Asro Pun’ Blog

Arsip untuk ‘Process Control’ Kategori

Process Control : (8) Multivariable Control

Posted by asro pada 5 Januari 2009

Konfigurasi kontrol beserta contoh-contoh implementasinya yang dibahas pada serie-serie sebelumnya hanya difokuskan pada sistem dengan single input (single manipulated variable) dan single output (single controlled variable) atau biasa dikenal dengan sebutan sistem SISO. Pada hal di dunia nyata (real plant), banyak proses yang memiliki multi input dan multi output (MIMO). Salah satu contoh sistem yang biasa digunakan di berbagai buku teks untuk menerangkan sistem MIMO adalah sistem sederet tanki, seperti diperlihatkan pada gambar berikut.

mimo-1

Gambar tersebut memperlihatkan 2 buah tanki yang saling berhubungan.  TK-1 dialiri fluida dengan flow m1 hingga mencapai level h1, TK-2 dengan flow m2 dan level h2. Jadi secara keseluruhan sistem ini memiliki 2 input (m1 & m2) dan 2 output (h1 & h2).  Perubahan pada m1 akan mempengaruhi h1 dan h2, begitu pula dengan perubahan m2 akan  berpengaruh pada h1 dan h2. Karakteristik sistem seperti ini disebut interaksi, yang umumnya terjadi pada sistem MIMO.

Untuk mempermudah analisa, sistem tanki diatas dapat digambarkan dalam bentuk diagram blok berikut.

mimo-2

G11(s) merupakan fungsi transfer dari M1 ke H1, G12(s) dari M1 ke H2, G21(s) dari M2 ke H1 dan G22(s) dari M2 ke H2. Sifat interaksi dinyatakan oleh  G12(s) dan G21(s), jadi jika keduanya berharga 0, itu menunjukan sistem tidak berinteraksi.

Gambar berikut adalah feedback control untuk sistem tanki diatas.

mimo-3

Jika digambarkan dalam diagram blok akan menjadi sbb:

 mimo-4

Sistem dengan sifat interaksi seperti ini sangat sulit untuk dikontrol, karena perubahan pada input suatu loop, juga akan mempengaruhi output loop lainnya. Misalnya pada contoh diatas, jika pada suatu saat h1 turun dari SP1 (sementara h2 tetap), maka untuk menaikannya kembali, m1 harus dinaikan. Kenaikan m1 ini selain menaikan h1 ke SP1,  juga akan menaikan h2 (yang seharusnya tidak perlu), sehingga h2 menjadi lebih tinggi dari SP2. Selanjutnya, karena h2 naik, maka m2 diturunkan agar h2 bisa turun kembali, akan tetapi ini akan menyebabkan h1 juga ikut turun, dan seterusnya sehingga h1 dan h2 sulit untuk mencapai setpoint-nya masing-masing.

Dari penjelasan ini, dapat dilihat bahwa penggunaan feedback control biasa untuk mengontrol system seperti ini, tidak akan memberikan hasil yang memuaskan. Salah satu konfigurasi yang bisa mengatasinya adalah dengan menambahkan decoupling control pada feedback control yang sudah ada.

Tujuan decoupling adalah untuk memutuskan/menghilangkan sifat interaksi antar loop. Salah satu konfigurasi decoupling control yang biasa digunakan adalah seperti diperlihatkan dalam gambar berikut.

mimo-5

Dari gambar tersebut dapat dilihat, M2 mempengaruhi H1 dan M1 mempengaruhi H2 melalui persamaan berikut:

H1 (s) = ( D12(s) G11(s) + G21(s) ) M2

H2 (s) =  ( D21(s) G22(s) + G12(s) ) M1 

 

Karena tujuan decoupling adalah menghilangkan interaksi antar loop, maka persamaan diatas menjadi:

0 = (D12(s) G11(s) + G21(s)) , atau  D12 (s) = – G21 (s)/ G11 (s)

0 =  (D21(s) G22(s) + G12(s)) , atau D21 (s) = – G12 (s)/ G22 (s)

 

Sebagai contoh dalam sistem tanki diatas, melalui step test diperoleh G11 (s) = e-s/(2s+1),  G21(s) = 0.05 e-3s/(0.5s+1), G22(s) = 0.9 e-1.2s/(1.9s+1) dan G12(s) = 0.03 e-2.5s/(0.4s + 1)

Sehingga diperoleh:

D12 (s) = – [0.05 e-3s/(0.5s+1)]/[ e-s/(2s+1)] = – [0.05] [(2s+1)/(0.5s/1)] [e-2s], dan

D21 (s) = – [0.03 e-2.5s/(0.4s + 1)]/[ 0.9 e-1.2s/(1.9s+1)] = [0.03/0.9] [(1.9s+1)/ (0.4s + 1)] [e-1.3s].

 

Dari persamaan terakhir ini, terlihat bahwa kedua decoupler terdiri dari komponen gain, lead-lag dan dead-time. Dalam prakteknya ketiga komponen dapat diimplementasikan dengan menggunakan fungsi lead-lag dan fungsi dead-time yang sudah tersedia di hampir semua sistem control, apalagi yang berbasis digital seperti DCS. Akhirnya decoupling control untuk sistem tanki dapat digambarkan seperti berikut:

mimo-7

Dalam prakteknya, parameter control yang diperoleh dari perhitungan seperti diatas, tidak langsung memberikan kinerja kontrol yang baik. Nilai parameter tersebut hanya merupakan basis/harga awal, untuk mendapatkan kinerja yang baik, perlu dilakukan tunning lagi. Hal ini disebabkan model yang diperoleh dari step test terkadang tidak persis sama dengan kondisi aktual atau bisa juga karena banyak terjadi gangguan/disturbance.

Contoh penggunaan lainnya adalah pada vacuum column. Sebagaimana column distilasi pada umumnya, vacuum column juga memiliki sifat interaksi yang cukup kuat. Penjelasan mengenai vacuum column bisa dibaca di tulisan mengenai dead-time compensation pada serie sebelumnya. Untuk meningatkan kembali, perhatikan vacuum column pada gambar dibawah.

Untuk menjaga kestabilan operasi vacuum column, dilakukan  dengan menjaga temperature pada beberapa titik dalam column, antara lain: 1) Overhead temperature dengan mengatur aliran LVGO reflux; 2) LVGO temperature dengan mengatur aliran HVGO reflux; 3) HVGO temperature dengan mengatur aliran HVGO pump around.

Akan tetapi, dari pengalaman operator maupun dari hasil step test, menunjukan bahwa HVGO reflux tidak hanya mempengaruhi LVGO temperature, tetapi juga pada overhead temperature dan HVGO temperature. Begitu juga dengan HVGO pump around, tidak  hanya mempengaruhi HVGO temperature, tetapi juga pada LVGO temperature. Jadi ada  interkasi antar loop.

Untuk mengatasi permasalahan interkasi ini, maka ditambahkan decoupling control, seperti pada gambar berikut.

mimo-8

Ditulis dalam Process Control | 4 Comments »

Process Control : (7) Dead-Time Compensation

Posted by asro pada 15 Desember 2008

Dalam prakteknya, process yang lamban atau memiliki waktu tunda (dead-time) yang besar sangat sulit untuk dikontrol. Mengapa? Karena jika terjadi gangguan, baik pada beban, manipulated variable maupun setpoint, akibat yang ditimbulkan oleh gangguan tersebut tidak langsung dirasakan, tetapi setelah beberapa saat selama waktu tunda tersebut. Hal ini mengakibatkan aksi yang diambil oleh controller untuk mengatasi akibat dari gangguan tersebut juga terlambat. Jika gangguan terjadi terus menerus, maka variable yang dikontrol tidak akan pernah berada pada setpointnya.

Untuk mengatasi gangguan pada beban dan manipulated variable, digunakan konfigurasi feedforward dan cascade seperti yang sudah dibahas pada serie sebelumnya. Sedangkan untuk mengatasi gangguan pada setpoint (ini umumnya terjadi pada cascade loop, dimana setpointnya berasal dari control yang lain) digunakan suatu konfigurasi control yang disebut dead-time compensation. (Ini tidak berarti dead-time compensation hanya untuk mengatasi gangguan setpoint, konfigurasi ini juga bisa untuk mengatasi gangguan pada beban). Metoda ini pertama kali dikembangkan oleh O.J.M. Smith (1957), sehingga disebut juga dengan Smith Predictor.

Perhatikan suatu control loop seperti pada gambar berikut, dengan process dimodelkan oleh persamaan Gp (s) = G(s) e-Ds.  G(s) merupakan transfer function seperti   1/(ts + 1) ,  sedangkan  e-Ds  merupakan model untuk dead-time.

dead-time-1

Jika setpoint berubah, perubahan tersebut tidak langsung muncul di C, tetapi tunggu setelah waktu D. Selama kurun waktu D, kontrol belum beraksi, sementara itu gangguan terus terjadi, sehingga output C tidak akan pernah berada pada setpointnya. Untuk mengatasi permasalahan ini, Pa Smith mengusulkan konfigurasi kontrol seperti pada gambar berikut.

dead-time-2

Pada gambar tersebut, terdapat dua feedback loop, feedback luar yang diambil dari C dan feedback dalam yang diambil dari M. Gp adalah process, sedangkan G(s) dan  e-Ds  merupakan model process. Jika model yang dibuat sama persis dengan karakteristik prosesnya, maka output comparator A, yang merupakan feedback luar sama dengan nol, jadi tinggal feedback dalam, sehingga gambar tersebut dapat disederhanakan seperti berikut.

dead-time-3

Dari gambar terakhir ini bisa dilihat, jalur feedback tidak lagi melewati dead-time maupun proses, sehingga sistem tersebut lebih mudah dikontrol. Misalkan, jika terjadi perubahan setpoint R, perubahan tersebut akan langsung dirasakan oleh controller tanpa menunggu waktu D, karena feedbacknya diambil dari M bukan C, dengan demikian controller dapat bereaksi dengan cepat sebelum C berubah jauh.

Untuk keperluan implementasinya pada kondisi nyata, konfigurasi dead-time compensation diatas, dimodifikasi menjadi sbb:

 dead-time-4

Perhatikan bahwa, dalam konfigurasi ini, feedback yang nyata adalah yang diambil dari C, sedangkan yang lainnya hanya merupakan kalkulasi/perhitungan dalam controller (internal controller calculation).

Sekarang kita ambil contoh implementasinya pada sistem pemanas air seperti pada serie-serie sebelumnya. Konfigurasi feedback control dengan dead-time compensation akan menjadi sbb:

dead-time-5

TC adalah PID control, LD/LG merupakan fungsi lead-lag untuk perhitungan G(s) dan DT merupakan fungsi dead-time untuk   perhitungan   e-Ds .  Jangan kwatir, semua fungsi tersebut sudah tersedia dalam DCS maupun single loop control sebagai function block ,  kita tinggal menggunakannya.  Fungsi å , operator (+) dan (-) bisa menggunakan Calculation Block atau bisa juga menggunakan fasilitas penjumlahan dan pengurangan yang ada di setiap block yang digunakan.

Contoh penggunaan dead-time compensation lainnya adalah pada Vacuum Column, yaitu  untuk Vacuum column overflash to feed ratio control. Sebelum membahas konfigurasi control ini, terlebih dulu akan dijelaskan secara sepintas mengenai apa itu Vacuum unit. Vacuum unit merupakan unit proses yang memisahkan Long-Residue (CDU bottom product) menjadi produk yang lebih bernilai, pada tekanan dibawah tekanan atmosfir (vacuum). Untuk lebih jelas perhatikan gambar dibawah ini. Long residue dipanaskan di Heater hingga suhu tertentu, kemudian dimasukkan ke Vacuum Column, tepatnya pada flash zone, dimana terjadi vaporisasi, untuk selanjutnya dipisahkan menjadi produk-produk berdasarkan titik didihnya, yaitu LVGO, HVGO dan  Short-Residue. Sedangkan Slop Wax yang dikeluarkan dari Column, sebagiannya dikembalikan ke Heater sebagai feed (re-cycling) dan sebagian lainnya dicampur dengan bottom product menjadi Short-Residue.

 dead-time-6

Proses vaporisasi bergantung pada temperature fluida yang masuk, semakin tinggi temperaturenya semakin banyak yang menjadi vapor. Akan tetapi pada sisi lain, temperature yang terlalu tinggi akan menyebabkan meningkatnya overflash, yang berarti banyak energi yang terbuang percuma. Tujuan dari Overflash to Feed Ratio Control  adalah menjaga agar overflash tidak berlebih (energy saving) sambil tetap menjaga agar proses pemisahan terjadi dengan sempurna. Ini dilakukan dengan menjaga perbandingan/ratio antara overflash dan feed. Dalam konfigurasi control ini, yang dikontrol adalah Slop Wax Flow (yang menggambarkan overflash), dengan menggunakan flow controller FC. Setpoint FC diperoleh dari perkalian antara Overflash to Feed Ratio dan Feed Flow (R x F). Output FC di-cascade dengan Heater Temperature Control TC.

 dead-time-7

Pada konfigurasi ini, jika feed berubah-ubah maka setpoint FC juga berubah-ubah. Karena proses pemisahan feed menjadi product memiliki dead-time yang cukup besar,  maka sangat sulit untuk menjaga ratio R pada setpointnya. Untuk mengatasinya, ditambahkan dead-time compensation/smith predictor pada FC, seperti terlihat pada  gambar diatas.

Ditulis dalam Process Control | 2 Comments »

Process Control : (6) Split Range Control

Posted by asro pada 7 November 2008

Split range control merupakan konfigurasi kontrol dimana output suatu controller digunakan untuk menggerakan lebih dari satu actuator (control valve), dengan rentang kerja satu actuator dengan actuator lainnya umumnya berbeda.  Kegunaan split range control adalah untuk memperbesar rentang control (valve/actuator). Untuk lebih memahami konfigurasi split range control ini, perhatikan gambar berikut ini.

Ini merupakan suatu KO drum.  Dalam sistem ini, pada kondisi normal yang beroperasi adalah control valve yang kearah compressor, sedangkan control valve ke flare akan bekerja jika ada kelebihan pressure.  Untuk maksud ini, digunakan split range control seperti pada gambar tersebut, dimana pada kondisi output controller 0 – 50%  (bergantung kebutuhan, bisa juga 0 – 75% atau lainnya) akan menggerakan control valve compressor 0 – 100%, sedangkan output controller 50 – 100% akan menggerakan control valve flare 0 – 100% (control valve compressor tetap pada posisi 100%), begitu pula dengan arah sebaliknya.

Pada sistem ini, control valve flare diharapkan bereaksi cepat untuk membuang kelebihan pressure, sebaliknya  control valve compressor diset agar bereaksi lamban untuk menjaga kestabilan operasi compressor. Dari prespektif control, hal ini tidak mungkin dilakukan. Untuk mengatasi permasalahan ini, maka konfigurasi split range control ini diganti dengan konfigurasi yang menggunakan 2 buah controller, seperti pada gambar berikut.

 

Kedua controller menggunakan pressure transmitter yang sama. Dengan konfigurasi ini,  masing-masing controller dapat di-tunned untuk response yang berbeda, dalam hal ini controller compressor di-tunned untuk response lambat sedangkan controller flrare untuk response cepat. Kebutuhan split-range dapat dilakukan dengan memberi setpoint yang berbeda untuk kedua controller (setpoint controller flare jauh lebih tinggi dari compressor).

Contoh konfigurasi split range control lainnya adalah seperti pada gambar berikut.

 

Ini adalah sebuah Heat Exchanger, dengan controller (TC) dikonfigurasi dalam 2 mode, yaitu Split Range dan Oposite (merupakan bentuk khusus dari splite range). Dalam konfigurasi Splite Range, outpout TC  0 – 50% akan membuka control valve CV1 (0 – 100% ) sedangkan output 50 – 100%  akan menutup control valve CV2 (100 – 0%),  demikian pula sebaliknya. Sedangkan dalam konfigurasi Oposite, output TC 0 – 100% akan membuka CV1 (0 – 100%) dan sekaligus menutup CV2 (100 – 0%), demikian pula sebaliknya.

Jenis konfigurasi split range control lainnya adalah yang dikenal dengan nama valve position controller.  Perhatikan sistem Tanki Netralizer berikut.

Dalam sistem ini, air dinetralkan dengan menggunakan reagent, untuk itu sistem dilengkapi dengan PH controller AC1-1 dalam konfigurasi split range. Output AC1-1 dibagi oleh blok AY1-1 menjadi dua, yaitu ke valve dengan ukuran kecil (small valve) dan ke valve besar (large valve), dengan rentang signal sbb: Out AC1-1  0 – 10%   ke Valve kecil sedangkan 10 – 100% ke Valve besar, ini disesuaikan dengan ukuran valve, yaitu valve kecil berukuran 10 kali valve besar. Penggunaan split range dengan ukuran valve yang jauh berbeda seperti ini dalam prakteknya mempunyai banyak kelemahan. Valve besar dengan deadband (backlash) dan resolution limit (stick-slip) yang lebih besar dari valve kecil akan menyebabkan osilasi terutama pada saat peralihan aksi dari valve besar ke valve kecil. Untuk mangatasi permasalahan ini, digunakan konfigurasi valve position control seperti pada gambar berikut.

 

Pada konfigurasi ini, output AC1-1 digunakan untuk menggerakan kedua valve tanpa dibagi (split), hanya saja untuk valve besar sinyal control tidak langsung menggerakan valve, tetapi dimasukan dulu ke  control ZC1-1.  ZC1-1 dengan aksi integral (integral only control action) yang lambat dimaksud untuk mencegah terjadi osilasi yang disebabkan oleh nilai deadband dan resolution limit  yang besar pada valve besar.

Ditulis dalam Process Control | 3 Comments »

Process Control : (5) Override Control.

Posted by asro pada 12 Agustus 2008

Override control merupakan salah satu konfigurasi process control yang digunakan untuk menjaga agar operasi unit proses selalu berada pada kondisi yang dianggap aman. Untuk menjelaskan prinsip kerja override control ini, perhatikan kembali contoh sistem tanki pemanas pada serie-serie sebelumnya.

Pada contoh kali ini yang menjadi perhatian kita bukan temperature air seperti sebelumnya tetapi pada level air dalam tanki. Pada sistem ini, air panas dalam tanki dipompa keluar dari tanki menggunakan pompa PM. Pada operasi normal, level air dalam tanki berada pada ketinggian antara h1 dan h2. Pada kondisi tertentu, misalnya aliran air dingin yang masuk berkurang atau kebutuhan akan air panas dari tanki meningkat, level air dalam tanki bisa turun melewati h2, dimana pada kondisi ini NPSHA sistem tidak cukup sehingga menyebabkan pompa PM kavitasi yang bisa merusak pompa tersebut. Untuk menjaga agar tidak terjadi kavitasi pada pompa PM, maka level air dalam tanki harus dijaga agar jangan sampai berkurang melewati h2. Untuk maksud ini, akan digunakan konfigurasi kontrol seperti pada gambar berikut.

Konfigurasi ini menggunakan 2 controller, yaitu level control LC dan flow control FC. Digunakan juga low selector LS untuk menyeleksi output control mana yang akan mengendalikan elemen kontrol akhir (final control element). Sebagai elelemen kontrol akhir adalah pompa PM yang kecepatan putarnya berubah-ubah (variable speed pump) sesuai perubahan output kontrol sehingga jumlah air yang dipompa bisa diatur dengan mengatur besar kecilnya output kontrol. Jika level berada diatas setpoint LC, maka output LC harus naik agar PM berputar lebih cepat untuk menurunkan level, begitu pula sebaliknya. Oleh karena itu, LC harus bekerja dalam mode reverse action (Algoritma yang digunakan adalah Error=Setpoint-Process Variabel). Berbeda dengan LC,  FC diset pada mode direct action. Penjelasannya adalah sbb: jika flow berada diatas setpoint maka output FC harus turun agar putaran PM dapat turun untuk mengurangi flow.

Selanjutnya, mari kita lihat cara kerja konfigurasi kontrol ini. Diasumsikan suatu saat level tanki pada kondisi maksimum h1 dan kecepatan alir air panas yang keluar sama dengan setpoint FC. Pada kondisi ini output LC lebih besar dari output FC, sehingga yang mengendalikan putaran pompa PM adalah FC. Kemudian diasumsikan terjadi penurunan aliran air dingin yang masuk ke tanki sehingga level tanki ikut turun. Penurunan level menyebabkan output LC juga turun. Jika penurunan output LC melewati besarnya output FC, maka pengendalian putaran PM akan diambil alih oleh LC yang bereaksi menurunkan putaran PM, sehingga aliran air panas keluar tanki juga menurun. Dengan mengecilnya aliran air panas yang keluar tanki, maka penurunan level tanki dapat dihentikan/dicegah untuk tidak melewati level kritis h2 sehingga pompa PM tetap bekerja pada kondisi aman/tidak terjadi kavitasi.

Pada contoh ini bisa dilihat bahwa terjadi pengambil alihan dari FC ke LC, jadi seolah-olah LC mengesampingkan/menolak (override) adanya FC, itu sebabnya mengapa konfigurasi kontrol ini disebut override control.

Contoh penggunaan override control lainnya adalah pada combustion control boiler atau furnace. Seperti diketahui bahwa akumulasi bahan bakar yang tidak habis terbakar dalam ruang bakar merupakan potensi yang membahayakan dalam pengoperasian suatu unit boiler atau furnace, sehingga harus dihindari. Untuk meyakinkan bahwa semua bahan bakar yang masuk ke ruang bakar habis terbakar maka harus ada cukup excess air (udara). Untuk meksud ini, konfigurasi override control digunakan seperti pada gambar berikut.

Pada konfigurasi ini, override control menggunakan High Selector (HS) dan Low Selector (LS). Secara umum mekanisme kerja konfigurasi kontrol ini adalah apabila ada kebutuhan penambahan beban, maka yang ditambah terlebih dahulu adalah udara bakar, baru kemudian bahan bakarnya, begitu pula sebaliknya jika terjadi penurunan beban, maka yang dikurangi lebih dahulu adalah bahan bakarnya baru kemudian udara bakar. Dengan mekanisme seperti ini diharapkan excess air selalu terjaga sehingga bahaya akibat terakumulasinya bahan bakar yang tidak terbakar bisa dihindari.

Ditulis dalam Process Control | 2 Comments »

Process Control : (4) Ratio Control

Posted by asro pada 23 Juli 2008

Perhatikan kembali sistem pemanas yang dibahas pada serie sebelumnya seperti pada gambar berikut.

Seperti sudah dijelaskan pada serie yang lalu, gambar ini merupakan sebuah tanki pemanas yang digunakan untuk memanaskan air. Air dingin dengan suhu Ti dialirkan kedalam tanki dengan kecepatan alir W. Tanki dilengkapi dengan pemanas berupa steam/uap yang selalu memberikan kalori q kedalam tanki. Air panas dengan suhu To dialirkan keluar tanki dengan kecepatan aliran yang sama dengan aliran masuk, yaitu W.

Bila tekanan dan suhu  air dingin serta  tekanan dan suhu steam/uap bisa dijaga konstant, maka untuk menjaga suhu air dalam tanki (atau air yang keluar tanki)  tetap To,  dapat dilakukan dengan mengalirkan air dingin maupun uap yang masuk ke tanki dalam perbandingan tertentu .  Misalkan perbandingan tersebut adalah R = B/A, dengan A merupakan kecepatan alir air dingin dan B kecepatan alir uap.  Untuk menjaga perbandingan tersebut agar tetap sama, dapat digunakan konfigurasi ratio control seperti gambar berikut.

Dari gambar ini terlihat, kecepatan alir air dingin A, diukur oleh flow transmitter, hasil pengukurannya kemudian dikalikan dengan R di FY (flow calculation), hasil perkalian merupakan setpoint untuk steam Flow Control (FC) B.  Dalam konfigurasi ini, aliran air dingin A merupakan variable yang independen, sedangkan aliran uap B merupakan variable yang diubah-ubah untuk disesuaikan dengan perubahan variabel A, dalam menjaga agar ratio R tetap konstan.  Apabila suatu saat terjadi kenaikan aliran air dingin A, maka  setpoint yang masuk ke FC juga naik (karena Setpoint B = A x R) yang mengakibatkan kontrol FC akan membuka control valve CV, sehingga aliran uap B juga ikut naik, sampai harga perbandingan B/A sama dengan R, begitu pula sebaliknya.

Alternative lainnya adalah dengan menggunakan konfigurasi berikut.

Jika pada konfigurasi diatas yang dikontrol adalah flow (aliran uap), maka dalam konfigurasi ini yang akan dikontrol adalah R (ratio). Hasil pengukuran aliran steam dibagi dengan hasil pengukuran aliran air dingin di FY akan dijadikan sebagai input (process variable/PV) untuk ratio control RC. Output RC digunakan untuk memanipulasi bukaan control valve uap CV. Bila pada suatu saat terjadi penurunan pada aliran air dingin A, perubahan ini akan menyebabkan input PV ke RC naik (PV= B/A), sehingga controller RC akan menutup control valve CV hingga nilai R kembali sama dengan setpointnya, begitu juga sebaliknya.

Dari kedua skema ratio control ini, skema yang pertama yang menggunakan flow control (FC) lebih umum digunakan, karena dia lebih linear dibandingkan dengan konfigurasi kedua (yang menggunakan Ratio Control).  Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Untuk konfigurasi pertama, output sistem-nya adalah B = RA; jika kita turunkan/differential terhadap A sebagai independen variable, maka akan diperoleh dB/dA = R, yang merupakan suatu konstanta.  Sebaliknya, untuk konfigurasi kedua, output sistem-nya adalah R=B/A; jika diturunkan terhadap A, akan diperoleh dR/dA = -B/A2, yang bergantung pada A2 sehingga tidak linier.

Penggunaan ratio control pada tanki pemanas seperti yang dibahas ini hanyalah contoh saja, pada prakteknya kita tidak pernah menemukan hal ini, karena untuk menjaga suhu dan tekanan air dingin dan uap yang masuk ke tanki agar tetap konstan seperti asumsi awal kita, adalah sangatlah sulit. Alasan mengapa saya menggunakan sistem tanki pemanas ini sebagai contoh untuk menjelaskan ratio control adalah agar bisa nyambung dengan series sebelumnya yang juga mengambil sistem tanki pemanas ini sebagai contoh.

Pada prakteknya, penggunaan ration control ini adalah pada blanding system atau pada sistem pembakaran di Boiler atau Furnace.  Selanjutnya akan dibahas contoh penggunaan ratio control di Boiler.

Dalam sistem pembakaran baik di Boiler maupun Furnace, untuk menjamin agar bahan bakar dapat habis terbakar, maka udara yang dimasukan ke ruang bakar harus berlebih (excess) dalam jumlah tertentu sesuai hukum stoichiometry.  Semakin banyak excess udara maka banyak energi yang terbuang sehingga tidak ekonomis, sebaliknya  sedikit excess udara akan menyebabkan sebagian bahan bakar tidak terbakar yang bisa membahayakan. Untuk itu,  menjaga excess udara pada nilai yang optimal sangat diperlukan, caranya adalah dengan menggunakan air/fuel ratio control (maksudnya ratio antara udara/bahan bakar).  Jumlah kelebihan (excess) udara  yang optimal sangat bergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan.

Seperti diketahui, bahwa boiler adalah salah satu peralatan yang banyak digunakan dalam industri proses sebagai penghasil steam/uap pada tekanan/pressure tertentu.  Dalam suatu sistem boiler, Untuk menjaga pressure steam pada nilai yang diinginkan, dilakukan dengan mengatur besarnya pembakaran, yaitu dengan cara mengatur besarnya aliran bahan bakar dan udara yang masuk ke ruang bakar. Gambar berikut adalah salah satu contoh boiler pressure control yang didalamnya termasuk fuel/air ratio control.

Dalam konfigurasi control ini, steam pressure control akan mengeset besarnya flow/aliran fuel (output steam pressure control PC sebagai setpoint untuk fuel flow control FC-1), sementara besarnya flow udara mengikuti flow fuel, melalui penggunaan air/fuel ratio station (FY-1).  Untuk menjelaskan ini mari kita lihat apa yang terjadi jika pressure steam mengalami penurunan.  Saat pressure steam turun, pressure control PC akan menaikan setpoint fuel flow control FC-1, sehingga flow fuel akan naik.  Dari gambar terlihat bahwa sinyal dari fuel flow transmiiter dikalikan dengan ratio R pada blok FY-1 untuk menghasilkan setpoint untuk air flow control FC-2,  jadi kenaikan flow fuel akan menaikan setpoint untuk air flow control FC-2, yang selanjutnya akan membuka  control valve sehingga flow/aliran udara  akan meningkat hingga ke nilai optimalnya (sesuai ratio). Dengan bertambahnya flow fuel dan udara maka pembakaran di ruang bakar juga bertambah sehingga tekanan uap akan naik hingga mencapai nilai yang diinginkan sesuai setpoint PC. Hal yang sama juga terjadi pada kondisi sebaliknya, yaitu jika pressure steam naik melebihi setpoint, PC akan menurunkan setpoint fuel flow control FC-1, yang menyebabkan flow fuel turun yang diikuti oleh flow udara. Penurunan flow kedua komponen pembakaran ini akan mengurangi pembakaran di ruang bakar sehingga tekanan uap akan turun hingga mencapai setpoint PC. Dalam konfigurasi diatas, besarnya ratio R diset secara manual. Selain diset secara manual, besarnya ratio R juga dapat diset/berubah secara otomatis, seperti pada konfigurasi control dibawah ini.

 

Mengingat begitu pentingnya excess udara pada proses pembakaran, maka akan lebih baik jika dia diukur secara online, seperti pada gambar diatas.  Excess udara (dalam hal ini O2) dalam flue gas (gas hasil pembakaran) diukur oleh analyzer (AT), sinyal hasil pengukuran digunakan sebagai PV (process varible) anlyzer control AC, output AC digunakan sebagai bias untuk setpoint air flow control yang berasal dari perkalian ratio dengan fuel flow atau sebagai bias untuk ratio.

Ditulis dalam Process Control | 1 Comment »

Process Control : (3) Feedforward Control

Posted by asro pada 4 Juli 2008

Tulisan ini merupakan bagian ketiga dari tulisan berseri tentang Process Control.  Seri pertama membahas Feedback control dan seri kedua tentang Cascade control.  Pada seri ketiga ini  akan dibahas salah satu konfigurasi kontrol yang juga sering digunakan yaitu Feedforward control.

Sama dengan pada cascade control, konfigurasi feedforwad control dibuat untuk mengatasi adanya gangguan (disturebance).  Perbedaan antara keduanya terletak pada dari sisi mana gangguan tersebut terjadi.  Pada cascade control, penambahan control kedua (slave/inner control) bertujuan untuk mengatasi gangguan (disturbance) yang terjadi pada manipulated variable,  sedangkan    feedforward control digunakan untuk mengatasi gangguan pada beban (load).  Untuk menjelaskan hal ini, perhatikan kembali feedback control pada gambar berikut.
null

Sebelum membahas lebih jauh tentang feedforrward control, marilah terlebih dahulu kita melihat apa yang menjadi manipulated variabel dan apa yang menjadi beban dalam sistem ini, sehingga kita tidak salah pilih konfigurasi control yang digunakan, apakah cascade atau feedforward.  Manipulated variable adalah variable yang dimanipulasi (diubah-ubah besarnya) oleh controller dalam rangka menjaga agar control variable tetap berada pada setpointnya.  Untuk menentukan manipulated variable tidak sulit, kita tinggal melihat dimana letak control valve berarti disitulah manipulated variablenya, seperti dalam sistem diatas, yang menjadi manipulated variable adalah flow (aliran) steam. Gangguan pada aliran steam bisa berupa perubahan tekanan/pressure steam (seperti yang diasumsikan pada tulisan mengenai cascade control yang lalu) atau bisa juga perubahan pada temperature steam.  Jika gangguan pada temperature steam, maka yang menjadi slave adalah temperarure control bukan pressure control seperti pembahasan yang lalu.  Variable yang berikut adalah beban (load),  variable beban menentukan besarnya energi/power yang dibutuhkan oleh suatu sistem, pada sistem diatas yang menjadi beban adalah aliran air dingin yang masuk ke tanki. Semakin besar aliran air dingin yang masuk ke tanki, semakin banyak energi panas yang dibutuhkan untuk memanaskan air, begitu pula sebaliknya.

Setelah mengetahui perbedaan antara manipulated variabel dan beban, sekarang mari kita bahas seperti apa konfigurasi feedforward control itu.  Untuk itu, perhatikan lagi gambar feedback control diatas,  kita andaikan  kecepatan alir air dingin W berubah.  Perubahan W ini akan menyebabkan variable yang dikontrol (controlled variable) yaitu temperature air dalam tanki To juga berubah.  Karena sistem ini mempunyai time delay yang cukup besar, maka perubahan To tersebut tidak langsung terukur oleh elemen sensing feedback loop sehingga aksi koreksi yang dilakukan oleh feedback control juga mengalami penundaan. Sementara itu akibat dari gangguan ini terus masuk ke sistem, sehingga To selalu menyimpang dari setpointnya. Untuk memperbaiki sistem ini, konfigurasi control baru, yang disebut feedforward control digunakan, seperti terlihat pada gambar berikut.
null

Pada konfigurasi kontrol ini, fluktuasi pada kecepatan alir air W diukur oleh sensor flow, kemudian diberikan ke flow controller (FC).  Output FC akan dijumlahkan dengan output feedback control TC untuk kemudian dikirim ke control valve (CV).  Dengan konfigurasi ini, perubahan yang terjadi pada kecepatan alir W akan langsung memanipulasi bukaan control valve steam/uap CV sehingga To tidak sampai berubah.

Konfigurasi kontrol pada gambar diatas, dapat digambarkan dalam bentuk blok digaram berikut.
null

Dari Diagram blok ini terlihat adanya informasi mengenai beban/load yang diumpan maju (feedforward) kedalam proses melalui controller (Flow controller), itu sebabnya mengapa konfigurasi ini disebut sebagai feedforward control. Penggunaan feed forward control tidak berdiri sendiri, tetapi digunakan bersama-sama dengan feedback control seperti contoh diatas.

Jika kita perhatikan konfigurasi cascade control pada pembahasan yang lalu dengan konfigurasi feedforward control pada gambar diatas, ada perbedaannya, dimana pada cascade control output master control (TC) akan menjadi setpoint untuk slave control (PC), kemudian output slave control yang akan menggerakan control valve (CV). Sedangkan pada feedforward control, output feedforward control (FC) dijumlahkan dengan output TC, kemudian hasil penjumlahannya akan digunakan untuk menggerakan control valve (CV).

Umumnya, Feedforward control berisi algoritma lag/lead + deadtime, bukan PID seperti pada feedback control maupun cascade control.

Ditulis dalam Process Control | 3 Comments »

Process Control : (2) Cascade Control.

Posted by asro pada 19 Juni 2008

Pada seri yang lalu, kita sudah membahas apa itu Feedback Control. untuk lebih mengingatkan kembali, perhatikan gambar feedback control berikut:

null
Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, bahwa dalam sistem ini, temperature air dalam tanki dijaga agar tetap konstan dengan mengatur kecepatan alir kalori (uap), q sebagai variabel yang dimanipulasi (manipulated variable). Jika pada suatu saat terjadi gangguan pada tekanan supply uap, maka kecepatan alir uap juga akan berubah, sehingga dengan sendirinya akan mengubah temperature air dalam tanki sebagai variabel yang dikontrol (control variable).

Karena sistem ini mempunyai time delay yang cukup besar, maka perubahan pada temperature air tadi tidak langsung terukur oleh elemen sensing (thermocouple – TT) sehingga aksi koreksi yang dilakukan oleh feedback control juga mengalami penundaan. Sementara itu, akibat dari gangguan ini terus masuk kedalam sistem. Apabila gangguan perubahan tekanan supply uap ini berlangsung terus menerus, maka akan menyebabkan control variable (temperature air) tidak akan berada pada setpointnya untuk waktu yang lama (akan berosilasi terus menerus).
Untuk memperbaiki sistem ini, control loop kedua ditambahkan seperti pada gambaar berikut:

null
Pada sistem ini, fluktuasi pada tekanan supply uap diukur oleh sensor tekanan (PT) dan kontrol tekanan (pressure control – PC) akan memanipulasi bukaan control valve uap (CV) sedemikian sehingga tekanan uap yang masuk ke tanki tetap konstant. Dengan jalan ini, efek fluktuasi tekanan supply uap terhadap temperature air dalam tanki dapat dihilangkan, dengan demikian kinerja control dapat dipertahankan.

Blok diagram untuk sistem pada gambar diatas, dapat dilihat pada gambar berikut.
null
Dari kedua gambar terakhir ini dapat dilihat bahwa yang menjadi setpoint untuk pressure control (PC) adalah output dari temperature control (TC). Konfigurasi kontrol seperti ini, yang mana output suatu controller memanipulasi setpoint controller yang lainnya disebut sebagai sistem kontrol kaskad (cascade control system).
Bentuk umum diagram blok cascade control dapat dilihat pada gambar berikut.

null
Dari gambar tersebut terlihat kedua controller masing-masing mempunyai elemen pengukur (sensing) sendiri. Akan tetapi hanya satu controller yang disebut primary atau master controller mempunyai setpoint yang bebas, dan hanya satu controller yang disebut sebagai secondary atau slave controller yang berhubungan langsung dengan atau mempunyai output ke process.
Secondary controller, variable yang dimanipulasi (manipulated variable) serta elemen pengukurnya akan mempentuk satu loop sendiri yang disebut secondary loop atau inner loop. Inner loop ini jika dilihat dari primary controller bisa dianggap sebagai satu elemen dinamik baru sehingga dapat digambarkan sebagai satu blok sendiri. Dengan demikian diagram blok diatas dapat disederhanakan menjadi seperti gambar berikut.

null
Gambar ini merupakan outer loop atau primary loop yang terdiri dari semua elemen cascade control termasuk inner loop yang sudah digambarkan sebagai satu blok.
Untuk menjamin agar cascade control berfungsi sebagaimana mestinya, maka dinamika inner loop harus lebih cepat dari outter loop, atau dalam frequency domain dikatakan bahwa bandwidth inner loop harus lebih besar (lebar) dari bandwidth outer loop, sehingga inner controller akan mengoreksi sendiri loop-nya sebelum ia mengubah control variable. Jika kondisi ini tidak dipenuhi, maka kinerja cascade control tidak akan memuaskan.

Ditulis dalam Process Control | 8 Comments »

Process Control : (1) Feedback Control

Posted by asro pada 3 Juni 2008

Tulisan ini merupakan bagian pertama dari beberapa tulisan berseri mengenai Process Control.

Apa itu process control? Bagi orang awam kata/istilah ini mungkin terasa asing, tetapi tidak bagi yang bekerja di industri proses (seperti kilang minyak, pabrik petro kimia, industri gas dan industri sejenis lainnya) atau bagi yang sedang/pernah mempelajari/meneliti/mengajar bidang studi ini.

Untuk memahami pengertian process control perhatikan gambar berikut ini.

 

Gambar diatas merupakan sebuah  tanki  pemanas  yang  digunakan  untuk  memanaskan  air.  Air  dingin  dengan  temperature  Ti  dialirkan  kedalam  tanki  dengan  kecepatan aliran  w.  Tanki  dilengkapi  dengan  pemanas berupa steam/uap  yang  selalu  memberikan   kalori  q  kedalam  tanki.  Air  panas  dengan  temperature  To  dialirkan  keluar  dari  tanki  dengan kecepatan aliran yang  sama  dengan  aliran  masuk  yaitu  w

Jika suatu waktu temperature  air   yang  keluar  menyimpang  dari  To,  maka  untuk mengembalikannya ke To dapat dilakukan dengan merubah jumlah kalori  yang  diberikan    pemanas. Untuk  keperluan  ini,  seorang  operator  ditugaskan  untuk  mengukur  temperature  air  yang  keluar ,  membandingkannya  dengan  To,  kemudian  melakukan  aksi  untuk  mengubah  jumlah  kalori  yang  masuk  ke  tanki  apabila  terjadi  penyimpangan  antara  temperature  yang  diukur  dan  To.

Pekerjaan  operator  tersebut  yaitu  mengukur  temperature  air,  membandingkan  dengan  harga  yang  dikehendaki  serta  melaksanakan  aksi  koreksi  terhadap  sistem  di  atas  disebut  control system,  dan  karena  dilakukan  terhadap  variabel  process  (flow,  pressure,  level  dan  temperature )  maka  disebut  process  control  system atau cukup dengan process control.

Agar  temperature  air  yang  keluar  tetap  berharga  To,  maka  operator  di  atas  harus  melaksanakan  pekerjaannya  secara  terus  menerus. Untuk lebih efisien dan efektif, maka  pekerjaan  operator  ini dapat  diganti dengan  menggunakan  peralatan  instrument,  seperti terlihat pada gambar berikut.

Sebuah  alat ukur  temperature/thermocouple (TT) digunakan untuk mengukur temperature air dalam tanki, sinyal dari thermocouple akan dikirim ke controller (TC). Controller membandingkan sinyal hasil pengukuran thermocouple dengan sinyal referensi, hasil pembandingan akan digunakan untuk mengubah jumlah kalori yang masuk ke tanki dengan jalan membuka atau menutup control valve (CV). Hal ini dilakukan secara terus  menerus sehingga nilai temperature air dalam tanki selalu constant.

Untuk mempermudah analisa dan design, maka interaksi antara semua variable dari sistem pada gambar diatas dapat digambarkan dalam bentuk block diagram berikut.

 

Dari block diagram diatas terlihat bahwa temperature dalam tanki To diukur oleh thermocouple kemudian dikembalikan ke comparator untuk dibandingkan dengan referensi/set point Tsp. Perbedaan antara Tsp dan To merupakan sinyal error yang akan digunakan oleh controller untuk melakukan aksi perbaikan yaitu dengan mengubah harga kalori q.  Karena dalam sistem ini  ada aksi umpan balik (feedback) dari output ke input maka sistem ini disebut juga feedback control (kontrol umpan balik).

Selain feedback control, dikenal juga feedforward control , cascade control dan lainnya, yang akan dibahas dalam seri selanjutnya dari tulisan ini.

Sebagai penutup tulisan ini, dapat disampaikan bahwa secara umum diagram blok feedback control dapat digambarkan seperti berikut.

 

Dari diagram ini terlihat elemen-elemen dalam process control adalah:

  • Plant: yaitu process yang akan dikontrol, mulai dari yang paling sederhana seperti sistem aliran, sistem temperature sampai dengan yang paling kompleks yang melingkup suatu unit proses.
  • Measurement element/Sensor : sistem pengukuran yang digunakan untuk mengukur variable process yang akan dikontrol (controlled variable).
  • Comparator : merupakan pembanding yang membandingkan control variable dengan set point.
  • Controller : yaitu elemen yang akan melakukan aksi koreksi terhadap deviasi antara aktual control variable dengan set point. Pada prakteknya comparator dan controller merupakan satu kesatuan.
  • Final control : merupakan penghubung antara controller dan plant, bisa berupa control valve, solenoid valve, dumper, relay dan sebagainya.

Ditulis dalam Process Control | 17 Comments »

 
Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.

Bergabunglah dengan 34 pengikut lainnya.