Kt rev 3

MODUL I-02

1

BAB I.

PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANG

Pengontrolan dapat diartikan sebagai pengaturan atau

pengendalian. Pengontrolan dalam proses produksi didefinisikan

sebagai upaya pengaturan untuk mempertahankan nilai atau output

yang diinginkan tetap terjaga dari pengaruh perubahan atau

deviasi yang ditimbulkan oleh proses itu sendiri.

Integrasi komponen kontrol dan measurement, berfungsi untuk

mendapatkan system control yang tepat. Dalam melakukan tuning

controller ada beberapa metode yang secara umum dapat dibagi

dua, yaitu: open loop dan closed loop tuning. Pada cascade

control, bagian sekunder di tuning terlebih dahulu diikuti bagian

primer.

Pengaturan yang presisi dari level, pressure, temperature, dan

flow adalah unsur penting dalam aplikasi proses. Perubahan kecil

pada control dan pengukuran, akan membawa dampak yang besar

pada proses produksi.

1.2. TUJUAN

Penyusunan Modul ini bertujuan untuk :

• Menjelaskan prinsip pengukuran variable proses

• Menjelaskan prinsip control valve

• Menjelaskan prinsip pengendalian dan teknik pengendalian

yang aman terhadap kondisi proses.

• Menjelaskan elemen di dalam suatu loop pengendalian.

2

• Menjelaskan macam-macam mode serta aksi controller.

• Menjelaskan variabel dan metode tuning controller

1.3. MANFAAT

Diklat teknis instrumentasi adalah bagian yang sangat penting

dalam kegiatan suatu proses untuk meningkatakan kompetensi

pekerja.

Dengan peralatan instrumentasi ini dapat mengetahui kondisi

varibel proses yang sedang berjalan, sehingga apabila terjadi

gangguan terhadap proses tersebut operator akan dapat segera

mengetahui dan mengambil tindakan perbaikan terhadap

gangguan tersebut, sehingga proses akan berjalan dengan aman

sesuai dengan yang diinginkan.

Buku ini disusun dengan harapan bermanfaat bagi semua pihak

yang berkepentingan dengan pengembangan bahan ajar.

1.4. RUANG LINGKUP

Buku ini akan dikhususkan pada pembahasan sistem instrumentasi

untuk operator pengendali plan yang mencakup :

• Drawing dan air instrument system

• Sistem pengukuran variable proses

• Control Valve

• Sistem pengendalian proses.

• Metode tuning

Kt rev 3

MODUL I-02

3

BAB II.

DRAWING AND AIR INSTRUMENT SYSTEM

2.1 Drawing

Untuk mengendalikan plan diperlukan gambar yang berisi tentang alur

proses, alat utama dan peralatan instrumen yang terpasang, sesuai standar

“INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA” atau disingkat “ISA.

Yang membahas diantaranya mengenai Instrument Symbols and Identification.

Simbol-simbol instrumentasi terdiri dari :

1. Line instrument symbols.

2. Instrument function symbols.

a. Instrument Line Symbols

Instrument line symbols adalah merupakan simbol yang dipergunakan

untuk membedakan aliran sinyal instrument.

Simbol aliran sinyal instrument dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

FUNCTION SYMBOLS

4

b. INSTRUMENT FUNCTION SYMBOLS

Simbol-simbol instrument dipergunakan untuk membedakan peralatan

instrument berdasarkan fungsinya,

Symbol yang dipakai untuk instrumentasi mengacu pada ANSI/ISA S.5

(Instrument loop diagram).

Sebagian besar fasilitas lapangan minyak dan gas memiliki informasi dan

dokumentasi dalam bentuk:

Process Flow Diagram,

Piping and Instrumentation Diagram (P&ID)

Loop Diagram (Loop Sheets),Electrical Wiring Diagram

Ladder logic diagram

Berikut ini contoh gambar Process Flow Diagram

Kt rev 3

MODUL I-02

5

Gambar 4.1. Process flow diagram (PFD)

Contoh PFD yang diperlihatkan, sangat penting karena memberikan informasi

tentang flowrate, temperature, dan pressure. Informasi ini sangat bermanfaat

ketika operator memutuskan untuk melakukan perubahan setting, dan

6

pertimbangan lain mengenai process safety. PFD memberikan pemahaman

tentang kualitas produk dihasilkan oleh fasilitas tersebut.

c. Piping and Instrumentation Diagram (P&ID)

Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) adalah gambar skematik utama

yang digunakan sebagai layout proses. Ini adalah drawing yang paling luas

penggunaannya dan menjadi basis dari drawing yang lain.

P&ID akan menampilkan:

Semua equipment utama, piping, dan instrumentasi termasuk koneksi

pneumatic, electric, hydraulic, dan logical.

Detail tentang instrumentasi, jenis valve, special equipment dan

spesifikasinya.

Material konstruksi, ukuran pompa, juga ukuran head dan impeller

ditampilkan pada kolom di bagian bawah.

Informasi tentang logical interlock dan catatan khusus (berupa baloon)

jika ada bagian yang di revisi atau pekerjaan in progress.

Legend yang memberikan cara membaca symbol dalam P&ID

Data yang terdapat dalam P&ID sangat berguna bagi teknisi instrument untuk

mengetahui hubungan antara control system dan field equipment. Hubungan

ini dikenal sebagai process control. Sebagian besar industri minyak dan gas

sudah memakai simbol standard ISA (ISA S5.1 1984) dan beberapa simbol

juga di ambil dari ANSI dan API standard.

Kt rev 3

MODUL I-02

7

8

d. Loop Diagram (LOOP SHEET)

Loop diagram menggambarkan diagram pensinyalan instrumentasi yang

dimulai dari proses lapangan sampai di control panel.

Loop diagram atau loop sheet adalah jenis dokumentasi yang paling sering

dipakai oleh teknisi instrument. Setiap diagram secara skematik mewakili

rangkaian lengkap hubungan pneumatic, electric, maupun logical. Informasi

tentang jenis sinyal, range, manufaktur, terminasi pada junction box,

marshaling cabinet, control system (DCS atau PLC), tag number, dll.

Untuk sinyal discrete, drawing ini juga memperlihatkan kondisi contact

(open atau closed) termasuk wiring dan fuse. Dibutuhkan pengetahuan

tentang dasar listrik dan terminasi agar memudahkan dalam memahami

drawing ini.

Berikut ini diberikan contoh loop diagram .

Kt rev 3

MODUL I-02

9

10

Kt rev 3

MODUL I-02

11

.

12

2.2 Sistem Udara Instrumen Sistem udara instrument adalah suatu sistem yang menghasilkan udara

bertekanan dengan pemakaian dan aplikasinya dalam industri, biasanya terdiri

dari beberapa hal, sebagai berikut:

• Kompresor udara, Pengering dan penyaring udara

• Pipa distribusi dengan pressure sefety valve

• Stasiun penurun tekanan, Koneksi-koneksi instrumen lapangan

Gambar 1 dibawah ini. menunjukkan sistem pneumatik instrumen sederhana

Gambar 1: Sistem dan Ekuipmen Udara Instrumen

Kt rev 3

MODUL I-02

13

a. Kompresor Udara

Kapasitas kompresor ditentukan oleh keperluan aliran udara plan.

Pemakaian udara pada plan ditentukan oleh jumlah maksimum pemakaian

udara (kira-kira 0,02 m3/menit) untuk setiap devais dan adanya kebocoran.

Unit kompresor tersebut bisa berupa tipe reciprocating atau rotari, tunggal atau

multistage, dan biasanya digerakkan oleh motor listrik, turbin gas atau mesin

disel. Tipe kompresor akan didiskusikan pada bab akhir modul ini.

b. Tangki Penampung

Tangki penampung udara dirancang berdasar jumlah kapasitas

penyimpanan pada sistem dan juga adanya tambahan untuk menghindari

fluktuasi tekanan. Fungsi lainya juga sebagai penguat dan pemisah antara

udara dan air yang terkondensasi dalam proses pembuatan udara bertekanan

c. Penyaring dan Pengering Udara

Udara tekan yang baru saja keluar dari kompresor biasanya relatip basah,

dan mengandung kotoran-kotoran dan minyak, karena udara tersebut harus

bersih dan kering, maka perlu menghilangkan kandungan air dan kotoran-

kotoran tersebut.

Filter atau penyaring berfungsi untuk menghilangkan partikel-partikel

kotoran dan kerak-kerak, dan juga untuk memperangkap air dan minyak.

Dalam beberapa hal ada gabungan antara filter dan regulator yang dapat

digunakan sebagai catu udara langsung pada transmiter atau valve tunggal.

d. Pipa Distribusi dan Pressure Safety Valve ( PSV )

Pipa utama yang digunakan untuk mengirim udara instrumen keseluruh plan

biasanya mempunyai diameter 50,8 mm (2 inch) skedul 40 dengan bahan dari

carbon steel. Pipa cabang catu udara yang menghubungkan header isntrumen

individu biasanya berdiameter 25,4 mm ( 1 inch) dengan bahan dari pipa

galvanis, sedang PSV berfungsi untuk membuang tekanan lebih.

14

e. Tekanan Catu Udara

Stasiun penurun tekanan dalam aplikasinya adalah sebuah pengatur tekanan

dengan berbagai ukuran dan tipe. Stasiun penurun tekanan berfungsi

menurunkan tekanan udara dari 700 kPa (102 psi) menjadi level yang dapat

digunakan yaitu 140 kPa (20 psi).

Untuk instrumen-instrumen biasanya menggunakan tekanan 20 – 100 kPa (3

– 15 psi), standar ISA S7.4 mengijinkan tekanan catu maksimum 140 kPa (20

psi). Tekanan catu ini harus cukup untuk mengirim volume udara yang cukup,

karen bila terlalu tinggi akan menyebabkan rusaknya instrumentasi

f. Koneksi Instrumen

Tubing catu udara dari pipa valve menuju ke regulator ukuran minimum

harus 9,5 mm (3/8 inch) dengan bahan tubing berasal dari pvc jacketed

cooper, plated carbon steel atau stainless steel untuk menghindari tekanan

drop yang berarti, terutama untuk control valve.

Untuk menghindari masalah vibrasi dapat menggunakan koneksi tubing

flexible air hose dengan pertimbangan terjadinya preesure droop. Koneksi

tubing hampir selalu bertipe fitting.

Fitting dengan tipe flare lama jarang digunakan meskipun masih dipakai

pada generator disel. Mur tubing harus tidak boleh longgar; pabrik seperti

Swagelock menyediakan gauge untuk mengecek kekencangan mur tersebut.

Kt rev 3

MODUL I-02

15

2.2.1 ISA-S7.3

ISA – S7.3 membahas tentang Kwalitas Standar Udara Instrumen untuk

menetapkan nilai atau batasan kwalitas udara diantaranya menetapkan :

1. Titik embun pada tekanan saluran pipa minimal pada 10 oC (18oC)

dibawah temperatur ambien minimal pada tempat plan.

Titik embun tidak melebihi tekanan saluran pipa sebesar 2 oC (35 oF).

2. Ukuran partikel maksimum pada aliran udara 3 mikrometer.

3. Total kandungan minyak maksimum tanpa terkondensasi harus se-nol

(0) dan tidak boleh melebihi 1 ppm pada kondisi operasi normal. Z

4. zat zat Pengkotaminan :Udara bebas dari gas berbahaya dan gas

kontaminan yang menyebabkan korosip, mudah terbakar atau beracun,

2.2.2 ISA S7.4

Tujuan standar ini ditetapkan adalah dipergunakan untuk mengerakan atau

sebagai catu instrumen pneumatic,

a. Range tekanan operasi standar untuk sistem transmisi informasi.

b. Tekanan catu udara standar (dengan nilai terbatas) untuk

mengoperasikan kontroler, transmiter, Sistem transmisi informasi,

tranduser arus menjadi tekanan dan devais-devais serupa.

® NILAI-NILAI KHUSUS

Range sinyal transmisi tekanan pneumatik

1. Span (dipilih) 80 kPa (12 psi). Range tekanan 80 kPa dari span

tekanan operasi antara 20 kPa (3 psi) sampai 100 kPa (15 psi).

2. Span 160 kPa (24 psi). Range tekanan operasi 160 kPa untuk span

tekanan operasi antara 40 kPa (6 psi) sampai 200 kPa (30 psi).

Tekanan Catu

1. Span 80 kPa (12 psi). Sebuah nilai dengan minimum 130 kPa (19 psi)

dan maksimum 150 kPa (22 psi).

2. Span 1660 kPa (24 psi). Sebuah nilai dengan minimum 260 kPa (38 psi)

dan maksimum 300 kPa (44 psi).

16

BAB III

SISTEM PENGUKURAN

Tujuan dari system pegukuran ini adalah untuk mengetahui variable yang di ukur

untuk menghindari kesalahan dalam proses sehingga tidak terjadi kegagalan.

Maka kita memerlukan alat membantu mencegah losses, serta alat untuk

membantu mencegah rusaknya alat-alat produksi.

3.1 PRESSURE MEASUREMENT

Alat ukur tekanan adalah suatu alat ukur yang digunakan sebagai indikator

terjadinya perubahan tekanan pada peralatan proses, sedang dalam pengukuran

tekanan ada bermacam-macam antara lain :

a. Tekanan Atmosphere

Tekanan udara sebesar 76 cm Hg atau 14,7 psi

b. Tekanan Absolute

Adalah tekan yang diukur dari titik 0 cm Hg.

c. Tekanan Gauge/ Gauge Pressure

Tekanan pada pengukuran/alat ukur, yang dihitung dari atmosphere(14,7 psi)

- tekanan yang lebih kecil dari atmosphere disebut tekanan vacuum

- tekanan diatas atmosphere disebut Gauge Pressure.(20 PSIA = 5,3PSIG).

d. Tekanan Differential

Perbedaan tekanan diantara dua pengukuran

21 hhP −=∆

e. Tekanan Vacuum

Diukur dengan pipa U yang berisi Hg untuk mengukur tekanan dibawah

tekanan atmosphere

Kt rev 3

MODUL I-02

17

3.1.1 Aplikasi Pressure Measurement

Didalam pengukuran tekanan ini, dapat dibagi menjadi:

a. Local Measurement : Alat ukur tekanan berada ditempat yang diukur.

b. Telemetering Measurement : Pengukuran jarak jauh

Dalam pengukurannya dibedakan menjadi:

- Dengan saluran physic : Physical Transmission Line

- Dengan saluran non physic: Non Physical Transmission Line:

Physical Transmision Line

Non Physical Transmission Line

A: Tranducer, B: Transmitter, C: Receiver, D: Indicator

PIPE

ELECTRIC

PNEUMATIC

TRANSMITTE

TRANSMITTE

TX TX A

D C A.

18

Sistem pengukuran yang biasa digunakan :

1. Langsung : bila tekanan kecil

2. Tidak langsung : bila tekanan besar

Sistem pengukuran langsung tak dapat dipakai karena:

- menimbulkan kebocoran-kebocoran

- adanya pressure drop

- tidak ekonomis

Untuk menghindari hal tersebut dipakai transmitter merubah tekan besar

menjadi signal standart 3-15 psi.

3.1.2 Memilih dan memasang Pressure Gauge.

Dalam memilih ini harus diperhatikan, sifat media dan karakter proses

Dari sifat-sifat ini kita juga harus memperhatikan pemasangannya.

Misalnya medium yang akan diukur, vibrasi, temperature, fluktuasi, korosip,

maka dibutuhkan tambahan asesories :

- Needle Valve, capilari, resistance, flixible pipe, etc

10 0

6 kg/cm2

Gas bertekanan :6 kg/cm2

Resistance Needle Capilair Flixible

Kt rev 3

MODUL I-02

19

3.1.3 Range Ukur dan Span

a. Range ukur adalah batasan harga terendah dan harga tertinggi suatu alat ukur,

yang terkait dengan akurasi pembacaan.

b. Span adalah daerah kerja alat ukur dengan melihat perbedaan nilai maksimum

di kurangi nilai minimum.

Dalam proses pembacaan ini dibutuhkan sensing element sebagai media

peubah, macamnya :

- Bourdon Tube

- Bellows Element

- Dapraghma Element

- Capsule

3.2 LEVEL MEASUREMENT

Alat ukur ketinggian adalah suatu alat ukur yang digunakan sebagai

indicator terjadinya perubahan ketinggian pada peralatan proses.

Tujuan utama pengukuran liquid level adalah digunakan untuk :

1. Mengatur kondisi process

2. Mengetahui isi /volume

3. Mengetahui kecepatan aliran (flow)

4. Mengetahui kedalaman cairan

20

3.2.1 Mengatur Kondisi Process

Level harus dijaga pada batas-batas tertentu agar produk yang dihasilkan

memenuhi persyaratan mutu (terjadi pemisahan fraksi yang memenuhi

persyaratan mutu). Makin tinggi level yang diatur, makin lama cairan tersebut

berada dalam coloum., maksudnya makin banyak fraksi ringan yang teruapkan.

3.2.2 Mengetahui Isi/Volume

Perubahan ketinggian cairan dalam tangki akan ditunjukkan oleh sebuah indicator,

dimana penunjukan pada sebuah skala yang telah dikonfirmasikan dalam satuan

volume.

LT

LIC

LCV

Inlet

GAS

cair

Kt rev 3

MODUL I-02

21

3.2.3 Mengetahui Jumlah Aliran

A = Level awal dan B = Level akhir

Kecepatan aliran dapat dihitung dari perubahan tinggi cairan dalam satuan waktu.

menitTXmFlow

3

=

X = volume cairan yang dipindahkan

T = waktu yang diperlukan untuk memindahkan

- Macam methode pengukuran level

Beberapa cara untuk mengetahui ketinggian (level) cairan, tergantung dari

tempat dan keadaan antara lain :

1. Gelas penduga (level gauge glass), Constant displacement (floater)

2. Variable Displacement, Differential Pressure

3. Static Pressure Methode, Ultra Sonic

a. Gelas Penduga (level gauge glass)

Prinsip pengukuran langsung terhadap bejana berhubungan, dengan gelas

penduga ada 2 macam untuk tekanan rendah dan tekanan tinggi

Apa yang ditunjukkan oleh cairan dalam gelas merupakan levelnya.

A

B

Sight Glass

Direct Reading

22

b. Constant Displacement

Prinsip : Naik turunnya cairan selalu diikuti dengan naik turunnya pelampung.

Biasanya metode ini dilengkapi dengan skala yang terkalibrasi dalam satuan

volume.

c. Variable Displacement

Prinsip Hukum Archimides : bila suatu benda berada dalam zat cair akan

berkurang beratnya sebesar berat zat cair yang dipindahkan.

Displacer : ∅ = 3” ; L = 14 “ ; W = 4,25 lbs

Scale

Weight

Float

Liquid

WATER

DISPLACE

4,25 lbs 2,54 lbs 0,83 lbs

14 “

7 “

Kt rev 3

MODUL I-02

23

d. Differential pressure

Pengukuran level dengan cara ini banyak ditemukan pada industri

perminyakan yaitu dengan cara memandingkan tekanan media yang

diukkur dengan media lainnya.

1

12

12

PHPPPHPHP

==∆−=+=

12 PPP −=∆

Prinsip kerja :

Berdasarkan kesetimbangan gaya, input signal pada high dan low pressure

yang berasal dari titik pengambilan bawah dan atas column sehingga, signal

pengukuran yang berupa beda tekanan akan memberikan gaya yang sebanding

dengan ketinggian cairan, dan gaya tersebut akan diteruskan oleh force bar

yang dihubungkan melalui flexture connector dengan rangerod. Besar kecilnya

gaya menyebabkan flaper bergerak mendekati atau menjauhi nozzle. Variasi

gerakan flaper terhadap nozzle memberikan besarnya output yg dihasilkan

oleh pneumatic relay sebesar 3 – 15 psi. Sebagian output dikembalikan ke

feedback belows untuk kompensasi gerakan signal input.

P1 = Atm

H

P2 H

P2

P1 P1

P2

Differential Pressure Meter (∆ Meter)

24

- Penggunaan D/P Cell transmitter

Penggunanaan D/P cell transmitter untuk pengukuran level cairan :

1. Elevation

2. Supression

A. Pemasangan D/P Cell Tanpa Sealing Liquid

1. Elevation

B. Pemasangan D/P Cell Tanpa Sealing Liquid

1. Elevation

Open Tank

X

B. Y

Max

Min

Close Tank

X

C. Y

Max

Min

Open Tank

X

D. Y

Max

Min Sealing Liquid

Close Tank

X

E. Y

Max

Min Sealing Liquid

Kt rev 3

MODUL I-02

25

3.3 FLOW MEASUREMENT

Dalam melakukan pengukuran ada beberapa Methode Pengukuran aliran dan

jenis peralatan diggunakan antara lain:

1. Magnetic flow meter, Turbine flow meter

2. D/P flow meter, Variable area flow meter

3. Positive Displacement flow meter

3.3.1 Magnetic Flow Meter

Biasanya digunakan untuk mengukur flow, dimana untuk alat ukur yang

lain banyak mengalami kesulitan, seperti aliran yang mempunyai

viscositas tinggi, aliran asam yang korosive, slury .

Kebaikan dari magnetic flow meter :

- Mempunyai sensitifity & accuracy yang besar, kesalahannya : + 1 %

Dapat digunakan mengukur flow rendah maupun pada flow tinggi

- Dapat digunakan untuk mengukur aliran yang bolak-balik

- Outputnya linier

Tubenya terbuat dari metal yang non magnetik, stainless steel, disebelah

dalam dilapisi neopreme supaya tidak short dengan tegangan

Electrodanya adalah stainless steel 361 dengan isolasi teflon. Untuk zat-zat

yang sangat korosif, electrodanya dibuat dari platinum.

E

E

Magnet Coil

V

Turbulent or Laminer Velocity Flow Profile

26

Prinsip kerjanya :Menurut hukum Faraday untuk induksi magnetic :

Tegangan supply (E) yang disalurkan ke coil, akan membuat medan

magnetik (H).

Didalam tubenya akan mengalir suatu jenis aliran (fluida) yang bergerak

pada medan magnet dengan kecepatan V, sedang diameter tube : d

Menurut hukum Faraday : Tegangan (E) yang diinduksikan pada electroda

seolah-olah datang dari cfonductor sepanjang “d” yang bergerak dengan

kecepatan “V” pada medan magnet “H”. Maka tegangan induksinya

E = C . H . d . V

C : constanta

H, d : constant

Maka : E ~ V

Jadi dengan mengukur E atau tegangan, maka kita bisa mengukur V atau

kapasitas aliran yang mengalir pada tube tadi.

3.3.2 Turbine Flow Meter

Ada 2 macam turbine flow meter :

- Mechanical turbine flow meter dan Electronic turbine flow meter

a. Mechanical Turbine Flow Meter

Turbin/sudu-sudu meter, akan berputar karena adanya aliran ,

selanjutnya gerakan ini diteruskan ke mechanical counter untuk

003456789

Turbin

Mechanical

Kt rev 3

MODUL I-02

27

pembacaan jumlah fluida yang mengalir. Kecepatan perputaran turbin

linier terhadap kecepatan aliran, kalau turbin berikut system

transmisinya bebas dari gesekan. Maka meter akan bekerja dengan

baik kalau kecepatan aliran diatas nilai kecepatan kritis.

Meter ini mempunyai ketelitian dengan kesalahan + 2 %. Faktor

penting yang mempengaruhi kalibrasi meter ini adalah BD dan

viscositas juga temperatur Keuntungan penggunaan alat ini :

- Rugi tekanan (pressure drop) kecil

- Dapat mengukur aliran fluida yang mengandung bahan solid.

- Hampir tidak mempunyai daerah batas pengukur.

b. Electric Turbine Flow Meter

Setiap kali sudu-sudu melewati pick up coil, maka akan diinduksikan

pulsa-pulsa pada pick up coil tersebut.

Pulsa-pulsa ini akan proportional dengan kecepatan aliran. Kemudian

dimasukkan ke frequency to voltage converter untuk mendapatkan

tegangan yang proportional dengan kecepatan aliran. Seterusnya

tegangan tersebut dikonversikan ke digital output masuk ke digital

display.

Jenis turbine flow meter ini, tidak boleh digunakan untuk fluida

yang mengandung partikel yang bisa magnetisasi. FM ini

mempunyai accuracy tinggi dan dapat digunakan untuk segala

macam fluida.

Frequency Proportional to Velocity

Frequency to Voltage converter

Voltage To Digital

Output

DIGITAL

DISPLAY

28

3.3.3 Differential Pressure Flow Meter (Head Flow Meter)

Methode pengukuran berdasarkan hukum Bernoulli (untuk aliran

laminair).

Persamaan Bernoulli, untuk aliran seperti diatas.

gV

YPZ

gV

YPZ

22

222

2

211

1 ++=−

++

Dimana :

Z : tinggi dari permukaan datar V : stream velocity

P : static pressure g : acceleration

Y : specivic grafity fluida

Perlengkapan Head Flow meter

Untuk mendapatkan d/p antara stream & down stream kita harus

memasang suatu risttriction, sedang ristriction yang umum dipakai adalah :

- Orifice plate

- Venturi tube

- Flow nozzle & venturi nozzle

V2 V1 Flow

Z2 Z1

h P2

P1

Mercury

Up Stream Down Stream

Kt rev 3

MODUL I-02

29

a. Orifice Plate

Untuk orifice plate kita kenal 3 macam :

1. Consentris, Excentris, segmental

Fungsi lubang kecil pada orifice untuk membuang gas/udara pada permukaan

liquid.

- Concentris orifice

Digunakan untuk mengukur flow yang tidak mengandung solid, baik gas

maupun liquid.

- Excentris dan Segmental

Digunakan untuk emngukur flow dari fluida yang mengandung zat padat.

Cara penempatan orifice type ini, bagian bawah lubang orifice mempunyai

jarak terdekat terhadap permukaan dalam dari pipa serta diperlukan cara-cara

kalibrasi yang khusus mengingat bahwa coefisien aliran standarf hanya

digunakan untuk orifice yang consentris.

Orifice biasanya dibuat dari baja tahan karat, tahan abrasi/erosi, seperti (

stainless steel atau Monel ) yang disesuaikan dengan fluida yang mengalir.

Cara pemasangan Taps untuk orifice

- Plange taps

- Vena contractor taps

- Pipe taps

Concentric Excentric Segmental

30

- Flange Taps

Diletakkan pada jarak 1” didepan dan dibelakang plat orifice. Cara ini paling

banyak dipakai, untuk ukuran pipa lebih besar dari 2”. Sedang untuk ukuran

pipa dibawah 2” gunakanlah cara vena contracta taps.

- Vena Contracta Taps

Lubang tekanan tinggi diletakkan pada jarak sebesar diameter dalam pipa

didepan plat orifice, sedang lubang tekanan rendah diletakkan titik vena

contracta.

Vena contracta adalah sebuah titik pada aliran yang mempunyai tekanan

terkecil sebagai akibat adanya penghalang. Letak titik ini tergantung kepada

Rasio Beta.

- Pipe Taps

Untuk mengukur beda tekanan yang permanen dimana jarak lubang tekanan

tinggi 2 ½ D didepan dan lubang tekanan rendah 8 D di belakang plat

orifice.

Keuntungan cara ini adalah dapat digunakan laju aliran yang lebih rendah

dari pada kemampuan cara flane taps dan vena taps.

D d

d1=D d2

Up Stream Down Stream

Kt rev 3

MODUL I-02

31

b. Venturi Tube

Venturi tube bagian throatnya dibuat satu unit tersendiri agar mudah diganti

sedangkan tabung venturi dibuat dari beton tuang yang halus, dengan sudut

kerucut inputnya 20o & sudut kerucut outputnya 7o.

Pressure taps-nya tidak diambil dari satu lubang tapi dari beberapa lubang

sekitar permukaa pipa yang hubungan keluarnya menjadi satu berupa cincin

Perbandingan diameter pipa dan diameter throat bervariasi antara 0,25 – 0,5

Keuntungan :

1. Ketelitian tinggi dibanding dengan menggunakan Restriction lain.

2. Pressure drop kecil

3. Tahan terhadap abrasi dan kemungkinan menampung endapan kecil.

4. Dapat digunakan untuk mengukur aliran yang besar (>5.000.000 gpm)

Pemasangan venturi tube jangan sampai terganggu oleh fitting-fitting yang

dapat menyebabkan aliran turbulent.

c. Flow Nozzle/Venturi Nozzle

Venturi nozzle digunakan untuk hampir semua liquid, terutama bisa

digunakan untuk fluida yang mengandung solid dan pressure dropnya kecil,

sedangkan flow nozzle cocok untuk gas, vapour & steam.

D

8D 2,5D

32

3.4 TEMPERATURE MEASUREMENT

3.4.1 Filled Bulb Thermometer

Jenis Moving element :

- Spiral, Helical, Bourden Tube Type C

Prinsipnya :

- Berdasarkan pemuaian volume untuk bulb yang berisi liquid.

- Bedasarkan pengembangan tekanan, untuk yang berisi vapour.

Untuk menghilangkan pengaruh temparature terhadap hasil pengukuran maka

digunakan compensator yang terdiri dari dua macam :

1. Full Compensation

Disini ada dua buah spiral yang sama tetapi mempunyai gerakan yang

berlawanan, dan bulb compensator terletak diluar.

2. Case Compensation menggunakan bimetal yang dihubungkan ke bourdon

tube, yang dipasang pada take of arm, sehingga defleksi dari bagian

bimetal akan melawan efek akibat ekspansi liquid pada spiral.

Klasifikasi dari Filled Bulb system thermometer

Sistem ini pada dasarnya dapat dipisahkan dalam dua tipe yaitu respon terhadap :

1. Perubahan Volume

v Liquid filled (bukan mercury) disebut class I

v Mercury filled

2. Perubahan Tekanan

Vapour filled, atau liquid yang mudah menjadi vapour (volatile)

termasuk dalam class II.

Scale

Pressure Spring

Pointer

BULB

Gas/Liquid

Kt rev 3

MODUL I-02

33

Pembagian dari class diatas ini berdasarkan pada SAMA (Scientific Apparatus

Makers Assosiation).

3.4.2 Thermocouple

Themocouple ditemukan Seeback 1821, dimana arus listrik akan mengalir

pada clouse circuit yang terdiri dari 2 macam kawat dimana kedua ujungnya

dilas menjadi satu, bila temperature naik timbl GGL.

Circuit ini terdiri dari 2 kawat :

- Kawat A sebagai +

- Kawat B sebagai -

Bila T1 < T2, maka akan mengalir arus dalam circuit tersebut.

Ujung T1 kita namakan Cold junction atau Reference Junction.

Dengan mengukur I dan EMF yang dibangkitkan dalam circuit tersebut., dapat

diketahui ∆T = (T2 – T1).

Jenis-jenis thermocouple yang dipakai untuk pengukuran menggunakan

standard ISA (Instrument Standard Assosiation of America)

Circuit Thermocouple

Circuit thermocouple memerlukan kawat penghubung antara thermocouple

dengan indikatornya. Kawat penghubung (extention wire) harus mempunyai

sifat-sifat yang cocok dengan thermocouplenya.

EMF

A

B

T1 T2

Terminal (Cold

Junction)

Insulator

(Hot Junction)

Protecting Tube

34

Extention wire dapat dilihat pada daftar dibawah ini :

Thermocouple Extention Wire

Positive Negative Positive Negative

Pi : Rh

Chromel

Iron

Copper

Pt

Alumel

Constanta

Constanta

Copper

- Chromel

- Copper

- Iron

Iron

Copper

Copper Nikel Alloy

- Alumel

- Constanta

- Copper Nikel

Alloy

Constanta

Constanta

Dalam pemasangannya thermocouple ini dimasukkan dalam thermo tube yang

disebut thermowell.

Jenis-Jenis Thermowell

Temperature Max Thermowell oC oF

High Silicon Iron

Carbon steel

18% cr, 8% Ni/Stainless Steel

Ni Chram

Inconel

Silicon Carbid

Mullite

425

550

950

1100

1260

1650

1550

600

1000

1800

2000

2300

3000

2800

Kt rev 3

MODUL I-02

35

Teknik mengukur EMF dari Thermocouple ada dua cara :

1. Dengan multi voltmeter (moving coil meter)

2. Dengan rangkaian potentiometer

000095

1. Multimeter 2. Heater

Recorder

1 S

2

EX

ES

- +

+

G

D

1

2

36

3.4.3 Resistance type Thermocouple

Dasarnya : untuk beberapa metal tertentu, perubahan tertentu akan

bisa mengubah besarnya nilai resistance. Dengan mengukur perubahan

resistance tadi, kita bisa menghitung temperature perubahannya.

Perubahan nilai resistance karena perubahan temperature tersebut, besarnya

tergantung dari temperature coefficience of material. Koefisien ini adalah

perubahan nilai resistance dalam Ohm per derajat, untuk kebanyakan metal,

koefisien ini positive.

Hubungan antara perubahan resistance dan temperature dapat ditulis :

Rt = Ro (1 + α ∆t)

Ro = R pada to

Rt = R pada t

α = koefisien temperature of metal

Konstruksinya :

Diameter kawat dipilih sedemikian, sehingga response terhadap panasnya

terbaik. Sedang panjang kawat disesuaikan dengan tahanan yang sesuai

dengan rangkaian/alat pengukurannya, misalnya Bridge Wheatstone.

Diameter dan panjang kawat menentukan range pengukuran.

Nilai resistance coil terletak antara 2,5 Ω sampai dengan beberapa ratus Ω.

Sebagai contoh untuk Pt core, R = 25,5 Ω + 0,1 pada oC.

- Untuk copper : 10 Ω pada 0 oC

- Untuk Nikel : 99,5 Ω + 0,3 Ω pada 0 oC

Kt rev 3

MODUL I-02

37

Pada pembuatan resistance ini, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan :

Harus mempunyai stability yang tinggi yaitu tidak boleh berubah

strukturnya dan mempunyai response yang cepat terhadap perubahan suhu.

Self heating error : supaya tidak mempengaruhi pengukuran.

Self heating error adalah dissipasi tenaga I2R yang menyebabkan panas dan

panas ini mempengaruhi pengukuran, harus mempunyai high resistivity yang

besar, sehingga tidak banyak menggunakan coil (coilnya lebih pendek).

Harus mempunyai temperature koefisien of material/resistanfce yang baik,

sehingga lebih sensitive dan harus tidak boleh berubah karakteristik listriknya

tersebut. harus kuat artinya bahwa dengan diameter kecil, tidak mudah putus.

Hubungan yang linear antara resistance dan temperature. Metal-metal yang

mempunyai sifat yang cocok adalah :

Pt

Nikel

Copper

Temp. Koef.

Resistivity

Temp. range

Minimal diameter

Tensile strength

Temp. Koef.

Resistivity

Temp. range

Minimal diameter

Tensile strength

Temp. Koef.

Resistivity

Temp. range

Minimal diameter

Tensile strength

0,00392 Ω/oC

60 Ω/circular mile ft

- 285 o -> 900 oC

0,002”

18.000 psi

0,0063 Ω/oC

38,3 Ω/circular mile ft

- 100 o -> 300 oC

0,002”

120.000 psi

0,004 Ω/oC

+ 120 Ω/circular mile ft

- 200 o -> 120 oC

0,002”

200.000 psi

38

Rangkaian pengukuran :

Bisa dipakai AC atau DC Wheatstone Bridge

Dalam keadaan balance berlaku :

Ia . A = Ib . B

ia . r = ib . s

r = (A/B) . s

Pada keadaan balance berlaku :

31

2 ZZ

ZZr

=

331

22

wciR

wciR

= 2

2133

CxiR

CRi

=

G S

B

A r

G

Z1 Z3

Zr

Z2

I1

I2

Kt rev 3

MODUL I-02

39

23321

xCixCxiRR = karena balance I3 = I2

==

21

31231

CCR

CCRR

Thermistor

Thermistor adalah dioda semiconductor yang mempunyai temperature

koefisien of resistivity yang tinggi, yaitu bahwa perubahan nilai R – nya

perderajat temperatur adalah tinggi.

R = Ro eβ (To – Too)

Ro = Resistance pada Too

R = resistance pada To

β = konstanta yang tergantung dari konstruksi & jenis thermistor

Cara pengukuran perubahan nilai resistance dapat dilakukan dengan Jembatan

Wheatstone.

Bimetal Thermometer

Bimetal terbuat dari dua macam logam yang disatukan. Prinsip kerja alat

ini adalah berdasarkan perbedaan muai panjang dari dua buah logam yang

berlainan jenis jika ada perubahan panas padanya. Karena koefisien muai

panjang yang berbeda ini, maka apabila bimetal tersebut kena panas

akibatnya akan melengkung ke arah logam yang koefisien panjangnya lebih

kecil

40

BAB. IV

BASIC THEORY CONTROL VALVE

4.1 Filosofi Control Valve

Dalam suatu sistem pengendalian secara otomatis, control valve merupakan final

element yang mewujudkan signal output dari controller menjadi suatu gerakan

valve membuka atau menutup aliran, sehingga dapat mengembalikan proses

variabel ke harga yang telah ditentukan

Untuk mendapatkan control valve yang sesuai dengan kebutuhan proses

diperlukan ketelitian dan dasar pemilihan control valve antara lain :

- Aksi, Rating, Characteristic, Rangeability, Capacity

4.1.1. Aksi Control Valve

Control valve mempunyai aksi direct atau aksi reverse, untuk menentukan

aksi control valve, maka kita harus memahami beberapa istilah dasar.

Input : Istilah input pada valve kita definisikan, bahwa input sebagai sinyal

yang menyebabkan valve merubah posisi stroke. Hal ini biasanya berupa

sinyal pneumatik 3 – 15 psi atau 20 – 100 kPa.

Kt rev 3

MODUL I-02

41

Output : Output valve adalah fluida mengalir melalui valve. Gas, uap dan

cairan adalah fluida.

Aksi Direct : Aksi direct dapat ditentukan dengan melihat hubungan antara

input dan outputnya. Jika kenaikan input menyebabkan kenaikan output maka

dikatakan bahwa valve tersebut mempunyai aksi direct.

Aksi Reverse : kenaikan input menyebabkan menurunnya output maka

Istilah berikut mempunyai hubungan dengan control valve aksi direct:

• ATO adalah naiknya sinyal akan menyebabkan valve membuka.

• Fail Closed – Jika sinyal yang menuju valve hilang maka valve menutup.

Pada gambar dibawah ini, control valve aksi direct dengan menggunakan

simbol standar ISA. Anak panah berada di stem valve untuk menunjukkan

bila terjadi posisi ”gagal”.

Istilah-istilah berikut berhubungan dengan valve yang mempunyai aksi reverse.

• ATC adalah naiknya sinyal akan menyebabkan valve menutup.

• Fail Open : jika sinyal hilang terjadi kegagalan, maka posisi valve akan

membuka. Hal ini berarti bahwa adanya sinyal udara akan menutup valve

dan oleh karena itu valve mempunyai aksi reverse.

2. Rating

Rating valve yang dimaksud disini adalah kemampuan valve untuk

memberikan aksi yang tepat pada range dan presure tertentu.

Contoh : Temperatur operasi : 700 C.

Tekanan operasi : 22 kg/cm2

ternyata diperlukan control valve dengan carbon steel body yang mempunyai

rating 150.

42

3. Characteristic

Karakteristik valve berhubungan antara bukaan valve dengan besar kecilnya

aliran. Hubungan ini dinyatakan dengan grafik berdasarkan range penuh dari

valve ( 0 persen sampai 100 persen).

Tiga karakteristik valve yang utama adalah: karakteristik aliran linier,

karakteristik aliran equal presentage, karakteristik aliran quick opening.

Aliran yang melalui valve adalah sebanding dengan luasan dari bukaan dan

akar kuadrat dari pressure drop yang terjadi pada valve. Kedua faktor berubah-

ubah maka luasan berubah-ubah karena persen travel (posisi) dari valve,

sedangkan pressure drop adalah berhubungan dengan kondisi diluar valve dan

tata ruang proses yang sudah tetap seperti tata letak serta instalasi perpipaan.

Dalam praktek, valve mempunyai dua karakteristik yaitu : yang menjadi

sifatnya (inherent) dan yang terpasang (installled ).

Karakteristik inherent diamati dari pressure drop konstan pada valve..

Karakteristik terpasang adalah salah satu didapat dari actual service dimana

pressure drop berubah-ubah karena aliran dan perubahan-perubahan yang lain

dari sistem.

Kt rev 3

MODUL I-02

43

Pemilihan dari karakteristik valve yang benar adalah sangat penting, ketika

akan merencanakan lup pengontrolan, dengan kata lain sistem mungkin tidak

stabil dan sulit dikontrol secara efektip.

4. Range ability

Range ability adalah perbandingan antara maximum dan minimum flow yang

bisa dikontrol. Jadi range ability menentukan daerah dimana valve bekerja

dengan baik sesuai dengan yang diharapkan.

5. Capacity

Kapasitas atau kecepatan mengalirkan dari control valve harus bersesuaian

dengan kondisi proses yang akan dikontrol. Besaran yang menentukan

kemampuan dari valve adalah angka Cv (koefisien ukuran valve). Semua

pabrik pembuat control valve menerbitkan angka Cv dari masing-masing

valve mereka. Terlalu sulit untuk mencari definisi dari Cv, karena itu kadang-

kadang dikatakan bahwa valve mempunyai Cv = 1 bila air murni mengalir

sebesar satu US gallon/mm melalui valve yang buka penuh dengan pressure

drop pada valve dijaga tetap1 psig pada kondisi temperatur standar (60oF) dan

tekanan (14,69 psia).

Metode penentuan ukuran valve dengan pendekatan nilai Cv telah diterima.

Tiga rumus dasar untuk perhitungan Cv adalah:

a) Untuk cairan

Cv = Q G / ∆P

b) Untuk gas

Cv = Q / 1360 T f G / ∆P P2

c) Untuk steam dan vapours

Cv = W / 63.3 V / ∆P

44

Pada rumus ini:

Q or W = Kecepatan aliran: cairan (gpm), gas (scfh), vapours (lb/hr)

G = specific gravity

Tf = temperature aliran dalam derajat Rankine (°F + 460)

∆P = pressure drop dalam psi (P1 – P2)

P1 = tekanan upstream pada inlet valve dalam psi absolute

P2 = tekanan downstream pada discharge valve dalam psi absolute

V = downstream specific volume dalam cubic feet per pound

Harus dicatat bahwa batasan yang terpenting adalah ditentukan oleh nilai ∆P

yang digunakan untuk penentuan ukuran vapour dan gas. Itu tidak pernah

dapat melebihi setengah dari tekanan inlet absolut (P1) sekalipun valve akan

menyerap sampai 100% dari tekanan inlet. Jika presure drop lebih besar dari

½ P1, gunakan ½ P1 untuk kedua ∆P dan tekanan downstream (P2). Ingat

penggunaan pengaturan tekanan downstream ini (1/2P1) dalam menentukan

volume spesifik (V) downstream adalah pada kondisi tersebut.

Pressure Drop yang terjadi pada Valve

Kecepatan aliran, spesific grafity, temperatur, dan volume spesifik

downstream yang diinginkan adalah berupa kuantitas sehingga sangat mudah

ditentukan, tetapi menentukan pressure drop melalui plug valve adalah tidak

ada. Tetapi yang penting dalam kenyataannya bahwa control valve tidak

mendefinisikan pressure drop yang melaluinya. Namun control valve tersebut

akan menyerap apapun tekanan lebih yang ada disebelah kiri dari sistem.

Persoalan ini dapat digambarkan secara grafik dengan metode hydraulic

gradient (slope).

Aliran Maksimum

Pada kecepatan aliran maksimum, diplot tekanan statik fluida versus lokasi

phisik sistem. Kemudian plot tekanan yang dikirimkan dan yang tersisa dari

kiri ke kanan, dan berhenti pada control valve. Perbedaan antara titik-titik

Kt rev 3

MODUL I-02

45

terakhir ini adalah pressure drop dari control valve yang harus dipertahankan

pada aliran maksimum.

Aliran Minimum

Analisis yang serupa dapat dibuat untuk aliran minimum. Dari curva pompa,

tekanan outlet adalah lebih tinggi pada aliran yang rendah. Karena kecepatan

fluida terrendah, pressure loss pada pipa dan fitting akan lebih rendah

dibanding pada aliran maksimum. Kenaikan tekanan yang tinggi terjadi pada

inlet dari control valve, dan kemudian terjadi penurunan tekanan pada outlet

dari control valve. Sebagai akibatnya, pressure drop yang harus dipertahankan

pada control valve lebih besar pada kecepatan aliran rendah disbanding pada

kecepatan aliran yang tinggi.

Untuk meyakinkan bahwa ukuran valve dihitung dengan tepat, maka

penentuan ukuran control valve selalu dibuat pada pressure drop dengan

kecepatan aliran maksimum dan kecepatan aliran minimum.

Adalah koefisien flow yang besarnya sama dengan flow rate water (gpm) pada

temperatur 60oF melalui valve yang terbuka penuh, dengan tekanan drop pada

valve 1 psi.

46

Contoh :

Asumsi bahwa control valve akan mengatur aliran air dari tangki, seperti pada

gambar dibawah.

Hitung ukuran valve yang harus digunakan.

Ketinggian air yang akan dikontrol didalam tangki pada level 25 feet dengan

mengatur aliran keluar. Aliran masuk yang diukur bervariasi antara 0 sampai

120 galon per menit (gpm).

Penyelesaian:

Aliran keluar maksimum dari tangki harus sama dengan aliran masuk, yaitu

120gpm. Karena 1 feett air menghasilkan tekanan 0,433 psi, maka 25 feet

water akan menghasilkan perbedaan tekanan sebesar 0,433 psi x 25 = 10,8 psi.

Rumus dasar perhitungan Cv untuk cairan adalah

Cv = Q G / ∆P

Kt rev 3

MODUL I-02

47

dimana:

Q = kecepatan aliran, U.S. gpm

∆P = Perbedaan tekanan pada valve dalam psi

G = specific gravity dari water (1.0)

Oleh karena itu

Cv = 120 1.0 / 10.8

= 120 × 0.3043

= 36.5

Kita dapat menentukan ukuran dan jenis valve yang diperlukan untuk Cv =

36,5. Ikuti sumbu horisontal dari kiri ke kanan pada Cv = 36,5. Gambarkan

garis kearah atas dari titik ini sampai berpotongan dengan garis diagonal

paling atas.Ukuran garis diagonal menyatakan ukuran paling kecil dari valve

yang dibutuhkan. Dalam kasus ini valve 2 inci kira-kira 90% akan

menyediakan aliran yang diinginkan

48

6. Positioner

Untuk meyakinkan bahwa posisi plug control valve selalu proporsional

dengan output pressure controller, menghilangkan / mengurangi gesekan

packing box dan rugi histerisis.

Pengertian Fail Safe

Suatu pertimbangan penting ketika memilih control valve untuk aplikasi khusus

dalam posisi gagal tetapi aman. Tergantung proses yang dikontrol, kita memilih

valve untuk aplikasi sedemikan sehingga ketika terjadi kehilangan sinyal, maka

valve gagal tetapi dalam posisi aman.

Aktuator diaphragma pneumatik mempunyai posisi full open atau full close. Hal

ini adalah bagian dimana valve ditentukan oleh apakah aksi valvenya air to open

atau air to close seperti dijelaskan sebelumnya. Spring internal yang mempunyai

gaya yang melawan aktuator adalah yang bertanggung jawab terhadap seting

valvenya apakah posisi membuka atau posisi menutup.

Ketika memilih valve yang terpenting ialah memahami karakteristik yang

dikontrol, dan memilih valve yang sesuai yang dibutuhkan proses tersebut.

Sebagai contoh, kita akan menggunakan valve untuk mengontrol temperature air

yang meninggalkan heat exchanger seperti terlihat pada Gambar dibawah dibawah

Proses seperti pada Gambar diatas, dipilih valve fail closed. Jika sinyalnya yang

menuju valve hilang, maka valve harus menutup dan air yang dipanaskan tetap

dingin. Dalam proses ini jika menggunakan valve gagal membuka maka air

mungkin mendidih dan menghasilkan tekanan yang berlebihan pada heat

Kt rev 3

MODUL I-02

49

exchanger dan mungkin akan menyebabkan kerusakan pada heat exchanger

tersebut. Tetapi bila menggunakan valve dengan aksi fail closed seperti terlihat

pada gambar akan menghilangkan kemungkinan-kemungkinan terbentuknya

tekanan tinggi.

4.2 BAGIAN-BAGIAN PERALATAN DAN FUNGSI

Control valve terdiri dari tiga (3) bagian utama, yaitu aktuator, asembli body valve

dan asembli bonnet. Gambar dibawah menunjukkan hubungan ketiga bagian

tersebut, yang membentuk control valve lengkap.

1. Actuator Control Valve

Actuator control valve terdiri dari komponen-komponen berikut :

- Koneksi Tekanan Beban (Loading Pressure Connection) : Koneksi

udara bertekanan (pneumatik) dimana sinyal kontrol dikirimkan ke valve.

- Wadah Diaphragma (Diaphragm Casing) : Merupakan rumah atau

wadah (ada yang dibagian atas / bawah) tempat berakumulasinya udara

bertekanan (pneumatik) dan menyangga dua sisi diaphragma.

- Diaphragma

50

Diaphragma adalah elemen fleksibel dibuat dari material seperti karet atau

bahan polimer sintetis, yang digunakan untuk mentransmit tenaga pada

pelat diaphragma dan juga merupakan penyekat udara yang kuat.

- Pelat Diaphragma : Sebuah pelat diaphragma yang digunakan untuk

mentransfer sinyal kontrol ke stem aktuator.

- Pegas Aktuator (Actuator Spring) : Pegas atau spring digunakan untuk

melawan gaya pelat diaphragma dan akan mengembailkannya ke kondisi

semula.

- Stem Aktuator (actuator stem) : Batang atau poros yang

menghubungkan pelat diaphragma ke plug valve.

- Spring Seat : Sebuah alat yang digunakan sebagai dudukan / memegang

pegas atau spring.

- Spring Adjuster : Koneksi yang digunakan untuk menyetel regangan

pegas aktuator.

- Stem Connection : Klamp yang digunakan untuk memegang stem

aktuator dan stem plug valve.

- Yoke : Struktur yang menyangga asembli aktuator dari asembli bonnet.

- Travel Indicator : Sebuah plat tipis yang digunakan untuk menunjukkan

posisi valve.

- Skala Indikator : Skala ukur untuk menunjukkan posisi valve apakah

valve dalam posisi (O ”open” atau C ”close”).

- Asembli Body Valve : Asembli body valve terdiri dari :

- Valve Body, Asembli Bonnet dan Trim Valve.

Asembli Bonnet: Asembli bonnet ditempatkan dibagian atas bodi valve dan

mempunyai seal untuk stem valve dengan maksud untuk mencegah kebocoran

fluida disepanjang stem. Biasanya menggunakan 3 gasket untuk seal bonnet

pada bodi valve. Bonnet mengikat aktuator.

Kt rev 3

MODUL I-02

51

2. Actuator Piston

Aktuator piston beroperasi dengan suplai lebih tinggi (tipikal 60 – 150 psi)

dibanding tipe diaphragma. Aktuator piston juga memberikan stem travel

lebih besar dibanding tipe diaphragma.Tekanan beban dapat dimasukkan pada

bagian atas atau bawah untuk menggerakkan piston keatas atau kebawah.

Ketika pada bagian atas dibebani dengan tekanan udara maka bagian bawah

harus di dikosongkan agar piston dapat bergerak dan sebaliknya bila bagian

bawah dibebani maka bagian atas harus dikosongkan.

Gambar 3 adalah diagram konstruksi dari aktuator piston.

52

Posisi Fail

Aktuator piston standar berbeban doubel mempunyai “sebagai fail save

position”. “Sebagai fail save position” mempunyai arti bahwa bila ada

kejadian sinyal mengalami kegagalan maka valve tidak menutup penuh atau

membuka penuh tetapi tetap berada pada posisi terakhir. Agar memberikan

posisi fail save, maka sebuah spring harus ditambahkan untuk menggerakkan

aktuator piston pada posisi buka penuh atau tutup penuh.

3. Aktuator Elektrik

Aktuator listrik pada dasarnya adalah motor listrik (biasanya tiga phase)

dihubungkan dengan stem valve melalui gear set. Kombinasi dari motor, gear

set, limit switch dan valve disebut “ valve yang dioperasikan dengan motor”

atau “motor operated valve” atau “MOV”.

Hidrolik dan Elektro-hidrolik

Aktuator hidrolik atau elektro-hidrolik dapat dipertimbangkan untuk

mengisolasi area dan aplikasi-aplikasi dimana redamannya besar. Ball valve

atau butterfly valve memerlukan aktuator dengan torsi yang ekstra tingi, dan

cepat. Ini benar-benar khusus terutama jika sifat permintaan proses

memerlukan sebuah valve dengan kinerja atau performans yang tinggi.

Control Valve Type Motor Operating Valve (MOV)

Kt rev 3

MODUL I-02

53

4.3. BASIC OPERATION

a. Cara Kerja Diaphragma Actuator

Cara kerja control valve dengan penggerak pneumatik adalah sebagai berikut:

Sebuah sinyal pneumatik dimasukkan pada bagian atas atau bawah

diaphragma (tergantung aksi control valve ).

Sinyal tersebut menekan diaphragma dan pelat diaphragma (dihubungkan

dengan stem valve) menggerakkan plug naik atau turun.

Karakteristik valve dapat dimodifikasi dengan menggunakan gabungan

perancangan plug dan cage.

b. Cara Kerja Piston Actuator

Aktuator piston biasanya banyak digunakan pada aplikasi kontrol on-off atau

emergency shutdown (ESD) yang digerakkan oleh selenoid. Kelebihan tipe

aktuator ini adalah, dapat menyediakan torsi maksimum dalam dua arah. Juga

jika diperlukan dapat digerakkan dengan tenaga hidrolik. Sinyal beban adalah

tekanan udara suplai instrumen penuh dan oleh karena itu kadang-kadang

diperlukan regulator.

Aktuator tipe piston kadang-kadang digunakan untuk kontrol proporsional,

atau aplikasi dimana bukaan valve harus berubah-ubah antara tutup penuh dan

buka penuh. Dalam kasus seperti ini sinyal input dari kontroler dimasukkan ke

valve positioner dan positioner mengatur posisi piston.

c. Cara Kerja Motor Operating Valve (MOV)

Berkenaan dengan aktuator electro-hidrolik yang ditunjukkan dalam Gambar

diatas, bila sinyal input listrik bertambah, maka medan maknit disekitar

kumparan bertambah sehingga menggerakkan coil untuk mendekat kegaya

motor dan menggerakkan flapper untuk mendekati nozzle A dan menjauhi

nozzle B. Tekanan yang tidak seimbang pada bellow memutar flapper untuk

mendekati nozzle D dan menjauh dari nozzle C. Aksi ini menaikkan tekanan

ke bagian atas silinder dan silinder menekan piston dan batang piston

54

bergerak kearah bawah. Nozzle C mengijinkan fluida pada bagian bawah

piston dibuang kembali kecasing. Lengan umpan balik dan pegas memberikan gerakan umpan balik piston sehingga

membentuk lup tertutup agar terjadi keseimbangan gaya pada piston.

Aktuator hidrolik murni bekerja dengan cara yang sama kecuali pompa (tidak

memerlukan listrik) ditempatkan sedikit jauh dari actuator. Pada beberapa

instalasi khusus hidrolik yang lebih besar menghasilkan tekanan sampai 2000

psi akan digunakan pada beberapa aktuator hidrolik. Pendorong hidrolik yang

kedua harus selalu disediakan untuk backup.

4.4 PERAWATAN DAN KALIBRASI

Perawatan Actuator Control Valve

Tipe aktuator diaphragma pneumatik adalah aktuator pilihan yang digunakan

hampir 90 % dari semua aplikasi control valve.

Sebelum memulai beberapa pekerjaan perawatan pada aktuator , kita harus

mengisolasi jalur agar aman. Lepaskan saluran sinyal udara dari aktuator dan

keluarkan aktuator dari valve. Mengeluarkannya dapat dikerjakan dengan

melonggarkan mur yang mengikat yoke aktuator pada valve dan melepaskan

plug valve dari penghubung stem valve dengan mengendorkan sekrup

pengatur pegas.

Buka case diaphragma, periksa diaphragma dan seal apakah ada yang pecah,

berlubang atau robek. Spring aktuator harus diperiksa untuk keregangan yang

sebenarnya untuk memastikan bahwa tidak mengalami tekanan berlebihan.

Ganti setiap bagian yang rusak dan pasang kembali aktuator seperti sebelum

dilepas. Pastikan stem penghubung telah terpasang dengan benar pada pelat

diaphragma dan juga pastikan baut pada sekeliling case diaphragma telah

kencang Pastikan bahwa diaphragma dan seal penghubung telah berada pada

posisi yang benar dan tidak boleh meleset keluar dari tempatnya selama

memasang kembali. Langkah terakhir sebelum memasang kembali aktuator

pada valve adalah mengatur regangan pegas. Periksa name plate pada aktuator

untuk range operasi diaphragma yang tepat, biasanya 3 – 15 psi atau 20 – 100

Kt rev 3

MODUL I-02

55

kPa. Regangan pegas harus disetel supaya aktuator bekerja pada range penuh

sesuai dengan sinyal input yang dimasukkan yaitu range penuh. Pastikan

bahwa regangan pegas di set supaya bila diberi tekanan 3 psi ada sedikit

gerakan untuk mulai menggerakkan stem penghubung, kemudian pastikan

stem aktuator berhenti bergerak ketika sinyal input mencapai 15 psi.

Pegas mungkin memerlukan sedikit regangan untuk memberikan respons yang

benar pada sinyal input.

Jika aktuator telah diperiksa dan diset dengan benar maka itu dapat dipasang

ke valve dan diletakkan kembali pada aplikasinya.

4.4.1 KALIBRASI CONTROL VALVE

Untuk melakukan kegiatan kalibrasi, terlebih dahulu mengenal petunjuk awal

tentang control valve yang tertera pada name plate.

Name plate Control Valve

Gambar dibawah adalah name plate yang tertempel pada control valve?

Name plate tersebut tertempel pada yoke aktuator atau ada pula pada chase

diaphragma.

Nameplate mempunyai informasi khusus tentang valve dan actuator. Informasi

penting yang tercetak pada nameplate dapat dilihat sebagai berikut:

56

Nomor Seri : Nomor seri berhubungan dengan nomor seri gabungan dari

valve dan aktuator.

Tipe : Berhubungan dengan apakah aksi valve tersebut air to open (direct)

atau air to close (reverse).

Tekanan diaphragma 3 sampai 15 PSI : Informasi ini berhubungan dengan

range tekanan operasi diaphragma teristal. Range tekanan ini berbeda dengan

range bench set.

Bench Set : Karena tekanan operasi proses memakai gaya pada plug valve

maka hal ini perlu bench set valve yang berbeda dengan range operasi 3 – 15

psi. Ketika valve diinstal maka stroke yang sebenarnya adalah 3 sampai 15 psi

sinyal input.

Ukuran Bodi: Ukuran bodi berhubungan dengan ukuran valvenya itu sendiri.

Rating : Berhubungan dengan tekanan statis maksimum dari valve. Valve

tidak bisa dioperasikan dalam proses yang mempunyai nilai yang lebih tinggi

dari nilai rating ini.

Travel : Berhubungan dengan stroke valve atau jarak plug yang akan bergerak

dari tutup penuh atau buka penuh.

Material Bodi: Material bodi berhubungan dengan tipe logam bahan bodi

valve.

Karakteristik Flow : Karakteristik flow berhubungan dengan tipe plug yang

ada didalam valve. Karakteristik plug biasanya linier, equal percentage dan

quick openeing.

Material Plug : Material plug biasanya berbeda dengan material bodi valve.

Informasi diatas adalah informasi penting tentang control valve. Informasi ini

penting untuk menentukan apakah valvenya sesuai dengan aplikasi atau tidak.

Informasi secara lengkap tentang valve dapat ditemukan pada lembaran

spesifikasi ISA yang telah dilengkapi pada setiap control valve dalam lup

proses.

Lembaran-lembaran tersebut berisi spesifikasi operasi untuk valve dan penting

untuk pemeliharaan yang benar dan prosedur reparasi.

Kt rev 3

MODUL I-02

57

Halaman-halaman berikut adalah contoh lembaran-lembaran spesifikasi.

Mereview lembaran spesifikasi agar menjadi lebih mengenal dengan

informasi yang dikandung pada lembaran tersebut tentang control valve.

58

Kt rev 3

MODUL I-02

59

4.4.2 Langkah Melakukan Kalibrasi Control Valve meliputi :

1. Menyiapkan alat standar

• Alat standar untuk kalibrasi disiapkan sesuai dengan spesifikasi.

• Metode kalibrasi disiapkan sesuai dengan SOP.

• Permasalahan yang timbul dalam penyiapan peralatan dilaporkan

kepada pihak terkait.

2. Menyiapkan control valve yang akan dikalibrasi

• Control valve yang akan dikalibrasi disiapkan

• Pengecekan control valve yang akan dikalibrasi secara visual

dilakukan

• Pencatatan dilakukan terhadap identitas peralatan yang akan

dikalibrasi.

• Permasalahan yang timbul dalam penyiapan peralatan dilaporkan

kepada pihak terkait

3. Melakukan langkah kalibrasi.

• Control valve yang akan dikalibrasi dipasang/ dihubungkan dengan

alat standar

• Langkah langkah dalam kegiatan kalibrasi dilakukan sesuai prosedur.

• Pencatatan dilakukan terhadap hasil kalibrasi.

4. Melakukan evaluasi hasil kalibrasi

• Analisis dilakukan untuk mengetahui penyimpangan.

• Evaluasi dilakukan dari hasil antara pembacaan alat yang dikalibrasi

dengan alat standar.

• Hasil kalibrasi untuk proses perbaikan lebih lanjut dilaporkan kepada

pihak yang lebih berwenang.

5. Mendokumentasikan kegiatan.

• Kejadian dari setiap kegiatan yang perlu tindak lanjut dicatat dengan

menggunakan format yang berlaku.

• Tindakan penyelesaian dari setiap kegiatan dicatat dengan

menggunakan format yang berlaku.

60

Peraturan yang harus dipatuhi dalam melaksanakan kegiatan kalibrasi

control valve, supaya tidak terjadi kecelakaan kerja meliputi :

1. Undang undang tentang K3LL

2. Kebijakan / tata tertib perusahaan

3. SOP

• Pelaksanaan kalibrasi

a. Membuat Rangkaian Kalibrasi Control Valve seperti gambar dibawah ini

b. Bila ada Transducer I to P harus dikalibrasi tersendiri.

Teknis mengkalibrasi dengan memberi power supply, lalu memberi signal

input dan membandingkan dengan output-nya, bila terjadi selisih

dilakukan adjusment atau mengembalikan ke-setandart-nya.

c. Periksa Control Valve dan name plate sesuai Specifikasi Control Valve

d. Kalibrasi Control Valve menggunakan data-data pabrik dan metode yang

direkomendasikan

e. Periksa posisi travel indikator dengan skala indikator pada control valve

Air Supply

Signal

PI

PI

I/P

Signal Regulator

4-20mA

Air Supply

Kt rev 3

MODUL I-02

61

f. Dengan memberi input signal pneumatic bervariasi dengan mengatur

regulator, mulai nilai 0%, 25%, 50%, 75%, 100% untuk dua kondisi naik dan

turun atau menggunakan sinyal electric ke transducer ( I/P ).

Bila terjadi penyimpangan lakukan adjusment sesuai spesifikasi pada data

sheet. (Lihat Adjustment Control Valve di atas)

g. Pastikan travel indikator sesuai langkah di atas

h. Lakukan flushing dan tes hidrostatic pada pipa dimana control valve

tersebut akan dipasang sebelum Control Valve diinstall.

i. Selesai Test Hydrostatic, Control Valve dikeringkan dan kedua ujung

flange di tutup, agar tdk terkena kotoran.

j. Hasil harus sesuai spesifikasi plant dan manual dari vendor bila ada

perbedaan ikuti manual vendor

k. Jika ada penyimpangan atau eror dicatat dengan format berlaku dan

dilaporkan ke pihak terkait.

4.4.3 ADJUSTMENT CONTROL VALVE

a. Set-up Aktuator

Bench Set

Bench set dari suatu valve berhubungan dengan range input khusus aktuator

dimana valve akan mulai bergerak pada gerakan stem penuh pada bukaan

penuh menjadi tutup penuh (jika valvenya fail open) atau di mana valve mulai

bergerak pada gerakan tutup penuh menjadi buka penuh (jika valvenya fail

closed).

Bench set aktuator dilakukan pada kondisi khusus, terutama untuk”

• Tidak adanya gaya dari proses kepada valve

• Tidak adanya gaya dari packing kepada valve

Range bench set berbeda dengan range 3 – 15 psi. Range bench set ditentukan

oleh perhitungan aksi tekanan operasi proses pada plug valve. Pada tekanan

proses yang tinggi mungkin menyebabkan suatu gaya pda valve fail closed

menjadi membuka, dan dalam hal ini range bench set mungkin mulai dari 4 –

12 psi. Sinyal 4 – 12 psi adalah stroke sebenarnya pada valve dari menutup

62

penuh menjadi membuka penuh. Ketika valve diinstal pada proses dan tekanan

proses yang beraksi pada plug kemudian sinyal yang sebenarnya adalah 3 –

15 psi yang diperlukan untuk menggerakkan valve.

Ketika mengkalibrasi valve periksalah range input aktuator. Jika valve

mempunyai nilai bench set, berarti valve harus mulai stroke atau bergerak

pada nilai tekanan minimum pada nilai bench set tersebut. Jika valve tidak

mempunyai nilai bench set, maka nilai minimum tekanan tersebut untuk mulai

bergerak adalah 3 psi atau 20 kPa. Periksa lembaran spesifikasi atau tag valve

untuk tekanan ini.

Diagram poin-poin penyetelan (adjustment) terlihat pada Gambar dibawah.

Menyetel regangan spring aktuator melalui spring adjuster seperti ditunjukkan

pada gambar. Suplai aktuator dengan ekanan 3 psi (diasumsikan bahwa range

bench set sama seperti range operasi valve). Aktuator harus mulai bergerak

dengan tekanan 3 psi atau sedikit diatas 3 psi. Jika aktuator bergerak sangat

cepat kemudian kencangi spring, jika bergerak tidak cukup cepat maka

kendorkan spring. Ulangi prosedur diatas sampai tekanan sinyal minimum

menghasilkan efek seperti yang diinginkan. Gunakan nilai sinyal range teratas

yaitu 15 psi atau 100 kPa, dan periksa untuk melihat bahwa valve tepat

berhenti pada titik ini. Jika spring sebenarnya telah dipasang pada valve, maka

sinyal 15 psi yang digunakan pada valve tersebut, maka valve harus bergerak

penuh pada range tersebut.

Kt rev 3

MODUL I-02

63

Seting Travel

Ketika sinyal input minimum (3 psi) pada valve digunakan pada aktuator

valve maka plug harus terletak pada seatnya sedemikian rupa sehingga tidak

adak aliran yang melewati valve tersebut. Ketika sinyal dinaikkan plug mulai

membuka. Adjustment stem perlu diperlakukan seperti ini. Stem dapat

dinaikkan atau diturunkan dengan mengendorkan mur pada konektor stem dan

memutar stem searah dengan arah jarum jam untuk mengangkat plug tau

memutar berlawanan arah jarum jam untuk menurunkan plug. Gunakan range

sinyal input penuh pada valve atau 15 psi. Ukur jarak gerakan (travel) untuk

melihat batas jarak gerakan (travel) plug yang diinginkan. Setelah stroke valve

disetel dengan cara yang benar kemudian kencangi murnya sedemikian rupa

sehingga stem valve tidak akan bekerja diluar travelnya.

Tindak Lanjut Hasil Kalibrasi

• Hasil kalibrasi untuk proses perbaikan lebih lanjut dilaporkan kepada

pihak yang lebih berwenang.

• Mendokumentasikan kegiatan

• Kejadian dari setiap kegiatan yang perlu tindak lanjut dicatat dengan

menggunakan format yang berlaku.

• Tindakan penyelesaian dari setiap kegiatan dicatat dengan

menggunakan format yang berlaku.

64

4.4.4 TROUBLE SHOOTING

Ada beberapa kemungkinan yang menyebabkan control valve tidak berfungsi dan bagaimana cara mengatasi permasalahan tersebut.

Usaha untuk mengatasi trouble kita menggunakan table failure mode effect analysis ( FMEA ) sebagai berikut :

N0 Nama Komponen Fungsi Penyebab kegagalan Dampak Solusi

I Actuator

Input supply/

konektor input

Sebagai

penghubung

masuknya signal

Bocor, tersumbat, Cv tidak berfungsi

dng baik

- Periksa & lakukan perbaikan

- Bersihkan

Top cover / casing

diaphragm

Sebagai ruang

kompresi

Kemasukan air Cv tidak berfungsi

dng baik

- lakukan venting pada AIS

- Perbaiki system AIS

Diapragma Sebagai tranducer bocor Cv tidak berfungsi

dng baik

- Ganti baru

- Membuat lapisan penahan

kebocoran

Spring melemah

Etc dng baik

II Bonnet

Packing bonnet Scale / kotor pada

Kt rev 3

MODUL I-02

65

area packing bonnet

Stem connector

kendor

Stem plug

Etc

III Bodi

plug & seat Buka tutup aliran Scale / kotor pada

plug atau seat

Terjadi kebocoran Bodi valve dibongkar dan

dibersihkan

Etc

66

BAB V

SISTEM PENGENDALIAN

5.1. PRINSIP-PRINSIP PENGENDALIAN PROSES.

Pada pengendalian manual operasi yang dilakukan oleh operator

adalah, pertama operator mengamati penunjukkan temperatur,

kemudian mengevaluasi apakah temperatur yang ada sudah sesuai

dengan yang dikehendaki. Apabila tidak sama dengan yang

dikehendaki, maka operator harus dapat memperkirakan seberapa

banya valve tersebut harus ditambah atau dikurangi bukaannya.

Kemudian operator harus benar-benar mengubah bukaan valve sesuai

dengan yang diperkirakan tadi. Dari uraian di atas dapat diambil

suatu kesimpulan bahwa dalan mengendalikan proses seorang

operator mengerjakan empat langkah kegiatan, yaitu :

Pada waktu operator mengamati suhu sebenarnya yang dia kerjakan

adalah mengukur variabel proses (Process Variable = PV), kemudian

membandingkan variabel proses dengan variabel proses yang

diinginkan (Set value = SV). Perbedaan antara variabel proses dengan

set value disebut sebagai error, oleh karena itu error dapat dituliskan

sebagai :

Error = Set Value (SV) – Variable Process (PV) atau

= Variable Process (PV) – Set Value (SV)

Berdasarkan besarnya error, operator kan menentukan arah

perubahan dari bukaan valve (menambah atau mengurangi) dan

seberapa besar koreksi yang diperlukan pada valve. Pada proses ini

sebenarnya operator menghitung untuk menentukan pengaturan

valve. Setelah proses penghitungan operator mengoreksi dengan

Mengukur à Membandingkan à Menghitung à Mengoreksi

67

mengatur bukaan valve. Hal ini juga berlaku pada suatu pengendalian

otomatis, hanya saja pada pengendalian otomatis semua pengaturan

dilakukan oleh alat-alat instrumentasi. Jadi pada pengaturan

otomatis manusia hanya melakukan pengaturan terhasap set value

(SV) dan untuk yang lainnya dilakukan oleh instrumentasi tersebut.

5.2. METODEL PENGENDALIAN PROSES

Metodel pengendalian proses dibagi dua macam, yaitu :

- Pengendalian oleh manusia (manual control)

- Pengendalian otomatis (automatic control)

a. Pengendalian oleh manusia (manual control)

Pada pengendalian secara manual memanfaatkan ketelitian dari

operator untuk mengendalikan suatu besaran proses. Jika harga

proses tidak sesuai dengan yang dikehendaki oleh operator, maka

operator tersebut akan melakukan adjustemet sebagai koreksi

terhadap besaran proses tersebut sampai proses berjalan stabil

dan hal ini dilakukan berulang-ulang selama kondisi proses tidak

sesuai dengan yang dikehendali oleh operator. Untuk lebih

jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.1.berikut ini.

Gambar 2.1. Manual Control

68

Pada gambar di atas terlihat bahwa seorang operator sedang

mengamati variabel temperatur pada sebuah dapur (furnace),

apabila hasil penunjukan pada temperatur indikator (temperature

gauge) lebih besar dari temperatur yang dikehendaki oleh

operator, maka operator tersebut akan menambah jumlah aliran

dengan menambah bukaan valve, begitu juga sebaliknya apabila

hasil pembacaan pada temperatur gauge lebih kecil dari

temperatur yang dikehendaki maka operator akan mengurangi

jumlah aliran dengan jalan mengecilkan bukaan valve. Dilihat dari

segi ekonomis, pengendalian secara manual tentu lebih murah

dibandingkan dengan pengendalian secara otomatis karena

instrumen yang dibutuhkan lebih sederhana.

b. Pengendalian otomatis (automatic control)

Pada prinsipnya pengendalian otomatis sama dengan

pengendalian manual.

Pada pengendalian otomatis, peranan dari operator digantikan

oleh suatu alat yang disebut pengendali (controller). Jadi yang

bertugas menambah dan mengurangi bukaan valve tidak lagi

dikerjakan oleh operator tetapi atas perintah controller, operator

hanya bertugas memberikan harga ke controller (set value / set

point = SV / SP). Oleh karena itu pengendalian otomatis pada

valve harus dilengkapi dengan actuator sehingga unit valve

tersebut disebut dengan control valve. Sehingga apabila terjadi

ketidak sesuai harga yang diberikan operator terhadap controller

(SV), maka atas perintah controller akan membuka atau menutup

sesuai dengan kondisi operasi yang sedang berjalan (process

variable = PV). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar

2.2. berikut.

69

Gambar 2.2. Pengendalian otomatis

5.3 DIAGRAM KOTAK (BLOCK DIAGRAM)

Diagram kotak adalah merupakan alat bantu untuk mempermudah di

dalam mempelajari suatu sistem pengendaian.

Ada dua macam diagram kotak yang biasa dipakai, yaitu diagram

kotak simbolis dan diagram kotak matematis. Pada diagram kotak

tersebut, masing-masing elemen yang terdapat pada sistem

pengendalian diwakili oleh sebuah kotak. Pada diagram kotak

simbolis, setiap kotak dibubuhi nama atau symbol-simbol. Pada

diagram kotak matematis, setiap kotak dibubuhi fungsi matematik

yang merupakan hubungan input dan outpun elemen. Untuk lebih

jelasnya dapat dilihat diagram kotak berikut ini.

Gambar 2.3. Diagram kotak proses di furnace

VALVE FURNACE (PROSES)

LOAD

Pemakaian panas (di pabrik)

- Temperatur

Aliran bahan bakar masuk

Posisi bukaan (Opening)

+

70

5.4. TERMINOLOGI :

Variabel proses atau variabel yang dikontrol adalah variabel dimana

nilainya harus dipertahankan pada nilai yang presisi. Sebagai contoh,

mungkin kita dapat memanipulasi aliran cairan kedalam tangki untuk

mengatur level yang ada didalam tangki. Level yang ada didalam

tangki adalah variabel yang kita kontrol (variabel kontrol) atau

variabel proses.

Variabel proses adalah variabel dimana nilai yang kita ukur dengan

transmiter dan mengirimkannya ke kontroler agar dipantau dan

pertahankannya.

Ada empat variabel proses yang umum yaitu : temperatur, tekanan,

flow dan level.

Ada satu proses dimana variabel yang dikontrol sama dengan variabel

yang dimanipulasi yaitu proses flow.

5.4.1 Variabel Suplai

Variabel suplai pada proses ialah veriabel dimana nilainya

dikendalikan oleh final control element. Didalam semua hal tersebut

variabel suplai adalah faktor dominan dalam menentukan nilai

variabel yang dikontrol atau variabel proses, meskipun tidak hanya

variabel itu saja.

Variabel ini sering disebut manipulated variable. Hal ini berarti

bahwa adalah variabel dimana nilainya diatur oleh final control

element.

5.4.2 Beban Proses

Beban proses adalah variabel, yang cenderung merusak nilai proses.

Sebagai contoh, kita asumsikan bahwa kita mempunyai proses level

dimana kita memanipulasikan aliran kedalam tangki. Cairan yang

mengalir keluar dari tangki mempunyai kecepatan tertentu. Air

yang mengalir keluar dari tangki adalah beban proses.

71

Suatu perubahan pada cairan yang mengalir keluar adalah

mengganggu proses. Lup pengontrolan diimplementasikan untuk

menghilangkan pengaruh gangguan pada proses tersebut.

Proses thermal dioperasikan dengan menyuplai uap ke heat

exchanger. Aliran uap adalah manipulated variable. Temperatur

produk aliran yang keluar dari heat exchanger adalah variabel yang

dikontrol (variabel control) atau variabel proses. Beban pada proses

adalah sejumlah panas yang hilang ke udara luar dari heat

exchanger, atau nilai panas (enthalphy) dari uap, atau temperatur

produk yang dipanaskan didalam heat exchanger. Suatu perubahan

nilai beban adalah gangguan terhadap lup.

Gambar 2.4. Heat Exchanger Sederhana

5.4.3 Set Point

“Set Point” adalah istilah nilai yang kita inginkan pada variabel

yang dikontrol untuk dipertahankan. Sebagai contoh proses level

pada Gambar 2.5. Pada gambar menunjukkan tinggi tangki terbuka

10 ft. Span pengukuran 8 ft (1 ft off dari bagian bawah tangki dan 1

ft off dari bagian atas tangki).

72

Set point pada kontroler dapat dalam satuan engineering ft atau

persen dari span. Set point adalah 4 ft akan mempertahankan level

5 ft cairan yang ada didalam tangki. Set point 50% juga akan

mempertahankan 5 ft cairan didalam tangki.

Gambar 2.5. Proses Level Sederhana

Adalah penting bahwa tidak semua kontroler dapat mendisplaikan

dan menggunakan set point dalam skala satuan engineering.

Kontroler elektronik analog dan pneumatik menggunakan set point

dalam skala persen. Hanya beberapa kontroler digital yang

menggunakan set point dalam satuan engineering.

Operator harus tahu span variabel yang dikontrol jika ia perlu tahu

nilai engineering nyata dari set point dan juga proses variabel.

Dalam suatu hal, nilai set point atau nilai yang diinginkan proses

pada lup kontrol dirancang untuk dipertahankan.

73

5.4.4 Transmiter

Transmtter adalah merupakan instrument yang merubah besaran

yang dihasilkan oleh sensing element (sensor) menjadi suatu sinyal

standar agar dapat dimengerti oleh instrument lainnya (controller,

recorder).

5.4.5 Controller

Controller adalah instrument yang fungsinya membandingkan

process variable yang sedang berjalan terhadap set variable dan

hasilnya digunakan sebagai dasar perhitungan control output yang

bersarnya berdasarkan aksi dan mode pengontrolnya, sinyal control

output digunakan sebagai dasar koreksi atas deviasi yang

diterimanya.

Aksi controller adalah :

• Direct action, artinya adalah apabila terdvapat kenaikan

input (PV) melebihi set variable (SV), maka output controller

(mv) akan naik.

• Reverse action, artinya adalah apabila terdvapat kenaikan

input (PV) melebihi set variable (SV), maka output controller

(mv) akan turun.

Sedangkan mode kontroler adalah :

• Proportional (P) Control

• Proportional + Integral (PI) Control

• Proportional + Integral + Derivative (PID) Control

Sinyal control output (mv) digunakan sebagai penggerak final

control element (Control Valve).

5.4.6 Final Control Element

Final control element adalah element akhir dari suatu system

pengendalian yang fungsinya mengkoreksi perbedaan antara process

74

variable (PV) terhadap set variable (SV) berupa gerakan naik-turun

(buka-tutup) valve sesuai sinyal yang diterimanya dari kontroler.

Ditinjau dari gerakan valve-nya, aksi control valve terdiri dari :

• Air To Open (ATO), yaitu apabila control valve menerima

sinyal dari controller sebesar 3 – 15 psi gerakannya akan

mengakibatkan bertambahnya aliran yang melewatinya.

• Air To Closed (ATC), yaitu apabila control valve menerima

sinyal dari controller sebesar 3 – 15 psi gerakannya akan

mengakibatkan berkurangnya aliran yang melewatinya.

5.4.7 Proses

Adalah merupakan variabel yang dikendalikan dalam suatu system

pengendalian.

Ada empat variabel proses yang biasa dikendalikan di dalam suatu

system pengendalian diantaranya adalah berupa tekanan

(Pressure), temperature (Temperature), laju aliran (Flow) dan

tinggi permukaan fluida (Level).

5.5 ELEMEN-ELEMEN SISTEM PENGENDALIAN

Dalam suatu sistem kontrol sekurang kurangnya terdapat 5 macam

elemen utama yang membentuk system kontrol yaitu :

1. Sensing element (Sensor), adalah elemen yang pertama kali

merasakan adanya variable proses dan kemudian merubahnya ke

dalam bentuk gerakan mekanik atau sinyal electric yang sesuai

dengan besarnya varibel yang dideteksinya.

2. Proses, adalah sebutan variabel proses yang dikontrol/

dikendalikan.

3. Transmitter, berfungsi untuk merubah nilai variabel proses yang

dirasakan oleh sensor menjadi bentuk signal standard dan

ditransmisikan ke dalam instrument lainnya (controller,

recorder) yang besarnya tergantung dari jenis transmitter-nya

75

yaitu 4-20 mA atau 1-5 Vdc (untuk transmitter elektrik) atau 3-15

psi (untuk transmitter pneumatic)

4. Elemen Pengatur (Controller), adalah elemen pengatur

memanfaatkan signal error yang dihasilkan untuk kemudian

digunakan sebagai dasar untuk memberikan memberikan

perintah perbaikan yang akan dilakukan oleh elemen pengontrol

akhir (final control element).

5. Elemen Kontrol Akhir (Final Control Element), dapat berupa

control valve, motor, pompa yang menerima dan melaksanakan

signal instruksi yang diberikan oleh controller untuk

mempertahankan nilai variabel proses pada nilai setpoint-nya.

Kelima macam elemen tersebut dapat dihubungkan satu sama lain

baik secara hubungan terbuka (open loop) maupun tertutup (closed

loop). Istilah open loop dan closed loop akan mempermudah kita

dalam memahami sistem kontrol manual dan otomatis.

Gambar 2.9. Elemen pengendalian level

76

Pada gambar di atas tampak bahwa di dalam pengendalian level

terdiri dari elemen-elemen pengendalian, yaitu :

FT : adalah merupakan singkatan dari Flow Transmitter, yang di

dalamnya terdapat sensor (diaphragma) yang mendeteksi

perbedaan tekanan (differential pressure) antara high level

dengan low level dan hasilnya berupa keluaran sinyal standar

yang sesuai dengan beda tekanan yang dirasakannya.

LIC : adalah merupakan singkatan dari Level Indicator Control.

LV : adalah merupakan singkatan dari Level Valve yang berupa final

control element (control valve) dengan aksi reverse.

Gambar 2.10. Elemen-elemen sistem pengendalian aliran

Untuk melihat letak masing-masing elemen pengendalian digunakan

diagram kotak, pada gambar 2.11. ditampilkan diagram kotak sistem

pengendalian secara otomatis. Di dalam diagram kotak sistem

77

pengendalian otomatis terdapat elemen proses, elemen pengukuran

(sensing elemen dan transmitter), elemen controller (control unit)

dan final contol elemen (control valve).

5.6 CONTROL LOOP

Apabila dilihat dari bentuk Control loop dibagi dalam dua kategori,

yaitu: open dan closed loop.

Perbedaan utama antara kedua contol loop adalah adanya proses

koreksi (feedback) pada tipe closed loop, sedangkan pada open loop

tidak terdapat proses koreksi tersebut, sehingga tidak ada

mekanisme yang menghubungkan produk yang terjadi dengan input

yang dikehendaki.

5.6.1 PENGENDALIAN LOOP TERBUKA (OPEN LOOP CONTROL SYSTEM)

Sistem pengendalian loop terbuka (open loop control system), atau

sering juga disebut sebagai sistem pengendalian umpan balik maju

(feed forward control) adalah sistem pengendalian yang keluarannya

tidak akan dapat mempengaruhi aksi dari pengendaliannya. Jadi pada

sistem pengendalian loop terbuka keluarannya tidak diukur atau

diumpan balikkan untuk dibandingkan dengan masukannya dan sistem

tersebut biasanya bekerja pada manual control. Untuk lebih jelasnya

dapat dilihat pada gambar 2.11. berikut ini.

Gambar 2.11. Sistem pengendalian loop terbuka

78

5.6.2 PENGENDALIAN LOOP TERTUTUP

Sistem pengendalian loop tertutup atau sering juga disebut sebagai

sistem pengendalian umpan balik (feed back control) adalah

merupakan sistem pengendalian yang sinyal keluarannya mempunyai

pengaruh langsung pada aksi pengendaliannya. Pada sistem

pengendalian loop tertutup ini terdapat signal kesalahan penggerak,

yang merupakan selisih antara signal masukan dan signal umpan balik

(yang berupa signal keluaran dari proses yang dikendalikan) yang

diumpan balikkan ke arah masukan untuk memperkecil kesalahan dan

membuat harga keluaran akan mendekati dengan harga yang

diinginkan. Atau dengan kata lain, pada aksi umpan balik digunakan

untuk memperkecil kesalahan sistem dan sistem tersebut biasanya

bekerja pada automatic control. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat

pada gambar 3.2 berikut ini.

Gambar 3.2. Sistem pengendalian loop tertutup

Metoda pengendalian tertutup (close loop control) antara lain

adalah:

1. Feed back control system

2. Feed forward control system

3. Cascade control system

79

Feed Back Control System Feedback control termasuk kategori single loop control. Feedback

loop mengirimkan hasil pengukuran ke controller untuk

dibandingkan dengan nilai setpoint. Jika proses variabel tidak

sama dengan setpoint, controller akan bereaksi untuk

menyamakannya.

Feedback control paling banyak dipakai di industri. Keuntungan

utamanya adalah dapat mengontrol semua proses secara langsung.

Kekurangannya adalah error harus terjadi sebelum dapat

dikoreksi.

Berikut adalah aplikasi feedback control:

1. Pressure control loop

Pressure control loop bereaksi berdasarkan kecepatan. Loop

dapat merespon perubahan dari beban (load) atau mengontrol

aksi secara cepat atau lambat. Kecepatan pengontrolan ini

ditentukan oleh volume dari proses fluid. Contohnya pada

sebuah sistem penyimpanan gas yang besar (gas storage

facilities) pergerakan controller cenderung lebih lambat

dibandingkan dengan sistem yang bervolume kecil.

Gambar 3.3. Pressure control loop

80

2. Flow control loop

Secara umum flow control loop dikenal sebagai “fast loop”

yang merespon perubahan dengan segera. Oleh karena itu flow

control equipment harus mempunyai sampling dan response

time yang cepat.

Gambar 3.4. Flow control loop

Flow control cenderung sensitif sehingga menimbulkan fluktuasi

atau noise pada sinyal control. Untuk mengkompensasi noise,

sebagian besar flow transmitter memiliki pengaturan

“damping” yang berfungsi untuk mem-filter noise.

Karena temperatur dari proses fluida mempengaruhi density,

pengukuran temperatur juga disertakan dalam pengukuran

flow, dan kompensasi temperatur ini di masukkan dalam

kalkulasi flow.

3. Level control loop

Perubahan kecepatan aliran liquida pada level control loop

umumnya disebabkan oleh ukuran dan bentuk proses vessel

(tangki). Contohnya: tangki yang besar akan membutuhkan

waktu yang lebih lama untuk diisi dibandingkan tangki kecil.

81

Faktor lain adalah flow rate input dan outflow. Tank overflow

kadangkala menjadi masalah yang harus dihindari sehingga

digunakan redundant control system.

Gambar 3.5. Level control loop

4. Temperature control loop

Karena membutuhkan waktu untuk mengubah temperatur fluida

proses, temperature loop umumnya lambat. Control strategi

feedforward sering dipakai untuk menaikkan kecepatan respon

temperature control loop. Final control element pada

temperature control loop biasanya fuel valve menuju sebuah

burner atau steam valve untuk aplikasi heat exchanger.

Adakalanya fluida yang lebih dingin (air dingin) dicampurkan ke

proses (mix) untuk mengontrol temperatur.

82

Gambar 3.6. Temperature control loop

Feed-forward (FF) control

Feed forward (FF) control adalah metode umum untuk kompensasi

disturbance terukur. FF controller mengukur disturbance sebelum

mempengaruhi proses, dan melakukan manipulasi untuk

menghilangkan-nya. Untuk itu dibutuhkan magnitude dan timing

yang tepat ketika aksi koreksi terjadi. Proses akan memburuk jika

manipulated variable yang dikoreksi terlalu cepat atau sebaliknya.

Pada aplikasi yang sama dapat dilihat pada gambar 3.7.

Ada 3 elemen pada diagram control heat exchanger ini yaitu:

• Temperatur controller, yaitu sebagai feedback controller

• Flow controller, yaitu sebagai FF controller,

• Summer yang menjumlahkan output dari kedua controller

FF controller biasanya digabungkan dengan feedback controller. Ini

bertujuan untuk mendapatkan nilai magnitude dan laju perubahan

yang konsisten.

83

Gambar 3.7. Feedback + FF controller

Cascade control

Cascade control pada prinsipnya adalah 2 buah control loop yang

disusun secara serial. Output controller yang pertama

(primary/master) diumpankan pada setpoint controller kedua

(secondary/slave).

Secara umum cascade control dipakai apabila variabel kontrol

primer bereaksi lambat terhadap perubahan disturbance.

Keuntungan pemakaian control ini adalah:

Ø Mengkondisikan agar secondary controller bereaksi lebih cepat

mengatasi disturbance

Ø Mengkondisikan agar secondary controller dapat mengatasi

kondisi non linear pada valve

Ø Memungkinkan agar operator dapat melakukan intervensi

langsung pada secondary controller (misalkan pada saat start-

up)

FT 100

FIC 100

TIC 101

TT 101

+

Process Fluid

Steam

84

Gambar 3.9. Diagram cascade control

Gambar 3.9 memberikan contoh dari cascade control pada

aplikasi sebuah heat exchanger. Perubahan pada laju alir steam

akan mengubah laju perpindahan panas (heat transfer) pada

exchanger.

Pada aplikasi ini terdapat 3 komponen penting yang

mempengaruhi loop:

Ø fast process, yaitu steam flow

Ø slow process, yaitu heat transfer

Ø disturbance, yaitu steam pressure

Heat transfer adalah slow process. Karena itu dibutuhkan teknik

dan skill tersendiri untuk melakukan tuning temperature

controller. Dengan menggunakan cascade controller, outlet

temperature akan lebih stabil dan disturbance dapat dihilangkan.

85

Syarat yang harus dipenuhi untuk menjalankan cascade control

adalah: secondary loop harus beroperasi minimal 5 kali lebih cepat

dari pada primary loop.

Catatan:

Prosedur tuning untuk cascade control adalah melakukan tuning

pada secondary loop terlebih dahulu diikuti dengan primary loop.

Ini disebabkan tuning pada secondary loop sangat besar

pengaruhnya pada primary loop. Tapi tuning pada primary loop

hampir tidak berpengaruh pada secondary loop.

86

6.1 CONTROLLER

Controller adalah salah satu peralatan instrumentasi yang berfungsi

membandingkan nilai pengukuran terhadap nilai yang dikehendaki (set

point), dan sesuai dengan modenya menghasilkan signal kendali sebagai

keluaran yang sebanding dengan selisih nilai pengukuran set point

tersebut.

Didalam melakukan pengendalian proses, controller dilengkapi dengan

panel-panel, diantaranya adalah :

1 Aksi kontrol (Control action),

2 Mode kontrol (Control mode),

6.1.1 AKSI KONTROL (CONTROL ACTION)

Control action adalah merupakan aksi dari kontrol yang dapat

diubah-ubah dari direct menjadi reverse atau sebaliknya dan

ditentukan sesuai dengan kebutuhannya.

a. Pada controller dengan aksi Direct, adalah merupakan aksi

controller apabila terjadi kenaikan sinyal pengukuran (PV), maka

menyebabkan kenaikan sinyal output sedangkan apabila terjadi

kenaikan set point (SV) maka output akan turun dengan

menghasilkan kesalahan (error) sebesar PV – SV.

b. Pada controller dengan aksi Reverse, adalah merupakan aksi

controller apabila terjadi kenaikan sinyal pengukuran (PV), maka

menyebabkan penurunan sinyal output sedangkan apabila terjadi

kenaikan set point (SV) maka output akan naik dengan

menghasilkan kesalahan (error) sebesar SV – PV.

87

6.1.2. MODE KONTROL (CONTROL MODE)

Controller dapat diatur untuk berfungsi secara sempurna pada

berbagai macam aplikasi. Pengaturan mode controller ini melibatkan

tiga fungsi kontrol matematis yang bekerja sekaligus, yaitu:

Proportional-Integral-Derivative (PID). PID dapat diartikan sebagai

serangkaian aturan-aturan untuk memberikan kestabilan pada sistem

control closed loop. Penggunaan PID bertujuan untuk membuat nilai

terukur (PV) agar sama dengan nilai setpoint dapat dicapai.

Fungsi PID adalah sbb:

a. Proportional control (gain): menentukan selisih antara setpoint

dan process variable (error), lalu memberikan perubahan yang

proporsional kepada control untuk menghilangkan error tersebut.

Proportional control digunakan untuk menjaga proses sesuai

dengan setpoint tanpa fluktuasi yang berarti menggunakan

proportional control

b. Integral control (reset): menentukan apakah terjadi offset dari

setpoint dan PV terhadap waktu, kemudian melakukan koreksi

untuk menghilangkan offset tersebut. Integral control digunakan

untuk menghilangkan offset menggunakan reset control.

c. Derivative Control (rate): memonitor laju perubahan PV dan

melakukan aksi koreksi jika terdeteksi laju perubahan yang tidak

normal. Dertive digunakan untuk mempercepat respon controller

pada disturbance yang besar menggunakan derivative control

Dasar pemakaian mode kontrol disesuaikan dengan sifat proses yang

akan dikendalikan apakah prosesnya bersifat cepat atau lambat.

Tidak semua proses membutuhkan full PID control. Jika offset yang

kecil dapat ditolerir pada sebuah proses, maka proportional control

saja (P only)sudah cukup. PI control digunakan jika offset tidak

88

dapat ditolerir. PID control dipakai jika pada proses terjadi offset,

noise dan deadtime yang menjadi masalah.

PID mempunyai nilai parameter yang harus dimasukkan nilainya oleh pemakai dan nilainya berbeda untuk setiap jenis control. Proses menentukan nilai-nilai parameter ini dikenal dengan istilah PID tuning yang akan dibahas pada Bab 5.

6.1.3. Proportional control

Kebanyakan sistem kontrol sudah bekerja bagus hanya dengan menggunakan proportional control (P only). Gambar 4.1 memperlihatkan hubungan antara posisi valve dengan error sebagai ciri dari proportional control. Posisi valve berubah pada proporsi yang persis dengan besarnya error. Respon valve terjadi hampir seketika, dan valve kembali ke nilai awal jika error kembali ke zero. Dalam hal ini diasumsikan output controller selalu menuju ke sebuah control valve.

Hubungan antara penyimpangan setpoint (error) dengan posisi valve (controller output) untuk aksi proportional diekspresikan oleh persamaan berikut:

mv = Kc.e + b ………………………………………….. (1)

Dimana: mv = Controller Output Kc = Controller gain yang besarnya adalah 100/PB e = Error (besarnya tergantung aksi controller) b = bias

Persamaan di atas disebut algoritma kontrol. Gain (Kc) disebut juga controller sensitivity.

• Proportional Band (PB) Proportional band adalah besarnya perubahan PV (dalam persen) terhadap full travel dari final control element. Sebagai contoh, pada sebuah level controller: Jika diinginkan perubahan level dengan range 7 inchi dari sebuah control valve yang bergerak dari posisi open menjadi close memakai displacer 14 inchi, maka

89

dikatakan level controller tersebut mempunyai PB 50%. Contoh yang sama jika dinginkan perubahan level 28 inchi menggunakan displacer yang sama, maka level controller tersebut mempunyai PB 200%.

PB dapat dituliskan dalam rumusan :

PB = Kc

%100 atau Kc =

PB%100

………………………… (2)

Dimana

PB = Proportional Band (%) adalah merupakan persentasi kenaikan input untuk mendapatkan output 100%.

Kc = Gain (faktor penguatan), didefinisikan sebagai perbandingan kuat sinyal output terhadap input

Gain kontrol hanya merespon pada perubahan erro, tetapi tidak

mengembalikan PV ke setpoint

Apabila PB yang kecil (narrow bands) mempunyai respon yang lebih sensitif dibandingkan PB besar (wide bands) seperti pada gambar berikut:

Gambar 4.1. Efek dari proportional band

PB=50%, Kc=2

Time

PB=100%, Kc=1

PB=200%, Kc=0.5

Controller Error, E

Controller Output, O

0

1

0

0.5

1.0

2.0

90

Gambar 4.2. Grafik dari control range

• Bias Bias adalah jumlah output dari proportional controller ketika error dalam kondisi zero. Dari persamaan (1), terlihat bahwa ketika error = zero, controller output juga = zero. Pada saat ini kondisi valve akan menuju fail-safe position-nya (fully close - NC atau fully open - NO) dan tidak ada aksi throttling. Akibatnya proses akan langsung terganggu sekejap setelah di koreksi. Aksi throttling akan berubah menjadi on/off. Dengan menambahkan bias, aksi throttling akan muncul, dan posisi valve akan tetap pada kondisi yang terakhir karena controller tetap mengeluarkan output. Ini membuat persamaan (1) menjadi:

mv = Kc.E + b ………………………………………….. (3)

Dimana:

b = Bias (persen dari full output)

Umumnya manufaktur akan memberikan nilai preset bias

sebesar 50%. Ini artinya pada saat zero error, controller

masih memberikan 50% output dari skala penuh, berapapun

nilai seting PB-nya. Pemakai dapat melakukan adjustment

output bias secara manual antara 50% sampai 100%.

Mea

sure

men

t

100 %

0 %

PB=50% Kc=2

PB=100% Kc=1

PB=200% Kc=0.5

Setpoint

91

• Offset

Kita sudah mengetahui bahwa error adalah selisih antara setpoint dengan PV. Pada proportional controller, perubahan setpoint atau load akan menimbulkan permanent error yang disebut offset. Offset tidak mungkin dihilangkan oleh proportional controller karena proportional output hanya merespon terhadap perubahan error, bukan error permanen.

Besarnya offset dapat dituliskan dalam rumusan:

∆E = PB(∆O)/100 …………………….…………. (4) Dimana:

∆E = Offset (perubahan error) ∆O = Perubahan posisi valve PB = Proportional Band

Timbulnya offset dapat diilustrasikan seperti berikut: Sebuah tangki dikontrol oleh proportional only level controller. Selama output tangki konstan, level akan tetap berada pada nilai setpoint. Ketika operator membuka outlet valve lebih besar, level akan turun. Error akan bertambah sehingga controller akan menaikkan output-nya proporsional dengan besarnya error. Control valve akan membuka lebih besar hingga akhirnya tercapai keseimbangan antara liquida masuk dan keluar. Pada titik ini level kembali stabil, namun tidak lagi berada pada setpoint-nya.

Gambar 4.3. Offset pada level controller

CO

PV

SP Offset

CO

PV

SP Offset

Outlet

Inlet valve

ww

w.p

as.c

om

92

Selisih antara setpoint dengan level yang baru inilah yang disebut offset, dan dapat dieliminasi jika operator melakukan reset dengan menambahkan bias. Cara lain adalah menambahkan mode integral pada controller.

Offset dapat diminimalkan dengan menaikkan sensitifitas controller (mengecilkan PB), namun controller yang terlalu sensitif akan berakibat unstable. Proportional only controller adalah pilihan paling tepat pada aplikasi dimana offset dapat ditolerir.

Proportional control summary Keuntungan: Ø Sederhana dan murah Ø Tuning mudah dilakukan Ø Memberikan respon yang cepat dan relatif stabil

Kerugian: Ø Timbulnya offset (permanent error)

Setting: Pada PB kecil berarti: Ø Gain besar Ø Offset minimum Ø Kemungkinan timbul cycling Pada PB besar berarti: Ø Gain kecil Ø Offset besar Ø Loop lebih stabil

Tuning Procedure: Turunkan gain ½-nya jika terjadi cycling

6.1.4. Proportional + integral control

Aksi integral (reset) didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk merubah controller output sebanyak perubahan yang disebabkan oleh aksi proportional. Aksi integral umumnya

93

digunakan bersama dengan aksi proportional (hampir tidak ada controller yang mempunyai mode integral only). Dengan tambahan mode integral, output controller akan merespon terhadap besar dan lamanya error. Selama deviasi dari setpoint masih terjadi, controller akan terus memberikan sinyal output untuk mengurangi deviasi (error) tersebut. Laju perubahan output controller sebanding dengan arah (magnitude) error seperti diilustrasikan pada gbr. berikut:

Proportional + Integral control (PI control) adalah aksi control yang paling direkomendasikan pada hampir semua aplikasi di lapangan. Penggabungan aksi proportional dan integral ini memberikan respon dan stabilitas control yang tinggi tanpa offset. Integral berfungsi sebagai automatic bias adjustment untuk menghilangkan offset.

Output dari PI controller diekspresikan sbb:

Gambar 4.4. Aksi PI control

+

Controller Output

P action

I action

X %

X %

TR

94

+= ∫ edt

Ti1eKcmv + b …………………………………… (5)

Dimana: Ti = Integral time (reset time)

Proportional + Integral control summary Keuntungan: Ø Menghilangkan error permanen

Kerugian: Ø Timbulnya reset wind-up Ø Kemungkinan overshoot

Setting: Fast reset (repeats/min kecil) : Ø Gain tinggi Ø Proses kembali menuju setpoint dengan cepat Ø Kemungkinan cycling

Slow reset (repeats/min besar): Ø Gain kecil Ø Proses kembali ke setpoint dengan lambat Ø Loop lebih stabil

Tuning Procedure: Ø Turunkan reset 1/3-nya jika terjadi cycling

Gambar 4.5. PI controller mengeliminasi offset

CO

PV

SPCO

PV

SP

95

6.1.5. Proportional+integral+derivative control

Aksi derivative (disebut juga rate) membuat output controller sebanding dengan laju perubahan error. Ini berarti jika proses dalam kondisi stabil, meskipun ada error, output controller tetap akan zero.

Derivative umumnya dikombinasikan dengan aksi proportional atau proportional+integral. Aksi derivative menambahkan elemen antisipasi (lead action) pada controller. Fungsinya menaikkan kecepatan respon controller dan kompensasi lag yang ditimbulkan oleh aksi integral.

Berikut adalah ekspresi output dari PD controller:

b edtdTdeKcmv +

+= …………..……………………… (6)

Dimana: Td = Derivative time

Untuk PID controller, persamaan diatas akan menjadi:

++= ∫ e

dtdTddt e

Ti1eKcmv .……………………………. (7)

Proportional+Integral+Derivative control summary Keuntungan: Ø Perubahan output lebih cepat (responsif)

Kerugian:

Gambar 4.5. PID controller performance

CO

PV

SP

CO

PV

SP

96

Ø Ikut memperkuat sinyal noise Ø Pada fast proses (pressure dan flow) akan terjadi cycling

Setting: Large rate (minutes kecil): Ø Gain tinggi Ø Perubahan output besar Ø Kemungkinan cycling Slow rate (minutes besar): Ø Gain kecil Ø Perubahan output kecil Ø Loop lebih stabil

6.1.6. GAIN LOOP (KL)

Yang dimaksud dengan gain loop adalah perkalian antara gain yang

terlihat di dalam sistem pengendalian proses (controller gain, plant

gain, transmitter gain dan Control valve gain). Gain loop dapat diatur

melalui gain controller dengan cara mengatur proportional band

(PB).

Secara matematis gain loop dapat dirumuskan sebagai berikut :

Kl = Kc x Kp x Kt x Kv

Dimana :

Kl = gain loop

Kc = gain controller

Kp = gain plant

Kt = gain transmitter

Kv = gain valve

Hubungan input dan output yang menghasilkan gain pada tiap

komponen adalah :

SV x

VS x

VV x

SS Kl =

97

6.2. LEVEL CONTROLLER FISHER TYPE 2500

Level controller adalah alat untuk mengontrol ketinggian fluida cair

yang berada di dalam tangki. Secara otomatis tinggi rendahnya

minyak dapat diatur dengan memutar dial rise level kekanan atau

kekiri.

Level control ini dilengkapi displacer yang terpasang dalam chamber

(external mounted sensor).

floating. Standart untuk semua displacer adalah panjangnya 14”.

Gambar 4.6. Level controller

Gambar 4.7. Instalasi Level controller

Prinsip Kerja

98

Level controller dilengkapi dengan displacer yang bekerja berdasarkan

hukum Archimides. Prinsip Archimides pada dasarnya berat benda yang

dicelupkan pada zat cair akan berkurang beratnya sebesar berat zat

cair yang dipindahkan.

a b

Gambar 4.8. (a) Hukum Archimedes dan (b) Displacer

Persamaan kesetimbangan gaya untuk silinder yang tercelup pada zat

cair seperti gambar 4.8.a, dapat ditulis sebagai berikut :

( ) mggh4dF 2

2

y −π

ρ= .................................... (1)

Dimana :

Fy = gaya resultante vertikal

ρ = massa jenis cairan

= luas penampang silinder

g = konstanta gravitasi

h = panjang displacer yang tercelup ke dalam cairan

m = massa silinder

bila Fy = 0, h2 dapat ditentukan :

ρAh2g – mg = 0 …………………………………………… (2)

( )4d 2π

99

dari sini, ketinggian pencelupan silinder h2 ialah :

AgAg1h

Agmgh c

2 ρρ

=ρ

= atau

ρρ

= c

1

2

hh

.......................................... (3)

Perubahan ketinggian cairan menyebabkan berat displacer berkurang

kemudian diubah menjadi gerakan puntir melalui torque tube.

Gambar 4.9. Blok diagram Displacer, Torque Tube dan Controller

6.3. PRESSURE CONTROLLER FISHER TYPE 4150

Type ini adalah series pneumatic pressure controller yang

menggunakan bellows atau bourdon tube sebagai sensing element

untuk tekanan gas atau liquid.

Controller dengan output standart (3-15 psi) dapat digunakan untuk

menggerakkan final control element.

Gambar 4.10. Pneumatic Pressure Controller Fisher Type 4150

Displacer

Torque Tube

Controller

100

6.3 TUNING CONTROLLER

Controller di-tune adalah upaya untuk mencocokkan karakteristik control

equipment dengan proses untuk mencapai tujuan sebagai berikut:

1. Sistem merespon error dengan segera

2. Sistem memperoleh kestabilan (PV tidak berosilasi disekitar SP)

6.3.1 KOMPONEN-KOMPONEN TUNING CONTROLLER

1. Proportional Mode

Proportional mode tidak terlepas dari gain controller, karena

kekurangan dari proportional dapat diminimalkan oleh pengaturan

Proportional Band untuk kestabilan proses

Gain controller dirumuskan : Kc = 100/PB

2. Integral mode

Aksi integral sangat tergantung dari lamanya error , setting

integral dinyatakan dalam repeats per minutes, yaitu berapa kali

aksi proportional yang diulang selama 1 menit. Penambahan reset

berarti menambah satu lagi komponen gain pada controller.

Semakin cepat aksi reset, semakin besar gain.

Reset windup

Reset windup adalah situasi dimana output controller bergerak ke

salah satu posisi extreme (minimum atau maksimum) karena

adanya selisih yang besar antara setpoint dengan proses.

Controller dapat dilengkapi dengan anti reset windup, yang

berfungsi agar output dapat mengejar setpoint dengan cepat dan

meminimilkan overshoot.

101

3. Derivative mode

Pada beberapa proses yang besar dan lambat, respon controller

terhadap perubahan yang kecil tidak begitu baik. Untuk

memperbaiki respon ini diperlukan derivative mode.

6.4 METODE TUNING

6.4.1. Quarter Decay Method

Metode ini dipakai pada closed loop tuning yang berarti mode

controller harus tetap pada posisi auto ketika tuning dilakukan.

Metoda quarter decay menentukan batas akhir sensitifitas tuning

sebuah controller. Seringkali tuning yang dihasilkan terlalu ketat

(terlalu sensitif) pada proses-proses yang membutuhkan

pergerakan valve cepat.

Untuk mencegah terjadinya ketidakstabilan valve, konstanta

tuning harus diset pada nilai 1½ kali dari nilai yang didapat dari

metode quarter decay. Lalu dilanjutkan dengan tuning.

Secara umum urutan tuning adalah sbb:

1. Posisikan controller pada automatic mode. PB harus berada

pada nilai terbesar (gain terkecil). Integral time berada pada

nilai tertinggi (minutes per repeat). Derivative time juga

pada nilai tertinggi.

2. Lakukan perubahan kecil pada setpoint dan rekam hasilnya

hingga proses kembali normal

3. Kembalikan setpoint ke nilai aslinya. Rekam hasil seperti

sebelumnya.

4. Turunkan PB (naikkan gain) sedikit dan ulangi langkah 1 – 3

sehingga rekaman output menyerupai gambar 5.5, yaitu

hingga amplitudo kurva B kurang lebih 1/4 kali kurva

sebelumnya.

102

6.4.2. Ultimate sensitivity method

Ultimate sensitivity method juga dipakai pada closed loop test.

Posisi controller pada automatic mode. Proses tuning dilakukan

sbb:

1. Set controller pada proportional only, atur integral time

dan/atau derivative time pada nilai minimumnya.

2. Kurangi PB (naikkan gain) secara perlahan (step kecil) sambil

mengujinya dengan mengubah-ubah setpoint hingga

controller mulai berosilasi secara kontinyu seperti gambar

berikut:

Sampai pada titik ini, setting PB ini disebut dengan “ultimate

proportional band” disingkat PBu. Perioda osilasi ini disebut

Gambar 5.8. Ultimate sensitivity method

Gain terlalu kecil, proses stabil

Gain terlalu besar, proses unstable

Gain sesuai, proses osilasi kontinyu

Pu

103

“ultimate periode” dengan satuan menit dan disingkat Pu. Nilai

PBu dan Pu ini dipakai untuk menghitung konstanta tuning seperti

yang diperlihatkan pada tabel 3.1. Tabel ini memperlihatkan

dua set konstanta tuning untuk proportional+integral+

derivative.

Tabel 5.1 Ultimate sensitivity method tuning constant

Proportional Band (%)

Reset Time

(minutes) Derivative Time (minutes)

Proportional Only 2 PBU Max Min

Proportional+Integral 2,2 PBu 0,83 Pu Min

Proportional+Integral+Derivative 1,7 PBu 0,5 Pu 0,125 Pu

Notes: PBu =Ultimate Proportional Band, (%)

Pu = Ultimate periode, minutes

104

BAB. VI

PENUTUP

A. Kesimpulan

Materi dasar instrumentasi ini merupakan bagian yang terintegrasi dari proses

diklat teknis instrumentasi juga diklat yang lain . Isi materi ini membahas

tentang alat ukur, control valve dan proses control serta analisa penyebab

kegagalan.

Berdasarkan penjabaran dan manfaatnya, tiap pokok bahasan dan sub pokok

bahasan mempunyai karakteristik tersendiri, dimana harapan kami peserta

diklat mau mendalami materi modul ini.

Sistem penyampaian tidak hanya mengacu pada isi modul yang tertulis tapi juga

memasukan unsur realistis peralatan yang terpasang dilapangan dan faktor lain

penyebab kegagalan.

B. Tindak Lanjut

1. Setelah menyelesaikan diklat ini, peserta sebaiknya meningkatkan

pengetahuan yg lebih spesifik dengan mengikuti training lanjutan sesuai

dengan tingkat dan rumpun materi yg tepat.

2. Gunakan pembahasan dan latihan menyelesaikan evaluasi serta

merangkum isi dalam modul ini untuk peningkatan kemampuan dalam

makaryo.

3. Lakukan analisa terhadap peralatan instrumentasi di tempat kerja

sebelum melakukan tindakan yang bisa menyebabkan kecelkaan akibat

kesalahan pengoperasian

105

DAFTAR PUSTAKA

1. Benyamin C. Kuo “ automatic Control Systems “Prentice Hall, Englewood

Cliffs, New Jersey, 1991

2. Charles L. Philips, Royce D. Harbor “ Feedbac Control Systems “ Printice

Hall, Third Edition 1996

3. Curtis D.Jhonson, “Process Control Instrumentation Technology” Prentice –

Hall, Sixth Edition1997

4. David B. Brown”System Analysis & Design For Safety “ Prentice-Hall, Inc

1976

5. Frans Gunterus, Dasar Falsafah Sistem Pengendalian Proses, PT.

Elex Media Komputindo, Jakarta, 1994.

6. Instrument for Process Measurement & Control Edisi ketiga oleh : Norman

A. Anderson.

7. Instruction Manual type 4660 High - Low Pressure Pilot Dikeluarkan oleh :

Fisher Control

8. Instruction Manual 2900 - 244 V Liquid Level Controllers. Dikeluarkan

oleh : Fisher Control.

9. Rhodes, T.J. and Carroll, G.C., Industrial Instruments for

Measurement and Control, Second Edition, McGraw-Hill Book

Company.

10. Wightman, E.J, Instrumentation in Process Control, CRC Presss,

Cleveland, Ohio.