pengendali tekanan pada ketel uap dengan …

PENGENDALI TEKANAN PADA KETEL UAP DENGAN MENGGUNAKAN

PENGENDALI PI

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Oleh:

Nama : Denny Christanto

NIM : 025114026

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA 2007

1

BOILER PRESSURE CONTROLLER USING IP CONTROLLER

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain the Sarjana Teknik Degree

In Electrical Engineering Study Program

By:

Name : Denny Christanto

Student Number : 025114026

ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

FACULTY OF ENGINEERING SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA 2007

2

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

“Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini

tidak memuat karya atau bagian karya orang lain,

kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka,

sebagaimana layaknya karya ilmiah.”

Yogyakarta 20 Oktober 2007

Denny Christanto

5

HALAMAN PERSEMBAHAN

Kupersembahkan karya tulis ini kepada :

Tuhan Yesus Kristus, yang selalu melindungi diriku

Bapak dan Ibu Tercinta atas semangat, doa, serta

dukungan secara moril maupun materiil

Saudara terkasih, Wisnu Yoga Wardana

Kekasihku, Budi Tri Utami

Almamaterku Teknik Elektro, khususnya angkatan

2002

6

HALAMAN MOTTO

Berdoa dan bekerja

Pengalaman adalah guru yang terbaik

Kegagalan adalah sukses yang tertunda

Buku adalah gudang ilmu

Uang mudah dicari tetapi sahabat susah dicari dan takkan terlupakan

7

Pengendali Tekanan Pada Ketel Uap Dengan Menggunakan Pengendali PI

Nama : Denny Christanto

NIM : 025114026

INTISARI

Tugas akhir ini mendeskripsikan tentang Pengendali Tekanan Pada Ketel Uap Dengan Menggunakan Pengendali PI yang menggunakan sensor tekanan, pemanas dan Boiler untuk mendapatkan tekanan yang stabil yang sesuai dengan tekanan yang diinginkan. Pengendali Tekanan Pada Ketel Uap Dengan Menggunakan Pengendali PI diimplementasikan dengan menggunakan metode Ziegler-Nichols. Masukan dari pengendali Proporsional Integral adalah selisih tegangan antara set point dengan feedback ( sensor ). Dari hasil selisih itu kemudian digunakan untuk mengendalikan pemanas yang akan berakibat pada tekanan yang dihasilkan. Pada implementasi, terdapat 3 nilai level tegangan ( Set Point ) dengan besar tegangan yang berbeda-beda. Pemilihan level tegangan dilakukan dengan memutar Rotary Switch. Setelah dilakukan percobaan ternyata sistem yang telah dibuat dan dikerjakan tidak dapat berjalan sesuai dengan tujuan dan manfaat yang diharapkan.Sistem yang telah dibuat tidak dapat mengendalikan dan menjaga kestabilan tekanan yang ada dalam Boiler. Kata kunci : Pengendali Tekanan Pada Ketel Uap Dengan Menggunakan Pengendali

PI, level tegangan, terkendali Proporsional Integral kalang tertutup, Ziegler-Nichols, Rotary Switch.

8

PRESSURE CONTROLLER at STEAMING BOILER

BY USING CONTROLLER PI

Nama : Denny Christanto NIM : 025114026

ABSTRACT

This Final Duty is about Pressure Controller at Steaming Boiler By Using Controller PI using pressure sensor, heater and Boiler to get the stable pressure matching with wanted pressure.

Pressure Controller At Steaming Boiler By Using Controller of PI implementation by using method Ziegler-Nichols. Input from Proporsional Integral controller is tension difference between setting point by feedback ( sensor ). From that difference result then used to control the heater to cause pressure yielded. At implementation, there are 3 value of level tension ( Set the Point ) which different each other. Election of tension level conducted by turning around rotary switch.

After tried, system which have been made and done cannot walk in line with and expected benefit. In the reality control system which have been made cannot control and take care of the existing pressure stability in Boiler

Keyword : Pressure Controller At Steaming Boiler By Using Controller PI, tension

level, Proporsional Integral control of underlayer closed, Ziegler-Nichols, Rotary Switch.

9

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma Nama : Denny Christanto Nomor Mahasiswa : 025114026 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul: PENGENDALI TEKANAN PADA KETEL UAP DENGAN MENGGUNAKAN PENGENDALI PI beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal : 28 Februari 2008 Yang menyatakan

(Denny Christanto)

10

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa, karena atas

kasih karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik

dan lancar.

Dalam proses penulisan tugas akhir ini penulis menyadari bahwa ada begitu

banyak pihak yang telah memberikan perhatian dan bantuan dengan caranya masing-

masing sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Oleh karena itu penulis ingin

mengucapkan terima kasih antara lain kepada :

1. Tuhan Yesus Kristus, karena lindunganNya hingga hari ini penulis dapat

menikmati segala bentuk ciptaanNya.

2. Bapak dan Ibu serta saudara saudariku tercinta atas semangat, doa serta

dukungan secara moril maupun materiil.

3. Bapak Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc., selaku dekan fakultas

teknik.

4. Bapak Bayu Primawan, S.T., M.Eng., selaku ketua jurusan teknik elektro

5. Ibu B. Wuri Harini, S.T., M.T., selaku pembimbing I atas ide-ide yang berguna,

bimbingan, dukungan, saran dan kesabaran bagi penulis dari awal sampai tugas

akhir ini bisa selesai.

6. Bapak Ir. Tjendro, selaku pembimbing II yang telah bersedia meluangkan waktu

serta memberikan bimbingan dan saran yang tentunya sangat berguna untuk

tugas akhir ini.

11

7. Seluruh dosen Teknik Elektro atas ilmu yang telah diberikan selama penulis

menimba ilmu di Universitas Sanata Dharma.

Budi Tri Utami,8. kekasih yang selalu memberikan dukungan dan support moril

, Andis, Ido.

.

bil data.

h jauh dari

san i dapat bermanfaat bagi semua

pihak.

9. Teman-teman satu bimbingan TA: Tcus, Harek’s, Lele, Dani, Yoga, Sinung ,

Deri, Plentonk, Andek, Widi, Clement, Gepeng

10. Teman-teman angkatan ’02 yang selalu berbagi cerita dan bersama dalam kuliah

11. Mas Sur, Mas Mardi, Mas Broto selaku laboran yang telah mengizinkan

membuka Lab sewaktu-waktu jika diperlukan untuk mengam

12. Dan seluruh pihak yang telah ambil bagian dalam proses penulisan tugas akhir ini

yang terlalu banyak jika disebutkan satu-persatu.

Dengan rendah hati penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masi

sempurna, oleh karena itu berbagai kritik dan saran untuk perbaikan tugas akhir ini

gat diharapkan. Akhir kata, semoga tugas akhir in

Terima kasih.

Yogyakarta, 20 Oktober 2007

Penulis

12

DAFTAR ISI

Halaman

JUDUL ....................................................................................................i

HALAMAN PERSETUJUAN ............................................................iii

BAB I. PENDAHULUAN I. 1

I. 2 Tujuan dan Manfaat ................................................................................2

........................................................................2

BA

II. 2 Boiler .....................................................................................................8

..........................................................................9

HALAMAN PENGESAHAN ..............................................................iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .........................v

HALAMAN PERSEMBAHA .............................................................vi

HALAMAN MOTTO .........................................................................vii

INTISARI ...........................................................................................viii

ABSTRACT ..........................................................................................ix

KATA PENGANTAR ...........................................................................x

DAFTAR ISI........................................................................................xii

DAFTAR GAMBAR ...........................................................................xv

DAFTAR TABEL .............................................................................xvii

Latar Belakang........................................................................................1

I. 3 Batasan Masalah .............

I. 4 Metodologi Penelitian.............................................................................3

I. 5 Sistematika Penulisan .............................................................................5

B II. DASAR TEORI II. 1 Aturan Ziegler-Nichols..........................................................................6

II. 3 Sensor ..........................

II. 4 Pengendali ...........................................................................................11

13

II. 4. 1 Rangkaian Proporsional..........................................................11

II. 4. 2 Rangkaian Integral..................................................................12

II. 4. 3 Rangkaian PI ..........................................................................13

II. 5 Triac Driver.........................................................................................15

II. 6 T

II. 7 P

BAB IIIII. 1

I. 3 Plant ...................................................................................................28

..................................................................31

III.

III.

III.

BA

IV. 2. 1 Analisis Plant...........................................................................48

riac ....................................................................................................16

enguat Instrumentasi .........................................................................18

II. 7. 1 Rangkaian Penguat Beda........................................................18

II. 7. 2 Rangkaian Penguat Tegangan ................................................19

II. 8 PWM ...................................................................................................20

I. PERANCANGAN Pengendali Secara Umum ..................................................................24

III. 2 Penyepadanan Alat-Alat Kontrol PI...................................................25

II

III. 4 Sensor Tekanan ................

III. 5 Set Point .............................................................................................32

III. 6 Pengendali ..........................................................................................34

III. 6. 1 Pengendali Proporsional...........................................................35

III. 6. 2 Pengendali Integral ..................................................................36

III. 6. 3 Pengendali PI ...........................................................................37

III. 7 Current To Voltage Converter ...........................................................39

8 Rangkaian Deteksi Error ...................................................................40

9 PWM ..................................................................................................41

10 Interfacing Triac ..............................................................................43

B IV. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN IV. 1 Kinerja Plant ......................................................................................46

IV. 2 Pengamatan dan Analisis ...................................................................47

14

IV. 2. 2 Analisis Pengendali..................................................................49

BAB V. PV. 1 Ke

V. 2 Sa

LA

IV. 2. 2. 1 Analisis Set Point ...........................................................49

IV. 2. 2. 2 Analisis Rangkaian Deteksi Error .................................49

IV. 2. 2. 3 Analisis Rangkaian Proporsional...................................50

IV. 2. 2. 4 Analisis Rangkaian Integral...........................................50

IV. 2. 2. 5 Analisis PWM................................................................51

ENUTUP simpulan .........................................................................................52

ran....................................................................................................52

DAFTAR PUSTAKA

MPIRAN

15

DAFTAR GAMBAR

Halaman

BAB I

AB II ambar 2. 1 Kurva Respon Tangga Satuan ......................................................5

2. 3 Kurva Respon Berbentuk-S ..........................................................6

Gambar 2. 4 Rangkaian Proporsional..............................................................12

. 5 Rangkaian Integral......................................................................12

Kurva Perpotongan Garis Singgung ...........................................27

5 Boiler ..........................................................................................29

BG

Gambar 2. 2 Respon Tangga Satuan Sebuah Sistem.........................................6

Gambar

Gambar 2

Gambar 2. 6 Diagram Blok Kontroller PI .......................................................14

Gambar 2. 7 Rangkaian PI...............................................................................14

Gambar 2. 8 Skema MOC30XXX...................................................................16

Gambar 2. 9 Simbol Triac ...............................................................................17

Gambar 2. 10 Rangkaian Penguat Beda ..........................................................18

Gambar 2. 11 Rangkaian Penguat Tegangan...................................................19

Gambar 2. 12 Pulsa PWM ...............................................................................20

Gambar 2. 13 Rangkaian PWM.......................................................................21

Gambar 2. 14 Cara Kerja Pembangkitan Gelombang Segitiga .......................21

BAB III Gambar 3. 1 Diagram Blok Rangkaian Secara Umum....................................24

Gambar 3. 2 Lay Out Pengendali.....................................................................25

Gambar 3. 3 Kurva Respon Plant....................................................................27

Gambar 3. 4

Gambar 3.

Gambar 3. 6 Sensor Tekanan...........................................................................31

16

Gambar 3. 7 Rangkaian Pembagi Tegangan ...................................................32

Gambar 3. 8 Rangkaian Set Point....................................................................34

Gambar 3. 9 Rangkaian Penguat Proporsional................................................36

Gambar 3. 10 Rangkaian Penguat Integral......................................................37

Gambar 3. 11 Diagram Blok Rangkaian Pengendali PI ..................................38

Gambar 3. 12 Rangkaian PI.............................................................................39

Gambar 3. 13 Rangkaian Penguat Beda ..........................................................40

Gambar 3. 14 Rangkaian PWM.......................................................................41

Gambar 3. 15 Perancangan PWM ...................................................................43

Gambar 3. 16 Interfacing Triac Dengan Pengendali PI ..................................44

BAB IV Gambar 4. 1 Boiler ..........................................................................................48

BAB V

17

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2. 1 Aturan penyepadanan Ziegler-Nichols..............................................8

abel 2. 2 Macam-macam MOC30XXX .........................................................16

Set Point ..........................................................................................32

T

Tabel 3. 1 Data Plant .......................................................................................26

Tabel 3. 2

18

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Peralatan instrumentasi adalah in rumen elektronik yang dikendalikan oleh

sistem elektronika. Instrumen elektronik memiliki beberapa sistem pengendalian

yaitu secara manual, digital dan terkendali mikroprosesor. Dalam dunia industri

pengukuran dan pengendalian merupakan hal yang sangat penting untuk mendukung

yang memerlukan kepresisian instrumen adalah besaran tekanan. Seperti diketahui

pengoperasian sistem peralatan pada sektor jasa (pelayanan), pembangkit tenaga

pemakaian sensor tekanan yang dihubungkan dengan sistem kontrol untuk menset

tu sesuai keinginan. Kontrol tekanan

memegang peranan yang sangat penting dalam proses produksi, misalnya pada

st

proses produksi. Peralatan kendali tersebut haruslah bersifat presisi dan efisien serta

mudah pengoperasiannya. Salah satu contoh di dunia industri dan kehidupan, besaran

besaran tekanan ini banyak terlibat dalam proses produksi dalam bidang industri,

listrik dan lain-lain.

Untuk mengatur tekanan banyak cara dilakukan, sebagai contoh adalah

atau mendapatkan nilai tekanan terten

industri kimia di mana sering kali suatu proses diharapkan memiliki kestabilan

tekanan tertentu agar didapat hasil proses yang sesuai. Pada industri yang

19

menggunakan tekanan dalam prosesnya, maka pasti menggunakan boiler (panic

bertekanan). Tekanan tersebut

dilakukan oleh tenaga manusia, dan untuk mengurangi tingkat resiko

kecelakaan pada manusia.

1.2 Tujuan dan manfaat

ujuan dari pembuatan tugas akhir ini adalah untuk membuat suatu

endali PID yang mengendalikan kompor listrik 600

Watt. De

engendalian dan instrumentasi dalam

bentuk p

T

peralatan sebagai aplikasi peng

ngan kata lain pengendali PID yang dibuat bertujuan untuk mengontrol

tekanan pada boiler agar tidak berlebihan dan sesuai dengan tekanan yang diinginkan

melalui kompor 600 Watt yang dikendalikan.

Manfaatnya adalah untuk menerapkan ilmu pengetahuan yang telah

diperoleh selama kuliah terutama di bidang p

embuatan alat sebagai implementasinya terutama sebagai pengendali

tekanan uap pada system pemanas air. Dengan adanya pengendali tekanan uap air

otomatis pada system pemanas ini diharapkan dapat mempermudah pekerjaan yang

sulit dilakukan oleh tenaga manusia, dan untuk mengurangi tingkat resiko kecelakaan

pada manusia.

20

1.3 Batasan masalah.

Pada pembuatan tugas akhir ini penyusun membuat alat yang dapat

r dan kontrol terhadap level tekanan uap air. Instrumen

yang dim

dengan rentang tekanan 0

2.

3. n adalah kompor listrik 600 Watt.

rapkan seperti pada set

setting tekanan yang diinginkan melalui sebuah set kontrol berupa

potensiom

digunakan untu menguku

aksud memiliki spesifikasi sebagai berikut :

1. Pengendali dirancang berdasarkan sensor yang digunakan yaitu Pressure

Transmitter yang bertipe 8320 dari Burkert

sampai dengan 10 Bar.

Pengendali sistem pemanas air berdasar set point.

Aktuator yang digunaka

4. Apabila telah mencapai tekanan uap air yang diha

point, maka pemanas akan mati.

5. Tekanan yang dapat terukur pada boiler mempunyai rentang 0 sampai 1,5

Bar.

Pemakaian instrumen ini adalah kontrol tekanan dengan menetapkan

eter. Pengesetan yang dilakukan adalah menentukan batas

maksimum tekanan uap air. Setelah tekanan diset sesuai dengan keinginan

diharapkan alat yang dapat menjaga stablitas tekanan sesuai dengan set yang

diberikan.

21

1.4 Metodologi penelitian.

Penyusunan laporan tugas akhir ini mempunyai metode penelitian yang

1. Me n

elah direncanakan.

g berupa panci bertekanan atau

3.

nsor tekanan, batas tekanan boiler dan waktu yang

4.

ui karakteristik dari sensor tekanan, batas tekanan boiler

6.

tepat dan akurat.

h sudah sesuai dengan yang kita

dapat dijelaskan berikut ini :

ncari referensi yang dibutuhkan untuk mendukung proses perancanga

dan pembuatan alat yang t

2. Membuat plant. Dalam hal ini penulis akan membuat pengendali tekanan uap

air, sehingga kami harus membuat plant yan

biasa disebut boiler.

Setelah plant kami buat, pengambilan data dilakukan untuk mengetahui

karakteristik dari se

dibutuhkan untuk mencapai tekanan maksimum.

Dengan adanya data dari plant yang sudah dibuat, maka kita dapat melakukan

penulisan proposal.

5. Perancangan kontrol pengendali bisa dilaksanakan karena plant dibuat dan

kita sudah mengetah

dan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai tekanan maksimum serta data-

data lain yang diperlukan.

Implementasi kontrol pengendali dapat segera dilakukan dengan adanya

rancangan pengendali yang

7. Hal terakhir yaitu pengujian. Kita lakukan pengujian secara menyeluruh

antara hubungan pengendali dan plant, apaka

22

harapkan atau belum. Selain itu kita juga mengambil data dari pengendali

dan plant yang kita buat.

Penulisan laporan dilakukan untuk koreksi apakah alat kita sudah sesuai

dengan kriteria alat yang

8.

baik, apakah sudah sesuai dengan harapan kita

1.5 Si

Sistem pembahasan tidak jauh berbeda dengan metodologi yang digunakan

n menurut metodologinya seperti berikut :

ada bab ini berisikan mengenai penjelasan latar belakang masalah, maksud

yang menjelaska tentang rancangan system yang akan

ilihan komponen yang nantinya

asi alat yang akan dikerjakan.

emperoleh nilai – nilai

ya an pertimbangan dari pemilihan komponen

tersebut.

(sesuai dengan perancangannya), selain untuk mencocokkan data antara teori

dan data pada alat secara nyata.

stematika penulisan

dan penulis membagi pembahasa

BAB I. Pendahuluan

P

dan tujuan, batasan masalah,

dibuat, serta menjelaskan sistematika pembahasan

BAB II. Dasar Teori

Pada bab ini berisi tentang teori dan pem

digunakan dalam implement

BAB III. Rancangan Penelitian

Pada bab ini berisikan mengenai bagaimana m

komponen ng akan digunakan d

23

BAB IV. Hasil Pengamatan dan Pembahasan

Berisi mengenai bagaimana hasil dari kerja alat yang dibuat dan menganalisis

data yang diperoleh.

saran agar baik kedepannya.

BAB V. Kesimpulan dan Saran

Pada bab ini berisikan kesimpulan dari hasil perancangan dan

implementasinya serta

24

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Aturan Ziegler-Nic

Ziegler dan Nichols mengusulkan aturan-aturan untuk menentukan nilai

penguatan proporsional Kp, waktu integra dan waktu turunan Td yang didasarkan

uatu sistem yang diketahui. Penentuan parameter

alat-alat

hols

l Ti

pada karakteristik respon transien s

kontrol PID sedemikian atau penyepadanan alat-alat kontrol PID dapat

dilakukan oleh insinyur di lapangan berdasarkan eksperimen pada sistem.

Gambar 2.1 Kurva respons tangga satuan

Ada tiga metode yang dinamakan aturan penyepadanan Ziegler ols

yaitu metode kurva r . Pada penelitian ini

akan menggunakan metode kurva reaksi, sehingga hanya akan menjelaskan metode

-Nich

eaksi, metode osilasi dan metode Quarter

25

kurva rea

nan, maka kurva

respons s

ksi saja. Dalam ketiga metode ini, mereka ditujukan pada pencapaian 25%

lonjakan maksimum dalam respon tangga seperti pada gambar 2.1.

Dalam metode kurva reaksi, secara eksperimental respons sistem terhadap

masukan tangga-satuan diperlihatkan pada gambar 2.2. Jika sistem tidak mencakup

integrator ataupun nilai-nilai kutub pasangan kompleks yang domi

ebuah tangga satuan mungkin kelihatan seperti kurva berbentuk-S, seperti

diperlihatkan pada gambar 2.3.

Gambar 2.2 Respons tangga satuan sebuah sistem

Gambar 2.3 Kurva respons berbentuk-S

Karakteristik kurva berbentuk-S dapat diberikan oleh dua konstanta, yakni

waktu tunda L dan ko tu ditentukan dengan

menggambarkan garis singgung pada titik perubahan kurva berbentuk-S dan

menentukan perpotongan garis singgung dengan sumbu waktu dan garis c(t)=K,

nstanta waktu tunda T dan konstanta wak

26

seperti p

kontrol

ada gambar 2.3. Ziegler dan Nichols menyarankan penyetelan nilai Kp, Ti

dan Td berdasarkan rumus yang diperlihatkan pada tabel 2.1.

Tabel 2.1 Aturan penyepadanan Ziegler-Nichols

Tipe alat Kp Ti Td

P 0 K1 .

LT ∞

PI 0 .0,9

LT

3,0T

K1

PID 2L 0,5L .1,2

LT

K1

Dengan keterangan Kp ila penguatan propors nal

Ti = waktu integral

Td a u turunan

T = waktu tunda

put dan output sistem (plant)

2.2 Ketel Uap

Ketel a ada g (drum) yang tertutup pada

ujung pangkalnya dan dalam aupun

pipa air. Ketel uap diklasifikasikan dalam banyak kelas. Ada yang diklasifikasikan

= n i io

= w kt

L = konstanta waktu tunda

K = perbandingan in

(Boiler)

u p p dasarnya terdiri dari bumbun

perkembangannya dilengkapi dengan pipa api m

27

berdasarkan fluida yang mengalir dalam pipa, pemakaian, letak dapur, jumlah

lorong,

ai alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi

i potensial uap.

ketel uap untuk berfungsi.

Sed

si secara efektif.

. Sistem pemipaan, memungkinkan sistem penghantaran kalor yang

as panas dengan air ketel.

proses tutup drum, bentuk dan letak pipa, sistem peredaran air dan

berdasarkan sumber panasnya.

Ketel uap berfungsi sebagai pesawat konversi energi yang

mengkombinasikan energi kimia (potensial) dari bahan bakar menjadi energi panas.

Komponen utama pada boiler :

1. Dapur, sebag

panas.

2. Alat penguap (evaporator) yang mengubah energi pembakaran

menjadi energ

Kedua komponen tersebut di atas telah dapat memungkinkan sebuah

angkan komponen lainnya :

1. Corong asap dengan sistem tarikan gas asapnya, memungkinkan

dapur berfung

2

efektif antara nyala api atau g

3. Sistem pemanas uap lanjut, berfungsi sebagai alat untuk

menaikkan efisiensi ketel.

28

2.3 Sensor

Sensor ntransform (mengubah) suatu nilai

(isyarat/energi) fisik ke nilai fisik yang lain. Sensor menghubungkan antara fisik

nyata dan industri electrik dan piranti elektronika. Di dunia industri sensor berguna

ng, kontrolling, dan proteksi. Sensor sering disebut juga dengan

Transduc

esaran fisik saja, tetapi juga pada kimia, dan biologi. Ada 6 tipe isyarat

:

• Electrical, contoh: tegangan, arus, muatan, resistance, frekuensi,

•

i, dll

Sensor m uput. Sensor

bisa saja men u atu

adalah piranti yang me

untuk monitori

er.

Transducer merupakan piranti yang memberikan output (yang bisa dipakai)

sebagai tanggapan terhadap (measurand) kondisi, kuantitas fisik masukan. Output

dari sensor berupa (didefinisikan sebagai) besaran elektris. Sensor tidak terbatas pada

pengukuran b

• Mechanical, contoh: panjang, luas, mass flow, gaya, torque,

tekanan, kecepatan, percepatan, panjang gel acoustic, dll

• Thermal, contoh: temperature, panas, entropy, heat flow

dll

Magnetic, contoh: intensitas medan, flux density, dll

• Radiant, contoh: intensitas, panjang gelombang, polarisas

• Chemical, contoh: komposisi, konsentrasi, pH, kecepatan reaksi,

dll.

engkonversi dari suatu isyarat input ke suatu isyarat o

gg nakan satu atau lebih pengkonversian untuk menghasilkan su

29

isyarat keluara A

bantuan sumber energi yang menunjangnya atau tidak yaitu :

couple tersebut.

2.4 Pen d

D

Proporsion ral.

kaian Proporsional

wujud

mekanism yang ada dan apapun bentuk daya penggeraknya, kendali

p enguat dengan penguatan yang dapat

diatur. G

n. da 2 macam sensor yang digolongkan berdasarkan ada tidaknya

Passive Sensor. Mengkonversi sifat-sifat/isyarat fisik atau kimia ke

dalam isyarat yang lain tanpa bantuan sumber energi. Contoh :

termocouple. Termocouple menghasilkan tegangan output

sebanding dengan suhu pada sambungan term

Active Sensor. Mengkonversi sifat-sifat/isyarat fisik atau kimia ke

dalam isyarat yang lain dengan bantuan sumber energi. Merupakan

pilihan utama untuk isyarat-isyarat yang lemah/kecil.

gen ali

alam hal ini pengendali yang dimaksud meliputi rangkaian

al, rangkaian Integral dan rangkaian Proporsional Integ

2.4.1 Rang

Pengendali proporsional adalah pengendali yang keluarannya

proporsional dengan masukannya yang berupa error. Apapun

e

roporsional pada dasarnya merupakan p

ambar 2.4 merupakan rangkaian kendali proporsional. Sehingga dari

gambar rangkaian tersebut didapatkan persamaan :

Vout = Kp Ve (2.1)

30

dengan Vout = tegangan output

Kp = -1

2

RR

(Gain)

Ve = tegangan error

Gambar 2.4 Rangkaian Proporsional

Misalkan sinyal masukan e (t) dan sinyal keluaran adalah m (t) maka :

m (t) = Kp. e (t) (2.2)

Kp merupakan konstanta pengendali proporsional atau penguatan.

2.4.2 Rangkaian Integral

Rangkaian kendali integral ditunjukkan pada gambar 2.5 di bawah ini.

31

Gambar 2.5 Rangkaian Integral

Dari gambar 2.5 diperoleh persamaan :

Vout = KI (2.3)


KI =

∫ +t

VoutVedt0

)0(

-11.

1CR

(Integration gain)

Ti = RI. CI (waktu integral)

ror voltage

Vout (0) = initial output voltage

integral, nilai keluaran kendali m (t)

d bah d ng sinyal kesalahan penggerak e (t)

sehingga :

(2.4)

2.4.3

berikut :

p e(t) +

Ve = er

Pada kendali dengan aksi kendali

iu engan laju ya sebanding dengan

m (t) = Ki ∫ )(te dt

Rangkaian PI (Proporsional Integral)

Aksi kontrol proporsional plus integral didefinisikan dengan

persamaan

∫t

p dtteK

)( (2.5) m (t) = KIT 0

atau fungsi alih kontroler adalah :

32

⎟⎟⎠

⎞⎜⎛sEsM 1)()( (2.6) ⎜⎝

+=sT

KI

p 1

Diagram blok kontroler proporsional integral dapat dilihat pada

gambar 2.6 di bawah ini.

Gambar 2.6 Diagram blok kontroler PI.

Rumusan yang didapatkan dari blok diagram tersebut adalah :

m (t) = Kp e(t) + ∫t

dtteTiKp

0

)( (2.7)

Gambar 2.7 Rangkaian PI

33

Kp menyatakan kepekaan proporsional atau penguatan, dan Ti

menyatakan waktu integral. Gambar rangkaian PI secara nyata dapat dilihat

pada gambar 2.7.

Rumusan untuk rangkaian pada gambar 2.7 adalah :

Vout = - ( ∫+ VedtCIRIR

RVeRR

.1

12

12 ) (2.8)

Dengan Kp = 12

RR dan KI =

II CR

Triac Driver

1

2.5

LED AlGaAs memiliki nominal 1.3 V forward drop 10mA dan tegangan

Kelua s terdiri dari sebuah LED

infram minium gallium aesenida, dig

Dua chip ini dirakit pada enam paket pin DIP, menyediakan 7.5KVAC(peak) penyekat

antara LED dan keluaran. tor keluaran ini dirancang memicu

triac guna mengendalikan beban pada tegangan 115 Volt dan 220 Volt. Chip

h alat yang berfungsi sama dengan sebuah triac kecil, sinyal

yang dih

b

adalah berdasarkan blocking tegangan (VDM) dan arus pemicu (IFT). Arus maksimal

rga MOC30XX dari non-zero crossing triac driver

erah alu abungkan pada chip detector silikon.

detector Chip detec

detector adalah sebua

asilkan digunakan untuk memicu triac yang besar. MOC30XX memiliki

kemampuan untuk mengontrol triac daya besar dengan meminimumkan komponen

tambahan.

Macam-macam MOC30XX dapat dilihat pada tabel 2.2. Pem edaannya

34

yang dapat dilewatkan adalah 60 mA. Detector memiliki tegangan blocking

minimum sebesar 250 V saat mati. Pada saat hidup, detector akan melewatkan 100

mA pada arah yang berlawanan dengan drop tegangan kurang dari 3 V. Saat dipicu

pada kondisi on, detector akan selalu on sampai drop arus di bawah arus holding

(umumnya 100 µA) setelah itu detector menjadi off.

Gambar 2.8 Skema dari MOC30XX

Tabel 2.2 Macam-macam MOC30XX

Detektor dapat dipicu on dengan tegangan melebihi tegangan forward

blocking, dengan lereng tegangan melewati detetor melebihi nilai dv/dt, atau dengan

foton dari LED. LED dijamin dapat memicu detector menjadi on saat arus yang

35

melewati LED sama, atau lebih dari IFT(MAX). Bentuk MOC3021 dapat dilihat pada

gambar 2.8.

2.6 Triac

Triac adalah Thyristor dua arah yaitu suatu piranti tiga terminal yang dapat

melewatkan arus dalam kedua arah melalui jalur utamanya. Terminal-terminal arus

utama dikenal sebagai terminal utama-1 (T1) dan terminal utama-2 (T2), seperti

yang ditunjukkan dalam gambar 2.9 (a).

Gambar 2.9 (a) Simbol Triac, (b) Rangkaian Equivalen Triac

Triac tersusun dari dua buah SCR yang dipasang paralel berkebalikan,

seperti pada gambar 2.9 (b).

SCR (Silicon Controlled Rectifier) adalah suatu piranti semikonduktor yang

hanya dapat melewati arus dalam satu arah, maka akan sangat berguna untuk

mengendalikan arus DC. Jika dua SCR digabung secara paralel berkebalikan maka

didapatkan suatu pengendali fasa AC dan disebut sebagai triac. Kedua terminal dapat

berlaku sebagai katoda dan anoda.

36

Jik gah aliran

arus dala

ik oleh sinyal gerbang positif maupun negatif. Jika

terminal

2.7 Pe

a tegangan yang dipasangkan pada gerbang nol, triac mence

m kedua arah dan pada kondisi ini triac berada dalam keadaan blocking.

Triac dapat dihidupkan ba

T2 adalah positif terhadap T1 triac dipicu menjadi menghantarkan oleh

suatu pulsa positif yang dipasang pada gerbang. Jika T2 negatif terhadap T1, maka

triac akan dapat dihidupkan dengan memberikan suatu pulsa negatif yang dipasang

pada gerbang.

nguat Instrumentasi

2.7.1 Rangkaian penguat beda

Dalam tugas ini rangkaian penguat instrumentasi yang digunakan

dapat dilihat pada gambar 2.10. Karena penguatan yang diinginkan hanya satu

kali maka rangkaian ini berfungsi sebagai rangkaian penguat beda atau dalam

sistem akan berfungsi sebagai rangkaian deteksi error.

Gambar 2.10. Rangkaian penguat beda

Besar nilai penguatan dinyatakan dalam rumus :

37

( )12 VVVe−

M = (2.9)

Dengan Ve = tegangan error (masukan untuk pengendali PI)

V1 = tegangan masukan dari sensor tekanan

V2 = tegangan masukan dari set point

R1 = R3

R2

maan :

V2-V1).

= R4

Dari rangkaian pada gambar 2.10 diperoleh persa

Ve = (1

2R (2.10)

R

2.7.2 Rangk

Penguat berfungsi untuk memperbesar suatu sinyal ke harga tertentu.

Jika keluaran dari penguat mengeluarkan tegangan yang lebih besar dari

masukannya disebut penguat tegangan (voltage amplifier). Dalam sistem

kontrol penguat tegangan yang banyak digunakan adalah opamp (operational

amplifier). Rangkaian ini pada perancangan digunakan pada bagian pengendali

PI dan se li P

aian Penguat Tegangan

telah pengenda I sebagai inverter.

Gambar 2.11 Rangkaian penguat tegangan

38

Dengan Vi = tegangan input

Vout = tegangan output

Rumusan nilai penguatan dari gambar 2.11 adalah :

A = RiRf (2.11)

RiRf

VinVout = (2.12)

Jika Ri Rf , rangkaian ini disebut penguat pembalik (inverting

amplifier atau inverter).

2.8 Modulasi lebar pulsa (Pulse Width Modulation, PWM)

PWM merupakan rangkaian yang menghasilkan variasi pulsa untuk

masukan dc yang bervari

berubah-ubah tergantung masukan dc-nya. Pada prinsipnya PWM ini

membandingkan tegangan segitiga yang berperiode konstan tertentu dengantegangan

dc yang berubah-ubah. Hasilnya berupa gelombang kotak dengan perbandingan

periode on-off yang berubah. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar 2.12.

Misalkan suatu gelombang segitiga dibandingkan dengantegangan sebesar

Vdc1 yang berpolaritas positif dihasilkan gelombang kotak dengan duty cycle di atas

50% dan jika dibandingkan dengan tegangan Vdc2 yang berpolaritas negative

menghasilkan duty cycle di bawah 50%.

≈

asi. Dengan PWM akan didapatkan nilai duty cycle yang

39

Gambar 2.12 Bentuk pulsa PWM dengan masukan Vdc1 dan Vdc2

Besarnya duty cycle (δ) adalah perbandingan periode on terhadap

periode total :

Tt

ttt on

offon

on =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=δ (2.13)

Realisasi dari rangkaian ini bisa menggunakan OPAmp sebagaimana

ditunjukkan pada gambar 2.13.

Gambar 2.13 Rangkaian PWM

40

Rangkaian OpAmp I adalah untuk menghasilkan tegangan kotak, OpAmp II

untuk menghasilkan tegangan segitiga dan OpAmp III sebagai pembanding. Cara

kerja pembangkitan gelombang segitiga (OpAmp I dan II) diterangkan menurut

gambar 2.14.

Gambar 2.14 Cara kerja pembangkitan gelombang segitiga

Dengan acuan waktu hingga titik B, jika tegangan V memotong V ,

keluaran pembandingnya meloncat positif ke +V . Ini menyebabkan keluaran

pembangkit tanjakan kem

ramp UT

sat

bali ke atas ke VUT, sehingga menyelesaikan satu siklus

lengkap dari gelombang segitiga.

Persamaan analisisnya diberikan oleh :

VUT = Vsat+n

− (2.14)

VLT = nVsat−

− (2.15)

VLT = ( )

nsatsat VV − −+

(2.16)

41

Untuk pembangkit segitiga tersebut didapatkan perumusan sebagai

berikut :

Tegangan puncak ke puncak (Vpp) :

Vpp = 2

3.R

R (2.17)

.2 Vsat

F =

Frekuensi yang dihasilkan sebesar :

CRRR

.4.3.42 (2.18)

Sedangkan R1 sebesar parallel R2 dan R3 yang berfungsi untuk

mengkompe asukan, sehingga tegangan masukan inverting dan non

inverting besarnya sam asukan

tersebut nol.

Pad an yaitu masukan V1 berupa

gelombang segitiga yang tetap dan masukan V2 berupa tegangan dc yang bisa

diubah-ubah. Dengan mengubah-uabah besarnya tegangan dc maka keluarannya

mempun

nsasi besarnya m

a yang mengakibatkan beda potensial antara kedua m

a bagian pembanding ada dua masuk

yai amplitude sebesar tegangan saturasi OpAmp dan periode on-off yang

berubah-ubah sebagaimana dideskripsikan pada gambar 2.12.

42

BAB III

PERANCANGAN

3. 1 Pengendali secara umum

Alat yang akan dibuat merupakan pengendali tekanan uap pada sistem

pem nas air berbasis PI (Proporsional Integral). Blok diagram dari alat dapat dilihat

ada gambar di bawah ini :

a

p

Gambar 3.1 Diagram blok rangkaian secara umum

Cara kerja alat secara garis besar adalah set point diubah (sesuai tekanan

yang diinginkan) setelah itu maka alat akan bekerja secara otomatis. Yang dimaksud

dengan bekerja secara otomatis adalah, alat akan mati bila tekanan pada boiler sesuai

dengan tekanan yang diatur pada set point.

Rangkaian penguat beda digunakan untuk mendapatkan nilai error yang

merupakan selisih antara tegangan masukan dari set point dan tegangan yang

43

dihasilkan oleh s unakan sebagai

input pengendali PI yang nantinya tegangan keluaran dari pengendali PI akan

digunak

ensor tekanan. Tegangan error yang didapatkan dig

an sebagai input untuk rangkaian driver. Driver digunakan sebagai pemutus

dan penyambung tegangan pada aktuator, dalam hal ini digunakan rangkaian triac

sebagai driver. Lay out dari pengendali yang akan dibuat dapat dilihat pada gambar

3.2.

Gambar 3.2 Lay out Pengendali PI

3. 2 Penyepadanan alat-alat kontrol PI

Ziegler dan Nichols mengusulkan aturan-aturan untuk menentukan nilai

penguatan proporsional Kp, waktu integral Ti dan waktu turunan Td yang didasarkan

pada karakteristik respon transient dari plant.

Metode Ziegler-Nichols yang pertama, digunakan untuk mencari nilai Kp

dan Ti berdasarkan respons transient dari plant yang telah dibuat. Kurva respon yang

dibuat berdasarkan data dari plant dapat kita lihat pada gambar 3.3.

44

Data yang diperoleh dari plant adalah sebagai berikut :

n (Volt) Waktu (Menit)

Tabel 3.1 Data plant

No Tekanan (Bar) Teganga1 0 0.404 0 2 0.05 0.418 19 3 0.1 0.421 22 4 0.15 0.430 28 5 0.2 0.438 33 6 0.25 0.445 37 7 0.3 0.452 42 8 0.35 0.461 46 9 0.4 0.468 50 10 3 0.45 0.476 511 0.5 0.486 58 12 0.55 0.493 60 13 0.6 0.500 64 14 0.65 0.508 67 15 0.7 0.515 70 16 0.75 0.524 73 17 0 .8 0.531 76 18 0.85 0.539 78 19 0.9 0.546 81 20 0.95 0.556 85 21 1 0.563 87 22 1.05 0.570 90 23 1.1 0.578 93 24 1.15 0.587 95 25 1.2 0.594 98 26 1.25 0.601 101 27 1.3 0.610 104 28 1.35 0.618 107 29 1.4 0.625 110 30 1.45 0.633 113 31 1.5 0.641 117

45

Gambar 3.3 Kurva respons Plant

Karakteristik kurva respons plant dapat diberikan oleh dua konstanta, yakni

waktu tunda L dan konstanta waktu tunda T dan konstanta waktu ditentukan dengan

menggambarkan garis singgung pada titik perubahan kurva plant dan menentukan

perpotongan garis singgung dengan sumbu waktu dan garis c(t)=K, seperti pada

gambar 3.4.

Gambar 3.4 Kurva perpotongan garis singgung

46

Dari perhitungan yang didasarkan terhadap kurva respons plant yang dibuat,

maka didapatkan nilai L = 30 dan T = 95. Rumusan yang diberikan oleh aturan ini

untuk pengendali PI adalah :

Kp = 0,9 LT (3.1)

Ti = 3,0

L (3.2)

Rumusan ini dapat dilihat pada tabel 2.1.

Dengan nilai L = 30 dan T = 95 dapat kita hitung :

Kp = 0,9 95 30

Kp = 2,85

Ti = 3,0

30

Ti = 100

Sehingga didapatkan nilai penguatan proporsional (Kp) dan waktu

integral (Ti) sebesar :

3. 3 Plant

Plant yang dibuat untuk tugas akhir ini merupakan panci bertekanan atau

biasa disebut dengan istilah Boiler. Gambar 3. 5 merupakan gambar dari boiler yang

Kp = 2,85

Ti = 100

47

akan kami gu ya

600W

nakan. Pemanas yang digunakan adalah kompor listrik dengan da

.

Gambar 3.5 Boiler

Dengan adanya pemanas berupa kompor listrik, tekanan boiler dapat

dikontrol melalui rangkaian pengendali yang akan digunakan dengan cara mematikan

kompor listrik secara otomatis pada tekanan tertentu dengan rangkaian pengendali.

Keterangan dari gambar 3.5 adalah :

1. Pipa yang digunakan untuk memasukkan air.

2. Pipa yang digunakan untuk mengeluarkan air.

3. Safety Valve. Digunakan sebagai pengaman saat boiler dalam keadaan

bertekanan. Saat k an air yang ada di dalam boiler,

pertama-tama kita harus membuka safety valve secara perlahan agar

ita akan mengeluark

48

tekanan berkurang sedikit demi sedikit. Dalam hal ini digunakan kran

air yang kedap sehingga tekanan di dalam boiler dapat terjaga.

4. Rongga di tengah-tengah boiler. Dibuatnya rongga ini bertujuan untuk

da boiler, apabila jumlah rongga semakin

n cepat.

manometer (indikator

6.

7.

ran yang tahan

8.

ik

n bekerja untuk manometer dan

mempercepat pemanasan pa

banyak maka dijamin pemanasan akan semaki

5. Pipa yang digunakan sebagai tempat untuk

tekanan). Dalam hal ini indikator tekanan yang digunakan mempunyai

skala nol sampai dengan tiga Bar. Diharapkan dengan dipilihnya

indikator dengan skala rendah akan didapat data yang lebih akurat.

Pipa sebagai tempat sensor tekanan.

Indikator ketinggian air. Indikator ini wajib ada di setiap boiler karena

berfungsi agar banyak air yang tersisa dalam proses pemanasan dapat

selalu dipantau, sehingga tekanan yang berlebihan karena kekurangan

air dapat dihindari. Indikator ini berupa selang transpa

panas dan tahan terhadap tekanan yang cukup tinggi.

Pipa Syphon. Pipa ini dipasang agar tekanan pada manometer dan

tekanan yang bekerja pada sensor lebih presisi. Pada pipa ini diisi

dengan air sehingga saat tekanan dari bawah naik maka air akan na

dan menimbulkan tekanan yang aka

sensor tekanan.

49

Boiler

tidak meledak strik yang akan

digunakan

3. 4 Sensor

Senso

bertipe 8320 d an rentang tekanan 0 sampai dengan 10 Bar. Sensor

ini khusus digunakan sebagai sensor tekanan uap air.

pernah diuji dengan tekanan tinggi kurang lebih 10 Bar dan ternyata

. Tetapi saat dicoba dipanaskan dengan kompor li

boiler hanya mampu mencapai tekanan kurang lebih 1,5 Bar.

tekanan

r yang digunakan pada alat ini adalah Pressure Transmitter yang

ari Burkert deng

Gambar 3. 6 Burkert Pressure Transmitter 8320

Tegangan masukan yang dibutuhkan oleh piranti ini berkisar antara 10

sampai dengan 30 VDC. Sensor ini mempunyai output 4 sampai dengan 20 mA dan

sangat mudah digunakan karena hanya mempunyai 2 kabel penghubung. Kelebihan

lain dari sensor ini adalah dari segi ketahanannya terhadap suhu. Sensor ini tahan

terhadap suhu -40 sampai +100οC. Konstruksi sensor dapat dilihat pada gambar 3.6.

50

3. 5 Set point

Pada perancangan set point ini penulis memilih set point sebanyak tiga kali.

Pemilihan ini didasarkan dari data plant yang telah didapatkan berupa data

hubungan antara tegangan keluaran sensor dan tekanan dalam plant. Data yang

dipilih penulis dapat kita lihat pada tabel 3.2.

Gambar rangkaian yang akan digunakan adalah sebagai berikut :

Gambar 3.7 Rangkaian pembagi tegangan

Tabel 3.2. Set Point

No Tekanan (Bar) Tegangan (Volt)

1 0,25 0,445

2 0,50 0,486

3 0,75 0,524

Rumusan untuk rangkaian pada gambar 3.6 adalah :

Vout = VRpotR

R 12.1

1+

(3.3)

51

Sehingga perhitungan untuk komponen yang akan digunakan dapat

dilakukan.

Set point satu

Vout = VRpotR

R 12.1

1+

; dengan R1 = 1 KΩ

0,445 V = KRpotK +Ω

Ω1

.12V 1

VV

12445,0

RpotKKΩ1 = +Ω1

1 KΩ + Rpot = 26,431 KΩ

Rpot = 25,431 KΩ

Karena merupakan hambatan variabel maka digunakan

hambatan 100 KΩ.

Set point dua

Vout =

Rpot

VRpotR

R 12.1

1+

; dengan R1 = 1 KΩ

86 V = RpotK

K+Ω

Ω1

10,4 .12V

= V

V12486,0

RpotKK+Ω

Ω1

1

1 KΩ + Rpot = 24,691 KΩ

91 KΩ Rpot = 23,6

52

Karena Rpo merupakan hambatan variabel maka digunakan

hambatan 100 KΩ.

t

Vout =

t

Set poin tiga

VRpotR

R 12.1

1+

; dengan R1 = 1 KΩ

RpotKK+Ω

Ω1

10,524 V = .12V

= V

V12524,0

RpotKK+Ω

Ω1

1

1 KΩ + Rpot = 22,899 KΩ

Rpot = 21,899 KΩ

Karena Rpot merupakan hambatan variabel maka digunakan

hambatan set point secara nyata adalah : 100 KΩ. Gambar rangkaian

Gambar 3.8 Rangkaian Set Point

53

3. 6 Pengen

Penguat proporsional integral merupakan gabungan dari penguat

proporsional dan integral, m ngan dari pengendalinya meliputi rangkaian

Proporsional, I egral. Pada perancangan ini, tipe IC yang

digunakan adalah LM324. Alasannya karena dalam satu IC terdapat 4 buah OpAmp

dan hanya mem

3. 6. 1 Pengendali Proporsional

Dari penyepadanan alat-alat kontrol PI diperoleh nilai penguatan

proporsional (Kp) = 2,85. Dari persamaan (2-1) :

Vout = Kp Ve + Vo


Kp =

dali

aka peranca

ntegral dan Proporsional Int

butuhkan satu sumber tegangan (VCC).

-1

2

RR

(Gain)

Ve = tegangan

(Kp) = 2,85 dan dengan nilai R2 = 2,85 KΩ dapat

dihitung nilai R1 dari persamaan yang ada di atas.

error

Maka dengan nilai

Kp = 1

2

R

R

2,85 = 1R

K 2,85 Ω

1R =2,85

K 2,85 Ω

54

R1 = 1 KΩ

Karena R2 merupakan hambatan variabel maka nilai hambatan dari R2

dapat diatur dari 0 sampai 5 KΩ. Hal ini dikarenakan penulis memakai

hambatan variabel dengan nilai 5 KΩ. Rancangan dari rangkaian kendali

r 3.9. proporsional dapat dilihat pada gamba

G bam ar 3.9 Rangkaian penguat proporsional

3. 6. 2

Dari penyepadanan alat-alat kontrol PI yang dilakukan sebelumnya,

diperoleh nilai waktu integral (Ti) = 100. Mengacu pada persamaan (2-3) :

KI =

Pengendali Integral

Vout = KI ∫ + VoutVedt0

)0(


t

11.1CR

(Integration gain)

Ti = RI . CI (waktu integral)

Ve = error voltage

55


Maka dengan nilai (Ti) = 100 dan dengan nilai RI = 1 KΩ kita dapat

menghitung nilai C1 dari persamaan yang ada di atas.

Ti = RI . CI

100 = 1 KΩ. CI

CI = ΩK1

100 CI = 0,1 F

Karena RI merupakan hamb an variabel maka nilai hambatan dari RI

t l ini dikarenakan dipakai hambatan variabel

dengan n

at

dapat dia ur dari 0 sampai 1 KΩ. Ha

ilai 1 KΩ. Rancangan dari rangkaian kendali proporsional dapat dilihat

pada gambar 3.10.

Gambar 3.10 Rangkaian penguat integral

3. 6. 3 Pengendali Proporsional Integral

Pada perancangan rangkaian penguat proporsional integral dengan

penguat penjumlah, pengendali proporsional tidak perlu dikuatkan lagi.

Sehingga nilai penguatan untuk pengendali proporsional sebesar 1 kali. Untuk

pengendali integral dibutuhkan penguatan yang sama yaitu sebesar kali, hal ini

56

disebabka alam dali integral terdapat konstanta Kp.

Hal ini dapat dilihat pada persamaan (2-5) atau pada persamaan (2-7).

n karena d rumusan pengen

m (t) = Kp e(t) + ∫t

I

dtteT 0

)(

Untuk kendali proporsional dibutuhkan penguatan satu kali maka :

pK

135R =

R

Jika nilai R5 = 1 KΩ maka :

R3 = 1

1 ΩK

R3 = 1 KΩ

Untuk kendali integral dibutuhkan penguatan sebesar 1 kali maka :

145 =

RR

Jika nilai R5 = 1 KΩ maka :

R4 = 1

1 ΩK

R4 = 1 KΩ

Diagram blok rangkaian pengendali PI dapat dilihat pada gambar 3.11.

57

Gambar 3.11 Diagram blok rangkaian pengendali PI

H uk

mengatur besar kecilnya penguatan pada kendali proporsional dan hambatan

variabel R pada rangkaian integral digunakan untuk mengatur besar kecilnya

penguatan pada kendali integral.

ambatan variabel R2 pada rangkaian proporsional digunakan unt

I

Gambar 3.12 Rangkaian pengendali Proporsional Integral

3. 7 Current to Voltage Converter

Sens

Pres

or tekanan uap yang digunakan dalam sistem kendali ini adalah

sure Transmitter tipe 8320. Keluaran dari sensor berupa arus dalam skala 4 mA

58

samp

penu ai beban. Sensor ini memiliki beban (RA)

maksimum sebesar :

RA [Ω] =

ai 20 mA. Untuk mengubah keluaran sensor dari arus menjadi tegangan maka

lis menggunakan Resistor sebag

( )][02,0

][10][A

VVU B − (3.4)

dengan UB adalah tegangan catuan. Apabila menggunakan tegangan catuan

12 V maka besar beban maksimum :

RA [Ω] = ][02,0

][10][12A

VV −

=][02,0 A

][2 V

RA [Ω] = 100 Ω

enggunakan beban 100 Ω pada keluaran

sensor te

ngkaian deteksi error atau bisa disebut sebagai rangkaian

penguat beda. Dilihat dari persamaan (2.9) maka :

M =

Dari perhitungan inilah penulis m

kanan, sehingga keluaran sensor berubah dari arus menjadi tegangan.

3. 8 Rangkaian deteksi error

Karena penguatan yang diinginkan hanya satu kali maka rangkaian ini

berfungsi sebagai ra

( )12 VV −

Ve = (V

Ve ; karena M = 1

Sehingga bila dilihat dari persamaan (2.10) :

2 -V1)

59

).1

2

RR

Ve = (V2 - V1

1

2R = 1 ; j

Rika R2 = 1K

4 = 1KΩ R1 = R3 = R2 = R

Rangkaian penguat beda dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 3.13. Rangkaian penguat beda

3. 9 Pulse W

Realis da perancangan dengan memanfaatkan OpAmp,

rangakaian pe g. Pembangkit segitiga

merupakan konfigurasi integrator yang dipadukan dengan pembangkit gelombang

kotak.

idth Modulation (PWM)

asi PWM pa

mbangkit segitiga dan rangkaian pembandin

60

Gambar 3.14 Rangkaian PWM

Pada perancangan PWM ini besaran yang diinginkan adalah sebagai berikut

:

Vpp = 1,5 V

F = 5 Khz

Tegangan catu : +Vcc = 12 V dan –Vee = 0 V

Berdasarkan persamaan (2.17) maka :

Vpp = 2

3..2R

RVsat

VppRVsat 3..2

R2 =

Dengan R3

R2 =

= 1 KΩ maka besarnya R2 :

5,110.1.12.2 3

R2 = 16 KΩ

61

Untuk menentukan besarnya R4, berdasarkan persamaan (2.18) maka :

F = CRR

R2.4.3.4

R4 = CfR

R..3.4

2

Dengan u C = 0,1 F dan nilai f = 5 Khz, R2 = 16 KΩ dan R3 = 1KΩ

maka :

R4 = CfR

R..3.4

2

610.1,0.5.1.416

−ΩΩ

KhzKK R4 =

R4 = 8 KΩ

R1 dapat dihitung dengan memparalelkan R2 dan R3 yaitu :

R1 = 32

3.2RR

RR+

Ω+ΩΩΩ

KKKK116

1.16 R1 =

R1 = 0,941 KΩ

R1 1 KΩ ≈

62

Gambar 3.15 Perancangan Rangkaian PWM

3. 10 Interf

Untuk ngatur suhu air, pemanas dikendalikan oleh rangkaian PI melalui

triac. Triac ini terhubung langsung dengan pemanas / beban dan tegangan jala-jala

PLN, 220 VAC. Sehingga diperlukan isolator antara pengendali PI dengan triac.

MOC3021 merupakan optoisolator yang terdiri atas sebuah LED yang terhubung

secara optis dengan triac. Rangkaian internal driver ini dapat dilihat pada gambar

2.8. MOC3021 dipilih berdasarkan kemampuan menahan tegangan ketika dalam

keadaan off dan arus minimum yang dibutuhkan untuk menyalakan LED. Driver ini

dapat dioperasikan untuk menahan tegangan sampai 400 VAC dan memerlukan arus

minimum sebesar 15 mA untuk membuatnya ON.

Antarmuka pengendali PI dengan triac dibentuk oleh komponen Resistor

R6, MOC3021, triac, dan pemanas air 600 Watt sebagai beban. Bagian masukan dari

MOC3021 merupakan LED yang dinyala-padamkan oleh pengendali PI. Pengendali

acing Triac

me

63

PI memberi keluaran tegangan sehingga LED menyala. Cahaya LED menyebabkan

triac di bagian output MOC3021 menjadi on dan mengalirlah arus gate triac lewat

R1, selanjutnya triac akan on dan pemanas mulai bekerja. Interfacing triac dengan

Pengendali PI ditunjukkan dalam gambar 3.16.

Gambar 3.16 Interfacing Triac dengan Pengendali PI

Resistor R6 digunakan sebagai pembatas arus masukan LED. Led ini

memiliki batasan arus masukan antara 15 - 60 mA dan tegangan panjar maju kurang

lebih 1,3V. Nilai resistor maksimum dicari dari pembagian tegangan keluaran pin

mikrokontroler setelah dikurangi tegangan panjar maju LED dengan arus minimum

yang diperlukan. Dirumuskan dengan :

R6maks = mA

VfdVcc15

−

Menentukan nilai R6:

R6 = MOCIforward

MOCVforwardVcc_

_-

Vforward = 1,5 Volt (datasheet MOC)

64

I

R6 =

forward = 15 mA (datasheet MOC)

mAvv

155,112 −

R6 = 700 Ω

= 17,14 mA. Menentukan R1 :

Nilai resistor maksimal adalah 700 Ω sehingga didapatkan nilai IForward_MOC

Vin(pk) = 220 X 2

Vin(pk) = 311,12 Volt

R1 = axIpkVin

m)(

2,1126,311 R1 =

R1 = 259,272 Ω

Karena R1 minimum adalah 259,272 Ω maka dipilih R1 = 270 Ω.

65

BAB IV

HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini akan ditunjukkan hasil pengamatan dan pembahasan dari

Uap Denagn Mengguanakan Pengendali

roporsional Integral (PI). Pengujian dilakukan dengan cara memilih level tekanan

ang sudah ditentukan melalui set point. Level tekanan 1 adalah tegangan 0,445

gangan 0,524 Volt.

Pengambilan data yang digunakan oleh penulis adalah dengan cara merekam

inerja dari hardware yang diukur dengan multimeter digital berdasarkan selang

aktu yang telah ditentukan. Cara pengambilan data tersebut dilakukan agar

didapatkan data yang akurat, sela selang waktu pengambilan data

dipe

Plant

Pada Plant yang dibuat digunakan sebuah sensor tekanan yaitu Pressure

Transmitter dengan tipe 8320 dari Burkert dengan rentang tekanan 0 sampai dengan

10 Bar. Sensor ini khusus digunakan sebagai sensor tekanan uap air.

Tegangan masukan yang dibutuhkan oleh piranti ini berkisar antara 10

sampai dengan 30 VDC. Sensor ini mempunyai output 4 sampai dengan 20 mA dan

Pengendali Tekanan pada Ketel

P

y

Volt, level tekanan 2 adalah tegangan 0,486 Volt dan level tekanan yang ke 3 adalah

te

k

w

in itu apabila

rpendek maka data yang diperoleh akan lebih akurat lagi.

4.1 Kinerja

66

sangat mudah digunakan karena hanya mempunyai 2 kabel penghubung. Kelebihan

lain dari sensor ini adalah dari segi ketahanannya terhadap suhu. Sensor ini tahan

terhadap suhu -40 sampai +100οC.

Tekanan pada Boiler diatur sedemikian sehingga sesuai dengan nilai set point

yang diinginkan. Pada system ini jika tegangan keluaran dari Plant sama dengan

gangan dari set point yang berarti error nol maka tekanan pada Boiler akan

n mendekati nilai set point maka suhu pada pemanas akan

tekanan yang

diingin

buatan kontrol dari pengendali tekanan ini

mengal

yaitu :

te

dipertahankan. Semaki

semakin turun. Jika tegangan pada sensor tekanan lebih besar dari tegangan pada set

point maka pemanas akan mati dan tekanan pada Boiler akan turun. Hal ini akan

terus berlanjut hingga tekanan pada Boiler sesuai dengan level

kan.

4.2 Pengamatan dan Analisis

Pada bagian ini akan ditunjukkan pengamatan dan analisis dari sistem yang

bekerja. Pada kenyataannya pem

ami beberapa kendala dan kesulitan, baik itu faktor dari luar atau faktor dari

pengendali itu sendiri. Dalam tugas akhir ini hanya dapat diselesaikan sampai bagian

Plant saja, sedangkan bagian pengendali atau kontrol tekanan masih dalam

pengerjaan dikarenakan mengalami beberapa kendala dan kesulitan sehingga belum

didapatkan data yang diperlukan untuk analisa.

Sistem pengendali pada tugas akhir ini pada dasarnya meliputi 2 bagian dasar

67

Plant

Pengendali tekanan Boiler dengan basis rangkaian PI

4.2.1 Analisa Plant

Analisis dari plant yang telah dibuat meliputi analisa Boiler, pemanas

dan sensor tekanan yang digunakan. Plant yang dibuat untuk tugas akhir ini

merupakan panci bertekanan atau biasa disebut dengan istilah Boiler. Pada gambar 4.

1 ditunjukkan gambar dari boiler yang telah dibuat. Pemanas yang digunakan adalah

kompor listrik dengan daya 600W.

Gambar 4. 1 Boiler

Setelah Plant selesai dibuat maka dilakukan pengecekan dengan

menggunakan sensor tekanan yang akan digunakan. Berdasarkan percobaan yang

68

telah dilakukan pada Boiler maka dapat disimpulkan bahwa Plant dapat bekerja

dengan baik dan lancar. Selain itu tegangan keluaran dari sensor juga sesuai dengan

level tekanan pada Boiler.

4.2.2 Analisis Pengendali

Karena penguat proporsional integral merupakan gabungan dari

penguat proporsional dan penguat integral maka penguat ini mempunyai dua mode

yaitu mode P dan mode I. Dalam analisa meliputi rangkaian Proporsional, rangkaian

Integral, set point, rangkaian deteksi error, PWM dan rangkaian Driver pemanas.

4.2.2.1 Analisis Set Point

linear, logaritmis) maka tegangan yang dihasilkan kurang

ingga mengakibatkan kekacauan pada sistem kendali. Sehingga disarankan

menggunaka nggunakan TriPort maka tegangan yang

dihasilkan jauh lebih stabil dantidak akan mengacaukan kinerja system kendali.

Dalam percobaan yang dilakukan terhadap rangkaian setpoint terdapat

kendala pada pemilihan jenis komponen yang digunakan. Dalam hal ini kendala yang

dihadapi terdapat pada Potensiometer yang digunakan. Jika diguanakan

Potensiometer yang biasa (

stabil seh

n TriPort. Dengan me

69

4.2.2.2 Analisis Rangkaian Deteksi Error

dibuat dapat bekerja dengan baik.

Percobaan terh

P

guat

sederhana dengan menggunakan Op-Amp. Penguatan yang diinginkan pada

rangkaian proporsional ini sebesar 2,85 kali.

.2.2.4 Analisis Rangkaian Integral

kaian pengendali

integral terdap

umnya, diperoleh nilai

konstanta waktu integral (Ti) = 100. Mengacu pada persamaan (2-3) :

Vout = K )0(

dengan Vout

Rangkaian deteksi error yang

adap rangkaian deteksi error dilakukan dengan mengurangkan dua

tegangan yang dihasilkan dari rangkaian pembagi tegangan.

4.2.2.3 Analisis Rangkaian Proporsional

ercobaan terhadap rangkaian proporsional berjalan lancer. Hal ini

dikarenakan rangkaian proporsional pada dasarnya merupakan rangkaian pen

4

Dalam percobaan yang dilakukan terhadap rang

at kendala pada pemilihan jenis komponen yang digunakan. Hal ini

dispesifikasikan pada pemilihan komponen Resistor dan Kapasitor. Dari

penyepadanan alat-alat kontrol PI yang dilakukan sebel

I ∫ +t

VoutVedt0

= tegangan output

70

K = I11

1 (Integration gain) .CR

i = RI . CI (waktu integral)


Pemilihan kombinasi komponen R dan C untuk mendapatkan hasil

berupa konstanta T ternyata tidaklah mudah. Hal inilah yang menyebabkan keluaran

dari pengendali Integral yang telah dibuat tidak sesuai dengan apa yang diharapkan.

nalisis PWM

telah dikerjakan berdasarkan perancangan. Dalam

percobaan terhadap rangkaian dengan masukan berupa tegangan yang diubah-ubah

didapatkan keluaran berupa pulsa-pulsa tegangan dengan periode tegangan yang

berubah-ubah.

Setelah n ko g sesuai dengan perancangan

sebelumnya maka dilakukan percobaan dengan menggabungkan rangkaian

Proporsional,

yang dibutuhkan oleh Driver. Setelah dilakukan beberapa kali pergantian pada

T

Ve = error voltage

I I

I

4.2.2.5 A

Rangkaian PWM

digunaka mbinasi RI dan CI yan

rangkaian Integral, set point, rangkaian deteksi error, PWM dan

rangkaian Driver pemanas. Ternyata pada kenyataannya Driver tidak dapat aktif

dikarenakan arus pada keluaran PWM kuarang dari batas minimum arus masukan

71

kombinasi RI didapatkan tetap sama yaitu Driver tidak

aktif. Karena h

dan CI ternyata hasil yang

al inilah maka tidak dapat dilakukan percobaan dengan menggunakan

Plant dan pengendali Proporsional Integral secara bersamaan.

72

BAB V

PENUTUP

.1 Kesimpulan

Berdasarkan perancangan dan pengamatan yang telah dilakukan, maka

iperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1. Sistem yang dikerjakan tidak dapat berjalan sesuai dengan tujuan

dan manfaat yang diharapkan, yaitu menjaga kestabilan tekanan

pada Boiler.

2. Nilai level tegangan yang diperoleh mengalami perbedaan yaitu

pada perancangan diinginkan 12 Volt, tetapi hanya tercapai 11,85

Volt. Hal ini terjadi pada rangkaian Catu Daya.

3. Dengan menggun an berupa rangkaian Integral maka

tidak diperlukan lagi rangkaian fset tegangan.

5.2. Saran

aran bagi pengembangan penelitian ini untuk menuju ke arah

yang lebi

n yang tepat sehingga didapatkan

ter yang tepat.

5

d

akan tambah

Of

Beberapa s

h baik dan sempurna diantaranya adalah sebagai berikut :

1. Lakukan pemilihan kompone

hasil yang memuaskan. Terutama pemilihan kombinasi

komponen RI dan CI pada rangkaian Integral serta gunakan

Potensiome

73

2. Membuat media Plant yang lebih baik dalam hal untuk

mengurangi kebocoran tekanan pada Boiler.

74

DAFTAR PUSTAKA

[1] http://www.Elektroindonesia.com.

[2] Ogata K, 1997, Teknik Kontrol Automatik, Erlangga, Yogyakarta.

[3] Pakpahan S, 1994, Kontrol Otomatik, Erlangga, Jakarta.

[4] A.Muir Syamsir, 1986, Pesawat-pesawat Konversi Energi, Rajawali Pers,

Jakarta.

[5] http://www. Te. Ugm. Ac. Id.

75

pengendali tekanan pada ketel uap dengan …

Documents