BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Pengendalian Secara
umum
sistem
pengendalian
adalah
susunan
komponen-
komponen fisik yang dirakit sedemikian rupa sehingga mampu mengatur sistemnya sendiri atau sistem diluarnya. Sistem kontrol adalah proses pengaturan atau pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga range tertentu. Istilah lain sistem kontrol atau teknik kendali adalah teknik pengaturan, sistem pengendalian, atau sistem pengontrolan (Pakpahan, 1988). Sistem pengendalian atau teknik pengaturan juga dapat didefinisikan suatu usaha atau perlakuan terhadap suatu sistem dengan masukan tertentu guna mendapatkan keluaran sesuai yang diinginkan. Dalam buku berjudul ”Modern Control Systems”, bahwa sistem pengaturan merupakan hubungan timbal balik antara komponen-komponen yang membentuk suatu konfigurasi sistem yang memberikan suatu hasil yang dikehendaki berupa respon (Dorf, 1983). Contoh sistem pengaturan yang paling mendasar adalah kendali on-off saklar listrik. Aktivitas menghidupkan dan mematikan saklar menyebabkan adanya situasi saklar hidup atau mati. Masukan on atau off mengakibatkan terjadinya proses pada suatu pengendalian saklar listrik sehingga sistem bekerja sesuai dengan kondisi yang diinginkan, yaitu listrik menyala atau mati. Keadaan on-off (hidup atau mati) merupakan masukan, sedangkan mengalir dan tidak mengalirnya listrik merupakan keluaran. Suatu keadaan dimana listrik sudah dihidupkan namun tidak menyala, berarti ada yang salah pada sistem tersebut.
3
4
Proses yang dicontohkan itu mengilustrasikan sistem kendali yang terjadi secara manual. Secara umum ada empat aspek yang berkaitan dengan sistem pengendalian yaitu masukan, keluaran, sistem dan proses. Masukan (input) adalah rangsangan dari luar yang diterapkan ke sebuah sistem kendali untuk memperoleh tanggapan tertentu dari sistem pengaturan. Keluaran (output) adalah tanggapan sebenarnya yang didapatkan dari suatu sistem kendali. Tanggapan ini bisa sama dengan masukan atau mungkin juga tidak sama dengan
tanggapan
pada
masukannya.
Untuk
menggambarkan
sistem
pengendalian, kita bisa lustrasikan dengan sebuah perangkat yang sering dikenal dalam kehidupan sehari-hari yaitu ”sekering”. Sekering merupakan alat yang dipergunakan untuk memutus arus listrik dan biasanya dipasang pada instalasi listrik PLN atau perangkat elektronik. Sekering akan putus apabila diberi beban arus listrik yang berlebihan, dan akibatnya lampu akan padam. Fenomena ini menunjukkan bahwa sebenarnya terjadi pengukuran terhadap aliran listrik, membandingkan terhadap kapasitas maksimal, dan selanjutnya melakukan langkah koreksi dengan cara memutus arus. Proses yang dicontohkan itu menggambarkan sistem kendali yang terjadi secara otomatis. Menurut Distefano,dkk(1992), ada tiga jenis sistem pengaturan dasar yakni : 1. Pengendalian Alamiah Contohnya pengendalian suhu tubuh manusia, mekanisme buka-tutup pada jantung, sistem peredaran darah, sistem syaraf, sistem kendali pankreas dan kadar gula dalam darah, sistem pengaturan adrenalin, dan sistem kendali lainnya yang ada pada makhluk hidup.
5
2. Pengendalian Buatan Contohnya yaitu mekanisme on-off pada saklar listrik, mekanisme buka-tutup pada keran air, sistem kontrol untuk menghidupkan dan mematikan televisi/ radio/tape, kendali pada mainan anak-anak, pengaturan pada kendali suhu ruangan ber-AC, serta kendali perangkat elektronik seperti pada kulkas, freezer dan mesin cuci. 3. Sistem Kendali yang komponennya buatan dan alamiah Contohnya adalah pengendalian ketika orang mengendarai sepeda, motor atau mobil. Pengendara senantiasa mempergunakan matanya sebagai komponen alamiah untuk mengamati keadaan, disamping itu pengendara juga mengatur kecepatan berkendara dengan mengatur putaran mesinnya yang merupakan komponen buatan.
2.2 Sistem Pengendalian Proses Sistem pengendalian proses adalah gabungan kerja dari alat-alat pengendalian otomatis. Semua peralatan yang membentuk sistem pengendalian disebut istrumentasi 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. (Arfy Sasmita, 2010) Tujuan utama dari suatu sistem pengendalian adalah untuk mendapatkan kerja yang optimal pada suatu sistem yang dirancang. Untuk mengukur performansi dalam pengaturan, biasanya diekspresikan dengan ukuran-ukuran waktu naik (tr), waktu puncak (tp), settling time (ts), maximum overshoot (Mp), waktu tunda/delay time (td), nilai error, dan ratio. Nilai tersebut bisa diamati pada
6
respon transien dari suatu sistem pengendalian, misal pada gambar 1. Dalam optimisasi agar mencapai target optimal sesuai yang dikehendaki, maka sistem kontrol berfungsi : melakukan pengukuran (measurement), membandingkan (comparison), pencatatan dan penghitungan (computation) dan perbaikan (correction).
Gambar 1. Respon Transien Sistem Pengendalian (Marwan Effendy, 2011) Alat pengendalian yang umum digunakan adalah Programmable Logic Controller (PLC). Alat ini digunakan untuk membaca input analog maupun digital, melakukan serangkaian program logika, dan menghasilkan serangkaian output analog maupun digital. Pada kasus sistem pengaturan temperatur, temperatur ruangan
menjadi
input
bagi
PLC.
Pernyataan-pernyataan
logis
akan
membandingkan setpoint dengan masukan nilai temperatur dan menentukan apakah perlu dilakukan penambahan atau pengurangan pendinginan untuk menjaga temperatur agar tetap konstan. Output dari PLC akan memperbesar atau memperkecil aliran keluaran udara pendingin bergantung pada kebutuhan. Untuk suatu sistem pengendalian yang kompleks, perlu digunakan sistem pengendalian yang lebih kompleks daripada PLC. Contoh dari sistem ini adalah Distributed Control System (DCS) atau sistem SCADA.
7
2.3 Prinsip-prinsip Pengendalian Proses Perhatikan gambar berikut, pertama operator harus mengamati ketinggian level, kemudian mengevaluasi apakah level yang ada sudah seperti yang dikehendaki. Jika level tidak sama dengan yang dikehendakinya, maka operator harus memperkirakan seberapa banyak valve perlu ditutup atau perlu dibuka. Selanjutnya, operator harus benar-benar mengubah bukaan valve sesuai dengan yang diperkirakan tadi.
Gambar 2. Pengendalian Level Di Dalam Tangki Oleh Manusia (Frans Gunterus, 1994)
Prinsip pengendalian proses, jika dikaji lebih jauh lagi, dalam mengendalikan proses operator mengerjakan empat langkah berikut: Mengukur – Membandingkan – Menghitung – Mengoreksi Saat operator mengamati ketinggian level, yang ia kerjakan sebenarnya adalah langkah mengukur proses variabel. Istilah process variable pertama kali diperkenalkan sebagai besaran parameter proses yang dikendalikan. Kemudain operator membandingkan apakah hasil pengukuran tadi sesuai dengan apa yang dikendalikan. Besar process variable yang dikehendaki tadi disebut set point. Pada contoh ini, jika level di tangki dikehendaki selalu 50%, set point di dalam sistem pengendalian ini besarnya 50%. Perbedaan antara process variable dan set point disebut error. Error = set point – process variable
8
Process variable bisa lebih besar atau bisa juga lebih kecil daripada set point. Oleh karena itu, error bisa negatif bisa juga positif. Berdasarkan besarnya error itulah, operator menentukan ke arah mana dan seberapa besar koreksi bukaan valve perlu dilakukan. Bila error bernilai negatif (berati process variable lebih besar dari set point atau level lebih tinggi dari 50%) operator harus mengurangi flow dengan lebih menutup valve. Sebaliknya, bila error positif (berati process variable lebih kecil dari set point atau level di bawah 50%) operator harus menambah flow dengan lebih membuka valve. Seorang operator yang berpengalaman tidak akan sembarang membuka atua menutup valve. Ia juga akan memperkirakan seberapa banyak valve perlu lebih dibuka atau lebih ditutup. Pada tahapan itu, operator sebenarnya sedang melakukan langkah menghitung. Langkah berikutnya yang perlu dikerjakan oleh operator adalah mengubah bukaan valve sesuai dengan hasil pembandingan dan perhitungan tadi. Langkah terakhir inilah yang disebut dengan langkah mengoreksi. Keempat langkah tersebut yang dilakukan oleh operator yaitu; mengukur, membandingkan, menghitung dan mengoreksi, seluruhnya dapat dikerjakan oleh instrumentasi. Manusia, kemudian sama sekali tidak menentukan keempat langkah tadi. Operator hanya perlu menentukan besarnya set point, dan semuanya akan dikerjakan secara otomatis oleh instrumen. Sistem semacam itulah yang disebut sistem pengendalian otomatis (outomatic control system). (Frans Gunterus, 1994) 2.4 Parameter-parameter yang dikendalikan Ada banyak parameter yang harus dikendalikan di dalam suatu proses diantaranya yang paling umum ada empat yaitu :
9
1.
Tekanan (pressure) di dalam suatu pipa/vessel,
2.
Laju aliran (flow) didalam pipa
3.
Temperatur di unit proses penukar kalor (heat exchanger), dan
4.
Level permukaan cairan di sebuah tangki. Disamping dari keempat tersebut diatas, parameter lain yang dianggap
penting dan perlu dikendalikan karena keperluan spesifik proses diantaranya pH di industri kimia, warna produk di industri pencairan gas (LNG). Apabila yang dikendalikan pada sistem pengaturan adalahtekanan pada proses pembakaran di ruang bakar, maka sistem pengendaliannya disebutsistem kendali tekanan pembakaran di ruang bakar. Jika yang dikendalikan adalah temperatur pada sebuah alat penukar kalor, maka sistem pengendaliannya disebut sistem kendali temperatur alat penukar kalor. Apabila yang dikontrol adalah level fluida pada bejana tekan suatu industri perminyakan, maka system konrolnya dinamakan sistem kendali level cairan.Hal ini perlu dimengerti karena terkadang orang salah dalam penggunaan suatu kalimat, misalnya sistem kendali pesawat terbang. Pernyataan ini akan lebih lengkap jika diketahui variabel yang dikendalikan pada pesawat tersebut, apakah kecepatan terbang pesawat, ketinggian terbang, gerak rolling atau gerak pitching. 2.5 Laju Alir Fluida Fluida adalah suatu zat yang bisa mengalami perubahan-perubahan bentuknya secara continue/terus-menerus bila terkena tekanan/gaya geser walaupun relatif kecil atau bisa juga dikatakan suatu zat yang mengalir, kata fluida mencakup zat cair, gas, air, dan udara karena zat-zat ini dapat mengalir. Sebaliknya batu dan benda-benda keras (seluruh zat-zat padat tidak dapat
10
dikategorikan sebagai fluida karena zat-zat tersebut tidak bisa mengalir secara continue (Irma Suryani, 2013). Laju alir adalah banyaknya zat yang mengalir dengan kecepatan tertentu persatuan waktu. Laju alir suatu fluida dapat dibedakan ke dalam 3 macam pola aliran, yaitu aliran laminer, aliran turbulen dan aliran dari campuran keduanya (transisi). 2.5.1 Aliran Laminar Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan – lapisan, atau lamina – lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relative antara lapisan. Sehingga aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton yaitu :
2.5.2 Aliran Turbulen Aliran dimana pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian – kerugian aliran. 2.5.3 Aliran Transisi Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.
11
Gambar 3. Pola Aliran Fluida (Ilham Khoir, 2014)
2.6 Hukum Bernouli Hukum Bernoli dapat di contohkan pada sebuah pipa, jika terdapat aliran fluida pada suatu pipa yang luas penampang dan ketinggiannya tidak sama. Misalnya, massa jenis fluida ρ, kecepatan fluida pada penampang A1 sebesar V1, dalam waktu t panjang bagian system yang bergerak ke kanan V1. t. Pada penampang A2 kecepatan V2 dan dalam waktu t system yang bergerak ke kanan v2 . t. Pada penampang A1 fluida mendapat tekanan P1 dari fluida di kirinya dan pada penampang A2 mendapat tekanan : dari fluida di kananya. Gaya pada A1 adalah F1 = P1 . A1 dan penampang A2 adalah F2 = P2 . A2. Dan dapat dirumuskan konstan Rumus di atas dinamakan persamaan Bernouli untuk aliran fluida yang tidak kompresibel.
Persamaan
tersebut
Bernoulidalam teorinya Hidrodinamika.
pertama
kali
diajukan
oleh
Daniel
12
Hukum Bernoulli menyatakan bahwa tekanan dari fluida yang bergerak seperti udara berkurang ketika fluida tersebut bergerak lebih cepat. Hukum Bernoulli ditemukan oleh Daniel Bernoulli, seorang matematikawan Swiss yang menemukannya pada 1700-an. Persamaan bernoulli memiliki hubungan antara tekanan, kecepatan fluida, dan elevasi dalam sistem aliran. Secara umum hukum Bernoulli menyatakan bahwa tekanan suatu fluida di tempat yang kecepatannya tinggi lebih kecil dibandingkan dengan fluida yang kecepatannya rendah. Jadi semakin besar keceptan fluida dalam suatu pipa maka tekanan yang dihasilkan akan semakin kecil, dan sebaliknya semakin kecil kecepatan fluida dalam suatu fluida maka tekanan yang dihasilkan akan semakin besar. 2.7 Proses Orde Satu Self-Regulation Di dalam ilmu sistem pengendalian, dikenal sebuah elemen proses yang mampu mengendalikan dirinya sendiri, walaupun padanya tidak dipasang instrumentasi pengendalian otomatis. Elemen proses yang mempunyai sifat seperti itu disebut elemen proses self regulation. Contoh elemen proses self regulation dapat dilihat pada gambar berikut:
fi
Sinyal output Kapasitas = C L
h
fi
h
Proses
R
fO
Gambar 4. Proses Orde Satu Self Regulation (Frans Gunterus, 1994) Input proses adalah flow tangki (Fi) dan output proses adalah level (h) pada tangki, yang dapat dibaca sebagai sinyal output dari LT (level transmitter). Pada
13
keadaan awal, diandaikan level di 50% tangki dan Fi serta Fo juga sama 50% skala flow. Pada Keadaan awal itu semua parameter seimbang, sehingga level tetap di 50% sampai terjadi perubahan pada Fi sebesar fi. Andaikan keadaan seimbang terganggu karena Fi naik secara mendadak sebesar fi 10%. Dengan bertambahnya Fi, level (h) juga akan berubah dan cenderung naik. Namun, kenaikan level sebesar h akan secara alami diikuti oleh kenaikan Fo sebesar fo sehingga akan dicapai keseimbangan yang baru dimana Fi sama dengan Fo. Level akan terhenti dikesetimbangan yang baru itu selama tidak terjadi perubahan Fi maupun Fo. Keseimbangan baru ini pasti ada diatas 50%, dan Fi maupun Fo juga ada di atas 50% skala flow. keadaan mencapai keseimbangan sendiri inilah yang disebut self regulation. Andaikan keseimbangan baru terjadi pada level 70%, steady state gain dari proses itu dikatakan sama dengan dua (Gp = 2). Mengapa demikian, karena untuk 10% pertambahan input (fi) akhirnya dihasilkan 20% pertambahan output (h). tentu saja keadaan self regulation ini hanya terjadi untuk batas-batas tertentu. Yang jelas, kalau diandaikan Gp = 2, Fi tidak pernah boleh ditambah lebih dari 25%, air akan tumpah keluar dari tangki. Lalu apakah keadaan proses diatas bisa disebut self regulation?. Keadaan tumpahnya air memang bisa terjadi, bahkan juga pada sistem yang sudah dilengkapi pengendalian otomatis sekalipun. Hal itu disebabkan karena sistem pengendalian hanya mampu mengatasi load atau disturbance sampai batasbatas tertentu saja. Input
Gp =
output
Gambar 5. Diagram Kotak Proses Orde Satu Self Regulation (Frans Gunterus, 1994)
14
Proses self regulation memerlukan waktu untuk mencapai keseimbangan yang baru. Sehingga, transfer function proses itu pasti merupakan persamaan fungsi waktu. Bentuk transfer function seperti pada gambar 3 itulah yang disebut bentuk persamaan differensial pangkat satu. Simbol s di persamaan itu adalah bentuk transformasi laplace. Asal usul proses self regulation dapat memiliki transfer function dapat dilihat pada persamaan matematika berikut:
(
Transfer function adalah temperatur
⁄
)
, yang disebut sebagai lag time atau
time constant. Jika, kapasitas tangki ditandai dengan C, dan hambatan yang ditimbulkan oleh bukaan control valve ditandai dengan R, maka besar R/C.
Input
fi Waktu output
fi
2
Waktu
Gambar 6. Kurva Waktu Proses Orde Satu Self Regulation (Frans Gunterus, 1994)
adalah
15
2.8 Hasil Kerja Sistem Pengendalian Otomatis Suatu sistem pengendalain dikatakan stabil, apabila nilai process variable berhasil mendekati set point (besarnya process variabel yang dikehendaki), walaupun diperlukan waktu untuk itu. Keadaan stabil itu dapat dicapai dengan respon yang overdumped ataupun underdumped. kedua respon itu mempunya kelebihan dan kekurangan masing-masing. Pada respon underdumped, jelas bahwa koreksi sistem berjalan lebih cepat dari respon overdumped. Tetapi, tidak berarti bahwa underdumped lebih bagus dari overdumped. Ada proses yang membutuhkan respon yang lambat (overdumped) dan ada yang membutuhkan respon yang cepat (underdumped). Kebutuhan tersebut ditentukan oleh sifat proses dan kualitas produk yang dikehendaki. Operator yang berpengalaman tentu dapat menunjukkan di bagian mana proses memerlukan respon yang overdumped dan di bagian mana diperlukan yang underdumped. Yang pasti, sistem pengendalian tidak pernah menghendaki sistem yang tidak stabil. Tidak yang sustain oscillation, apalagi yang undamped. Pada respon sustain oscillation, proses variabel tidak pernah sama dengan set point, proses variabel naik turun di sekitar set point seolah-olah seperti roda sepeda yang sedang berputar. Oleh karena sifat ilmiah, sustain oscillation juga disebut cycling. Pada respon undamped, proses variabel berosilasi dengan amplitudo semakin membesar. Proses variabel semakin lama semakin menjauhi set point, dan pada keadaan itu control valve akan terbuka-tertutup secara bergantian. Akibatnya, tercapailah keadaan yang sangat berbahaya seperti yang terjadi pada feedback positif. Kelak akan diketahui bahwa keadaan sustain oscillation dengan
16
amplitudo yang kecil di sebagian proses dapat ditolerir sebentar, demi untuk penyetelan control unit (tuning). Namun, keadaan undamped (osilasi dengan amplitudo membesar) tidak pernah dapat ditolerir dalam keadaan bagaimana pun. Kedua keadaan tidak stabil di atas adalah keadaan yang paling tidak dikehendaki di dalam sistem pengendalian.
Gambar 7. Respon sistem pengendalian otomatis (Frans Gunterus, 1994)
