Laporan lengkap Pengendalian Aliran.docx
-
Upload
septianawati -
Category
Documents
-
view
180 -
download
22
description
Transcript of Laporan lengkap Pengendalian Aliran.docx
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Industri kimia merupakan susunan/rangkaian berbagai unit pengolahan yang
terintegrasi satu sama lain secara sistematik dan rasional. Tujuan pengoperasian
industri kimia secara keseluruhan adalah mengubah (mengkonversi) bahan baku
menjadi produk yang lebih bernilai guna.
Agar proses di industri selalu stabil dibutuhkan instalasi alat-alat
pengendalian. Alat-alat pengendalian dipasang dengan tujuan :
a. Menjaga keamanan dan keselamatan kerja
Keamanan dalam operasi suatu pabrik kimia merupakan kebutuhan
primer untuk orang-orang yang bekerja di pabrik dan untuk
kelangsungan perusahaan. Untuk menjaga terjaminnya keamanan,
berbagai kondisi operasi pabrik seperti tekanan operasi, temperatur,
konsentrasi bahan kimia, dan lain sebagainya harus dijaga tetap pada
batas-batas tertentu yang diizinkan.
b. Memenuhi spesifikasi produk yang diinginkan
Pabrik harus menghasilkan produk dengan jumlah tertentu (sesuai
kapasitas desain) dan dengan kualitas tertentu sesuai spesifikasi. Untuk
itu dibutuhkan suatu sistem pengendali untuk menjaga tingkat produksi
dan kualitas produk yang diinginkan.
c. Menjaga peralatan proses dapat berfungsi sesuai yang diinginkan
dalam desain
Peralatan-peralatan yang digunakan dalam operasi proses produksi
memiliki kendala-kendala operasional tertentu yang harus dipenuhi.
Pada pompa harus dipertahankan NPSH, pada kolom distilasi harus
dijaga agar tidak flooding, temperatur dan tekanan pada reaktor harus
dijaga agar tetep beroperasi aman dan konversi menjadi produk
optimal, isi tangki tidak boleh luber ataupun kering, serta masih
banyak kendalakendala lain yang harus diperhatikan.
Pengendalian Aliran | 1
d. Menjaga agar operasi pabrik tetap ekonomis
Operasi pabrik bertujuan menghasilkan produk dari bahan baku
yang memberi keuntungan yang maksimum, sehingga pabrik harus
dijalankan pada kondisi yang menyebabkan biaya operasi menjadi
minimum dan laba yang diperoleh menjadi maksimum.
e. Memenuhi persyaratan lingkungan
Operasi pabrik harus memenuhi berbagai peraturan lingkungan
yang memberikan syarat-syarat tertentu bagi berbagai buangan pabrik
kimia.
Untuk memenuhi persyaratan diatas diperlukan pengawasan (monitoring)
yang terus menerus terhadap operasi pabrik kimia dan intervensi dari luar
(external intervention) untuk mencapai tujuan operasi. Hal ini dapat terlaksana
melalui suatu rangkaian peralatan (alat ukur, kerangan, pengendali, dan komputer)
dan intervensi manusia (plant managers, plants operators) yang secara bersama
membentuk control system. Dalam pengoerasian pabrik diperlukan berbagai
prasyarat dan kondisi operasi tertentu, sehingga diperlukan usaha-usaha
pemantauan terhadap kondisi operasi pabrik dan pengendalian proses supaya
kondisi operasinya stabil.
1.2. Rumusan Masalah
Permasalahan yang akan dibahas dalam laporan ini akan penulis rumuskan
dalam bentuk pertanyaan sebagai berikut :
1. Bagaimana cara melakukan pengendalian aliran?
2. Bagaimana parameter pengendalian dapat berpengaruh pada respon
pengendalian?
3. Jenis pengendalian apa yang cocok dalam sistem pengendalian aliran?
Pengendalian Aliran | 2
1.3. Tujuan
Tujuan dari percobaan yang dilakukan untuk dapat menyusun laporan ini
yaitu :
1. Melakukan pengendalian sistem aliran.
2. Mempelajari pengaruh nilai parameter pengendali pada respons aliran
3. Menentukan jenis pengendalian yang sesuai
1.4. Manfaat
Hasil penulisan laporan ini diharapkan dapat berguna dalam hal :
1. Memberikan informasi tentang proses pengendalian aliran.
2. Memberikan informasi tentang pengaruh nilai parameter pengendali
pada respons aliran
3. Memberikan informasi tentang jenis pengendalian yang sesuai untuk
system pengendalian aliran
1.5. Metodologi
Metode penulisan yang digunakan yaitu dengan studi pustaka. Untuk
menunjang penyusunan laporan ini penulis membaca dan memahami berbagai
informasi baik dari buku-buku, artikel, dan internet untuk dijadikan bahan
referensi.
Pengendalian Aliran | 3
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
1.1. Sistem Pengendalian
Sistem pengendali diterapkan untuk memenuhi 3 kelompok
kebutuhan, yaitu:
1. menekan pengaruh gangguan eksternal;
2. memastikan kestabilan suatu proses kimiawi;
3. optimasi kinerja suatu proses kimiawi.
Variabel-variabel yang terlibat dalam proses operasi pabrik adalah
F (laju alir), T (temperatur), P (tekanan) dan C (konsentrasi). Jenis – Jenis
variabel Proses dalam sistem pengendalian:
1. Proses Variable (PV) adalah besaran fisika atau kimia yang
menunjukkan keadaan sistem proses yang dikendalikan tetap atau
terkendali.
2. Manipulated Variable (MV) adalah variabel yang digunakan untuk
melakukan koreksi atau pengendalian PV (Proses Variable). Masukan
dari suatu proses yang dapat diubah-ubah atau dimanipulasi agar
process variable besarnya sesuai dengan set point (sinyal yang
diumpankan pada suatu sistem kendali yang digunakan sebagai acuan
untuk menentukan keluaran sistem kontrol).
3. Set Point (SP) adalah nilai variabel yang diinginkan (nilai acuan) dari
suatu proses. Suatu kontroler akan selalu berusaha menyamakan
variabel terkendali terhadap set point.
4. Gabungan (W) adalah variabel masukan yang mampu mempengaruhi
nilai PV tetapi tidak digunakan untuk mengendalikan suatu proses.
5. Variabel keluaran tidak dikendalikan adalah variabel yang
menunjukkan keadaan sistem proses tetapi tidak dikendalikan secara
langsung.
Pengendalian Aliran | 4
Variabel-variabel tersebut juga dapat dikategorikan menjadi 2 kelompok,
yaitu variabel input dan variabel output. Variabel input adalah variabel yang
menandai efek lingkungan pada proses kimia yang dituju. Variabel ini juga
diklasifikasikan dalam 2 kategori, yaitu:
1. manipulated (adjustable) variable, jika harga variabel tersebut dapat
diatur dengan bebas oleh operator atau mekanisme pengendalian;
2. disturbance variable, jika harga tidak dapat diatur oleh operator atau
sistem pengendali, tetapi merupakan gangguan.
Sedangkan variabel output adalah variabel yang menandakan efek
proses kimia terhadap lingkungan yang diklasifikasikan dalam 2 kelompok :
1. measured output variables, jika variabel dapat diketahui dengan
pengukuran langsung;
2. unmeasured output variables, jika variabel tidak dapat diketahui dengan
pengukuran langsung.
1.2. Tipe-Tipe Pengendalian
Sistem Pengendalian (Control System) adalah rangkaian operasi yang
dilakukan konversi material secara fisika dan kimia sehingga material yang
dihasilkan memiliki keadaan yang lebih bermanfaat. Peranan pengendalian proses
pada dasarnya adalah suatu usaha untuk mencapai tujuan proses agar berjalan
sesuai dengan apa yang diinginkan.
Seluruh komponen yang terlihat dalam pengendalian proses disebut sistem
pengendalian atau control system. Tipe-tipe pengendalian antara lain :
a. Pengendalian On-Off
Pengendalian On-Off merupakan cara sederhana untuk
mengimplementasikan kontrol otomatis menggunakkan dua posisi akutator
seperti kontroler dengan open position atau berdasarkan terminoloi biasa
On-Off position.
Sistem pengendalian dua posisi ialah sistem pengendalian yang
mempunyai element koreksi (error detector) memiliki dua tempat
kedudukan, maksudnya element kendali akhir mempunyai kedudukan
pada kondisi ON dan OFF (buka atau tutup).
Pengendalian Aliran | 5
Pada pengendalian ini, sinyal keluaran dari kendali akan tetap pada
harga maksimum atau minimum.
b. Pengendalian Proporsional
Pengendalian proporsional merupakan cara termudah untuk
mengimplementasikan pengontrol kontinyu yaitu dengan
memperhitungkan sinyal x(t) menjadi proporsional perbedaan (et)
sehingga :
x (t )=Kp . e ( t )
dimana Kp adalah koefisien.
Sebagai ganti dari Kp adalah proporsional band, menjelaskan
dengan hubungan Kp, biasanya dari :
PB=100 %Kp
c. Pengendalian Proporsional Integral
Tentu saja pengendali proporsional e (t) tidak pernah bernilai nol
jika kita mengharapkan x (t) tidak sama dengan nol. Pengendalian dapat
dirancang menjadi bentuk LP, sinyal akan menjadi proporsional (to the
discrepancy) dan nilai differensial.
x (t )=Kp . e ( t )+KI .∫ (0 , t , e ( s) ) ;T 1=1
KI
Pengaruh penambahan integral adalah :
a) Memperlambat respon
b) Cenderung stabil
Pengendalian Aliran | 6
d. Pengendalian Proporsional Integral Diferensial (PID)
Aksi kontrol yang ketiga dapat ditambahkan untuk mempercepat
respon, yaitu derivative action. Meskipun respon cepat tetapi sistem
menjadi peka terhadap noise/bising/turbulen, karena derivative
perubahan error persamaan yang ada dalam PID.
x (t )=Kp . e ( t )+KI .∫ (0 , t , e ( v )+Kd . d (e (t ) ))
Koefisien Kd seperti istilah koefisien integral juga diketahui
sebagai waktu derivative atau waktu kenaikan (advance).
Td=Kd
1.3. Desain Elemen Pengendalian Proses
Desain elemen pengendalian harus sesuai dengan kebutuhan
pengendalian yang diinginkan dan bekerja delam pengendalian proses
pabrik. Untuk mencapai tujuan tersebut perlu diperhatikan langkah-langkah
dalam mendesain sistem pengendalian Dalam usaha merancang suatu sistem
pengendali yang dapat memenuhi kebutuhan suatu proses kimia terdapat
beberapa unsur penting dan pertimbangan-pertimbangan dasar yang harus
diperhatikan. Unsur-unsur tersebut adalah :
1. pendefinisian/penetapan tujuan dan sasaran pengendalian (control
objective definition);
2. penentuan variabel yang harus diukur (measurement selection);
3. penentuan variabel yang akan dimanipulasi (manipulated variables
selection);
4. pemilihan konfigurasi pengendalian (control configuration selection);
5. perancangan sistem pengendali (controller design).
1.4. Definisi Tujuan Pengendalian
Dalam mendefinisikan tujuan pengendalian perlu diperhatikan
beberapa hal penting yang merupakan pronsip dasar penerapan
pengendalian proses pada pabrik. Prinsip utama penerapan pengendalian
proses pada pabrik adalah untuk memastikan kinerja suatu proses kimia,
Pengendalian Aliran | 7
memastikan kestabilan suatu proses kimia, dan menekan gangguan
eksternal. Prinsip dasar ini harus tercakup dalam pendefinisian tujuan
pengendalian baik satu atau kombinasi dari ketiga hal tersebut.
Pada awal perancangan, sasaran pengendalian (control objectives)
didefinisikan secara kualitatif, selanjutnya tujuan ini dikuantifikasi dalam
bentuk variabel output. Sebagai contoh untuk sistem reaktor CSTR salah
satu pemakaian controller dilakukan dengan tujuan pengendalian (control
objectives) sebagai berikut:
secara kualitatif : menjamin kestabilan temperatur di dalam reaktor
(diasumsikan sama dengan temperatur keluaran reaktor) pada keadaan
steady state yang tidak stabil;
secara kuantitatif : menjaga agar temperatur (variabel output) tidak
berfluktuasi lebih dari 5% harga nominalnya.
1.5. Pemilihan Variabel yang Harus Diukur
Beberapa pengukuran variabel harus dilakukan agar kinerja operasi
pabrik dapat dimonitor Terdapat beberapa jenis pengukuran variabel yang
dapat diterapkan untuk pengendalian proses :
a. Primary Measurement
Bila memungkinkan sebaiknya pada pengendalian proses harga
variabel yang menjadi objective pengendalian harus diukur/dimonitor.
Cara pengukuran variabel proses yang menjadi control objective
pengendalian secara langsung disebut primary measurement. Sebagai
contoh pada sistem mixer tangki berpengaduk control objective adalah
mempertahankan T dan h cairan dalam tangki pada harga T = Tsp (sp =
set point) dan h=hsp. Karena itu, usaha pertama yang harus dilakukan
adalah memasang alat pengukur untuk dapat mengamati nilai T dan h
cairan dalam tangki secara langsung, yaitu dengan denggunakan
termokopel untuk pengukuran T dan differential pressure cell untuk
mengukur h.
Pengendalian Aliran | 8
b. Secondary Measurement
Pada kasus-kasus tertentu, variabel yang merupakan control
objective tidak dapat diukur secara langsung (unmeasured output). Pada
kasus-kasus dengan control objective yang tidak dapat diukur langsung
tersebut, harus diukur variabel lain yang tergolong measured variable
dan dapat dikorelasikan melalui suatu hubungan matematis tertentu
dengan unmeasured output yang ingin dikendalikan.
c. Pengukuran external disturbance
Pengukuran disturbance sebelum variabel tersebut masuk ke dalam
proses dapat sangat menguntungkan, karena hasil pengukuran tersebut
dapat memberikan informasi mengenai kelakuan proses yang akan
terjadi. Informasi tersebut dapat digunakan untuk menentukan aksi
pengendalian yang harus diambil apabila menggunakan sistem
pengendalian feedforward.
1.6. Pemilihan Variabel yang Dimanipulasi
Dalam proses kimia, umumnya terdapat beberapa variabel input
yang dapat diatur dengan bebas. Untuk memilih variabel mana yang akan
dimanipulasi, harus dipertimbangkan efek dari tindakan yang diambil
terhadap kualitas pengendalian. Sebagai contoh pengendalian ketingguan
cairan dalam reaktor, tangki, ataupun kolom distilasi dapat dilakukan dengan
mengatur laju alir masuk dan laju alir keluar cairan.
1.7. Pemilihan Konfigurasi Pengendalian
Konfigurasi pengendalian merupakan suatu struktur informasi yang
digunakan untuk mnghubungkan variabel pengukuran terhadap variabel
yang akan dimanipulasi. Sebagai contoh pengendalian temperatur dan
ketinggian cairan pada reaktor, kolom distilasi, mixer, dan alat lainnya
memiliki beberapa alternatif konfigurasi sistem pengendali. Perbadaan-
perbedaan yang dapat diamati pada sistem pengendali temperatur dan sistem
pengendali ketinggian cairan terjadi karena (1) terdapat perbedaan variabel
Pengendalian Aliran | 9
yang diukur, tetapi hasil pengukuran digunakan untuk memanipulasi
variabel yang sama, atau (2) variabel yang diukur sama, tetapi hasil
pengukuran tersebut digunakan untuk memanipulasi variabel yang berbeda.
Ada 3 tipe konfigurasi pengendalian, antara lain :
a. Feedback control configuration
Konfigurasi ini mengukur secara langsung variabel yang
dikendalikan untuk mengatur harga variabel yang dimanipulasi. Tujuan
pengendalian ini adalah mempertahankan variabel yang dikendalikan
pada level yang diinginkan (set point). Sebagian instrumentasi pada
proses pembuatan formaldehid dan hidrogen peroksida berbahan baku
metanol dengan reaksi enzimatik ini menggunakan konfigurasi
pengendalian feedback, mulai dari pengendalian temperatur,
pengendalian ketinggian, pengendalian perbedaan tekanan, dan
pengendalian tekanan.
Gambar 1. Diagram Input-Output Pengendalian Feedback
b. Feedforward control configuration
Konfigurasi sistem pengendali feedforward memanfaatkan
pengukuran langsung pada disturbance untuk mengatur harga variabel
yang akan dimanipulasi. Tujuan pengendalian adalah mempertahankan
variabel output yang dikontrol pada nilai yang diharapkan.
Pengendalian Aliran | 10
Gambar 2. Diagram Input-Output Pengendalian Feedforward
c. Inferential Control Configuration
Konfigurasi sistem pengendali inferential memanfaatkan data hasil
pengukuran output sekunder (secondary measurement) untuk mengatur
harga variabel yang akan dimanipulasi. Hal ini dilakukan karena variabel
output yang akan dikendalikan tidak dapat diukur secara langsung.
Tujuan pengendalian ini adalah memeprtahankan variabel unmeasured
output tersebut pada tingkat/harga yang ditetapkan pada set point. Alat
ukur menggunakan harga variabel terukur (measured output) yang
terdeteksi dalam persamaan neraca massa dan energi yang dapat
mewakili proses ke dalam suatu persamaan matematika tertentu yang
oleh komputer dapat dihitung menjadi output unmeasured variables
yang ingin dikendalikan. Hasil perhitungan tersebut oleh instrumentasi
pengendalian kemudian digunakan untuk mengatur harga variabel yang
dimanipulasi.
Gambar 3. Diagram Input-Output Pengendalian Inferential
Pengendalian Aliran | 11
Inferential control configuration ini digunakan dalam pengendalian
komposisi aliran output pada setiap kolom distilasi dan tangki mixer
berpengaduk. Analisis komposisi tidak dilakukan langsung dengan
composition analyzer karena harga alat tersebut mahal, dan alat tersebut
sangat analitik sehingga kapasitasnya kecil dan tidak sesuai diterapkan
dalam skala pabrik. Komposisi aliran kolom distilasi dan mixer harus
selalu dikendalikan karena pasar sangat ketat menuntut produk
formaldehid dan hidrogen peroksida sesuai spesifikasi.
1.8. Perancangan Sistem Pengendali
Sistem pengendali (controller) adalah elemen aktif dalam sistem
pengendalian yang menerima informasi dari pengukuran dan membuat
tindakan yang sesuai untuk mengatur harga manipulated variables.
Pengaturan manipulated variables sangat bergantung pada control law yang
diterapkan secara otomatis pada controller. Beberapa control law yang
umum diterapkan pada sistem pengendalian :
1. Penggunaan proportional controller (P-controller) dimana nilai output
dari P-controller akan sebanding terhadap error.
c ' ( t )=K c .∈ (t )+cs
2. Penggunaan proportional-integral controller (PI-controller) dimana
nilai output dari PI-controller akan sebanding terhadap error ditambah
suatu faktor dikali nilai integrasi error sebagai fungsi waktu.
c ' ( t )=K c .∈ (t )+K c
τ I∫
0
t
∈ (t ) .dt +¿cs ¿
3. Penggunaan proportional-integral-derivative controller dimana nilai
output dari PID-controller akan ditentukan oleh konstanta yang
menghubungkan kesebandingan error terhadap output ditambah suatu
faktor dikali nilai integrasi error sebagai fungsi waktu lalu ditambah
Pengendalian Aliran | 12
suatu faktor dikali nilai diferensial (gradien/slope) error sebagai fungsi
waktu.
c ' ( t )=K c .∈ (t )+K c
τ I∫
0
t
∈ (t ) .dt +¿ K c . τD .∈dt
+cs ¿
1.9. Penggunaan Komputer Digital pada Pengendalian Proses
Dalam aspek pengendalian seluruh pabrik tidak hanya melibatkan
satu unit proses, seperti CSTR, tangki berpengaduk, kolom distilasi. Pada
kenyataannya proses produksi produk dari bahan baku dengan reaksi
tertentu ini terdiri dari banyak unit yang saliang berhubungan dengan adanya
aliran bahan (material) dan energi dari satu unit ke unit lainnya. Pada proses
kimia tersebut akan timbul hal-hal karakteristik yang tidak terjadi pada
pengopersian satu unit proses saja. Kemajuan teknologi komputer yang
sangat pesat dengan harga yang semakin terjangkau membuat perangkat ini
banyak digunakan untuk pengendalian dalam prosesproses kimia. Instrumen
pengendalian pada pabrik besar dan modern umumnya dirancang
menggunakan komputer pengendali secara digital.
1.10. Perangkat Keras Sistem Pengendali Proses
Pada setiap konfigurasi sitem pengendali dapat dibedakan masing-
masing elemen perangkat keras sebagai berikut:
1. Proses Kimia
Proses kimia mewakili peralatan proses yang digunakan dan
proses-proses/operasi baik secara kimia maupun fisika yang terjadi di
dalam peralatan tersebut.
2. Instrumen Pengukur atau Sensor
Peralatan pengukur/sensor digunakan untuk mengukur disturbance,
mengukur controlled output variables, dan mengukur secondary ouput
variables. Peralatan pengukur/sensor adalah sumber informasi yang
mengidentifikasi hal-hal yang sedang terjadi pada proses. Salah satu
Pengendalian Aliran | 13
syarat penting dalam pemilihan sensor adalah hasil pengukuran sensor
harus dapat ditransmisikan dengan mudah. Contoh instrumen
pengendalian yang dipakai pada pabrik formaldehid dan hidrogen
peroksida ini adalah termokopel, venturi meter, dan composition
analyzer.
3. Transducers
Beberapa hasil pengukuran tidak dapat digunakan untik tujuan
pengendalian sebelum dikonversikan menjadi besaran fisik yang dapat
dengan mudah ditransmisikan seperti tegangan listrik. Transducer
merupakan alat yang digunakan untuk mengonversi hasil pengukuran
menjadi besaran yang ditransmisikan.
4. Jalur transmisi dan amplifier
Jalur transmisi merupakan media untuk membawa sinyal hasil
pengukuran dari alat ukur ke controller. Pada banyak kasus sinyal yang
dihasilkan alat ukur terlalu lemah untuk ditransmisikan sehingga sinyal
tersebut harus diperkuat terlebih dahulu dengan amplifier.
5. Elemen Pengendali
Elemen pengendali adalah perangkat keras yang memiliki
intelegensi. Perangkat ini menerima informasi dari alat ukur dan
memutuskan tindakan yang harus dilakukan.
6. Elemen Pengendali Akhir
Elemen pengendali akhir merupakan perangkat keras yang
melaksanakan tindakan yang diperintahkan controller. Elemen
pengendali akhir yang diaplikasikan pada perancangan pabrik ini adalah
control valve yang membuka dan menutup sampai derajat tertentu
sesuai keputusan controller.
7. Elemen pencatat
Pengendalian Aliran | 14
Elemen pencatat merupakan bagian dari sistem pengendali yang
mencatat semua variabel sehingga kelakukan proses yang sedang
berlangsung dapat didemonstrasikan secara visual.
BAB III
PERCOBAAN
1.1. Skema Percobaan
Pengendalian Aliran | 15
1.2. Hasil Percobaan
Pengendalian Proporsional dengan Variasi Pb
Pengendalian Aliran | 16
64.3 69.3 74.3 79.3 84.3 89.3 94.3 99.3 104.3 109.3 114.344
46
48
50
52
54
56
58
60
62
Variasi Pb
Pb 20Pb 50Pb 150Pb 200Pb 100SP
Waktu (s)
Leve
l (%
)
Pengendalian Proporsional Integral dengan Variasi Ti
Pengendalian Aliran | 17
Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%Pb yang dipilih adalah Pb 200%
Pengendalian Proporsional Integral Derivatif dengan Variasi Td
Pengendalian Aliran | 18
Pengendalian Aliran | 19
Pengendalian Aliran | 20
Pengendalian Aliran | 21
BAB IV
PEMBAHASAN
BAB V
KESIMPULAN
Pengendalian Aliran | 22