PENGENALAN KETINGGIAN FLUIDA (CRL)

LAPORAN

PENGENALAN KETINGGIAN FLUIDA (CRL)

1.               TUJUAN PERCOBAAN

Setelah melakukan percobaan mahasiswan diharapkan mampu :

Ø  Menjelaskan dan membedakan mode pengendalian kontinyu dan tidak kontinyu.

Ø  Menjelaskan terminology yang digunakan dalam pengendalian unit CRL.

Ø  Memahami prinsip pengendalian level air pada unit CRL.

Ø  Melakukan simulasi pengendalian dan menjelaskan grafik tersebut.

II.                ALAT DAN BAHAN YANG DIGUNAKAN

Ø  Seperangkat peralatan CRL (Control Regulation Level)

Ø  Compressor

Ø  Air dalam tangki penampungan

III.             DASAR TEORI

Peralatan simulasi proses CRL dibuat oleh DIDACTA Italia dan dikembangkan untuk mempelajari teknik pengendalian level (ketinggian) permukaan fluida cair, yang dalam hal ini fluida yang digunakan adalh air. Konfigurasi yang digunakan untuk simulasi ini adalah sistim loop terbuka (open loop) dan sistim loop tertutup (closed loop). Selain itu, juga dipelajari mode pengendalian dengan pengendalian dengan pengendali (controller) tak kontinyu (ON-OFF Controller) dan pengendali kontinyu (Three tern-controller; P/I/D). Metode pengendalian terbagi atas :

a)      Pengendalian Diskontinyu, yang terbagi menjadi :

Ø  Pengendali dua posisi (on-off)

Ø  Pengendali dengan resitive probes

b)    Pengendali Kontinyu, yang terbagi menjadi :

Ø  Proporsional (P), misal : pengendali flow, level

Ø  Pengendali proporsional Integral (PI), untuk flow, level, dan suhu

Ø  Pengendali pengendali Proporsional Derivatif (PD)

Ø  Pengendali Proporsional Integral Derivatif (PID)

        PERALATAN CRL

Bagian-bagian alat pengendali ketinggian fluida (CRL) dan gambar panel contoh pengendali ketinggian fluida dapat dilihat pada halaman lampiran. Peralatan CRL ini terdiri dari beberapa unit :

1. Tangki air kapasitas 20 liter
2. Pompa sentrifugasi dengan laju 20 liter/menit
3. Katup jenis PNEUMATIK proporsional dengan input 3-5 psi
4. Transduser I/P
5. Inlet udara tekan (dioperasikan pada 2 bar, min)
6.  Pengukur tekanan udara tekan
7.  Alat pengatur tekanan udara tekan secara manual
8. Controller elektronik MiniReng (alat tambahan)
9. Peralatan listrik (panel CRL)
10. Computer dan printer (aplikasi window)
11. Tangki bening berskala
12. Katup pengeluaran manual, V1 dan V2
13. Transduser P/I
14. Katup selenoid untuk input gangguan (disturbance)
15. Sinyal penggerak (actuating signal)
16. Sinyal variable yang dikendalikan (controller var, signal)
17. Sinyal gangguan (noise)

X. Sinyal Penggerak (actuating signal)

Y. Sinyal variable yang dikendalikan (controller var, signal)

N. Sinyal gangguan (noise)

Peralatan simulasi proses CRL dibuat oleh DIDACTA Italia, dan dikembangkan untuk mempelajari teknik pengendalian level ( ketinggian ) permukaan fluida cair yang dalam hal ini fluida yanng digunakan adalah air. Konfigurasi yang digunakan untuk simulasi ini adalah sistem loop terbuka (open loop) dan sistem loop tertutup (closed loop). Selain itu juga dipelajari mode pengendalian (controller) tak kontinyu (ON – OFF controller) dan pengendalian kontinyu three – terms controller (P/I/D).

Air yang berada di tangki dasar (1) dipompakan ke tangki bening berskala (ll) oleh pompa sentrifugal (2) melalui katup pneumatic proporsional (3). Pengisian tangki berskala (ll) menghasilkan tekanan pada bagian dasar tangki yang ekivalen terhadap ketinggian (level) liquid dalam tangki, dideteksi oleh transuder tekanan yang diubah ke arus listrik (P/I) (13) dan ditransmisikan sebagai sinyal Y ke unit pengkondisi (panel) kontrol (9). Outputnya berupa sinyal X yang berasal dari panel kontrol (9) ditransmisikan ke katup (3) oleh transduser arus yang diubah ke tekanan (I/P) (4) yang kemudian menggerakkan katup pneumatik proporsional dengan bantuan udara tekan yang disuplai oleh inlet udara tekan (5). Katup V1 dan V2 dapat diatur secara manual untuk menutup dan membuka penuh dalam hubungan dengan tangki berskala (11). Katup selenoid (14) memungkinkan untuk pengendalian gangguan aliran air. Untuk pemakaian katup selenoid (14), V1 harus dalam keadaan terbuka penuh.

PANEL KONTROL

            Panel kontrol (9) terdiri dari beberapa indikator yang menunjukkan kerja peralatan pada unit CRL ini, yaitu :

1. Saklar utama (main switch) yang mensulai arus listrik dari socket dinding ke peralatan CRL.
2. Lampu indikator kerja pompa menunjukkan pompa sedang hidup.
3. Lampu indikator kerja level minimal dan maksimal untuk pemakaian resistive probe. Resistive probe terletak di dalam tangki berskala berbentuk seperti elektroda terbuat dari logam dalam 3 ukuran panjang berbeda.
4. Penunjuk ketinggian (level indikator) dalam satuan (%).
5. Lampu indikator, menunjukkan posisi katup untuk menimbulkan gangguan sesuai posisi nomor.

Posisi selektor NOISE (gangguan)

0 – Katup solenoid tidak diaktifkan

Man – Katup solenoid diaktifkan secara manual

PC  - Katup solenoid dikendalikan melalui komputer

6. Sinyal pengaturan , X, dalam bentuk output analog.
7. Sinyal yang dikendalikan , Y , Controller var dalam bentuk output analog.
8. Selektor pemilih untuk jenis mode control :

-          Pengendalian gerakan katup secara manual

-          Unit Off (0), posisi pengendali tidak hidup

-          Pengendalian dengan resistive probes

-          Pengendalian dengan PC ( komputer)

-          Pengendalian dengan Mini Reg ( alat tambahan)

-          Pengendalian dengan MRRP (alat tambahan)

9. Pengaturan katup secara manual
10. Pengaturan katup secara manual.
11. Lampu penunjuk power suplai.

 JENIS PENGENDALIAN LEVEL

1.      PENGENDALIAN ON-OFF

            Pengendalian yang paling sederhana adalah jenis ON – OFF, dimana penggerak (actuator) hanya berada pada dua posisi ON (hidup) atau posisi OFF (mati). Pada unit CRL ini diasumsikan actuator adalah katup pneumatik yang kanan berada pada posisi membuka atau menutup aliran yang menuju tangki berskala.

            Katup akan terbuka apabila llevl air berada dibawah dari level yang diinginkan (set point) dan katup menutup apabila level air melebihi dari set point. Disini akan terdapat batasan level (level threshold) yang berhubungan dengan set point, apabila batasan ini dilampaui karena level bertambah atau berkurang, katup juga berubah posisinya. Hal ini akan menimbulkan perubahan posisi katup disekitar batasan level, yang timbul pada pengeporasian normal. Ketika level sedikit di bawah set point, katup akan teruka seingga level melebihi setpoint dengan cepat, kemudian katup menutup dan level berkurang kembali dan seterusnya berulang – ulang.

Untuk mengatasi problem ini, dan mencegah ausnya penggerak (katup), ada baiknya diberikan dua batasan level yang diukur secara simetris diatas dan dibawah setpoint.

-          Batasan atas dilampaui apabila level meningkat, katup akan menutup

-          Batasan bawah dilampaui apabila level berkurang, katup membuka

Interval antara level yang dikehendaki dengan salah satu batas level dinamakan       dengan histerisis. Semakin besar histerisis, semakin rendah tekanan pada actuator pengendalian dengan resistive probe juga merupakan pengendalian tidak kontinyu, namun keadaan on/off pada pengendalian dengan resistive probe berbeda pada bagian actuatornya. Pada resistive probe, posisi katup pneumatic akan terus terbuka, gerakan hidup mati yang diperintahkan oleh controller berdasarkan hasil evaluasi terhadap pengukuran ketinggian minimum atau maksimum menyebabkan pompa sentrifugal mati atau hidup dalam usaha mempertahankan rentang histerisis probes.

         Tangki bening berskala unit CRL mempunyai tiga buah probes didalamnya yang berfungsi untuk mengukur level fluida (R1, R2, dan R3). R1 dan R2 dapat berfungsi sebagai batas atas pada pengendalian on – off. Apabila katup pengeluaran (V2) terbuka, tangki pada keadaan kosong dan selektor pada panel kontrol (23) berada pada posisi sesuai resistive probes yaitu antara 0 dan PC, maka air akan mengalir mengisi tangki. Sistim akan membuka katup pneumatik sebesar 100% sampai level mencapai R2 dan melewati batas bawah R2 tersebut, katup terbuka kembali, demikian berulang seperti pada pengendalian on – off. R3 berada pada posisi level 85% sedangkan R2 pada level 75% kontrol pada posisi 0.

2.      PENGENDALIAN P/I/D

            Sistem pengendalian secara kontinyu berbeda dengan system pengendalian tak kontinyu (ON-OFF).pada system control kontinyu, system control melakukan evaluasi antara error dan set point dan secara kontinyu pula memberikan masukan (input) bagi eleman control akhir untuk melakukan perubahan agar harga pengendalian (control point) mendekati atau sama dengan harga set point.

            Sistem pengendalian kontinyu ini menggunakan kontinyu ini menggunakan tiga terminology berikut :

1. Proposional
2. Integral
3. Derivative

         Sinyal yang diregulasi, yang didasarkan atas error (perbedaan antara set point dengan control point) ditentukan oleh jumlah ketiga definisi diatas.

Ø  PROPOSIONAL

Bagian atau komponen mode pengendali ini menyatakan eror yang terjadi sebanding antara set point dan harga terukur.sebanding ini dinyatakan sebagai harga konstanta (Kp).      

Ketika sinyal regulasi mencapai 100 % atau katup pneumatic terbuka penuh, eror mencapai level salurasi (jenuh), penambahan eror tidak akan meningkatkan sinyal regulasi.

Disini perlu diketahui range interval eror agar sinyal regulasi dapat beroperasi antara 0% -100%.range variasi antara 0-PB, maka persen harga sinyal regulasi, X adalah

X=e.PB

Semakin besar PB, semakin kecil keluaran controller (X), untuk error yang sama, dengan kata lain, semakin rendah gain proposional controller.

            Sistem pengendalian yang hanya menggunakan mode proposional ini mempunyai ketentuan berikut :

a.       Error tidak dapat dieliminasi  (dikurangi dan sulit mencapai set point

b.      Adanya error sisa (residu) yang disebut OFFSET yang bertambah dengan bertambahnya PB.

Ciri-ciri pengontrol proposional harus diperhatikan ketika pengontrol tersebut diterapkan pada suatu sistem. Secara eksperimen, pengguna pengontrol propoisional harus memperhatikan ketentuan-ketentuan berikut ini :

1.    Kalau nilai Kp kecil, pengontrol proposional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sisitem yang lambat.  

2.   Kalau nilai Kp dinaikan, respon sistem menunjukan semakin cepat mencapai set point dan keadaan stabil.

3.      Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebiahan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berosolasi

Ø  INTEGRAL

Mode control integral selalu digunakan berpasangan dengan mode proposional dengan persamaan :

Dengan mode gabungan ini eror pertama-tama meningkatkan kemudian berkurang dengan cepat oelh aksi proposional.error tidak akan menjadi nol dikarenakan oleh adanya offset.aksi control integral akan mengurangi eror secara tunas, sedangkan kondisi equilibrium baru memrlukan aliran masuk yang baru yang digerakkan oleh mode integrasi juga.

            Umumnya mode gabungan ini digunakan ketika variable yang dikendalikan diharapkan mngalami perubahan besar namun lambat yang memerlukan perubahan cukup besar pada sinyal regulasi X. Ketika digunakan, pengontrol integral mempunyai beberapa karakteristik berikut ini:

1.      Keluaran pengontrol membutuhkan selang waktu tertentu, sehingga pengontrol integral cenderung memperlambat respon.

2.      Ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran pengontrol akan bertahan pada nilai sebelumnya.

3.      Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan dan nilai Ki.

4.       Konstanta integral Ki yang berharga besar akan mempercepat hilangnya  offset. Tetapi semakin besar nilai konstanta Ki akan mengakibatkanpeningkatan osilasi dari sinyal keluaran pengontrol.

Ø  DERIVATIF

Mode derivative juga dipergunakan bergabung dengan mode proposional dengan persamaan:       

Jika error konstan, derivative sebagai fungsi waktu akan mempunyai harga nol (tidak ada output).mode proposional derivative ini digunakan apabila diharapkan perubahan yang cepat dan dalam  batas level yang diizinkan.oleh karena level control mempunyai variasi beban yang rada lambat, penggunaan mode proposional derivative kurang memberikan pengertian yang jelas.

Mode gabungan yang melibatkan derivative yang digunakan pada CRL adalah mode gabungan atau PID (proposional, integral, derivative) dengan persamaan :

Gabungan ketiganya disini memberikan kemungkinan pengendalian yang sempurna dan menghasilkan pengendalian yang optimal.

Karakteristik pengontrol derivative adalah sebagai berikut:

1.      Pengontrol ini tidak dapat menghasilkan keluaran bila tidak ada perubahan pada masukannya (berupa sinyal kesalahan).

2.      Jika sinyal kesalahan berubah terhadap waktu, maka keluaran yang dihasilkan pengontrol tergantung pada nilai Td dan laju perubahan sinyal kesalahan.

3.      Pengontrol derivative mempunyai suatu karakter untuk mendahului, sehingga pengontrol ini dapat menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum pembangkit kesalahan menjadi sangat besar. Jadi pengontrol derivative dapat mengantisipasi pembangkit kesalahan, memberikan aksi yang bersifat korektif, dan cenderung meningkatkan stabilitas sistem.

Berdasarkan karakteristik pengontrol tersebut, pengontrol derivative umumnya dipakai untuk mempercepat respon awal suatu sistem, tetapi tidak memperkecil kesalahan pada keadaan stabilnya. Kerja pengontrol derivative hanyalah efektif pada lingkup yang sempit, yaitu pada periode peralihan. Oleh sebab itu pengontrol derivative tidak pernah digunakan tanpa ada pengontrol lain sebuah sistem. Efek dari setiap pengontrol Proporsional, Integral dan Derivatif pada sistem lup tertutup disimpulkan pada table berikut ini :

Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing pengontrol P, I dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi pengontrol proporsional plus integral plus diferensial (pengontrol PID). Elemen-elemen pengontrol P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan :

1.      Mempercepat reaksi sebuah sistem mencapai set point­-nya.

2.      Menghilangkan offset.

3.      Menghasilkan perubahan awal yang besar dan mengurangi overshoot. 

Kita coba ambil contoh dari pengukuran temperatur, setelah terjadinya pengukuran dan pengukuran kesalahan maka kontroler akan memustuskan seberapa banyak posisi tap akan bergeser atau berubah. Ketika kontroler membiarkan valve dalam keadaan terbuka, dan bisa saja kontroler membuka sebagian dari valve jika hanya dibutuhkan air yang hangat, akan tetapi jika yang dibutuhkan adalah air panas, maka valve akan terbuka secara penuh. Ini adalah contoh dari proportional control. Dan jika ternyata dalam prosesnya air panas yang diharapkan ada datangnya kurang cepat maka controler bisa mempercepat proses pengiriman air panas dengan membuka valve lebih besar atau menguatkan pompa, inilah yang disebut dengan intergral kontrol.

           Karakteristik pengontrol PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari ketiga parameter P, I dan D. Penyetelan konstanta Kp, Ki dan Kd akan mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari ketiga konstanta tersebut dapat disetel lebih menonjol disbanding yang lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan. Adapun beberapa grafik dapat menunjukkan bagaimana respon dari sitem terhadap perubahan Kp, Ki dan Kd sebagai berikut

PID Controler adalah controler yang penting yang sering digunakan dalam industri. Sistem pengendalian menjadi bagian yang tidak bisa terpisahkan dalam proses kehidupan ini khususnya dalam bidang rekayasa industri, karena dengan bantuan sistem  pengendalian maka hasil yang diinginkan dapat terwujud. Sistem pengendalian dibutuhkan untuk memperbaiki tanggapan sistem dinamik agar didapat sinyal keluaran seperti yang diinginkan. Sistem kendali yang baik mempunyai tanggapan yang baik terhadap sinyal masukan yang beragam. 

VI.       PROSEDUR KERJA

1.      Menghidupkan CRL dengan menekan tombol MAIN SWITCH. Lampu merah akan menyala.

2.      Membuka katup VI dan V2 dan mengkosongkan volume tangki.

3.      Mengubah mode selector (24) di panel control ke resistive probes dan mengklik tombol start untuk memulai.

4.      Memperhatikan bahwa pompa hidup apabila ketinggian air berada dibawah batas atas. Pompa akan mati saat ketinggian air menyentuh bagian bawah dari probes. Mencatat waktu mulai dari pompa mati hingga pompa hidup kembali (t₁) dan mencatat waktu pompa mulai hidup hingga pompa mati kembali (t₂).

5.      Mengulangi pengamatan waktu hidup dan mati pompa pada ketinggian resistive, hingga mendapat 3x data yang identik.

6.      Mengukur diameter, tinggi maksimum, dan minimum untuk menentukan volume.

7.      Menghitung laju kenaikan dan laju pengosongan air dalam tangki.

8.      Menentukan laju alir masuk dan laju alir keluar.

I      V.    DATA PENGAMATAN

       Diketahui :

-          Tinggi tangki         = 60 cm

-          Diameter tangki    = 14,5 cm

-          Batas atas             = 85%

-          Batas bawah          = 75%

-          Diameter   = 14,5 cm , jadi r = 7,25 cm

-          h ( tinggi ) dari bawah ke batas atas =  7 cm

Ø  Dari 20 data diambil 3 data yang identik yaitu :

SKEMA ALAT PENGENDALIAN LEVEL (CRL)

VI.          PERHITUNGAN

VII.                ANALISA PERCOBAAN

Suatu pengendalian proses sangat diperlukan dalam proses industri untuk menjaga agar proses yang berlangsung sesuai denan yang diharapkan. Salah satu bentuk pengendalian yang ada di industri yaitu pengendalian level. Tujuannya untuk menjaga keamanan baik bagi pekerja maupun warga sekitar. Ketinggian permukaan level zat cair di dalam suatu tangki atau volume dalam reactor maupun boiler diukur agar volume dalam tangki dapat diketahui.

CRL adalah suatu peralatan pengendalian level yang memanfaatkan sinyal tekanan dalam suatu aliran fluida. Alat ini dihubungkan dengan Personal Computer sebagai media pemantau jalannya proses pengendalian ketinggian, namun pada praktikum kali ini tidak menggunakan personal computer jadi proses pengendalian dilakukan secara manual. Pada bagian bawah tangki berskala dapat dilihat adanya katup v1 dan v2 yang dapat diatur secara manual untuk tertutup dan terbuka penuh dalam hubungan dengan tangki berskala. Katup solenoid yang ada pada peralatan digunakan untuk mengatur pengendalian aliran air. Katup v1 harus dalam keadaan terbuka penuh. Kemudian mengisi tangki sampai batas 85 dan mengosongkannya kembali guna untuk mendapatkan waktu laju alir masuk dan laju alir keluar.

Pengendalian level ini memiliki sensor atas dan bawah pada batas tertentu, yang akan terbaca pada controller. Pengukuran yang dilakukan oleh level transmitter (LT) akan dengan cepat menginformasikan sinyal ketinggian cairan dalam tangki dan mengubahnya menjadi sinyal kontrol bagi level controller (LC) yang akan mengevaluasi hasil pengukuran terhadap set point dan memberikan output controller (%P) kepada katup control untuk memperbesar atau memperkecil aliran cairan ke tangki. Apabila cairan sudah mencapai batas atas, itu artinya volume maksimum sudah tercapai dan otomatis pompa akan mati sendiri. Sedangkan apabila cairan telah mencapai batas bawah, pompa akan mendapatkan sinyal untuk hidup kembali.

Pada pengendalian proses (praktikum) di laboratorium digunakan alat CRL (Control Regulation Level). Pada tangki pengukuran level, terdapat tiga elektroda logam (probes). Namun pada praktikum ini digunakan dua elektroda logam (probes) karena dilakukan sebagai pengendalian dua posisi. Elektroda ini berfungsi sebagai sensor level, baik itu batas bawah dan batas atas. Apabila batas atas terkena aim aka pompa akan mati karena mendapat sensor dari probes. Sedangkan jika batas bawah tidak terkena air, maka pompa akan hidup. Pada alat telah disetting untuk batas atas yaitu 85% dan untuk batas bawah yaitu 75%. Dengan demikian saat air dipompakan dari tangki penampung akan mulai mengisi bagian tangki bening berskala tetap terus mengalir sampai fluida (air) menyentuh elektroda batas atas (85%). Saat fluida menunjukkan angka 85% pada skala tangki bening, maka pompa akan berhenti bekerja yang mengakibatkan air tidak keluar lagi. Namun pada bagian bawah tangki terdapat pipa keluaran air yang berfungsi untuk menjaga keseimbangan volume air. Saat air yang tetap turun kebagian bawah tangki memungkinkan volume air didalam tangki terus berkurang. Namun saat air mulai menyentuh elektroda batas bawah (75%) air kembali terisi ke dalam tangki bening berskala tersebut hingga saat telah mencapai batas atas (85%), maka pompa akan kembali hidup sehingga air terisi kembali ke dalam tangki. Begitu seterusnya, adanya batas atas dan batas bawah ini akan menjaga level air dalam tangki agar tidak kurang ataupun terlalu meluber.

Dari grafik level terhadap waktu periode osilasi akan didapatkan bentuk grafik yaitu seperti bukit yang naik turun, yang menunjukkan waktu untuk mencapai batas atas (85%) dan batas bawah (75%) pada alat pengendalian level (CRL). Dapat dilihat bahwa waktu yang dibutuhkan fluida untuk mencapai batas atas dan batas bawah itu hampir sama sekitar 21 menit.

VIII.             KESIMPULAN

Dari percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa :

·         CRL adalah suatu peralatan pengendalian level yang memanfaatkan sinyal tekanan dalam suatu aliran fluida.

·         Pengendalian level bertujuan untuk menhaga level cairan di dalam suatu tangki agar cairan tidak terlalu kosong atau terlalu penuh.

·         Air akan mengalir ke dalam tabung apabila level air di dalam tangki mulai menyentuh elektroda batas bawah dan akan berhenti mengalir saat level air mulai menyentuh elektroda batas atas.

IX.             DAFTAR PUSTAKA

Jobsheet.2015. “Penunjuk Praktikum Pengendalian Proses”. Politeknik Negeri Sriwijaya: Palembang