Anitahilma’s Weblog

Just another WordPress.com weblog

Pengendalian Proses (Bagian 2)

Pabrik kimia merupakan susunan/rangkaian berbagai unit pengolahan yang terintegrasi satu sama lain secara sistematik dan rasional. Tujuan pengoperasian pabrik kimia secara keseluruhan adalah mengubah (mengkonversi) bahan baku menjadi produk yang lebih bernilai guna. Dalam pengoperasiannya pabrik akan selalu mengalami gangguan (disturbance) dari lingkungan eksternal. Selama beroperasi, pabrik harus terus mempertimbangkan aspek keteknikan, keekonomisan, dan kondisi sosial agar tidak terlalu signifikan terpengaruh oleh perubahan-perubahan eksternal tersebut.

Artikel ini terbagi menjadi 3 bagian yang adalah sebagai berikut:

  1. Bagian 1: Pendahuluan, Sistem Pengendalian, Disain Elemen Pengendali Proses, Pendefinisian Tujuan Pengendalian, dan Pemilihan Variabel yang Harus Diukur.
  2. Bagian 2: Pemilihan Variabel yang Dimanipulasi, Pemilihan Konfigurasi Pengendalian, Perancangan Sistem Pengendali, Penggunaan Komputer Digital pada Pengendali Proses, dan Perangkat Keras Sistem Pengendali Proses.
  3. Bagian 3: Metode Tuning, Parameter Error, Contoh Kasus, dan Penggunaan MATLAB Simulink.

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.

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 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:

  1. 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. 
feedback.gif
Gambar 1. Diagram Input-Output Pengendalian Feedback

 

  • 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. 

    feedforward.gif
    Gambar 2. Diagram Input-Output Pengendalian Feedforward
  • 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. 

    inferential.gif
    Gambar 3. Diagram Input-Output Pengendalian Inferential

    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.

  • 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.
      p.gif
    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.
      pi.gif
    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 suatu faktor dikali nilai diferensial (gradien/slope) error sebagai fungsi waktu.
      pid.gif

    Penggunaan Komputer Digital pada Pengendali 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. Beberapa aplikasi spesifik komputer untuk pengendalian proses adalah sebagai berikut:

    • Direct Digital Control (DDC)
      Komputer digital dapat dipakai mengendalikan secara simultan beberapa output. Pada sistem kontrol utama (supervisor controller) terdapat satu prosesor komputer untuk mengendalikan dan mengoperasikan proses. Jadi semua data dikumpulkan dalam satu unit komputer. Komputer digunakan untuk mengubah nilai set point sesuai dengan harga parameter local controller. Local controller berfungsi sebagaimana sinyal digital yang diterapkan pada Direct Digital Controller (DCC). Interfase input/output akan menghasilkan informasi kepada komputer supervisor berupa tetapan pada local control loop yang dipakai komputer untuk menghasilkan nilai set point pada local control loop. Komputer menrima secara langsung hasil pengukuran dari proses, kemudian menghitung nilai manipulated variables berdasarkan control law yang telah diprogram dan tersimpan dalam memorinya. 

      ddc.gif
      Gambar 4. Diagram Input-Output Direct Digital Control (DDC)

      Manipulated variables tersebut kemudian diterapkan kembali ke dalam proses dengan menggunakan elemen pengendali akhir seperti kerangan, pompa, kompresor, switch, dan sebagainya. Dengan demikian komputer dan proses dijembatani oleh perangkat-perangkat keras yang digunakan untuk mendapatkan komunikasi yang baik antara komputer dengan proses. DDC umumnya dipakai untuk unit dalam skala terbatas seperti untuk satu unit produksi, atau digunakan untuk sebuah unit operasi dengan sebuah unit produksi.

    • Distributed Control System (DCS)
      Penggunaan sistem kontrol dengan memakai satu buah komputer untuk mengendalikan sebuah unit operasi akan lebih mudah diterapkan. Namun, sistem supervisor control akan mengalami kesulitan jika diterapkan pada unit yang kompleks karena akan dihasilkan suatu pengendalian dan pengoperasian yang sangat kompleks dan rumit. Metoda terbaru pengendalian proses dalam pabrik adalah Distributed Control System (DCS) yang langsung sukses diminati untuk skala komersial saat pertama kali diluncurkan. 

      dcs.gif
      Gambar 5. Diagram Input-Output Distributed Control System (DCS)

      DCS terdiri dari beberapa microprocessor yang saling terhubungkan dalam satu jaringan komunikasi digital yang sering dikenal dengan data highway. Tujuan pengendalian proses adalah mendapatkan kinerja proses yang optimum. Seringkali operator manusia sukar atau tidak dapat menemukan setting pengoperasian pabrik yang terbaik agar biaya operasi dapat ditekan seminimal mungkin. Hal ini disebabkan tingginya kompleksitas pabrik kimia yang akan dikendalikan. Pada kasus seperti ini programmed intelligence dari komputer dapat dimanfaatkan untuk menganalisis situasi proses dan memberikan usulan setting pengoperasian yang terbaik. Pada supervisory control ini, komputer mengkoordinasi aktivitas dari beberapa loop DCC. Pada sistem ini satu buah komputer utama (supervisor computer) membagi kerja pengendalian pada beberapa komputer yang bekerja sebagai DDC lokal. Keuntungan sistem DCS dibanding DDC adalah sistem DCS memungkinkan area kerja atau DDC lokal satu tetap bekerja dan dapat dikendalikan merkipun ada suatu unit atau lokasi tertentu yang tidak beroperasi. Sebaliknya, kekurangan unit DCS dibanding DDC adalah biaya investasi sistem DCS yang sangat besar karena membutuhkan komputer pengendali yang lebih banyak.

    • Scheduling Computer Control (SCC)
      Kemungkinan penggunaan komputer yang terakhir adalah untuk mengatur penjadwalan operasi suatu pabrik kimia. Kondisi pasar yang berubah setiap waktu akan menyebabkan manajemen perlu terus menerus mengubah penjadwalan operasional pabrik, seperti mengurangi waktu produksi untuk mencegah tertumpuknya produk (over stock), penambahan produksi saat kebutuhan meningkat, dan lain-lain. Keputusankeputusan ini dapat diambil dengan bantuan komputer digital, yang kemudian akan mengomunikasikan kepuusan-keputusan tersebut dengan supervisory computer controller, yang kemudian mengimplementasikan keputusan-keputusan tersebut melalui DDC-DDC yang berhubungan langsung dengan proses.

    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 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
      Elemen pencatat merupakan bagian dari sistem pengendali yang mencatat semua variabel sehingga kelakukan proses yang sedang berlangsung dapat didemonstrasikan secara visual.

    Bersambung. [Metode Tuning, Parameter Error, Contoh Kasus, dan Penggunaan MATLAB Simulink.]

    Referensi:
    [1] Sitompul J., Limbong M. Modul Praktikum Pengendalian Proses. Departemen Teknik Kimia ITB.
    [2] Stephanopoulos G. Chemical Process Control: An Introduction to Theory and Practice. Prentice/Hall International, Inc.

    sumber www.majarikanayakan.com

    July 10, 2008 - Posted by | All about Teknik Kimia |

    No comments yet.

    Leave a Reply

    Fill in your details below or click an icon to log in:

    WordPress.com Logo

    You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

    Twitter picture

    You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

    Facebook photo

    You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

    Google+ photo

    You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

    Connecting to %s

    %d bloggers like this: