Pengendalian Proses

1. Pengendalian Proses (GP32024 - Semester 6 - 3 SKS) Ir. Abdul Wahid, MT. Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia FTUI

2. Daftar Isi 1. Pengantar Pengendalian Proses 2. Pemodelan Proses 3. Transformasi Laplace dan Fungsi Alih 4. Perilaku Dinamik Sistem Orde Satu dan Dua 5. Karakteristik Respon Dinamik Sistem Lebih Kompleks 6. Model Empirik 7. Feedback Controler 8. Stabilitas Lup Tertutup 9. Disain Kontroler 10. Penyetelan Kontroler 11. Contoh Simulasi Proses: ABSORPSI

3. Pengantar Pengendalian Proses Ir. Abdul Wahid, MT. Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia FTUI

4. Pengantar Sistem Kontrol • Apa itu pengendalian proses • Obyektif dari pengendalian proses (kenapa ini penting) • Konsep kontrol berumpan balik (feedback control) • SAP Kuliah • Metode Pembelajaran: Web-based Interactive Learning Moduls

5. Pengantar ke Proses • Tentang apakah pengendalian proses itu? Mengenai mengoperasikan sebuah proses sedemikian rupa hingga karakteristik proses yang penting dapat dijaga pada target yang diinginkan, meski ada gangguan dari luar contoh: Refinery - komposisi dari jenis tertentu seharusnya pada harga tertentu

6. Pentingnya Pengendalian Proses 1. Pengendalian proses secara langsung mempengaruhi keselamatan dan kehandalan sebuah proses • Sebuah sistem kontrol menyediakan operasi yang aman alarm, safety constraint control, startup dan shutdown • Menstabilkan proses yang tidak stabil mencegah variabel tertentu yang penting lepas kendali contoh: pengontrolan suhu dari reaktor polimerisasi

7. Pentingnya Pengendalian Proses 2. Pengendalian proses yang tepat memperbaiki kualitas produk yang dihasilkan oleh sebuah proses Mengurangi variabilitas • untuk banyak kasus, pengurangan produk yang berubah-ubah ada pada permintaan yang tinggi dan memiliki nilai tambah yang tinggi (contoh:feedstock untuk polimer)

8. Pentingnya Pengendalian Proses 3. Memaksimalkan produktivitas • banyak sekali waktu yang dibutuhkan untuk mengontrol batasan-batasan • semakin dekat operasi yang dilakukan dengan batasan-batasan tersebut semakin banyak profit yang dapat dibuat Bottom line: pengendalian proses memiliki pengaruh yang besar pada keuntungan sebuah perusahaan

9. Pengendalian Proses

10. Pengantar • Apa itu proses? • Bagaimana kita melakukan pengontrolan?

11. Proses • Apa yang kita maksud dengan proses dalam teori kontrol? Proses (P) adalah sebuah operasi yang mengambil INPUT dan memberikan OUTPUT Atau Proses (P) adalah sebuah peta dari ruang input ke ruang output

12. Proses • INPUT • Manipulated Variable (MV): u • sesuatu yang dapat diubah-ubah/dimanipulasi • actuating signal • Disturbance: d • sesuatu yang datang sebagai hasil dari beberapa fenomena luar dan mempengaruhi output tetapi tidak dapat dimanipulasi • OUTPUT (Controlled Variable, CV): y • kuantitas yang dapat diobservasi yang kita dapat diukur dan ingin diatur

13. Sebuah Contoh Proses • Pengendalian Kecepatan Mobil • Diukur dan dikontrol: Kecepatan Variabel keluaran • Dimanipulasi atau digerakkan (diaktuasi): Tekanan dan akselerator Variabel masukan • Faktor luar friksi, kemiringan jalan Disturbance (gangguan)

14. Konsep Proses Dalam Teori Kontrol • Dalam flowsheeting proses • Dalam pengendalian proses

15. Contoh • Stirred tank heater Apa MV, CV dan disturbance-nya?

16. Contoh • Apa varibel masukan dan keluarannya? • Tergantung pada • apa yang perlu dikontrol • apa yang dapat dimanipulasikan Jika T itu yang dikontrol dengan memanipulasi daya dari heater Q:

17. Kontrol Apa sasaran dari kontrol? • Untuk mengatur keluaran proses akibat adanya pengaruh gangguan • mengendarai mobil • mengontrol komposisi reaktor kimia • Untuk menstabilkan proses yang tak stabil • menaiki sepeda • kontrol pesawat • kontrol suhu dari reaktor polimerisasi

18. Sistem Kontrol • Sebuah proses yang dikontrol (controlled process) adalah sebuah sistem yang terdiri dari dua sistem yang berinteraksi: Kebanyakan sistem yang dikontrol adalah sistem dikontrol berumpan-balik Kontroler didisain untuk menyediakan pengaturan keluaran proses karena adanya gangguan

19. Strategi Pengendalian Strategi apa yang dapat kita gunakan dalam pengendalian proses? • Feedback (berumpan-balik) • Feedforward (berumpan-maju)

20. Feedback control untuk kecepatan 1. Mengukur kecepatan aktual 2. Menemukan perbedaan: Error = Kecepatan diinginkan - Kecepatan aktual 3. Memutuskan berapa daya yang seharusnya diterapkan pada akselerator: jika Error>0 maka tekan gas lebih keras jika Error<0 maka angkat gas sedikit CV-nya diukur. Controller beraksi sesuai dengan ukuran CV-nya

21. Feedforward control dari kecepatan 1. Lihat kemiringan jalan 2. Jika menanjak, tekan gas lebih keras jika menurun, angkat gas sedikit atau malah gunakan rem CV-nya tidak diukur. Gangguannya diukur dan controller beraksi sesuai dengan gangguannya

22. Strategi Pengendalian • Pengontrolan suhu Asumsi: (1) Laju alir masuk = laju alir keluar (2) Densitas cairan konstan Sasaran pengontrolan: T = TR CV? MV? Gangguan? 1. Berapa panas yang harus disuplai? Necara energi kondisi tunak: Untuk T = TR Jika: (1) Asumsinya valid (2) Laju alir masuk dan suhu masuk sama dengan harga nominalnya Maka: T = TR

23. Strategi Pengendalian • Perkirakan suhu masuk Tinberubah terhadap waktu. Bagaimana kita dapat memastikan T masih pada atau mendekati set point TR? 1. Gunakan tangki yang BESAR • Mahal 2. Ukur T dan atur Q • Bandingkan T dengan TR • Atur Q berdasarkan error-nya 3. Ukur T dan atur w 4. Ukur Tin dan atur Q 5. Ukur Tin dan atur w 6. Ukur Tin dan T dan atur Q 7. Ukur Tin dan T dan atur w

24. Strategi Pengendalian • Klasifikasi strategi pengendalian • Feedback control (Metode 2 dan 3): • CV dari proses diukur dan hasil pengukurannya digunakan untuk mengatur MV T diukur dan Q (metode 2) atau w (metode 3) diatur • Variabel gangguan (Tin) tidak diukur • Negative feedback: • CV ditekan ke arah set point • Positive feedback: • CV ditekan menjauhi set point

25. Strategi Pengendalian • Keuntungan dan kerugian Feedback control • Keuntungan: • Aksinya korektif Menangani semua gangguan (gangguan dalam Tin, w, suhu lingkungan, dsb.) • Hanya perlu pengetahuan yang minimum Tidak memerlukan pengukuran gangguan Pengaturan dengan trial-error • Kerugian • Menangani gangguan hanya setelah CV menyimpang dari set point-nya

26. Strategi Pengendalian • Klasifikasi strategi pengendalian • Feedforward control (Metode 4 dan 5): • Gangguan (Tin) diukur dan MV (Q dan w) diatur • CV tidak diukur • Keuntungannya: • Dapat menyediakan pengendalian yang sempurna (secara teori, jika modelnya sempurna dan pengukuran gangguan yang ada akurat) • Kekurangannya: • Perlu model yang sempurna • Tidak dapat menangani gangguan yang tidak terukur (seperti perubahan suhu lingkungan) • Tidak ekonomis untuk mengukur seluruh gangguan • Feedback control digunakan dalam kombinasi feedforward control (Metode 6 dan 7)

27. Diagram blok proses Implementasi dari Metode 6 (feedback control) Diukur: T(t) Diatur: Q(t) • Operasi pengendalian suhu: 1. Suhu keluar tangki diukur dengan termokopel yang menghasilkan sinyal mV yang sesuai 2. Sinyal yang berubah dengan waktu ini harus dikuatkan ke sinyal tingkat voltase V(t) dan dikirim ke kontroler 3. Kontroler melakukan tiga tugas: • merubah set point TR ke tegangan VR • menghitung error e(t) = VR - V(t) • menghitung beban panas Q(t) dan mengirim sinyalnya yang sesuai p(t) ke heater 4. Sebagai respon sinyal masukan p(t), heater merubah sinyal p(t) ke arus yang menghasilkan Q(t)

28. Pengantar Diagram blok kontrol

29. Diagram kontrol • Kontrol dimaksudkan untuk menyediakan regulasi keluaran proses sebagai sebuah rujukan, r, akibat adanya gangguan • Deviasi dari keluaran pabrik, e=(r-y), dari rujukan yang dimaksud digunakan untuk membuat perubahan (adjustment) yang tepat pada masukan pabrik, u • Kontroler dapat berupa kontroler analog, kontroler dijital, sebauh komputer, atau seorang operator yang melakukan manipulasi yang diperlukan

30. Feedforward control • Diukur Tin, Q

31. u y C P Sistem Kontrol Lup Terbuka • Faktor penting: WAKTU • Kelebihan: • konstruksi sederhana • perawatan mudah • lebih murah • tidak ada persoalan kestabilan • cocok untuk keluaran yang sukar diukur atau tidak ekonomis (contoh: mengukur kualitas keluaran pemanggang roti) • Kekurangan: • tidak menangani gangguan • perubahan kalibrasi • untuk menjaga kualitas yang diinginkan perlu kalibrasi ulang dari waktu ke waktu

32. Bagaiamana mendokumentasikan pengendalian proses? • A Analyzer (analisis khusus yang sering diindikasikan dengan simbol, seperti untuk  [untuk densitas] atau pH) • F flow rate • L level dari cairan atau padatan di dalam vessel • P pressure • T temperature

33. I/P FY 10 Sinyal Transmisi • Pneumatic (tekanan udara) • normalnya 3 - 15 psig • gambar sinyalnya pada PI&D: • Elektrik/elektronik • normalnya 4 - 20 mA • Dijital atau diskret (0 dan 1) Untuk mengubah dari satu sinyal ke sinyal lain digunakan TRANSDUCER. I/P artinya mengubah dari sinyal listrik (I) ke pneumatik (P)

34. Pengendalian Proses Bagaimana kita memperbaiki pengendalian ?

35. Filosofi Kontrol Untuk memiliki pengendalian yang baik, kita memerlukan gambaran kuantitatif dari proses - sebuah model matematika • Pendekatan berdasarkan model • mengembangkan model matematika • mendisain dan mengoptimasi kontroler berdasarkan pada model tersebut • Keuntungan kontrol berdasarkan model • Unjuk kerja kontrol yang lebih baik • Model tersebut memprediksi perilaku dinamik dari proses saat MV diubah

36. Pengendalian Proses dan Pemodelan • Dalam mendisain sebuah kontroler, kita harus: • Mendefinisikan obyektif pengontrolan • Mengembangkan sebuah model proses • Mendisain kontroler berdasarkan pada model • Mengujinya melalui simulasi • Mengimplementasikannya pada proses nyata • Cari pengontrolan terbaik (tuning) dan memantaunya

37. Pengembangan Sistem Kontrol Sering sebuah proses iteratif, didasarkan pada kinerja kita bisa memutuskan untuk menyetel, mendisain atau memodelkan kembali sebuah sistem kontrol yang diberikan

38. Pengembangan Sistem Kontrol • Obyektif • “Apa yang sedang kita coba untuk dikontrol?” • Pemodelan proses • “Apa yang kita perlukan?” • Mekanistik dan/atau empirik • Disain kontroler • “Bagaimana kita menggunakan pengetahuan perilaku proses untuk mencapai obyektif pengendalian proses kita?” • Variabel apa yang seharusnya kita ukur? • Variabel apa yang seharusnya kita kontrol? • Mana MV yang terbaik? • Mana struktur kontroler yang terbaik?

39. Pengembangan Sistem Kontrol • Implementasi dan menyetel proses yang dikontrol • Uji dengan simulasi • Masukkan strategi kontrol ke perangkat keras kontrol • Teori jarang melebihi realita • Setel dan setel lagi • Memonitor kinerja • Penyetelan dan pendisainan kembali secara periodik sering dibutuhkan berdasarkan pada sensitivitas proses atau permintaan pasar • Metode statistik dapat digunakan untuk memonitor kinerja

40. Process dynamics dan Kontrol • Process Dynamics (Dinamika Proses): • Studi perilaku transien dari proses-proses • Process Control • Penggunaan process dynamics untuk memperbaiki operasi dan kinerja proses atau • penggunaan process dynamics untuk mengurangi efek perilaku proses yang tidak diinginkan (tidak stabil) • Sistem kontrol • Proses • Kontroler

41. Sasaran Pembelajaran • Sasaran • Memberikan kepada mahasiswa pengetahuan yang baik konsep disain sistem kontrol Karena kontrol yang lebih baik memerlukan pemahaman akan dinamika proses yang dikontrol, mata kuliah ini meliputi dua bidang: 1. Analisis dinamika proses 2. Disain sistem kontrol

42. Fokus Pembelajaran • Fokus • Analisis dinamika proses • Pemodelan proses • Perilaku dinamik dari sebuah jajaran proses • Analisis dan disain sistem kontrol • Sistem kontrol berumpan-balik • Perilaku dinamik dan stabilitas sistem kontrol lup tertutup • Disain kontroler untuk respon transien (PID)

43. 1. Initial reading 2. Class participation 3. Web learning Modules 4. Course assignments 5. Study in depth Formulate own study questions Reading Revisit WEB Proses Belajar Dengan WILMO (Web-based Interactive Learning MOdules)

44. Daftar Rujukan • Textbook: D. E Seborg, T. F. Edgar, D. A. Mellichamp, Process Dynamics and Control, John Wiley & Sons, 1989 (ISBN 0-471-86389-0) • Rujukan : 1. T. Marlin, Process Control: Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance, 2nd Edition, McGraw-Hill, New York, 2000 2. Smith, Carlos A. dan Corripio, Armando B., Principles and Practice of Automatic Process Control, 1985, John Wiley & Sons Inc. 3. R. Wayne Bequette, Process Dynamics: Modeling, Analysis, and Simulation, Prentice Hall, New Jersey, 1998 (0-13-206889-3) • Jurnal • Computers & Chemical Engineering • Journal of Process Control • Chemical Engineering Science • Internet: • http://www.chemeng.ui.ac.id/~wahid/kendali.htm (Homepage Kuliah) • http://www.pc-education.mcmaster.ca (WILMO) • http://lorien.ncl.ac.uk/ming/Dept/Swot/connotes.htm (Jagad PC) • http://www.rpi.edu/~bequeb/ (Homepage B. W. Bequette) • Software • MATLAB with SIMULINK

45. Pertemuan ke TOPIK Textbook Chapter Sections Rujukan 1 Keterangan 1 - 2 Pengantar Pengendalian Proses CH 1 CH 1 dan CH 2 3 - 4 Pemodelan Proses CH 2 CH 3 5 – 6 Transformasi Laplace dan Fungsi Alih CH 3 dan CH 4 CH 4 QUIZ 1 dan Pembahasan 7 CH 5 CH 5 Perilaku Dinamik Sistem Orde Satu dan Dua 8 – 10 CH 6 CH 5 Karakteristik Respon Dinamik Sistem Lebih Kompleks 11 - 13 14 QUIZ 2 MID SEMESTER Jadwal Aktivitas Pembelajaran Pengendalian Proses

46. Pertemuan ke TOPIK Textbook Chapter Sections Rujukan 1 Keterangan 15 - 16 Model Empirik CH 7 CH 6 Feedback Controller 17 - 18 CH 8 CH 7 dan CH 8 19 QUIZ 3 Kestabilan Sistem Kontrol Lup Tertutup 20 – 21 CH 11 CH 10 22 - 23 Disain Kontroler CH 12 CH 11 Penyetelan Kontroler CH 13 CH 9 24 - 25 25 – 28 Presentasi Tugas Kelompok FINAL TEST Jadwal Aktivitas Pembelajaran Pengendalian Proses

47. Diktat Pengendalian Proses • Tersedia di home page mata kuliahdua buah diktat yang bersumber dari buku: • Smith & Corripio • Seborg, dkk. • Rujukan tambahan: • Marlin • Bequette • Ogata • Luyben • Kedua diktat itu akan digabung menjadi satu kesatuan yang utuh

48. http://www.chemeng.ui.ac.id/~wahid/kendali.htm

49. WILMO

50. Keaktifan Mengakses WILMO • Cara yang ditempuh untuk memotivasi mahasiswa: • Meyakinkan mahasiswa bahwa kualitas mahasiswa UI tinggi • Mengakses WILMO adalah bagian dari penilaian (10%) • Setiap quiz mengandung soal dari WILMO • Selalu mengingatkan pentingnya mengakses WILMO dengan dua cara: • Saat di kelas • Menempelkan pengumuman