PENGENDALIAN LAJU ALIR

1. Tujuan Percobaan

mengendalikan laju alir air secara otomatis menggunakan PID-

Controller.

2. Dasar Teori

Pada percobaan ini, kecepatan aliran air yang berasal dari pompa

peristaltik dimonitor secara terus-menerus oleh sebuah flow sensor. Dengan

cara mengatur kecepatan pompa dan dengan memperhatikan kecepatan aliran

air, maka kecepatan aliran air dari pompa peristaltik dapat dikendalikan.

Pengukuran laju aliran fluida adalah salah satu yang terpenting dalam

proses Flow control. Pengukuran ini bertujuan untuk mengetahui berapa

kapasitas fluida yang dialirkan untuk mendapatkan harga pengukurannya

(measurement variable). Aliran pada umumnya diukur berdasarkan besarnya

kecepatan fluida yang melewati luas penampang tertentu, atau

QV = A x V

dimana : QV : laju aliran (m3 / det)

A : luas penampang dari pipa (m2)

V : kecepatan fluida (m / det)

Empat faktor penting dalam pengukuran aliran fluida dalam pipa

adalah :

• Kecepatan fluida

• Friksi/gesekan fluida dengan pipa

• Viskositas/kekentalan fluida

• Densitas/kerapatan fluida

Banyak alat-alat yang dapat digunakan untuk mengukur aliran fluida.

Flowmeter dapat dibagi dalam 4 grup umum, yaitu positive displacement

meters, head meters, velocity meters dan mass meters. Yang termasuk dari

displacement meter antara lain : piston, oval gear, dan nutatic disk. Head

meter adalah tipe yang sering digunakan. Pengukuran flow fluida secara tidak

langsung, yaitu dengan mengukur differential pressure. Yang termasuk dalam

head meter antara lain orifice plate, venturi tubes, flow nozzle, pitot tubes,

target meter, elbow tap meter dan rotatometer. Adapun keuntungan dalam

penggunaan oriface plate disisi harganya murah, dapat digunakan dalam

berbagai material serta bisa dipakai pada range yang luas dari ukuran pipa,

akurasinya bagus bila plat dipasang tepat. Sedangkan kelemahan dari sensor

oriface yaitu permanen pressure loss yang relatif tinggi dan akurasi

tergantung dari pemasangannya. Apabila kita menggunakan flow nozzle

keuntungannya permanen pressure loss yang lebih rendah dibandingkan

oriface plate, bagus untuk fluida yang mengandung padatan, dapat digunakan

pada banyak material. Sedangkan kelemahan dari penggunaan flow nozzle

antara lain harganya lebih mahal dari oriface plate dan terbatas pada ukuran

pipa tertentu.Yang termasuk dalam velocity meters antara lain turbine meters,

electromagnetic flow meters, vortex meters dan ultrasonc meters. Sedangkan

yang termasuk dalam mass meters antara lain : thermal meters dan coriolis

meters.

Dari sistem proses seperti pipa atau tangki, fluida mengalir yang akan

dibaca besaran fisika atau kimia oleh sensor atau dan transmitter kemudian

diubah menjadi nilai standar pengukuran ke unit kendali (komputer) yang

akan dibandingkan dan dievaluasi dengan nilai acuan dan keluar sebagai error

yang akan dikendalikan dan keluar sinyal kendali dari unit kendali ke katup

kendali yang mengatur besar kecilnya aliran fluida dan keluar sebagai

variabel termanipulasi untuk melakukan koreksi atau mengendalikan variabel

proses dan adanya variabel gangguan (masukan atau keluaran atau kendali

akhir fluida) kemudian kembali ke sistem proses dan keluar sebagai nilai

keluaran (variabel proses).

Sistem Pengendalian

Pengendalian Proses adalah bagian dari pengendalian automatik yang

diterapkan di bidang teknologi proses untuk menjaga kondisi proses agar

sesuai dengan yang diinginkan. Seluruh komponen yang terlibat dalam

pengendalian proses disebut sistem pengendalian atau sistem kontrol. Tujuan

pengendalian proses bertujuan untuk mempertahankan nilai proses agar

sesuai dengan kebutuhan operasi. Tujuan pengendalian adalah

mempertahankan nilai variabel proses agar sesuai dengan kebutuhan operasi

sesuai dengan yang diinginkan. Tujuan pengendalian erat berkaitan dengan

kualitas pengendalian yang didasarkan atas bentuk tanggapan variabel proses.

Setelah terjadi perubahan nilai acuan (settpoint) atau beban diharapkan,

• Penyimpangan maksimum dari nilai acuan sekecil mungkin

• Waktu yang diperlukan oleh variabel proses mencapai kondisi mantap

sekecil mungkin

• Perbedaan nilai acuan dan variabel proses setelah tunak sekecil

mungkin

Atau dapat dinyatakan dengan istilah umum, yaitu

• Minimum overshoot

• Minimum offset

• Minimum settling time

Dengan kata lain kualitas pengendalian yang diharapkan adalah,

• Tanggapan cepat

• Hasilnya stabil dan tidak ada penyimpangan

Jenis Variabel

Jenis variabel yang mendapatkan perhatian penting dalam bidang

pengendalian proses adalah variabel proses (process variable, PV) atau yang

disebut juga variabel terkendali (controlled variable). Variabel proses adalah

besaran fisika atau kimia yang menunjukkan keadaan proses. Variabel ini

bersifat dinamik, artinya nilai variabel dapat berubah spontan oleh sebab lain

baik yang diketahui ataupun tidak. Di antara banyak macam variabel proses

terdapat empat variabel dasar, yaitu: suhu (T), tekanan (P), laju alir (F), dan

tinggi permukaan cairan (L).

Dalam teknik pengendalian proses, titik berar permasalahan adalah

menjaga agar nilai variabel proses tetap atau berubah mengikuti alur

(trayektori) tertentu. Variabel yang digunakan untuk melakukan koreksi atau

mengendalikan variabel proses disebut variabel termanipulasi (manipulated

variable, MV) atau variabel pengendali. Sedangkan nilai yang diinginkan dan

dijadikan acuan atau referensi variabel proses disebut nilai acuan (settpoint

value, SV). Selain ketiga jenis variabel tersebut masih terdapat variabel lain

yaitu gangguan (disturbance) baik yang terukur (measured disturbance)

maupun tidak terukur (unmeasured disturbance) dan variabel keluaran tak

terkendali (uncontrolled output variable). Variabel gangguan adalah variabel

masukan yang mampu mempengaruhi nilai variabel proses tetapi tidak

digunakan untuk mengendalikan.

Sistem Pengendalian Umpan Balik

Prinsip mekanisme kerja sistem pengendalian umpan balik adalah

mengukur variabel proses dan kemudian melakukan koreksi bila nilainya

tidak sesuai dengan yang diinginkan. Ciri utama pengendalian umpan balik

adalah adanya umpan balik negatif, artinya jika nilai variabel proses berubah,

terdapat umpan balik yang melakukan tindakan untuk memperkecil

perubahan itu.

a. Langkah Pengendalian

Langkah pengendalian umpan balik adalah sebagai berikut:

1.Mengukur, tahap pertama dari langkah pengendalian adalah mengukur

atau mengamati nilai variabel proses

2.Membandingkan, hasil pengukuran atau pengamatan variabel proses

(nilai terukur) dibandingkan dengan nilai acuan (settpoint)

3.Mengevaluasi, perbedaan antara nilai terukur dan nilai acuan

dievaluasi untuk menentukan langkah atau cara melakukan koreksi atas

perbedaan itu.

4. Mengoreksi, tahap ini bertugas melakukan koreksi variabel proses agar

perbedaan antara nilai terukur dan nilai acuan tidak ada atau sekecil

mungkin

b. Jenis Sistem Pengendalian

1. Sistem Pengendalian Simpal Terbuka dan Tertutup

Berdasarkan ada atau tidak adanya umpan balik, sistem pengendalian

dibedakan ata sistem pengendalian sistem simpal terbuka (open loop control

system) dan sistem pengendalian simpal tertutup (closed loop control

system). Sistem pengendalian simpal terbuka bekerja tampa membandingkan

variabel proses yang dihasilkan dengan nilai acuan yang diinginkan. Sistem

ini semata-mata bekerja atas dasar masukan yang telah dikalibrasi. Sebagai

contoh sederhana adalah kran air yang dikalibrasi. Dengan memandang kran

sebagai sistem, maka bukaan keran (atau sudut aturan keran) adalah sebagai

masukan dan laju alir air sebagai keluaran sistem. Berdasarkan hukum

dinamika fluida, laju alir tergantung pada beda tekanan yang melintas keran.

Misal pada posisi keran x1 dengan beda tekanan P2 mengalir air pada laju

Q2. jika oleh suatu sebab tertentu tiba-tiba beda tekanan berubah menjadi P1,

maka pada posisi keran tetap x1 akan menghasilkan laju alir Q1. dengan

demikian sistem pengendalian simpal terbuka tidak dapat mengatasi

perubahan beban atau gangguan yang terjadi.

Meskipun dari uraian di atas, sistem simpal tebuka merupakan sisitem

yang buruk, karena tidak mampu mengatasi gangguan, tetapi memiliki

keuntungan sebagai berikut.

• Lebih murah dan sederhana dibanding simpal tertutup.

• Jika sistem mampu mencapai kestabilan sendiri, maka akan stabil.

Untuk mengurangi kekurangan sistem terbuka, seorang operator pabrik

akan mengatur kembali besarnya gangguan agar diperoleh sasaran yang

diinginkan. Tetapi dengan tindakan operator ini berarti sudah membuat sistem

simpal tertutup! Berbeda dengan simpal terbuka, pada pengendalian simpal

tertutup terdapat tindakan membandingkan nilai variabel proses dengan nilai

acuan yang diinginkan.

Perbedaan itu digunakan untuk melakukan koreksi sedemikian rupa

sehingga nilai variabel proses sama atau dekat dengan nilai acuan. Dengan

demikian tedapat mekanisme umpan balik. Sehingga sistem pengendalian

simpal tertutup lebih dikenal dengan sistem pengendalian umpan balik.

Meskipun sistem simpal tertutup mampu mengatasi ganguan atau

perubahan beban, tetapi memiliki kelemahan sebagai berikut.

• Lebih mahal dan kompleks dibanding simpal terbuka.

• Dapat membuat sistem tidak stabil, meskipun sebenarnya tampa

umpan balik sistem dapat mencapai kestabilan sendiri.

2. Sistem Pengaturan dan pengendalian

Berdasarkan nilai acuan, sisitem pengendalian umpan balik dibedakan

atas dua jenis, yaitu; sistem pengendalian dengan nilai acuan tetap (di bidang

elektro sering disebut sistem pengaturan) dan sistem pengendalian dengan

nilai acuan berubah ( di bidang mekanik sering disebut sistem pengendalian,

sistemservo, atau tracking).

Tujuan utama sistem pengaturan adalah mempertahankan agar nilai

variabel prosestetap pada nilai yang diinginkan. Sedangkan pada sistem

pengendalian, tujuan utamanya adalah mempertahankan agar nilai variabel

proses agar selalu mengikuti perubahan nilai acuan.

Di bidang teknologi proses termasuk teknik kimia, mekipun hampir

semuanya bekerja dengan titik acuan tetap, tetapi lebih populer dengan istilah

sistem pengendalian dan bukan sistem pengaturan. Hal ini disebabkan karena

istilah pengendalian lebih mencerminkan kondisi dinamik.

Instumentasi proses

Pelaksanaan langkah pengendalian pada penjelasan diatas memelukan

instrumentasi sebagai berikut:

1. Unit Pengukuran

Bagian ini bertugas mengubah nilai variabel proses yang berupa besaran

fisik atau kimia seperti laju alir, tekanan, suhu, pH, konsentrasi, dan

sebagainya menjadi sinyal standar. Bentuk sinyal standar yang populer

dibidang pengendalian proses adalah berupa sinyal penuematik (tekanan

udara) dan sinyal listrik. Unit pengukuran terdiri dari atas dua bagian yaitu

sensor dan transmiter.

• Sensor yaitu elemen perasa yang lansung bersentuhan dengan variabel

proses.

• Transmiter yaitu bagian yang berfungsi mengubah sinyal dari sensor

(gerakan mekanik, perubahan hambatan, perubahnan tegangan atau arus)

menjadi sinyal standar. Dalam bidang pengendalian proses istilah transmiter

lebih populer dibanding dengan transduser. Meskipunkeduanya berfungsi

serupa, tetapi transmiter mempunyai makna pengirim sinyal pengukuran ke

unit pengendali yang biasanya terletak jauh dari tempat pengukuran. Ini lebih

sesuai dengan keadaan yang sebenarnya di pabrik.

2. Unit Pengendali

Bagian ini bertugas membandingkan, mengevaluasi, dan mengirimkan

sinyal ke unit kendali akhir. Evaluasi yang dilakukan berupa operasi

matematika. Hasil evaluasi berupa sinyal kendali yang dikirim keunit kendali

akhir. Sinyal kendali berupa sinyal standar yang serupa dengan sinyal

pengukuran.

• Controller (pengendali) yaitu menerima nilai error dari hasil

pembanding, kemudian menginterprestasikan nilai yang tepat lalu

memerintahkan elemen kontrol pengendali akhir agar bisa sesuai dengan nilai

yang diinginkan. Respon dari konriller memiliki tiga kriteria koreksi, yaitu:

1. Proportional : sinyal keluaran sebanding dengan penyimpangan

(deviasi). Pengendali ini cepat stabil dan memiliki offset kecil.

2. Integral: keluaran selalu berubah selama terjadi deviasi dan kecepatan

perubahan keluaran tersebut sebanding dengan penyimpangan.

Pengendali ini lambat stabil karena sering terjadi gangguan, tetapi

memiliki offset kecil.

3. Derivatif: mempercepat respon pengendali tetapi sangat

peka terhadap noise (gangguan akibat bising, turbulensi). Pengendali

ini cepat stabil dan memiliki offset kecil.

4. Kombinasi: pengontrol tipe integral dan derivatif jarang digunakan

secara tersendiri, tetapi digabungkan dengan sistem proportional untuk

menghilangkan keragu-raguan jika jenir proportional memerlukan

karakteristik yang stabil. Dengan penggabungan ini akan diperoleh suatu

sistem kontrol yang lebih stabil sehingga sensitivitas responnya akan menjadi

lebih besar.

3. Unit Kendali Akhir

Bagian ini bertugas menerjemahkan sinyal kengali menjadi aksi atau

koreksi melalui pengaturan variabel termanipulasi. Unit ini terdiri atas dua

bagian besar, yaitu aktuator dan elemen kendali akhir. Aktuator adalah

penggerak elemen kendali akhir. Bagian ini dapat berupa motor listrik,

selenoida, atau membran peneumatik. Sedangkan elemen kendali akhir

biasanya berupa katup kendali akhir (control valve) atau elemen pemanas.

3. Tanggapan Transien Sistem Tertutup

Jika ke dalam sistem pengendalian terjadi perubahan nilai acuan,

idealnya nilai variabel proses tepat mengikuti nialai acuan baru. Tetapi

kondisi demikian biasanya tidak terjadi. Nilai variabel proses akan

mengalami beberapa kemungkinan perubahan, yaitu:

• Tanpa osilasi (everdamped)

• Osilasi teredam (underdamped)

• Osilasi kontinyu (sastrained oscilation)

• Tidak stabil (amplitudo membesar)

Keempat tanggapan diatas dibuat dengan memberi masukan berupa step

function (fungsi langkah) yaitu dengan perubahan mendadak dari satu nilai

masukan konstan ke nilai masukan konstan yang lain. Besarnya perubahan

tersebut biasanya paling besar 10%.

Tanggapan tanpa osilasi bersifat lambat namun stabil. Sedangkan

tanggapan osilasi teredam mengalami sedikit gelombang di awal perubahan,

dan selanjutnya amplitudo mengecil dan akhirnya hilang. Tanggapan ini

cukup cepat meskipun terjadi sedikit ketidakstabilan. Pada tanggapan dengan

osilasi kontinyu, variabel proses secara terus menerus bergelombang dengan

amplitudo dan frekuensi yang tetap, terakhir, tanggapan tak stabil memiliki

amplitudo besar, kondisi demikian sangat berbahaya karena dapat merusak

sistem keseluruhan.

4. Kalibrasi

Kalibrasi merupakan suatu proses verifikasi bahwa suatu akurasi alat

ukur yang sesuai dengan rancangannya. Kalibrasi biasanya dilakukan dengan

membandingkan suayu standar yang tergabung dengan standar yang

nasional

maupun internasional dan bahan-bahan acuan verifikasi. Kalibrasi pada

umumnya merupakan suatu proses untuk menyesuikan keluaran atau indikasi

dari suatu perangkat pengukuran agar sesuai dengan besaran dari standar

yang digunakan dalam akurasi tertentu.

Sistem manajeman kualitas memerlukan sistem pengukuran yang efektif,

termasuk dalamnya kalibrasi formal, periodik dan terdokumentasi,untuk

semua perangkat pengukuran, ISO 9000 dan ISO 17025 memerlukan sistem

kalibrasi yang efektif.

Kalibrasi di lakukan untuk beberapa hal yaitu :

1. Perangkat baru

2. Suatu perangkat setiap waktu tertentu

3. Suatu perangkat setiap waktu penggunaan tertentu (jam operasi)

4. Ketika suatu perangkat mengalami tumbukan atau getaran yang

berpotensi mengubah kalibrasi

5. Ketika suatu hasil observasi dipertanyakan

3. Gambar Rangkaian Alat

Praktikum ini menggunakan PCT40 bench yang dilengkapi dengan

selang-selang fleksibel. PCT 40 terhubung dengan sebuah komputer melalui

koneksi USB. Pada komputer telah terinstall paket software yang dapat

digunakan untuk mengendalikan dan mengelola signal-signal yang berasal

dari semua sensor dan controller.

4. Prosedur Kerja

Equipment set up

Pada software PCT40, pilih Section 9: Flow Control. Klik ikon

untuk menampilkan layar diagram mimic. Cocokkan hubungan selang ke

semua alat yang ada dengan gambar yang terlihat pada diagram mimic.

Klik menu Sample-Configure lalu atur data logging dilakukan secara

Automatic dengan interval 1 detik dan durasi Continuous.

Pastikan bahwa mains water supply pada kondisi off dan pressure

regulator pada posisi minimum.

Gunakan selang panjang peristaltik berdiameter 6.3 mm yang memiliki

self-sealing pada salah satu ujungnya untuk menghubungkan soket keluaran

pada SOL1 dan pompa peristaltik A. Arahkan ujung lainnya ke bak

pembuangan.

Gunakan selang panjang peristaltik lainnya untuk menghubungkan soket

sebelum SOL1 dan pompa peristaltik B. Arahkan ujung lainnya ke bak

pembuangan.

Pengaturan Pompa A dan B

Atur kecepatan pompa B pada 50%. Pastikan rotor pompa teraba berputar

(bergetar). Buka mains wáter supply lalu secara hati-hati tutup penutup

pompa. Jika air terlihat mengalir melalui pompa, perbesar kecepatannya

hingga 100%.

Atur pressure regulator pada laju alir maksimum (1400 mL/menit).

Atur kecepatan pompa B pada 0%

Tutup dengan hati-hati penutup pompa A dan atur pada kecepatan 50%.

Buka katub SOL1 dan pastikan air mengalir melalui pompa A.

Atur kecepatan pompa A pada 0%

Percobaan dengan PID-controller

PID setting dan Optimasi

Buat data sheet baru dan persiapkan sebuah on/off controller (Automatic,

PID=0) serta setpoint 1000 mL/menit. Klik “Apply” dan “GO” untuk

memulai data logging.

Terlihat bahwa laju alir meningkat dan melewati setpoint dan akhirnya

membentuk overshoot dan beroscilasi kontinu. Pada oscilasi yang ke dua atau

ke tiga, klik ”STOP” untuk menghentikan data logging.

Buat gambar kurva dengan menggunakan software EXCEL antara data

waktu versus laju alir air.

Dari gambar kurva tersebut, tentukan jarak puncak atas dan puncak

bawah sebagai y dan waktu yang dibutuhkan dari puncak ke puncak sebagai t.

Dari nilai y dan t tersebut, nilai awal untuk P, I,dan D dapat ditemukan

sebagai berikut:

Nilai-nilai P, I, dan D hasil optimasi ini selanjutnya disebut sebagai nilai

hasil optimasi atau nilai optimal. Ketikkan nilai optimal ini pada software,

dan buat data sheet baru lalu klik ”GO” untuk memulai data logging dan jika

selesai klik ”STOP”.

Lakukan observasi tentang nilai P, I, D lain yang lebih baik.

Proportional action mengatur gain dari controller. Jika terlihat suatu

respon yang lambat, atau dengan jumlah oscilasi yang banyak, maka kurangi

nilai P.

Integral action dapat digunakan untuk mengurangi dan mengeliminasi

offset. Jika offset terlihat, kurangi nilai I.

Derivative action dapat diatur untuk mengurangi oscilasi yang

berlebihan. Jika respon beroscilasi ekstrem, kurangi nilai D.

Lakukan pengambilan data dengan nilai P, I , dan D yang didapat,

bandingkan dengan respon hasil optimasi.

6;;

3

tDtI

yP

5. Data Pengamatan dan Perhitungan

Setpoint = 700 ml/min

0 100 200 300 400 500 6000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Grafik Hubungan waktu vs laju alir

waktu (detik)

laju

alir

0 50 100 150 200 2500

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Grafik Hubungan waktu vs laju alir

waktu (detik)

laju

alir

Perhitungan optimasi PID pada pompa A dari grafik di atas:

A = overshoot-undershoot= 90 – 55 = 35

t = jarak lembah 2 – jarak lembah 1= 938 – 450 = 488

PB= A3

=353

=11,7

TI=t=48860

=8,13=8 detik

TD= t6=8

6=5,83 detik

6. Pembahasan

Pada percobaan ini, dilakukan optimasi PID pada pompa A dengan

mengatur set point pada 700 ml/min dan mengatur bukaan pompa A pada

100%. Dari hasil optimasi didapatkan nilai P = 11.7, I = 8 dan D = 5.83, hasil

optimasi ini kemudian akan diterapkan pada percobaan pengendalian laju alir

dengan menggunakan pompa A dan dengan menggunakan hasil optimasi

tersebut maka nilai respon proses akan lebih cepat dicapai sehingga waktu

untuk mencapi setpoint juga akan semakin cepat.

7. Daftar Pustaka

ARMFIELD, 2008, Multifunction Process Control Teaching System :

Basic Process Control Unit. Instruction Manual for PCT40

The instrumentation pengendalian proses (www.google.com diakses 1

februari 2011).

Artikel pengendalian proses (www.google.com diakses 1 februari 2011).