TK3020 PENGENDALIAN PROSES

SEMESTER II-2014/2015

PRAKTIKUM

PENGENDALIAN PROSES

Laporan Singkat

Oleh :

Kelompok K.3202.15.20

Adrian Hartanto Tandias (13012062)

Pembimbing :

Dr. Johnner Sitompul

Dr. Antonius Indarto

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2015

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dalam industri kimiasebuah proses dapat mengalami dinamika yang dapat mengganggu

berjalannya usatu proses. Pengendalian proses bertujuan untuk menjaga suatu proses

pada kondisi operasi yang diinginkan sesuai dengan criteria spesifikasi proses, produk,

dan/atau standar lingkungan yang ditetapkan dengan aman, efisien, dan ekonomis.

Tujuan yang paling penting dicapai adalah pemenuhan spesifikasi produksi dan

keselamatan kerja serta lingkungan. Terdapat dua jenis sistem pengendalian yaitu sistem

servo dan regulatory. Sistem servo adalah kondisi pengubahan standar/set point suatu

sistem untuk mengubah spesifikasi produk atau proses yang diinginkan. Sistem

regulatory, di sisi lain, adalah sistem pengendalin untuk menjaga agar proses berjan

sesuai dengan spesifikasi/set point dengan merspon gangguan yang berasal dari luar

sistem. Untuk dapat mengendalikan suatu proses, dibutuhkan transfer fungsi untuk

masing-masing instrumen beserta parameter-parameter pengendaliannya. Salah satu

instrument yang paling penting adalah valve sebagai alat pengendalian akhir. Dalam

mengetahui parameter-parameter pengendalian digunakan metode tuning dalam bentuk

Cohen-Coon maupun Ziegler Nichols. Metode Cohen-Coon menggunakan sirkuit

terbuka, sedangkan Ziegler Nichols menggunakan sirkuit tertutup.

Oleh karena pentingnya bagi calon sarjana teknik kimia untuk mengerti dinamika proses

dan langkah-langkah untuk mengatasinya maka praktikum pengendalian proses ini

dilakukan.

1.2 Tujuan

Percobaan ini bertujuan untuk memahami aspek teoretis dan praktis cara kerja dan

penalaan pengendalian tipe umpan balik untuk loop tunggal SISO (single input single

output).

1.3 Sasaran

Untuk mencapai tujuan percobaan, sasaran yang harus dipenuhi adalah:

1. Memahami dasar dinamika proses dan filosofi pengendalian proses tipe umpan balik.

2. Memahami perangkat keras, konfigurasi, dan cara kerja pengendali tipe umpan balik.

3. Menala parameter pengendali umpan balik dengan metode Cohen-Coon dan Ziegler-

Nichols dalam ragam kasus pengendalian servo dan regulatory

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Jenis Pengendalian

2.1.1 Feedback

Konfigurasi feedback menggunakan sistem pengukuran langsung untuk variabel proses

yang dikendalikan. Adanya selisih / deviasi antara nilai terukur dengan nilai yang

ditetapkan (set point) memicu pengendali (controller) untuk mengambil tindakan

manipulasi terhadap manipulated variable.

2.1.2 Feedforward

Konfigurasi feedforward merupakan tipe pengendalian yang cocok untuk sistem dengan

karakteristik proses yang sudah diketahui dengan baik. Tipe pengendalian ini mengukur

langsung gangguan yang terjadi. Adanya gangguan ini digunakan oleh pengendali untuk

mengubah manipulated variable atas dasar fungsi transfer pada pengendali yang

memprediksikan perubahan variabel proses sebagai akibat adanya gangguan.

2.1.3 Inferensial

Konfigurasi pengendalian inferensial menggunakan pengukuran sekunder pada

parameter yang berhubungan dengan output proses. Jenis pengendalian ini umumnya

digunakan pada sistem dengan output proses yang sulit diukur.

2.2 Metode Cohen-Coen

Dikenal juga dengan metode process reaction curve. Tuning metode ini dilakukan

dengan melakukan perhitungan parameter close loop dengan pendekatan open loop.

Fungsi transfer dari metode ini adalah:

Persaman diatas menunjukkan bahwa metode ini tidak hanya dipengaruhi dinamika

proses utama namun juga dipengaruhi oleh sensor dan elemn pengendali akhir.

Pendekatan persamaan Cohen-Coen ditampilkan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Hasil penalaan Cohen coon

Tipe Pengendali Parameter

Kc τi τd

Proporsional

Proporsional

Integral

Proporsional

Integral Derivatif

2.3 Metode Ziegler-Nichols

Tuning dengan metode ini dilakukan berdasarkan pada analisi respon frekuensi. Pada

metode ini tuning dilakukan dengan respon closed-loop. Hasil penalaan Ziegler-Nichols

dapat dilihat pada Tabel 2.2

Tabel 2.2 Hasil penalaan Ziegler-Nichols

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1. Alat dan Bahan

Peralatan yang digunakan dalam percobaan kali ini adalah:

1. 1 set peralatan Gas Pressure Control Mini Plant

2. 1 set peralatan Mixing Tank Control System

Bahan yang digunakan dalam percobaan kali ini adalah:

1. Air

3.2. Skema Alat

Skema alat yang digunakan dalam percobaan kali ini ditunjukkan dalam Gambar 2.1

dan 2.2.

Gambar 2.1. Skema alat mixing tank control system

Gambar 2.2. Skema alat gas pressure control mini plant

3.3. Langkah Kerja

3.3.1. Pengendalian Laju Alir

Langkah-langkah pengendalian laju alir pada mixing tank control system adalah sebagai

berikut:

1. Tab control 1 dipilih

2. AVS-1, AVS-2, AVS-3, dan AB-1 dinyalakan

3. Pada bagian Graph A, SC-1 dan set point diaktifkan

4. Button start diaktifkan dan dilakukan penyimpanan data

5. Pada bagian control 1, pengendalian laju alir (flow) dipilih dan set point ditentukan

6. Bukaan valve AVP-1 diatur sehingga laju alir mendekati nilai set point

7. set point dirubah hingga respon sistem stabil

8. Penyimpanan data dihentikan

9. Data yang sudah tersimpan dapat dianalisis melalui perangkat lunak Microsoft Excel

3.3.2. Pengendalian Level Tangki

Langkah-langkah pengendalian aras (level) tangki pada mixing tank control system

adalah sebagai berikut:

1. Tab control 1 dipilih

2. AVS-1, AVS-2, dan AB-1 dinyalakan

3. Pada bagian Graph A, SN-1 dan set point diaktifkan

4. Button start diaktifkan dan dilakukan penyimpanan data

5. Pada bagian control 1, pengendalian ketinggian cairan (level) di pilih dan set point

ditentukan

6. Bukaan valve AVP-1 diatur sehingga ketinggian cairan mendekati nilai set point

7. set point dirubah hingga respon sistem stabil

8. Penyimpanan data dihentikan

9. Data yang sudah tersimpan dapat dianalisis melalui perangkat lunak Microsoft Excel

3.3.3. Gas Pressure Control Mini Plant

Tahapan-tahapan yang dilakukan dalam gas pressure control mini plant adalah sebagai

berikut:

1. Valve 3 dibuka agar udara yang tersisa pada akumulator terbuang, setelah itu valve 3

ditutup

2. Valve 1, 2, dan 4 dibuka

3. Kompresor dinyalakan

4. Laju alir udara diatur dengan mengamati ketinggian pada Rotameter

5. Controller diatur dalam mode manual (sheet excel 1)

6. Sinyal dan setpoint disesuaikan (sesuai dengan penugasan) dengan mengatur bukaan

valve 4

7. Sistem diganggu dengan mengubah bukaan kontrol valve

8. Apabila telah terjadi kemiripan sinyal output selama 5 menit, respon sistem terhadap

waktu dicatat

9. Nilai input, output, time delay, dan slope respons dapat ditentukan sebagai parameter

tuning

10. Hitung nilai Kc, тi, dan/atau тd dengan metode Ziegler-Nichols

11. Controller diatur dalam mode otomatis

12. Parameter pengendalian yang telah dihitung dimasukkan

13. Parameter pengendalian diubah hingga respon sistem stabil

14. Data parameter pengendalian yang digunakan dicatat

BAB IV

HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengendalian Tekanan – Servo

Pengendalian tekanan yang dilakukan oleh praktikan secara langsung menggunakan

metode Ziegler-Nichols. Hasil tuning ditampilkan pada Tabel 4.1

Tabel 4.1 Parameter Tuning Pengendalian Miniplant Metode Ziegler-Nichols

Kc τi τD

P 0,5

PI 0,4545 9,309

PID 0,5882 5,586 1,396

Pada tuning yang dilakukan (grafik tidak ditampilkan karena rusaknya file Microsoft

Excel yang di-copy dari computer pelaksanaan praktikum) AR bernilai satu didapatkan

pada nilai frekuensi 0,0895. Nilai ini menghasilkan ωco sebesar 0,5621. Nilai tuning ini

digunakan pada set point awal tekanan sebesar 95 bit atau 9,937 bar. Ketika set point

diganti menjadi 100 bit atau 10,25 bar hal ini menyebabkan offset sebesar 33% pada

sistem pengendalian proposional integral yang digunakan. Nilai Kc pun diubah-ubah

untuk mendapatkan off set yang rendah dengan hasil ditampilkan pada Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Tuning Parameter Pengendalian Miniplant Meotde Ziegler-Nichols

Kc τi τD Offset

0,4545 9,309 0 33%

1,5 9,309 0 14%

2,5 9,309 0 8%

3,5 9,309 0 5%

Dari trial and error didapatkan nilai parameter pengedalian yang dapat memberi offset

maksimal 5% seperti tertera pada Tabel 4.2.

Perbandingan hasil tuning pengerjaan yang dilakukan dengan metode Cohen-Coen

ditampilkan pada Tabel 4.3.

Tabel 4.3 Parameter Pengendalian Miniplant Metode Cohen-Coen

Kc τi τD

P 25,475

PI 22,756 3,031

PID 33,81 3,911 0,582

Pengendalian dengan metode Cohen-Coen menghasilkan Kc yang lebih besar dengan

waktu respon yang lebih kecil dibandingkan metode Zieger-Nichols pada sistem yang

ditinjau. Secara teoritik berarti metode Cohen-Coen akan memiliki tingkat osilasi menuju

kestabilan lebih tingi dibandingkan dengan metode Ziegler-Nichols. Tetapi metode ini

menghasilkan nilai waktu respon yang lebih kecil sehinga secara teoritik dapat

menghasilkan kestabian lebih cepat. Apabila parameter tuning dibandingkan dengan

Simulink dengan kondisi tekanan awal 0 bar dibawa ke set point 9,937 bar amaka akan

ditampilkan grafik seperti Gambar 4.1.

Gambar 4.1 Simulasi Sistem Pengendalian Miniplant – Simulink

Gambar 4.2 Perbandingan Tuning Miniplant, warna kuning menggambarkan hasil

metode Ziegler-Nichols dan warna ungu menggambarkan hasil Cohen-Coen

Dapat dilihat bahwa metode Coehen-Coen menghasilkan kestabilan dengan lebih cepat

dan hampir tidak adanya osilasi. Sehingga dari hasil ini didapatkan bahwa metode Cohen-

Coen lebih baik untuk sistem mini plant. Untuk masalah servo perlu ditinjau lebih lanjut

karena nilai parameter pengendalian hasil tuning tidaklah sama, tetapi karena data

pengoperasian sistem servo untuk pengoperasian metode Cohen-Coen tidak diapatkan

maka perbandingan tidak dapat dialkukan.

Hasil simulasi menggunakan Simulink pada metode Ziegler-Nichols ditampilkan pada

Gambar 4.3.

Gambar 4.3 Perbandingan Tuning Miniplant Metode Ziegler-Nichols, warna kuning

menggambarkan hasil metode PI dan warna ungu menggambarkan hasil metode P

Seperti hasil yang ditampilkan pada Gambar 4.2, sistem pengendalian berlangsung

dengan sangat baik pada pengendalian dengan sistem proporsional saja. Hal ini

disebabkan karena nilai Kc yang didapat pada praktikum besar. Selain itu pada simulasi

diasumsikan fungsi EPA dan alat pembaca (Gm) bernilai satu sehingga pada simulasi

dapat terjadi kesalahan.

4.2 Pengendalian Flow – Servo

Pengendalian lajur alir pada alat Edibon yang dilakukan oleh praktikan menggunakan

metode Cohen-Coen dengan sistem PID. Hasil tuning ditampilkan pada Tabel 4.4.

Karena ter-overwrite-nya file Microsoft Excel saat praktikum dengan data saat dilakukan

percobaan servo maka kurva respons tuning tidak dapat ditampilkan.

Tabel 4.4 Parameter Tuning Pengendalian Edibon Metode Cohen-Coen

Kc τi τD

P 0,2103

PI 0,0608 2,752

PID 0,1651 0,2053 0,0097

Setelah didapatkan parameter tuning tersebut pada laju alir sebesar 1,6, pengendalian

servo dilakukan dengan mengubah setpoint menajdi 1,8. Hasil yang didapatkan sistem

mengalami offset sebesar 3,33%, dibawah 5%. Oleh karena itu sistem sudah cukup baik

dan tidak dilakukan trial and error untuk parameter pengendalian. Perbandigan hasil

tuning dengan metode Ziegler-Nichols ditampilkan pada Tabel 4.5.

Tabel 4.5 Parameter Tuning Pengendalian Edibon Metode Ziegler-Nichols

Kc τi τD

P 0,5

PI 0,4545 0,041

PID 0,588 0,025 0,00625

Dengan menggunakan parameter PID tersebutm ketika set point diubah menajadi 1,8

maka didapatkan offset sebasar ~0%. Hal ini menunjukan metode Ziegler-Nichols lebih

baik untuk pengontrol flow dalam Edibon dengan menggunakan sistem PID.

4.3 Pengendalian Level – Tuning

Pada pengendalian level Edibon hanya dilakukan tuning karena waktu praktikum pada

alat tersebut sudah habis. Kurva respons ditampilkan pada Gambar 4.4. Karena proses

run harus diputus ditengah-tengah berjalannya praktikum, maka seperti ditampilkan pada

Gambar 4.3, belum terbentuk kondisi stabil sehingga tuning tidak dapat dilakukan. Oleh

karena itu tidak dapat diketahui besar nilai parameter sistem kontrol

Gambar 4.4 Kurva Respons Level Edibon – Cohen-Coen

0.000

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Leve

l

Waktu

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari praktikum ini didapatkan kesimpulan:

1. Untuk pengendalian tekanan pada miniplant dengan sistem PI didapatkan offset

5% untuk metode Ziegler-Nichols. Metode Cohen-Coen diprediksi lebih sesuai

untuk pengendalian pada sistem ini.

2. Untuk pengendalian tekanan pada miniplant dengan simulasi menggunakan

Simulink didapatkan bahwa pengendalian dengan sistem Proporsional saja

sudah cukup dengan nilai Kc yang didapat pada tuning.

3. Untuk pengendalian flow pada Edibon dengan sistem PID didapatkan offset

3,33% untuk metode Ziegler-Nichols dan 0% untuk metode Cohen-Coen. Dapat

disimpulkan bahwa metode Cohen-Coen lebih efektif untuk pengendalian flow

pada Edibon dengan sistem PID.

4. Untuk pengendalian level pada Edibon, tuning awal gagal dilakukan karena

habisnya waktu percobaan.

5.2 Saran

1. Sebelum praktikum agar dilakukan dry run yang jelas dan/atau adanya modul

yang jelas mengenai prosedur praktikum karena selama pelaksanaan praktikan

kesulitan dalam pengoperasian alat/computer.

2. Waktu praktikum ditambah agar semua praktikan dapat mencoba melaksanakan

penggunaan alat.

DAFTAR PUSTAKA

Stephanopoulos, G.; “Chemical process control: an introduction to theory and practice",

Prentice-Hall, 1984.

LAMPIRAN A

CONTOH PERHITUNGAN

A.1. Penentuan Tekanan dalam Satuan Bar

Satuan tekanan pada pressure plant pada layar komputer merupakan satuan bit

komputer. Nilai bit komputer tersebut berkisar antara 0-256 bit dengan rentang tekanan

4-20 bar. Dengan metode interpolasi linear, tekanan pada rentang tersebut dihitung

antara kedua titik ujung. Untuk set point 95 bit, maka nilai tekanan dalam satuan bar

adalah sebagai berikut:

A.2 Tuning Parameter Pengendalian dengan Cohen-Coen

A.3 Tuning Parameter Pengendalian dengan Zieger-Nichols