Bahan Pelajaran

Aplikasi Sistem Pengendalian ProsesHampir semua proses dalam industri membutuhkan peralatan-peralatan otomatis untuk mengendalian parameter-parameter prosesnya. Otomatisasi tidak saja digunakan untuk kelancaran operasi, keamanan, ekonomi, dan mutu produk, tetapi lebih jauh merupakan kebutuhan pokok, karena tidak mungkin menjalankan proses industri tanpa bantuan system pengendalian. Alat pengendalian proses otomatis berkembang dari pengendalian mekanik, kemudian pneumatik, elektronik dan pada masa kini adalah sistem pengendalian digital.

1. Terminologi UmumProses (Process)

Proses adalah tatanan peralatan yang mempunyai suatu fungsi tertentu, contoh heat exchanger, level tangki, dll. Input proses merupakan besaran yang dimanipulasi oleh final control element, input proses juga sering disebut manipulated variable.Controlled Variable

Controlled Variable adalah besaran atau variable yang dikendalikan. Besaran ini biasanya merupakan output dari proses atau sering disebut process variable.

Manipulated Variable

Manipulated variable adalah input dari suatu proses yang dapat dimanipulasi/ diubah-ubah besarnya sehingga nilai dari variable process berubah.

Disturbance

Disturbance adalah besaran lain selain manipulated variable yang dapat menyebabkan perubahan pada process variable. Besaran ini sering disebut load. Contoh disturbance pada pengendalian temperatur adalah perubahan pemakaian air panas.Sensing Element

Sensing element adalah bagian paling ujung dari suatu pengukuran. Contoh sensing element adalah thermocouple digunakan untuk pengukuran temperatur.

Transmitter

Transmitter adalah alat yang berfungsi untuk membaca sinyal dari sensing element, dan mengubahnya sehingga sinyal tersebut dapat dimengerti oleh controller atau indikator.

Measurement Variable

Measurement variable adalah sinyal yang keluar dari transmitter. Besaran tersebut digunakan untuk merepresentasikan besarnya sinyal pengukuran.

Set Point/ Set Value

Set point atau set value adalah adalah nilai yang diinginkan. Pada controller akan selalu dilakukan pengendalian sehingga besarnya process variable sama dengan set point.

Error

Error adalah selisih antara set point dengan process variable Error bisa mempunyai harga negatif atau positif.

Controller

Controller adalah alat pengendali yang difungsikan sebagai bagian utama dalam sistem pengendalian otomatis. Controller merupakan pengganti manusia dalam sistem pengendalian.Control Unit

Control unit merupakan bagian dari controller yang berfungsi untuk menghitung besarnya koreksi yang diperlukan. Pada control unit inilah ditentukan mode dan parameter-parameter dari sistem pengendalian.

Final Control Element

Final control element adalah bagian akhir dari insttrumentasi sistem pengendalian. Final control element berfungsi untuk mengubah nilai process variable yaitu dengan cara mengubah/ memanipulasi besarnya manipulated variable berdasarkan perintah dari controller. Peralatan final control element yang umumnya digunakan adalah control valve. 2. Pengendalian Manual

Pengendalian manual adalah pengendalian yang dilakukan oleh manusia. Pengendalian manual adalah bentuk pengendalian termurni, sederhana dalam menseting input ke proses pada nilai yang dinginkan dan memungkinkan proses menjadi stabil. Sebagai contoh, kita membuka valve untuk menyuplai uap ke heat exchanger sebesar 50% bukaan. Temperatur heat exchanger akan naik sampai stabil pada nilai tertentu yang diinginkan. Jika temperatur sangat tinggi kita harus mengurangi bukaan valve sedikit-sedikit sampai pada nilai temperatur yang diinginkan dicapai. Sebaliknya, bila temperatur sangat rendah kita harus menambah membuka valve sedikit-sedikit sampai pada nilai temperatur yang diinginkan dicapai. Pada pengendalian manual ini tidak ada feedback. Dengan kata lain tidak ada pengukuran temperatur pada heat exchanger dan kemudian membandingkannya dengan nilai set point yang diinginkan dengan menggunakan suatu instrumen. Oleh karena itu tipe pengendalian ini disebut pengendalian open loop karena tidak setiap waktu dilakukan perbaikan.Gambar 1 adalah diagram atau arsitektur pengendalian open loop (mode manual), dengan lup pengendalian yang digambar dalam bentuk diagram blok. Perlu diketahui bahwa sinyal pengukuran adalah terbuka atau tidak dihubungkan ke pengendali, maka pada lup ini tidak ada feedback.

Gambar 1. Pengendalian Manual

3. Pengendalian Otomatis

Pengendalian otomatis ini merupakan pengendalian lup tertutup (closed loop) ini berarti setiap waktu dilakukan perbaikan dengan melakukan pengendalian umpan balik (closed loop) yaitu dengan menggunakan peralatan-peralatan instrument. Pengendalian otomatis hanya dapat diimplementasikan jika semua instrumen yang diperlukan untuk lup pengendalian tersedia, seperti pada Gambar 2.

Gambar 2. Pengendalian Otomatis

Elemen-elemen instrumen tersebut adalah sebagai berikut :

Sebuah transmitter yang berguna untuk mengukur nilai proses.

Sebuah pengendali yang berfungsi untuk menbandingkan nilai proses terhadap nilai yang diinginkan dan kemudian akan menghitung sinyal manipulated variable yang diperlukan.

Sebuah final control element untuk mengatur input manipulated variable.

Sebuah proses.

Elemen-elemen tersebut merupakan elemen dari lup pengendalian dasar dan elemen-elemen tersebut harus dapat berkomunikasi antar alemen yang satu dengan elemen yang lain secara otomatis. Jika elemen yang satu bisa berkomunikasi dengan elemen yang lain didalam lup pengendalian ini maka sesungguhnya hal ini disebut feedback control loopatau lup pengendalian umpan balik. Disebut lup pengendalian umpan balik karena nilai proses selalu diumpan balikkan ke pengendali untuk dibandingkan secara terus menerus terhadap set point atau pada nilai yang diinginkan dan pengaturan final control elemen yang berhubungan dengan hasil perbandingan tesebut.4. Lup PengendalianLup pengendalian sederhana terdiri dari lima elemen seperti terlihat pada Gambar 3. Lima elemen tersebut adalah: proses, transmitter, Controller (pengendali), Final control element, media transmisi.

Gambar 3. Lup Pengendalian Umpan Balik Sederhana

a. Proses

Tujuan proses adalah membuat produk dengan kualitas dan kuantitas seperti yang diinginkan. Proses dapat berupa fungsi yang sederhana seperti cairan yang mengalir didalam pipa, atau atau suatu peralatan yang komplek seperti heat exchanger (alat penukar panas). Pada kebanyakan lup pengendalian, karakteristik proses diturunkan dalam bentuk persamaan matematis.

b. Pengukuran atau Transmiter

Tujuan pengukuran adalah mengukur nilai proses variabel, dan men-transmit nilai tersebut ke pengendali. Pengukuran tidak hanya interface antara proses dan pengendali, tetapi juga bagian interface antara proses dan operator manusia. Pengukuran biasanya mengandung transmiter yang digunakan untuk men-transmit atau mengirimkan sebuah sinyal analog atau sinyal digital yang nilainya sama dengan yang ditunjukkan oleh besarnya proses variabel.

Dalam banyak hal, pengukuran terdiri dari transmiter tunggal, seperti pressure transmitter. Pada saat pengukuran mungkin alatnya lebih komplek, seperti gas chromatographi atau beberapa tipe alat lain seperti chemical analyzer.

c. Pengendali

Gambar 4. Diagram Blok PengendaliFungsi utama pengendali adalah membandingkan secara terus menerus sinyal pengukuran terhadap sinyal yang diinginkan atau set point dari variabel yang dikendalikan. Ketika ada perbedaan antara set point dan sinyal pengukuran, maka pengendali melaksanakan aksi koreksi dengan merubah outputnya, yaitu dengan merubah atau memutar gerakan final control element. Pada Gambar 4, pengendali ditunjukkan dalam bentuk dua blok terpisah, yaitu sebuah blok penjumlahan dan sebuah blok mode pengendali.

Penjumlah biasanya juga disebut detektor error. Detektor error ini membandingkan antara set point dengan sinyal pengukuran, sehingga besarnya error sama dengan selisih antara sinyal set point dengan sinyal pengukuran. Dan Blok mode pengendali beraksi terhadap sinyal error untuk menentukan sifat sinyal output pengendali. Mode pengendali bisa berupa proportional, integral dan derivative (PID Controller).

d. Final Control Element

Final control element adalah suatu alat yang mengatur suplai material dan atau energi untuk mempengaruhi nilai yang diinginkan dari proses variabel. Sangat sering yang dimaksud final control element adalah control valve, tetapi tidak semuanya begitu, seperti conveyer belt, motor variable speed drive atau compressor inlet guide vane adalah semua contoh lain dari final control elelement. Final control element dapat terdiri dari bebeapa komponen. Sebagai contoh, sebuah control valve mungkin mempunyai empat komponen yang berhubungan dengannya: transduser arus menjadi tekanan, positioner, valve actuator, dan valvenya sendiri.e. Media Transmisi

Media transmisi diperlukan untuk men-transmit (menyalurkan/mengirimkan) sinyal yang dihasilkan oleh masing-masing instrumen didalam lup dari suatu tempat ke tempat yang lain. Sinyal tersebut menggambarkan nilai variabel engineering didalam lup.

Ada dua tipe media transmisi yang umumnya digunakan, yaitu:

1. pneumatik

2. elektronik

* Pneumatik

Sebelum dikembangkan sistem elektronik, media pneumatik sangat umum digunakan, namun sekarang sudah menurun drastis. Sinyak pneumatik ditransmisikan menggunakan tubing dengan range 3 15 psig atau 20 -100 kPa. Sinyal 20 -100kPa tidak merupakan konversi langsung dari 3 15 psig tetapi dianggap mendekati ( 3 psig = 20,685 kPa, 15 psig = 103,425 kPa).

Biasanya, udara instrumen dikondisikan untuk tujuan sebagai media transmisi, meskipun ada fluida pneumatik yang lain seperti gas alam. Walaupun transmisi pneumatik sekarang ini tidak atau kurang umum, namun masih tetap pilihan utama untuk control valve posisioner.

* Elektronik

Media elektronik yang digunakan secara tradisionil ialah arus dengan range 4 20 mA (dc). Sinyal arus secara normal ditransmisikan dengan kabel terbungkus atau twisted cable. Biasanya, sinyal arus dirubah menjadi sinyal tegangan pada alat penerima melalui sepasang resistor yang presisi yang dihubungkan seri pada lup tersebut. Range yang umum digunakan ialah 1 5 volt dc, walaupun tegangan yang lain mungkin digunakan. Range 1 5 volt dc ditimbulkan oleh arus 4 20 mA dc dengan menghubungkan resistor sebesar 250 ohm.Bentuk sinyal lain yang dapat dianggap sinyal elektronik ialah, transmisi suatu nilai dalam bentuk kode digital. Karena banyak sinyal yang ditransmisikan kesisitem pengendalian pada saat ini, dimana diperlukan dengan kecepatan transmisi data yang besar. Kecepatan transmisi sering disebut "baud" rate. 5. Aplikasi Lup Pengendalian* Variabel Proses atau Variabel yang dikendalikan (Variabel Pengendalian)Variabel proses atau variabel yang dikendalikan adalah variabel dimana nilainya harus dipertahankan pada nilai tertentu. Sebagai contoh, kita dapat memanipulasi aliran cairan kedalam tangki untuk mengatur level yang ada didalam tangki. Level yang ada didalam tangki adalah variabel yang dikendalikan atau variabel proses. Variabel proses adalah nilai variabel yang diukur dengan menggunakan transmiter dan mengirimkannya ke pengendali agar dipantau dan pertahankannya. Ada empat variabel proses yang umum yaitu : temperatur, tekanan, flow dan level.

* Variabel Suplai

Variabel suplai pada proses ialah veriabel dimana nilainya dikendalikan oleh final control element. Beberapa contoh umum ialah aliran uap ke heat exchanger untuk proses thermal, aliran cairan atau aliran gas didalam pipa untuk proses flow atau proses tekanan atau aliran cairan kedalam tangki untuk proses level. Variabel suplai adalah faktor dominan dalam menentukan nilai variabel yang dikendalikan atau variabel proses, meskipun tidak hanya variabel itu saja. Variabel ini sering disebut manipulated variable. Variabel ini nilainya diatur dengan final control elemenet.

* Beban Proses

Beban proses adalah variabel yang cenderung merusak nilai proses. Beban proses tidak merubah nilai manipulated variable. Sebagai contoh, pada proses level dimana kita memanipulasi aliran kedalam tangki. Cairan yang mengalir keluar dari tangki mempunyai kecepatan tertentu. Air yang mengalir keluar dari tangki adalah beban proses. Suatu perubahan pada aliran cairan yang keluar adalah pengganggu proses. Lup pengendalian diimplementasikan untuk menghilangkan pengaruh gangguan pada proses tersebut. Contoh lain pada proses thermal dioperasikan dengan menyuplai uap ke heat exchanger, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 5. Aliran uap adalah manipulated variable. Temperatur produk aliran yang keluar dari heat exchanger adalah variabel yang dipengendalian (variabel control) atau variabel proses. Beban pada proses adalah sejumlah panas yang hilang ke udara luar dari heat exchanger, atau nilai panas (enthalphy) dari uap, atau temperatur produk yang dipanaskan didalam heat exchanger. Suatu perubahan nilai beban adalah gangguan terhadap lup.

Gambar 5. Heat Exchanger Sederhana

* Set Point atau Set ValueSet Point atau Set Value adalah istilah yang digunakan untuk nilai yang kita inginkan pada variabel yang dipengendalian untuk dipertahankan. Set point dapat dinyatakan dalam persen (%) pada satuan engineering. Sebagai contoh proses level pada Gambar 6, pada gambar tersebut menunjukkan tinggi tangki terbuka 10 ft dan span pengukuran 8 ft (1 ft off dari bagian bawah tangki dan 1 ft off dari bagian atas tangki). Set point pada pengendali dapat dalam satuan engineering ft atau persen (%) dari span. Apabila ditentukan set point adalah 4 ft, maka sistem akan mempertahankan level cairan didalam tangki 5 ft. Dan apabila dinyatakan dalam persen , maka set point 50% juga akan mempertahankan level cairan didalam tangki 5 ft. Tetapi tidak semua pengendali dapat menampilkan dan menggunakan set point dalam skala satuan engineering. Pengendali elektronik analog dan pneumatik menggunakannya dalam skala persen (%). Hanya dalam pengendali digital yang menggunakan set point dalam satuan engineering. Sehingga apabila digunakan skala persen (%) operator harus tahu span variabel yang dikendalikan jika ia perlu tahu nilai engineering nyata dari set point atau proses variabel.

Gambar 6. Proses Level Sederhana

* Umpan Balik atau Feedback

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya pengendalian bekerja secara otomatis maka harus ada feedback dari nilai proses pada pengendali. Dengan kata lain, nilai proses harus diukur dengan transmiter dan nilai ini harus dikirim ke pengendali untuk dibandingkan dengan set point. Dan yang terpenting adalah mengapa feedback ini berbentuk negatif feedback. Negatif feedback berarti bahwa jika lup pengendalian mengalami upset kearah positif, maka aksi pengendali akan mengurangi upset positif atau dengan kata lain meresponse kearah negatif. Hal yang sama, jika upset pada arah negatif maka response akan menuju kearah positif. Hal ini berarti respon pengendali dilakukan selalu memberikan aksi pengendali berlawanan dengan perubahan process variable, sehingga pada akhirnya akan memperkecil error. Sehingga jika ada error atau selisih antara proses dan set point, maka pengendali akan melakukan aksi koreksi untuk mengurangi error tersebut. Pengendali dapat beraksi mengurangi atau menambah output tergantung ukuran error-nya dan apakah error-nya positif atau negatif. Perubahan output pengendali akan menyebabkan final control element berubah posisi, yang kemudian akan merubah aliran energi atau material ke proses.* Elemen Direct/ Reverse

Setiap pengendali pasti mempunyai elemen direct/ Reverse, hal ini difungsikan untuk menciptakan negatif feedback pada lup pengendalian sehingga pengendalian tersebut akan dapat dioperasikan secara normal. Dan apabila sistem pengendalian dioperasikan positif feedback, maka sistem pengendalian proses tersebut pasti terjadi tidak stabil, karena variabel proses akan menuju ke kondisi ekstrim (minimum atau maksimum).

Gambar 7. Contoh Sistem Pengendalian Positif Feedback

Gambar 8. Contoh Sistem Pengendalian Negatif Feedback

Contoh dari sistem pengendalian dengan positif feedback dapat dilihat pada Gambar 7. Pada gambar ini diperlihatkan bahwa tiap-tiap komponen mempunyai aksi direct, sehingga apabila terdapat error pada sistem tersebut sistem akan menuju ke posisi ekstrim. Dan Contoh dari sistem pengendalian dengan negatif feedback dapat dilihat pada Gambar 8. Pada gambar ini diperlihatkan bahwa 3 komponen mempunyai aksi direct dan terdapat sebuah komponen mempunyai aksi reverse sehingga secara keseluruhan sistem merupakan negatif feedback, sehingga apabila terdapat error pada sistem tersebut sistem akan melakukan perbaikan yang pada akhirnya akan memperkecil error.

Metode untuk menentukan aksi lup pengendalian adalah sangat sederhana. Jika perubahan positif pada elemen input menghasilkan perubahan positif pada outputnya, maka aksi pengendali adalah direct. Dan dengan cara yang sama perubahan negatif pada input akan menghasilkan perubahan negatif pada outputnya, maka aksi pengendali tersebut direct. Dan sebaliknya jika ada perubahan positif pada input yang akan menghasilkan perubahan negatif pada outputnya, maka aksi pengendali tersebut reverse. Dan dengan cara yang sama, perubahan negatif pada input yang akan menghasilkan perubahan positif pada outputnya, maka aksi pengendali tersebut reverse. Gambar 9 menunjukkan perbedaan antara aksi direct dan aksi reverse.

Gambar 9. Aksi Direct dan Aksi Reverse

Pada pengendali untuk merubah aksi direct atau reverse dapat dilakukan dengan sangat mudah. Pada pengendali elektronik biasanya aksi pengendali dapat dirubah dengan merubah posisi switch secara sederhana, sedang untuk pengendali digital dengan merubah konfigurasi blok fungsi. Oleh karena itu untuk melakukan perubahan aksi sehingga sistem pengendalian menjadi negatif feedback biasanya dilakukan dari pengendali. Tiap-tiap komponen dalam sistem pengendalian, mempunyai sifat sebagai berikut:

Transmitter, Jika input transmitter naik dan kemudian outputnya juga naik, maka transmitter tersebut mempunyai aksi direct. Pengendali, jika input pengendali (sinyal pengukuran) naik dan outputnya juga naik, maka pengendali tersebut mempunyai aksi direct. Pada Gambar 10 dan 11 adalah diagram blok yang menggambarkan aksi pengendalian yang ditentukan oleh pengendali.

Gambar 10. Blok Diagram Pengendali Aksi Direct

Gambar 11. Diagram Blok Pengendali Aksi ReverseBlok penjumlahan, yang digambarkan dengan simbol (, menentukan aksi pengendali. Output blok penjumlahan disebut error dan disingkat dengan e. Set point disingkat dengan huruf r, dan sinyal pengukuran disingkat dengan huruf b. Untuk sinyal b dan r masing-masing diberi tanda positif (+) dan negatif (-). Jika b positif aksi pengendali adalah direct berarti dengan mengingkatnya sinyal pengukuran akan menyebabkan meningkatnya output pengendali. Dan sebaliknya jika b negatif aksi pengendali adalah reverse berarti dengan mengingkatnya sinyal pengukuran akan menyebabkan menurunnya output pengendali. Final Control Element, Jika input ke control valve naik dan output atau flow yang melewati valve tersebut juga naik, maka control valve tersebut mempunyai aksi direct, atau Air to Open (ATO). Jika input ke control valve naik dan flow dari valve tersebut menurun, maka control valve tersebut mempunyai aksi reverse atau Air to Closed (ATC). Proses, Kita akan menggunakan proses level sebagai contoh, seperti pada Gambar 12. Aliran cairan yang dikendalikan adalah aliran pada bagian outflow tangki untuk mempertahankan level didalam tangki. Jika aliran outflow ditambah/ dinaikkan maka level akan turun. Sehingga proses tersebut mempunyai aksi reverse. Sehingga jika kita mengontrol aliran cairan keluar dari tangki untuk mempertahankan level, seperti pada Gambar 12, maka pengendali harus ditentukan mempunyai aksi reverse.

Gambar 12. Contoh Aksi Lup Pengendalian Level15