BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sistem proses di pabrik hampir dapat dipastikan merupakan sistem kompleks. Hal demikian menyebabkan perilaku sistem memiliki orde tinggi dan waktu mati besar yang berakibat tanggapan variabel proses menjadi lambat. Belum lagi adanya gangguan yang sukar diatasi dengan pengendalian umpan balik. Persoalan makin rumit disebabkan adanya kenyataan bahwa sistem proses memiliki banyak masukan dan banyak keluaran. Menghadapi persoalan demikian ternyata sistem pengendalian sederhana kurang dapat diterapkan dengan baik. Bahkan terhadap sistem yang memiliki banyak masukan dan banyak keluaran tidak dapat dipakai pengendali PID (proportional-integral-derivative) biasa. Konfigurasi pengendalaian umpan balik melibatkan satu proses variabel terukur (output) dan satu variabel manifulated dalam satu kalang tunggal (single loop). Ada konfigurasi pengendali yang menggunakan lebih dari satu pengukuran variabel dan satu manipulasi atau satu pengukuran dan beberapa variabel manipulated yang kemudian muncul pengendalian dengan multi loop (kalang jamak) seperti pengendalian cascade, umpan maju, selektif dan split range, rasio, adaptif serta pengendalian berbasis computer. 1.2 Rumusan Masalah Adapun rumusan pada makalah ini sebagai berikut: 1. Apakah yang dimaksud dengan pengendali cascade? 2. Bagaimana aplikasi dari sistem pengendali cascade 1? 3. Bagaimana system kerja dari pengendali cascade?
1.3 Tujuan Adapun tujuan dalam pembuatan makalah ini yaitu untuk mengetahui pengertian pengendali cascade dan aplikasi pengendali cascade pada kehidupan sehari-hari. Selain itu makalah ini dibuat untuk memenuhi tugas kelompok sistem kontrol distribusi. 1.4 Manfaat 1
Adapun manfaat dari makalah ini bagi penulis adalah menambah pengetahuan mengenai pengendali cascade. Manfaat yang didapatkan bagi pembaca yaitu dapat dijadikan referensi dan bahan dalam membuat makalah mengenai hal yang berkaitan dengan pengendali cascade. 1.5 Batasan Masalah Adapun batasan masalah pada makalah ini sebagai berikut: 1. Penulis hanya menjelaskan sistem dari pengendali cascade secara umum. 2. Penulis hanya menjelaskan aplikasi dari pengendali cascade 1. 3. Tidak menjelaskan bagaimana pengendali cascade dibuat/dibentuk. 4. Tidak menjelaskan perbedaan sistem pengendali cascade dengan sistem pengendali yang lain.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Sistem Pengendali Sistem kontrol terdistribusi (DCS) pada dasarnya digunakan untuk suatu sistem pengendalian proses produksi yang bersifat kontinu. Artinya, proses produksi ini berlangsung secara terus-menerus dalam waktu yang lama atau setidaknya suatu proses yang berlangsung secara batch dimana proses akan berhenti jika proses produksi dalam batch berakhir. 2.1.1 Sistem kendali loop tertutup. 2
Sistem kendali loop tertutup (closed-loop kontrol sistem) adalah sitem kendali yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi pengendaliannya. Dengan kata lain sistem kendali loop tertutup adalah sistem kendali berumpan-balik. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan-balik (yang dapat berupa sinyal keluaran atau suatu fungsi sinyal keluaran dan turunannya), diumpankan ke elemen kendali untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan. Hal ini berarti bahwa pemakaian aksi umpanbalik pada loop tertutup bertujuan untuk memperkecil kesalahan sistem. Diagram yang menyatakan hubungan antara masukan dan keluaran dari suatu sistem loop tertutup ditunjukkan pada Gambar 2.1 (a). Sementara untuk memahami konsep sistem kendali loop tertutup, perhatikan sistem pengaturan tegangan keluaran generator dengan penggerak mula turbin uap sebagaimana ditujukkan pada Gambar 2.1 (b). Melalui observasi mata terhadap voltmeter yang terpasang pada terminal keluaran
generator,
operator
dengan
cepat
mengetahui
penyimpangan
(kesalahan) jarum penunjuk tegangan dari tegangan kerja yang diharapkan dan secepat itu pulalah ia harus segera bertindak untuk mengatasi pada kedudukan normalnya. Hasil operator harus berusaha membuat penyimpangan atau kesalahan jarum penunjuk voltmeter sekecil mungkin bahkan nol, dengan memutar handle katup pengatur catu uap ke kanan atau ke kiri tergantung arah simpangan jarum penunjuk yang sesekali lebih besar atau lebih kecil dari tegangan yang ditetapkan. Mengingat balikan keluaran (tegangan generator) selalu dibandingkan dengan masukan acuan dan aksi pengendalian terjadi melalui aksi operator, maka sistem ini disebut sistem kendali manual berumpanbalik (manual feedback control sistem) atau sistem kendali manual loop tertutup (manual closed-loop kontrol sistem).
3
Gambar 2.1 (a) Sistem Kendali berumpan-balik dari sebuah PLTU dan (b) diagram blok sistem loop.
Seandainya elemen kendali automatik digunakan untuk menggantikan operator manusia seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2, sistem kendali tersebut menjadi automatik, yang biasa disebut sistem kendali automatik berumpan-balik atau sistem kendali automatik loop tertutup. Posisi katup pengatur laju aliran uap (elemen kendali) automatik akan mengatur tekanan aliran uap guna memperoleh putaran turbin dan poros generator sehingga didapat tegangan keluaran yang diharapkan. Tegangan keluaran generator yang sebenarnya diukur dengan menggunakan voltmeter untuk dibandingkan dengan tegangan yang telah ditetapkan (sinyal referensi) sehingga dihasilkan sinyal kesalahan penggerak. Sinyal kesalahan yang dihasilkan elemen kendali automatik diperkuat, dan keluaran elemen kendali dikirim ke motor kecil mengubah posisi katup aliran catu uap pengatur putaran turbin dan poros generator untuk mengoreksi tegangan keluran yang sebenarnya. Jika tidak terdapat penyimpangan atau kesalahan tegangan, maka tidak terjadi perubahan posisi katup pengatur aliran catu uap. Sistem kendali manual berumpan-balik dan sistem kendali automatik berumpan-balik tersebut di atas rnerniliki prinsip kerja yang sama. Garis pandang rnata operator analog dengan detektor kesalahan, otaknya analog dengan elernen kendali autornatik dan tangannya analog dengan aktuator.
4
Gambar 2.2 Pengaturan tegangan sederhana.
Pengendalian suatu sistem yang kompleks dengan operator manusia sungguh tidak efektif, karena terdapat beberapa timbal-balik antara beberapa variabel. Kita ketahui bahwa, dalam sistem yang sederhanapun sistem kendali automatik dapat menghilangkan setiap kesalahan operasi yang disebabakan oleh manusia. Dengan kata lain bila memerlukan pengendalian presisi tinggi, pengendalian sistem harus automatik. Beberapa contoh antara lain semua sistem servomekanisme, sistem pengendali proses, pemanas air automatik, almari es, sistem pemanas ruangan automatik dengan termostatik, dan sebagainya. 2.1.2 Sistem kendali loop terbuka. Sistem kendali loop terbuka (open-loop kontrol sistem) adalah sistem kendali
yang
pengendaliannya.
sinyal Dalam
keluarannya hal
ini
tidak sinyal
berpengaruh keluaran
tidak
terhadap
aksi
diukur
atau
diumpanbalikan untuk dibandingkan dengan sinyal masukannya. Gambar 2.3 menunjukkan hubungan masukan-keluaran suatu sistem kendali loop terbuka. Sebuah contoh praktis adalah mesin cuci (washing machine). Sejak perendaman, pencucian dan pembilasan pada mesin cuci ini tidak mengukur sinyal keluaran, misalnya kebersihan pakaian yang dicuci. Contoh lain yaitu pengendalian atau pengaturan lampu lalu-lintas yang operasinya juga berdasarkan basis waktu. Pada sistem ini tidak memperhitungkan perubahan arus lalu-lintas yang terjadi pada setiap persimpangan jalan. Tepatnya adalah kendaraan yang dapat lewat saat lampu hijau menyala tidak harus sarna dengan banyaknya kendaraan yang masuk atau antri pada ruas jalan yang bersangkutan, karena dibatasi oleh waktu nyala lampu yang sudah ditetapkan.
5
Gambar 2.3 Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka
Jadi pada sistem kendali loop terbuka, keluaran tidak dibandingkan dengan masukan acuannya. Oleh sebab itu, untuk setiap masukan acuan terdapat suatu kondisi operasi yang tetap. Perlu diketahui bahwa sistem kendali loop terbuka harus dikalibrasi dengan hati-hati, agar ketelitian sistem tetap terjaga dan berfungsi dengan baik. Dengan adanya gangguan (disturbances), sistem kendali loop terbuka tidak dapat bekerja seperti yang diharapkan. Kendali loop terbuka dapat digunakan dalam praktek hanya jika hubungan masukan dan keluaran diketahui dan jika tidak terdapat gangguan internal maupun gangguan eksternal. Dengan demikian jelas bahwa sistem semacam ini bukan sistem kendali berumpan-balik. Demikian pula bahwa setiap sistem kendali yang bekerja berdasar basis waktu adalah sistem loop terbuka. 2.2 Pengendali Cascade Pengendalian umpan balik secara umum digunakan untuk mengatasi perubahan variabel proses akibat pengaruh gangguan yang masuk. Tetapi, pengendalian umpan balik hanya memberi tanggapan setelah terjadi perubahan variabel proses terukur. Padahal gangguan sudah terlanjur masuk dan sebelum berpengaruh pada variabel proses dapat berakibat fatal pada sistem proses. Jika gangguan dapat diredam oleh pengendali umpan balik lain (pengendali sekunder) sebelum masuk ke dalam sistem proses maka gangguan dapat mudah ditangani secara efisien dan tanggapan sistem menjadi lebih cepat. Kontrol cascade atau kontrol bertingkat adalah sistem pengendalian yang dapat dilakukan oleh sistem DCS dimana hal ini diperlukan pada suatu loop kontrol yang membutuhkan satu sistem pengontrolan yang bertingkat. Pengendalian cascade (cascade control) diperlukan pada sistem yang memiliki tanggapan variable (proses) sangat lambat dan sistem yang memiliki gangguan atau perubahan beban cukup besar
6
sehingga mudah mengacaukan atau bahkan merusak sistem peralatan proses. Dengan demikian akan diperoleh pengendalian yang halus, akurat, dan cepat sehingga keuntungan pengendalian cascade adalah: 1
Meredam gangguan sebelum berpengaruh pada variabel proses
2
Menambah keamanan operasi
3
Memperluas pengendalian (memperbaiki linearitas)
4
Menambah akurasi pengendalian
5
Mempercepat tanggapan sistem pengendalian (memperbaiki dinamika sistem)
6
Respon keluaran dari single control tidak sesuai dengan yang diharapkan.
7
Terdapat penambahan variabel sekunder di dalam pengendalian plant.
Sedang alasan tidak digunakannya pengendalian bertingkat (cascade control) adalah: 1.
Biaya atau rugi-rugi pengukuran variable sekunder.
2.
Keruwetan pada pengendaliannya. Pengendalian cascade memerlukan dua pengendali. Satu pengendali bertindak
sebagai induk (master control, primary control atau outer loop) dan yang lain sebagai hamba (slave control, secondary control, atau inner loop) yang mendapat signal input remote dari master loop. Hal penting di sini, tanggapan loop dalam (inner loop) harus lebih cepat paling tidak tiga kali loop luar (outer loop) tetapi biasanya 10 sampai 20 kalinya. Dengan kata lain konstanta waktu loop sekunder harus jauh lebih kecil dibanding loop primer. Berikut ini adalah contoh blok diagram suatu sistem control bertingkat dimana terdapat primary control sebagai pengontrol utama dan secondary control sebagai pengendali kedua.
7
Gambar 2.4 Gambar system control cascade 1 dan 2
8
BAB III PEMBAHASAN Ciri khas sistem pengendalian
ccascade (bertingkat) adalah adanya
manipulated variable (variabel yang dimanipulasi) sebuah pengendali yang menjadi set point dari pengendali lain. Diagram blok pengendalian bertingkat dapat dilihat pada gambar 3.1 dibawah ini.
Gambar 3.1 Diagram blok sistem pengendalian bertingkat (cascade).
Dari Gambar 3.1 terlihat bahwa ada dua jalur umpan balik pada sistem pengendalian bertingkat (cascade control), sehingga terbentuk dua mata rantai pengendalian (kalang). Mata rantai atau kalang bagian luar (outer loop) disebut primary loop atau master, dan mata rantai atau kalang bagian dalam (inner loop) disebut secondary loop atau slave. Master atau primary loop mengendalikan proses variabel primer (proses suhu fluida). Sedangkan slave atau secondary loop mengendalikan proses variabel sekunder (aliran uap). 3.1 Aplikasi Beberapa contoh aplikasi alat yang menggunakan pengendali cascade adalah heat exchanger dan Pengendalian suhu reactor. Contoh: Pengendalian suhu reactor Pengendalian suhu dalam reaktor dengan memakai air sebagai medium pendingin. Suhu reaktor dikendalikan dengan memanipulasi laju alir air. Di sini terdapat gangguan, yang bila tidak diperhatikan bisa menjadi masalah serius, yaitu suhu. Begitu terjadi perubahan, pengendali suhu tidak segera merasakan perubahan, sampai reaktor benar-benar berubah. Perubahan suhu jaket dapat diatasi bila terhadap
9
laju alir juga dilakukan pengendalian. Dengan demikian terdapat dua pengendali. Pertama, pengendali suhu reaktor (TC-1) sebagai pengendali induk (master controller atau primary controller). Kedua, pengendali suhu jaket (TC-2) sebagai pengendali hamba (slave controller atau secondary controller). Suhu jaket dikendalikan dengan mengatur laju alir air. Jika suhu air masuk jaket berubah, suhu jaket berubah meskipun laju alirnya tetap. Perubahan suhu jaket menunjukkan perubahan gangguan.
Setpoint Suhu Reaktor Air Pendingin Keluar
Setpoint Suhu Jaket
Produk Air Pendingin Masuk
Gambar 3.2 Diagram Instrumentasi Pengendalian Cascade pada Reaktor
Keterangan: TT-1: Transmitter Suhu Reaktor TT-2: Transmitter Suhu Jaket TC-1: Pengendali Suhu Reaktor TC-2: Pengendali Suhu Jaket
10
Suhu Reaktor + Suhu Jaket
Laju Alir
+
Gambar 3.3 Diagram Blok Pengendalian Cascade pada Reaktor
Beberapa bagian penting pada implementasi pengendalian cascade. 1 Setpoint Loop dalam (sekunder) harus lebih cepat paling tidak tiga kali loop luar (primer) Jaket 2 Suhu Pengendalian loop dalam (sekunder) tidak perlu akurat, yang penting memiliki tanggapan cepat terhadap gangguan atau setpoint. Oleh sebab itu pengendali prporsional (P) biasanya mencukupi. 3
Dalam beberapa hal, jika loop dalam (sekunder) tidak dapat mengikuti setpoint dalam waktu yang lama diperlukan reset feedback untuk penjejakan keluaran (output tracking) semacam anti-reset windup.
4
Pengendali Primer
Jaket SistemTransmitter pengendalian cascade akan menaikkan frekuensi alami dan memperkecil
konstanta waktu sistem. Keduanya merupakan keuntungan sistem ini. Tetapi keuntungan utama adalah kemampuan mengurangi pengaruh gangguan. 5
Pengendalian cascade dapat menyempurnakan kinerja sistem pengendalian umpan balik secara dramatic, jika dirancang dan diterapkan dengan benar.
11
Setpoin Suhu R
BAB IV PENUTUP 4.1 Kesimpulan Berdasarkan pembahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Kontrol ccascade atau control bertingkat adalah sistem pengendalian yang dapat dilakukan oleh sistem DCS dimana hal ini diperlukan pada suatu loop kontrol yang membutuhkan satu sistem pengontrolan yang bertingkat.
2. Pengendalian cascade diperlukan pada sistem yang memiliki tanggapan variabel proses sangat lambat dan sistem memiliki gangguan atau perubahan beban yang cukup besar sehingga mudah atau bahkan merusak sistem peralatan proses.
3. Pada pengendali cascade memerlukan dua pengendali yaitu master control dan slave control. 4. Contoh aplikasi alat yang menggunakan pengendali cascade 1 adalah heat exchanger dan Pengendalian suhu reactor.
12
