LAPORAN PRAKTIKUM INSTRUMENTASI & PENGENDALIAN PROSES
PENGENDALIAN LEVEL CAIRAN OLEH : Sulistiyono 103242004
JURUSAN TEKNIK KIMIA PROGRAM STUDI MIGAS POLITEKNIK NEGERI LHOKSEUMAWE 2012
LEMBAR TUGAS
Judul Praktikum
: Pengendalian level cairan
Laboratorium
:
Komputasi
dan
Pengendalian
Proses Jurusan / Prodi Prodi
: T. Kimia / Migas
Nama
: Sulistiyono
Kelas / Semester
: 2 M / IV ( Empat )
NIM
: 103242004
Anggota Kelompok VI
: •
Cut Icha Yuna Kumala
•
Mustafa Kamal
•
Iqbal Hidayat
•
Sulistiyono
Uraian Tugas 1. Guna Gunaka kan n peng pengen enda dali li on-o on-off ff untu untuk k uppe upperr leve levell 85 85% % dan dan lower level 75%, gambarkan zona netral. 2. Tentukan Tentukan karakter karakteristik istik pengisian pengisian dan pengoson pengosongan gan tangki tangki cairan, pengambilan data (f,Vs,t) baik pengosongan tangki maupun pengisian tangki serta gambarkan grafik masing masing. 3. Bandin Bandingka gkan n hasil hasil percob percobaan aan dengan dengan perhitun perhitungan gan neraca neraca massa total secara teoritis.
Buketrata, 4 April 2012 Ka. Laboratorium
Dosen Pembimbing
Ir. Syafruddin. MSi
Ir.
H Ha arunsyah.
M.Eng,Sc NIP : 19650819 199802 1 001
NIP :
19650330 199305 1 001
LEMBAR PENGESAHAN
Judul Praktikum Mata Kuliah
: Pengendalian level cairan : Praktek Instrumentasi dan Pengendalian
Proses Nama
: Sulistiyono
NIM
: 103242004
Kelas / Semester
: 2 M / IV ( Empat )
Nama Dos Dosen en Pemb embimb imbing ing
: Ir Ir. Sy Syafr afruddi uddin. n. MSi MSi
NIP
: 19650819 199802 1 001
Ka Laboratorium
: Ir. Harunsyah, M.Eng.Sc
NIP
: 19650330 199305 1 001
Tanggal Pengesahan
:
Buke Bu ketr trat ata, a,
11
Apri Ap rill
2012 Ka. Laboratorium
Dosen Pembimbing
Ir. Syafruddin. MSi
Ir.
Harunsyah.
M.Eng,Sc NIP : 19650819 199802 1 001
NIP
:
19650330 199305 1 001
BAB I PENDAHULUAN
1.1.
Tujuan percobaan.
Dapat mengetahui konsep-konsep dasar pengendalian level.
Dapat mengetahui dan memahami unit-unit pengendalian level.
Dapat mengendalikan suatu level ketinggian cairan.
Dapat
mengetahui
dan
memahami
konfigurasi
suatu
pengendalian .
1.2.
Alat yang digunakan
Seperangkat alat pengendalian level (CRL/control regulation level).
1.3.
1.4.
Stopwatch.
Bahan yang digunakan
Air (aquadest).
Udara.
Prosedur kerja
1.4.1. Prosedur pengendali on-off
Cek power supplay ke CRL dan PC kabelnya dalam keadaan tidak tersambung.
Cek
semua
modul
pada
CRL
berada
di
dalam
rangkaiannya.
Buka katub tekanan udara dan atur tekanan sebesar 2 bar
Atur pengendali on-off dengan upper level 85% dan lower level 75%
Hubungkan kabel power pada controller CRL unit ke panel listrik, kemudian hidupkan main switch pada panel controller CRL unit.
Hidupkan
stopwatch
dan
catat
waktunya,
lakukan
sebanyak 10 kali pengulangan
Hitung waktu rata-ratanya
Gambarkan zona netralnya
1.4.2. Prosedur pengisian air dalam tangki
Masukkan air dalam tangki
Hidupkan stopwatch dan catat waktunya tiap kenaikan 5% level air dalam tangki.
Hitung waktu rata-ratanya
Hitung waktu akumulasinya
Plot kurva antara waktu akumulasi dan level tangki
1.4.3. Prosedur pengosongan air dalam tangki
Buka kran pengosongan tangki.
Hidupkan stopwatch dan catat waktunya tiap penurunan 5% level air dalam tangki.
Hitung waktu rata-ratanya.
Hitung waktu akumulasinya.
Plot kurva antara waktu akumulasi dan level tangki.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian Kata “Sistem Pengendalian Proses” adalah terjemahan dari kata proses control system. Ketiga suku kata tersebut, yaitu proses, pengendalian dan
sistem,
biasa
dipakai
secara umum,
namun
gabungan ketiga suku kata ini mempunyai kata yang sifatnya spesifik teknik. Hampir semua proses dalam industri membutuhkan peralatan – peralatan otomatis untuk mengendalian paramater – parameter prosesnya. Otomatisasi tidak saja diperlukan demi kelancaran operasi, keamanan, ekonomi maupun mutu produk, tetapi lebih merupakan kebutuhan pokok. Tidak mungkin menjalankan suatu proses industri tanpa system pengendalian.
Ada banyak parameter yang harus
dikendalikan didalam suatu proses. Diantaranya, yang paling umum adalah tekanan (pressure) didalam sebuah vessel atau pipa, suhu (temperature) di unit proses seperti heat exchanger atau permukaan zat cair atau level dalam sebuah tangki. Ada beberapa parameter lain
diluar keempat parameter diatas yang cukup penting dan juga perlu dikendalikan karena dibutukan spesifik proses, diantaranya ; pH di industri petrokimia, warna produk disuatu fasilitas pencairan gas (NGL), dsb. Gabungan serta kerja alat – alat pengendalian otomatis itulah yang dinamai system pengendalian proses (process control system).
2.2. Pengendalian level Unit ini memungkinkan untuk menganalisis perilaku loop control, dimana kuantitas yang dikontrol adalah tingkat (level) air dalam tangki. Perilaku kuantitas dikontrol dapat diikuti secara visual sehingga mahasiswa dapat memahami konsep-konsep dasar kontrol dan teknik pengontrolan secara intuitif. Mahasiswa dapat memeriksa efek dari parameter kontrol yang berbeda
terhadap
kinerja
rantai
kontrol
dan
stabilitas
sistem,
selanjutnya, mereka dapat menjadi lebih akrab dengan komponen yang umumnya dipakai dalam aplikasi industri moderen, karena sistem yang seluruhnya terbuat dari komponen kualitas industri . Unit ini memiliki dua versi, di mana elemen kontrol terdiri dari katup pneumatik (CRL) atau katup listrik bermotor (CRL / E).
1. Komposisi Unit CRL terdiri dari: •
Proses rig dengan katup pneumatik dan peralatan listrik
•
Kontrol dan monitoring software CRS
•
Opsional minireg regulator elektronik
•
Opsional MRRP pneumatik mengendalikan dan merekam modul
•
Opsional listrik-kompresor dengan peredam
Unit CRL/E terdiri dari: •
Proses rig dengan katup listrik dan peralatan listrik
•
Kontrol dan monitoring software CRS
•
Opsional MiniReg regulator elektronik
K omponen opsional dijelaskan dalam lembaran data terpisah
2. Deskripsi Tujuan dari proses ini adalah untuk mengontrol tingkat (level) air di dalam tangki dengan adanya gangguan aliran output. Tingkat (level) air yang diperoleh dengan suatu tranduser tekanan, diubah menjadi sinyal listrik dan dialirkan ke peralatan listrik. Tingkat (level) air dikendalikan dengan menyesuaikan jumlah air dimasukkan ke dalam tangki dengan pompa sentrifugal. Di unit CRL hal ini dilakukan dengan cara katup pneumatik dan di unit CRL/E melalui katup listrik bermotor. K ontrol loop tertutup dapat dilakukan dengan cara yang berbeda: Via perangkat lunak, dengan menggunakan program perangkat lunak CRS pada computer (PC) : •
Melalui sistem probe tahan dimasukkan ke dalam tangki
•
Melalui regulator elektronik opsional, MiniReg
•
Melalui regulator pneumatik opsional, MRRP (tidak pada tersedia di CRL/E)
Salah satu tindakan kontrol adalah dari tipe PID (Proporsional Integral Derivatif) atau On-Off, dan dicapai dengan membandingkan sinyal yang sesuai ke tingkat yang sebenarnya dengan sinyal titik setel dipilih oleh pengguna.
Sebagai fungsi kontrol logika, regulator menghasilkan sinyal penggerak yang bekerja pada katup atau dan memodifikasi kuantitas air masuk tangki. Selain itu, komputer (PC) dapat mengontrol gangguan aliran air yang meninggalkan tangki dengan menghasilkan sinyal yang bekerja pada katup solenoid. Peralatan listrik termasuk kontrol untuk komponen listrik utama unit, sebuah AD/DA konversi papan untuk antarmuka dengan komputer (PC) melalui jalur serial RS232, indikator digital untuk menampilkan tingkat air. Perangkat lunak kontrol dan pemantauan, dijalankan melalui MS-Windows, memungkinkan untuk melakukan pengontrolan PID ataupun ON-OFF melalui perangkat lunak. Parameter Kontrol dapat diatur secara independen dan secara real time dan sehingga dapat karakteristik dari set point dan sinyal gangguan. Perangkat lunak ini memungkinkan untuk mengamati proses secara real time dengan menampilkan pada layar diagram jumlah dikendalikan, sinyal pelaksanaan, sinyal set point dan sinyal gangguan sebagai fungsi
waktu. Diagram
ini
dapat
dicetak
setiap
saat,
sedangkan sampel sinyal dan parameter kontrol dapat disimpan dalam sebuah file, dalam format ASCll, atau dicetak. Hal ini juga memungkinkan untuk menggunakan perangkat lunak
hanya
untuk
mengamati
proses,
menggunakan
regulator
eksternal (misalnya MiniReg opsional). Dalam hal ini, adalah mungkin untuk mengirimkan set point ke regulator melalui perangkat lunak.
2.3. Pengendalian level oleh manusia Gambar di bawah ini menunjukkan bagaimana seorang operator mengendalikan level (permukaan zat cair) di sebuah tangki. Air yang masuk ke dalam tangki dipompa dari sebuah sumur, dan air yang keluar dari tangki dipakai untuk keperluan pabrik. Andaikata level di tangki dikehendaki selalu 50% dari ketinggian tangki, maka operator harus selalu menambah atau mengurangi bukaan valve apabila level tidak berada di 50%. Bila level kurang dari 50%, operator harus
menambah flow dengan lebih membuka valve. Sebaliknya, bila level lebih tinggi dari 50%, operator harus mengurangi dengan lebih menutup valve. Pada pengendalian semacam ini, operator harus selalu waspada dan siap untuk membuka dan menutup valve agar level tetap berada pada 50%.
Gambar 1. Pengendalian level oleh manusia Pengendalian seperti diatas disebut pengendalian oleh manusia (manual control). Sistem pengendalian manual masih tetap dipakai pada beberapa aplikasi tertentu. Biasanya proses ini dipakai pada proses-proses yang tidak banyak mengalami perubahan beban (load) atau pada proses yang tidak krisis. Load (beban) di dalam contoh pengendalian di atas adalah flow pemakaian air pada pabrik. Kalau pemakaian air oleh pabrik tidak sering berubah-ubah, operator tidak perlu
terus-menerus
mengamati
level
dan
menambah
atau
mengurangi bukaan valve. Tetapi kalau load selalu berubah-ubah, operator terpaksa harus mengamati
level
dan
segera melakukan
koreksi
terhadap naik
turunnya level. Keteledoran operasi akan menyebabkan air tumpah, atau sebaliknya tangki menjadi kosong. Dari keadaan di atas, dapat dengan mudah dimengerti bahwa dasar utama pemilihan pengendalian manual adalah karena keperluan proses memang memungkinkan
untuk
pengendalian
manual.
pengendalian
manual
pengendalian
otomatis,
tentu
Dari
segi
lebih
karena
ekonomi,
murah
dari
instrumentasi
instrumentasi instrumentasi
yang
dibutuhkan
memang lebih sederhana, namun bukan berarti demi menghemat investasi maka system pengendalian bisa dibuat manual. Pengendalian manual
hanya
dapat
dipakai
kalau
operasi
proses
memang
memungkinkan hal itu. Ada beberapa kebutuhan operasi prosses bahwa pengendalian manual tidak memungkinkan. Contoh paling sederhana dapat kembali diambil dari gambar 2. kalau pemakaian air oleh pabrik berubah-ubah secara terus-menerus, keteledoran operator kemungkinan besar menyebabkan tumpahnya air dan kosongnya tangki. Operator, sebagai manusia biasa sangat mudah dipengaruhi oleh menurunnya konsentrasi kerja, rasa jemu dan keadaan lainnya. Kalau pengendalian operasi proses yang jauh lebih kritis dari contoh diatas mengandalkan manusia sebagai sarana pengendalian, akan bagaimana jadinya. Untuk itu, sistem harus dibuat otomatis. Peran operator dalam sistem pengendalian manual digantikan oleh sebuah alat yang disebut controller. Tugas membuka dan menutupnya valve tidak lagi dikerjakan oleh operator, tetapi atas perintah controller. Untuk
keperluan pengendalian otomatis,
valve
harus dilengkapi
dengan alat yang disebut actuator sehingga unit valve sekarang menjadi suatu unit yang disebut control valve. Semua peralatan pengendalian inilah yang disebut sebagai instrumentasi pengendalian proses.
2.4. Prinsip prinsip pengendalian proses Sistem pengendalian pada gambar 1, operator harus mengamati ketinggian level, kemudian mengevaluasi apakah level yang ada sudah sesuai dengan yang dikehendakinya. Kalau level tak sama dengan yang dikehendakinya, operator harus memperkirakan seberapa banyak valve harus lebih ditutupi atau dibuka. Selanjutnya operator harus benar-benar mengubah bukaan valve sesuai dengan yang diperkirakan tadi.
Dalam mengendalikan proses operator mengerjakan empat langkah berikut, yaitu 1. mengukur 2. membandingkan 3. menghitung 4. mengoreksi . Pada waktu operator mengamati ketinggian level, yang ia kerjakan sebenarnya adalah langkah mengukur proses variabel. Proses variabel pertama kali diperkenalkan disini sebagai besaran parameter proses yang dikendalikan. Pada contoh proses pada gambar 2 , proses variabelnya adalah level. Kemudian operator membandingkan apakah hasil pengukuran tadi sesuai dengan apa yang dikehendakinya. Besar proses
variabel
yang
di
kehendaki
tadi
disebut
set
point
.
penyimpangan antara set point dengan peubah yang dikendalikan disebut error
Error + set point = proses variable
Proses variabel bisa lebih besar atau lebih kecil daripada set point. Oleh karena itu, menentukan ke arah mana dan seberapa besar koreksi bukaan valve perlu dilakukan. Bila
negatif (berarti proses
variabel lebih besar dari set point atau level diperbesar 50%)operator harus mengurangi flow dengan lebih menutup valve. Sebaliknya bila error positif (berarti proses variabel lebih kecil dari set point atau level dibawah 50%). Operator harus menambah flow dengan lebih membuka valve. Seorang operator yang berpengalaman tak akan sembarangan membuka atau menutup valve. Ia juga akan memperkirakan seberapa banyak valve perlu lebih dibuka atau lebih ditutup. Pada tahapan ini operator sebenarnya berada pada langkah menghitung. Langkah berikutnya yang perlu dilakukan untuk operator adalah mengubah bukaan valve sesuai hasil perbandingan dan perhitungan tadi. Langkah terakhir inilah yang disebut langkah mengoreksi.
Keempat langkah yang dilakukan oleh operator tadi, yaitu ; mengukur,
membandingkan,
menghitung
,
dan
mengoreksi
;
seluruhnya dapat dilakukan oleh instrumentasi. Manusia kemudian sama sekali tidak menentukan keempat langkah tadi. Operator hanya menentukan besarnya set point, dan semuanya akan dikerjakan secara otomatis oleh instrumentasi. Sistem pengendalian semacam inilah yang disebut system pengendalian otomatis ( automatic control system ). Keempat tahapan pengendaliannya sepenuhnya dilakukan oleh instrumen. Mata rantai pengendaliannya kemudian disebut mata rantai tertutup, dan sistemnya juga disebut system pengendalian tertutup atau closed loop system.
2.5. Diagram kotak Diagram kotak diciptakan para ilmuwan sebagai alat bantu untuk mempermudah dalam mempelajari ilmu sistem pengendalian. Ada dua macam diagram kotak yang biasa dipakai dalam ilmu sistem pengendalian, yaitu diagram kotak simbolis dan diagram kotak matematis. Di kedua diagram kotak itu, masingmasing elemen yang ada di dalam sistem diwakili oleh sebuah kotak. Pada diagram kotak simbolis, sebuah kotak dibubuhi nama atau simbol-simbol. Pada diagram kotak matematis, setiap kotak dibubuhi fungsi matematis yang merupakan hubungan input dan output elemen. Lihatlah bentuk kedua diagram input dan output tersebut pada gambar 2 dan gambar 3. Bila valve dan tangki (proses) pada gambar 1 digambarkan dalam diagram kotak ; akan diperoleh bentuk diagram sebagai berikut:
Gambar 2. Diagram kotak proses untuk contoh pada gambar 2 Setiap kotakpada gambar 2 mempunyai sebuah input dan outputyang digambarkan dalam bentuk anak panah. Kotak valve mempunyai input bukaan valve (0-100%) dan mempunyai output aliran air masuk ke tangki (juga 0-100%). Kotak berikutnya adalah kotak yang mewakili tangki (proses). Pada contoh dalam gambar 1 kotak ini mewakili tangki dalam bentuk input berupa flow air yang masuk ketangki, output berupa level. Perhatikan pada gambar 2 itu, output kotak pertama merupakan input kotak kedua. Jadi output kotak pertama (flow air masuk ke tangki) juga merupakan input kotak kedua (tangki). Kotak yang lain adalah yang mewakili beban (load). Kotak ini menumjukkan bahwa load juga mempengaruhi
besarnya
proses.
Pada
contoh
ini
load
adalah
banyaknya pemakaian air oleh pabrik. Bila permukaan air bertambah, permukaan tangki akan menurun. Dan bila permukaan air menurun maka permukaan air dalam tangki akan naik. Selain kedua kotak yang telah diterangkan tadi, ada elemen lain dengan tanda lingkaran kecil, yang diberi tanda positif (+) dan negatif (-). Elemen ini disebut summing junction. Elemen ini mewakili fungsi penjumlahan atau pengurangan besan sinyal. Dalam contoh ini tanda positif menyatakan penjumlahan dan level akan bertambah jika aliran air yang masuk kedalam tangki bertambah dan level akan turun jika permukaan air (load) bertanbah. Tanda pada summing junction bisa keduanya positif, negatif, dan bisa juga positif negatif seperti pada gambar 2. Diagram kotak seperti pada gambar 2 inilah yang disebut diagram kotak simbolis. Bila diagram kotak ini digambarkan secara matematis, masing masing kotak akan berisi fungsi matetatis yang menyatakan hubungan input dan output. Fungsi matematis tersebut disebut fungsi transfer. Bentuk matematis sebuah fungsi transfer bisa sederhana misalnya bilangan bulat atau pecahan, bisa juga berbentuk persamaan differensial yang kompleks. Perhatikan sistim tinggi cairan dalam berikut dibawah ini. Sistem ini disebut Single Prosses Capacity karena hanya memiliki satu unit
proses yaitu sistem tinggi cairan dalan tangki. Sistem pengendalian ini juga disebut linier open loap system, karena mempunyai satu unit proses yang dikendalikan secara manual.
Gambar 3. Sistem tinggi cairan dalam tangki Bagaimana bentuk fungsi transfer untuk sistem pengendalian diatas? Dan bagaimana pula blok diagam sistem sistem pengendalian diatas ? Untuk menjawab kedua pertanyaan diatas, adalah sangat penting dibuat dan ditentukan input, output, proses serta hubungan matematisnya. Untuk itu harus dibuat keseimbangan massa cairan pada tangki proses. Pada bab ini kedua pertanyaan diatas akan dijawab dengan menggunakan transformasi laplace seperti berikut ini: Neraca untuk tangki diatas adalah:
Asumsikan harga dimensi adalah konstan. Maka persamaan 1) diatas dapat dituliskan sbb:
Dalam keadaan steady state, persamaan 2) diatas dapat dituliskan sbb:
Tanda s pada persamaan 3) diatas menyatakan kecepatan aliran flida yang masuk dam keluar pada keadaan stedy state.Deviasi keadaan unstedy state dan keadaaan stedy stste dapat didefinisikan sebagai:
Dimana:
Maka persamaan 4) dapat dituliskan sebagai:
Karena aliran fluida bersifat laminer, Q0 mempunyai hubungan linear terhadap H, maka:
Dengan menggabungkan persamaan 5) dan 6) dihasilkan persamaan 7) dibawah ini:
Dimana τ = A.R = tetapan waktu (time konstan atau lag time) A = luas penampang tangki
Dengan transformasi laplace, persamaan 7) dapat digunakan untuk menentukan
bentuk
fungsi
transfer
dan
blok
diagram
sistem
pengendalian di atas. Persamaan 7) berubah menjadi :
Transformasi laplace persamaan 6) menghasilkan :
Dengan menggabungkan persamaan 8) dan 10) dapat persamaan 11) sbb :
Tanda s pada persamaan 11) di atas menyatakan persamaan masih dalam bentuk transformasi laplace dan dapat dirobah ke dalam bentuk fungsi dengan invers tansformasi laplace. Pada persamaan 11) input proses dalam bentuk transformasi laplace adalah Q(s) dan output proses adalah Q0 (s). Dalam ilmu sistem mengendalikan proses, fungsi transfer dinyatakan sbb :
Maka fungsi transfer sistem pengendalian di atas adalah :
Dan blok diagram sistem penngendalian di atas dapat dituliskan sbb :
Perlu ditegaskan bahwa fungsi transfer pada persamaan 13) di atas adalah bentuk fungsi transfer yang umum dan khas bagi single capacity proses, yang dikontrol secara secara manual dan akan berubah tergantung dari input proses yang masuk.
2.6. Jenis peubah pengendali 1. Masukan Masukan pengendali berasal dari peubah yang dikendalikan dan set point (harga peubah yang dikehendaki). Set point ditentukan oleh operator dengan cara memasukkan harga yang diinginkan ke pengendali.
Peubah
yang
dikendalikan
berasal
dari
proses,
misalnya temperatur, tekanan, kecepatan aliran, dan sebagainya. Besaran ini dideteksi oleh sensor, kemudian diubah transduser menjadi besaran arus. Selisih
antara
set
point dan
peubah
yang
dikendalikan
dinamakan galat yang selanjutnya menjadi masukan pengendali. Masukan ini, biasanya, dikonversikan menjadi arus 4-20 mA.
2. Keluaran Apabila alat pengendali menerima masukan berupa galat (E), pengendali akan memberikan respon yang disebut keluaran yang selanjutnya akan mengaktifkan elemen pengendali akhir. Keluaran pengendali selain dinyatakan sebagi besaran arus 4-20 mA juga dapat dinyatakan dalam persen keluaran. Arus 4 mA ekivalen dengan keluaran 0%, sedangkan 20 mA ekivalen dengan 100%.
3. Galat Galat adalah penyimpangan peubah yang dikendalikan dan set point . Pada sistem pengendali galat dinyatakan dalam satuan arus atau persen. Untuk dapat lebih memahami pengertian masingmasing peubah di atas berikut ini diberi beberapa contoh.
2.7. Jenis atau mode pengendali Secara garis besar pengendali dibagi menjadi 2 bagian, yaitu : 1. Pengendali tidak menerus 2. Pengendali menerus Berikut ini dijelaskan masing-masing jenis alat pengendali, serta logika cara kerjanya. 1.
Alat pengendali (on-off) atau tidak menerus Cara kerja pengendali yang paling dasar adalah mode on-off
atau yang sering disebut mode dua posisi. Jenis pengendali on-off ini merupakan contoh dari mode pengendali tidak menerus (diskontinyu). Mode ini paling sederhana, murah dan seringkali bisa dipakai untuk mengendalikan
proses-proses
yang
penyimpangannya
dapat
ditoleransi. Sebagai cotoh adalah pengendali temperatur ruangan dengan memakai AC. Secara matematis pengendali on-off dituliskan.
P
=
100% untuk E < 0
bisa
0% untuk E > 0 Dengan, P = keluaran dan E= galat Dari pernyataan matematis di atas dapat disimpulkan
bahwa
jenis pengendali on-off hanya dapat mengeluarkan keluaran 0 dan 100%. Pemakaian jenis pengendali on-off jarang dijumpai pada industri karena pengendalian dengan menggunakan jenis pengendali ini menghasilkan penyimpangan-penyimpangan yang cukup besar. Pada industri kimia peubah yang dikendalikan, pada umumnya, tidak boleh memiliki galat yang terlalu besar. Pada jenis pengendali on-off untuk memberikan batas rentang maksimum dan minimum saat pengendali bekerja dibatasi daerah netral.
Keluaran
Daerah Netral
(-)
E=0
(+)
Kesalahan
Gambar 4. Daerah netral on-off kendali Pengertian daerah netral dapat dijelaskan sebagai berikut: Misalkan pengendali off pada posisi E = 0 (Gambar 4.5). apabila pengedali off , peubah yang dikendalikan turun ke bawah harga yang diinginkan galat bergerak dari E = 0 menuju daerah E yang bertanda (-). Pada saat tepat mencapai titik yang bertanda (-) pengendali akan on menyebabkan yang dikendalikan mulai naik. Galat berubah dari titik
yang bertanda (-) menuju titik yang bertanda (+). Tepat pada saat E mencapai titik (+) alat pengendali off , demikian seterusnya. Daerah rentang bekerjanya alat mulai titik E(-) sampai E(+) disebut Daerah Netral atau Daerah Diferensial. Makin sempit daerah netral semakin cepat pengendali bekerja dari posisi on ke posisi off, demikian juga sebaliknya.
2.
Mode pengendali menerus Pengendali on-off baru bekerja apabila galatnya telah melewati
rentang daerah netral yang ditentukan. Pengendali jenis ini hanya bekerja pada dua posisi dengan keluaran 0% dan 100%. Pada pengendali menerus keluarannya terus menerus. Setiap menerima masukkan galat, pengendali memberikan keluaran yang bergeser pada rentang 0% sampai 100% sebanding dengan galatnya.
Mode pengendali menerus ada 4 macam, yaitu 1. Mode proposional (P); 2. Mode proposional integral (PI); 3. Mode proposional derivatif (PD); 4. Mode proposional integral derivatif (PID).
1. Mode proposional Keluaran pengendali proposional sebanding dengan galatnya. Bila dituliskan dalam bentuk matematis adalah : P = KcE + Po
Dengan, P
=
keluaran
Po =
keluaran pengendali pada E = 0
Kc =
gain pengendali
E
error (galat)
=
Seringkali istilah gain pengendali dinyatakan dalam bentuk proposional band (Band Width) yang diberikan notasi Pb. Hubungan Pb dan Kc adalah :
Pb =
100 Kc
Harga Pb berkisar = 0 – 500
Pengertian proposional band adalah rentang galat maksimum sebagai masukan pengendali yang dapat menyebabkan pengendali memberikan keluaran pada rentang maksimumnya. Pengertian ini akan lebih mudah difahami dengan contoh 4.6 dibawah ini.
Contoh Suatu pengendali proposional digunakan untuk mengendalikan temperatur pada rentang maksimum 60 sampai 100 F. pengendali diprogram, sehingga keluarannya ekivalen dengan 3 psig (kran terbuka penuh) sampai 15 psig (kran penutup penuh), pada saat temperatur yang dikendalikan berubah berubah dari 71 – 75 F.
Pertanyaan Berapa besarnya gain dan proposional bandnya?
Penyelesaian : o
Pb
=
Gain
=
o
75 F - 71 F o
0
100 F - 60 F
ΔP ΔE
=
100% = 10%
×
15 psig - 3 psig o
(75 − 71) F
=
o
3 psi/ F
Bila proposional band diubah menjadi 75%, berapakah gain dan rentang temperatur yang dikendalikan pada saat keran terbuka dan tertutup penuh.
Penyelesaian ∆T
Gain
=
(Proposional band). (Rentang maksimum)
=
0,75 x 40
=
30 F
=
12 psig o
30 F
= 0,4 psig/oF
Pengertian gain = 0,4psig/F pada contoh soal 4.6 adalah apabila terjadi galat sebesar 1F, keluaran pengendali adalah 0,4 psig.
Proposional band dapat juga dinyatakan dalam satuan %, seperti terlihat pada gambar di bawah ini :
100%
Pb = 50% Pb = 100%
Persen Keluaran p
0
(-)
E=O
(+)
Kesalahan
Gambar 5. Daerah proposional
Bila kita amati gambar 4.4 pada daerah P b = 100% (garis putusputus), berarti setiap 1% error (galat) akan memberikan keluaran pengendali. Bila Pb = 100% kc = 1, harga gain atau kc sendiri ditunjukkan dari tangen arah garis proposional.
2. Mode proposional –integral (PI) Mode
pengendali
ini
mempunyai
hubungan
matematis
sebagai
berikut :
Kc
P = Kc.E +
τ
∫ t
0
E dt + P0
i
Kc
=
gain
τi
=
waktu integral (Integral Action)
Po
=
keluaran pada E = 0
Pada mode PI ditambahkan persamaan : Kc
τ
∫ t
0
E dt
i
Hal ini berarti keluaran pengendali proposional dengan integral galatnya. Untuk melihat respon pengendali jenis PI dapat dilihat pada gambar 4.5. misalnya alat pengendali PI diberi masukan berupa fungsi step (unit step) E = 1 akan diperoleh persamaan : Kc
P(t) = Kc +
τ
t + Po
i
Apabila digambarkan akan memperoleh sebagai berikut
Kc P
τi
Kc Po
≈ I E 0
t
Gambar 6. Respon PI dengan masukkan satuan step Tidak seperti halnya pada mode proposional, pada mode PI, selama pengendali
masih
mendeteksi
adanya
galat,
pengendali
masih
memberikan keluaran mengikuti bentuk integral sampai galatnya = 0 Fungsi alih PI adalah :
P(s) E(s)
= Kc (1 +
1 τi s
)
3. Mode proposional derivative (PD) Mode PD ini bila dinyatakan dalam bentuk matematis sebagai berikut : dE
P
= Kc.E + Kc + τ
Kc
= gain
τd
= waktu derivative, menit
Po
= keluaran pengendali, pada E = 0
d
dt
+ Po
Pada mode PD keluaran pengendali proposional dengan derivatif galatnya yang terlihat dari persamaan : Kc + .τd. dE/dt. Respon pengendali PD apabila memperoleh masukan galat fungsi Ramp E(t) = At dapat dilihat pada gambar 4.6
P
AKcτd
Po
E
0
t
Gambar 7. Respon P-D dengan masukan fungsi ramp Bila kita amati gambar 4.6 respon tiba-tiba berubah sebesar A Kc.τD sebagai akibat dari derivatif kemudian berubah secara linier dengan kecepatan AKc. Fungsi alih PD : P(s) = Kc (1 + τ D s) E(s)
4. Mode proposional integral-derivatif (PID) Mode ini merupakan mode gabungan ketiga jenis pengendali P, I dan D. Persamaan matematisnya adalah : P = Kc.E + Kc τ
dE D
dt
+
Kc
t
∫
τ i
0
E dt + P0
Harga Kc, τD dan τi dapat diubah-ubah dengan knop pada pengendali. Fungsi Alih PID adalah sebagai berikut : P(s) = Kc ( 1 + τ Ds + E(s)
1 τis
)
Tujuan penambahan mode integral dan derivatif Setelah mempelajari bermacam-macam jenis pengendali dan karakteristiknya, sekarang kita coba menganalisa tujuan penambahan mode integral arah derivatif. Gambar 4.7 dapat digunakan melihat perbedaan respon dari keempat macam mode pengendali.
Variable yang dikendalikan 1. Tanpa pengendali 2. proposional 3. proposional integral 4. P-I-D 1 2 3 4
Gambar 8. Respon empat jenis mode alat penggerak Apabila dibayangkan pada proses sesungguhnya misalkan pada proses pengendalian temperatur cairan dalam tangki adalah sebagai berikut. Pada awalnya proses dalam keadaan mantap sesaat apabila ada gangguan misalkan kenaikan temperatur umpan, temperatur dalam tangki naik. Jika proses tersebut tidak dikendalikan, temperatur dalam tangki akan mencapai kondisi mantap yang baru seperti pada kurva 1. dengan penambahan pengendali diharapkan peubah proses yang dikendalikan dapat kembali ke harga semula (set point ). Pemakaian mode proposional tidak dapat menghasilkan galat = 0, karena karekteristik utama proposional adalah masih adanya offset atau galat sisa yang merupakan selisih harga mantap yang baru dan harga mula-mula terlihat pada gambar 4.7 kurva 2. Penambahan
mode
integral
dapat
menghilangkan
offset,
sehingga peubah yang dikendalikan dapat kembali ke harga semula, seperti terlihat pada kurva 3. Kelemahan penambahan mode integral adalah osilasi prosesnya makin banyak. Untuk mengatasi kelemahan
kedua mode P dan PI dapat ditambahkan mode derivatif karena dapat mempercepat respon dan menekan terjadinya osilasi (kurva 4). Pemilihan
ketiga
jenis
alat
ini
tergantung
proses
yang
dikendalikan. Jika keberadaan galat (error) masih diperbolehkan lebih baik tak digunakan mode proposional karena mode paling sederhana dan murah. Tetapi bila offset tidak diperbolehkan, mode PI yang dipilih. Demikian juga, halnya jika diinginkan respon yang mempunyai sedikit osilasi, maka perlu ditambah mode derivatif.
BAB III DATA PENGAMATAN DAN PENGOLAHAN DATA
Data pengamatan pengosongan air dalam tangki
Tabel 3.1 Pengosongan Tangki %I % No. T 1 2 3
Waktu (det)
109. 5 109. 5 105. 1
109. 5 109. 5 105. 3
Ratarata 109. 5 109. 5 105. 4
96
95
95.3
95.4
60
86
85.3
85.1
85.4
6.
50
75
75.1
75.2
75.1
7.
40
65.6
64.9
64.4
64.7
8.
30
55.1
54.9
54
54.5
9.
20
44
44.8
44.9
44.5
10.
10
35.0
35
34.9
34.9
109. 5 109. 5
1.
100
2.
90
3.
80
106
4.
70
5.
1
2
3
Ratarata
0
0
0
0
10.9 4 12.5 5 12.8 8 14,0 4 15.7 4 17.0 4 19.6 7 23.0 5 30.0 4
10.2 1 12.4 7 12.7 6 13.4 8 15.1 9 16.6 5 18.9 5 22.1 5 27.1 6
10.4 9 12.1 6 12.8 6 13.2 0 15.3 5 17.1 3 18.5 5 21.8 0 29.9 6
10.5 4 12.3 9 12,8 2 13.5 7 15.4 2 16.9 4 19.0 5 22.3 3 29.0 5
Waktu Akumulasi 0 10.54 22.03 35.75 49.32 64.74 81.68 100.73 123.06 152.11
GrafikPengosonganTangki 120 100 80 60
L ) % ( l v 40 e 20 0 0
20
40
60
80
100
120
Waktu Akumulasi (detik)
Gambar 3.1 Grafik Pengosongan Tangki
Data pengamatan pengisian air dalam tangki
Tabel 3.2 Pengisian tangki
140
160
%I
Waktu (det)
No.
% T
1
2
3
1.
10
34.8
34.5
34.5
Ratarata 34.6
2.
20
44.1
44.0
44.6
44.3
3.
30
54.9
54.7
54.5
54.7
4.
40
64.9
64.9
64.4
64.6
5.
50
74.9
74.6
74.6
74.6
6.
60
84.9
84.5
84.5
84.6
7.
70
94.8
94.6
94.6
94.7
8.
80
9.
90
10.
100
104. 7 109. 5 109. 5
104. 3 109. 5 109. 5
104. 3 109. 5 109. 5
104. 5 109. 5 109. 5
1
2
3
0 15.4 2 15.4 2 14.4 4 15.1 1 15.0 5 15.0 1 14.2 7 15.7 9 13.8 2
0 16.4 5 14.0 0 14.6 3 15.1 4 15.0 5 14.8 0 14.6 8 15.7 7 14.2 3
0 15.3 9 14.5 1 15.1 0 15.0 4 14.7 5 14.5 6 15.3 2 15.1 0 14.1 4
Ratarata 0 15.7 5 14.5 7 14.7 2 15.0 9 14.9 5 14.7 9 14.8 2 15.5 5 14.0 6
Waktu Akumulasi 0 15.17 30.32 45.04 60.13 75.08 89.87 104.69 120.24 134.3
GrafikPengisianTangki 120 100 80 60
L ) % ( l v 40 e 20 0 0
20
40
60
80
100
Waktu Akumulasi (detik)
gambar 3.2 Grafik Pengisian Tangki
3.1.
Pengolahan Data
1.
Menghitung berat jenis air
120
140
160
2.
Menghitung volume silinder Dik
:
Diameter silinder = 14 cm Tinggi silinder
Dit
:
= 42,5 cm
V silinder
Jawab : = 3,14 . (7 cm)2 . 42,5 cm 6539,05 cm3 3.
Menghitung
dan /dt
/dt
4.
Menghitung waktu untuk pengisian dan pengosongan tangki a. Pengisian tangki
Data hasil praktikum adalah 57,82 detik
b. Pengosongan tangki
Data hasil praktikum adalah 72,78 detik
BAB IV PEMBAHASAN DAN KESIMPULAN 4.1 Pembahasan Pada praktikum ini, kami melakukan percobaan pengendalian level dengan menggunakan CRL (Control Regulation Level), dimana air dalam tangki akan di control levelnya, air di masukkan ke dalam tangki dengan menggunakan pompa sentrifugal yang di atur oleh pneumatic valve yang selanjutnya di kirim ke kolom, apabila terjadi kelebihan level
atau
kekurangan
level
maka
operator
lah
yang
harus
mengontrolnya, hal ini di sebabkan karena praktikum kali ini dilakukan secara manual. Percobaan dilakukan sebanyak 6 kali dengan metode manual dengan ketetapan lower 10% dan upper 100%. Pada saat air mencapai 100% maka kran harus ditutup secara manual oleh operator dan begitu juga pada saat air turun 10% karena praktikum ini secara manual. Waktu yang diperoleh dari upper 100% turun ke lower 10% pada praktikum ini adalah 152,11 detik, sedangkan waktu yang diperlukan dari lower 10% naik ke upper 100%
diperoleh 134,3 detik. Dapat
dilihat bahwa waktu yang di butuhkan untuk mengisi dari 10% ke 100%
lebih
sedikit
ketimbang
waktu
yang
diperlukan
untuk
pengosongan. Perbedaan ini dapat di asumsikan bahwa banyaknya waktu untuk pengosongan karena laju alir pengisian lebih besar daripada laju alir pengosongan. Hal ini didapatkan karena praktikum kali ini adalah secara manual bukan metode on-off.
Setelah dilakukan perhitungan neraca massa total secara teoritis dan hasilnya juga di dapat.
4.2.
Kesimpulan Pengisian air dalam tangki dari level 10% ke 100% diperoleh waktu sebanyak 134,3 detik.
Pengosongan air dalam tangki dari level 100% ke 10% diperoleh waktu sebanyak 152,11 detik
Pengosongan air dalam tangki lebih lama daripada waktu yang di perlukan untuk pengisian air dalam tangki
Perbedaan ini di sebabkan laju alir untuk pengisian lebih besar daripada laju alir pengosongan
Pengaruh ini di dapat karena praktikum yang telah dilakukan secara manual,maka operator lah yang harus mengendalikan level tersebut,dan hasil nya pun kurang efisien
