TUGAS PENGENDALIAN PROSES

“Pengendalian Akhir”

Disusun untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Pengendalian Proses

Disusun Oleh :

1. Sofiyani Br ginting (21030112060008) Angkatan 2013

2. Octavia Indah L (21030113060024) Angkatan 2013

3. Ifa Virdiyas Muna C (21030113060053) Angkatan 2013

4. Risky Ariqoh (21030114060 014) Angkatan 2014

5. Finandhita Hayu P (21030114060015) Angkatan 2014

PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA

PROGRAM DIPLOMA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2015

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat

dan hidayah-Nya sehingga kami dapat menyusun makalah “PENGEDALIAN

PROSES(Pengendalian akhir)” ini. Makalah ini disusun untuk memenuhi tugas Tugas

Pengendalian Proses.

Dalam menyusun makalah ini, kami mendapat bantuan dari berbagai pihak. Untuk

itu, kami mengucapkan terima kasih sebanyak-banyaknya kepada pihak-pihak yang

telah membantu kami dalam menyusun makalah ini.

Dalam penyusunan makalah ini tentu banyak sekali kekurangan baik dari segi isi

maupun penulisan. Jadi, besar harapan kami atas kritik dan saran yang bersifat

membangun dari para pembaca sehingga dapat menjadi suatu masukan untuk

kesempurnaan makalah-makalah berikutnya. Semoga makalah ini bisa bermanfaat bagi

para pembaca.

Semarang, 11 April 2015

Penyusun

i

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ……………………………………………………………………… i

Daftar Isi …………………………………………………………………………… ii

BAB I Pendahuluan ………………………………………………………………… 1

1.1 Latar Belakang………………………………………………………….. 1

1.2 Rumusan Masalah …..…………………………………………………… 2

1.3 Tujuan Makalah ………………………………………………………… 2

BAB II Tinjauan Pustaka ………………………………………………………….. 3

2.1 Butterfly Valve …………………………………………………………. 3

2.2 Ball Valve ……………………………………………………………… 5

2.3 Karakteristik dan Gain Cotrol Valve ………………………………….. 6

2.4 Karakteristik Control Valve pada Sistem Pipa ………………………… 8

2.5 Valve Positioner ………………………………………………………... 9

BAB III PENUTUP ……………………………………………………………….. 15

3.1 Kesimpulan …………………………………………………………….. 15

3.2 Saran …………………………………………………………………… 15

DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………………… 16

ii

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Di dalam dunia industri, dituntut suatu proses kerja yang aman dan berefisiensi

tinggi untuk menghasilkan produk dengan kualitas dan kuantitas yang baik serta dengan

waktu yang telah ditentukan. Otomatisasi sangat membantu dalam hal kelancaran

operasional, keamanan (investasi, lingkungan), ekonomi (biaya produksi), mutu produk,

dll.

Ada banyak proses yang harus dilakukan untuk menghasilkan suatu produk sesuai

standar, sehingga terdapat parameter yang harus dikontrol atau di kendalikan antara lain

tekanan (pressure), aliran (flow), suhu (temperature), ketinggian (level), kerapatan

(intensity), dll. Gabungan kerja dari berbagai alat-alat kontrol dalam proses produksi

dinamakan sistem pengontrolan proses (process control system). Sedangkan semua

peralatan yang membentuk sistem pengontrolan disebut pengontrolan instrumentasi

proses (process control instrumentation). Dalam istilah ilmu kendali, kedua hal tersebut

berhubungan erat, namun keduanya sangat berbeda hakikatnya.

Alat pengendalian yang umum digunakan adalah Programmable Logic

Controller (PLC). Alat ini digunakan untuk membaca input analog maupun digital,

melakukan serangkaian program logika, dan menghasilkan serangkaian output analog

maupun digital. Pada kasus sistem pengaturan temperatur, temperatur ruangan menjadi

input bagi PLC. Pernyataan-pernyataan logis akan membandingkan setpoint dengan

masukan nilai temperatur dan menentukan apakah perlu dilakukan penambahan atau

pengurangan pendinginan untuk menjaga temperatur agar tetap konstan. Output dari PLC

akan memperbesar atau memperkecil aliran keluaran udara pendingin bergantung pada

kebutuhan. Untuk suatu sistem pengendalian yang kompleks, perlu digunakan sistem

pengendalian yang lebih kompleks daripada PLC. Contoh dari sistem ini

adalah Distributed Control System (DCS) atau sistem SCADA.

1

1.2Tujuan

Tujuan dalam pembuatan makalah ini yaitu ;

1. Memenuhi standar kompetensi yang telah ditetapkan pada mata kuliah Pengendalian

Proses

2. Menambah wawasan khususnya bagi mahasiswa akan sistem pengendali akhir

3. Mengetahui manfaat dari pengendali akhir

1.3 Rumusan Masalah

1. Apa itu pengendali akhir ?

2. Bagaimana prinsip kerja pengendali akhir ?

3. Apa saja kelebihan dan kekurangan dari penggunaan pengendali akhir ?

2

BAB II

ISI

2.1 Butterfly Valve

Karena cara kerjanya yang menyerupai sayap kupu-kupu, ada control valve yang

dinamai butterfly valve, kata katup sebagai terjemahan dari kata valve boleh jadi bermula

dari bentuk butterfly valve ini .

Butterfly valve banyak dipakai di dalam proses-proses yang membutuhkan flow

yang besar serta fluida-fluida yang banyak mengandung partikel. Sebuah katup kupu-

kupu ini biasa digunakan untuk mengisolasi atau mengatur aliran . katup ini mirip

dengan ball valve karena yang memungkinkan cepat dimatikan . fungsinya adalah untuk

mengatur kedudukan piringan (keping) yang dapat berputar pada porosnya.

butterfly valve merupakan jenis perangkat control aliran, digunakan untuk

membuat awal cairan atau berhenti mengalir melalui bagian pipa. Bentuk penyekatnya

adalah piringan yang mempunyai sumbu putar di tengahnya . Dulu, butterfly valve

kurang dipercaya untuk pemakaian yang membutuhkan kerapatan penuh,karena bidang

kontak yang kecil kurang menjamin terpenuhinya kebutuhan tersebut. Namun, kini

masalah ini sudah dapat di atasi oleh banyak pabrik pembuat dengan menciptakan

konstruksi-konstruksi khusus. Katup butterfly umumnya disukai karena biayanya murah

dan juga ringan karena bentuknya yang sederhana.

Karena cara kerjanya yang menghendaki gerak berputar, actuator untuk butterfly

valve juga harus dari jenis rotary. Gerakanya akan membentuk sudut dari 0oC sampai

90oC. Bilamana hubungan antara sudut putar (rotation) dan persentasi flow yang lewat

valve digambarkan pada sumbu koordinat xy, akan didapat karakteristik butterfly valve

seperti pada gambar di bawah ini .

3

4

2.2 Ball Valve

Bentuk umum dari Ball valve adalah seperti yang ditunjukan pada gambar. Lubang di

bola bisa sebesar diameter pipa (full bore) atau bisa juga lebih kecil dari diameter pipa (reduced

bore). Ball valve mempunyai kerapatan yang prima pada waktu tertutup rapat, karena bidang

kontak antara seal dan ball jauh lebih lebar dibandingkan butterfly valve.Sayangnya ball valve

jenis ini tidak dapat digunakan sebagai control valve, atau untuk throttling (‘mencekik” flow).

Bibir bola jenis ini akan cepat aus bilamana harus memotong aliran fluida.

Untuk mengatasi kelemahan ball valve, bentuk bolanya kemudian dimodifikasi menjadi

seperti tempurung, atau helm. Kata ball,kemudian, sebenarnya menjadi kurang tepat lagi karena

bentuk bolanya kini tidak bulat penuh. Konstruksi semacam ini terbukti sangat tangguh karena

kemampuanya memotong aliran fluida dari aliran yang kecil sampai aliran yang besar .

Pengaturan debit aliran fluida dilakukan dengan mengatur bagian berbentuk bola yang dapat

berputar pada porosnya . pemutaran bola ini mengakibatkan perubahan letak celah sehingga debit

air yang melalui celah tersebut dapat diatur . Oleh karena itu, control valve jenis ini biasanya

mempunyai rangeability yang cukup lebar.Keuntungan lain jenis ini adalah kerapatannya pada

keadaan tertutup penuh. Hal itu disebabkan karena bidang kontak antara seal dan ball masih tetap

cukup lebar.

Control Valve jenis ini kemudian disebut characterized ball valve karena bagian dari

bola yang harus memotong aliran fluida disebuth notch-dibentuk sesuai dengan kebutuhan

karakteristik flow-nya .Notch itu ada yang berbentuk huruf “U” , huruf “V”, atau parabola . Oleh

karena itu, mereka masing-masing disebut U-notch , V-notch , atau parabolic.

5

Kedua jenis katup ini yaitu butterfly dan ball valve merupakan jenis katup aliran fluida bolak-

balik

2.3 Karakteristik dan Gain Cotrol Valve

Dari penjelasan sebelumnya telah diketahui bahwa ada banyak macam

karakteristik control valve. Mulai dari linear, equal percentage, quick opening, butterfly,

sampai characterized ball valve dengan V-notch, dan U-notch dan parabolic. Seperti yang

sudah diterangkan, semua karakteristik tersebut diciptakan para ahli untuk

mengkopensasi ketidaklinieran yang ada pada elemen proses. Walaupun pada akhirnya

6

yang menjadi kunci sistem pengendalian adalah gain sistem closed loop, namun gain

control valve merupakan salah satu faktor yang memberikan kontribusi langsung ada gain

seluruh loop. Untuk itu, sangatlah perlu untuk mempelajari gain control valve dan semua

aspek yang berhubungan dengannya.

Gain sebuah control valve didefinisikan sebagai perbandinga antara besarnya

perubahan flow terhadap besarnya perubahan bukaan control valve (valve stroke). Untuk

karakteristik yang lincar, sudah barang tentu gain juga akan tetap dan tidak tergantung

didaerah kerja mana pun. Tetapi, untuk karakteristik yang tidak linear, besarnya gain

akan tergantung didaerah mana sistem bekerja. Secara umum gain sebuah control valve

Gp = ∆ F

∆ % stroke

Untuk control valve yang linear, gain sama dengan

Gp= Fmax100 %

Kemudian untuk control valve yang tidak linear, gain didefinisikan sebahgai

kemiringan (slope) dari kurva karakteristik dititik dimana sistem bekerja. Misalnya

sebuah control valve dengan karakteristik equal percentage ternyata kemiringan kurva

karakteristik equal percentage akan, tepat sama dengan satu didaerah bukaan (opening)

sekitar 60%; akan sangat kecil didaerah bukaan 25%; dan akan sangat besar didaerah

bukaan diatas 75%.

Selain dngn cara grafis seperti yang diterangkan diatas, gain control valve dapat

juga dicari melalui perhitungan. Kurva control valve dengan karakteristik equal

percentage ternyata memenuhi persamaan sebagai berikut :

F = R m-1

Dimana f adalah flow keluar dari control valve, R adalah rangeability dan m

adalah persentasi bukaan control valve. Perhatikan bahwa pada m = 0, maka f = 0,02 dari

Fmax.

7.

Artinya, flw minimum yang dapat dikendalikan oleh control valve tersebut adalah 0,02 x

Fmax.

Secara matematis gain control valve dengam karakteristik equal percentage

besarnya adalah :

dfdm = f ln R

Dengan demikian gain sebuah control valve dengan karakteristik equal

perecentage adalah :

Gr = In Rf Fmax100

Dari kedua pendekatan diatas dapat ditarik kesimpulanbahwa gain control valve

dapat dicara secara grafis maupun perhitungan matematik. Yang jelas, dalam banyak hal,

gain control valve, pada dasarnya perlu dibuat untuk mengkompensasikan ketidaklinieran

yang sempurna tidak akan pernah diperoleh. Oleh karena itu, apabila karena sesuatu

bahwa control valve yang baru mempunyai karakteristik yang sama dengan control valve

yang digantikannya.

Masalah gain dan karakteristik control valve menjadi lebih kompleks karena

ternyata kedua parameter tersebut akan terpengaruh dan berubah dengan adanya drop

presurre disistem pipa. Ikutilah penjelasan yang membahas perihal ini.

2.4 Karakteristik Control Valve pada Sistem Pipa

Semua karakteristik yang ada ternyata akan berubah setelah control valve

dipasang disuatu sistem pipa (piping). Perubahan karakteristik itu disebabkan karana

adanya presurre drop disistem pipa. Ambil sebagai contoh sebuah sistem pipa dan control

valve disebuah sistem pengendalian level.

Andai kata dalam sistem tekanan P1 dan P2 tetap pada keadaan flow berapa saja.

Pada keadaan flow normal, distribusi tekanan 50% ada pada sistem pipa (∆p-pipa) dan

50% lainnya ada pada control valve (∆p-valve) yang mempunyai karakteristik linear.

8

Bagaimana flow harus naik 20% dari keadaan normal, tentu saja drop presurre disistem

pipa (∆p-pipa) akan menjadi lebih besar dari 50%. Katakanlah kenaikan 20% flow akan

membuat (∆p-pipa) menjadi 1,4 kali dari sebelumna 1,4 x 50% = 70%. Karena (∆p-pipa)

sekarang menjadi 70% ∆p. Valve tinggal 30%. Padahal, untuk menaikan flow sebanak

20% selayaknya ∆p valve juga harus naik sebesar 20%.

Kesimpulannya, untuk menaikan flow sebanyak 20%, contro valve harus

menambah bukaan lebih besar dari 20% untuk mengkompensasi (∆p-pipa). Hal inilah

yang menyebabkan pola karakteristik control valve ideal yang dibahas didalam subbab 5.

Menjadi berubah. Pada pembahasan karakteristik ideal , control valve dianggap tidak

terpasang dirangkaian sistem pipa sehingga ∆p-valve dianggap sama pada bukaan berapa

pun. Dengan adanya rangkaian sistem pipa, maka (∆p-valve) menjadi bervariasi akibat

berubahnya bukaan valve. Sebagai akibat dari semua keadaan itu, karakteristik ideal

control valve berubah bilamana control valve terpasang disustu sistem ipa. Sudah barang

tentu, peribahan karakteristik itu akan sangat tergantung pada pangjang pendeknya pipa,

serta konfigurasu pipa. Pada dasarnya perubahan itu tergantung pada besarnya di P.pipa.

Pada saat control valve tertutup rapat, (∆p-valve akan menjadi maksmal;

selanjutnya drop presure disaat itu disebut ∆p max. Kemudian pada saat control valve

terbuka penuh, sebagian besar drop presure akan ada disistem pipa, sehingga (∆p-valve)

memnjadi minimal; selanjutnya drop presurre itu disebut (∆p-min)s

2.5 Valve Positioner

Terdapat beberapa kelemahan pada control valve pneumatic, misalnya

keterlambatan system transmisi, kelemahan actuator, dan hysterisi. Keterlambatan system

transmisi dapat diabaikan bilamana digunakan instrumentasi elektronik. Dalam banyak

hal, keterlambatan transmisi pneumatic bisa diabaikan (menjadi tidak dominan) terhadap

keterlambatan elemen proses lain. Namun, hysteresis yang merupakan kelemahan

mekanisme bawaan tidak dapat diabaikan begitu saja. Akibat hysteresis semakin menjadi

menonjol dengan semakin besarnya ukuran control valve.

9

Timbulnya gejala hysteresis pada control valve ditandai dengan bukaan control

valve yang tergantung pada arah naik atau turunnya sinyal. Pada waktu sinyal naik dari

25% menuju 50%, control valve tidak akan berhenti tepat di posisi 50%, tetapi kurang dar

50%, misalnya 48%. Hal itu disebabkan oleh kelemahan mekanisme yang ada pada

gabungan diaphragm, pegas, dan gesekan stem terhadap packing. Sebaliknya, pada waktu

sinyal turun dari 75% menjadi 50%, control valve juga tidak akan berhenti tepat di posisi

50%, tetapi lebih dari 50%, misalnya 52%.

Selain hysteris, control valve juga mempunyai kelemahan repeatability. Hal ini

juga disebabkan karena kelemahan mekanis gabungan ketiga komponen tersebut.

Akibatnya, hysteresis pada control valve seperti gambar dibawah, karena mengandung

unsure repeatability.

Hysterisis akan selalu ada karena sifat mekanisme actuator dan mekanisme valve.

Itulah sebabnya, kerja control valve tidak dapat diharapkan sangat teliti. Hysterisis akan

menjadi lebih parah bilamana ada kerusakan di salah satu komponen mekanisme actuator

atau valve, misalnya adanya kebocoran di bagian diaphragm atau adanya erosi di bagian

stem. Kalau hysteresis sudah terlalu besar, bukannya mustahil response seluruh loop

menjadi terpengaruh. Hal itu disebabkan karena gain control valve yang menjadi sangat

berbeda untuk sinyal turun dan sinyal naik.

10

Akibatnya, response yang overdamped pada waktu load bertambahbisa menjadi

underdamped pada waktu load berkurang. Ekstrimnya, loop akan tetap stabil pada waktu

ada pertambahan load, dan menjadi tidak stabil pada waktu ada pengurangan load.

Bilamana keadaan ekstrim itu benar-benar terjadi, hampir pasti hysteris dating

bukan dari hakikat kelemahan mekanisme control valve, melainkan karena adanya

kerusakan yang cukup parah di salah satu komponen mekanik. Pada control valve tipe

rotary misalnya, kelonggaran atau kerusakan bagian engsel (turn buckle) seringkali

mengakibatkan hysteresis berlebihan seperti diatas. Salah satu cara untuk menanggulangi

hysteresis adalah dengan memakai valve positioned. Prinsip kerja valve positioner sama

dengan kerja sebuah controller, dimana set point adalah sinyal manipulated variable dari

controller dan process variable-nya adalah posisi bukaan control valve.

Ada lima komponen dasar pada valve positioned, yaitu fixed orifice, nozzle dan

baffle, slotted pivot (elongated slot), bellows, dan pegas (spring). Fixed orifice

(restriction) yang berfungsi menghambat tekanan sumber (air supply), sehingga tekanan

yang bekerja pada diaphragm adalah tekanan sumber dikurangi kebocoran di nozzle.

Bellows berfungsi sebagai penerjemah tekanan pneumatic ke besaran gerak, komponen

ini mirip dengan bagian tengah sebuah arkodion. Nozzle dan baffle berfungsi untuk

membocorkan sebagian tekanan pneumatic yang bekerja pada diaphragm. Elongated slot

berfungsi sebagai engsel untuk menjaga agar baffle bebas naik turun seirama dengan

gerak stem tetapi tidak sampai menarik bellows keluar dari tempat kedudukannya.

Kerja valve positioned pada dasarnya adalah menjaga agar baffle selalu tegak

lurus terhadap nozzle. Andaikan valve positioner dipasang di sebuah control valve FC.

Bila sinyal ke bellows bertambah, bellows akan mekar tetapi ia harus terlebih dahulu

melawan tegangan pegas untuk mencapai kedudukan yang baru. Gerak ini diikuti baffle

dengan lebih menutup nozzle sehingga tekanan ke diaphragm naik. Tetapi, di lain pihak

stem harus melawan tekanan pegas, tekanan fluida di dalam valve, dan gesekan stem

terhadap packing. Namun, dengan adanya valve positioner tekanan ke diaphragm akan

terus ditambah sampai baffle kembali tegak lurus terhadap nozzle.

11

Bilamana nozzle tegak lurus terhadap baffle, berarti posisi stem tepat sama

dengan posisi bellows yang dalam hal ini berarti tepat sama dengan persentasi sinyal.

Kunci sukses kerja valve positioner ada di bagian elongated slot dan nozzle-baffle.

Mekanisme ini berfungsi untuk menjaga agar sebelum nozzle tegak lurus terhadap baffle,

selama itu pula tekanan ke diaphragm ditambah. Hasil akhir kerja mekanisme ini adalah

terjaminnya posisi control valve yang selalu sesuai dengan yang diperintahkan controller.

Tidak peduli pada tinggi rendahnya tekanan fluida proses, sehingga hysteresis dapat

ditekan seminimal mungkin.

Salah satu manfaat valve positioner yang belum diterangkan adalah mempercepat

reaksi control valve, sehingga lag time dapat diperkecil. Valve positioner hampir selalu

dipasang di control valve ukuran besar atau bilamana tekanan fluida proses cukup tinggi.

Dari cara kerjanya, dapat diketahui bahwa tekanan pneumatic yang dating dari valve

positioner bisa saja lebih tinggi dari 3-15 psi. Oleh karena itu, bila control valve

dilengkapi dengan valve positioner, bench set-nya kemungkinan besar tidak 3-15 psi lagi.

Sesungguhnya, mekanisme karja valve positioner jauh lebih rumit dari yang

sudah dijelaskan di atas. Setiap pabrik mempunyai rancangan tersendiri sehingga mereka

mempunyai cara kerja yang juga bermacam-macam.

12

Karena valve positioner itu sebenarnya adalah sebuah controller, kalau digambar

dalam diagram kotak, selayaknya control valve dengan positioner diwakili oleh sebuah

elemen closed loop.

Itulah sebabnya, hampir semua elemen yang ada di suatu system pengendalian

mempunyai phase shift. Pada keadaan-keadaan (frekuensi) tertentu, phase shift semua

elemen itu bisa saja menjadi 360o yang akhirnya membawa system pada keadaan tidak

stabil.

Pada aplikasi selanjutnya, valve positioner tidak saja dipakai sebagai penambah

daya ke actuator atau sebagai sarana untuk mengurangi hysteresis, ia juga sering dipakai

sebagai signal charaterizer. Control valve yang linear dapat dibuat menjadi tidak linear,

yang tidak linear menjadi linear dan yang direct acting menjadi reverse acting atau

sebaliknya.

13

Hal itu dicapai hanya dengan menambahkan sebuah valve positioner. Beberapa

valve positioner bahkan dilengkapi dengan beberapa cam yang dapat dipilih untuk

membentuk karakteristeik valve manapun.

Cam biasanya dibuat dari pelat besi dengan ketebalan sekitar 1-2 mm, dipotong

secara khusus agar bagian luarnya membentuk kurva dengan lengkungan tertentu. Cam

dipasang di valve positioner sebagai pengganti mekanisme elongated slot. Karena cam

ini, hubungan antara sinyal input (yang masuk ke bellows) dengan gerak valve stem

menjadi tidak linear lagi. Hal ini sengaja dibuat agar karakteristik valve secara

keseluruhan menjadi linear.

14

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Ada banyak proses yang harus dilakukan untuk menghasilkan suatu produk sesuai

standar, sehingga terdapat parameter yang harus dikontrol atau di kendalikan antara

lain tekanan (pressure), aliran (flow), suhu (temperature), ketinggian (level),

kerapatan (intensity), dll. Alat pengendalian yang umum digunakan

adalah Programmable Logic Controller (PLC). Alat ini digunakan untuk membaca

input analog maupun digital, melakukan serangkaian program logika, dan

menghasilkan serangkaian output analog maupun digital. Untuk suatu sistem

pengendalian yang kompleks, perlu digunakan sistem pengendalian yang lebih

kompleks daripada PLC.

3.2 Saran

Demikian yang dapat kami paaparkan mengenai materi Pengendalian Akhir.

dalam makalah ini, tentunya masih banyak kekurangan dan kelemahannya, kerena

terbatasnya pengetahuan dan kurangnya rujukan atau referensi yang ada hubungannya

dengan judul makalah ini. Penulis banyak berharap para pembaca dapat memberikan

kritik dan saran yang membangun kepada penulis demi sempurnanya makalah ini dan

penulisan makalah di kesempatan-kesempatan berikutnya. Semoga makalah ini

berguna bagi penulis pada khususnya juga para pembacanya.

15

DAFTAR PUSTAKA

Gunterus, Frans. 1977. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Salatiga

16