PETUNJUK PRAKTIKUM

PRAKTIKUM SISTEM KENDALI

Modul 4 Sistem Kendali Proses di Industri

Sekolah Teknik Elektro Dan Informatika

Institut Teknologi Bandung

2018

Laboratorium Dasar Teknik Elektro

Modul 4

Sistem Kendali Proses di Industri

1. Tujuan Praktikum

a. Mengenali tipikal proses di industri

b. Mengenali besaran-besaran dan instrumentasi pengukuran yang digunakan

pada proses di industri

c. Mengenali penerapan ilmu sistem kendali pada proses di industri

d. Mengimplementasikan pengendali PID pada plant berstandar industri

e. Mengetahui manfaat dari penggunaan sistem kendali otomatis pada industri

2. Tugas Pendahuluan

a. Metode utama yang umum digunakan untuk menentukan konstanta PID

adalah Ziegler Nichols (open loop/tipe 1). Berikan rumusan untuk

perhitungan konstanta PID dari metode tersebut. Berikan ilustrasi grafik

respon jika diperlukan untuk memperjelas rumusan.

b. Dari grafik fungsi transfer kecepatan motor (yang telah diperoleh pada

praktikum 2), tentukan konstanta PID (Kp Ti Td) dengan menggunakan

metode Ziegler Nichols.

c. Tuliskan besaran-besaran yang umum diukur pada industri dan tipe-tipe

sensor yang umum digunakan untuk pengukurannya.

d. Tuliskan langkah-langkah untuk mengaktifkan mini refinery plant.

e. Bacalah seluruh bagian modul hingga akhir sebelum praktikum dimulai.

Patuhi peringatan keselamatan yang tercantum. Gunakan sepatu yang tidak

licin karena pada praktikum ini sangat besar peluang bagi praktikan dan

asisten untuk terkena cipratan air. Praktikum ini dilakukan pada ruangan

Laboratorium Dasar 05, Honeywell Control Laboratory.

3. Pengenalan Kendali Proses di Industri

a. Proses di Industri

Seiring dengan perkembangan teknologi, terjadi peningkatan kebutuhan untuk

melakukan produksi berbagai substansi kimia (plastik, bahan bakar, resin, antiseptik,

cairan pembersih, dan masih banyak lagi). Beberapa substansi tersebut dapat

langsung digunakan oleh konsumen, yang lainnnya digunakan sebagai bahan baku

untuk memproduksi berbagai benda kebutuhan sehari-hari maupun industri

selanjutnya.

Kendali proses berhubungan erat dengan proses manufaktur berbagai substansi di

industri, terutama manufaktur bahan-bahan kimia. Beberapa proses yang umum

dilakukan adalah distillation, cracking, smelting, liquefaction of gases, sintering,

pulping, bleaching, dan masih banyak lagi.

Gambar 4. 1 Ilustrasi instrumentasi pabrik kertas [1]

Contoh gambar di atas mengilustrasikan proses produksi kertas. Beberapa bagian

proses produksi kertas adalah Pulping, Bleaching, Wet End, dan Waste Treatment.

Pulping merupakan tahapan pengolahan kayu secara mekanik (dihancurkan) dan

kimiawi hingga menjadi bubur kertas. Temperatur, tekanan, kecepatan alir, dan pH

merupakan besaran penting yang perlu dikontrol dalam proses ini untuk

menghasilkan pulp yang berkualitas. Namun tidak hanya pada tahap pulping, seluruh

tahap di atas memerlukan pengukuran presisi dan pengendalian terhadap besaran-

besaran penting untuk menjamin kualitas produk yang dihasilkan.

Proses industri lainnya yang sering dipelajari pada literatur adalah proses distilasi.

Proses distilasi merupakan proses pemisahan dua atau lebih substansi kimia yang

memiliki titik didih berbeda melalui proses pemanasan. Untuk memperoleh

konsentrasi1 produk yang diinginkan, diperlukan pengendalian terhadap bukaan

katup reflux serta temperatur pada bagian atas kolom. Pada proses ini, diperlukan

pengendalian dan pengukuran terhadap besaran temperature, level, flow, dan

khusus untuk pemeriksaan produk yaitu density.

1 Mengapa konsentrasi? Karena campuran air-ethanol memiliki sifat azeotrop (selanjutnya dapat dicari pada literatur kimia) yang membuat kedua zat ini tidak dapat benar-benar dipisahkan hanya dengan proses pemanasan pada tekanan 1 atmosfir. Proses distilasi pada tekanan 1 atmosfir hanya dapat menghasilkan ethanol dengan kemurnian 95.63% berat (sekitar 96.1% volume pada temperatur dan tekanan udara ruang). Untuk mencapai konsentrasi ethanol yang lebih tinggi, diperlukan steam boiler bertekanan, yang tidak tersedia pada lab ini karena alasan keamanan untuk praktikum dalam ruangan.

b. Tipikal Proses di Industri

Pada sebagian besar proses di Industri, terdapa empat besaran utama yang perlu

diukur dan dikendalikan yaitu kecepatan alir fluida (flow), tekanan (pressure),

ketinggian fluida (level), dan temperatur (temperature). Selain keempat besaran

utama tersebut, pada proses-proses khusus dibutuhkan pengukuran terhadap massa

jenis (density), asam/basa (pH), kekentalan (viscosity), kelembapan (humidity), dan

lain sebagainya.

Ada dua cara untuk memastikan besaran-besaran tersebut tetap pada nilai

reference/set point yang diharapkan. Pertama, dengan melakukan pengendalian

secara manual. Sebagai contoh, untuk pengendalian temperatur air. Misalkan pada

sebuah tangki dengan steam boiler yang berisi air untuk dipanaskan, terdapat

saluran untuk mengeluarkan air panas yang dihasilkan, serta saluran untuk

menyuplai tangki dengan air dingin. Operator yang bertugas akan membaca

temperatur dari termometer yang terpasang untuk mengukur temperatur air panas

yang dihasilkan. Dari informasi temperatur, ia kemudian mengatur besar bukaan

keran (manual valve) untuk mengatur aliran uap panas menuju pemanas yang

berada di dalam tangki. Jika temperatur sudah lebih tinggi dari set point yang

diharapkan, maka operator akan mengecilkan bukaan keran, dan sebaliknya jika

temperatur lebih rendah dari set point maka operator akan meningkatkan bukaan

keran. Perubahan temperatur dapat terjadi karena perubahan kebutuhan air panas

ataupun faktor lain seperti perubahan temperatur ruangan yang akan

mempengaruhi perubahan temperatur suplai air dingin.

Cara kedua adalah dengan melakukan pengendalian secara otomatis/menggunakan

controller. Data temperatur air panas yang diproduksi dibaca menggunakan sensor

khusus yang akan mengubah data temperatur menjadi besaran elektrik yang dapat

dikonversi menjadi sinyal 4-20 mA (atau tegangan, bergantung pada jenis pengontrol

yang digunakan) untuk kemudian dibaca oleh pengontrol. Jika algoritma

pengendalian yang digunakan adalah PID, maka pengontrol akan membandingkan

nilai set point temperatur dengan nilai pembacaan dari sensor. Kemudian galat (error)

yang diperoleh akan dikalikan dengan konstanta Kp, diakumulasi per time sampling

Ti (Ki=Kp/Ti), dan diukur perubahannya per time sampling Td (Kd=Kp x Td). Hasil

perhitungan akan digunakan untuk menentukan bukaan aktuator, misal dalam hal ini

control valve. Penentuan konstanta algoritma pengendalian PID umumnya dilakukan

dengan proses tuning jika model telah didapatkan. Konstanta PID akan

mempengaruhi kualitas sistem (overshoot, settling time, dll).

Gambar 4. 2 Perbandingan antara Kendali Manual & Otomatis untuk Produksi Air Panas[4]

Umumnya, cara kedua yaitu pengendalian otomatis menggunakan pengontrol lebih

diunggulkan karena responnya lebih cepat dibantingkan operator manusia, lebih

presisi, meminimalkan faktor kelalaian, dan mengurangi resiko kecelakaan operator

(karena aktuator yang berada pada plant tidak memerlukan kontak langsung dengan

operator). Pengendalian dapat dilakukan (controller dapat diposisikan) pada daerah

yang lebih aman, dan bahkan monitoring dapat dilakukan dari jarak jauh.

Secara umum diagram blok sistem kendali dapat diperhatikan dalam gambar 4.3

berikut ini.

Gambar 4. 3 Diagram Blok Sistem Kendali [3]

Controller menerima input dari sensor (Process Value), mengetahui set point, dan

menghasilkan sinyal untuk mengatur aktuator (Manipulater Variable atau Operating

Point dari aktuator). Bentuk lain dari diagram tersebut yang juga umum digunakan

pada process control adalah sebagai berikut.

Gambar 4. 4 Alternatif Diagram Blok Sistem Kendali

Kedua diagram tersebut menunjukkan hal yang sama dari sudut pandang yang

sedikit berbeda. Controller menerima nilai dari elemen pengukur (Process Value) dan

mengetahui Set Point, menghitung Operating Point aktuator, sebagai Manipulated

Variable yang mempengaruhi proses. Controlled Variable dari proses kemudian

dibaca oleh sensor, nilai besarannya disebut Process Value yang akan kembali masuk

ke pengontrol.

c. Kebutuhan instrumentasi dan kendali

Sistem kendali loop tertutup dapat dibuat menggunakan mikrokontroller.

Mikrokontroler sering digunakan untuk berbagai device rumahan dengan kebutuhan

daya rendah. Namun untuk sebuah industri, dapat membutuhkan ribuan control loop,

menerima process value dari ribuan sensor dan memberikan operating point untuk

ribuan aktuator, penggunaan mikrokontroller semisal Atmega 8535 tidak

dimungkinkan.

Pengontrol yang digunakan di Industri umumnya berupa PLC (Programmable Logic

Controller) atau menggunakan sistem DCS (Distributed Control System), yang di

dalamnya dapat berisi beberapa microcontroller untuk implementasi logika.

Kelebihan dari kedua pengontrol