06-2014 lup berumpan balik

Tujuan Pembelajaran

• Mengidentfikasi elemen-elemen penting pada lup berumpan-balik

• Memilih variabel-variabel kandidat yang cocok untuk dikendalikan dan dimanipulasi

• Mengevaluasi data kinerja pengendalian menggunakan ukuran standar dari kinerja dinamik

Saat kuselesaikan bab ini, kuingin dapat melakukanhal-hal berikut.

Kerangka KuliahKerangka Kuliah

• Elemen-elemen lup yang khas• Variabel berhubungan dengan obyektif pengendalian

- Contoh-contoh• Ukuran-ukuran kinerja pengendalian yang khas• Lima pendekatan terhadap pengendalian berumpan-

balik

Diagram Blok Lup Berumpan-balik

Kontroler Elemen Kontrol Akhir

Proses

Sensor-Transmitter

Masukan Keluaran

Bab 3-6

Bab ini dan selanjutnya

Lup Berumpan-balik

TC

A

v1

v2

KONSEP: Kita telah melihat rincian yang terbatas dalan gambar perpipaan dan instrumentasi (P&ID). Kita melihat lokasi sensor, variabel yang diukur, koneksi ke elemen akhir (katup) dan lokasi elemen akhir.

Lup Berumpan-balik

T

A

v1

v2

REALITANYA: Banyak elemen dalam lup memberpengaruhi keselamatan, kehandalan, keakuratan, dinamik dan biayanya. Insinyur perlu untuk memahami rinciannya!

4-20 mA

4-20 mA

3-15 psi

Proses dan Elemen Intrumen

Fitur Kunci Elemen Lup Kontrol

SENSOR Sensor: menghasilkan fenomena, mekanik, listrik, atau sejenisnya yang berhubungan dengan variabel proses yang diukur. Trasmiter: mengubah fenomena ini ke dalam sinyal yang dapat ditransmisikan. Untuk menggambarkan perilaku sensor/transmitte (dynamic): Gain of a sensor/transmitter (rasio antara span keluaran dan span masukan).

SENSOR: Hal-hal Penting dalam Pemilihan Sensor1. Akurasi2. Repeatability3. Reproducibility4. Range/span5. Reliability6. Linearity

7. Maintenance8. Konsistensi dengan

lingkungan proses9. Dynamic10. Safety11. Cost

ISSUE COMMENTS· Accuracy - Accuracy is the degree of conformity of the measured value

with the accepted standard or ideal value, which we can take as the true physical variable. Accuracy is usually reported as a range of maximum inaccuracy. These ranges should have a significance level, such as 95% of the measurements will be within the inaccuracy range.

Accuracy is needed for some variables, such as product quality, but it is

not required for others such as level in a large storage tank. See Section 24.3 in Marlin (2000) for a discussion on the needs of sensor accuracy.

Accuracy is usually expressed in engineering units or as a percentage of the sensor range, for example: Thermocouple temperature sensor with accuracy of ± 1.5 K. Orifice flow meters with accuracy of ±3% of maximum flow range.

· Repeatability – The closeness of agreement among a number of consecutive measurements of the same variable (value) under the same operating conditions, approaching in the same direction.

The term “approaching in the same direction” means that the variable is increasing (decreasing) to the value for all replications of the experiment.

· Reproducibility – The closeness of agreement among a number of consecutive measurements of the same variable (value) under the same operating conditions over a period of time, approaching from both directions. This is usually expressed as non-reproducibility as a percentage of range (span).

Often, an important balance is between accuracy and reproducibility, with

the proper choice depending on each process application.

The period of time is “long”, so that changes occurring over longer times of plant operation are included. Reproducibility includes hysteresis, dead band, drift and repeatability.

Accuracy and Repeability

Reproducibility

ISSUE COMMENTS· Range/Span - Most sensors have a limited range over which a process variable can

be measured, defined by the lower and upper range values. Usually, the larger the range, the poorer the accuracy, and reproducibility. Therefore, engineers select the smallest range that satisfies the process requirements.

We select ranges that are easily interpreted by operating personnel, such as 100-200 °C,

but not 100-183 °C.

If a chemical reactor typically operates at 300°C, the engineer might select a range of 250-350 °C. Since the reactor will be started up from ambient temperature occasionally, an additional sensor should be provided with a range of -50 to 400 °C.

· Reliability – Reliability is the probability that a device will adequately perform (as specified) for a period of time under specified operating conditions. Some sensors are required for safety or product quality, and therefore, they should be very reliable. Reliability is affected by maintenance and consistency with process environment. Also, some sensors are protected from contact with corrosive process environment by a cover or sheath (e.g., a thermowell for a thermocouple), and some sensors require a sample to be extracted from the process (e.g., a chromatograph).

If sensor reliability is very important, the engineer can provide duplicate sensors, so that a single failure does not require a process shutdown. See Chapter 22 in Marlin (2000) for the use of duplicate sensors in process control.

· Linearity - This is the closeness to a straight line of the relationship between the true process variable and the measurement. Lack of linearity does not necessarily degrade sensor performance. If the nonlinearity can be modeled and an appropriate correction applied to the measurement before it is used for monitoring and control, the effect of the non-linearity can be eliminated. Typical examples of compensating calculations are the square root applied to the orifice flow sensor and the polynomial compensation for a thermocouple temperature sensor. The engineer should not assume that a compensation for non-linearity has been applied, especially when taking values from a history database, which does not contain details of the measurement technology.

Linearity is usually reported as non-linearity, which is the maximum of the deviation between the calibration curve and a straight line positioned so that the maximum deviation is minimized. See ISA (1979) for further details and several alternative definitions of linearity.

ISSUE COMMENTS· Maintenance - Sensors require occasional testing and replacement of

selected components that can wear. Engineers must know the maintenance requirements so that they can provide adequate spare parts and personnel time. Naturally, the maintenance costs must be included in the economic analysis of a design.

On-stream analyzers usually require the greatest amount of maintenance. The cost associated with maintenance can be substantial and should not be overlooked in the economic analysis.

· Consistency with process environment - Most sensors will function properly for specific process conditions. For example, many flow sensors function for a single phase, but not for multi-phase fluid flow, whether vapor-liquid or slurry. The engineer must observe the limitations for each sensor.

Some sensors can have direct contact with the process materials, while others

must be protected. Three general categories are given in the following.•Direct contact - Sensors such as orifice plates and level floats have direct contact with process fluids.•Sheath protection - Sensors such as thermocouples and pressure diaphragms have a sheath between the process fluid and the sensor element.•Sample extraction - When the process environment is very hostile or the sensor is delicate and performa complex physiochemical transformation on the process material, a sample can be extracted. Naturally, the parts of the sensor that contact the process must be selected

appropriately to resist corrosion or other deleterious effects.

A float can indicate the interface for a liquid level. However, a float is not reliable for a “sticky” liquid. Also, a turbine flow meter can be damaged by a rapid change in flow rate or liquid entrained in a vapor stream. Sensors in direct contact must not be degraded by the process material.The sheath usually slows the sensor response.Samples must represent the fluid in the process.

ISSUE COMMENTS· Dynamics - The use of the sensor dictates the allowable

delay in the sensor response. When the measured value is used for control, sensor delays should be minimized, while sensors used for monitoring longer-term trends can have some delay.

A greater delay is associated with sensors that require a sample to be extracted from the process. On-stream analyzers usually have the longest delays, which are caused by the time for analysis.

· Safety - The sensor and transmitter often require electrical power. Since the sensor is located at the process equipment, the environment could contain flammable gases, which could explode when a spark occurs.

Standards for safety have been developed to prevent explosions. These standards prevent a significant power source, oxidizing agent and flammable gas from being in contact.

· Cost - Engineers must always consider cost when making design and operations decisions. Sensors involve costs and when selected properly, provide benefits. These must be quantified and a profitability analysis performed.

In some cases, a sensor can affect the operating costs of the

process. An example is a flow sensor. In some situations, the pumping (or compression) costs can be high, and the pressure drop occurring because of the sensor can significantly increase the pumping costs. In such situations, a flow sensor with a low (non-recoverable) pressure drop is selected.

Remember that the total cost includes costs of transmission (wiring around the plant), installation, documentation, plant operations, and maintenance over the life of the sensor. See a reference on engineering economics to learn how to consider costs over time, using principles of the time value of money and profitability measures.

Contoh Akurasi

Termokopel ± 1,5 KOrifis ± 3% dari rentang aliran maksimum

Sensor/transmiter tekanan yang telah dikalibrasi digunakan untuk mengukur tekanan proses antara 20 psig dan 50 psig, maka:◦Span of the instrument: beda antara harga tinggi dan rendah; dari contoh berarti spannya 30 psi.

◦Zero of the instrument: harga range yang rendah; dari contoh berarti zeronya 20 psig.

Gain dari SensorAda 2 jenis gain: Gain yang konstan

Contoh: sensor/transmiter tekanan elektronik yang memiliki range 0-200 psig dengan sinyal keluarannya 4-20 mA, maka:

Gain sebagai sebuah fungsi

Contoh: sensor tekanan differensial yang digunakan untuk mengukur tekanan differensial (h) yang melalui orifis. Persamaan sinyal keluaran dari transmiter tekanan differensial elektronik:

psimA

T psigpsigmAmAK 08.0

0200420

aliran) fungsi sebagai(gain

:Gainnyaumetrikaliran vol dan (mA)keluaran sinyak

sF

T

F

F

FFdF

dMK

FM

FF

M

2max

22

max

)16(2

164

Sensor SuhuSensor Type Limits of

Application (°C)Accuracy1,2 Dynamics:

t (s)Advantages Disadvantages

Thermocouple

type E:chromel-constantan -100 to 1000 ±1.5 or 0.5% for 0 to 900 °C

see note 3

-good reproducibility-wide range

-minimum span of 40 °C-temperature vs. emf not exactly linear

-drift over time-low emf corrupted by noise

type J:iron-constantan 0 to 750 ±2.2 or 0.75%

type K:chromel-nickel 0 to 1250 ±2.2 or 0.75%

type T:copper-constantan -160 to 400 ±1.0 or 1.5% for -160 to 0 °C

RTD -200 to 650 0.15 + 0.2|T| see note 3-good accuracy

-small span possible-linearity

-self-heating-less physically rugged

-self-heating error

Thermister -40 to 150 ± 0.10 °C see note 3 -good accuracy-little drift

-highly nonlinear-only small span

-less physically rugged-drift

Bimetallic - ± 2% - -low cost-physically rugged -local display

Filled system -200 to 800 ± 1% 1 to 10 -simple and low cost-no hazards

-not high temperatures-sensitive to external pressure

Sensor AliranSensor Rangeabilit

y1 Accuracy2 Dynamics (s) Advantages Disadvantages

orifice 3.5:1 2-4% of full span - -low cost-extensive industrial practice

-high pressure loss-plugging with slurries

venturi 3.5:1 1% of full span - -lower pressure loss than orifice-slurries do not plug

-high cost-line under 15 cm

flow nozzle 3.5:1 2% full span - -good for slurry service-intermediate pressure loss

-higher cost than orifice plate-limited pipe sizes

elbow meter 3:1 5-10% of full span - -low pressure loss -very poor accuracy

annubar 3:1 0.5-1.5% of full span - -low pressure loss

-large pipe diameters-poor performance with dirty or sticky

fluids

turbine 20:1 0.25% of measurement - -wide rangeability

-good accuracy

-high cost-strainer needed, especially for

slurries

vortex shedding 10:1 1% of measurement -

-wide rangeability-insensitive to variations in

density, temperature, pressure, and viscosity

-expensive

positive displacement

10:1 or greater

0.5% of measurement - -high reangeability

-good accuracy-high pressure drop

-damaged by flow surge or solids

Sensor TekananSensor Limits of

Application Accuracy Dynamics Advantages Disadvantages

bourdon, "C" up to 100 MPa 1-5% of full span -

-low cost with reasonable accuracy-wide limits of application

-hysteresis-affected by shock and

vibrationspiral up to 100 MPa 0.5% of full span -

helical up to 100 MPa 0.5-1% of full span -

bellows typically vacuum to 500 kPa 0.5% of full span - -low cost

-differential pressure

-smaller pressure range of application

-temperature compensation needed

diaphragm up to 60 kPa 0.5-1.5% of full span - -very small span possible -usually limited to low pressures (i.e. below 8 kPa)

capacitance/ inductance up to 30 kPa 0.2% of full span - - -

resistive/strain gauge up to 100 MPa 0.1-1% of full span fast -large range of pressures -

piezoelectric - 0.5% of full span very fast -fast dynamics -sensitive to temperature changes

Sensor LevelSensor Limits of Application Accuracy Dynamics Advantages Disadvantages

float up to 1 m - - -can be used for switches-cannot be used with sticky fluids which

coat the float

displacement 0.3-3 m - - -good accuracy

-limited range-cost of external

mounting for high pressures

differential pressure

essentially no upper limit - -

-good accuracy-large range

-applicable to slurries with use of sealed lines

-assumes constant density

-sealed lines sensitive to temperature

capacitance up to 30 m - --applicable for slurries

-level switch for many difficult fluids

-affected by density variations

Sensor Analyzers

CONTROL VALVE

Hal-hal Penting dalam Control Valve1. Capacity2. Range3. Failure position4. Gain5. Pressure drop

6. Precision7. Linearity8. Dynamic9. Konsistensi dengan

lingkungan proses10.Cost

Valve BodyValve Body Advantages Disadvantages

globe (unbalanced) -large range-good shutoff

-unbalanced forces-high pressure loss

globe (balanced)-high capacity-large range

-balanced forces

-poor shutoff-high pressure loss

ball -high capacity-tight shutoff

-moderate pressure drop applications-tends to plug (except segmented ball)

butterfly-high capacity

-low pressure loss-slurry applications

-high torque-large deadband

-affects flow through limited range (i.e. 0-60%)

-tight shutoff requires special seat material

diaphragm -slurry applications-corrosion resistant materials

-short diaphragm life-limited pressure and temperature

-small rangegate -tight shutoff -used only with clean fluids

Instrumentation Schematic of Control Valve

Aksi Control Valve Pertanyaan Tindakan apa yang kita inginkan terhadap valve saat suplai energinya gagal? Jawabannya berkaitan dengan posisi gagal (fail position) dari valve. Pertimbangan utama: safety.

Fail Open (FO) atau Air-to-Close (AC)

Gambar berikut menunjukkan bahwa posisi awal katup jenis ini adalah terbuka atau dengan kata lain, bila tidak ada suplai udara (fail) maka katup terbuka (open). Untuk menutupnya (close) diperlukan suplai udara (air) atau Air-to-Close

Fail Close (FC) atau Air-to-Open (AO) Gambar berikut menunjukkan bahwa posisi awal katup jenis ini adalah tertutup atau dengan kata lain, bila tidak ada suplai udara (fail) maka katup tertutup (close). Untuk membukanya (open) diperlukan suplai udara (air).

Pemilihan Valve Pemilihannya tergantung prosesnya, bahkan proses secara keseluruhan. Contoh: Proses pemanasan yang baik adalah menggunakan FC valve; tetapi kalau fluida yang dipanasi itu berupa polimer yang kalau pemanasnya mati bisa terjadi solidasi maka yang aman adalah menggunakan FO valve.

Aliran Melalui Valve atau

f = flowCv = karakteristik valve VALVE SIZINGpv = pressure drop dari valveGf = specific gravity

Karakteristik Control Valve

Karakteristik Control Valve LINEAR

=% (EQUAL PERCENTAGE)

position valve .max, vpvpCvpC vv

50) (umumnya 100 50, 25,

parametery rangeablit . 1max,

vpvv CvpC

Rangeability dari Control Valve

Definisi lain adalah 90% dan 10% posisi valve LINEAR: rangeability = 0.95/0.05 = 19 =% : rangeability = -0.05/ -0.95 = 18 ( = 25); 34 ( = 50); dan 63 (

= 100) QUICK OPENING: rangeability = 3 terlalu kecil tidak cocok untuk

mengatur aliran

valveposisi 5% padaalir Laju valveposisi 95% padaalir Laju

tyRangeabili

Karakteristik Valve Terpasang• Jika jatuh tekanan di pipa dan peralatan yang dirangkai

dengan valve SIGNIFIKAN dibanding dengan jatuh tekanan melewati valve, maka jatuh tekanan valve akan berubah-ubah sesuai dengan aliran yang melalui valve

• Variasi jatuh tekanan tersebut menyebabkan variasi aliran dengan posisi valvenya berbeda dengan variasi koefisien Cv karakteristik valve terpasang berbeda karakteristik inheren Cv

Aliran

Contoh Minyak

Sebuah proses mengalirkan minyak dari tangki penyimpan ke menara separasi ditunjukkan oleh gambar di atas. Tangki berada kondisi tekanan atmosfir, dan menara bekerja pada tekanan 25.9 in. Hg (12.7 psia). Aliran minyak nominalnya 700 gpm, gravitas spesifiknya 0.94 dan tekanan uap pada suhu yang mengalir 90oF adalah 13.8 psia. Pipanya 8-in. skedul 40 pipa baja komersial. Efisiensi pompanya 75%. Dari korelasi aliran fluida, jatuh tekanan friksi di pipa adalah 6 psi

1. Lakukan pengukuran (sizing) valve tersebut.2. Temukan aliran maksimum melalui valve, karakteristik valve terpasang dan rangeability

dari valve (asumsi = 50)3. Analisis efek variasi jatuh tekanan terhadap valve pada aliran nominal

Jawaban 1: Valve Sizing Jatuh tekanan melalui valve diambil 5 psi (dekat dengan jatuh tekanan di dalam pipa)

Sesuai dengan data di Fig. C-10.1 (a) untuk ukuran 8-in, maka Cv = 640

psi

gpm607594.070022max,

pG

fC fv

Jawaban 2: Aliran Maksimum 2

622 gpm

psi 100.1370094.0

6

xfGpkf

LL

Total jatuh tekanan bergantung-aliran (tetap):p0 = pv + pL = 5 + 6 = 11 psi

gpm 870

94.011

640100.131

640

1 26

02

max,

max,max

xGp

Ck

Cf

fvL

v

Jawaban 2: Aliran Maksimum• Jika Cv,max = 607 maka fmax = 862• Jadi, aliran maksimum (fmax ) 2 (700) meski ukuran valvenya 100%

overcapacity• Ini disebabkan hambatan pipa membatasi aliran sebagaimana

bukaan valvenya• Tapi tidak mungkin memilih valve yang cukup besar untuk

mengalirkan dua kali alirannya, karena meski keseluruhan jatuh tekanannya 11 psi, alirannya hanya 947 gpm [(11/0.94)(13.0x10-6)0.5]

Jawaban 2: Rangeability LINEAR =%

19 9.7109862tyrangeabili

gpm 86294.0

11

608100.131

608

3295.064095.0

gpm 10994.0

11

32100.131

32

60805.064005.0

05.0

95.0

2695.0

max,

2605.0

max,

ffx

f

vpCCvpx

f

vpCCvp

vv

vv

34.8 8.152.53

839tyrangeabili

gpm 83994.0

11

526100.131

526

5265064095.0

gpm 2.5394.0

11

6.15100.131

6.15

6.155064005.0

05.0

95.0

2695.0

195.01max,

2605.0

105.01max,

ffx

f

CCvp

xf

CCvp

vpvv

vpvv

Rangkuman

Control Valve Gain (Kv) Control Valve Gain (Kv) tergantung turunan dari 3 hal:1. Posisi valve (vp) pada keluaran pengendali

2. Cv pada posisi valve

3. Aliran pada Cv

v

vv dC

dfdvpdC

dmdvpK

Control Valve Gain (Kv)

valveAC - valve,AO output; controller CO :dengan

%CO

vp 100

1

±dmdvp

%)( lnln

(LINEAR)

1max

max,

vvp-

v,v

vv

CαCdvpdC

CdvpdC

Control Valve Gain (Kv) (df/dCv) tergantung jenis jatuh tekanannya:o KONSTAN

o VARIABELf

v

v Gp

dCdf

f

vLv

fvL

vLvLvvL

v

GpCk

dCdf

Gp

CkCkCkCCk

dCdf

02/32

02

2/122

1

111

Control Valve Gain (Kv)o KONSTAN

o VARIABEL

%)( %COlb/h

100ln

%COgpm

100ln.ln

1001

(LINEAR) %COlb/h

100

%COgpm

1001001 maxmax

max,

±±

±

±±

±

wfGpCK

wfGpCK

f

vvv

f

vvv

%)( 1100

ln 1100

ln

(LINEAR) 1100

20

2/32

02/32max,

±

±

±

vLfvL

vv

fvL

vv

Ckf

Gp

Ck

CK

GpCk

CK

Contoh STEAM Temukan gain dan posisi valve pada kondisi disain untuk valve uap air yang mengalir ke reboiler kolom distilasi dengan laju perpindahan panas disain 15 juta Btu/h. Uap air dijenuhkan pada 20 psig dan jatuh tekanannya 5 psi. Asumsikan valvenya berukuran 10-in. dengan Cv,max = 1000 dipilih dan tekanan di sekitar valve tidak bergantung kepada aliran. Aliran nominalnya 16,130 lb/h, jenis valvenya linear dan =% dengan parameter rangeabilitasnya 50

Jawaban Aliran uap air:

1

3

31

63.1

148.083.10007.01

148.00007.01

83.1

pp

Cy

yyCTwC

yyT

pCCw

v

f

f

SHv

SHfv

• Dari steam table didapatkan panas laten uap air dari kondensasi adalah 930 Btu/lb.

• Berarti aliran nominalnya = 15,000,000/930 = 16,130 lb/h.

• Tekanan masuk = 20 + 14.7 = 34.7 psia

• Derajat superheatednya = 0• Asumsikan valvenya

Masoneilan dengan Cf = 0.8

LINEAR

psi

gpm 450773.0148.0773.08.083.1

01130,16148.083.1

0007.01

773.07.34

58.0

63.163.1

33

1

yyCTwC

pp

Cy

f

SHv

v

f

%CO

lb/h 3584501001000130,16

100100

450.01000450

max,max

max,

v

vv

v

v

CCwwK

CCvp

=%

%COlb/h 630130,16

10050ln

100ln

80.0150ln450.0ln1

ln

ln

450.01000450

max,

max,

1

wK

CC

vp

CC

v

v

v

v

vvp

Contoh MINYAK Tentukan gain valve pada contoh tersebut! Tekanannya tidak tetap:

%)(

%COgpm 5.12

303100.131700

10050ln

(LINEAR) %COgpm 7.6

94.011303100.131

100640

26

2/326

xK

xK

v

v

KONTROLER Kontroler adalah otak lup kontrol. Ia membuat keputusan dalam sistem kontrol dengan melakukan:◦Membandingkan sinyal proses dari transmiter, variabel yang dikontrol, dengan setpointnya.

◦Mengirim sinyal yang cocok ke control valve; atau elemen kontrol akhir lainnya dalam rangka menjaga variabel yang dikontrol pada setpoint-nya.

Aksi KontrolerAda 2 jenis aksi kontroler: Aksi berlawanan (reverse action) atau turun: bila harga output naik maka kontroler mengurangi sinyal output (udara tekan atau arus )-nya. Aksi searah (direct action) atau naik: sebaliknya.

Contoh Aksi Kontroler Pada HE bila digunakan jenis valve AO: aksi berlawanan

Pada pengontrolan level bila menggunakan valve AO: aksi searah; bila AC atau inputnya yang dikontrol aksinya berlawanan.

Lup Berumpan-balik

Sensor &transmitter

Transmisielektronik

input dan konversi A/D

computingnetwork

Transmisielektronik

konversiI/P

Transmisipneumatik

final element

PROSES

Buatlah sebuah step(tanpa feedback control)

Apa yang mempengaruhi respon terhadap komputer?

output dan D/A

Lup Berumpan-balikLATIHAN DI KELAS: Diberikan dinamik berikut ini, sketsakan respon-respon untuk sebuah step pada stasiun manual (bukan otomatik) terhadap harga yang ditampilkan.

Matlab untuk Example 7.1% Example 7.1Gms=0.16;Gtransm=1.0;Gsc1=tf(0.75,[0.5 1]);Gfe=tf(8.33,[1.5 1]);Gp1=tf(1.84,[3 1]);Gp1.inputdelay=1;Gp2=tf(1.84,[300 1]);Gp2.inputdelay=100;Gs=tf(0.11,[10 1]);Gsc2=tf(1.48,[0.51 1]);Gdisp=tf(6.25,[1 1]);G1=Gm*Gtransm*Gsc1*Gfe*Gp1*Gs*Gsc2*Gdispstep(G1)hold onG2=Gm*Gtransm*Gsc1*Gfe*Gp2*Gs*Gsc2*Gdispstep(G2)

Kecepatan dan AkurasiTransmisi listrik Sangat cepat dan akurat bahkan pada jarak yang jauh

Transmisi pneumatik

Sangat cepat pada jarak dekat, tapi akan lambat pada jarak yang jauh

Sensor Tergantung fungsi dan disainnya. Termokopel dan pressure gauge jauh lebih cepat dari pada composition analyzer. Akurasi sensor tergantung dari disain tertentu.

Final element, valve Biasanya responnya dalam hitungan detik. Akurasinya tergantung disainnya, tapi umumnya tidak terlalu tinggi

Konversi sinyal I/P atau sinyal sensor ke listrik terjadi dengan cepat, 0.5-1.0 detik dan akurat

Proses Sangat bervariasi

Kalkulasi kontroler Sangat cepat dan akurat

Lup Berumpan-balikLATIHAN DI KELAS: Diberikan dinamik berikut ini, sketsakan respon-respon untuk sebuah step pada stasiun manual (bukan otomatik) terhadap harga yang ditampilkan.Apa yang kamu lihat (dari display) tidak selalu apa yang terjadi!!

Case A: sistem cepat, sehingga adaperbedaan dengan display. Case Blambat, sehingga sesuai dengandisplay

Lup Berumpan-balikInsinyur harus memutuskan apa yang diukur untuk mengendalikan dan katup apa digunakan untuk menyesuaikan (dan menyediakan peralatan untuk mendukung keputusan tersebut).

Lup Berumpan-balikCV untuk pengendalian? Gunakan tujuh kategori obyektif pengendalian!

control objective process variable sensor 1) Safety 2) Environmental protection 3) Equipment protection 4) Smooth plant operation

and production rate

5) Product quality Concentration of reactant A in the effluent

Analyzer in reactor effluent measuring the mole % A

6) Profit optimization 7) Monitoring and diagnosis

Insinyur harus memutuskan apa yang diukur untuk mengendalikan dan katup apa untuk menyesuaikan (dan menyediakan peralatan untuk mendukung keputusan tersebut).

Lup Berumpan-balik

MV untuk menyesuaikan? 1. Hubungan sebab-akibat antara katup dan CV (diperlukan)2. Katup yang diautomatisasikan untuk mempengaruhi aliran yang

dipilih (diperlukan)3. Dinamik cepat (diinginkan)4. Kemampuan untuk mengkompensasi gangguan besar

(diinginkan)5. Dapatkah menyesuaikan secara cepat dengan sedikit pengaruh

buruk pada kinerja proses (diinginkan)


Lup Berumpan-balik

Variabel masukan yang mempengaruhi variable yang diukur

Aliran yang dapat disesuaikan yang dipilih

Manipulated valve

Suhu umpan Laju alir pelarut Komposisi umpan, sebelum bercampur Suhu masuk pendingin ga

nggu

an

Aliran A murni

Aliran A murni

vA

dise

suai

kan

Aliran pendingin

Kita dapat menggunakankatup juga. Kita akan mengunjungi

lagi pilihan ini nanti (Bab 13)


MV lainnya: laju motor yang dapat disesuaikan dan heat power

Lup Berumpan-balikGambar menunjukkan lup berumpan-balik. Kita akan melihat kalkulasinya pada bab selanjutnya.

Jelaskan, termasukkonsep umpan-baliknya.

Lup Berumpan-balikLatihan di kelas untuk lup berumpan-balik: Menggunakan metode yang baru saja dijelaskan, pilih SATU variabel yang dikendalikan dan SATU variable yang dimanipulasikan

FT1

FT2

PT1

PI1

AT1

TI1

TI2

TI3

TI4

PI2

PI3

PI4

TI5

TI6

TI7

TI8

TI9

FI3

TI10

TI11

PI5

PI6

Feed oil

udara

Fuelgas

Lup Berumpan-balikMusik: “Aku tidak dapat mendefinisikan musik yang baik, tapi aku tahu apa yang aku sukai.”Kinerja pengendalian: Kita harus dapat mendefinisikan apa yang kita maui, sehingga kita dapat mendisain peralatan dan kontrol untuk

mencapai sasaran kita.

Set pointdimasukkanoleh orang

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

Time

Con

trolle

d Va

riabl

e

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

2

Time

Man

ipul

ated

Var

iabl

e

Variabel yang dikontrol (CV), harga dari sebuah sensor

Manipulated variable, biasanya sebuah katup

Lup Berumpan-balik

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

2

Time

Man

ipul

ated

Var

iabl

e

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

Time

Con

trolle

d Va

riabl

e

Mari kita pastikan bahwakita memahami variabel-variabel yang ada di grafik. Kita akan melihat plot ini

terus menerus…..

Lup Berumpan-balik

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

Time

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

2

Time

= IAE = |SP(t)-CV(t)| dt

Kembali set point, “zero offset”

Rise time

D

B

B/A = Decay ratio

C/D = Overshoot maksimum dari manipulated variable

C

A

dttCVtSPIAE )()(

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

Time

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

2

Time

= IAE = |SP(t)-CV(t)| dt dttCVtSPISE2

)()( atau

Lup Berumpan-balik

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Time

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1.5

-1

-0.5

0

Time

Deviasi CV maksimum dari set pointA

dttCVtSPIAE )()(

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

Time

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

0.5

1

1.5

2

Time

= IAE = |SP(t)-CV(t)| dt dttCVtSPISE2

)()( atau

Respon Gangguan

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-20

-10

0

10

20S-LOOP plots deviation variables (IAE = 5499.9786)

Time

Con

trolle

d Va

riabl

e

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-20

-10

0

10

20

Time

Man

ipul

ated

Var

iabl

e

Varian atau deviasi standar dari CV

Varian atau deviasi standar dari MV

Sering, proses itu dikenai gangguan yang besar dan kecil serta sensor noise. Ukuran kinerja mengkarakterisasi variabilitasnya.

Lup Berumpan-balikLatihan di kelas: Untuk setiap ukuran kinerja di bawah ini, tentukan harga yang baiknya, misalnya besar/kecil, positif/negatif, dsb.

• Offset• IAE• Decay ratio• Rise time• Settling time

• MV overshoot• Maximum CV

deviation• CV variance• MV variance

Bisakah kita mencapai harga yang baik untuk semuanya pada saat yang sama? Apakah titik temunya?

Analisa Karakteristik Step Respons denganGangguan sebagai Masukan Sistem Pengontrolan

KINERJA KONTROLER

P: 76, I:4, D:0(SV = 0.3)

(Laju alir = 40 20)

P:110, I:4, D:0(SV = 0.3)

(Laju alir = 24 40)Respon Max 0,03475 kg/cm2 0,0375 kg/cm2

Overshoot 3,475% 3,75%Settling time 133,25 s 274,91 s

Rise time 1,2 s 2,4 sOffset 0 0IAE 30,08 mm2 52,21 mm2

Decay Ratio 0,180 0,133

Lup Berumpan-balik• Untuk mengurangi variabilitas dari CV,

kita menaikkan variabilitas dari MV. • Kita mesti mendisain pabrik dengan MV-MV

yang bisa disesuaikan pada biaya rendah.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-20

-10

0

10

20

Time

Con

trolle

d Va

riabl

e

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-20

-10

0

10

20

Time

Man

ipul

ated

Var

iabl

e

Latihan di kelas: Komentari kualitas pengendalian untuk empat respon di bawah ini.

0 20 40 60 80 100 120-0.5

0

0.5

1

1.5S-LOOP plots deviation variables (IAE = 17.5417)

Time

Con

trolle

d Va

riabl

e

0 20 40 60 80 100 120-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Time

Man

ipul

ated

Var

iabl

e

A0 20 40 60 80 100 120

-1

0

1

2

3

S-LOOP plots deviation variables (IAE = 43.9891)

Time

Con

trolle

d Va

riabl

e

0 20 40 60 80 100 120-1

0

1

2

3

4

Time

Man

ipul

ated

Var

iabl

e

B

0 20 40 60 80 100 120-0.5

0

0.5

1

1.5S-LOOP plots deviation variables (IAE = 34.2753)

Time

Con

trolle

d Va

riabl

e

0 20 40 60 80 100 120-0.5

0

0.5

1

Time

Man

ipul

ated

Var

iabl

e

C0 20 40 60 80 100 120

-0.5

0

0.5

1

1.5

S-LOOP plots deviation variables (IAE = 24.0376)

Time

Con

trolle

d Va

riabl

e

0 20 40 60 80 100 120-0.5

0

0.5

1

1.5

Time

Man

ipul

ated

Var

iabl

e

D

Lup Berumpan-balik Kita dapat menerapkan feedback melalui banyak pendekatan

1. No control – Variabel merespon terhadap semua masukan, jadi “lepas” saja.

2. Manual – Orang mengobservasi pengukuran dan melakukan perubahan untuk mengkompensasi penyesuaian yang tergantung pada orangnya.

3. On-off – MV hanya memiliki dua kondisi, hasil ini berosilasi dalam sistem.

4. Kontinyu, automatik – Ini adalah kontrol yang memiliki koreksi sesuai dengan kesalahan dari harga yang diinginkan.

5. Emergency – Pendekatan ini mengambil aksi ekstrem (shutdown) ketika terjadi situasi bahaya.

Contoh: Suhu dalam sebuah garasi

Contoh: Suhu sop yang dipanaskan di atas kompor

Contoh: Suhu dalam sebuah tangki penampung minyak yang dapat membeku di musim dingin

Contoh: Suhu dalam sebuah CSTR untuk membuat obat-obatan

Contoh: Suhu dalam sebuah bejana tertutup dengan reaksi kimia eksotermis

Heat Exchanger Exchanger

Respon exchanger terhadap aliran uap air hanya mempunyai gain 50 C/(kg/s) dan konstanta waktu 30 detik

Sensor-Transmitter

Sensor-transmitter memiliki range yang terkalibrasi 50 – 150 C dan konstanta waktu 10 detik

Control valve

Control valve memiliki kapasitas maksimum uap air 1.6 kg/s, karakteristik linear, dan konstanta waktu 3 detik

Heat Exchanger

kg/sC/ 130

50

s

sGp

%/C 110

0.1

%/C 0.1C50150

%100Gain

ssGm

%/kg/s 13

016.0

%/kg/s 016.0100%

(kg/s) 6.1Gain

ssGv

Exchanger

Sensor-transmitter

Control valve

Lup Berumpan-balik – Workshop 1

Control valve digunakan untuk mengajukan sebuah tahanan variabel terhadap aliran

• Apa isi katup?• Gambarkan tiga isinya dan apa faktor penting

yang harus dipilih• Apa itu aktuator?• Apa sumber tenaga yang digunakan? Apa

yang terjadi bila tidak ada sumber tenaganya (fail)?

Lup Berumpan-balik – Workshop 2Recommend the correct failure position (open or closed) for each of the circled control valves.

FT1

FT2

PT1

PI1

AT1

TI1

TI2

TI3

TI4

PI2

PI3

PI4

TI5

TI6

TI7

TI8

TI9

FI3

TI10

TI11

PI5

PI6


Find at least one variable that could be handled by each of the five approaches; no control, manual, on/off, continuous, and emergency.

FT1

FT2

PT1

PI1

AT1

TI1

TI2

TI3

TI4

PI2

PI3

PI4

TI5

TI6

TI7

TI8

TI9

FI3

TI10

TI11

PI5

PI6


CA0

CA

A B

Solvent

Pure A

vc

TvA

vS

F

V

FC TCin

TCout

Select several pairs of controlled and manipulated variables for the following process.

Tujuan Pembelajaran

Lot’s of improvement, but we need some more study!• Read the textbook• Review the notes, especially learning goals and workshop• Try out the self-study suggestions• Naturally, we’ll have an assignment!

• Mengidentfikasi elemen-elemen penting pada lup berumpan-balik

• Memilih variabel-variabel kandidat yang cocok untuk dikendalikan dan dimanipulasi

• Mengevaluasi data kinerja pengendalian menggunakan ukuran standar dari kinerja dinamik

Saat kuselesaikan bab ini, kuingin dapat melakukanhal-hal berikut.

Sumber Pembelajaran• SITE PC-EDUCATION WEB

- Instrumentation Notes- Interactive Learning Module (Chapter 7)- Tutorials (Chapter 7)

Saran untuk Belajar Mandiri1. Temukan sebuah proses sederhana dalam setiap kuliah-kuliahmu

sebelumnya dan pilih sepasang CV dan MV- Perpindahan Kalor (heat exchanger)- Mekanika Fluida (aliran di dalam pipa)- Perpindahan Massa (stripper, distillation)- Kinetika Reaksi Kimia (packed bed reactor)

2. Bandingkan ukuran-ukuran kinerja kontrol dalam bab ini dengan tujuh obyektif pengendalaian yang telah diberikan pada Bab 2

3. Jelaskan aksi yang akan kamu ambil jika kamu mengukur sebuah gangguan dan tidak ingin menunggu koreksi umpan-balik

06-2014 lup berumpan balik

Documents