BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pabrik kimia merupakan susunan/rangkaian berbagai unit pengolahan yang

terintegrasi satu sama lain secara sistematik dan rasional. Tujuan pengoperasian

pabrik kimia secara keseluruhan adalah mengubah (mengkonversi) bahan baku

menjadi produk yang lebih bernilai guna. Dalam pengoperasiannya pabrik akan

selalu mengalami gangguan (disturbance) dari lingkungan eksternal. Selama

beroperasi, pabrik harus terus mempertimbangkan aspek keteknikan, keekonomisan,

dan kondisi sosial agar tidak terlalu signifikan terpengaruh oleh perubahan-

perubahan eksternal tersebut.

Agar proses selalu stabil dibutuhkan instalasi alat-alat pengendalian. Alat-alat

pengendalian dipasang dengan tujuan menjaga keamanan dan keselamatan kerja,

memenuhi spesifikasi produk yang diinginkan, menjaga peralatan proses dapat

berfungsi sesuai yang diinginkan dalam desain, menjaga agar operasi pabrik tetap

ekonomis dan memenuhi persyaratan lingkungan.

Untuk memenuhi persyaratan diatas diperlukan pengawasan (monitoring)

yang terus menerus terhadap operasi pabrik kimia dan intervensi dari luar (external

intervention) untuk mencapai tujuan operasi. Hal ini dapat terlaksana melalui suatu

rangkaian peralatan (alat ukur, kerangan, pengendali, dan komputer) dan intervensi

manusia (plant managers, plants operators) yang secara bersama membentuk control

system. Dalam pengoerasian pabrik diperlukan berbagai prasyarat dan kondisi

operasi tertentu, sehingga diperlukan usaha-usaha pemantauan terhadap kondisi

operasi pabrik dan pengendalian proses supaya kondisi operasinya stabil.

1.2. Tujuan Instruksional Umum

1. Meningkatkan kemampuan mahasiswa dalam mengoperasikan suatu proses

dengan sistem pengendali

2. Mahasiswa akan mampu mengevaluasi proses dengan variasi sistem pengendali

umpan balik atau Feedback Controller (Proporsional (P), Integral (I), Derivatif

(D), atau gabungan PI, PID, atau PD)

3. Membandingkan sistem performansi pengendali umpan balik dengan sistem

pengendali on-off dalam menolak gangguan (disturbance rejection) maupun

melakukan jejak titik set (set point tracking)

1.3. Tujuan Instruksional Khusus

1. Mahasiswa mampu mengoperasikan peralatan proses (tangki dengan

pemanasan) terutama melakukan kontrol tinggi level atau pun suhu cairan

dengan pengendali on off dan umpan balik (Feedback)

2. Mahasiswa mampu menghitung dan mengevaluasi besarnya kesalahan dalam

sistem pengendali umpan balik dan on-off

3. Mahasiswa mampu membandingkan performansi sistem pengendali umpan

balik dan on-off dalam menolak gangguan ataupun melakukan jejak titik set

4. Mahasiswa mampu membandingkan performansi dari alat proses (tangki

dengan pemanasan) pada berbagai nilai konstanta pengendali umpan balik PID

yaitu Kc, Time Integral, dan Time Derivative

1.4. Manfaat Percobaan

1. Mengetahui pengoperasian suatu proses dengan system pengendali.

2. Mengetahui evaluasi proses dengan variasi sistem pengendali umpan balik atau

Feedback Controller (Proporsional (P), Integral (I), Derivatif (D), atau gabungan

PI, PID, atau PD).

3. Mengetahui Perbandingan sistem performansi pengendali umpan balik dengan

sistem pengendali on-off dalam menolak gangguan (disturbance rejection)

maupun melakukan jejak titik set (set point tracking).

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Teori Dasar

Sistem pengendalian proses merupakan faktor yang sangat menentukan dalam

menjamin tingkat keberhasilan proses. Dengan unit pengendali yang kuat maka proses

dapat dijalankan pada kondisi optimalnya dengan cara merejeksi/menolak segala macam

gangguan seperti fluktuasi laju aliran umpan, suhu, aliran pendingin, ataupun gangguan

lain yang tidak terprediksi.

Marlin menyebutkan bahwa pengendalian proses memberikan kontribusi yang

penting dalam safety, perlindungan lingkungan (menekan polusi/emisi bahan berbahaya),

perlindungan peralatan terutama dari over capacity/over heated, operasi pabrik yang lancar,

menjamin kualitas produk, menjaga operasional pabrik pada keuntungan maksimumnya,

dan berguna dalam monitoring dan diagnose proses (Marlin, 1995).

Dalam industrik kita mengenal setidaknya ada dua jenis sistem pengendali yang

bekerja secara konvensional yaitu sistem pengendali umpan balik (Feedback Control) dan

sistem pengendali umpan depan (Feedforward Control). Sistem pengendali umpan balik

akan bekerja berdasarkan tingkat kesalahan yang terjadi pada produk yang

dimonitor/dikontrol besarnya. Artinya jika variable yang dikontrol nilainya (di-set)

mengalami perubahan (error) maka sistem pengendali ini akan bekerja memanipulasi input

pasangannya (mengubah besarnya) sehingga nilai variabel yang dikontrol sebagai output

akan sama dengan nilai yang diset (ditetapkan besarnya), seperti pada gambar 1

(Stephanopoulos, 1988; Coughannowr, 1991).

Gambar 1: Sistem pengendali umpan balik

Dalam feedforward controller, sistem yang terjadi adalah sebaliknya dimana

gangguan yang ada diukur lebih dulu, kemudian baru nilai inputnya diubah berdasarkan

tingkat gangguan yang ada, sehingga harga output yang menjadi tujuan tidak mengalami

perubahan atau pengaruh gangguan terhadap nilai output dapat dikurangi atau dihilangkan

(gambar 2).

Controller

Device

Proses

sensor

Comparator

Set Point Error

Input Output

Gambar 2: Sistem pengendali Feedforward

2.2. Perangkat Unit Pengendali

Sistem pengendali memerlukan berbagai macam perangkat baik lunak maupun

keras. Perangkat lunak berkaitan dengan model proses, korelasi input dan output, sistem

manipulasi input, serta program-program lainnya berkaitan dengan pengolahan data

karakteristik proses. Sedangkan perangkat keras melibatkan peralatan fisik yang

diperlukan, antara lain terdiri dari (Stephanopoulos, 1984):

1. Proses: adalah suatu sistem yang diamati/dikontrol. Proses ini bisa terdiri dari

proses kimia seperti reaksi kimia (jenis reaksi (hidrolisa, penyabunan,

polimerisasi), fase reaksi (reaksi gas-gas, gas-padar, katalitis dan non katalitis)),

maupun fisika (pemanasan, pengisian tangki, pemisahan, ekstraksi, destilasi,

pengeringan).

Dalam sistem pengendalian konvensional seperti feedback dan feedforward ini

proses sebagai suatu sistem harus diidentifikasi dahulu karakteristik prosesnya

melalui permodelan matematika dalam sistem dinamik tervalidasi, diuji

karakteristikanya berdasarkan pengaruh input terukur terhadap output proses, serta

hitung parameter proses yang penting dan digunakan untuk mendesain sistem

pengendalinya seperti time delay, time constant, dan process gain.

2. Alat ukur/sensor: Adalah perangkat yang digunakan untuk mengukur input maupun

output proses, seperti rotameter dan flow meter untuk mengukur laju alir,

thermocouple untuk mengukur suhu, dan gas chromatography untuk mengukur

komposisi. Alat ukur lainnya sepeti uji kelembaban udara dalam gas maupun

padatan. Prinsipnya adalah apa yang terbaca dalam sensor ini harus dapat

ditransmisikan, sehingga dapat dibaca oleh sistem pengolah data/pengendali.

Karena sensor ini memberi sinyal maka keberhasilan suatu sistem pengendali juga

tergantung pada reliabilitas alat ini.

3. Transducers: supaya hasil pengukuran bisa dibaca oleh pengolah data, maka

pengukuran ini harus diubah ke besaran fisik seperti tegangan listrik, tekanan

udara. Transducer adalah alat yang digunakan untuk melakukan konversi ini.

4. Transmission lines: Digunakan untuk mengirimkan sinyal dari alat ukur ke unit

pengendali. Dulu model transmisi ini hanya menggunakan model penuematis

(udara/cairan bertekanan), tapi dengan perkembangan model analog digital dan

sistem komputer, sinyal yang dibawa sudah dalam bentuk aliran/sinyal listrik. Jika

Proses

Controller

Input

Gangguan

Output

terukur

Output

output sinyal listrik tidak mencukupi misalkan hanya beberapa milivolt untuk

temperatur tertentu, maka digunakan amplifier, untuk menguatkan sinyalnya,

sehingga dapat terdeteksi.

5. Controller/Pengendali: Adalah element perangkat keras (hardware), yang memiliki

intelegensi. Dia dapat menerima informasi dari alat ukur, dan menentukan tindakan

yang harus dilakukan untuk mengendalikan/mempertahankan nilai output. Dulu

unit ini hanya dapat melakukan aksi-aksi kontrol sederaha, namun sekarang dengan

digital komputer maka kontrol yang rumit dapat dilakukan dengan perangkat ini.

6. The final control elemen (elemen pengendali akhir). Alat ini akan menerima sinyal

dari controller dan melakukan aksi sesuai dengan perintah. Sebagai contoh input

cairan semakin besar, maka untuk mempertahankan tinggi cairan dalam tangki,

valve pengeluaran harus dibuka lebih lebar. Maka unit pengendali ini akan

membuka valve sehingga tinggi level cairan dapat sesuai dengan nilai set pointnya.

Beberapa unit pengendali akhir adalah control valve, relay-switches untuk on-off

controller, variabel-speed pump, dan variable-speed compressor.

7. Recording elements; Adalah perangkat yang men-display proses yang terjadi.

Biasanya variabel yang direcord adalah variabel penting yang dikontrol (output),

serta variabel yang digunakan untuk pengendali (manipulated variable). Variabel

seperti komposisi, suhu, tinggi cairan, laju alir dan lain sebagainya dapat di-display

dalam layar monitor, dan datanya dapat disimpan.

2.3. Jenis Pengendali

Dalam materi ini disajikan dua jenis sistem pengendali yaitu on-off yang sangat

sederhana, dan pengendali feedback (umpan balik). Sistem pengendali on-off bekerja pada

rentang kesalahan (galat) tertentu. Misalkan suhu kita diset pada 100oC. Thermoregulator

akan bekerja berdasarkan ketelitian dan kecepatan dalam mengukur suhu proses (sebagai

contoh +/- 5). Jika suhu awal proses 60oC, maka pemanas akan bekerja pada sistem proses,

sehingga suhu tercapai 105oC. Pada kondisi 105

oC pemanas akan mati (off), jika suhu

proses turun mencapai 95oC, pemanas akan menyala lagi. Dan seterusnya sehingga suhu

real proses (95-105oC). Sebagian alat-alat dalam laboratorium di Jurusan Teknik Kimia

Undip bekerja dengan model on-off controller ini. Tentu saja besar galat total selama

proses akan menjadi besar.

A. Sistem Pengendali Feedback

Sistem pengendali feedback seperti dalam gambar 1 secara sistematis memiliki

tahapan aksi seperti berikut ini:

1. Sensor akan memonitor dan mengukur output yang dikontrol (contoh suhu,

level, komposisi, dan sebagainya).

2. Hasil pengukuran ini kemudian dibandingkan nilainya dengan nilai set point

yang diinginkan/ditetapkan dalam komparator. Dari komparasi ini

menghasilkan galat/error, dimana besarnya error ini akan dikirimkan ke unit

pengendali akhir (controller)

3. Controller akan mengubah besarnya input, sehingga nilai output akan

dipertahankan sesuai dengan set point-nya.

Tergantung dari jenis feedback, dan besarnya konstanta kontroller yang digunakan, hasil

manipulasi ini ternyata memberikan performansi yang berbeda, terutama apabila diukur

dari berapa lama nilai output dapat kembali ke kondisi set point, dan berapa nilai total

error-nya selama ada gangguan. Bahkan jika kontrolnya terlalu lemah, bisa saja nilai set

point tidak dapat dipertahankan, dan proses akan gagal dalam menolak pengaruh

gangguan. Sehingga produk yang dihasilkan tidak dapat dipakai.

B. Jenis Pengendali Feedback

Jenis-jenis pengendali feedback yang umum dipakai adalah:

1. Proporsional: Controller ini akan memanipulasi input proporsional dengan besarnya

error (galat) yaitu:

Dimana MV(t) adalah nilai input variable yang dimanipulasi, Kc (Konstanta

Proporsional Controller), E adalah galat output, dan MV(s) adalah nilai input

variable pada kondisi steady-statenya (atau nilai MV pada saat output pada kondisi

set point-nya). Makin besar harga Kc, maka makin besar response yang

ditimbulkan.

2. Proporsional Integral: Controller ini akan memanipulasi input berkaitan dengan

besarnya error (galat) mengikuti persamaan:

Dimana MV(t) adalah nilai input variable yang dimanipulasi, Kc (Konstanta

Proporsional Controller), E adalah galat output, MV(s) adalah nilai input variable

pada kondisi steady-statenya (atau nilai MV pada saat output pada kondisi set

point-nya), t adalah waktu proses, dan TI adalah constant of times integral dari

kontroler ini. TI ini biasanya bervariasi antara 0.1 sampai 50 menit. Makin besar

harga TI maka, makin lambat response yang dihasilkan. Namun adanya TI ini akan

menghilangkan harga off-set

3. Proporsional Integral Derivative: Controller ini akan memanipulasi input berkaitan

dengan besarnya error (galat) mengikuti persamaan:

Dimana MV(t) adalah nilai input variable yang dimanipulasi, Kc (Konstanta

Proporsional Controller), E adalah galat output, MV(s) adalah nilai input variable

pada kondisi steady-statenya (atau nilai MV pada saat output pada kondisi set

point-nya), t adalah waktu proses, dan TI adalah constant of times integral dari

kontroler ini. Sedangkan TD adalah waktu derivative. Fungsi dari waktu/time

derivative ini adalah untuk mempercepat response terhadap gangguan.

BAB III

PELAKSANAAN PERCOBAAN

3.1. Bahan dan Alat Yang Digunakan

1. Bahan Yang Digunakan

- Air

2. Alat Yang Digunakan

Gambar 3 : Rangkaian Alat Praktikum

- CPU

- Monitor

- Electric Heater

- PID Controller

- Thermocouple

- Reservoir

- Pompa

- Tangki Proses

- Level Sensor

3.2. Variabel Operasi

Reservoir

Tangki

Proses

Electric

Heater

PID

controller

thermocouple

Level sensor

Monitor

CPU

Power set

Air

masuk

Air

keluar

Pompa

Set Point

a. Variabel Tetap

- Kc

- Time Integral

- Time Derivative

b. Variabel Berubah

- Suhu Cairan

3.3. Respon Uji Hasil

Kesalahan dalam sistem pengendali umpan balik dan on-off

3.4. Prosedur Percobaan

a. Disturbance Rejection (penolakan gangguan)

Materi ini mempelajari pengaruh jenis pengendali on-off dan feedback, serta

besarnya konstanta controller dalam merejeksi gangguan pada level dan temperatur

kontrol (Djaeni, 1999). Sebagai obyek percobaan adalah temperature atau level

controller. Cara yang dilakukan adalah sebagai berikut:

1. Jalankan alat sesuai dengan petunjuk operasi (lampiran),

2. Pilih menu PID dan masukkan harga Konstanta Controller dan nilai set point.

3. Operasikan alat sampai nilai set point tercapai.

4. Berikan gangguan pada sistem dengan mengubah valve yang keluar atau

menambah cairan pada tangki dengan volume tertentu (misalkan 3 liter)

5. Amati response yang terjadi dan tunggu sampai kondisi set point tercapai

6. Simpan data percobaan, dan hitung sum of square error-(SSE) nya dalam

MSExcell

7. Ulangi percobaan untuk berbagai variasi nilai konstanta controller (Kc, TI, dan

TD)

8. Bandingkan performansi pengendali/controller dalam menolak gangguan

(disturance rejection) berdasarkan nilai SSE

9. Ulangi percobaan dengan memilih menu on-off, dan jalankan alat serta hitung

SSE-nya

10. Lakukan juga percobaan untuk pengendali temperature

b. Set Point Tracking (Jejak Titik Set)

Materi ini mempelajari pengaruh jenis pengendali on-off dan feedback, serta

besarnya konstanta controller dalam melakukan pengubahan jejak titik set atau set

point tracking (Djaeni, 1999). Artinya pada suatu saat/alasan tertentu nilai set point

dari suatu alat dapat mengalami perubahan. Unit kontrol akan bekerja meresponse

perubahan ini, sehingga set point segera dapat berubah sesuai dengan

keinginan/tuntutan proses/operator. Cara yang dilakukan adalah sebagai berikut:

1. Jalankan alat dijalankan sesuai dengan petunjuk operasi (lampiran), pilih menu

PID

2. Masukkan harga konstanta pengendalinya (sesuai point 2 section 5.1) dan nilai

set point 1.

3. Operasikan alat sampai nilai set point 1 tercapai

4. Tunggu sampai 1-2 menit kondisi steady state dengan set point 1 berjalan

5. Lakukan pengubahan nilai set point 1 ke set point 2

6. Amati perubahan response yang terjadi dan tunggu sampai set point 2 tercapai

7. Biarkan proses stedy-state selama 1-2 menit

8. Simpan data percobaan, dan hitung sum of square error (SSE) nya dalam

MSExcell

9. Ulangi percobaan untuk berbagai variasi nilai konstanta controller (Kc, TI, dan

TD sesuai point 7 section 5.1)

10. Bandingkan performansi pengendali/controller berdasarkan nilai SSE

11. Lakukan juga percobaan jejak titik set seperti pada gambar berikut untuk

berbagai nilai konstanta kontroller-nya (Kc, TI, dan TD) sesuai point 7

12. Lakukan percobaan untuk on-off controller, dan bandingkan response serta nilai

SSE

13. Lakukan juga percobaan untuk pengendali temperature

Gambar 4: Percobaan jejak titik set atau set point tracking (Djaeni, 1999)

Set point 1

Set point 2

Set point 3

Set point 4

Waktu 1 Waktu 2 Waktu 3

DAFTAR PUSTAKA

Coughannowr, D.R. 1991. Process System Analysis and Control, 2nd

Edition. McGraw-

Hill, Inc., USA

Djaeni, M. 1999. Modelling and Control of Fuel Cell System. Master Thesis, UTM,

Malaysia

Hutagulung, Michael. 2008. Pengendalian Proses (Bagian 1). Dalam

http://majarimagazine.com/2008/02/pengendalian-proses-1/. Diakses pada 28 Maret

2013 pukul 05.35 WIB.

Marlin, T.E. 1995. Process Control: Designing Process and Control Systems for Dynamic

Performance. McGraw-Hill, Inc., USA

Stephanopoulos, G. 1984. Chemical Process Control: An Introduction to Theory and

Practice. Prentice-Hall, New Jersey, USA