Praktikum Uop 2 - Laporan Akhir Flow Control - Kelompok 6r

UNIVERSITAS INDONESIA

PRAKTIKUM UNIT OPERASI TEKNIK KIMIA 2 FLOWRATE CONTROL

KELOMPOK 6 R ANGGOTA KELOMPOK:

ASTRINI PRADYASTI AFDHAL HANAFI PANGIASTIKA PUTRI WULANDARI RAYHAN HAFIDZ I.

(1306446484) (1306370511) (1306370682) (1306409362)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA MEI, 2016 DAFTAR PUSTAKA BAB 1 PENDAHULUAN...................................................................................................3

1.1 Latar Belakang...............................................................................................3 1.2 Tujuan.............................................................................................................3 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA...............................................................................5 2.1 Konsep Dasar Pengendalian...........................................................................5 2.2 Objektif Sistem Kontrol Otomatis…………………………………………..6 2.3 Sistem Kontrol…………………...………………………..…………….…..7 2.4 Klasifikasi Kebutuhan Sistem Kontrol …………………..……………..…..8 2.5 Komponen Sistem Kontrol …………………..………………..……..……..8 2.6 Pengontrol …………………..………………..……………………………11 2.7 Kestabilan Sistem…………..…………………..………………..…...……14 2.8 Tuning Pengontrol Berumpan Balik dengan Metode Ziegler-Nicol………15 2.9 Diagram……………………………………………………………………16 2.10 Model Dinamik…………………………………………………………...17 BAB 3 METODE PERCOBAAN..........................................................................18 3.1 Diagram Alir Percobaan Flow Control.........................................................18 3.2 Alat Dan Bahan............................................................................................19 3.3 Prosedur Percobaan......................................................................................22 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN..................................................................27 4.1 Pengolahan Data dan Hasil Percobaan.........................................................27 4.1.1 Persiapan Percobaan..............................................................................27 4.1.2 Percobaan 2: Karakteristik Sistem yang Dikontrol...............................29 4.1.3 Percobaan 3: Karakteristik Sistem Pengontrol......................................30 4.1.4 Percobaan 4: Metode Pengaturan Optimum..........................................31 4.2 Analisis.........................................................................................................33 4.2.1 Percobaan 1...........................................................................................32 4.2.2 Percobaan 2...........................................................................................33 4.2.3 Percobaan 3...........................................................................................34 4.2.4 Percobaan 4...........................................................................................34 BAB 5 KESIMPULAN..........................................................................................36 DAFTAR PUSTAKA............................................................................................37

BAB 1

2

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Seorang process engineer merupakan orang yang bertanggung jawab atas operasi dari suatu proses kimia. Semakin besar proses ini dan/atau semakin kompleks, maka aturan dalam proses automatisasinya menjadi lebih penting. Ketika memperhatikan sebuah proses kimia pada sebuah pabrik atau laboratorium, misalnya aliran yang macet antara vessel ke vessel, cairan yang menggelembung dan mendidih dan semua kunci pengukuran berubah terus menerus, terkadangan dengan fluktuasi yang kecil dan kadangan dengan respon yang besar. Kondisi demikian mengindikasikan bahwa proses tersebut adalah dinamis. Kata dinamis tersebut menunjukan bahwa proses tersebut membutuhkan proses kontrol. Dalam pabrik kimia, peralatan yang ditangani tidak sedikit, mencapai puluhan bahkan ratusan peralatan yang kondisi operasinya harus dijaga agar optimum. Oleh karena itu, pembelajaran sistem control sangat diperlukan, sehingga disaat terjadi perubahan kondisi operasi dan gangguan dari Lingkungan, dapat segera teratasi, tanpa harus melibatkan operator. Sehingga keadaan dalam pabrik, dapat cepat diatasi dan keamanan operasi tetap terjaga. Salah satu sistem pengendalian adalah pengendalian laju alir. Pada praktikum ini akan dilakukan beberapa percobaan untuk menguji kestabilan dari sistem pengendalian laju alir. Selain itu, akan dilihat bagaimana perilaku dari laju alir ketika diberikan beberapa gangguan hingga akhirnya akan digunakan untuk menentukan suatu keadaan pengendalian yang optimum. 1.2 Tujuan Tujuan dari percobaan ini adalah: 1. Mengamati karakteristik pada pengoperasian secara manual (Pengubahan Bukaan Valve) dan pengoperasian secara otomatis (Pengubahan Laju Alir). 2. Mengamati dan menghitung karakteristik step response yang dikontrol dengan pengesetan 2 set point sebagai masukan. 3. Mencari harga optimum dengan metode Ziegler-Nichols yang didasarkan pada osilasi response yang dihasilkan karena Perubahan Kc pada kondisi

3

Ti Maks dan Td Min, lalu memasukann konstanta-konstanta PID dari controller sehingga pengontrolannya bisa optimum. 4. Mengamati dan mencatat perubahan harga yang dikontrol (laju alir) terhadap perubahan variabel pengontrol (valve).

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

4

2.1 Pengendalian Sistem kontrol sangat diperlukan dalam setiap proses. Flowrate control merupakan salah satu penerapan dari sistem kontrol. Agar proses berjalan sesuai dengan target yang ditentukan, proses harus dikontrol secara otomatis. Target tersebut dapat berupa keselamatan, kualitas produk, proses berjalan sesuai dengan kualitas lingkungan, proses berlangsung sesuai dengan batasan-batasan operasinya dan proses yang ekonomis. Jenis pengontrol yang dipakai adalah pengontrol PID (Proportional Integral Derivative). PID memiliki karakteristik yang paling baik, namun memiliki harga yang mahal. Offset dihilangkan dengan aksi integral, sedangkan overshoot dan waktu osilasi diturunkan dengan aksi derivative. Karakteristik proses dilakukan dengan metode Ziegler-Nichols. Metode ini merupakan karakterisasi proses dengan ultimate gain dan ultimate period. Metode lainnya menggunakan model orde satu atau orde dua yang sederhana dengan dead time. Sistem pengaturan dalam percobaan ini terdiri dari flow meter, orifice flow transmitter, recorder, controller, control valve, pompa air dan reservoir air. Dengan menggunakan pompa, air yang terdapat pada reservoir dialirkan ke flow meter, orifice dan control valve lalu mengalir kembali ke reservoir. Penentuan laju alir dengan menggunakan orifice pada dasarnya dapat diganti dengan suatu differential pressure yang nilainya sebanding dengan laju alir pangkat dua. Nilai differential pressure dapat dideteksi dengan menggunakan differential pressure transmitter. Nilai ini diubah oleh root extractor menjadi sinyal listrik. Kemudian, sinya-sinyal ini diteruskan ke PID controller untuk mengatur nilai kontrol (sehingga dapat mengatur laju aliran). Sistem kontrol otomatis terdiri dari suatu sistem yang akan dikontrol dan mempunyai kemampuan untuk menstabilkan diri, sehingga hasil pengontrolannya berada pada kondisi stabil yang perlu dihasilkan terlebih dahulu, baru kemudian dapat dilakukan perubahan atas karakteristik “statis” dan karakteristik “dinamis”. 2.2 Objektif Sistem Kontrol Otomatis Sebuah pabrik kimia adalah susunan unit-unit proses (reaktor, pompa, kolom destilasi, absorber, evaporator, tangki dan lain-lain) yang terintegrasi satu sama lain secara sistematik dan rasional. Objektif keseluruhan pabrik tersebut adalah

5

untuk mengubah bahan baku tertentu (input feed back) menjadi produk yang diinginkan dengan menggunakan sumber daya energi yang tersedia, dengan cara yang sangat ekonomis. Selama operasi suatu pabrik, harus terpenuhi beberapa kebutuhan yang ditentukan oleh pendesainnya dan kondisi teknik, ekonomi dan sosial yang umum terutama dengan adanya pengaruh-pengaruh luar atau gangguan yang sangat menantang. Dalam melakukan studi, penting untuk diketahui bahwa proses yang berlangsung di industri kimia berlangsung secara dinamik, yakni variabel-variabel yang menentukan terjadinya proses-proses itu berubah terhadap waktu. Agar proses tersebut berjalan sesuai dengan target-target yang ditentukan, proses tersebut harus dikontrol secara otomatis. Target –target dari proses itu adalah: a. Terjaminnya keselamatan bagi buruh dan peralatan yang ada b. Terjaganya kualitas produk c. Proses berlangsung sesuai dengan batasan-batasan operasinya. Berbagai jenis peralatan yang digunakan dalam sebuah pabrik kimia memiliki batasan (constraint) yang inheren untuk operasi peralatan tersebut. Batasan-batasan tersebut seharusnya terpenuhi di seluruh operasi sebuah pabrik. Contohnya pompa harus menjadi net positive suction head tertentu, tangki seharusnya tidak overflow atau tidak menjadi kering, kolom distilasi seharusnya tidak terjadi banjir (flood), suhu pada sebuah reaktor katalitik seharusnya tidak melebihi batas atasnya sehingga katalis menjadi rusak d. Ekonomis. Operasi sebuah pabrik harus sesuai dengan kondisi pasar, yakni ketersediaan bahan baku dan permintaan produk akhirnya. Oleh karena itu, dalam konsumsi bahan baku, energi, modal, dan tenaga kerja harus seekonomis mungkin. Hal ini membutuhkan pengontrolan kondisi operasi pada tingkat yang optimum sehingga terjadi biaya operasi yang minimum, keuntungan yang maksimum dan sebagainya. Agar studi proses berhasil dengan baik, diperlukan pemodelan (modelling), yakni dengan membuat suatu persamaan diferensial fungsi waktu (dinamik). Untuk dapat melakukan pemodelan, diperlukan penguasaan akan prinsip-prinsip rekayasa proses (prinsip-prinsip termodinamika, aliran fluida, perpindahan panas, proses separasi, proses reaksi dan lain-lain) dan matematik. Model yang sudah dibangun selanjutnya dibuat simulasi komputer.

6

2.3 Sistem Kontrol Ada dua jenis sistem kontrol, yaitu: A. Sistem Kontrol Loop Tertutup (Closed Loop Control System) Sistem tertutup ini menurut jenisnya terbagi menjadi: a. Sistem kontrol berumpan balik (Feedback Control System) b. Sistem kontrol interferensial (Interferential Control System) c. Sistem kontrol berumpan maju (Feed Forward Control System)

Gambar 2.1 Diagram Blok Sistem Loop Tertutup

Contoh dari sistem kontrol loop tertutup dalam rumah tangga di antaranya: AC, kulkas, setrika otomatis, pompa otomatis dan lain-lain. B.

Sistem Kontrol Loop Terbuka (Open Loop Control System)

Sistem kontrol loop terbuka mempunyai beberapa kelebihan, di antaranya: a. b. c. d.

Konstruksinya sederhana dan perawatannya yang mudah Lebih murah Tidak ada persoalan kestabilan Cocok untuk keluaran yang sukar diukur atau tidak ekonomis (contoh: untuk mengukur kualitas keluaran pemanggang roti).

Gambar 2.2 Diagram Blok Sistem Loop Terbuka

Sistem ini memiliki beberapa kekurangan antara lain: a. Gangguan dan perubahan kalibrasi b. Untuk menjaga kualitas yang diinginkan perlu kalibrasi ulang dari waktu ke waktu. 2.4 Klasifikasi Kebutuhan Sistem Kontrol Secara umum, ada tiga klasifikasi kebutuhan sistem kontrol, yaitu: a. Menekan pengaruh gangguan (disturbance/upset) eksternal b. Memastikan kestabilan suatu proses kimia

7

c.

Optimasi performance suatu proses kimia 2.5 Komponen Sistem Kontrol

Komponen-komponen dasar sistem pengontrolan adalah sebagai berikut: a. Proses: alat yang digunakan dalam memproses percobaan flowrate control b. Sensor: elemen primer (primary element), yaitu alat yang menghasilkan fenomena mekanik, listrik atau sejenisnya yang berhubungan dengan variabel proses yang diukur. Contoh: suhu (termokopel atau resistance thermometer), laju alir (venturimeter), dan komposisi (kromatografi gas) c. Transducer: alat yang berfungsi untuk mengubah sinyal d. Transmitter: alat yang berfungsi untuk mengubah fenomena yang dihasilkan oleh sensor ke dalam sinyal yang ditransmisikan, disebut juga elemen sekunder. Untuk menggambarkan perilaku sensor/transmitter digunakan gain of sensor transmitter, yaitu rasio antara span keluaran dan span masukan. Gain terbagi menjadi dua jenis:



Gain konstan Contoh: sensor/transmitter tekanan elektronik yang memiliki range 0-200 psig dengan sinyal keluaran 4-20 mA.



Gain sebagai fungsi Contoh: tekanan diferensial yang digunakan untuk mengukur tekanan diferensial (h) yang melalui orifice.

Ada tiga hal penting dalam sensor atau transmitter: 

Range of the instrument: harga yang rendah dan tinggi



Span of the instrument: beda antara harga tinggi dan rendah



Zero of the instrument: harga range yang rendah

e. Controller f. Controller valve Control valve merupakan elemen akhir kontrol yang umum. Bekerja sebagai pembatasan yang berubah-ubah (variabel restriction) dalam pipa proses. Aada 2 jenis kontrol valve yang berdasarkan supply udara, yaitu:



Fail-open (FO) atau air to close (AC)

8

Jika posisi awal katup terbuka atau dengan kata lain tidak ada supply udara (fail), maka katup terbuka (open). Untuk menutupnya (close) diperlukan



supply udara (air). Fail-close (FC) atau air to open (AO) Jika posisi awal katup tertutup, atau dengan kata lain tidak ada supply udara (fail) maka katup tertutup (close). Untuk membukanya (open) diperlukan supply udara (air). Agar mencapai pengontrolan yang baik, loop kontrol seharusnya

mempunyai “personalitas tetap”. Ini berarti seluruh proses (didefinisikan sebagai kombinasi dari sensor, transmitter, unit proses, valve) seharusnya mempunyai gain, konstanta waktu, dan dead time sekonstan mungkin. Sistem ini mempunyai “personalitas” tetap sehingga disebut sistem linear. Sifat alamiah kebanyakan proses adalah nonlinear, maka sensor, transmitter dan unit proses juga nonlinear. Karakteristik aliran valve adalah hubungan antara aliran-aliran dan posisi valve yang divariasikan dari 0 - 100%. Ada dua tinjauan yang dapat digunakan untuk mengetahui karakteristik dari aliran control valve, yaitu : 

Karakteristik aliran inheren (inherent flow characteristic), yaitu berhubungan dengan pressure drop yang melewati katup adalah tetap.



Karakteristik aliran terpasang (installed flow characteristic), yaitu karakteristik yang diobservasi saat katup berada dalam berbagai pressure drop dan perubahan lain dalam sistem.



Ada tiga kurva karakteristik aliran inheren yang umum. Bentuk kurva diperoleh dengan kontur permukaan sumbat katup kemudian kedudukan (seat) katup. Ketiga kurva karakteristik itu adalah:



Karakteristik aliran linear, yaitu aliran secara langsung proporsional dengan jumlah lintasan katup (valve travel) atau posisi katup. Lintasan katup 50%,



aliran yang melalui katup adalah 50% dari aliran maksimum. Karakteristik aliran persentasi sama, yaitu aliran sangat kecil saat memulai posisi katup, tapi terbuka mendekati posisi buka penuh aliran naik (range



ability besar). Karakteristik aliran bukaan cepat (quick opening), yaitu aliran sangat besar pada posisi katup rendah (range ability kecil). 9

g. Recorder Komponen-komponen di atas melakukan tiga operasi dasar yang harus ada setiap sistem kontrol. Operasi-operasi itu adalah:  Measurement (M) atau pengukuran, yakni mengukur variabel yang dikontrol 

dengan mengkombinasikan sensor dan transmitter. Decision (D) atau keputusan, didasarkan pada pengukuran. Pengontrol harus memutuskan apa yang harus dilakukan untuk menjaga variabel tersebut pada



harga yang diinginkan. Action (A) atau aksi sebagai hasil dari keputusan pengontrol, biasanya dilakukan oleh elemen kontrol akhir.

Gambar 2.3 Komponen Kontroler, Elemen Kontrol Akhir, Proses, Sensor dan Transmitter

2.6 Pengontrol Percobaan flowrate control dilakukan dengan menggunakan model dinamik umum untuk sistem lup tertutup. Model ini dapat digambarkan sebagai diagram balok berikut:

10

Gambar 2.4 Diagaram Blok Percobaan

Pada model lup tertutup terdapat tiga jenis kontroler yaitu, Proporsional, Integral dan Derivatif.

Gambar 2.5 Model Loop Tertutup dengan Kontroler PID

Algoritma Kontrol PID

[

t

c (t )=c 0+ K c e ( t ) +

de ( t ) 1 e (t ) dt+ τ D ∫ τI 0 dt

]

dengan e ( t )= y sp− y s ( t ) Fungsi Transfer Kontroler PID C (s ) 1 Gc ( s ) = =K c 1+ +τ s τIs D E ( s)

[

]

A. Proporsional (P) Karakteristiknya adalah: 

Overshot tinggi



Waktu penetapan besar



Periode osilasi sedang



Adanya offset/drop/steady state error, yaitu beda antara set point dan kontrl point (harga kontrolled variable pada kesatimbangan baru). Ofset terjadi karena aksi kontrol proporsional dengan eror



Gain: Kc. sangat mempengaruhi error, makin besar K c makin kecil offsetnya, meski ada harga Kc maksimum



Istilah lain gain: propotional band (PB) = 100/Kc.  Kc yang sama dengan PB yang kecil atau tipis 11



PB: error yang dibutuhkan untuk menghasilkan keluaran tambahan dari kontroler ke kontrol valve

B. Proporsional Integral (PI) Karakteristiknya adalah: 

Aksi integral bukan untuk mengembalikan ke error nol, tapi menjaga pada harga yang muncul disepanjang waktu, sehingga ada output yang cukup untuk membuka kontrol valve



Tidak ada offset



Respon lebih lambat, karena error tidak dapat dihilangkan dengan cepat



Harga overshot paling tinggi



Dipakai bila kelemahan diatas toleransi sementara offset tidak



Disebut pula reset action = reset contoller



Gain:

dengan τ adalah waktu reset

C. Proporsional Derivatif Karakteristiknya adalah: 

Disebut juga anticipatory/rate control



Aksi kontrol didasarkan pada mode derivatif yang terjadi hanya saat error berubah



Efeknya mirip dengan proporsional dengan gain yang tinggi



Respon sangat cepat.



Overshoot sangat rendah



Ada offset tapi lebih kecil.



Gain:

D. Proporsional Integral Derivatif

12

Karakteristiknya adalah: 

Paling baik tapi paling mahal



Mengkompromikan

antara

keuntungan

dan

kerugian

kontroler diatas. 

Offset dihilangkan dengan aksi integral, sedangkan aksi derivatif menurunkan overshoot dan waktu osilasi



Digunakan pada sistem yang agak lamban



Gain: bentuk asal:

dengan lag

dan bentuk aktual

dengan α = 0.05-0.1

Gambar 2.6 Perbandingan Berbagai Jenis Kontroler

2.7 Kestabilan Sistem Sebuah sistem dikatakan tidak stabil jika respom terhadap suatu masukan menghasilkan osilasi yang keras atau bergetar pada suatu amplitudo/harga tertentu.

Sebaliknya, suatu sistem disebut stabil jika semua masukan yang

terbatas (bounded) ke sistem menghasilkan keluaran yang terbatas juga.. Ketidakstabilan merupakan suatu keadaan yang tidak menguntungkan bagi suatu 13

sistem lingkar tertutup, sedangkan pada suatu sistem lingkar terbuka harus stabil. Input tidak memberikan pengaruh terhadap kestabilan suatu sistem, sehingga jika sistem tersebut tetap stabil ketika diberikan input. Untuk menentukan sistem bersifat stabil atau tidak terdapat beberapa cara yang dapat digunakan seperti: 1. Persamaan karakteristik: menggunakan fungsi alih sebuah elem atau sistem (fungsi karakteristik) 2. Kriteria Routh: metode aljabar untuk menentukan kestabilan, menunjukkan adanya akar-akar yang tidak stabil beserta jumlahnya tetapi tidak menentukan nilai atau cara untuk mencegah ketidakstabilan 3. Substitusi Langsung 4. Root Locus 5. Bode diagram (frekuensi) D(s) SP(s)

E(s) + -

Gd(s)

MV(s) GC(s)

CV(s) Gv(s)

GP(s)

+ +

CVm(s) GS(s)

Gambar 2.7 Blok Diaram Model Sistem Berumpan Balik Loop Tertutup

Respon set point:

Respon disturbansi:

Penyebut atau yang disebut juga persamaan karakteristik ini menentukan stabilitas sistem berumpan-balik lup tertutup. Loop kontrol berumpan balik stabil ketika

14

semua akar persamaan karakteristiknya bilangan real negatif atau bilangan kompleks dengan bagian realnya negatif. 2.8 Tuning Pengontrol Berumpan Balik dengan Metode Ziegler-Nicols Tuning adalah prosedur penyetelan parameter pengontrol berumpan balik untuk mendapatkan respon sistem loop tertutup yang diinginkan. Metode ZieglerNichols adalah metode tuning PID yang dapat dilakukan secara otomatis tanpa memodelkan sistem. Selain itu metode ini adalah metode yang mengkarakterisasi proses dengan menggunakan ultimate gain (Ku) dan ultimate period (Pu). Parameter ulitimate didapatkan dengan mengaplikasikan kontroler P untuk mendapatkan osilasi dan menghitung periode osilasi yang dihasilkan dan gain dari kontroler P tersebut. Prosedurnya adalah sebagai berikut: 1. Mematikan fungsi integral dan derivatif sehingga didapatkan kontroler P. 2. Meningkatkan Kc hingga osilasi didapatkan untuk perubahan setpoint yang kecil. 3. Ku adalah gain kontroler P yang dihasilkan dari osilasi 4. Pu adalah periode osilasi 5. Menghitung kontroler menggunakan Tabel 2.1. Tabel 2.1 Pengaturan PID Metode Ziegler-Nichols Metode Ziegler-Nichols (PRC) Controller Type

Kc

Ti

Td

Proportional

(1/Kp)(θ/τ)^-1

--

--

Proportional Integral

(0,9/Kp)(θ/τ)^-1

3,33θ

--

Proportional Integral Derivative

(1,2/Kp)(θ/τ)^-1

2θ

5θ

2.9 Diagram

15

Gambar 2.7. BFD

Gambar 2.8. PFD

16

Gambar 2.9. P&ID

2.10 Model Dinamik

Gambar 2.10. Model Dinamik

BAB 3 METODE PERCOBAAN 3.1 Diagram Alir Percobaan Flow Control Memperhatikan model plant Flow Rate dengan seksama

Mengisi reservoir air sampai ketinggian sekitar 80%

Menjalankan kompresor udara

Menset kontroler pada posisi manual dan membuka penuh control valve

Membuka penuh katup penutup 3 dan 5 serta katup jarum 2 dan menutup katup lain

Menset tekanan udara sampai 1,4 kg/cm2g

Menjalankan pompa

Menghilangkan udara yang masuk ke transmitter dengan mengatur katup A dan A’

YA Menutup perlahanMengembalikan Mengatur orifice transmitter lahan katup 3 sampai kedudukan katup 3 sehingga recorder menunjukkan gelembung tidak seperti semula data terlihat lagiyang sama dengan flowmeter

Masih terdapat gelembung udara?

TIDAK Mengatur katup jarum dan katup pengatur sehingga 17recorder Apakah recorder data menunjukkan menunjukkan 500 yang sama dengan L/jam flowmeter?

TIDAK

YA Mengoperasikan controller

3.2 Alat Dan Bahan

Gambar 3. 1 Flow Chart Percobaan

Adapun alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan Flow Control adalah : Alat : 1. Tangki air Berfungsi sebagai reservoir untuk fluida proses. Agar tidak terjadi kekurangan fluida yang dapat menyebabkan tidak optimalnya pengambilan data, dan kerusakan alat.

Gambar 3. 2 Tangki Air

18

2. Pompa Berfungsi sebagai penggerak fluida didalam proses agar dapat melewati orifice dan kembali ke reservoir

Gambar 3. 3 Pompa

3. Penumatic Flow Controller + Actuator Valve Berfungsi sebagai alat pengendalian dalam proses ini. Dapat diatur kriteria pengendaliannya baik Kc, Ti, dan Td.

Gambar 3. 4 Control Valve

4. Kompresor Udara Berfungsi sebagai penggerak valve yang menggunakan sistem pneumatic. Apabila dibutuhkan pengubahan kondisi valve, maka compressor akan menyuplai udara untuk membuka/menutup valve.

19

Gambar 3. 5 Kompresor Udara

5. Controller Berfungsi sebagai instrument yang memudahkan operator untuk menyesuaikan karakterisitik valve. Dapat mengubah SV, dan variasi MV.

Gambar 3. 6 Controller

Block Flow Diagram

20

Gambar 3. 7 Block Flow Diagram Proses

Pada proses yang ingin diatur kali ini adalah flowrate dengan mengubah-ubah valve. Sistem ini menggunakan jenis kontroler reverse, yaitu mengubah variable yang berada sebelum proses. 3.3 Prosedur Percobaan Flow Chart Langkah Percobaan 1. Variasi Pengontrolan Otomatis dan Manual a. Operasi Manual (Pengubahan MV)

Mengatur Controller ke Mode Manual

Menguba h MV

Mencatat PV dan SV (saat stabil PV=SV)

Gambar 3. 8 Flow Chart Operasi Manual

b. Operasi Otomatis (Pengubahan SV)

21

M e n g a tu r C o n tro lle r ke M o d e A u to

Ke s ta b ila n p ro s e s dapat d ilih a t s a a t PV m e n d e ka ti S V a ta u sam a

M engubah SV

M e n c a ta t PV dan M V (s a a t s ta b il PV= SV)

Gambar 3. 9 Flow Chart Operasi Otomatis

2. Variasi SV untuk mendapatkan nilai MV dan PV

Mengatur Controller ke Mode Auto

Mengubah SV ke 400L/h

Kestabilan proses dapat dilihat saat PV mendekati SV atau sama

Mencatat PV dan MV (saat stabil PV=SV)

Kembali memvariasik an SV (450, 500, 550 L/h)

Gambar 3. 10 Flow Chart Variasi SV

3. Melihat Response MV dan PV terhadap step input. Mengatur Controller ke Mode Auto

Aktifkan alat pencatat grafik

Mengubah SV ke 400L/h

Tunggu hingga stabil

Turunkan kembali ke 400 L/h

Ambil Data sheet Recorder untuk dianalisis

Tunggu hingga stabil

Naikan SV ke 550 L/h

Gambar 3. 11 Flow Chart Respon MV

4. Tuning PID dengan metode Zieger Nichlos

22

Mengatur Controller ke Mode Auto

Aktifkan alat pencatat grafik

Memastikan nilai Ti, dan Td pada kondisi Maksimum dan Minimum

Memvariasikan nilai Kp, agar didapatkan Osilasi

Ubah Kp hingga didapatkan Osilasi yang menghasilkan amplitudo Positif dan Negatif yang sama

Mencatat Periode Osilasi

Melakukan tuning dengan Zieger Nichlos dari data Kp yang didapatkan

MengubahKp dengan konversi 1/100 agar didapat nilai Ku

Gambar 3. 12 Flow Chart Tuning PID

Untuk lebih lengkapnya, berikut adalah langkah prosedur percobaan dari percobaan pertama hingga percobaan keempat : Percobaan Pertama a. Menset petunjuk ke mode ”M” sebelum meng”on” kan sember listrik untuk instrumentasi. b. Mengoperasikan secara manual. i. Menset harga SV dengan menekan knop SV atau dengan menggunakan ”data entry unit”.

23

ii. Menekan knop MV sehingga nilai PV akan sama dengan nilai SV (nilai MV tidak dapat diset pada ”data entry unit”). iii. Untuk memperoleh nilai MV yang tepat, menekan knop yang terdapat didepan panel, maka nilai SV dapat dipakai untuk membaca nilai MV (nilai MV dapat dibaca pula pada ”data entry unit”). iv. Dari langkah prosedur diatas kemudian kita mendapatkan nilai MV untuk setiap set point. Set variable (set point) dibuat bervariasi yaitu 400, 450, dan 500 a. Mengoperasikan secara otomatis. i. Jika set petunjuk pada posisi A, lampu A akan menyala. ii. Menset SV sebagaimana yang dilakukan pada operasi manual. iii. Menset nilai PID controler dengan menggunakan ”data entry unit” sehingga karakteristik proses ini dapatdiketahui. iv. Jika nilai PID tidak diketahui maka set P dan I pada nilai maksimumnya dan D pada nol, atau biarkan sebagaimana adanya sebelum di set ke automatik. v. Menset penunjuk kontroler ke posisi A. vi. Dari langkah prosedur diatas kemudian kita mendapatkan nilai MV untuk setiap set point. Set variable (set point) dibuat bervariasi yaitu 400, 450, dan 500

Percobaan Kedua (Karakteristik Sistem yang Dikontrol) a. b. c.

Melakukan persiapan sebagaimana dijelaskan sebelumnya. Menset controller ke posisi otomatis. Menset controller pada 400, 450, 500, dan 550 L/jam. Mencatat keluaran (output) kontrol pada pengontrol setelah stabil - dalam % (MV)

Percobaan Ketiga (Karakteristik Sistem Pengontrol) 1. PercobaanStep Response denganpengesetansebagaimasukan a. Melakukan persiapan sebagaimana dijelaskan sebelumnya. b. Menset controller ke posisi otomatis – A.

24

c. Menset controller pada 400 L/jam. d. Setelah gambar stabil, mengubah ”setting controller” secara tiba-tiba. (Menaikkan ke 550 dan setelah stabil menurunkan lagi ke 400 L/jam). e. Mencatat laju aliran yang dihasilkan melalui recorder. f. Membahas mengenai: Atenuasi, Overshoot, dan Setting Time. g. Sebelum mengubah setting sebagaimana disebut dalam ’d’, mengubah terlebih dahulu harga PID controller dan melakukan prosedur yang sama seperti di atas.

Percobaan Keempat (Metode Pengaturan Optimum) Metode pengaturan optimum ini menggunakan metode Ziegler-Nichols-Ultimate Sensitivity. Metode ini digunakan untuk menentukan harga pengaturan optimum didasarkan pada cycling data sistem. a. Menset ”Integral Time” ke harga maksimum (Ti) b. Menset “Derivative Time” ke harga minimum (Td) c. Secara perlahan-lahan mengurangi “Proportional Band” sampai mulai terjadi cycling/osilasi yang ditunjukkan pada recorder. Harga ini dibagikan terhadap angka 100 maka hasilnya disebut sebagai sensitifitas optimum (Ku) d. Menghitung juga periode cycling (Pu) dengan menggunakan stop watch e. Konstanta PID dapat dihitung dengan menggunakan tabel di bawah ini : Tabel 3. 1 Konstanta PID

Kp

Ti

Td

P action

0,5 Ku

-

-

PI action

0,45 Ku

0,83 Pu

-

PID action

0,6 Ku

0,5 Pu

0,125 Pu

f. Mencatat nilai-nilai P, Ti, dan Td yang dihasilkan pada percobaan ini.

25

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengolahan Data dan Hasil Percobaan 4.1.1 Persiapan Percobaan Pada percobaan 1, dihitung presentase kesalahan dari sistem dengan rumus: ¿ PV −SV ∨ ¿ x 100 SV %Kesalahan=¿

Tabel 4. 2 Data Percobaan 1

SV (L/jam) 400 450

Kontrol Manual MV PV (L/jam) % Kesalahan (%) 402 76,3 0,5 449 66,7 0,2

Kontrol Otomatis MV PV (L/jam) % Kesalahan (%) 401,8 76,6 0,45 456 66,6 1,3

26

500

503

53,8

0,6

503

54,8

0,6

550 500 503

450

450 449 400 402

350 (L/jam) 250

SV PV

150 50 76.3

-50

66.7

53.8

MV (%)

Gambar 4. 13 Grafik Hubungan MV dengan SV dan PV untuk Sistem Manual

550 450 350

400401.8

450 456

500 503

250 150 (L/jam)

50 SV

-50

PV

MV (%)

Gambar 4. 14 Grafik Hubungan MV dengan SV dan PV untuk Sistem Otomatis

27

600 500 400 L/jam)

300

456 450 449

402 401.8 400

503 503 500 PV vs MV Kontrol Manual

200

PV vs MV Kontrol Otomatis

100

SV

0 76.3

66.7

53.8

MV (%)

Gambar 4. 15 Grafik Perbandingan PV manual dan PV otomatis terhadap SV

1.4 1.2 1 0.8 % Kesalahan 0.6

% Kesalahan Kontrol Manual

0.4

% Kesalahan Kontrol Otomatis

0.2 0 400

450

500

SV (L/jam)

Gambar 4. 16 Grafik Perbandingan %Kesalahan manual dan %Kesalahan otomatis terhadap SV

28

4.1.2 Percobaan 2: Karakteristik Sistem yang Dikontrol 600 500 400 300 200 100 0

SV, PV (L/Jam)

SV (L/Jam) PV (L/Jam)

MV (%)

Gambar 4. 17 Grafik Hubungan MV dengan SV dan PV 0.05 0.04 0.03 % Error

0.02 0.01 0 350

400

450

500

550

600

SV (L/Jam)

Gambar 4. 18 Grafik %Kesalahan Pada Percobaan 2

Selanjutnya menghitung nilai K menggunakan persamaan; K=

−∆ Input −∆ SV = ∆ Output ∆ MV

Tabel 4. 3 Perhitungan K Percobaan 2

SV (L/jam)

Kontrol Otomatis PV MV % (L/Jam) (%) Error

K

29

400

418.1

75.6

450

442.1

68.6

450 500 500

442.1 482.5 482.5

68.6 60.8 60.8

550

532.5

43.5

0.0452 5 0.0175 56 0.0175 56 0.035 0.035 0.0318 18

7.1428 57 6.4102 56 2.8901 73

4.1.3 Percobaan 3: Karakteristik Sistem Pengontrol Data Percobaan SV 400 (awal) 550 400 (akhir)

PV 400 548,1 400

MV 4030 7670 4030

I 6 6 6

D 0 0 0

P 76 76 76

Grafik

Gambar 4.25. Grafik Percobaan Karakteristik Sistem Pengontrol

Δ = 150 δ = 100 Kp = Δ/δ = 1,5 t63% = 13,5 s t28% = 5,4 s

30

 = 1.5 (t63% - t28%) = 12,15 s θ = t63% -  = 1,35 s Persamaan yang digunakan yaitu −θs

K e 1,5 e−1.35 s G ( s )= p = τs+1 12,15 s +1

Lalu beberapa nilai variabel yang sudah didapatkan akan dihitung kembali menggunakan persamaan tertentu untuk bisa sebagai parameter PID dari PRC. Berikut tabel yang dihasilkan. Tabel 4. 4 Nilai Parameter P, I, D dari Hasil Perhitungan

Controller P PI PID

Kc 6 5,4 7,25

Ti 4,5 2,7

Td 6,75

4.1.4 Percobaan 4: Metode Pengaturan Optimum

Gambar 4.26. Grafik Percobaan Metode Pengaturan Optimum

Grafik di samping diperoleh saat nilai P terus diturunkan dari nilai P = 76 hingga P = 27, yaitu saat osilasi grafik mulai stabil. Menghitung nilai Ku : K u=

P 100

31

K u=

27 =0,27 100

Nilai Pu yang diperoleh adalah 2,01 s, yaitu waktu yang diperlukan untuk membentuk satu gelombang saat osilasi. Osilasi grafik mulai stabil pada saat P = 27 dengan nilai Ku = 0,27 dan nilai Pu = 2,01 s. Hasil perhitungan konstanta PID Metode Ziegler – Nichols : Tabel 4. 7. Nilai Parameter P, I, D dari Hasil Perhitungan

Kp

Ti

Td

P

0,135

-

PI

0,1215

1,6683

-

PID

0,162

1,005

0,25125

4.2 Analisis 4.2.1 Percobaan 1 Pada Kontroler Manual maupun Otomatis, Process Variable (PV) dan Set Variable (SV) tidak jauh berbeda. Karena bukaan valve pada SV menyesuaikan parameter process variable yang diinginkan pada PV. Sehingga, nilai SV dan PV tidak memiliki perbedaan yang cukup jauh. Berdasarkan grafik tersebut juga, peningkatan Set Value (SV) akan menyebabkan nilai Manipulated Variable (MV) akan semakin rendah. Hal ini menunjukkan bahwa sistem controller bersifat reverse. Karena bukaan valve yang ditunjukkan sebagai MV justru semakin mengecil seiring laju alir yang semakin besar pada SV. Maka dari sistem ini adalah air to close. Ketika % valve semakin besar berarti kondisi bukaan valve akan semakin mengecil yang mengakibatkan laju volumetrik juga akan menurun. Namun bukan berarti % valve ini sama dengan MVwalaupun satuannya sama – sama dalam persen. MV (manipulated variable) pada percobaan ini adalah laju volumetrik air yang direpresentasikan dalam persen, dan untuk mengubah – ubah nilai MV ini diperlukan aktuator yang berupa control valve. Berarti bila kita tinjau dari segi % valve ketika menggunakan jenis valve AC pada kondisi sistem reverse acting, % valve ini

32

memiliki hubungan yang berbanding terbalik dengan laju volumetrik air (layaknya seperti hubungan PV dengan MV) Dalam grafik Hubungan antara SV dan PV diatas dapat dilihat bahwa untuk kedua sistem, baik manual maupun automatic, semakin tinggi SV, maka nilai PV akan semakin tinggi. Lalu bila kita lihat perbedaan nilai SV dan PV baik pada kondisi manual maupun otomatis hasilnya adalah perbedaan yang ada cukup kecil. Perbedaan ini tidak sampai melebihi 2 %. Oleh karena itu dapat diketahui bahwa sistem kontrol ini sudah berjalan dengan baik karena nilai PV hampir mendekati nilai SV. 4.2.2 Percobaan 2 Pada percobaan ini kita menggunakan mode otomatis, sehingga kita hanya perlu mengatur nilai SV. Praktikum ini menggunakan mode otomatis, sehingga praktikan hanya memasukkan laju alir yang diinginkan.Nilai otomatis juga memungkinkan untuk menghasilkan nilai PV dan dekat dengan SV. Nilai PV berbanding lurus dengan nilai SV, dikarenakan PV menunjukan nilai laju volumetrik air sebenarnya pada sistem. Hubungan SV dengan MV adalah berbanding terbalik. Dikarenakan SV berbanding lurus dengan PV berarti kita juga bisa menyimpulkan bahwa PV berbanding terbalik dengan MV pada percobaan 2 ini. Ketika nilai PV berbanding terbalik dengan nilai MV maka kondisi sistem pada percobaan 2 ini adalah reverse acting, dengan menggunakan control valve jenis air to close 4.2.3 Percobaan 3 Percobaan karakteristik sistem pengontrol dilakukan dengan mengatur controller pada posisi otomatis. Nilai laju alir awal yang diset adalah sebesar 400 L/jam kemudian didiamkan hingga garis pada grafik recorder yang dihasilkan stabil (garis lurus). Setelah itu jika garis pada grafik recorder telah mencapai kestabilannya dilakukan perubahan dengan menaikkan laju alir pada setting controller secara tiba-tiba menjadi 550 L/jam. Tujuannya adalah untuk menunjukkan pengaruh perubahan setting controller pada sistem yang menyebabkan sistem keluar dari set point-nya. Kemudian setelah garis pada grafik recorder menunjukkan kestabilan (garis lurus), laju alir kembali diturunkan menjadi 400 L/jam hingga garis pada grafik recorder kembali pada set point awal.

33

Hal ini dilakukan untuk dapat menghitung nilai Δ dan nilai L dan t pada 63% dan 28%. Setelah mendapatkan nilai-nilai tersebut, kemudian dilakukan perhitungan untuk mencari nilai K, τ, θ. Parameter-parameter tersebut nantinya akan digunakan untuk sebagai parameter PID dari grafik PRC. Data yang diperoleh dapat dilihat dalam tabel yang berada di pengolahan data di atas. Nilai yang dihasilkan pada tabel menunjukkan hasil dari percobaan karakteristik sistem pengendalian PID. Hasil yang diperoleh sudah cukup baik karena nilai Kc yang tidak terlalu besar. 4.2.4 Percobaan 4 Percobaan kali ini menggunakan metode senstitivitas Ziegler – Nichols Ultimate. Tuning adalah suatu prosedur untuk mengatur parameter controller berumpan balik (feedback controller) untuk menghasilkan respon loop tertutup yang ditentukan. Prosedur ini dapat dianalogikan dengan penentuan gelap dan terang pada televisi hitam putih. Salah satu metode untuk melakukan tuning adalah metode Ziegler Nichols. Pada percobaan pengaturan nilai optimum, langkah yang dilakukan adalah mengembalikan kondisi sistem pada nilai SV sebesar 400 L/jam terlebih dahulu, kemudian dibiarkan hingga sistem stabil. Lalu dilakukan pengamatan terhadap nilai parameter awal P dan I. Lalu dilakukan pengontrolan terhadap parameter P dengan mengubahnya menjadi nilai yang lebih kecil perlahan-lahan hingga terlihat perubahan. Lalu dengan diperoleh nya P pada osilasi seragam, maka dengan metode Zigeler Nichols dapat dicari nilai P dan I optimum.

34

BAB 5 KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan flow control yang telah dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal yaitu: 1. Dari percobaan 1 didapatkan bahwa pengendalian yang dilakukan secara manual memiliki

hasil yang

hampir

sama

dengan

pengendalian secara otomatis dan memiliki tingkat keakuratan yang tidak jauh berbeda. Walaupun pengendalian secara otomatis memiliki hasil yang lebih baik. 2. Dari percobaan 2 dapat dilihat sistem flow control merupakan reverse acting dan jenis control valve yang digunakan adalah air to close (AC). 3. Dari percobaan 3, didapatkan kondisi operasi pengenda;i untuk setiap jenis pengendalian (P, PI dan PID) berdasarkan PRC yang didapat.

35

4.

Dari percobaan 4, didapatkan nilai parameter – parameter yang optimal berdasarkan metode Zigler-Nichols yang mengacu pada grafik dalam bentuk osilasi sempurna.

DAFTAR PUSTAKA

Buku Petunjuk Praktikum POT II. Departemen Teknik Gas dan Petrokimia. Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Depok. Anonim. “Pengenalan Metode Ziegler-Nichols pada Perancangan Kontroler pada

PID”.

www.freewebs.com/kapeha/dsp.doc

Pengenalan

Metode

Ziegler-Nichols pada Perancangan Kontroler pada PID (18 April 2016) Riggs, James B. 2006. Chemical and Bioprocess Control. United States : Pearson Education International. Marlin, Thomas E. 2000. Process Control: Designing Processes and Control nd

Systems for Dynamic Performance, 2 Editon. Boston: McGraw Hill.

36