Pengendalian Proses 1 PENGENDALIAN PROSES PDF

Preview

Summary

PENGENDALIAN PROSES Disusun oleh Ir. HERIYANTO, M.T. 2010 Pengendalian Proses 1 KATA PENGANTAR Buku ini disusun dengan dua tujuan yaitu, sebagai buku pegangan kuliah mahasiswa dan sebagai referensi bagi teknisi dan operator pabrik. Buku berisi konsep, prinsip, prosedur dan perhitungan yang dipakai o...

Description

PENGENDALIAN PROSES

Disusun oleh Ir. HERIYANTO, M.T.

2010 Pengendalian Proses

1

KATA PENGANTAR

Buku ini disusun dengan dua tujuan yaitu, sebagai buku pegangan kuliah mahasiswa dan sebagai referensi bagi teknisi dan operator pabrik. Buku berisi konsep, prinsip, prosedur dan perhitungan yang dipakai oleh ahli teknik atau teknisi untuk menganalisa, memilih, merancang sistem pengendalian. Setelah memahami isi buku ini diharapkan dapat memiliki pengetahuan dan pemahaman pengendalian proses sehingga mampu menerapkan pada kondisi nyata. Pengendalian proses umumnya sarat dengan matematika. Tetapi dalam buku ini matematika tidak menjadi landasan utama, meskipun tidak dapat dihindari. Oleh sebab itu pendekatan yang dilakukan bukan dengan analisis transformasi Laplace seperti yang biasa dilakukan di hampir seluruh perguruan tinggi. Ini atas dasar pertimbangan, bahwa dalam kondisi nyata, pada saat operator berhadapan langsung dengan sistem pengendalian di pabrik, mereka tidak memerlukan analisis transformasi Laplace. Transformasi Laplace hanya dipakai untuk pemodelan dan analisis sistem linier. Sasaran pemakai buku ini adalah untuk mahasiswa Diploma III atau Politeknik Jurusan Teknik Kimia dan Kimia Inudstri serta umumnya untuk mahasiswa dari bidang yang berkaitan atau sedang mempelajari teknologi proses misalnya Teknik Mesin, Teknik Energi, dan Teknik Refrigerasi. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Politeknik Negeri Bandung atas Penyusunan Bahan Ajar dalam Kurikulum Berbasis Kompetensi (Kurikulum 2007) yang dibiayai dari DIPA tahun anggaran 2010, sehingga penulisan Buku Ajar ini dapat dilaksanakan. Tidak lupa penulis juga mengucapkan terima kasih kepada semua fihak, baik yang langsung maupun tidak langsung telah membantu penulisan buku ini. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa buku ini masih kurang sempurna. Oleh sebab itu segala saran dan kritik yang bersifat membangun sangat dinantikan. Semoga buku ini bermanfaat.

Bandung, Juni 2010

Pengendalian Proses

Ir. Heriyanto, M.T.

2

DAFTAR ISTILAH

Gangguan yaitu besaran yang menyebabkan penyimpangan keadaan proses. Mengendalikan (kata kerja) adalah “memperoleh” keadaan yang diinginkan dengan cara mengatur variabel tertentu dalam sistem. Offset adalah selisih antara nilai setpoint dan variabel proses setelah tercapat kondisi tunak (steady state). Pengendalian proses adalah “cara memperoleh” keadaan proses agar sesuai dengan yang diinginkan. Pengendalian umpan balik adalah pengendalian yang memakai variabel keluaran sistem untuk mempengaruhi masukan dari sistem yang sama. Pengendalian umpan maju (feedforward control) adalah pengendalian yang memakai variabel masukan untuk mempengaruhi variabel masukan lain dalam sistem. Proportional gain atau sensitivitas proporsional adalah perbandingan antara perubahan sinyal kendali (u) dan perubahan error (e). Proportional band (PB), yaitu persentase perubahan error atau pengukuran yang menghasilkan perubahan sinyal kendali atau manipulated variable sebesar 100%. Proses dalam kata pengendalian proses dan industri proses menunjuk pada “cara perubahan” materi atau energi untuk memperoleh produk akhir. Setpoint adalah nilai variabel proses yang diinginkan. Sistem proses adalah rangkaian operasi yang menangani perubahan material dan/atau energi secara fisiko-kimia sehingga diperoleh produk atau keadaan yang diingink. Variabel keadaan adalah besaran yang menyatakan keadaan dinamik sistem Variabel proses (process variable, PV) adalah besaran yang menyatakan keadaan proses. Variabel pengendali atau variabel termanipulasi (manipulated variable, MV) yaitu besaran yang dipakai untuk mengendalikan atau mempertahankan keadaan proses.

Pengendalian Proses

3

BAB-1 PENDAHULUAN

TUJUAN PEMBELAJARAN UMUM Mengenal dasar-dasar pengendalian proses secara kualitatif. TUJUAN PEMBELAJARAN KHUSUS Setelah menyelesaikan bab ini, mahasiswa diharapkan dapat: 1.1 menjelaskan alasan mengapa proses perlu dikendalikan. 1.2 menjelaskan prinsip pengendalian proses 1.3 membedakan jenis pengendalian lingkar terbuka dan tertutup 1.4 menyebutkan hakikat utama tujuan pengendalian proses 1.5 menjelaskan kriteria pengendalian yang baik. Pengendalian Proses

4

1.1 SISTEM PROSES DAN PENGENDALIAN Sistem pengendalian banyak ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa contoh misalnya mempertahankan suhu tubuh 37oC oleh pusat kendali hipotalamus; mempertahankan arah kendaraan bermotor dalam jalur yang benar; mempertahankan suhu ruangan dalam kisaran 18 hingga 22 oC; dan masih banyak lagi. Dalam industri proses, sistem pengendalian bertujuan untuk mencapai kondisi proses agar diperoleh produk akhir yang sesuai. Namun, apakah memang betul-betul diperlukan pengendalian proses? Proses tidak perlu dikendalikan jika memang tujuan proses tercapai tanpa aksi pengendalian. Contoh sederhana mempertahankan suhu air pada titik didih. Meskipun tanpa pengendalian suhu air akan tetap. Sebaliknya, proses perlu dikendalikan jika untuk mencapai tujuan perlu pengawasan terus-menerus. Misalnya mempertahankan suhu air pada 40 oC dalam kondisi lingkungan normal. Proses dalam kata pengendalian proses dan industri proses menunjuk pada “cara perubahan” materi atau energi untuk memperoleh produk akhir. Dalam industri proses modern terdapat peralatan proses yang bekerja pada suhu dan tekanan ekstrem. Rangkaian peralatan sudah sedemikian kompleks. Sementara kondisi proses bersifat dinamik. Dari waktu ke waktu dapat berubah-ubah. Perubahan sedikit pada kondisi proses bisa berakibat fatal. Inilah yang menjadi alasan mengapa diperlukan suatu sistem pengendalian. Mengendalikan (kata kerja) adalah “memperoleh” keadaan yang diinginkan dengan cara mengatur variabel tertentu dalam sistem. Sistem pengendalian atau sistem kontrol adalah susunan beberapa komponen yang terangkai membentuk aksi pengendalian. Sistem pengendalian yang diterapkan dalam teknologi proses disebut sistem pengendalian proses. Dalam bidang ini, pengendalian proses diterapkan pada reaktor, penukar panas (heat exchanger), kolom pemisahan (misalnya distilasi, absorpsi, ekstraksi), tangki penampung cairan, aliran fluida, dan masih banyak lagi. Pengendalian proses adalah “cara memperoleh” keadaan proses agar sesuai dengan yang diinginkan

1.2 PERANAN PENGENDALIAN PROSES Peranan pengendalian proses dalam pabrik kimia mecakup tiga kelompok yaitu keamanan (safety), kehandalan operasi (operability), dan keuntungan eknomi (profitability). 1.2.1

Keamanan (safety)

Dalam kelompok ini, keamanan meliputi: keselamatan manusia, perlindungan peralatan, dan perlindungan lingkungan. Pengendalian Proses

5

(a) Keselamatan Manusia Sistem pengendalian bertugas menjaga keselamatan kerja. Beberapa sistem proses di pabrik memiliki kondisi operasi yang berbahaya bagi keselamatan manusia. Kondisi operasi pada suhu dan tekanan tinggi dengan bahan kimia berbahaya sangat berpotensi menimbulkan kecelakaan. Perlengkapan sistem alarm dan safety valve dapat memperkecil kemungkinan kecelakaan akibat kondisi ekstrem terlampaui. (b) Perlindungan Peralatan Sistem pengendalian bertugas mempertahankan batas aman operasi. Peralatan industri biasanya mahal dan sulit diperoleh. Jika terjadi kondisi darurat, sistem dapat melakukan penghentian (automatic shutdown) dan penguncian darurat (automatic emergency interlock) sehingga kegagalan satu peralatan tidak menjalar ke peralatan lain. Sistem ini selain melindungi peralatan juga melindungi manusia dari kecelakaan. (c) Perlindungan Lingkungan Sistem pengendalian bertugas mempertahankan batas aman pencemaran. Proses industri dapat menghasilkan bahan berbahaya bagi lingkungan. Kebocoran gas, cairan, atau padatan beracun dan yang merusak lingkungan perlu dihindari. Gas-gas yang berbahaya dan mudah terbakar disalurkan ke menara pembakar (flare). Jika menara pembakar tidak mampu menangani, gas terpaksa dibuang ke atmosfer melalui pressure safety valve untuk menghindari kondisi ekstrem yang membahayakan peralatan dan manusia.

1.2.2

Kehandalan Operasi (operability)

Kehandalan operasi meliputi ketahanan terhadap gangguan produktivitas dan kualitas produk. Sistem pengendalian proses harus mampu menekan pengaruh gangguan sehingga dapat mempertahankan kondisi operasi yang mantap (steady operation) dalam batas operasional (operational constraint). Dengan perkataan lain, pengendalian proses mampu memperkecil keragaman kualitas dan produktivitas. Kualitas dan produktivitas sesuai spesifikasi dengan tingkat keragaman (variability) sekecil mungkin.

1.2.3

Keuntungan Ekonomi (profitability)

Keuntungan ekonomi menjadi tujuan akhir dari proses produksi. Proses yang tidak aman dengan kondisi operasi tidak optimal, akan memperkecil keuntungan. Oleh sebab itu sistem pengendalian bertujuan menghasilkan kondisi operasi optimum. Ini mengandung arti kuantitas dan kualitas produk utama (yield) maksimum dengan biaya produksi minimum. Kuantitas dan kualitas (atau spesifikasi) produk ditetapkan oleh permintaan pasar. Jika terjadi penyimpangan dari spesifikasi akan menurunkan nilai jual produk. Misalnya, spesifikasi produk dengan batas maksimum pengotor, maksimum viskositas, minimum ketebalan, minimum konsentrasi, dsb. Pengendalian proses bekerja untuk menghasilkan kualitas produk sedekat mungkin dengan batas spesifikasi agar keuntungan maksimum. Pada proses tanpa pengendalian Pengendalian Proses

6

keragaman produk lebih besar. Sehingga rata-rata kualitas produk lebih jauh dari spesifikasi agar tidak ada produk yang keluar batas. Sebaliknya dengan pengendalian proses yang baik, produk lebih seragam, sehingga rata-rata kualitas produk bisa lebih dekat dengan batas spesifikasi. (1) Keamanan (safety). Menjaga dan mempertahankan batas aman keselamatan kerja, operasi, dan pencemaran; (2) Kehandalan operasi (operability). Mempertahankan kondisi tetap mantap dalam batas operasional (operational constraint) sehingga produktivitas dan kualitas produk terjaga (3) Keuntungan (profitability): proses berjalan optimum dengan keuntungan maksimum. Semua tujuan pengendalian proses seperti yang telah diuraikan adalah untuk pabrik secara keseluruhan. Sementara itu, pengendalian pabrik kimia dapat dirinci ke dalam pengendalian unit-unit proses atau operasi secara individual. Oleh sebab itu pembahasan dalam buku ini difokuskan pada metode pengendalian untuk variabel proses individual.

Rata-rata produk

Waktu (a) Tanpa Pengendalian

Batas spefisikasi Keuntungan

Keuntungan

Batas spefisikasi

Rata-rata produk

Waktu (b) Dengan Pengendalian

Gambar 1.1 Peranan pengendalian dalam industri proses.

1.3 PRINSIP PENGENDALIAN PROSES Langkah pertama dalam memahami pengendalian proses dapat dimulai dengan mempelajari contoh proses pemanasan dalam alat penukar panas seperti dilukiskan pada gambar 1.2. Tujuan proses adalah memanaskan aliran minyak hingga suhu tertentu. Minyak dingin masuk penukar panas dan dipanaskan oleh aliran air panas. Suhu minyak keluar menunjukkan hasil kerja proses pemanasan. Oleh sebab itu suhu minyak keluar disebut sebagai nilai proses (process value), variabel proses (process variable), atau variabel keluaran (output variable) sistem proses. Pada proses pemanasan, minyak dingin menjadi panas karena terjadi perpindahan panas dari aliran air panas ke minyak dingin. Proses ini dipengaruhi oleh: (1) laju aliran minyak masuk, (2) suhu minyak masuk, (3) laju alir air panas, (4) suhu air panas, dan (5) kehilangan panas ke lingkungan. Dengan kata lain, suhu minyak keluar dipengaruhi oleh ke lima besaran tersebut. Ke lima besaran itu sebagai variabel masukan sistem proses yaitu besaran yang mempengaruhi variabel keluaran (suhu minyak keluar). Pengendalian Proses 7

Gambar 1.2 Proses pemanasan cairan dalam penukar panas

Laju dan suhu aliran minyak masuk serta kehilangan panas bersifat membebani proses, sehingga disebut beban proses. Perubahan pada beban bersifat sebagai gangguan beban (load disturbance) atau variabel gangguan beban. Berbeda dengan ketiganya, perubahan suhu air panas bersifat sebagai gangguan murni (bukan beban proses) karena bertindak sebagai pemanas. Sedangkan laju alir air panas yang digunakan sebagai pengendali suhu disebut sebagai variabel pengendali atau termanipulasi (manipulated variable).

Gambar 1.3 Diagram blok sistem proses pemanasan minyak.

Pengendalian proses bertujuan menjaga suhu minyak keluar (variabel proses) pada nilai yang diinginkan (setpoint). Ini dilakukan karena adanya gangguan yang berupa perubahan suhu aliran air panas, laju aliran minyak masuk, suhu minyak masuk, dan/atau kehilangan panas. Suhu minyak keluar disebut juga sebagai variabel terkendali (controlled variable) karena nilainya dikendalikan. Mekanisme pengendalian dimulai dengan mengukur suhu minyak keluar. Hasil pengukuran dibandingkan dengan nilai yang diinginkan (setpoint). Berdasar perbedaan keduanya ditentukan tindakan apa yang akan dilakukan. Bila suhu minyak keluar lebih rendah dibanding suhu yang diinginkan, maka laju aliran air panas diperbesar. Dan sebaliknya, laju aliran air panas diperkecil. Mekanisme demikian disebut pengendalian umpan balik (feedback control). Pengendalian Proses

8

Pada pengendalian otomatik, yang menjalankan mekanisme pengendalian diperankan oleh instrumen. Instrumen yang diperlukan dalam pengendalian suhu adalah unit pengukuran suhu (berisi sensor dan transmitter suhu), pengendali suhu (temperature controller) dan katup kendali (control valve). Ketiga komponen ini bersama dengan sistem proses (penukar panas) membentuk lingkar pengendalian umpan balik (feedback control loop) atau sistem lingkar tertutup (closed-loop system). Mekanisme pengendalian lingkar tertutup dapat dijelaskan melalui gambar 1.4.

(a)

(b)

Gambar 1.4 Pengendalian umpan balik pada proses pemanasan cairan. (a) Hubungan antar komponen sistem pengendalian. (b) Diagram instrumentasi pengendalian.

Sensor mengindera variabel proses (suhu minyak keluar, T). Informasi suhu dari sensor selanjutnya diolah oleh transmitter dan dikirimkan ke pengendali dalam bentuk sinyal listrik atau pneumatik. Dalam pengendali, variabel proses terukur dibandingkan dengan setpoint (Tr). Perbedaan antara keduanya disebut error (e). Berdasar besar error, lamanya error, dan kecepatan error, pengendali suhu (temperature controller) melakukan perhitungan sesuai algoritma kendali untuk menghasilkan sinyal kendali (controller output, u) yang berupa sinyal listrik atau pneumatik yang dikirimkan ke elemen kendali akhir (final control element biasanya berupa katup kendali atau control valve). Perubahan pada sinyal kendali menyebabkan perubahan bukaan katup kendali. Perubahan ini menyebabkan perubahan manipulated variable (laju alir air panas, S). Jika perubahan manipulated variable dalam arah dan nilai yang benar, maka variabel proses terukur dapat dijaga pada nilai setpoint. Dengan cara demikian akan tercapai tujuan pengendalian. Pengendalian umpan balik adalah pengendalian yang memakai variabel keluaran sistem untuk mempengaruhi masukan dari sistem yang sama. Prinsip pengendalian suhu tersebut di atas berlaku umum untuk semua pengendalian proses umpan balik. Di sini terdapat empat fungsi dasar, yaitu: mengukur (measurement), membandingkan (comparision), menghitung (computation, decision, atau evaluation) dan mengoreksi (correction atau action). Pengendalian Proses

9

Tabel 1.1 Contoh empat fungsi dasar pengendalian. Mengukur Suhu cairan keluar (T)

Membandingkan Suhu T dengan nilai setpoint (Tr)

Menghitung Jika T > Tr perkecil pemanas Jika T < Tr perbesar pemanas

Mengoreksi Perkecil bukaan katup Perbesar bukaan katup

Gambar 1.5 Diagram blok proses pemanasan minyak dalam penukar panas Keterangan Tr setpoint (suhu minyak yang diinginkan) F laju alir minyak masuk T suhu minyak keluar (variabel terkendali) To suhu minyak masuk Tm suhu minyak keluar terukur Th suhu air panas e error (= Tr – Tm) S laju air panas (manipulated variable) u sinyal kendali (controller output)

Diagram blok pengendalian proses pemanasan minyak dingin dengan penukar panas dilukiskan pada gambar 1.5. Termokopel (sebagai sensor) mengukur variabel proses terukur (suhu minyak keluar) kemudian dikirimkan oleh transmitter dan diumpan-balikkan ke pengendali. Sinyal pengukuran yang diumpan-balikkan dikurangkan dari setpoint untuk menghasilkan error. Oleh pengendali, error dihitung melalui algoritma tertentu untuk menghasilkan sinyal kendali (controller signal atau controller output). Sinyal kendali dipakai untuk melakukan aksi mekanik katup kendali yang akan mengubah manipulated variable. Perubahan manipulated variable dipakai untuk menjaga variabel proses terukur pada nilai setpoint dari adanya perubahan pada variabel gangguan.

1.3.1

Pengendalian Lingkar Tertutup, Lingkar Terbuka dan Manual

Terdapat dua metode pengendalian, yaitu pengendalian umpan balik (feedback control) dan umpan maju (feedforward control). Pengendalian umpan balik bekerja berdasar perubahan variabel proses terkendali yaitu penyimpangan variabel proses terhadap setpoint. Sedangkan pengendalian umpan maju bekerja berdasar perubahan gangguan yang masuk sistem. Pengendalian umpan balik yang dilakukan oleh instrumen kendali disebut pengendalian lingkar tertutup (closed loop control) atau pengendalian otomatik. Jika tidak ada umpan balik oleh instrumen kendali, disebut pengendalian lingkar terbuka (open loop control). Besar nilai sinyal kendali yang dikirimkan ke elemen kendali akhir ditetapkan berdasar perhitungan atau skala kebutuhan proses. Pada pengendalian lingkar terbuka (open loop control) jika tindakan umpan balik dilakukan oleh manusia, disebut pengendalian manual (manual control). Perlu ditegaskan, pada pengendalian manual, tetap Pengendalian Proses

10

terjadi mekanisme umpan balik. Peran pengendali digantikan oleh operator (manusia). Operator melihat variabel proses terkendali, membandingkan dengan nilai yang diinginkan dan akhirnya memutuskan untuk memperbesar atau memperkecil bukaan katup kendali. Posisi manual diperlukan pada saat mengatur parameter pengendali ketika penalaan (tuning). Pergantian dari otomatik ke manual juga umum dikerjakan pada saat darurat, bilamana pengendali menimbulkan masalah kestabilan operasi.

1.3.2

Pengendalian Umpan Maju

Instrumen yang diperlukan dalam pengendalian umpan maju adalah unit pengukuran gangguan (sensor dan transmitter), pengendali (controller) dan katup kendali (control valve). Susunan ketiga komponen ini bersama dengan sistem proses (misalnya penukar panas) membentuk lingkar pengendalian umpan maju (feedforward control loop). Mekanisme pengendalian umpan dapat dijelaskan melalui gambar 1.7. Pengendalian umpan maju (feedforward control) adalah pengendalian yang memakai variabel masukan untuk mempengaruhi variabel masukan lain dalam sistem.

Gambar 1.7 Diagram instrumentasi pengendalian umpan maju pada proses pemanasan (FT – flow transmitter dan TT – temperature transmitter).

Prinsip pengendalian umpan maju dimulai dari mengukur gangguan, mengevaluasi dan selanjutnya melakukan koreksi besar variabel pengendali. Sensor-sensor FT dan TT berturut-turut menerima rangsangan dari gangguan yaitu laju alir cairan masuk, suhu cairan masuk, dan suhu pemanas. Informasi tersebut selanjutnya diolah oleh pengendali umpan maju. Dalam pengendali, dilakukan perhitungan untuk menentukan laju aliran pemanas (manipulated variable) yang dibutuhkan berdasar perubahan beban atau gangguan yang terjadi. Hasil perhitungan dikirimkan ke katup kendali agar dapat mengalirkan aliran pemanas sesuai kebutuhan. Pengendalian umpan maju tidak mengukur variabel proses melainkan gangguan. Padahal tidak semua gangguan dapat atau mudah diukur. Sebagai contoh, kehilangan panas ke lingkungan termasuk besaran yang sukar diukur. Ka...