modul praktikum proses

22
Modul Praktikum Proses PRAKTIKUM KONTROL LEVEL DAN SUHU AIR DENGAN PID CONTROLLER Oleh: Dr. Mohamad Djaeni, ST, M.Eng Dr. Ir. Ratnawati, MT Luqman Buchori, ST, MT LABORATORIUM PROSES

Upload: ghafa-al-ramadhan

Post on 24-Sep-2015

252 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

proses

TRANSCRIPT

Modul Praktikum ProsesPRAKTIKUM KONTROL LEVEL DAN SUHU AIR DENGAN PID CONTROLLER

Oleh:

Dr. Mohamad Djaeni, ST, M.Eng

Dr. Ir. Ratnawati, MT Luqman Buchori, ST, MTLABORATORIUM PROSES

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

2012

Modul

Pengendalian Proses

Tujuan Instruksional Umum

Meningkatkan kemampuan mahasiswa dalam mengoperasikan suatu proses dengan sistem pengendali

Mahasiswa akan mampu mengevaluasi proses dengan variasi sistem pengendali umpan balik atau Feedback Controller (Proporsional (P), Integral (I), Derivatif (D), atau gabungan PI, PID, atau PD) Membandingkan sistem performansi pengendali umpan balik dengan sistem pengendali on-off dalam menolak gangguan (disturbance rejection) maupun melakukan jejak titik set (set point tracking)Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu mengoperasikan peralatan proses (tangki dengan pemanasan) terutama melakukan kontrol tinggi level atau pun suhu cairan dengan pengendali on off dan umpan balik (Feedback) Mahasiswa mampu menghitung dan mengevaluasi besarnya kesalahan dalam sistem pengendali umpan balik dan on-off Mahasiswa mampu membandingkan performansi sistem pengendali umpan balik dan on-off dalam menolak gangguan ataupun melakukan jejak titik set Mahasiswa mampu membandingkan performansi dari alat proses (tangki dengan pemanasan) pada berbagai nilai konstanta pengendali umpan balik PID yaitu Kc, Time Integral, dan Time Derivative

1. Teori Dasar

Sistem pengendalian proses merupakan faktor yang sangat menentukan dalam menjamin tingkat keberhasilan proses. Dengan unit pengendali yang kuat maka proses dapat dijalankan pada kondisi optimalnya dengan cara merejeksi/menolak segala macam gangguan seperti fluktuasi laju aliran umpan, suhu, aliran pendingin, ataupun gangguan lain yang tidak terprediksi.

Marlin menyebutkan bahwa pengendalian proses memberikan kontribusi yang penting dalam safety, perlindungan lingkungan (menekan polusi/emisi bahan berbahaya), perlindungan peralatan terutama dari over capacity/over heated, operasi pabrik yang lancar, menjamin kualitas produk, menjaga operasional pabrik pada keuntungan maksimumnya, dan berguna dalam monitoring dan diagnose proses (Marlin, 1995).

Dalam industrik kita mengenal setidaknya ada dua jenis sistem pengendali yang bekerja secara konvensional yaitu sistem pengendali umpan balik (Feedback Control) dan sistem pengendali umpan depan (Feedforward Control). Sistem pengendali umpan balik akan bekerja berdasarkan tingkat kesalahan yang terjadi pada produk yang dimonitor/dikontrol besarnya. Artinya jika variable yang dikontrol nilainya (di-set) mengalami perubahan (error) maka sistem pengendali ini akan bekerja memanipulasi input pasangannya (mengubah besarnya) sehingga nilai variabel yang dikontrol sebagai output akan sama dengan nilai yang diset (ditetapkan besarnya), seperti pada gambar 1 (Stephanopoulos, 1988; Coughannowr, 1991).

Gambar 1: Sistem pengendali umpan balik

Dalam feedforward controller, sistem yang terjadi adalah sebaliknya dimana gangguan yang ada diukur lebih dulu, kemudian baru nilai inputnya diubah berdasarkan tingkat gangguan yang ada, sehingga harga output yang menjadi tujuan tidak mengalami perubahan atau pengaruh gangguan terhadap nilai output dapat dikurangi atau dihilangkan (gambar 2).

Gambar 2: Sistem pengendali Feedforward2. Perangkat Unit Pengendali

Sistem pengendali memerlukan berbagai macam perangkat baik lunak maupun keras. Perangkat lunak berkaitan dengan model proses, korelasi input dan output, sistem manipulasi input, serta program-program lainnya berkaitan dengan pengolahan data karakteristik proses. Sedangkan perangkat keras melibatkan peralatan fisik yang diperlukan, antara lain terdiri dari (Stephanopoulos, 1984):

1. Proses: adalah suatu sistem yang diamati/dikontrol. Proses ini bisa terdiri dari proses kimia seperti reaksi kimia (jenis reaksi (hidrolisa, penyabunan, polimerisasi), fase reaksi (reaksi gas-gas, gas-padar, katalitis dan non katalitis)), maupun fisika (pemanasan, pengisian tangki, pemisahan, ekstraksi, destilasi, pengeringan).

Dalam sistem pengendalian konvensional seperti feedback dan feedforward ini proses sebagai suatu sistem harus diidentifikasi dahulu karakteristik prosesnya melalui permodelan matematika dalam sistem dinamik tervalidasi, diuji karakteristikanya berdasarkan pengaruh input terukur terhadap output proses, serta hitung parameter proses yang penting dan digunakan untuk mendesain sistem pengendalinya seperti time delay, time constant, dan process gain.

2. Alat ukur/sensor: Adalah perangkat yang digunakan untuk mengukur input maupun output proses, seperti rotameter dan flow meter untuk mengukur laju alir, thermocouple untuk mengukur suhu, dan gas chromatography untuk mengukur komposisi. Alat ukur lainnya sepeti uji kelembaban udara dalam gas maupun padatan. Prinsipnya adalah apa yang terbaca dalam sensor ini harus dapat ditransmisikan, sehingga dapat dibaca oleh sistem pengolah data/pengendali. Karena sensor ini memberi sinyal maka keberhasilan suatu sistem pengendali juga tergantung pada reliabilitas alat ini.

3. Transducers: supaya hasil pengukuran bisa dibaca oleh pengolah data, maka pengukuran ini harus diubah ke besaran fisik seperti tegangan listrik, tekanan udara. Transducer adalah alat yang digunakan untuk melakukan konversi ini. 4. Transmission lines: Digunakan untuk mengirimkan sinyal dari alat ukur ke unit pengendali. Dulu model transmisi ini hanya menggunakan model penuematis (udara/cairan bertekanan), tapi dengan perkembangan model analog digital dan sistem komputer, sinyal yang dibawa sudah dalam bentuk aliran/sinyal listrik. Jika output sinyal listrik tidak mencukupi misalkan hanya beberapa milivolt untuk temperatur tertentu, maka digunakan amplifier, untuk menguatkan sinyalnya, sehingga dapat terdeteksi.

5. Controller/Pengendali: Adalah element perangkat keras (hardware), yang memiliki intelegensi. Dia dapat menerima informasi dari alat ukur, dan menentukan tindakan yang harus dilakukan untuk mengendalikan/mempertahankan nilai output. Dulu unit ini hanya dapat melakukan aksi-aksi kontrol sederaha, namun sekarang dengan digital komputer maka kontrol yang rumit dapat dilakukan dengan perangkat ini.

6. The final control elemen (elemen pengendali akhir). Alat ini akan menerima sinyal dari controller dan melakukan aksi sesuai dengan perintah. Sebagai contoh input cairan semakin besar, maka untuk mempertahankan tinggi cairan dalam tangki, valve pengeluaran harus dibuka lebih lebar. Maka unit pengendali ini akan membuka valve sehingga tinggi level cairan dapat sesuai dengan nilai set pointnya. Beberapa unit pengendali akhir adalah control valve, relay-switches untuk on-off controller, variabel-speed pump, dan variable-speed compressor.

7. Recording elements; Adalah perangkat yang men-display proses yang terjadi. Biasanya variabel yang direcord adalah variabel penting yang dikontrol (output), serta variabel yang digunakan untuk pengendali (manipulated variable). Variabel seperti komposisi, suhu, tinggi cairan, laju alir dan lain sebagainya dapat di-display dalam layar monitor, dan datanya dapat disimpan.

3. Jenis PengendaliDalam materi ini disajikan dua jenis sistem pengendali yaitu on-off yang sangat sederhana, dan pengendali feedback (umpan balik). Sistem pengendali on-off bekerja pada rentang kesalahan (galat) tertentu. Misalkan suhu kita diset pada 100oC. Thermoregulator akan bekerja berdasarkan ketelitian dan kecepatan dalam mengukur suhu proses (sebagai contoh +/- 5). Jika suhu awal proses 60oC, maka pemanas akan bekerja pada sistem proses, sehingga suhu tercapai 105oC. Pada kondisi 105oC pemanas akan mati (off), jika suhu proses turun mencapai 95oC, pemanas akan menyala lagi. Dan seterusnya sehingga suhu real proses (95-105oC). Sebagian alat-alat dalam laboratorium di Jurusan Teknik Kimia Undip bekerja dengan model on-off controller ini. Tentu saja besar galat total selama proses akan menjadi besar. 3.1. Sistem Pengendali FeedbackSistem pengendali feedback seperti dalam gambar 1 secara sistematis memiliki tahapan aksi seperti berikut ini:

1. Sensor akan memonitor dan mengukur output yang dikontrol (contoh suhu, level, komposisi, dan sebagainya).

2. Hasil pengukuran ini kemudian dibandingkan nilainya dengan nilai set point yang diinginkan/ditetapkan dalam komparator. Dari komparasi ini menghasilkan galat/error, dimana besarnya error ini akan dikirimkan ke unit pengendali akhir (controller)

3. Controller akan mengubah besarnya input, sehingga nilai output akan dipertahankan sesuai dengan set point-nya.

Tergantung dari jenis feedback, dan besarnya konstanta kontroller yang digunakan, hasil manipulasi ini ternyata memberikan performansi yang berbeda, terutama apabila diukur dari berapa lama nilai output dapat kembali ke kondisi set point, dan berapa nilai total error-nya selama ada gangguan. Bahkan jika kontrolnya terlalu lemah, bisa saja nilai set point tidak dapat dipertahankan, dan proses akan gagal dalam menolak pengaruh gangguan. Sehingga produk yang dihasilkan tidak dapat dipakai.

3.2. Jenis Pengendali Feedback

Jenis-jenis pengendali feedback yang umum dipakai adalah:

1 Proporsional: Controller ini akan memanipulasi input proporsional dengan besarnya error (galat) yaitu:

MV(t)=KcE+MV(s)

Dimana MV(t) adalah nilai input variable yang dimanipulasi, Kc (Konstanta Proporsional Controller), E adalah galat output, dan MV(s) adalah nilai input variable pada kondisi steady-statenya (atau nilai MV pada saat output pada kondisi set point-nya). Makin besar harga Kc, maka makin besar response yang ditimbulkan.

2 Proporsional Integral: Controller ini akan memanipulasi input berkaitan dengan besarnya error (galat) mengikuti persamaan:

MV(t)=KcE+ (Kc/TI) Integral (E.dt) dari t=0 sampai t + MV(s)

Dimana MV(t) adalah nilai input variable yang dimanipulasi, Kc (Konstanta Proporsional Controller), E adalah galat output, MV(s) adalah nilai input variable pada kondisi steady-statenya (atau nilai MV pada saat output pada kondisi set point-nya), t adalah waktu proses, dan TI adalah constant of times integral dari kontroler ini. TI ini biasanya bervariasi antara 0.1 sampai 50 menit. Makin besar harga TI maka, makin lambat response yang dihasilkan. Namun adanya TI ini akan menghilangkan harga off-set

3 Proporsional Integral Derivative: Controller ini akan memanipulasi input berkaitan dengan besarnya error (galat) mengikuti persamaan:

MV(t)=KcE+ (Kc/TI) Integral (E.dt) dari t=0 sampai t +KcTD (dE/dt) + MV(s)

Dimana MV(t) adalah nilai input variable yang dimanipulasi, Kc (Konstanta Proporsional Controller), E adalah galat output, MV(s) adalah nilai input variable pada kondisi steady-statenya (atau nilai MV pada saat output pada kondisi set point-nya), t adalah waktu proses, dan TI adalah constant of times integral dari kontroler ini. Sedangkan TD adalah waktu derivative. Fungsi dari waktu/time derivative ini adalah untuk mempercepat response terhadap gangguan.

4. Materi Percobaan

Materi ini mempelajari pengaruh jenis sistem pengendali dan besarnya konstanta controller-nya terhadap performansi sistem pengendali level cairan dan temperatur dalam merejeksi gangguan dan melakukan jejak titik set (set point tracking). Sistem yang dikaji terdiri dari 5 unit utama (lihat gambar 3), yaitu sistem proses berupa tangki yang dilengkapi dengan pemanas dan pompa, sensor (untuk mengukur tinggi dan suhu cairan dalam tangki, hardware sistem pengendali (untuk melakukan manipulasi besarnya aliran cairan yang masuk tangki dan besarnya energi listrik yang disuplai berdasarkan signal dari CPU), software pengendali (dalam CPU untuk menentukan besarnya manipulasi energi untuk pompa dan pemanas, sehingga akan menentukan debit cairan yang masuk dan jumlah panas dalam koil, serta mengekspor data percobaan ke excell), monitor (untuk mengobservasi dan menampilkan profile suhu/tinggi level aktual maupun set point).

4.1. Disturbance Rejection (penolakan gangguan)

Materi ini mempelajari pengaruh jenis pengendali on-off dan feedback, serta besarnya konstanta controller dalam merejeksi gangguan pada level dan temperatur kontrol (Djaeni, 1999). Sebagai obyek percobaan adalah temperature atau level controller. Cara yang dilakukan adalah sebagai berikut:

1. Jalankan alat sesuai dengan petunjuk operasi (lampiran), 2. Pilih menu PID dan masukkan harga Konstanta Controller dan nilai set point.3. Operasikan alat sampai nilai set point tercapai.4. Berikan gangguan pada sistem dengan mengubah valve yang keluar atau menambah cairan pada tangki dengan volume tertentu (misalkan 3 liter)5. Amati response yang terjadi dan tunggu sampai kondisi set point tercapai

6. Simpan data percobaan, dan hitung sum of square error-(SSE) nya dalam MSExcell

7. Ulangi percobaan untuk berbagai variasi nilai konstanta controller (Kc, TI, dan TD)

8. Bandingkan performansi pengendali/controller dalam menolak gangguan (disturance rejection) berdasarkan nilai SSE

9. Ulangi percobaan dengan memilih menu on-off, dan jalankan alat serta hitung SSE-nya

10. Lakukan juga percobaan untuk pengendali temperature

Gambar 3: Alat percobaan4.2. Set Point Tracking (Jejak Titik Set)

Materi ini mempelajari pengaruh jenis pengendali on-off dan feedback, serta besarnya konstanta controller dalam melakukan pengubahan jejak titik set atau set point tracking (Djaeni, 1999). Artinya pada suatu saat/alasan tertentu nilai set point dari suatu alat dapat mengalami perubahan. Unit kontrol akan bekerja meresponse perubahan ini, sehingga set point segera dapat berubah sesuai dengan keinginan/tuntutan proses/operator. Cara yang dilakukan adalah sebagai berikut:

1 Jalankan alat dijalankan sesuai dengan petunjuk operasi (lampiran), pilih menu PID

2 Masukkan harga konstanta pengendalinya (sesuai point 2 section 5.1) dan nilai set point 1.3 Operasikan alat sampai nilai set point 1 tercapai4 Tunggu sampai 1-2 menit kondisi steady state dengan set point 1 berjalan

5 Lakukan pengubahan nilai set point 1 ke set point 2

6 Amati perubahan response yang terjadi dan tunggu sampai set point 2 tercapai 7 Biarkan proses stedy-state selama 1-2 menit

8 Simpan data percobaan, dan hitung sum of square error (SSE) nya dalam MSExcell

9 Ulangi percobaan untuk berbagai variasi nilai konstanta controller (Kc, TI, dan TD sesuai point 7 section 5.1)

10 Bandingkan performansi pengendali/controller berdasarkan nilai SSE

11 Lakukan juga percobaan jejak titik set seperti pada gambar berikut untuk berbagai nilai konstanta kontroller-nya (Kc, TI, dan TD) sesuai point 712 Lakukan percobaan untuk on-off controller, dan bandingkan response serta nilai SSE

13 Lakukan juga percobaan untuk pengendali temperature

Gambar 4: Percobaan jejak titik set atau set point tracking (Djaeni, 1999)Referensi

Coughannowr, D.R. (1991). Process System Analysis and Control, 2nd Edition, McGraw-Hill, Inc., USA

Djaeni, M. (1999). Modelling and Control of Fuel Cell System. Master Thesis, UTM, Malaysia

Marlin, T.E. (1995). Process Control: Designing Process and Control Systems for Dynamic Performance. McGraw-Hill, Inc., USA

Stephanopoulos, G. (1984). Chemical Process Control: An Introduction to Theory and Practice. Prentice-Hall, New Jersey, USA

Tampilanawalantarmuka:

Prosedurpenggunaanantarmukakontrol level dansuhu:1. Buka program kontrol level dansuhupadadesktop

Sehinggamuncultampilansebagaiberikut2. Pemilihan Port serial:

Prosedurpemilihan serial port:

1Masukankabel data serial

Pada Port USB.

2Periksapadacombobox serial port, makaakandidapatkanbeberapaserialport name padacombobox.

Nampak beberapa serial Portnamepadacombobox Choose Comp Port. (port yang tampilmerupakan port yang digunakanoleh computer)

3Lepaskabel data serial dari Port USB,

4periksacombobox serial port, serialport name yang hilangmerupakanserialport yang digunakan.

SetelahdicabutternyataPortName yang hilang COM7,ini bertanda serial port yang kitagunakantadiadalah COM7

5Masukankembalikabel data serial pada Port USB yang sebelumnyadiperiksa.

6Lalupilih serial portname yang menghilangpadawaktukabel data dilepassebelumnya.Pilih COM7 (sesuaidengannama yang menghilangtadi)

7Setelah port serial dipilih, tekan button connect. Hinggamuncultulisan disconnect

3. Pemilihan mode control

Mode control yang tersediapadamoduliniada 3 (suhu, level, suhudan level)

Jika yang dipilihsuhu, maka variable yang akandikontroladalahsuhutanpa level Jika yang dipilih level, maka variable yang akandikontroladalah leveltanpasuhu Jika yang dipilihsuhudan level, maka variable yang akandikontroladalahsuhudan level4. Pemilihanmetode control

Metodekontroltersediapadamoduliniada 2 (ON-OFF dan PID)

Jika yang dipilih ON-OFF, makametode control yang digunakanadalahmetodekontrol ON-OFF

Jika yang dipilih PID, makametode control yang digunakanadalahmetodekontrol PID.

5. Fasilitasuntukmengubah set point suhu

Dapatdigunakanuntukmengubah-ubah set poinsuhu yang diinginkan, namunbatas set point yang bisadimasukanhanya 0-100OC Dan harusdiprehatikansaatmelakukanpengontrolansuhu (level air jangansampaiberadadibawah heater)

6. Fasilitasuntukmengubah set point level

Dapatdigunakanuntukmengubah-ubah set poin level yang diinginkan, namunbatas set point yang bisadimasukanhanya 0-100 cm7. Fasilitasuntukmengubah PID suhudan level

Dapatdigunakanuntukmengubah-ubah KP, KI, KD suhudanatau level (padasaatMetodeKontrol PID diaktifkan), namunbatasKP, KI dan KD yang bisadimasukanhanya 0-100. Terdapatjugafasilitasuntukmengexport file data table kedalam excel.

Gambartampilan tab table data suhu

Gambartampilan tab table data level

GambarTampilan tab visual monitorsuhu

GambarTampilan tab visual monitor level

Pemilihan port serial

Pemilihan mode kontrol

Pemilihanmetodekontrol

Fasilitasuntukmengubah set point suhu

Reset tampilan

Fasilitasuntukmengubah set point level

Untukmenyimpan data grafikdalambentuk JPEG

FasilitasuntukmengubahPID suhudan level

Icon program kontrol level dansuhu

Beberapahal yang perludiperhatikan:

Ketikamelakukanpengontrolansuhumaka level minimal air tidakbolehberadadibawah heater

Angka yang bisadimasukanhanyaberkisar 0-100 baikitu set point maupunpengontrolanlainnya.

Ketikamenekantombol RESET, data yang hilanghanya data sebelumnyapadatampilan, namunpada system masihtersimpan data yang lama, untukmelakukan reset system, maka plan harusdiputusmelaluisaklar, laludinyalakanlagi.

Jika program user interface iniditutupmaka system harusdiputuskandulumelaluisaklar, laluplan/moduldinyalakanlagi. Agar semua data kembalipadakeadaanawal.

Controller Device

Proses

sensor

Comparator

Set Point

Error

Input

Output

Proses

Controller

Input

Gangguan

Output terukur

Output

PETUNJUK OPERASI PENGGUNAAN ALAT

Set Point

Pompa

Air keluar

Air masuk

Power set

CPU

Monitor

Level sensor

thermocouple

PID controller

Electric Heater

Tangki Proses

Reservoir

Set point 1

Set point 2

Set point 3

Set point 4

Waktu 1

Waktu 2

Waktu 3