu besaran dengan tujuan untuk mengetahui harga numerik variable suatu besaran proses dan juga bertujuan untuk mengendalikan besaran proses supaya tetap berada pada daerah tertentu atau berada pada nilai yang di-inginkan (set point). Tiga fungsi utama instrumentasi adalah sebagai alat pengukuran, alat analisa dan alat kendali. Pengoperasian pembangkit listrik sangat bergantung pada pengukuran dan pengendalian besaran proses. Besaran proses yang harus diukur dan dikendalikan pada suatu industri proses seperti pembangkit listrik misalnya aliran (flow) air/uap di dalam pipa, tekanan (pressure) di dalam bejana tekan, tangki atau vessel, suhu (temperature) di sebuah penukar panas (heat exchanger), serta tinggi permukaan (level) zat cair pada sebuah tangki. Selain besaran proses di atas, besaran proses lain pada pembangkit yang cukup penting dan perlu diukur/dikendalikan karena kebutuhan spesifik proses diantaranya : hydrogen ion concentration (pH), moisture content, conductivity, density atau spesific gravity, combustible content of flue gas, oxygen content of flue gas, nitrogen oxide emmissions, calorimetry (BTU content) dan lain sebagainya. Seiring dengan perkembangan dan kemajuan teknologi instrumentasi, fungsi sistem instrumentasi dan pengukuran dapat diklasifikasikan dalam beberapa kategori sebagai berikut: a. Penilaian Harga/Nilai atau Kualitas (Value or Quality Assessment) Penilaian nilai/kualitas suatu besaran merupakan tujuan tertua pengukuran dalam sejarah peradaban manusia. Contoh fungsi instrument sebagai assesmen value/penilaian harga adalah pemanfaatan sistem pengukur energi listrik / meteran listrik (kWh meter). b. Keselamatan dan Proteksi (Safety and Protection) Bertujuan memantau dan mendeteksi situasi berbahaya tertentu untuk menentukan aksi adaptif, protektif dan preventif (misalnya pemantauan suhu untuk menentukan tindakan adaptif atau protektif yang akan dilakukan). Dalam beberapa hal, sistem pengukuran dibuat untuk memicu suara atau lampu peringatan (alarm), atau mengambil tindakan lain seperti membuka katup pelepas tekanan (relief valve) untuk mencegah tekanan lebih yang dapat menyebabkan kerusakan. c. Kendali Otomatis (Automatic Control)


2

Seperti disebutkan sebelumnya, bahwa istilah kontrol berarti metoda-metoda memaksa parameter-parameter lingkungan untuk mengikuti harga-harga tertentu. Misalnya menjaga ketersediaan air dalam tangki, mempertahankan tinggi/level air dalam tangki ketel uap, atau proses start/stop dan pengoperasian unit pembangkit. Secara umum, semua elemenelemen yang diperlukan untuk melaksanakan tujuan kendali (control) termasuk sistem instrumentasi, biasanya dijelaskan dengan istilah sistem kendali (control system). d. Pengumpulan Data (Data Collection) Dalam banyak hal, data dikumpulkan dan diarsip sebagai informasi untuk menganalisa penyebab gangguan dan pengembangan proses yang lebih baik. Pengukuran yang teliti dan sistem kontrol yang tepat dalam industri proses, akan menghasilkan sistem yang sesuai dengan harga perancangannya. Hal ini akan dapat menghemat biaya operasi serta perbaikan hasil produksi. Sebagai contoh, harga temperature pembakaran yang tepat di ruang bakar pada boiler akan menghasilkan steam yang berkualitas. Nilai temperature ini digunakan untuk mengontrol aliran jumlah bahan bakar yang akan digunakan, maka tidak akan terjadi “overheating” pada proses tersebut sehingga jumlah bahan bakar dapat dihemat. Tujuan dari penerapan sistem instrumentasi dan kontrol di dalam industri proses adalah berkaitan dengan segi ekonomis. Oleh karena itu instrumentasi dan sistem kontrol yang diterapkan diharapkan dapat menghasilkan : 1. Kualitas produk yang lebih baik dalam waktu pemrosesan yang lebih singkat. 2. Biaya produksi yang lebih murah, karena : - Penghematan bahan mentah dan bahan bakar. - Peningkatan efisiensi waktu mesin dan pekerja. - Pengurangan produksi yang rusak (off spec). 3. Peningkatan keselamatan personil dan peralatan. 4. Pengurangan polusi lingkungan dari bahan limbah hasil proses. Berdasarkan hal itu, yang termasuk dalam sistem instrumentasi dan kontrol meliputi : 1. 2. 3. 4.

Karakteristik proses. Sistem pengukuran. Pemrosesan data otomatis. Sistem pengontrolan dengan elemen kontrol akhir (final control element).


3

Gambar 1. Pengaturan temperatur air secara manual Gambar 1 menunjukkan bagaimana orang memperoleh temperature air sesuai keinginannya, dimana semua sistem dioperasikan oleh manusia secara manual. 1. Sebagai proses adalah pemanasan air dengan sumber kalor dari steam 2. Sebagai alat ukur adalah tangan kanan pemakai 3. Sebagai prosesor adalah otak pemakai, yang akan mengevaluasi apakah temperature air sudah sesuai dengan keperluannya 4. Sebagai sistem control dan final control elemen adalah tangan kiri dan kran steam Jadi langkah sederhana ini telah mencakup semua langkah dalam sistem instrumentasi dan kontrol pada industri proses yang dilakukan secara manual. Dalam pengembangan selanjutnya, sistem pada gambar 1 dikembangkan sehingga tidak semua langkah dalam proses dilakukan oleh manusia, lihat gambar 2. Dalam sistem ini, temperature yang dikehendaki (set point temperature) dapat ditentukan sebagai suatu acuan, sedangkan alat ukur temperature dilakukan oleh sensor temperatur, sistem kontrol dan final control elemennya dilakukan oleh sistem pneumatik dan control valve.


4

Gambar 2. Pengaturan temperature air dengan kontrol pneumatik Dalam perkembangan berikutnya sebagaimana pada gambar 3, langkah pengukuran, pemprosesan data dan pengontrolan berbagai besaran fisika atau kimia tidak dilakukan secara terpisah, tetapi dilakukan secara simultan. Hal ini memerlukan suatu processor yang dapat mengkoordinasi hasil pengukuran dan tindak lanjut berdasarkan pilihan algoritma yang dapat digunakan dalam mengkoordinasi langkah sistem instrumentasi. Juga berdasarkan kemampuannya dalam melakukan pemantauan dan pengolahan data, selanjutnya mengeluarkan hasil pengolahan untuk memicu final control element pada proses.

Gambar 3. Pengaturan sistem kontrol proses berbasis komputer


5

1.2 Sistem Pengukuran Pengukuran adalah tingkat, kuantitas atau ukuran yang ditentukan dengan pengukuran. Instrumen merupakan peralatan yang digunakan untuk mengukur sifat khusus sistem fisikal. Variable yang terukur dapat merupakan factor tak tetap apa saja yang berhubungan dengan ilmu fisika. Dalam melakukan pengukuran, pemilihan alat ukur yang tepat sangat diperlukan agar diperoleh hasil yang sesuai. 1.2.1 Linearitas Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai tanggapan terhadap masukan yang berubah secara kontinyu. Sebagai contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan dengan masukannya berupa sebuah grafik. Gambar 4 memperlihatkan hubungan dari dua buah sensor panas yang berbeda. Garis lurus pada gambar 4 (a) memperlihatkan tanggapan linier, sedangkan pada gambar 4 (b) adalah tanggapan non-linier.

Gambar 4. Grafik linieritas pengukuran parameter 1.2.2 Sensitivitas Sensitivitas menunjukkan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan”. Beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan “satu volt per derajat”, yang berarti perubahan satu derajat pada masukan akan menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya.


6

Sensor panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan “dua volt per derajat”, yang berarti memiliki kepakaan dua kali dari sensor yang pertama. Linieritas sensor juga mempengaruhi sensitivitas dari sensor. Apabila tanggapannya linier, maka sensitivitasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran keseluruhan. Sensor dengan tanggapan pada gambar 5(b) akan lebih peka pada temperatur yang tinggi dari pada temperatur yang rendah.

Gambar 5. Grafik sensitivitas sensor pengukuran 1.2.3 Response Time Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan masukan. Sebagai contoh, instrumen dengan tanggapan frekuensi yang jelek adalah sebuah termometer merkuri. Masukannya adalah temperatur dan keluarannya adalah posisi merkuri. Misalkan perubahan temperatur terjadi sedikit demi sedikit dan kontinyu terhadap waktu, seperti tampak pada gambar 6. Frekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diberikan dalam satuan hertz (Hz). Dimana 1 hertz berarti 1 siklus per detik, 1 kilohertz berarti 1000 siklus per detik. Pada frekuensi rendah, yaitu pada saat temperatur berubah secara lambat, termometer akan mengikuti perubahan tersebut dengan “setia”. Tetapi apabila perubahan temperatur sangat cepat lihat gambar 2 maka tidak diharapkan akan melihat perubahan besar pada termometer merkuri, karena ia bersifat lamban dan hanya akan menunjukan temperatur rata-rata.


7

Ada bermacam cara untuk menyatakan tanggapan frekuensi sebuah sensor. Misalnya “satu milivolt pada 500 hertz”. Tanggapan frekuensi dapat pula dinyatakan dengan “decibel (db)”, yaitu untuk membandingkan daya keluaran pada frekuensi tertentu dengan daya keluaran pada frekuensi referensi.

Gambar 6. Response time pengukuran temperatur berubah secara kontinyu 1.2.4 Akurasi dan Presisi Akurasi dan presisi/pengulangan merupakan istilah esensial pada dunia pengukuran dan pengendalian. Akurasi (merupakan salah satu indikasi pengukuran error) menampilkan instrument kapabilitas untuk menyediakan nilai yang benar. Pengulangan merupakan kemampuan instrument dalam memberikan nilai yang sama setiap waktu. Gabungan akurasi pada pengukuran peralatan termasuk gabungan efek dari pengulangan dan akurasi. Sayangnya, konsep ini biasanya selalu menunjuk pada istilah akurasi.

Gambar 7. Konsep akurasi vs presisi Simple Inspiring Performing Phenomenal

8

Akan tetapi tanpa pengulangan/presisi, akurasi yang baik tidak akan dapat diperoleh. Ketika pengulangan berubah dengan waktu atau ketika akurasi merupakan factor yang penting, performa yang baik akan langsung dihasilkan pada frekuensi yang peralatannya dikalibrasi. Sangat mungkin untuk mendapatkan pengulangan yang baik tanpa akurasi yang baik. Istilah pengulangan merupakan indikasi terhadap kemampuan pengukuran peralatan untuk menghasilkan kembali pengukuran pada masing-masing kondisi waktu yang telah ditetapkan. Itu tidak berarti bahwa pengukuran sudah tepat, hanya sebagai indikasi bahwa hasilnya sama setiap waktu.

Gambar 8. Akurasi dan presisi dalam pengukuran besaran Accuracy :  Istilah akurasi digunakan untuk menentukan error keseluruhan maksimum yang diharapkan dari suatu alat dalam pengukuran.  Accuracy biasanya diekspresikan dalam inaccuracy.  Beberapa jenis accuracy terhadap : 1. Variabel yang diukur. Misalnya : akurasi dalam pengukuran suhu ialah ± 2oC, berarti ada ketidak-akuratan (uncertainty) sebesar ± 2 oC pada setiap nilai suhu yang dikur. 2. Prosentase dari pembacaan Full Scale instrumen. Misalnya : akurasi sebesar ± 0.5% FS pada meter dengan 5 V Full Scale, berarti ketidak-akuratan pengukuran sebesar ± 0.025 volt. 3. Prosentase span (batas kemampuan pengukuran instrumen). Misalnya : jika sebuah alat ukur mampu mengukur ± 3% dari span untuk pengukuran tekanan dengan range 20-50 psi, maka akurasinya menjadi sebesar : ( ± 0.03) (50 – 20) = ± 0.9 psi. 1.2.5 Range (Batas Pengukuran) Range merupakan batas pengukuran dari nilai terendah (lower range value = LRV) dari parameter yang akan diukur sampai dengan nilai tertinggi (upper range value = URV) dari parameter yang akan diukur. LRV merupakan nilai dimana sebuah instrument harus


9

mengeluarkan/menerima nilai 0% pengukuran (misalnya : 4 mA), sedangkan URV merupakan nilai dimana sebuah instrumen harus mengeluarkan/menerima nilai 100% pengukuran (misalnya : 20 mA). Contoh : 

Range 0 – 120 OC ► nilai LRV : 0 OC, nilai URV : 120 OC



Range 4 – 20 mA ► nilai LRV : 4 mA, nilai URV : 16 mA



Range -800 s/d +1000 mmH2O ► LRV : -800 mmH2O, URV : 1000 mmH2O

1.2.6 Span (Rentang Pengukuran) Yang dimaksud dengan span/batas pengukuran adalah selisih antara URV dan LRV. Contoh : 

Range -800 s/d +1000 mmH2O ► Span = 1000 – (-800) = 1800 mmH2O



Range 3 – 15 Psig ► Span = 15 – 3 = 12 Psig

Gambar 9. Range dan span 1.2.7 Dasar Kalibrasi Instrumentasi Secara umum, kalibrasi adalah membandingkan dan mengembalikan pengukuran instrumentasi kepada nilai standar ketika terjadi penyimpangan. Secara teknisnya, hal ini dapat dilakukan dengan cara membandingkan nilai besaran yang terukur (hasil pengukuran) dengan nilai standarnya. Untuk melakukan kalibrasi secara benar, diperlukan kalibrator yang akurat, yang akan berfungsi sebagai standar sekunder yang menjadi acuan pelaksanaan kalibrasi. Secara umum, peralatan instrumentasi memiliki fasilitas untuk melakukan 2 (dua) macam adjustment dalam kalibrasi, yakni : Range adjustment dan Zero adjustment.


10

1.2.8 Error Kalibrasi : Range dan Zero Error Tahapan berikutnya setelah melakukan kalibrasi yang meliputi proses adjusmnet pada Zero dan Range kalibrasi adalah membuat grafik hasil kalibrasi. Grafik ini dibuat sebagai representasi dari plotting perbandingan antara pembacaan peralatan dibandingkan dengan nilai acuan standard. Grafik yang dibuat harus merepresentasikan step/langkah tahapan naik dan turun nilai yang dilakukan adjusment. Berikut contoh grafiknya.

Gambar 10. Zerro Error dan Range Error pada grafik hasil kalibrasi Dari gambar di atas terlihat bahwa ada 2 (dua) macam error yang mungkin terjadi pada saat melakukan kalibrasi dan error tersebut akan terlihat ketika sudah dibuatkan grafik hasil kalibrasinya. Garis berwarna biru adalah nilai grafik ideal (standar), sedangkan garis berwarna merah adalah garis aktual berdasarkan nilai hasil pengukuran pada peralatan dan kalibrasi yang telah dilakukan dan dibuatkan grafik. Zero error bisa terjadi jika kita salah menentukan nilai minimum (zero), sedangkan range error bisa terjadi jika kita salah menentukan range pengukuran, sehingga grafiknya akan bergeser naik dari nilai zero seharusnya (zero error) atau tidak bisa mencapai nilai maksimumnya (range error). Ketelitian dalam menentukan nilai zero adjustment dan range adjustment akan sangat menentukan bentuk grafik yang diperoleh. Kalibrasi yang dilakukan harus setidaknya mendekati garis ideal tersebut. Jika tidak, maka harus dilakukan kalibrasi ulang atau dengan melakukan adjusment pada peralatan.


11

1.2.9 Error Kalibrasi : Hysteresis Hysteresis dihasilkan ketika nilai feedback yang dihasilkan oleh alat ukur terlalu kecil saat signal pengujian naik dan terlalu besar saat signal pengujian turun, sehingga nilai pada saat naik dengan pada saat turun tidak sama. Hysteresis biasanya muncul pada peralatan instrumen yang bekerja secara mekanis, sehingga berpotensi terjadi gangguan karena faktor loose gears, adanya linkage maupun karena friction.

Gambar 11. Error Hystereris Hysteresis paling banyak ditemukan pada peralatan control valve dengan aktuator pneumatik penggerak udara. 1.2.10 Error Kalibrasi : Non-Linearity Error Non linier error bisa terjadi jika, ketika melakukan kalibrasi, bisa jadi setting yang dilakukan sudah benar pada nilai maksimum dan minimumnya, namun pada saat grafiknya digabungkan, tidak membentuk garis lurus. Jika hal ini terjadi, biasanya hal yang dilakukan adalah dengan cara mengecilkan mid-range error.

Gambar 12. Ilustrasi Non-Linier error Simple Inspiring Performing Phenomenal

12

1.3 Teknologi Sensor dan Aktuator Pada sistem pembangkit di pusat-pusat listrik, pusat pengatur beban dan unit pengatur distribusi serta unit lainnya, kontrol adalah bagian yang paling utama untuk mengatur semua peralatan agar bekerja sesuai dengan yang diperlukan. Salah satu peralatan yang diperlukan untuk membuat rangkaian kontrol adalah sinyal masukan (Input) yang berasal dari sensor. Sensor adalah alat untuk mendeteksi / mengukur suatu besaran fisis yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor itu sendiri terdiri dari transduser dengan atau tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera. Sensor merupakan input dari controller. Sensor adalah alat yang merubah dari suatu energi (panas, tekanan, level, aliran, putaran dll) menjadi energi listrik (mV, mA, Ohm, Hz, Kontak dll.) agar dapat disalurkan ketempat lain (misal Ruang kontrol) dengan menggunakan kawat penghantar. Sensor adalah alat pengukur kondisi aktual di lapangan. Controller tanpa sensor ibarat manusia tanpa panca indra. Sensor sering juga disebut sensing element. Sensor menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu, sebanding dengan masukan yang juga berubah secara kontinyu. Contoh: sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan dengan masukannya berupa sebuah grafik. Input tersebut misalnya pressure, flow, temperature, level, density, viscosity, radiation, current, voltage, inductance, capacitance, frequency, chemical composition, chemical properties, various physical properties dan sebagainya. Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat dikelompokan menjadi 3 jenis, yakni : 

Sensor Thermal (Panas) adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas/temperature/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. Contoh : bimetal, termistor, termokopel, RTD.



Sensor Mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis, seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran,


13

level. Contoh : strain gauge, linear variable deferential transformer (LVDT), proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube



Sensor Optik (Cahaya) adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan. Contoh : photo cell, photo transistor, photo diode, photo voltaic, photo multiplier, pyrometer optic. Tabel 1. Klasifikasi sensor

Parameter listrik dan kelas transduser

Prinsip kerja dan sifat alat

Pemakaian alat

Transduser Pasif Potensiometer

Perubahan nilai tahanan karena posisi kontak bergeser

Tekanan, pergeseran/posisi

Strain gauge

Perubahan nilai tahanan akibat perubahan panjang kawat oleh tekanan dari luar

Gaya, torsi, posisi

Transformator selisih (LVDT)

Tegangan selisih dua kumparan primer akibat pergeseran inti trafo

Tekanan, gaya, pergeseran

Gauge arus pusar

Perubahan induktansi kumparan akibat perubahan jarak plat

Pergeseran, ketebalan

Sel fotoemisif

Emisi elektron akibat radiasi yang masuk pada permukaan fotemisif

Cahaya dan radiasi

Photomultiplier

Emisi elektron sekunder akibat radiasi yang masuk ke katoda sensitif cahaya

Cahaya, radiasi dan relay sensitif cahaya

Transduser Aktif

Termokopel Generator kumparan putar (tachogenerator) Piezoelektrik

Pembangkitan ggl pada titik sambung dua logam yang berbeda akibat dipanasi Perputaran sebuah kumparan di dalam medan magnit yang membangkitkan tegangan Pembangkitan ggl bahan kristal piezo akibat gaya dari luar


Temperatur, aliran panas, radiasi Kecepatan, getaran Suara, getaran, percepatan, tekanan

14

Sel foto tegangan

Terbangkitnya tegangan pada sel foto akibat rangsangan energi dari luar

Cahaya matahari

Termometer tahanan (RTD)

Perubahan nilai tahanan kawat akibat perubahan temperatur

Temperatur, panas

Hygrometer tahanan

Tahanan sebuah strip konduktif berubah terhadap kandungan uap air

Kelembaban relative

Termistor (NTC)

Penurunan nilai tahanan logam akibat kenaikan temperatur

Temperatur

Mikropon kapasitor

Tekanan suara mengubah nilai kapasitansi dua buah plat

Suara, musik,derau

Pengukuran reluktansi

Reluktansi rangkaian magnetik diubah dengan mengubah posisi inti besi sebuah kumparan

Tekanan, pergeseran, getaran, posisi

Berdasarkan daya pembangkitnya, sensor dibedakan menjadi : 

Self generating transduser (transduser pembangkit sendiri) Self generating transduser adalah transduser yang hanya memerlukan satu sumber energi. Contoh : piezo electric, termocouple, photovoltatic, termistor, dsb. Ciri transduser ini adalah dihasilkannya suatu energi listrik dari transduser secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai sumber tegangan.



External power transduser (transduser daya dari luar) External power transduser adalah transduser yang memerlukan sejumlah energi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran. Contoh : RTD (resistance thermal detector), Starin gauge, LVDT (linier variable differential transformer), Potensiometer, NTC.

Berdasar kegunaan dasarnya, sensor dibedakan menjadi :

a. TEMPERATURE (suhu) b. PRESSURE (tekanan) c. LEVEL (tinggi permukaan)

d. FLOW (laju aliran)


15

1.3.1 Instrumentasi Pengukuran Temperature Temperature sudah banyak digunakan dalam pengukuran. Galileo tercatat sebagai yang pertama menemukan thermometer pada tahun 1595. Pada proses aplikasinya, sebuah pengukuran temperature secara keseluruhan terdiri dari sebuah thermowell, sebuah element temperature, kadang menggunakan kabel tambahan, dan sebuah temperature transmitter (local atau remote). Temperatur elemen sering kali memakai mekanisme pegas terisi (spring loaded mechanism) untuk memastikan bahwa ujung elemen positif menyentuh bagian bawah internal well-nya. Elemen temperatur harus diinstal atau dipasang ditempat terjadinya suatu pencampuran, seperti pada lekukan pipa dan di phasa cair (jika ada antarmuka cair). Panjan peredam optimal dari elemen temperatur tergantung pada aplikasinya. Jika dipasang tegak lurus terhadap bidang maka ujung elemen harus di antara setengah dan sepertiga diameter pipa. Jika diletakkan pada siku (elbow), dengan ujung elemen mengarah searah alian, sekitar seperempat diameter pipa.

Unit Pengukuran Yang paling biasa digunakan dalam pengukuran temperatur adalah dalam skala Farenheit dan skala celcius. Skala Farenheit ditemukan oleh Daniel G. Farenheit dan dipublikasikan pada Tahun 172 Farenheit digunakan di USA, walaupun beberapa industri sudah menggunakan Celcius. Skala Celcius dikembangkan oleh Anders Celcius, seorang ilmuwan Swedia pada Tahun 1742. Derajat Farenheit (0F), derajat Celcius (0C), dan derajat Kelvin (K, biasa digunakan dalam penelitian) adalah skala untuk mengukur temperatur yang dikenal secara internasional. Farenheit dan Celcius telah dikembangkan dari dua sisi : es dan uap, pada tekanan atmosfir. Konversi dari satu skala ke skala lain ikuti persamaan ini.

Klasifikasi Sifat fisik yang berubah terhadap temperatur digunakan untuk mengukur temperatur. Sebagai contoh, properti ekspansi bahan apabila dipanaskan digunakan dalam bentuk cair-dalam-kaca,


16

bimetallics, dan sistem pengukuran penuh. Gaya listrik (ggl) prinsip yang digunakan dalam termokopel, dan perubahan tahanan listrik yang digunakan dalam detektor suhu resistansi (RTD) dengan kata lain meliputi pengukuran temperatur suhu cat-sensitif dan krayon, dan perangkat Optical. Thermometer medis tradisional, pengukuran menggunakan cairan –dalam gelas dengan memasukkan merkuri ke dalam gelas. Jelas, sifat halus kaca dan toksisitas merkuri membatasi kegunaan dari jenis termometer dalam aplikasi industri. Perbaikan pengukuran dengan meggunakan gelas kaca adalah dengan sistem terisi. Kesensitivitasan temperatur cat dan krayon dapat diaplikasikan untuk menentukan temperatur. Beberapa dari mereka adalah reversibel, seperti termometer desktop, sementara yang lain tidak dapat diperbaiki. Cat dan krayon memeiliki rentang temeratur yang lebar. Krayon memiliki kalibrasi titik lebur, dan tanda krayon mencair ketika suhu dinilai tercapai. Cat, yang tersuspensi dalam medium, berfungsi sama. krayon dan cat mempunyai range bervariasi berkisar 120-2000 ° F (50-1090 ° C).

Konversi Satuan

Jenis Alat Ukur Temperatur Pemasangan sensor temperatur pada pembangkit biasanya menggunakan thermowell. Alat ukur temperatur yang digunakan pada pembangkit adalah Thermometer, Bimetallik Filled System, Thermocouple, RTD, Thermistor, Phyrometri Non-Kontak.

A. Bimetal Thermometer Termometer ini terdiri dari dua logam dengan koefisien muai atau ekspansi berbeda yang dilekatkan menjadi satu. Logam yang mempunyai koefisien ekspansi lebih besar akan mempunyai pertambahan dimensi yang lebih besar dari logam lainnya akibat kenaikan


17

temperature. Sehingga menyebabkan batang bimetal berdefleksi pada arah tertentu, penurunan temperatu menyebabkab defleksi pada arah yang berlawanan. Simpangan batang digunakan untuk menyatakan ukuran temperatu di sekitar batang bimetal.

Gambar 13. Prinsip kerja bimetal termometer dan contohnya


18

Untuk mendapatkan sensitivitas yang lebih besar, maka dipilih bahan A yang mempunyai koefisien ekspansi besar dan bahan B mempunyai koefisien ekspansi kecil. Contoh : bahan bimetal terbuat dari paduan bahan invar (campuran besi-nikel) yang mempunyai koefisien ekspansi kecil dengan bahan kuningan yang mempunyai koefisien ekspansi lebih besar. Bimetal thermometer digunakan secara luas di dalam industri proses sebagai indicator lokal dari temperatur proses. Skala pengukuran dapat dibuat dari (- 100 ~ 1000 ) ºF. Skala pengukurannya adalah linier terhadap range dan range akurasinya sekitar ± ½ ~ ± 2 % atau lebih tinggi.

B. Thermocouple (TC) Pada tahun 1821 ahli fisika Jerman, Estonian Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa suatu konduktor apapun (misalnya metal) akan menghasilkan suatu tegangan ketika diberikan gradien thermal. Peristiwa ini dikenal sebagai efek Seebeck atau efek termoelektrik. Thermocouple adalah suatu sensor temperatur termoelektris yang terdiri dari dua kawat logam yang berlainan (misalnya chromel dan constantan) dengan penggabungan pada probe tip (measurement junction) dan reference junction (temperature yang diketahui). Perbedaan temperatur antara probe tip dan reference junction dideteksi dengan mengukur perubahan tegangan voltage (electromotive force, EMF) pada reference junction.

Gambar 14. Jenis jenis Thermocouple


19

Gambar 15. Standar warna kabel Thermocouple (TC) Pembacaan absolute temperature kemudian bisa diperoleh dengan kombinasi informasi dari temperatur acuan yang diketahui dengan perbedaan temperature antara probe tip dengan reference. Secara komersial jenis thermocouple ditetapkan oleh ISA (Instrument Society of America). Jenis E, J, K dan T adalah base-metal thermocouple dan dapat digunakan untuk mengukur temperature hingga 1000°C (1832°F). Jenis S, R dan B adalah noble-metal thermocouples dan dapat digunakan untuk mengukur temperature hingga 2000 °C (3632 °F). Spesifikasi dasar dari thermocouple dapat dilihat pada tabel di atas.

Gambar 16. Tipikal umum rangkaian termokopel


20

Gambar 17. Tipikal model sambungan probe termokopel

C. Resistance Temperature Detector (RTD) Tahanan (resistance) dari suatu material metal akan berubah terhadap perubahan temperaturnya. Hal ini merupakan suatu dasar metoda deteksi temperature. Bahan yang digunakan untuk sensor ini dibagi menjadi dua macam yaitu bahan konduktor (logam) dan bahan semikonduktor. Bahan konduktor ditemukan terlebih dahulu dan disebut “ResistanceTermometer” sekarang disebut “Resistance Temperature Detector (RTD)”. Hubungan Resistance (R) dengan Temperature (T) adalah sangat berperan didalam Resistance Temperature Detector (RTD). Hubungan R-T dari beberapa bahan-bahan RTD digambarkan sebagai berikut dimana y-axis adalah Resistance yang dinormalisir terhadap Resistance pada 0 °C (32 °F) dan x-axis adalah temperature.

Gambar 18. Hubungan resistance dan temperature Secara komersial resistance RTD yang tersedia terbentang dari nilai 10 ~ 25.000 Ω. Sedangkan yang lebih umum adalah 100, 200, dan 1000 Ω untuk strain-free platinum probe (> 99.999%) dan 10Ω copper probe. Range temperature dari material yang digunakan untuk RTD seperti platinum, copper, nickel, BalcoTM (70% Ni-30% Fe) dan tungsten dapat dilihat pada tabel di bawah ini.


21

Gambar 19. RTD PT-100 (pada suhu 0 degC tahanannya 100 ohm)

Gambar 20. Dua tipe terminal output sensor RTD PT-100

R1 = R2 = R3 = Tahanan Kawat Penghantar R3 = R Convensating RS = Tahanan pada sensor RTD RM = Tahanan pada meter (ohm meter) Karena, R1 + R2 = R2 + R3 Simple Inspiring Performing Phenomenal

22

RM = RS + (R1 + R2) – (R2 + R3) RM = RS Sehingga, tahanan (R) yang dibaca oleh Meter = RM = RS

D. Thermistor Serupa dengan Resistance Temperature Detector (RTD), thermistor (Bulk Semiconductor Sensor) menggunakan resistance untuk mendeteksi temperaturThermistor menggunakan material ceramic semiconductor dimana responnya terbalik dengan temperatur. Resistance berubah secara negatif dan tajam dengan suatu perubahan positif di dalam temperature, seperti ditunjukkan pada grafik di bawah.

Gambar 21. Kurva karakteristik dari tiga jenis temperature transducer Sensor thermistor dapat mengukur temperatur dari –40 ~ 150 ± 0.35 °C (-40 ~ 302 ± 0.63 °F). Bentuk dari thermistor probe dapat berbentuk bead, washer, disk dan road seperti diperlihatkan. Resistance operasi dari thermistor adalah dalam range k Ohm, walaupun aktual resistance terbentang dalam M-Ohm hingga Ohm. 1.3.2 Instrumentasi Pengukuran Pressure Tekanan didefinisikan secara umum adalah besarnya gaya per-satuan luas yang dihasilkan oleh fluida atau benda padat. Karena itu secara matematik biasanya ditulis :

Dimana : P = Pressure/Tekanan ( N/m2 ) F = Force/Gaya ( N ) A = Area/Luasan ( m2 ) Gambar di atas menjelaskan bahwa gaya (F) yang bekerja pada sebuah permukaan seluas (A) akan menimbulkan tekanan (P) pada permukaan tersebut. Gaya merupakan sesuatu yang dapat menyebabkan terjadinya perubahan secara fisik. Atau dengan kata lain gaya ialah tarikan atau tolakan yang mempunyai arah.


23

Tabel 2. Konversi satuan tekanan

Tergantung bilamana gaya itu bekerja. Bila gaya persatuan luas yang timbul sebagai akibat tegangan (strain) dalam zat padat maka lazimnya disebut sebagai tegangan (stress) sedangkan jika gaya persatuan luas yang diberikan oleh fluida pada dinding yang menampungnya itulah yang sering disebut sebagai tekanan (pressure). Seperti tercermin dari definisi tekanan dimana tekanan merupakan gaya persatuan luas, maka satuan tekanan adalah gaya persatuan luas. Oleh karena itu dalam sistem Satuan International (SI) Satuan tekanan adalah Newton permeter persegi ( N/m2 ) atau sisebut juga pascal (Pa). Pada sistem satuan inggris (sistem satuan British) tekanan mempunyai satuan pound per inci persegi (lb/in2) dibaca pound per squarcinch atau Psi. Tekanan terkadang juga dinyatakan dalam satuan Kg/cm2 (Kilogram persentimeter persegi) atau sering disebut Bar. Tekanan fluida terjadi karena pertukaran momentum antara molekul-molekul fluida dan dinding penampungnya. Pertukaran momentum total tergantung pada jumlah molekul yang menubruk dinding persatuan waktu dan kecepatan rata-rata molekul itu. Untuk tujuan pembahasan kita disini mengenai pengukuran tekanan akan kita batasi pada sistem-sistem fluida saja. Didalam suatu fluida cair yang diam, besarnya tekanan bergantung pada posisi kedalam. Setiap bagian dari zat cair menopang bagian yang berada diatasnya. Karena itu setiap bagian dari zat cair, kecuali bagian permukaan, mendapat tekanan dari berat zat cair yang berada diatasnya. Besarnya tekanan fluida terhadap kedalaman dimana fluida tersebut berada ( setelah melalui beberapa penjabaran ) diperoleh :

P=ρgh


24

Dimana : P = Pressure/Tekanan (N/m2 ) ρ = Massa Jenis (Kg/m3 ) h = Kedalam/ketinggian fluida (m) Gambar 1. Tekanan fluida pada kedalaman/ketinggian sebesar (h) Dari pembahasan diatas dapat dilihat bahwa tekanan tersebut tidak dipengaruhi oleh bentuk wadah dari fluida tersebut. Tekanan zat cair tersebut hanya tergantung pada massa jenis, dan ketinggian terhadap titik ukur. Selain itu tekanan yang diberikan kepada suatu fluida dalam wadah melalui suatu permukaan yang dapat bergerak akan diteruskan oleh fluida tersebut keseluruh permukaan batas. Untuk fluida gas ada 2 (dua) faktor yang mempengaruhi besarnya tekanan yang diakibatkan oleh fluida tersebut yakni : “Volume dari tempat dimana gas tersebut berada” atau dengan “temperatur gas tersebut”. Pada suatu suatu wadah dimana volumenya dirobah, temperaturnya dijaga konstan maka tekanannya akan berubah. Bila volumenya diperkecil menjadi setengahnya, tekanannya akan naik dua kalinya, bila diperkecil sepertiga kalinya tekanannya akan naik tiga kali, demikian seterusnya. Pernyataan ini bisa dikatakan bahwa : Perubahan tekanan yang bekerja pada dinding bejana, berbanding terbakik dengan volumenya, selama temperatur dari fluida gas tersebut dijaga konstan. Pernyataan inilah yang dikenal dengan hukum Boyle, dengan persamaannya :

PV = C atau P = 1.CV Dimana : P = Pressure V = Volume C = Konstanta Selain itu jika temperatur fluida gas tersebut berubah, maka volumenya juga berubah dan jika volume berubah maka tekanan juga akan berubah. Pernyataan ini lebih dikenal dengan hukum Boyle dan Charles dengan bentuk persamaan : PV = C.T dimana T = Temperatur Jika perubahan tekanan yang bekerja pada dinding bejana yang berisi gas, berbanding lurus hanya temperaturnya dan berbanding terbalik dengan volumenya. Untuk fluida cair wadah dimana dia berada bisa dalam keadaan terbuka mampu dalam keadaan tertutup, sebagai contoh tanki terbuka dan tanki tertutup. Pada sistem tanki terbuka, faktor yang mempengaruhi besarnya tekanan cairan seperti yang telah disebutkan sebelumnya yaitu, masa jenis cairan tinggi permukaan cairan terhadap titik ukur serta temperatur cairan tersebut. Sedangkan pada


25

tanki tertutup, selain faktor yang sudah disebutkan diatas, juga tekanan yang bekerja pada permukaan cairan harus diketahui, untuk mengetahui tekanan cairan disuatu titik pengukuran. Ada tiga tipe dasar untuk menentukan konfigurasi tekanan, yaitu : • Gage pressure, mengacu pada tekanan atmosfir • Absolute pressure, mengacu kepada vakum • Differential pressure, merupakan perbedaan antara dua level tekanan

Gambar 2. Absolute dan gage pressure

Jenis Alat Ukur Pressure Pemasangan sensor pressure/tekanan di pembangkit ada yang digunakan hanya untuk pemantauan di lokal (indikator) dan ada yang digunakan untuk mengukur dan penunjukan di control room. Alat ukur pressure yang biasa digunakan di pembangkit listrik adalah manometer tube, well-type manometer, inclined manometer, bourdon tube, diaphragm, bellows, capacitive transducer, differential transformer, force balance, piezoelectric, potentiometer, wheatstone bridge dan strain gauge. Beberapa jenis pengukuran tekanan yang sering digunakan didalam industri proses dapat dikelompokkan sebagai berikut :

A. Manometer kolom cairan (U tube) Tabung U (U Tube) adalah contoh sederhana instrument pengukuran tekanan yang menggunakan kolom zat cair. Alat ukur tekanan ini terdiri dari air atau air raksa di dalam USimple Inspiring Performing Phenomenal

26

Shaped, dan umumnya digunakan untuk mengukur tekanan gas. Salah satu ujung dari tabung U dihubungkan ke bidang tekanan yang tidak diketahui dan ujung yang lain dihubungkan dengan sumber tekanan acuan (umumnya tekanan atmosfer), seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar 24. Manometer tabung U dengan kolom zat cair

B. Bourdon Tube Bourdon Tube adalah alat ukur tekanan non liquid. Alat ukur ini secara luas digunakan didalam industri proses untuk mengukur tekanan statis pada beberapa aplikasi. Bentuk dari bourdon tube terdiri dari element (C-type, helical dan spiral) dan dihubungkan secara mekanikal dengan jarum indicator. Prinsip operasinya yaitu tekanan dipandu ke dalam tabung, perbedaan tekanan di dalam dan di luar tabung bourdon akan menyebabkan perubahan bentuk penampangnya. Perubahan bentuk penampang akan diikuti perubahan bentuk arah panjang tabung, dimana perubahan panjang tabung akan dikonversikan menjadi gerakan jarum penunjuk pada skala. Ada tiga tipe tabung bourdon, yaitu : C-type, Spiral dan Helical. Perbedaan masingmasing tipe terletak pada harga tekanan yang ingin diukur.

 C-type Bourdon Tube Digunakan untuk range 15 ~ 100.000 psig, range akurasi (± 0.1 ~ ± 5) % span


27

Gambar 25. Bourdon tube C-type

 Spiral Bourdon Tube Digunakan secara umum pada range tekanan menengah (medium pressure), tetapi untuk tugas berat juga tersedia dalam range hingga 100.000 psig. Range akurasinya sekitar ± 0.5 % dari span.

Gambar 26. Bourdon tube spiral


28

 Helical Bourdon Tube Digunakan pada range dari 100 ~80.000 psig dengan akurasi sekitar ± ½ ~ ± 1 % dari span.

Gambar 27. Helical bourdon tube C. Diaphragm Pressure Gage Diaphragm Pressure Gage menggunakan prinsip perubahan bentuk yang elastis (elastic deformation) dari suatu diaphragm (membrane) untuk mengukur perbedaan suatu tekanan yang tidak diketahui dengan suatu tekanan acuan.

Gambar 28. Prinsip kerja diaphragm pressure gauge Bentuk dari diaphragm pressure gage terdiri dari kapsul (capsule) yang dibagi oleh suatu sekat rongga (diapraghm), seperti ditunjukkan pada gambar di bawah. Satu sisi diaphragm terbuka bagi tekanan target (eksternal) PExt, dan sisi yang lain dihubungkan dengan tekanan diketahui (reference pressure), PRef. Beda tekanan, PExt - PRef, secara mekanik membelokkan diaphragm.


29

Gambar 29. Bentuk desain diaphragm (single capsil dan multiple capsul) Range normal untuk diaphragm elemen mulai dari vacuum hingga 200 psig, dengan akurasi (±½ ~ ±1¼) % full span. Gambar berikut memperlihatkan berbagai bentuk disain dari diaphragm yaitu single capsul dan multiple capsul.

Gambar 30. Bentuk desain diaphragm pressure gauge

D. Belows


30

Pengukuran tekanan dengan bellows sangat popular digunakan di dalam industri proses, oleh karena mudah ditangani. Element bellows merupakan elemen elastis yang fleksibel pada arah aksial. Biasanya dibuat dari bahan kuningan, fosfor-perunggu, berriliumtembaga, monel, stainless steel, inconel dan bahan metal lainnya. Dengan element ini dapat diperoleh hubungan yang linear antara tekanan dan simpangan (perubahan volume). Gambar di bawah ini menunjukkan prinsip pemakaian bellows untuk pengukuran tekanan absolute, tekanan relative (gage) dan tekanan diferensial.

Gambar 31. Prisip pengukuran tekanan bellows element Pemilihan alat ukur pressure (pressure device) tidaklah sesulit memilih alat ukur flow dan level. Didalam pengukuran flow dan level, karakteristik dari fluida proses sangat menentukan dalam pemilihan metoda operasi alat ukur tertentu. Dalam pengukuran pressure, penekanan lebih sedikit pada karakteristik fluida, dan lebih banyak pada pertimbangan akurasi, range pengukuran dan pemilihan material.

E. Strain Wire Gauge


31

Strain Wire Gauge Transducer akan mengkonversi tegangan mekanik menjadi signal elektrik. Prinsip yang diterapkan adalah mengikuti prinsip bahwa konduktor akan memiliki resistansi yang berbeda pada sisi panjang ataupun mendatarnya. Gaya yang dikenakan pada bidang ukur akan menyebabkan bidang membengkok, bengkokan ini akan mendistorsi ukuran bidang, dan akan terjadi perubahan resistansi. Perubahan resistansi ini akan disinyalir oleh sirkit yang ada. Strain Gauge Load Cells biasanya terbuat dari baja dan bidang ukur tegangan yang sensitif.

Gambar 32. Strain gauge load cell F. Semiconductor Strain Gauge Menggunakan piezo-electric crystal sebagai elemen pengindraannya. Jika kristal diberi gaya, maka bentuk kristal akan berubah dan menghasilkan tegangan pada terminal keluaran dari Simple Inspiring Performing Phenomenal

32

kristal, jenis strain gauge ini memiliki sensitivitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan strain wire gauge.

Gambar 33. Semiconductor strain gauge G. Displacement Transducer Displacement mengacu pada posisi suatu objek fisik terhadap suatu titik referensi tertentu. Displacement Tranducers bisa linear (straight-line) ataupun angular (rotary). Potensiometer dapat dipergunakan untuk mengukur perubahan linear ataupun angular.

Gambar 34. Displacement Transducer 1.3.3 Instrumentasi Pengukuran Level Pengukuran level didefinisikan sebagai pengukuran posisi dari sebuah interface (batas) yang berada pada dua media atau fluida yang berbeda . Media atau fluida yang dimaksud dapat berupa gas dan cairan, namun dapat juga kedua-duanya berupa cairan, atau padat (abu)


33

dengan udara, atau antara fluida gas dengan gas, serta bubuk (powder). Dengan mengetahui letak batas tersebut, maka level dari fluida yang bersangkutan akan dapat diketahui. Pengukuran level adalah salah satu parameter penting dalam proses pengontrolan pengontrolan unit pembangkit. Berbeda dengan pengukuran flow yang cenderung lebih rumit, untuk pengukuran level sedikit lebih mudah. Pengukuran Level tersebut dapat berada di dalam tanki (vessel) atau di ruang terbuka seperti sungai atau bak. Pengukuran level dapat terus menerus (continuous)atau pada titik-titik (point) tertentu. Dalam metode penentuan sensor level untuk industry memperhatikan beberapa criteria yang dapat berpengaruh terhadap pengukuran. Criteria itu adalah termasuk bentuk fisik: phasa (liquid, solid, slurry), temperature, tekanan atau kevakuman, konstanta dielektrik dari media, berat jenis (specific gravity/SG) dari media, gerakan (gaya), noise elektrik atau noise akustik, vibrasi, kejutan getaran, ukuran dan bentuk tanki atau tempatnya. Selain itu yang tidak kalah penting dalam pemilihan sensor adalah harga (biaya), akurasi, penampilan (bentuk), rata-rata respon, kemudahan untuk kalibrasi atau pemrograman, ukuran fisik dan pemasangan instrument, pengawasan atau control dari sinyal level baik sinyal kontinyu maupun diskrit. Istilah-istilah dalam level instrument yang sering dijumpai adalah Level gauge (LG) yaitu level indikasi secara visual dan actual yang dipasang parallel pada vessel atau tanki. Level Switch (SW) yaitu level instrument yang dipasangkan perangkat elektronik berupa switch yan gdiset NC dan NO sesuai dengan desain sistem kontrolnya. Level Indicating Transmitter (LIT) yaitu level instrument yang memiliki diaplai local serta mempunyai kemampuan mentransmisi sinyal 4-20 mA dan atau superimposed HART, juga sinyal fieldbus. Namun apabila transmitter tanpa dilengkapi local display maka hanya akan disebut sebagai LT. Pengukuran level dilakukan dengan beberapa prinsip yang berbeda. Prinsip-prinsip tersebut dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa kategori utama pengukuran, antara lain : • Posisi ( tinggi ) dari permukaan • Pressure head • Berat dari material ( menggunakan load cells ) • Gelombang fisis (menggunakan berbagai jenis gelombang)

Jenis Alat Ukur Level Pemasangan sensor level di pembangkit ada yang digunakan hanya untuk pemantauan di lokal (indikator) dan ada yang digunakan untuk mengukur dan penunjukan di control room. Jenis jenis alat ukur level yang biasa digunakan di pembangkit adalah Differential Pressure (Orifice, Ventury Pipe, Pitot Tube), Floating (Displacement, Float, Weight and Cable, Reed Switch, Tape), Static Pressure Transmitter (Load Cell, Gage), Gelombang Fisika, Capacitive dan Inductive Level Meter, Paddle Wheel, Diaphragm, Resistance Tape, Gage, Level Switch dan Intelligent Level Transmitter.

A. Metode Pengukuran Level Tipe Displacement Simple Inspiring Performing Phenomenal

34

Prinsip kerja alat ini yaitu jika sebuah pelampung diapungkan pada permukaan fluida, maka pelampung akan naik dan turun mengikuti gerakan dari permukaan fluida yang bersangkutan. Selanjutnya dengan suatu mekanisme, pergerakan pelampung ini dapat ditranslasikan ke dalam alat ukur displacer level berdasarkan prinsip Archimedes.

Gambar 35. Pengukuran Level Tipe Displacement Displacement atau buoyancy method pada gambar di atas, adalah metode pengukuran tinggi permukaan fluida yang paling banyak digunakan sejak beberapa tahun yang lalu. Metode ini masih tetap popular untuk fluida yang bersih, namun banyak proses yang mengandung “slurry” yang cenderung mengakibatkan “coat” pada alat ukur jenis tersebut. Sehingga diperlukan metode lain yang lebih dapat diterima. Peralatan Displacement Device dapat diklasifikasikan dalam dua kelompok yaitu external installation dan internal installation.

Gambar 36. Level device, displacement type

B. Metode Pengukuran Level Tipe Differential Pressure (DP)


35

Pengukuran level jenis differential pressure (DP) didasarkan pada prinsip “hydrostatic head”. Prinsip ini mengatakan bahwa pada setiap titik di dalam fluida yang diam (static), gaya yang bekerja padanya adalah sama untuk semua arah dan tidak tergantung pada volume fluida maupun bentuk ruang atau tempat dimana fluida berada, tetapi hanya bergantung pada tinggi kolom fluida di atas titik yang bersangkutan. Oleh karena itu hydrostatic head sering dinyatakan dalam satuan tekanan.

Gambar 37. Pengukuran level menggunakan DP


36

Gambar 38. DP Transmitter tipe Wet Leg dan Dry Leg Hydrostatic head dapat dinyatakan dalam betuk persamaan :

P=ρ.g.h Dimana :

P = tekanan “ hydrostatic head “ ρ = fluid density g = gravity acceleration constant (9.81 m/s2 or 32.2 ft/s2) h = level fluid Aplikasi pengukuran level dengan menggunakan metoda perbedaan tekanan atau tekanan hidrostatik telah mengalami kemajuan yang signifikan beberapa tahun lalu. Peralatan D/P ini memungkinkan untuk mengukur level dengan range yang lebar pada services yang bersih, korosif, slurry dan high viscous. Hampir semua jenis peralatan D/P dapat digunakan untuk mengukur level jika peralatan tersebut tersedia dalam range yang diperlukan untul level yang dimaksud. Pada umumnya range D/P untuk level adalah sekitar (10 ~ 150) inch H2O.

C. Metode Pengukuran Level Tipe Capacitance Nilai kapasitor terbentuk ketika elektroda sensor level dipasang di dalam sebuah vessel. Tangkai metal dari elektroda bertindak sebagai satu plate dari kapasitor dan dinding tangki bertindak sebagai plate yang lain (untuk non metallic vessel dibutuhkan reference elektroda sebagai plate yang lain dari kapasitor). Ketika level fluida naik, udara atau gas yang semula melingkupi electroda akan digantikan oleh material (fluida) yang mempunyai konstanta dielektik (dielectric constant) yang berbeda, sehingga terjadi perubahan nilai kapasitor karena dielektrikum antara plat telah berubah. RF (Radio Frequency) capacitance instrument mendeteksi perubahan tersebut dan mengkonversinya kedalam suatu sinyal keluaran secara proporsional.


37

Gambar 39. Metode pengukuran level tipe capacitance Hubungan kapasitansi digambarkan dengan persamaan sebagai berikut :

C = 0.225 K ( A / D ) Dimana : C = Capacitance (picoFarads) K = Dielectric constant dari material A = Area of plates (square inches) D = Distance between the plates (inches) Capacitance Level measurements diklasifikasikan ke dalam dua kategori yaitu continuous measurement dan point measurement.

Gambar 40. Capacitance level continuous measurement


38

Gambar 41. Capacitance level point measurement D. Metode Pengukuran Level Tipe Ultrasonik Ultrasonic bekerja dengan prinsip pemancaran gelombang suara dari piezo electric transducer kedalam vessel yang berisi material proses. Alat ini mengukur lama waktu yang dibutuhkan gelombang suara yang dipantulkan kembali ke transducer. Pengukuran yang baik tergantung pada pantulan gelombang suara dari material proses secara garis lurus yang kembali ke transducer.


39

Gambar 42. Ultrasonic level measurement Ultrasonic level detectors pada gambar di atas digunakan terutama untuk point measurement. Alat ini sudah digunakan sejak tahun 1960, hampir sama seperti capacitance probe, alat ini juga sering digunakan untuk mengukur level pada service dimana sering timbul permasalahan bilamana menggunakan metoda pengukuran tradisional.

E. Metode Pengukuran Level Tipe Radar Teknologi radar untuk aplikasi pengukuran level yang ada di pasaran adalah Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) atau Pulse Wave Time of Flight. Sistem Pulsed Wave bekerja dengan memancarkan suatu gelombang mikro (microwave) ke arah material proses, gelombang ini dipantulkan oleh permukaan dari material proses dan dideteksi oleh sensor yang sama yang bertindak sebagai penerima (receiver). Level ditentukan dari waktu tempuh dari sinyal gelombang mikro dari transmitter ke receiver. Sistem FMCW bekerja dengan memancarkan suatu signal frekuensi secara terus menerus dan jarak ditentukan dari perbedaan frekwensi antara sinyal transmitter dan receiver pada setiap titik pada waktunya.


40

Gambar 43. Radar level measurement Gelombang mikro dipancarkan oleh pemancar (transmitter). Setelah mengenai fluida (object), gelombang tersebut memantul kembali dan diterima oleh penerima (Receiver). Rentang waktu antara gelombang dipancarkan hingga diterima kembali oleh penerima merepresentasikan jarak antara pemancar dengan fluida (object). Semakin lama waktu yang ditempuh menandakan semakin jauh jarak antara pemancar dengan fluida tersebut. 1.3.4 Instrumentasi Pengukuran Flow Pengukuran flow (aliran) adalah merupakan parameter utama yang digunakan oleh pembangkit sebagai pembacaan nilai-nilai besaran dan digunakan juga sebagai besaran proses kontrol. Teknologi pengukuran flow saat ini telah berkembang hingga mencapai titik yang lebih akurat. Dalam menentukan flow meter yang akan dipergunakan harus memperhatikan parameterparameter berikut : 

Tipe fluida ( kotor atau bersih )



Profil/bentuk velocity ( kecepatan )

 Pemipaan Klasifikasi Pengoperasian flow meter mengacu kepada beberapa prinsip pengukuran yang berbeda. Prinsip-prinsip pengukuran tersebut dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Flow meter dengan klasifikasi yang mempunyai bagian-bagian bergerak yang basah (terendam) seperti positive displacement, turbin dan variable area Simple Inspiring Performing Phenomenal

41

2. Flow meter dengan klasifikasi tanpa bagian-bagian bergerak yang basah (terendam) seperti vortex, differential pressure, target dan thermal. 3. Flow meter dengan klasifikasi tanpa halangan (obstructionless) seperti coriolis dan magnetic. Flow meter ini memungkinkan fluida untuk lewat tanpa terganggu dan tetap mempertahankan unjuk kerjanya saat melakukan pengukuran untuk fluida kotor dan abrasif. 4. Flow meter dengan klasifikasi sensor yang terpasang eksternal seperti clamp-on ultrasonic dan weir flow measurements. Flow sendiri juga dapat diklasifikasikan menjadi empat tipe, yaitu : 1. Flow meter dengan tipe volumetric, seperti flow meter dengan positif displacement meter. Flow meter tipe ini mengukur volume secara langsung. 2. Flow meter dengan tipe velocity, seperti flow meter magnetic, turbin dan ultrasonic meter. Flow meter dengan tipe-tipe tersebut menghitung flow dengan mengalikan kecepatan terhadap luas area tempat flow tersebut mengalir. 3. Flow meter dengan tipe inferensial, seperti flow meter diferensial pressure (dp), target dan variable area meter. Flow meter dengan tipe mass, seperti coriolis mass flow meter. Flow meter dengan tipe ini mengukur jumlah massa secara langsung. Jenis flowmeter coriolis banyak digunakan untuk melakukan pengukuran di kilang minyak. Pengukuran Pengertian flow dapat dijelaskan sebagai volume fluida yang mengalir di dalam pipa persatuan waktu. Dapat dijelaskan juga melalui formula berikut ini : Q=AxV Dimana : A = diameter pipa V = kecepatan rata-rata fluida Disamping itu massa flow dapat dijelaskan sebagai : Flow = Volumetric flow x density Perlu dicermati bahwa pengukuran flow dapat dipengaruhi oleh perubahan temperatur dan perubahan densitas fluida. Perubahan parameter-parameter tersebut dapat juga mempengaruhi keakuratan pembacaan jika perhitungan tidak dilengkapi dengan parameter kompensasi. Tipe Fluida Beberapa fluida dapat mempengaruhi untuk menentukan pemilihan sebuah sebuah flow meter  Flow meter tipe magnetic hanya cocok digunakan untuk mengukur tipe fluida konduktif dimana orifice atau vortex tidak cocok untuk digunakan.  Flow meter tipe turbin tidak dapat digunakan untuk pengukuran aliran uap.  Flow meter tipe vortex dan diferensial pressure dapat digunakan untuk pengukuran cairan, gas dan uap. Profil velocity Profil (bentuk) velocity (kecepatan aliran) adalah efek utama yang mempengaruhi keakurasian dan unjuk kerja pada kebanyakan flow meter. Bagaimana bentuk profil velocity di dalam pipa akan tergantung kepada :


42

 

Momentum atau gaya inersia dari fluida. Gaya viskositas dari fluida, yang secara langsung mempengaruhi kecepatan aliran fluida terutama pada sisi terdekat dari dinding pipa. Disamping itu lengkungan di dalam pipa, hambatan dan kerusakan permukaan pipa juga mempengaruhi profil aliran (flow) serta mempengaruhi juga kecepatan pemulihan aliran tersebut. Profil flow dapat diklasifikasikan kedalam tiga tipe, yaitu :  Laminar  Turbulen  Transisional ( peralihan ) Pada tipe laminar, gaya viskositas menyebabkan kecepatan fluida menurun pada sisi dinding dari pipa. Profil flow/aliran akan mendekati bentuk parabolic dimana lebih banyak aliran fluida pada sisi tengah pipa dibandingkan dengan sisi terdekat dari dinding pipa.

Gambar 3. Flow jenis laminar

Pada tipe turbulen, efek gaya inersia lebih besar dibandingkan dengan efek dari gaya viskositas. Dengan demikian efek penurunan kecepatan pada dinding pipa dapat dikurangi.

Gambar 4. Turbulent Flow

Pada tipe transisional, profil flow berada diantara laminar dan turbulen. Akan terjadi osilasi pada profil flow saat bertransisi. Tipe transisional ini sangat sulit untuk diprediksi sebagai akibat adanya osilasi tersebut.


43

Gambar 5. Transisional Flow

Secara umum profil flow dipengaruhi oleh 4 faktor, dimana hubungan masing-masingnya disebut dengan bilangan Reynolds. Bilangan Reynolds ( Rd ) merupakan jumlah tak berbentuk yang mengindikasikan kondisi aliran di dalam pipa sebagai efek dari kombinasi velocity, density ( kerapatan ) dan viskositas Bilangan Reynolds ( Rd ) dapat dihitung dengan menggunakan formula berikut :

Penjelasan : 

Flow disebut Laminar jika : Rd < 2.000

 Flow disebut Turbulen jika : Rd mencapai 4.000 hingga 10.000 Range diantara 2.000 dan 10.000 merupakan kondisi yang tidak stabil dan kompleks sebagai akibat dari banyaknya pengaruh beberapa parameter seperti perubahan cuaca dan lain-lain.

Gambar 47. Profil Velocity Elemen Primer Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa piranti yang menimbulkan differential presure disebut sebagai elemen sensor (elemen primer) yang analisanya telah dibahas hingga ditemukan hubungan antara laju aliran dan differential pressure. Elemen primer tersebut pada dasarnya merubah pola aliran dengan menyempitkan diameter pipa hingga menghasilkan


44

Rd = diameter pipa x flow velocity rata2 x density Absolut viskositas

tekanan differential sebelum dan sesudah pemasangan elemen primer tersebut. Elemen primer ini tidak memiliki bagian yang bergerak, sehingga relatif aman dari segi sifat fluida yang mengalir khususnya terhadap tekanan dan temperaturnya. Differential pressure yang dihasilkan oleh elemen primer, selanjutnya diukur oleh elemen sekunder melalui dua pipa saluran yang dikenal dengan pipa impuls / pipa sensing.

Gambar 48. Differential Pressure Flowmeter (DP Flowmeter) Ada beberapa macam elemen primer, yaitu : A. Orifice Suatu plate berlubang dimasukkan ke dalam pipa dan ditempatkan secara tegak lurus terhadap flow stream. Ketika fluida mengalir melewati orifice plate tersebut maka menyebabkan peningkatan kecepatan dan penurunan tekanan. Perbedaan tekanan sebelum dan setelah orifice

plate digunakan untuk mengkalkulasi kecepatan aliran (flow velocity). Bentuk plat

tersebut secara umum dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 49. Orifice Plate Pipa yang telah dipasang dengan orifice plate dilengkapi flens seperti terlihat pada gambar 30 di atas. Kecepatan aliran bertambah karena adanya penyempitan pada orifice. Dari gambar tersebut juga dapat dilihat perubahan tekanan sepanjang pipa.


45

Gambar 50. Beda tekanan oleh orifice plate kepada suatu saluran Tekanan statik yang terjadi pada bagian down stream akan selalu lebih kecil dari tekanan yang terjadi di bagian up stream, karena adanya kehilangan tekanan (pressure loss) pada orifice. Pressure loss yang terjadi pada orifice harus berada dalam batas yang diizinkan. Persamaan Bernoulli : Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa bila tidak ada perpindahan panas dan kerja yang dilakukan, maka energi fluida disetiap titik sepanjang pipa akan

tetap

konstan. Dari prinsip kekekalan energi ini dapat diturunkan persamaan

Bernoulli. Persamaan

energi

aliran

persatuan

volume

untuk

fluida

yang

tidak

termampatkan (incompressible), adalah : ½ ρV² + Ps + ρg h = konstan Suatu aliran fluida yang melewati suatu penghalang orifice plate akan mengalami penurunan tekanan (pressure drop) pada orifice tersebut. Perubahan ini dapat digunakan untuk mengukur flowrate dari suatu fluida.  Concentric Orifice Letak lubang penghalang konsentris

dengan

penampang

pipa. Digunakan

untuk

mengukur volume gas, liquid dan steam dalam jumlah yang besar.


46

Gambar 51. Concentric orifice  Eccentric Orifice Titik pusat lubang penghalang tidak satu garis pusat dengan pusat penampang pipa. Pemasangan lubang yang tidak konsentris ini dimaksud untuk mengurangi masalah jika fluida yang diukur membawa berbagai benda padat (solid).

Gambar 52. Eccentric dan segmental orifice  Segmental Orifice Segmental orifice plates digunakan terutama pada service yang sama dengan eccentric orifices, sehingga kelebihan dan kekurangan adalah kurang lebih sama. Sedangkan material yang digunakan untuk orifice plate adalah sebagai berikut : Tabel 3. Material penyusun plat orifice No

Fluida yang diukur

Material Orifice

1.

Meteran Air

Gunmetal, Bronze dan Stainless Steel

2.

Meteran Udara

Gunmetal, Monel dan Mild Steel

3.

Meteran Uap

Stainless Steel dan Monel

4.

Sewage (limbah), bahan bakar minyak, batubara, gas

Stainless steel


47

B. Tabung Venturi Tabung venturi terdiri dari 2 buah kerucut berongga yang terpotong bagian atasnya. Bagian yang berdiameter terkecil dari kedua kerucut ini dihubungkan sesamanya dengan sebuah pipa pendek. Bagian yang terkecil itu disebut juga “throat section”. Kerucut disisi up stream dilengkapi dengan pipa paralel yang pendek pada sisi masuknya. Up stream tapping diukur di daerah ini. Lihat gambar 53.

Gambar 53. Perubahan tekanan pada tabung venturi Kerucut di bagian up stream mempunyai sudut yang lebih curam dibandingkan dengan sudut kerucut di bagian down stream. Hal ini perlu untuk mendapatkan aliran yang halus menuju throat section. Kegunaan dari kerucut dibagian down stream adalah untuk mendapatkan kembali tekanan differensial dan mengurangi overal orifice adalah kehilangan tekanan dari fluida yang mengalir melalui peralatan tersebut.

Gambar 54. Venturi tube Keadaan akan bertambah buruk apabila fluida mengalir dengan kecepatan tinggi, karena orifice akan

menimbulkan

turbulensi

yang

akan

membutuhkan

sejumlah

energi

sehingga

pengembalian tekanan yang hilang tidak mungkin terjadi di sisi down stream. Turbulensi dapat mengurangi tekanan dibagian up stream disisi besar 10 s/d 16%. Penggunaan venturi ini juga terbatas karena venturi sulit untuk dipasang pada pipa ukuran yang lebih besar, dimana pressure loss sangat diperhitungkan. Simple Inspiring Performing Phenomenal

48

C. Flow Nozzle Flow Nozzle merukapan variasi lain dari venturi tube. Peralatan ini mempunyai bagian masuk yang berbentuk kurva dengan garis lengkung mulus

menyinggung

bagian paralel.

Pengambilan tekanan akibat terjadinya pressure loss lebih baik. Peralatan ini lebih cocok untuk aliran dengan kecepatan tinggi bila dibandingkan dengan orifice plat, karena tidak mengalami keausan yang sama dan dapat digunakan untuk fluida yang mengandung partikel solid.

Gambar 55. Pemasangan Flow Nozzle

Gambar 56. Bentuk Fisik Flow Nozzle D. Turbine meter Metoda yang biasa digunakan untuk pengukuran aliran adalah dengan menggunakan turbine meter. Pada dasarnya turbine meter adalah suatu blade rotor (baling - baling) yang dipasang pada flow tube lihat gambar 38. Bilamana fluida melewati tube maka rotor akan dipaksa untuk berputar melalui sumbunya. Frekuensi perputaran ini yang akan dideteksi dan dicatat oleh secondary element. Rotor berputar dengan kecepatan sudut yang berbanding lurus dengan kecepatan aliran fluida dan selanjutnya akan dideteksi non contacting sensor. Sensor ini dinamakan sebagai magnetic pick-off yang terbuat dari bahan non magnetic.


49

Gambar 57. Pemasangan Turbine Meter Pada saat rotor berputar akan membangkitkan tegangan bolak-balik pada pick-off coil dalam hal ini adalah RF pick-off . Coil ini

juga dapat mendeteksi gerakan blade melalui suatu

prequency carrier signal yang terdapat pada coil. Bilamana “blade rotor” berputar maka carried signal akan dimodulasikan kembali. Keuntungan dari RF pick-off tidak menyebabkan adanya drag terhadap rotor, sebagaimana yang terdapat pada magnetic pick-off. Artinya dengan mengurangi drag maka akan mengurangi pula harga head loss yang selanjutnya akan menyajikan harga operating range yang sesuai. Untuk mengurangi adanya gesekan mekanis dan menghasilkan umur yang optimal terhadap “moving part” maka rotor dilengkapi dengan ball bearing. Ball bearing tidak dianjurkan untuk digunakan pada setiap pemakaian terutama pada fluida yang mengandung zat padat dimana akan menyebabkan bearing wear. Carbide sleeve bearing telah terbukti mempunyai kehandalan dalam banyak pemakaian dan merupakan suatu alternatip terhadap pemakaian ball bearing. Persoalan lain yang dapat terjadi pada pemakaian liquid turbine adalah : a) Efek adanya overspeed bilamana terjadi flasing pada liquid sehingga terbentuk vapor yang akan memperbesar kecepatan rotor. b) Pergeseran dalam kalibrasi akibat adanya blade wear dan liquid yang mengandung sejumlah udara. Untuk pipa dengan diameter besar barangkali harga turbine meter menjadi sangat mahal bilamana dibuat dalam ukuran full size. Untuk kondisi semacam ini biasanya akan lebih efektif bila mana digunakan probe type turbine meter, bentuknya berupa turbine meter kecil yang dimasukan kealiran fluida melalui suatu probe. Turbin meter menyajikan accuracy dan repeatability pada flow-range yang lebar. Akurasinya dapat bervariasi antara  0.15% s/d  0.5% pada daerah aliran 10 : 1 s/d 35: 1. Turbine meter secara spesifik dirancang untuk mengukur “ultra

low flow” , sanitary dan fluida korosif. Kekurangan turbine meter adalah


50

“maintenance cost” yang mahal karena adanya moving part, rotor wear akan mempengaruhi ketelitian

pengukuran dan turbine meter cenderung akan cepat rusak bila fluidanya tidak

bersih, head lossnya juga tinggi bila dibandingkan dengan jenis flow meter lain.

Gambar 58. Turbine Meter E. Ultrasonic Flowmeter Pengukuran laju aliran (flow

rate) dengan

metoda

ini

melibatkan

elemen pengirim

(transmitter) dan penerima (receiver) untuk frekuensi akustik. Pada elemen

pengirim,

transducer berfungsi mengubah tegangan listrik frekuensi tinggi menjadi getaran kristal (akustik). Sedangakan pada elemen penerima, transducer mengubah getaran kristal (akustik) menjadi sinyal listrik. Oleh karena daerah kerja frekuensi dari pengirim dan penerima di atas 20 KHz (misalnya 10 MHz), maka disebut ultrasonic. Secara umum metoda ultrasonic dibedakan atas : · Model Transit time : berdasarkan waktu lintas gelombang ultrasonic dari pengirim (transmitter) ke penerima (receiver). · Model Doppler : berdarkan frekuensi pelayangan Doppler

Gambar 59. Letak transmitter dan receiver sensor ultrasonic flow meter Ultrasonic flowmeter dapat digolongkan ke dalam dua jenis didasarkan pada metoda instalasi, yaitu :


51

- Clamped-on : instalasinya ditempatkan di luar pipa - Inline : Instalasi ditempatkan bersatu dengan pipa menggunakan flanges

Gambar 60. Ultrasonic flowmeter Prinsip kerja dari flow sensor ultrasonic adalah dengan cara perhitungan waktu jarak tempuh antara pemancar satu dengan pemancar yang lain. Seperti yang telah diutarakan sebelumnya, dimana satu pemancar dipasang searah dengan aliran, sedangkan yang lain dipasang berlawanan dengan arah aliran. Dengan pemasangan seperti itu, maka akan ada perbedaan waktu terima antara pemancar satu dengan pemancar yang lain. 1.3.5 Aktuator dalam Sistem Instrumentasi Aktuator adalah peralatan yang mengonversi sinyal elektrik menjadi gerak mekanik. Bentuk umum dari aktuator, antara lain : relay, solenoid, dan motor. A. Relay Relay adalah peralatan yang dioperasikan secara elektrik yang secara mekanik akan menswitch sirkuit elektrik. Relay adalah bagian yang penting dalam sistem kontrol, karena kegunaannya dalam kendali jarak jauh, dan mengendalikan listrik tegangan tinggi dengan menggunakan listrik tegangan rendah.


52

Gambar 61. Prinsip kerja Relay Ketika tegangan mengalir ke dalam elektromagnet pada sistem kontrol relay, maka magnet akan menarik lengan logam pada arah magnet, dengan demikian kontak terjadi. Relay bisa memiliki jenis NO atau NC ataupun dua-duanya.

Gambar 62. Fungsi relay dalam pengendalian jarak jauh B. Motor a. Stepper Motor


53

Stepper Motor mengkonversikan pulsa elektrik yang diberikan padanya menjadi gerakan diskrit rotor yang disebut step. Satu putaran motor membutuhkan 360 pulsa. Microstep motor membutuhkan ribuan step untuk satu revolusi. Stepper motor terdiri dari stator elektromagnet dan rotor magnet permanen. Arah dari putaran stepper motor juga dapat ditentukan. Jumlah langkah per revolusi ditentukan dari jumlah pasangan kutub pada rotor dan stator.

Gambar 63. Stepper motor

Terdapat tiga tipe stepper motor, yaitu: a. Permanent Magnet Motors. Konstruksi ini akan menghasilkan sudut langkah yang besar. Tipe ini cocok untuk diterapkan dalam peralatan komputer. b. Variable Reluctant Motors. Tipe ini tidak memiliki magnet permanen, sehingga dibutuhkan proses pengendalian tersendiri. Tipe ini biasanya dipergunakan dalam aplikasi berskala kecil, misalnya meja mikroposisi. Simple Inspiring Performing Phenomenal

54

c. Hybrid Motors. Tipe ini menggabungkan kedua tipe di atas. Tipe ini banyak sekali digunakan di industri. Rotor terdiri dari dua keping kutub dengan tiga gigi diatasnya. Diantara kutub terletak magnet permanen yang bermagnet sepanjang aksis dari rotor, dan membuat membuat satu ujung merupakankutub utara dan ujung lainnya kutub selatan. Gigi, terpasang pada kutub utara ataupun selatan. Stator terdiri dari empat gigi yang memutar sepanjang rotor. Kumparan dililitkan pada gigi stator dan terhubung bersama secara pasangan.

b. Brushless DC Motor DC Brushless Motor adalah motor yang tidak memiliki "brush" ataupun mekanisme komutasi. Brushless DC Motor dipergunakan dalam servo dan sistem robotik. Motor ini memiliki tingkat efisiensi tinggi, panjang umur, suara kecil, dan mengkonsumsi energi yang kecil. Motor ini bukan stepper motor. Motor ini memiliki putaran kontiniu yang lancar, seperti motor magnet dc permanen.


55

c. Servo Motor Hydraulic servo valve adalah sebuah servo dengan perangkat berupa flapper nozzle atau jet pipe yang digunakan untuk mengatur posisi servo.


56

C. SOLENOID VALVE Sebuah alat yang mengubah dari energi listrik menjadi energi mekanik berupa gerakan piston diantara kumparan listrik. Pergerakan piston dapat digunakan sebagai penekan tombol. Solenoid valve ini merupakan kombinasi dari dua unit fungsional dasar, yaitu : - Solenoid dengan inti dan komponennya. - Badan valve yang di mana terdapat piringan/colokan yang diposisikan untuk menghentikan/mengalirkan aliran. Solenoid dengan inti dan komponennya.


57

Gambar 41. Bagian-bagian solenoid valve

Gambar 64. In pulling-type (kiri) dan in push-pull (kanan) Badan valve yang di mana terdapat piringan / colokan yang diposisikan untuk menghentikan / mengalirkan aliran. Aliran dapat mengalir tergantung dari gerakan dari inti dan tergantung dari apakah solenoid dialiri arus atau tidak. Jika dialiri arus, maka kumparan akan mendorong inti untuk membuka saluran (valve), dan pada saat tidak dialiri arus, saluran akan dalam keadaan tertutup. Solenoid valve digunakan untuk mengendalikan hidrolik, pneumatik, dan aliran air. Solenoid valve ini cocok untuk digunakan untuk aliran dalam satu arah saja, dengan tekanan yang diberikan pada bagian atas dari piringan saluran.


58

Gambar 65. Sistem kerja solenoid valve Directional valve mengalirkan, menghentikan dan mengatur arah dari aliran. Saluran ini mengalirkan aliran dengan membuka dan menutup jalur aliran dalam posisi saluran yang telah didefinisikan

Gambar 66. Tipe-tipe solenoid valve


59

Gambar 67. Sistem kerja solenoid valve

Gambar 68. Contoh solenoid valve


60

Energized

De-Energized

Gambar 69. Sistem kerja solenoid valve (energized dan de-energized) Energized : - Piston solenoid tertarik ke atas oleh gaya magnet kumparan - Saluran udara terbuka, mendorong piston pneumatik ke bawah - Mengubah saluran udara P1 menjadi terbuka menuju A De- Energized : - Piston solenoid terdorong ke bawah oleh tekanan pegas - Saluran udara tertutup


61

2. DIAGRAM INSTRUMENTASI 2.1 Process Flow Diagram (PFD) 3. Bagi seorang pemula, membaca gambar P&ID memang cukup sulit karena proses di pabrik yang rumit. Supaya lebih mudah membaca P&ID, sangat disarankan membaca gambaran pabrik secara keseluruhan, yaitu membaca Process Flow Diagram (PFD) dahulu. Dari PFD ini kita bisa melihat gambaran besar cara kerja pabrik. PFD menjelaskan hal-hal : 

Perpipaan proses



Simbol peralatan utama



Katup kendali atau kontrol utama



Interkoneksi dengan sistem lain



Jalur bypass dan jalur resirkulasi



Neraca massa dan neraca energi

4. Setelah cukup jelas, kita bisa beralih ke P&ID – yang merupakan penjabaran detil dari PFD – untuk mengikuti alur proses disitu, serta mencoba memahami segala fungsi peralatan dan instrumentasi yang ada di gambar P&ID.


1

5. 6. Gambar 70. Contoh Procress Flow Diagram (PFD)


2

7. Simple Inspiring Performing Phenomenal

3

7.1 Piping & Instrumentation Diagram (P&ID) 8. Piping and Instrumentation Diagram atau biasa disingkat P&ID adalah ilustrasi skematik secara mendetail mengenai hubungan fungsional perpipaan, instrumentasi dan komponen sistem peralatan didalam suatu pabrik. P&ID adalah salah satu informasi penting mengenai semua komponen pabrik, baik ketika pabrik didalam fase desain, fase konstruksi maupun fase operasional. Dari P&ID kita dapat mengetahui bagaimana suatu pabrik proses bekerja, pipa ukuran apa saja yang digunakan, instrumentasi apa saja yang digunakan dan lain sebagainya. Intinya, P&ID adalah jantung komunikasi antara para insinyur fasilitas produksi dari berbagai disiplin ilmu mengenai pabrik. 9. Oleh sebab itu pengetahuan membaca P&ID merupakan salah satu kebutuhan dasar yang penting dari seorang insinyur yang memulai karir profesionalnya dibidang keteknikan. Perlu ditekankan bahwa arti “membaca” disini bukan berarti lantas akan “mengerti” karena dua kata tersebut berbeda makna. Orang bisa membaca suatu tulisan, belum tentu bisa mengerti. Orang yang mengerti, sudah pasti bisa membaca. Oleh sebab itu untuk bisa mengerti, tentunya harus bisa membaca dulu bukan? Mari kita mulai. 10. Symbol ini digunakan untuk menggambarkan Diagram Alur Proses dan sistem instrumentasi atau pengontrolannya dan dikenal sebagai P&ID (Pipping & Instrument Diagram). Pada standar JIS ditetapkan dengan standart JIS Z8204 – 1983 , sedangkan secara international digunakan standart ANSI/ISA -5.01.01 11. Misalnya :  1-FI-6G-20: DCS area pabrik 1 : Flow indicator, area 6, pengukuran gas (G), no 20  1-PI-2W-01:DCS area pabrik 1, Pressure indicator, area 2, pengukuran air (W), no.1 

3-PC-4G-02: DCS area pabrik 3, pressure control , area 4, pengukuran gas (G), no.2

12. Symbol detail 13. Symbol detail adalah symbol huruf yang terdiri dari nomor khusus dan drawing symbol, selanjutnya bila diperlukan bisa ditambahkan symbol spesifikasi 14. Nomor urut: a. Nomor merupakan urutan loop drawing (nomor gauge)


4

15. Untuk beberapa jenis instrument yang difungsikan untuk mengontrol satu jenis equipment, dituliskan dalam nomor yang sama tetapi dengan symbol yang menampilkan fungsi yang dimiliki oleh masing-masing gauge. 16. Misalnya : gauge nomor 23 terdiri dari control valve, indication control valve, transmitter, dan orrifice akan terdapat FE-23, FT-23, FIC-23, FV-23 b. Cara mengambil nomor urut 17. Setiap plant sebagai obyek atau system diberi nomor urut indtrument. 18. Misalnya : Plant A ada beberapa loop instrument maka diberi nomor urut FC-1, FI2, FI3.....PIC-1, PI-... A. Anatomi Gambar P&ID 19. Gambar P&ID secara umum dapat dikelompokkan menjadi 5 area utama. 1. Title block 2. Grid system 3. Revision block 4. Notes and legends 5. Engineering drawing (porsi grafis) 20. Kemampuan untuk memahami informasi di semua area ini hampir sama pentingnya dengan memahami P&ID, oleh sebab itu kita akan membahasnya satu-persatu. A.1. Title Block 21. Title block atau blok judul dari P&ID biasanya terletak dibawah atau dipojok kanan bawah suatu gambar, berisikan informasi yang diperlukan untuk mengidentifikasi gambar dan memverifikasi validitas gambar tersebut. Berikut adalah gambar contoh blok judul.


5

22. 23. Gambar 72. Title block / block judul sebuah P&ID 24. Blok judul terdiri dari beberapa area sebagai berikut : a)

Area pertama dari blok judul 25. Area pertama dari blok judul berisikan judul gambar, nomor gambar dan daftar lokasi/lapangan/vendor. Judul gambar dan nomor gambar digunakan untuk identifikasi dan tujuan pendokumentasian. 26. Biasanya nomor gambar adalah unik untuk setiap gambar dan terdiri atas kode yang berisikan informasi gambar mengenai lapangan, sistem maupun tipe gambar. Nomor gambar bisa juga berisikan informasi seperti nomor lembar (sheet number), jika gambar tersebut terdiri dari beberapa halaman, atau bisa juga berisikan tingkatan revisi. Gambar-gambar biasanya didokumentasikan berdasarkan nomor gambar karena judul gambar bisa menjadi terlalu umum atau tidak unik.

b) Area kedua dari blok judul 27. Area kedua dari blok judul berisikan tanda tangan dan tanggal-tanggal persetujuan (approval) dari pihak-pihak yang terkait. Area ini menyediakan informasi kapan dan oleh siapa komponen / sistem ini didesain dan kapan serta oleh siapa gambar ini dibuat serta diverifikasi dalam tahap akhir persetujuan. Informasi ini dapat sangat berharga ketika kita hendak mencari data lebih jauh mengenai sistem/komponen desain atau operasi. Nama-nama yang tercantum disitu besar kemungkinan dapat membantu mencari solusi antara perbedaan gambar dengan sumber informasi lainnya. c)

Area ketiga dari blok judul 28. Area ketiga dari blok judul adalah blok referensi. Blok referensi berisikan daftar gambargambar lain yang berhubungan dengan sistem/komponen, atau dapat juga berisikan


6

daftar gambar lain yang saling mereferensikan, bergantung pada konvensi di lapangan atau vendor. Blok referensi ini dapat bermanfaat dalam mencari informasi tambahan pada sistem atau komponen di P&ID. 29. Meskipun demikian, informasi yang terdapat pada blok judul bisa berbeda-beda tergantung lapangan ataupun vendor, seperti misalnya ditambahkan nomor kontrak. Ketiga area diatas tidak selalu juga dapat ditemui dalam setiap P&ID, tetapi biasanya area pertama dan area kedua selalu ada di P&ID. 30. A.2. Grid System 31. Suatu gambar bisa saja menjadi sangat besar maupun rumit, mencari suatu titik atau peralatan tertentu saja bisa sulit. Ini menjadi semakin nyata ketika satu kabel atau pipa disambungkan dengan gambar dilembar kedua. Untuk membantu mencari titik tertentu pada gambar yang telah dicetak, kebanyakan gambar – khususnya P&ID dan gambar skematik elektrik – mempunyai sistem kisi atau grid system. Kisi dapat terdiri dari huruf, angka atau keduanya yang melintang secara horizontal dan vertikal disekitar gambar seperti pada gambar di bawah.

32. 33. Gambar 73. Grid System 34. Seperti halnya peta kota, gambar dibagi menjadi blok-blok yang lebih kecil, yang mana setiap bloknya mempunyai pengidentifikasi dua huruf atau angka. Sebagai contoh, suatu pipa dilanjutkan dari satu gambar ke gambar yang lain, tidak hanya gambar kedua mereferensikan gambar pertama, tetapi koordinat kisi juga ikut membantu peletakan pipa sambungan tersebut. Sehingga pencarian pipa yang terdapat dalam suatu blok akan lebih mudah dilakukan daripada mencari diseluruh gambar. A.3. Revision Block Simple Inspiring Performing Phenomenal

7

35. Ketika perubahan-perubahan terhadap komponen atau sistem dilakukan, gambargambar yang merefleksikan komponen atau sistem yang bersangkutan harus digambar ulang atau diterbitkan kembali (reissued). Ketika gambar pertama kali diterbitkan, disebut sebagai revisi 0 dan blok revisi menjadi kosong. Setiap kali revisi gambar dibuat, sebuah entri akan diletakkan pada blok revisi. Entri ini dilengkapi dengan nomor revisi, judul atau ringkasan dari revisi, dan tanggal revisi. Nomor revisi bisa saja ditampilkan pada nomor gambar atau pada blok yang terpisah seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

36. 37. Gambar 74. Revision Block / blok revisi 38. Ketika komponen atau sistem dimodifikasi, gambar tersebut dimutakhirkan untuk merefleksikan perubahan, nomor revisi akan dinaikkan satu angka, dan kemudian nomor revisi di blok revisi akan diubah untuk mengindikasikan nomor revisi baru. Sebagai contoh, jika gambar dengan Revisi 2 dimodifikasi, maka gambar baru yang menunjukkan modifikasi terakhir akan mempunyai nomor gambar yang sama, tetapi dengan level revisinya menjadi 3. Gambar Revisi 2 akan didokumentasikan serta dipertahankan didalam sistem pengarsipan untuk kepentingan historikal. 39. Terdapat dua metode yang umum dipakai untuk menunjukkan bahwa revisi telah mengubah gambar yang berisikan diagram sistem. Metode pertama adalah metode awan (cloud method), dimana setiap perubahan diletakkan didalam bentuk awan, seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah.


8

40. 41. Gambar 75. Metode awan / cloud method 42. Metode kedua menggunakan segitiga (atau lingkaran atau bentuk lainnya) dengan nomor revisi didalamnya yang kemudian diletakkan porsi gambar yang terkena revisi. Metode pertama dengan awan hanya menunjukkan perubahan dari revisi yang terakhir, sedangkan metode kedua menunjukkan semua perubahan dari proses revisi-revisi sebelumnya karena semua segitiga masih diletakkan di dalam gambar. A.4. Notes and Legends 43. Catatan dan legenda gambar (notes and drawing legend) biasanya memberikan penjelasan simbol dan konvensi pada gambar tersebut. Biasanya dicantumkan juga catatan dari desainer atau draftsman yang dirasa perlu untuk menggunakan dan memahami gambar secara benar. Karena pentingnya pemahaman dari semua simbol dan konvensi yang digunakan didalam gambar, maka catatan dan legenda gambar harus dipelajari terlebih dahulu sebelum membaca sebuah gambar. Dibawah ini adalah contoh Notes dan Legend dari sebuah P&ID. Anda bisa membaca Notes & Legend dari P&ID pabrik anda.

44. 45. Gambar 76. Notes /catatan A.5.

Engineering Drawing


9

46. Ini adalah jantung dari P&ID secara keseluruhan. Gambar mengenai aliran proses, perpipaan dan instrumentasi dideskripsikan dibagian ini. Semua simbol-simbol dan kode-kode yang dipakai didalam P&ID merupakan kesepakatan dan dapat dilihat artinya dari legenda gambar. Simbol yang digunakan sebenarnya bersifat sederhana dan terjelaskan dengan sendirinya (self-explanatory), sehingga tidak terlampau sulit untuk sekedar membaca P&ID yang ada. 47. Tabel 5. Contoh legenda P&ID

48. B. Pengenalan Simbol P&ID 49. Simbol-simbol P&ID yang perlu diketahui adalah simbol-simbol dasar yang mewakili perpipaan/koneksi (line), unit operasi (operating unit), katup (valve) dan peralatan instrumentasi (instrumentation). Diharapkan dengan mengetahui simbol-simbol diatas, pemahaman pembacaan P&ID pabrik mulai sedikit jelas. Pengenalan simbol yang dipakai dalam P&ID dapat dilihat lebih jelas di materi simbol ISA , seperti simbol


10

B.1. Perpipaan Proses 50. Umumnya, simbol perpipaan diwakili oleh simbol garis lurus biasa dengan warna hitam, bisa juga ketebalan garisnya dibedakan untuk membedakan pipa utama dan pipa cadangan. Beberapa perusahaan tertentu kadangkala membuat pewarnaan pada simbol perpipaan untuk mendeskripsikan jenis dari fluida proses yang dialirkan melalui pipa tersebut. Misalnya warna merah untuk gas, hijau untuk minyak, biru untuk air dan ungu untuk kondensat. Deskripsi simbol perpipaan digambarkan sebagai berikut:

51. 52. Gambar 77. Perpipaan proses di P&ID B.2.

Unit operasi

53. Bejana bertekanan, kompresor, pompa, alat penukar kalor, unit dehidrator, ekspander, dl.


11

54. B.3.

Katup dan katup kendali

55. Globe, ball, butterfly, gate, katup kendali dll.


12

56. B.4.

Instrumentasi, kontrol dan Safety Instrumented System

57. Gauge, transmitter, kontroler, switch, flowmeter, PSV, SDV, BDV,dll.

58. 59. C. Teknik Membaca P&ID 60. Identifikasi peralatan instrument dalam sebuah gambar chart menggunakan lingkaran dengan kode huruf yang berada di dalam lingkaran tersebut (2 atau 3 huruf). Huruf ini menunjukkan kode instrument tersebut berdasarkan tipe dan fungsinya. 61. Huruf Pertama : menunjukkan process parameter yang dipantau oleh peralatan instrument tersebut, yakni 62. F = Flow 63. L = Level Simple Inspiring Performing Phenomenal

13

64.

P = Pressure

65.

T = Temperature

66. Huruf Kedua : menunjukkan fungsi dari peralatan instrumen tersebut, misalnya 67. FI = Flow Indicator 68. FC = Flow Controller 69. LA = Level Alarm 70. LR = Level Recorder 71. PT = Pressure Transmitter 72.

TE = Temperatur Element

73. Huruf Ketiga : kode huruf ketiga digunakan ketika suatu peralatan instrumen memiliki 2 fungsi, dimana kode huruf ketiga tersebut menunjukkan fungsi kedua dari peralatan tersebut. Misalnya 74. FIC = Flow Indicator Controller 75. LAH = Level Alarm High 76.

LAL = Level Alarm Low

77. Sedangkan untuk membedakan lokasi peralatan instrumen (di control room atau di lokal), digunakan sebuah garis horisontal di tengah lingkaran yang memuat code tersebut. Dimana untuk peralatan yang mounted di lokal, tidak ada garis horizontal di dalam lingkaran. 78. Tabel 5. Arti huruf dalam pembacaan P&ID


14

79.

80. 81. Contoh kasus : 82. Sebuah loop level terdiri atas : 83. Peralatan di field/lokal : Level Transmitter, Level Indicator


15

84. Peralatan di Control Room : Level Controller, Level Recorder, High Level Alarm, Low Level Alarm. 85. Level transmitter dipakai untuk memonitor dan mengindikasikan level fluida dalam tangki, dimana hasil pengukurannya menentukan perlakuan controller terhadap instrumen pendukung lainnya. Asumsi bahwa signal yang dikirim berupa signal elektronik , maka flow diagram berdasar ISA Symbol sebagai berikut : 86.

87. Gambar 78. Contoh pemisahan P&ID lokal dan control room 88. Gambar di bawah menunjukkan diagram P&ID sejenis penukar panas (heat exchanger) pada pembangkit. Penukar panas adalah satu unit proses dimana uap digunakan untuk


16

memanaskan suatu bahan cairan seperti minyak residu. Material minyak residu (disebut feed-stock) dipompakan dengan laju aliran tertentukedalam pipa-pipa melalui ruang penukar panas dimana panas dipindahkan dari uapke dalam minyak dalam pipa. 89. Biasanya diinginkan untuk mengatur suhu minyak keluar aliran agar tetap, walaupun laju aliran berubah-ubah ataupun suhu masuk aliran juga berubah-ubah. Pengaturan suhu keluar aliran diperoleh dengan kontrol otomatis mengatur laju aliran uap ke penukar panas. Diagram P&I menggunakan simbol-simbol standard tertentu untuk menggambarkan unit-unit proses, instrumentasi dan aliran proses. 90. 91. Suatu diagram Piping and Instrumentation berisikan : a. Tampilan gambar bagian utama peralatan yang diperlukan dengan garis utama aliran dari dan ke setiap bagian perlengkapan b. Semua item perlengkapan lainnya dilengkapi dengan desain suhu, tekanan, flow c. Semua interkoneksi pemipaan ditunjukkan dengan ukuran, bahan, dan spesifikasi pabriknya. d. Semua peralatan instrumen utama


17

92.

93. Gambar 79. Contoh P&ID sebuah heat exchanger 93.1 Functional / Logic Diagram 94. Dalam memahami fungsi sistem kontrol, terlebih dahulu harus memahami gerbang logika (diagram logic) sederhana. Selain pada function control diagram, diagram logic juga banyak dipergunakan dalam pemrograman PLC dan DCS. D.1. Logika Biner D.1.1. Logika AND 95. 96. Tabel kebenaran logika AND adalah

98. 99. Konversi

ke

Ladder

Diagram

sebagai berikut, 97.

100.

101.

102.

I 1 I 2

&Q

I 1 I 2 Q

103.


18

I 1 I 2 I 3

I 1 I 2 & Q I 3 Q

I 1 I 2 I 3

I 1 & I Q 2 I 3 Q

I 1 I 2 I 3

I 1 & I Q 2 I 3 Q

104.

105.

106. D.1.2. Logika OR 107. 108. Tabel kebenaran logika OR adalah sebagai berikut, 109.

110. 111. Konversi

ke

Ladder

Diagram 112.

113. 114.


19

I 1 I 2

I 1 Q 1 I 2 Q

I 1 I 2 I 3

I 1 I 2 1 Q I 3 Q

I 1 I 2 I 3

I 1 1 I Q 2 I 3 Q

I 1 I 2 I 3

I 1 I 1 2 Q I 3 Q

115.

116.

117.

118.

119.

120.

I 1 S i g n a l Q i s " 1 " w h e n m o r e a s m Q I . 2 m s i g n a l s o f n s i g n a l s a r e " 1 " . . . I n I 1 = m S i g n a l Q i s " 1 " w h e n m s i g n a l s Q I . 2 o f n s i g n a l s a r e " 1 " . . . I n

121. D.1.3. Logika NOT


20

122. 123. Tabel kebenaran logika NOT adalah sebagai berikut,

125. 126. Konversi

ke

Ladder

ke

Ladder

Diagram

124.

127.

128.

129. D.1.4. Logika NAND 130. 131. Logika

NAND

merupakan

pengembangan dari logika AND, OR dan NOT. Tabel keberannya adalah

135. 136. Konversi Diagram 137.


138.

133. Tabel

kebenaran

di

atas

memiliki

persamaan sebagai berikut, 134. O = (A.B)’ = A’ + B’ 139. D.1.5. Logika NOR


21

140. 141. Logika

ini

juga

merupakan

pengembangan dari logika AND, OR dan NOT. Tabel kebenarannya adalah

145. 146. Konversi

ke

Ladder

Diagram 147.


148.

143. Tabel

kebenaran

di

atas

memiliki

persamaan sebagai berikut, 144. O = (A + B)’ = A’.B’ 149. 150.

I 1 I Q 11 Q 151. 152. 153. D.1.6. Logika XOR


22

154. 155. Sama halnya dengan kedua logika sebelumnya. logika ini nuga merupakan pengembangan dari AND, OR dan NOT.

159. 160. Konversi

(ADDER).

Tabel

Ladder

Diagram 161.

Logika ini banyak dipakai dalam untai penjumlah

ke

162.

kebenarannya adalah sebagai berikut, 156.

157. Tabel

kebenaran

di

atas

memiliki

persamaan sebagai berikut, 158. O = A o B = A’.B + A .B’ 163. D.1.7. Logika Memory Function (Binary)


23

164. Dominan RESET

I1 I2

S R

Q Q

I1 I2 Q Q

165. 166. Dominan SET

I 1 S Q I I 1 2 Q I 2 RQ Q 167. D.1.8. Logika Selection Function

I 1 I 1 2 I v 3 2 Q I I 2 3 I Q 3 168. D.1.9. Logika Time Function (Binary Timer) 169. Time Delay ON

I

t0 Q I t = T

170. 171.


Q T

24

172. Time Delay OFF

I

t 0 t = T

QI Q T

173. 174. Time Pulse (Mono Trigger)

I

t t = T

Q I Q T

175.

T

D.1.10.Special Function O b j e c t S u p e r v i s i o n A l a r m ( T h i s S y m b o lw i l lb e o n l y u s e d Qi f n o o t h e r A l a r m i s s h o w n a n d t h e i n t e r n a lp r o c e s s e d A l a r m w i l l b e n e c e s s a r y f o r o t h e r f u n c t i o n s )

O B J E C T S U P E R V I S I O N A L A R M

176.

177. Output Q = 1 jika ada alarm proses internal pada DCS. Alarm akan terinisiasi apabila sinyalnya double “ON” dan “OFF” menjadi double 1, double 0, waktu operasi perintah terlalu lama dan error Discrepancy.

178. SISTEM KONTROL PEMBANGKIT 179. Kontrol artinya pengendalian, sehingga sistem kontrol bisa diartikan sebagai serangkaian perangkat untuk mengendalikan proses sesuai kondisi yang diinginkan. Kontrol mesin Pembangkit diartikan sebagai seperangkat rangkaian peralatan yang umumnya terdiri dari rangkaian pengawatan yang dirangkai secara seri atau paralel dengan / terhadap peralatan lain misalnya tombol tekan ON/OFF, Kontaktor, Rele Kontaktor, Magnetic Kontaktor, Timer dan sebagainya yang dapat mengendalikan peralatan Mesin dan Generator beserta peralatan bantu lainnya pada Pembangkit, seperti menghidupkan & mematikan mesin/alat bantu, mengatur beban & frekuensi, memasukkan & melepas PMT dan sebagainya.


25

180. Sistem kontrol dapat juga menjalankan fungsi sebagai fungsi interlock dan fungsi proteksi. 181. Interlock adalah persyaratan yang harus dipenuhi agar operasi suatu proses dapat terlaksana dengan aman dan selamat; jika persyaratan tidak terpenuhi maka operasi proses tersebut harus ditunda ataupun dihentikan sehingga terhindar dari bahaya rusak ataupun kecelakaan (untuk menunda ataupun menghentikan operasi suatu proses bila persyaratan yang harus ada tidak terpenuhi). 182. Proteksi adalah penghentian operasi suatu proses yang sedang berlangsung karena telah tercapai tingkat keadaan atau kondisi proses (parameter operasi) berlebihan yang dapat mengakibatkan bahaya rusak ataupun kecelakaan (untuk menghentikan proses operasi yang sedang berlangsung bila batasan parameter operasi yang diijinkan telah dilampaui). Proteksi adalah rangkaian kontrol yang dilengkapi dengan suatu peralatan pendeteksi batasan-batasan pengoperasian pembangkit pada batas aman dan tidak aman. 183. Tujuan dari proteksi adalah : 184. - Mencegah kerusakan. 185. - Membatasi/melokalisasi kerusakan. 186. - Mencegah meluasnya gangguan sistem. 187. Proteksi bertugas untuk : 188. - Memberikan peringatan dini (alarm). 189. - Memisahkan sistem/peralatan yang terganggu dengan cara membuka PMT. 190. - Mematikan mesin yang sedang beroperasi jika dianggap berbahaya bagi peralatan. 191. Instrumen sendiri adalah peralatan indikator yang bekerja atas dasar besaran-besaran yang masuk dari sensor untuk mengetahui jalannya operasi dengan besaran penunjukan yang ditampilkan oleh instrumen-instrumen tersebut. Misalnya : Ampere meter, Volt meter, Cos Q meter, Temperature meter, Pressure meter, RPM meter dan sebagainya.

192. Berikut ini akan dijelaskan salah satu contoh pengembangan suatu sistem kontrol proses tertentu untuk mengenalkan beberapa istilah dan lambang di lapangan.


26

192.1Pengendalian Berbasis Instrumentasi 193. Sistem kontrol berfungsi untuk membawa dan mengendalikan proses suatu sistem ke tingkat keadaan atau kondisi yang diinginkan atau dibutuhkan, serta menjaga parameter proses yang penting tetap dalam batasan yang diperbolehkan. Fungsi kontrol adalah menerima masukan (input) dari alat pengukur proses (sensor) dan membandingkannya dengan harga/nilai yang diinginkan (set-point) untuk mendapatkan deviasi (error) yang untuk selanjutnya dikalkulasi menjadi keluaran kontrol (output) yang akan mengatur posisi penggerak (actuator). 194.

195. 196. Gambar 80. Diagram blok sistem kontrol proses loop tertutup 197. 198. Secara blok diagram system control proses tersebut di atas dapat dilihat pada gambar 3.2. Elemen-elemen suatu sistem kontrol proses ditentukan dengan hubungan bagian-bagian fungsional yang terpisah dari sistem tersebut 199. 200. Sistem Kontrol Open Loop adalah suatu sistem yang aksi kontrolnya tidak bergantung pada output sistem, sehingga sistem tersebut tidak dapat memberikan koreksi sendiri dalam artian bahwa keakuratan output ditentukan dari dilakukannya kalibrasi. Cenderung sistem ini lebih sederhana dan murah.


27

201. .

202. Gambar 81. Blok diagram sistem kontrol proses loop terbuka 203. 204. Sistem Kontrol Closed Loop adalah suatu sistem yang aksi kontrolnya bergantung pada output sistem (melalui feedback), dapat memberikan koreksi. Sistem ini relative lebih kompleks dan mahal. 205.


28

206. 207. Gambar 82. Blok diagram sistem kontrol proses loop tertutup 208.

209. 210. Gambar 82. Sistem Kontrol Instrumen Terpadu Berbasis Komputer 210.1.1 Loop Pengendalian Proses 211. Pengukuran yang teliti dan sistem kontrol yang tepat dalam industri akan menghasilkan sistem yang sesuai dengan harga perancangannya. Hal ini tentunya akan dapat menghemat biaya operasi serta perbaikan hasil produksi. 212.


29

213. 214. 215. Gambar 83. Pengaturan temperatur air secara manual 216. 217. Gambar 83 menunjukkan bagaimana orang memperoleh temperature air sesuai keinginannya, dimana semua sistem dioperasikan oleh manusia secara manual. 1. Proses adalah pemanasan air dengan sumber kalor dari steam 2. Sebagai alat ukur adalah tangan kanan pemakai 3. Prosesor adalah otak pemakai, yang akan mengevaluasi apakah temperature air sudah sesuai dengan keperluannya 4. Sebagai sistem control dan final control elemen adalah tangan kiri dan kran steam 218. 219. Jadi langkah sederhana ini telah mencakup semua langkah dalam sistem instrumentasi dan kontrol pada industri proses yang dilakukan secara manual. Perkembangan selanjutnya, sistem pada gambar 84 dikembangkan sehingga tidak semua langkah dalam proses dilakukan oleh manusia, lihat gambar 85. Dalam sistem ini, temperature yang dikehendaki (set point) dapat ditentukan sebagai suatu acuan, sedangkan alat ukur temperature dilakukan oleh sensor temperatur, sistem kontrol dan final control elemennya dilakukan oleh sistem pneumatik dan control valve.


30

220. 221. Gambar 84. Pengaturan temperature air dengan kontrol pneumatik 222. Dalam perkembangan berikutnya sebagaimana pada gambar 3.4, langkah pengukuran, pemprosesan data dan pengontrolan berbagai besaran fisika atau kimia tidak dilakukan secara terpisah, tetapi dilakukan secara simultan. Hal ini memerlukan suatu processor yang dapat mengkoordinasi hasil pengukuran dan tindak lanjut berdasarkan pilihan algoritma yang dapat digunakan dalam mengkoordinasi langkah sistem instrumentasi. Juga berdasarkan kemampuannya dalam melakukan pemantauan dan pengolahan data, selanjutnya mengeluarkan hasil pengolahan untuk memicu final control element pada proses. 223.

224.


31

225. Gambar 85. Sistem kontrol temperatur berbasis komputer


32

225.1.1 Sistem Kontrol Manual Gambar 86 menunjukkan proses yang akan digunakan pada pembahasan berikut. Cairan mengalir ke dalam tangki dengan laju qin, dan keluar dari tangki dengan laju qout. Cairan dalam tangki berketinggian (level) h. Tinggi cairan dalam tangki akan dipertahankan pada harga tertentu H, walau berapa pun laju aliran yang masuk ke dalam tangki. Untuk mengatur tinggi levelnya, tangki dilengkapi dengan satu gelas penduga S. Tinggi level cairan yang ada h disebut controlled variable (variabel terkontrol). Aliran keluar tangki bisa diubah oleh operator melalui valve/katup. Laju aliran keluar disebut manipulated variable atau controlling variable (variabel manipulasi atau variabel pengkontrolan).

Gambar 86. Sistem kontrol manual pengendali level tangki Dengan memanipulasi posisi valve, operator mengontrol tinggi level tangki sedekat mungkin dengan level yang diinginkan H. Pada sistem kontrol manual ini, operator menggunakan matanya sebagai elemen perasa (sensing element) untuk menjaga level. Secara umum, pada operasi sistem manual, manusia menggunakan panca inderanya sebagai elemen utama untuk melakukan sistem pengukuran. Dalam banyak hal, operator bisa dibantu dengan sensor lain, misalnya indikator level, suhu, dan tekanan. 225.1.2 Sistem Kontrol Semi Otomatis Pengontrolan ini menggunakan kontaktor magnet dan tombol tekan dan dilengkapi dengan protection. Dalam penyalaannya menggunakan tangan dengan menekan tombol start/stop dan penyuplaian tenaga ke motor dilayani oleh kontaktor magnet, sehingga operator dapat berada dari tempat yang aman dan terpisah dari mesinnya. Kontaktor magnit biasanya dilengkapi relay pengaman arus lebih (thermal overload relay) sebagai pengaman motor.


33

Gambar 87. Sistem kontrol semi otomatis pengendali motor 225.1.3 Sistem Kontrol Otomatis Untuk mengubah sistem tersebut menjadi sistem kontrol otomatis, sistem tersebut dimodifikasi seperti pada gambar 88. Modifikasi dilakukan dengan menambah sensor sebagai sensing elemen/indera perasa dan controller/komputer sebagai elemen pengendali menggantikan manusia.

Gambar 88. Sistem kontrol otomatis pengendali level tangki Satu alat yang disebut perasa (sensor) ditambahkan, yang mampu mengukur nilai harga level dan mengubahnya menjadi sinyal proporsional s. Sinyal ini disiapkan sebagai masukan input ke rangkaian elektronik atau komputer, yang disebut pengkontrol (controller). Pengkontrol ini melakukan fungsi manusia yakni mengevaluasi pengukuran dan menyiapkan sinyal keluaran U untuk mengubah posisi katup melalui suatu penggerak actuator (motor, sistem pneumatik atau hidrolik) yang terhubung ke katup dengan sambungan mekanikal. Inilah contoh khas dari kontrol proses otomatik (automatic process control). Simple Inspiring Performing Phenomenal

34

Gambar 89. Instrumentasi pengendalian level tangki secara otomatis Instrumentasi yang tepat untuk sistem kontrol otomatis yang dimaksud pada gambar 88, ditunjukkan pada gambar 89. Sensor level mengirim hasil pengukurannya sebagai suatu sinyal listrik ke pengkontrol elektronik. Pengkontrol diprogram untuk membandingkan sinyal yang diterima dengan harga yang disimpan H. Kemudian pengkontrol menghitung suatu harga sebagai suatu sinyal yang akan dikirim katup kontrol (unit penggerak – actuator) untuk mengobah aliran. Pengkontrol bisa juga dihubungkan ke komputer atau rekorder. Pada situasi yang lebih realistis bisa juga dibuat Alarm untuk mengingatkan/ menyiagakan operator jarak jauh jika level dalam tangki menjadi terlalu tinggi atau terlalu rendah yang bisa merusak katup/actuator, tangki atau pipa. Bisa juga mengirim laju aliran ke monitor, atau jumlah total aliran untuk menghitung biaya dengan menambahkan alat ukur pada sisi keluar tangki. Pengukuran ini biasanya dikirim ke komputer yang terhubung ke jaringan komputer perusahaan untuk diproses di bagian lain. Untuk tujuan pemeliharaan, banyak alat ukur dilapangan (field instruments) juga dilengkapi dengan indikator lokal, yaitu harga yang terukur ditunjukkan di lokal dan juga dikirim sebagai sinyal ke pusat kontrol. 225.1.4 Pengertian ‘Sistem’ 226. Dalam buku Instrument Engineer Handbook karya Bela G. Liptak, Sistem Kontrol didefinisikan sebagai sebuah mekanisme yang digunakan untuk mempengaruhi dan mengatur kondisi sistem di masa yang akan datang. Dengan kata lain, sistem kontrol pasti terdiri atas variabel input dan variabel output. Teori Kontrol diartikan sebagai sebuah strategi, untuk memilih dan memilah input secara tepat, untuk menghasilkan output sesui kondisi desain yang diinginkan. Respon dari satu atau beberapa variabel proses umumnya dideskripsikan menggunakan persamaan matematis (sebagai pendekatan pemodelan) berdasarkan hukum fisis.


35

227.

228. 229. Gambar 90. Skematis blok sistem kontrol 230. Contoh : 231. Sebuah tangki air dijaga supaya temperaturnya konstan/tetap. Tangki air tersebut dipanaskan menggunakan sebuah pipa helixal, dimana di dalam pipa tersebut dialirkan uap panas. Laju aliran (flow rate) dari uap diatur menggunakan sebuah control valve. Disini terlihat sistem kontrol terdiri dari pengaturan posisi control valve dan temperatur tangki. Sehingga, dalam sistem ini yang dimaksud variabel input adalah “temperatur tangki air” dan variabel output adalah “pengaturan posisi control valve”.

232. 233. Gambar 91. Sistem pengendalian temperatur tangki air 234. 235. Berikut sequence yang terjadi pada sistem pengendalian di atas : 236. Posisi control valve akan mempengaruhi laju aliran (flow rate) uap yang mengalir sepanjang pipa. 

Laju aliran uap (steam flow rate) menentukan jumlah panas yang melewati tangki air


36



Temperatur tangki akan meningkat jika panas yang masuk lebih besar dibandingkan dengan heat loss dan akan turun jika panas yang masuk lebih kecil daripada heat loss



Sequence menggambarkan hubungan antara variabel input dan output

237. Keuntungan membuat penyederhanaan sistem sebagai hubungan variabel antara input dan output yang merepresentasikan sistem sebagai sebuah blok akan memisahkan permasalahan secara spesifik per equipment, untuk membuat pemodelan secara umum. Teori kontrol proses pencocokan antara variabel proses yang diukur (PV) dengan kebutuhan plant yang nilainya di-inputkan oleh operator (Set Point). Kemudian kontroller akan menerapkan algoritma pengontrolan sehingga sinyal output akan mengaktifkan nilai correcting unit pada nilai inputan. Rasio/perbandingan antara sinyal output (O) dengan sinyal input (I) dikenal dengan istilah Gain (K). Nilai (1/K)x100 % disebut dengan Proportional Band (PB). 237.1.1 Karakteristik Pengendalian Temperatur 238. Secara umum, temperature control loop memiliki karakter sebagai berikut : 

Pada umumnya kecepatan perubahan respon fluida (sistem) lambat terhadap perubahan panas yang masuk



Membutuhkan advanced control strategies (misal : feedforward control)

239. 240. Gambar 92. Contoh skema temperature control loop 240.1.1 Karakteristik Pengendalian Pressure 241. Secara umum, pressure control loop memiliki karakter sebagai berikut : 

Pada umumnya memiliki karakter ‘fast process’ (liquid, small volume)


37



Membutuhkan peralatan yang responnya cepat

242. 243. Gambar 93. Contoh skema pressure control loop 243.1.1 Karakteristik Pengendalian Flow 244. Secara umum, flow control loop memiliki karakter sebagai berikut : 

Pada umumnya memiliki karakter ‘very fast process’, dan biasanya terdapat potensi ‘noise’ pada sinyal pengukuran flow, sehingga biasanya diperlukan filter



Membutuhkan peralatan yang responnya sangat cepat



Pada umumnya memerlukan kompensasi terhadap faktor temperatur

245. 246. Gambar 94. Contoh skema flow control loop 247. 247.1.1 Karakteristik Pengendalian Level 248. Secara umum, flow control loop memiliki karakter sebagai berikut : 

Pada umumnya pengaturan dilakukan dengan cara mengatur sisi ‘inflow’ dan ‘outflow’


38



Umumnya bersifat ‘non-self regulating’

249.

250. Gambar 95. Contoh skema level control loop sistem ‘inflow’ dan ‘outflow’


39

250.1Perkembangan Sistem Kontrol Pembangkit Perkembangan instrumentasi dan sistem kontrol yang dimulai pada tahun 1930 hingga saat ini, dipengaruhi dua faktor utama, yaitu kebutuhan pemakai dan kemajuan teknologi. Kebutuhan pemakai dalam menangani proses yang semakin rumit dan besar ini akan menuntut peningkatan teknologi sistem kontrol. Dalam mengatasi hal ini maka pemilik pabrik berusaha lebih meningkatkan sistem otomasi pada pabrik untuk tujuan optimasi pengoperasian pabrik. Sesuai dengan kebutuhan pemakai ini, maka para pemasok (vendor) peralatan instrumentasi dan kontrol menawarkan sistem yang terintegrasi antara pemantauan, pengontrolan, serta sistem peyimpanan dan pengambilan data. Ruang lingkup instrumentasi akan ter-revolusi dengan jaringan, fiber optics, solid state sensors, dan teknologi Artificial Intelligence (kecerdasan buatan).

Gambar 96. Evolusi teknologi instrumentasi dan sistem kontrol industri Kemajuan teknologi dalam bidang elektronika juga merupakan faktor yang menentukan cepatnya perkembangan instrumentasi dan sistem kontrol. Pada masa sebelum tahun 70an, instrumentasi pneumatik yang menggunakan teknologi flapper-nozzle, tubing tembaga dengan udara instrumen merupakan instrumentasi yang tergolong teknologi tinggi pada saat itu. Perkembangan transistor dan rangkaian analog yang terintegrasi pada awal tahun 70-an menghasilkan kemampuan dan meningkatkan kehandalan instrumentasi dan sistem control elektronik. Kemajuan ini mengakibatkan instrumentasi dan sistem kontrol dengan teknologi elektronik analog dapat menggantikan teknologi pneumatik.


40

Gambar 97. Hierarki level dan response time sistem kendali Perkembangan teknologi komputer digital yang didukung oleh perkembangan yang pesat di bidang mikro-elektronika (microprocessor) di pertengahan tahun 70-an telah memberikan dampak yang positif dan nyata pada instrumentasi dan sistem kontrol pada industri proses, termasuk pula di industri pembangkit. Perkembangan teknologi ini mengakibatkan instrumentasi dan sistem kontrol berbasis teknologi digital dapat menggantikan teknologi elektronik analog pada banyak penerapannya. Sejalan dengan ditemukannya komponen elektronik yang berkemampuan tinggi sebagai perangkat keras (hardware) dan diikuti pula dengan perkemangan perangkat lunak (software) yang demikian majunya, telah melahirkan konsep-konsep baru dalam dunia instrumentasi dan sistem kontrol. Sistem baru ini berkembang sangat pesat dan dikenal sebagai teknologi Programmable Logic Controller (PLC) dan Distributed Control System (DCS). Pada awal tahun 80-an, perkembangan teknologi microprocessor sangat cepat dan diikuti dengan perkembangan perangkat lunak serta operating system UNIX yang semakin maju, maka diikuti juga dengan perkembangan teknologi DCS berbasis operating system UNIX. Pada awal tahun 90-an setelah diluncurkan operating system berbasis Windows dan didukung dengan perkembangan teknologi microprocessor dengan kemampuan lebih besar, maka teknologi DCS memasuki babak baru yang luar biasa dalam dunia instrumentasi dan sistem kontrol yaitu DCS berbasis Windows. Operator console yang sebelumnya menggunakan special computer/monitor digantikan dengan Personal Computer (PC).


41

Selanjutnya pada akhir tahun 90-an, teknologi instrumentasi dan sistem kontrol berbasis DCS memasuki era baru yaitu Open Network Technology (teknologi dimana sub-system sehingga DCS dapat terhubung secara langsung dengan jaringan DCS tanpa menggunakan Gateway sebagai network converter) dengan menggunakan Ethernet (TCP/IP) sehinga memudahkan mengimplementasikan aplikasi seperti PIMS (Plant Information Management System), KMS (Knowledge Management System), Enhanced Regulatory Control (ERC), Advanced Process Control (APC), Plant Optimization. 250.1.1 Evolusi Sistem Kendali Pembangkit A. Sistem Kontrol Tradisional Pada awalnya sistem kontrol yang terdapat di pembangkit listrik adalah konsep yang sekarang dikenal dengan sebutan sistem kontrol terdistribusi (gambar 1.11). Pada konsep ini, peralatan instrumentasi dan sistem kontrol didistribusikan di seluruh plant, dimana operator dapat membaca set point dan mengatur keluaran. Namun antara satu sistem kontrol dengan sistem kontrol yang lain tidak dihubungkan, sehingga operator harus bertugas mengkoordinasikan sistem kontrol yang terdistribusi tersebut. Komunikasi yang digunakan untuk mengintegrasikan pengoperasian pembangkit dilakukan dengan komunikasi verbal antara satu dengan yang lain (interface antara manusia - manusia). Konsep ini tentunya hanya dapat dilakukan pada proses yang tidak rumit dan kecil.

251. 252. Gambar 98. Sistem kontrol tradisional 253. Setelah ditemukan instrumentasi dan sistem control pneumatik yang terhubung langsung pada tahun 1930, konsep architecture sistem kontrol masih sama dengan sebelumnya, dimana elemen kontrol seperti sensor, controller dan hubungan antara Simple Inspiring Performing Phenomenal

42

operator dengan actuator tetap tersebar di seluruh plant. Situasi ini terus berubah sesuai dengan meningkatnya kapasitas dan kerumitan pembangkit. Suatu hal yang sulit untuk tetap mempertahankan architecture dimana setiap elemen kontrol tersebar di setiap lokasi. Akhirnya pada awal tahun 60-an setelah ditemukan sistem transmitter jenis pneumatik, membuat architecture sistem kontrol berubah menjadi terpusat, monitoring dan pengendalian proses dilakukan dari ruang kendali (control room, interface antara manusia–mesin).

254. 255. Gambar 99. Sistem Kontrol Pneumatic yang terpusat di Control Room 256. Mekanisme sistem kontrol dengan architectur terpusat seperti ini dilakukan dengan cara pengukuran proses variabel dilakukan oleh sensor di lapangan, kemudian hasil pengukuran ditransmisikan oleh transmiter ke controller yang berlokasi di ruang kendali. Selanjutnya sinyal kontrol yang diinginkan ditransmisikan kembali ke actuator pada unit proses. Keuntungan architecture ini semua informasi yang diperlukan dapat ditampilkan di ruang kontrol sehingga mudah dilihat dan digunakan oleh operator untuk mengontrol pembangkit.

257. Pada awal tahun 70-an, architecture sistem control terpusat bergeser dari pneumatik menjadi elektronik. Perubahan ini mengurangi biaya pemasangan sistem kontrol dan waktu tunda (lag time) yang terjadi pada sistem kontrol pneumatik. Selain itu penggantian sistem kontrol pneumatic (3-15 psig atau 0.2-1.0 kg/cm 2g) menjadi elektronik (4-20 mA atau 1-5 V) juga mengganti tubing yang diperlukan untuk sistem

pneumatik menjadi

kabel.

Keuntungan

system

control

elektronik

in i,

memungkinkan pabrik lebih mudah untuk diperbesar atau dikembangkan.


43

B. Sistem Kontrol Berbasis Komputer 258. Kelanjutan evolusi sistem kontrol tradisional adalah sistem kontrol berbasis computer. Penerapan computer dalam industri pertama dipasang pada stasiun pembangkit tenaga listrik untuk monitoring plant. Penemuan ini memberikan kemampuan data acquisition yang sebelumnya tidak ada, dan membebaskan operator dari pengoperasian plant berupa pengambilan dan penyimpanan data yang selama ini berulang dilakukan oleh operator.

259. 260. Gambar 100. Sistem kontrol Direct Digital Control (DDC) 261. 262. Dalam waktu singkat setelah itu, sistem kontrol computer dipasang di pabrik kimia dan kilang minyak. Penerapan ini masih menggunakan sistem control analog elektronik sebagai controller utama. Komputer difungsikan sebagai supervisory, dimana menggunakan data masukan yang tersedia untuk menghitung setpoint control yang menghasilkan kondisi operasi yang efisien, selanjutnya setpoint ini dikirim ke controller analog yang berfungsi sebagai pengontrol loop tertutup. Kemampuan supervisory computer dalam mengambil, memperagakan dan menyimpan data yang dibutuhkan operator dapat memperbaiki pengoperasian pabrik dan menghasilkan nilai ekonomi yang optimum. Tahap selanjutnya evolusi sistem kontrol computer pada proses adalah penggunaan computer pada loop control utama, biasa disebut Direct Digital Control (DDC) lihat gambar 1.13. Dalam pendekatan ini, pengukuran proses dilakukan computer secara langsung, computer menghitung keluaran kontrolnya, kemudian mengirimkan keluaran tersebut secara langsung ke alat penggerak (final control element). Sistem DDC tersebut pertama kali dipasang tahun 1970 pada pabrik kimia. Simple Inspiring Performing Phenomenal

44

263. Untuk keamanan, sistem kontrol analog elektronik masih disediakan, untuk menjamin proses tetap berjalan meskipun computer mengalami kegagalan (failure). Ini disebabkan karena pada awal sistem DDC masih terdapat masalah kehandalan perangkat keras computer. Meskipun ada masalah tersebut, ternyata sistem kontrol digital mempunyai kemampuan jauh lebih besar dari sistem kontrol analog dalam hal penalaan (tuning) parameter dan set point. Algoritma control yang rumit dapat diterapkan untuk memperbaiki pengoperasian plant, dan tuning parameter loop control dapat diset secara adaptif (self tuning) mengikuti perubahan kondisi operasi. C. SISTEM KONTROL BERBASIS DCS 264. Architecture sistem control proses berbasis Distributed Control System (DCS) mulai diperkenalkan dalam era industri proses sekitar tahun 1976. Dari perkembangan DCS pertama kali hingga tahun 1995, telah terjadi penambahan fungsi dan modifikasi sehingga pengunaannya menjadi lebih user friendly dan perawatan yang mudah. DCS adalah suatu jaringan computer control yang dikembangkan untuk tujuan monitoring dan pengontrolan proses variable pada industri proses. Sistem ini dikembangkan melalui penerapan teknologi microcomputer, software dan network. Sistem hardware dan software mampu menerima sinyal input berupa sinyal analog, digital maupun pulsa dari peralatan instrument di lapangan. Kemudian melalui fungsi feedback control sesuai algorithm control (P. PI. PID, dll) maupun sequence program yang telah ditentukan, sistem akan menghasilkan sinyal output analog maupun digital yang selanjutnya digunakan untuk mengendalikan final control element (control valve) maupun untuk tujuan monitoring, reporting, dan alarm.

265.


45

266. Gambar 101. Sistem kontrol berbasis DCS 267. 268. Perlu diperhatikan disini bahwa fungsi kontrol tidak dilakukan secara terpusat, melainkan ditempatkan di dalam satellite room (out station) yang terdistribusi di lapangan (field). Setiap unit proses biasanya memiliki sebuah out station, di dalam out station tersebut terdapat peralatan controller (control station & monitoring station). Oleh karena peralatan tersebut berfungsi sebagai fasilitas untuk koneksi dengan peralatan instrumen lapangan (instrument field devices), maka peralatan tersebut sering juga disebut sebagai process connection device. 269. Architecture DCS dapat dilihat pada gambar 15. yang secara garis besar terdiri dari tiga bagian utama yaitu : Man-Machine Interface, Process Connection Device dan Data Communication Facilities. Man-Machine Interface (MMI) atau operator station berfungsi sebagai pusat monitoring dan pengendalian proses di lapangan, dan ditempatkan secara terpusat di dalam ruang kendali (control room). Fungsi utama operator station adalah sebagai layar monitor untuk menampilkan, mengoperasikan, serta merekam data-data yang diperoleh dari controller yang ditempatkan di luar station.


46

270.

271. Gambar 102. Arsitektur sistem kontrol terdistribusi (DCS) 272. Process Connection Devices atau disebut juga Field Control Station yang berfungsi sebagai peralatan controller (control station & monitoring station) terdiri dari module-modul CPU (Processor), I/O Module, Communication Module dan Power Supply Module. Data communication facilities berfungsi sebagai media komunikasi data secara real time antara station-station yang terhubung pada communication-bus (data-highway), terutama antara control station, monitoring station dengan operator station. 272.1.1 Sistem Kontrol Boiler 273. Level drum termasuk salah satu parameter utama yang sangat menentukan keberhasilan pengontrolan boiler. Dalam pengoperasian boiler, level air dalam boiler steam drum harus selalu dijaga agar tetap berada di sekitar Normal Water Level atau


47

NWL, sehingga boiler dan turbin diyakini dapat beroperasi dengan aman. Level air di dalam steam drum boiler yang terlalu tinggi dapat menyebabkan terjadinya carry over yang sangat membahayakan turbin, sedangkan level air yang terlalu rendah dapat menyebabkan terjadinya overheat pada pipa-pipa boiler. A. Sistem Kontrol Feedwater dan Level Drum 274. Setiap PLTU mempunyai sistem kontrol yang unik untuk mengontrol level air di dalam boiler steam drum-nya. Ada yang menggunakan sistem merubah kecepatan Boiler Feedwater Pump-nya (BFP), menggunakan Control Valve atau gabungan dari keduanya. 275. Sistem pengontrolan ini bertujuan untuk mengatur aliran air pengisi (feedwater flow) ke dalam drum boiler sehingga levelnya tetap normal. Tujuan pengontrolan level drum adalah untuk menjaga level air di dalam boiler steam drum tetap berada pada nilai set point yang diinginkan melalui sistem feedforward signal yang nilainya disesuaikan dengan beban boiler. Ada dua jenis sistem kontrol yang digunakan untuk menjaga level drum boiler, yakni : 1. Kontrol Satu Element, yakni dengan mengendalikan parameter level drum saja. 2. Kontrol Tiga Element, yakni dengan mengendalikan tiga buah parameter, yaitu level drum, feedwater flow dan mainsteam flow. 276. Perpindahan proses pengendalian dari Kontrol Satu Element ke Kontrol Tiga Element dalam sebuah power plant biasanya dilakukan secara otomatis oleh sistem kendali yang digunakan oleh power plant tersebut. a.

Kontrol Satu Element

277. Pada sistem kontrol satu element, sinyal penunjukan level drum diperoleh dari sinyal output transmitter level drum yang telah dikompensasikan dengan nilai pressure-nya. Sinyal penunjukan level drum ini dibandingkan dengan nilai set-point dan error yang muncul menggunakan jenis kontrol P+I (Proportional-Integral), kemudian akan menghasilkan output sinyal yang digunakan untuk memerintahkan Feedwater Flow Control Valve. 278. 279. 280.


48

281. 283. 284. : Flow Indicating Transmitter FIT 286. 287. : Manual Signal Generator A 289. 290. : Hand Automatic Control T/A System 292. 293. : Proportional Controler K 295. 296. : Summing ∑

282.

298. 299. : Level Indicating Transitter LIT 301. 302. : Final Controlling Function F(x) 304. 305. : Subtracting Function ∆ 307. 308. : Proportional and Integral K∫ 310. 311. : Signal Lag Unit F(t) 312. Gambar 103. Skema sistem kontrol satu/single elemen b.

Kontrol Tiga Element

313. Pada sistem kontrol tiga element, mainsteam flow dikompensasikan dahulu dengan parameter Temperature dan Pressure untuk menghitung mass flow yang akan digunakan untuk menjaga keseimbangan feedwater flow. Sinyal Feedwater Flow dibandingkan dengan sinyal


49

mainsteam flow dan error yang muncul menggunakan jenis kontrol P+I, kemudian output feedforward sinyal yang dihasilkan akan memerintahkan feedwater flow control valve.

314. 315. Gambar 104. Skema sistem kontrol tiga elemen 316. Tujuan akhir dari pengontrolan tiga element ini adalah untuk menjaga level drum boiler tetap berada pada nilai set-point yang diinginkan, oleh karena itu sinyal output dari drum level control digunakan untuk menyediakan corrective signal yang menentukan feedforward singal untuk menjaga level drum tetap berada pada nilai set point yang diinginkan. 317. 319. 320. : Flow Indicating FIT Transmitter 322. 323. : Manual Signal A Generator 325. 326. : Hand Automatic Control T/A System 328. 329. : Proportional Controler K 331. 332. : Summing ∑


50

334. 335. : Level Indicating LIT Transitter 337. 338. : Final Controlling F(x) Function 340. 341. : Subtracting Function ∆ 343. 344. : Proportional and K∫ Integral 346. 347. : Signal Lag Unit F(t)

318. 348. 349. Gambar 105. Blok Diagram sistem kontrol tiga elemen B. Kontrol Pembakaran Batubara 350. Gambar 106 memperlihatkan kontrol pembakaran di boiler yang menggunakan batubara. Masing – masing pulverizer mensuplai suatu grup dari burner, kebutuhan besarnya pembakaran di boiler di bandingkan dengan total aliran bahan bakar ke ketel, sinyal kebutuhan pulverizer master, digunakan bersamaan untuk mengoperasikan pulverizer. Sinyal kebutuhan individual pulverizer digunakan bersama untuk kebutuhan aliran batu bara, primer air flow, dan total air flow ( primer plus secondary air flow ). Bila suatu error manual antara kebutuhan dan pengukuran primer air flow atau total air flow, aksi proportional plus integral akan bekerja, akan mengatur primer dan sekunder air damper untuk mengurangi error ke nol. 351. Aliran primer yang rendah atau aliran udara total berkurang menggunakan kontrol individual pulverizer, minimum beban pulverizer, minimum air flow, dan minimum total air flow digunakan untuk kebutuhan agar pulverizer beroperasi dengan aman. Limit minimum cukup menjaga kecepatan burner nozzle, pada setiap saat, dan menjaga


51

primary air / fuel dan total perbandingan udara atau bahan bakar diatas harga yang ditentukan.

352. 353. Gambar 106. Sistem kontrol pembakaran batubara


52

353.1.1 Sistem Kontrol Turbin 354. Kinerja lebih baik keseluruhan operasional turbin uap telah meningkatkan efisiensi biaya. Dewasa ini, sistem kontrol yang lebih baik menjadi lebih sangat pentingdari sebelumnya, seperti turbin uap yang lama telah dapat beroperasi melebihi usia pakai diharapkan. Sejak 1980-an kontrol digital telah diterapkan sebagai standar proses industri. Perkembangan mutakhir teknologi proses digital (kecepatan proses yang sangat cepat, biaya lebih murah dan ukuran lebih kecil) menyebabkan kontrol turbin digital menjadi teknologi pilihan pada operasi pembangkit tenaga. 355. Kontrol turbin uap tradisional dengan governor fly-ball untuk pengindikasian putaran, lengan sambungan mekanikal, dan minyak pelumas turbin tekanan rendah. Mekipun sistem-sistem ini cukup andal, namun menjadi lebih mahal pemeliharaannya, karena banyak peralatan kontrol aslinya sudah kuno (tidak diproduksi lagi). 356. Penggantian suku cadang, jika masih ada, menjadi mahal dan waktu pengirimannya lama. Pemeliharaan sistem-sistem lama ini membutuhkan tingkat kebiasaan dan pengetahuan tertentu tentang instrumen pada jaman tersebut. Pengetahuan dasar meliputi implementasi kontrol pada turbin uap tua telah berkurang tahun demi tahun, yang langsung mempengaruhi kesiapan dan keandalan unit turbin uap. 357. C.1. Pengendalian Turbin 358. Prinsip dasar pengendalian turbin adalah dengan mengatur aliran uap yang akan memasuki turbin dengan jalan mengatur pembukaan governor valve sesuai dengan kebutuhan beban unit saat itu. Adapun diagram mimic dari system ini adalah sebagai berikut :

359. Simple Inspiring Performing Phenomenal

53

360. Gambar 107. Prinsip dasar pengendalian Turbin 361. Struktur sederhana dari system pengendali turbine ini adalah terdiri dari 2 buah stop valve (SV1, SV2) yakni berupa tipe open/close valve untuk proteksi turbin dan governor valve (GV1, GV2, GV3 dan GV4) berupa Electro Hydraulic Control (EHC) governor valve untuk pengontrolan flow uap masuk ke turbin. Sedangkan sebagai masukan dari sistem ini berasal dari beberapa alat ukur yaitu temperatur casing (upper dan lower) untuk thermal stress evaluator, kecepatan turbin (speed sensor), posisi masing-masing control valve (feedback positioner) dan masukan dari system-sistem lain yang terkait (boiler, generator, set point load, dll) 362. C.2. Fungsi Sistem Pengendalian Turbin 363. Fungsi system pengendali turbin adalah : 1.

Mengatur kecepatan turbin dari 50 rpm (barring speed) sampai dengan sincron level (3000 rpm) saat start up unit.

2.

Mengatur pebebanan turbin pada saat kondisi operasi normal.


54

364. SISTEM PROTEKSI PEMBANGKIT 364.1Pengantar Interlock dan Proteksi Pembangkit 365. Sistem kontrol dapat juga berfungsi sebagai interlock dan proteksi. 366. Fungsi Interlock adalah persyaratan yang harus dipenuhi agar operasi suatu proses dapat terlaksana dengan aman dan selamat. Jika persyaratan tidak terpenuhi maka operasi proses tersebut harus ditunda ataupun dihentikan sehingga terhindar dari bahaya rusak ataupun kecelakaan (untuk menunda ataupun menghentikan operasi suatu proses bila persyaratan yang harus ada tidak terpenuhi). 367. Fungsi Proteksi adalah penghentian operasi suatu proses yang sedang berlangsung karena telah tercapai tingkat keadaan atau kondisi proses (parameter operasi) berlebihan yang dapat mengakibatkan bahaya rusak ataupun kecelakaan (untuk menghentikan proses operasi yang sedang berlangsung bila batasan parameter operasi yang diijinkan telah dilampaui). 368.


1

369. Gambar 107. Contoh logic Interlock dan Proteksi start running ID-Fan PLTU 370. 370.1.1 Pengertian Sequence dan Interlock 371. Sequence system merupakan urut-urutan menjalankan dan mematikan suatu peralatan. Dengan demikian start-up maupun shut-down diatur sedemikian rupa sehingga tiap-tiap item atau group item telah disesuaikan dengan kriteria operasi yang aman. Peralatan-peralatan tersebut antara lain : Boiler Feed Pump , Boiler, Turbine, Generator, dsb. 372. Interlock sistem adalah suatu peralatan atau sistem peralatan yang dirancang untuk mengamankan suatu peralatan yang satu terhadap lainnya. Disini interlock system mengambil aksi seluruh fungsi keamanan, agar dapat dicegah adanya situasi yang membahayakan baik untuk peralatannya sendiri maupun untuk manusia. Interlock menjamin peralatan tersebut dioperasikan secara benar. Sistem interlock ini harus memproteksi peralatan terus menerus selama sistem bekerja. 373. Ia tidak boleh gagal hanya kerena adanya sinyal palsu atau tidak sah, dan ia membandingkan sinyal-sinyal yang diterimanya secara kontinyu. Apabila satu sinyal menyimpang, ia hendaknya hanya memberikan suatu alarm sebagai tanda peringatan akan adanya bahaya sebelum ia menerima sinyal lain yang akan mentrip peralatan. Interlock system diterapkan pada peralatan-peralatan seperti tersebut pada sequence system. Karena itu interlock sukar dipisahkan dari squence, sebab interlock merupakan bagian dari squence. 373.1.1 Prinsip Kerja Interlock a. Penguncian ( Latch ) 374. Dalam interlock terjadi saling mengunci. Yaitu peralatan yang satu tidak akan bekerja sebelum persyaratannya terpenuhi, artinya sebelum peralatan lain yang menjamin keamanannya belum beroperasi ataupun sebelum suatu kondisi dicapai. Ada dua sistem penguncian :  Penguncian mekanik 375. Penguncian dilaksanakan dengan solenoid valve dengan coil ganda. Piston akan memegang peranan dalam menentukan penguncian atau pembukaan kunci.  Penguncian listrik


2

376. Disini relay memegang peranan untuk menutup atau membuka irkit listrik. b. Kerja interlock 377. Interlock dapat dilaksanakan dengan secara lokal ataupun secara remote dengan menggunakan change over switch. c. Simbol 378. Untuk membaca gambar diagram sistem interlock harus memahami dahulu simbolsimbol yang digunakan. Ada beberapa unit menggunakan simbol yang sama dan unit lain menggunakan simbol yang sangat berbeda. Berikut ini diberikan simbol-simbol yang digunakan oleh beberapa unit pembangkit : 

AND GATE 379. Kondisi ini menyatakan bahwa semua input harus ada memperoleh sebuah out put.



OR GATE 380. Kondisi ini menyatakan bahwa jika ada suatu input akan ada sebuah output.



NOT GATE 381. Kondisi ini menyatakan bahwa jika ada satu input, maka tidak ada satu output, sebaliknya, jika tidak ada input, akan ada output.



TIME DELAY 382. Ada dua macam time delay yaitu : o

Time Delay ON ( ON Delay ) 383. Kondisi ini menyatakan bahwa jika ada input, akan menghasilkan satu output setelah melalui kelambatan waktu selama yang telah ditetapkan sebelumnya. Angka merupakan lamanya waktu yang dibutuhkan.

o

Time Delay OFF ( OFF Delay ) 384. Kondisi ini menyatakan bahwa, dalam menghilangkan input, tetap akan selalu menghasilkan output sampai waktu keterlambatannya dilampaui ( selesai ). Angka yang diberikan merupakan lamanya waktu yang ditetapkan.


3

d. Plant Interlock Adalah interlock yang mengamankan unit secara keseluruhan. Disini unit dibagi atas 3 bagian yaitu : boiler, turbin dan generator. Plant Interlock disusun sedemikian rupa sehingga bagianbagian tersebut dapat trip pada waktu yang berbeda yaitu setelah selang waktu tertentu atau bersamaan waktunya. 384.1Sistem Proteksi Boiler 385. Pengamanan atau proteksi pada boiler berfungsi untuk melindungi boiler dari kerusakan. Apabila proteksi boiler bekerja, maka alarm akan menyala dan dalam kurun waktu tertentu (apabila alarm tetap menyala) akan mengakibatkan Trip Boiler. Adapun parameter yang dapat menyebabkan bekerjanya proteksi boiler adalah:  No ID Fan running (ID Fan tidak bekerja, sehingga dapat mengakibatkan tekanan furnace melewati ambang batas yang dibolehkan).  No FD Fan running (FD Fan tidak bekerja, sehingga dapat mengakibatkan tekanan furnace melewati ambang batas yang dibolehkan).  Furnace Pressure Too High/Low (tekanan di boiler terlalu tinggi/rendah sehingga bisa menyebabkan boiler kisut atau menggembung)  Total Air Flow Low  No Ignitor/Burner On (Tidak ada nyala api pembakaran, sehingga air/uap pada pipa boiler tidak dapat dipanaskan atau berubah jadi uap).  Main Steam Temperature High (Suhu uap utama terlalu tinggi sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada pipa)  Reheat Steam Temperature High (Suhu uap keluaran reheater terlalu tinggi sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada pipa).

 Drum Level too High/Low (air pengisi pada steam drum terlalu tinggi/rendah). 385.1Sistem Proteksi Turbin

386. Sama seperti boiler, pengamanan atau proteksi pada turbin juga berfungsi untuk melindungi turbin dari kerusakan. Turbin akan trip apabila proteksi turbin bekerja, Adapun parameter yang dapat menyebabkan bekerjanya proteksi turbin adalah:


4

 Vibration High (Turbin mengalami vibrasi diluar batas yang dibolehkan, apabila dibiarkan turbin dapat mengalami kerusakan).  Condensate Vacuum Low (kondensor kehilangan vakum, sehingga uap pada turbin LP kurang sempurna masuk ke kondensor).  Turbine Overspeed (Turbin berputar melebihi ambang batas, sehingga frekuensi tegangan yang dihasilkan akan tidak sama dengan 50Hz dan kondisi tersebut harus dihindari).  Lube Oil Pressure Low (Tekanan oli pelumas pada bearing rendah sehingga dapat mengakibatkan gesekan parah antara bearing dengan dudukannya).  Lube Oil Temperature High (Suhu oli pelumas terlalu tinggi sehingga perlindungan gesekan antara bearing dengan dudukannya menjadi tidak optimal).  HP Exhaust Temperature High (Suhu uap keluaran HP Turbine terlalu tinggi sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada pipa).  All Valves Close (Valve yang dimaksud disini adalah GV (Governoor Valve), MSV)Main Stop Valve), ICV (Intercept Control Valve), dan RSV (Reheat Stop Valve) GV dan MSV terdapat pada turbin HP, sedangkan ICV dan RSV terdapat pada turbin IP ).  Boiler Trip (HP Bypass not available) (Boiler mengalami trip, sedangkan HP Bypass tidak dapat dioprasikan). 387. 388. 388.1Sistem Proteksi Generator

389. Pengamanan atau proteksi pada generator bekerja apabila salah satu parameter melewati batasan. Adapun contoh parameter tersebut adalah:  Turbine Trip (Turbine trip sehingga tidak ada daya dorong untuk memutar generator).


5

 Relay Over current dan Relay Over excitation ON (Relay over current dan over excitation bekerja yang berarti terjadi overcurent dan over excitation).  Step Up Trafo Trip (Trafo Step up berfungsi mengalirkan tegangan dari pembangkit ke transmisi, apabila trafo tersebut trip maka tegangan yang dihasilkan generator tidak dapat disalurkan).  Hydrogen Temperature High (Suhu Hydrogen selaku pendingin generator tidak boleh terlalu panas, apabila hydrogen terlalu panas, maka pendinginan generator tidak berfungsi dengan baik dan generator bisa overheating )  Winding Temperature High (Suhu belitan generator terlalu panas, sehingga dapat merusak lilitan tersebut).


6

MP13 Pemeliharaan Kontrol Proteksi Dan Instrumen

Recommend Documents