PENGENDALIAN PROSES

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

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

Pendahuluan
Agar proses selalu stabil dibutuhkan instalasi alat-alat pengendalian. Alat-alat pengendalian dipasang dengan tujuan:
1. Menjaga keamanan dan keselamatan kerja
Keamanan dalam operasi suatu pabrik kimia merupakan kebutuhan primer untuk orang-orang yang bekerja di pabrik dan untuk kelangsungan perusahaan. Untuk menjaga terjaminnya keamanan, berbagai kondisi operasi pabrik seperti tekanan operasi, temperatur, konsentrasi bahan kimia, dan lain sebagainya harus dijaga tetap pada batas-batas tertentu yang diizinkan.
2. Memenuhi spesifikasi produk yang diinginkan
Pabrik harus menghasilkan produk dengan jumlah tertentu (sesuai kapasitas desain) dan dengan kualitas tertentu sesuai spesifikasi. Untuk itu dibutuhkan suatu sistem pengendali untuk menjaga tingkat produksi dan kualitas produk yang diinginkan.
3. Menjaga peralatan proses dapat berfungsi sesuai yang diinginkan dalam desain
Peralatan-peralatan yang digunakan dalam operasi proses produksi memiliki kendala-kendala operasional tertentu yang harus dipenuhi. Pada pompa harus dipertahankan NPSH, pada kolom distilasi harus dijaga agar tidak flooding, temperatur dan tekanan pada reaktor harus dijaga agar tetep beroperasi aman dan konversi menjadi produk optimal, isi tangki tidak boleh luber ataupun kering, serta masih banyak kendalakendala lain yang harus diperhatikan.
4. Menjaga agar operasi pabrik tetap ekonomis.
Operasi pabrik bertujuan menghasilkan produk dari bahan baku yang memberi keuntungan yang maksimum, sehingga pabrik harus dijalankan pada kondisi yang menyebabkan biaya operasi menjadi minimum dan laba yang diperoleh menjadi maksimum.
5. Memenuhi persyaratan lingkungan
Operasi pabrik harus memenuhi berbagai peraturan lingkungan yang memberikan syarat-syarat tertentu bagi berbagai buangan pabrik kimia.

Untuk memenuhi persyaratan diatas diperlukan pengawasan (monitoring) yang terus menerus terhadap operasi pabrik kimia dan intervensi dari luar (external intervention) untuk mencapai tujuan operasi. Hal ini dapat terlaksana melalui suatu rangkaian peralatan (alat ukur, kerangan, pengendali, dan komputer) dan intervensi manusia (plant managers, plants operators) yang secara bersama membentuk control system. Dalam pengoerasian pabrik diperlukan berbagai prasyarat dan kondisi operasi tertentu, sehingga diperlukan usaha-usaha pemantauan terhadap kondisi operasi pabrik dan pengendalian proses supaya kondisi operasinya stabil.

Sistem Pengendalian
Sistem pengendali diterapkan untuk memenuhi 3 kelompok kebutuhan, yaitu:
1. menekan pengaruh gangguan eksternal
2. memastikan kestabilan suatu proses kimiawi
3. optimasi kinerja suatu proses kimiawi

Variabel-variabel yang terlibat dalam proses operasi pabrik adalah F (laju alir), T (temperatur), P (tekanan) dan C (konsentrasi). Variabel-variabel tersebut dapat dikategorikan menjadi 2 kelompok, yaitu variabel input dan variabel output. Variabel input adalah variabel yang menandai efek lingkungan pada proses kimia yang dituju. Variabel ini juga diklasifikasikan dalam 2 kategori, yaitu:
1. manipulated (adjustable) variable, jika harga variabel tersebut dapat diatur dengan bebas oleh operator atau mekanisme pengendalian
2. disturbance variable, jika harga tidak dapat diatur oleh operator atau sistem pengendali, tetapi merupakan gangguan.

Sedangkan variabel output adalah variabel yang menandakan efek proses kimia terhadap lingkungan yang diklasifikasikan dalam 2 kelompok:
1. measured output variables, jika variabel dapat diketahui dengan pengukuran langsung
2. unmeasured output variables, jika variabel tidak dapat diketahui dengan pengukuran langsung

Disain Elemen Pengendali Proses
Desain elemen pengendalian harus sesuai dengan kebutuhan pengendalian yang diinginkan dan bekerja delam pengendalian proses pabrik. Untuk mencapai tujuan tersebut perlu diperhatikan langkah-langkah dalam mendesain sistem pengendalian Dalam usaha merancang suatu sistem pengendali yang dapat memenuhi kebutuhan suatu proses kimia terdapat beberapa unsur penting dan pertimbangan-pertimbangan dasar yang harus diperhatikan. Unsur-unsur tersebut adalah:
1. pendefinisian/penetapan tujuan dan sasaran pengendalian (control objective definition)
2. penentuan variabel yang harus diukur (measurement selection)
3. penentuan variabel yang akan dimanipulasi (manipulated variables selection)
4. pemilihan konfigurasi pengendalian (control configuration selection)
5. perancangan sistem pengendali (controller design)

Pendefinisian Tujuan Pengendalian
Dalam mendefinisikan tujuan pengendalian perlu diperhatikan beberapa hal pentuing yang merupakan pronsip dasar penerapan pengendalian proses pada pabrik. Prinsip utama penerapan pengendalian proses pada pabrik adalah untuk memastikan kinerja suatu proses kimia, memastikan kestabilan suatu proses kimia, dan menekan gangguan eksternal. Prinsip dasar ini harus tercakup dalam pendefinisian tujuan pengendalian baik satu atau kombinasi dari ketiga hal tersebut.

Pada awal perancangan, sasaran pengendalian (control objectives) didefinisikan secara kualitatif, selanjutnya tujuan ini dikuantifikasi dalam bentuk variabel output. Sebagai contoh untuk sistem reaktor CSTR salah satu pemakaian controller dilakukan dengan tujuan pengendalian (control objectives) sebagai berikut:

1. secara kualitatif : menjamin kestabilan temperatur di dalam reaktor (diasumsikan sama dengan temperatur keluaran reaktor) pada keadaan steady state yang tidak stabil
2. secara kuantitatif : menjaga agar temperatur (variabel output) tidak berfluktuasi lebih dari 5% harga nominalnya.

Pemilihan Variabel yang Harus Diukur
Beberapa pemhukuran variabel harus dilakukan agar kinerja operasi pabrik dapat dimonitor Terdapat beberapa jenis pengukuran variabel yang dapat diterapkan untuk pengendalian proses:

1. Primary Measurement
Bila memungkinkan sebaiknya pada pengendalian proses harga variabel yang menjadi objective pengendalian harus diukur/dimonitor. Cara pengukuran variabel proses yang menjadi control objective pengendalian secara langsung disebut primary measurement. Sebagai contoh pada sistem mixer tangki berpengaduk control objective adalah mempertahankan T dan h cairan dalam tangki pada harga T = Tsp (sp = set point) dan h=hsp. Karena itu, usaha pertama yang harus dilakukan adalah memasang alat pengukur untuk dapat mengamati nilai T dan h cairan dalam tangki secara langsung, yaitu dengan denggunakan termokopel untuk pengukuran T dan differential pressure cell untuk mengukur h.

Secondary Measurement
Pada kasus-kasus tertentu, variabel yang merupakan control objective tidak dapat diukur secara langsung (unmeasured output). Pada kasus-kasus dengan control objective yang tidak dapat diukur langsung tersebut, harus diukur variabel lain yang tergolong measured variable dan dapat dikorelasikan melalui suatu hubungan matematis tertentu dengan unmeasured output yang ingin dikendalikan.

3. Pengukuran external disturbance
Pengukuran disturbance sebelum variabel tersebut masuk ke dalam proses dapat sangat menguntungkan, karena hasil pengukuran tersebut dapat memberikan informasi mengenai kelakuan proses yang akan terjadi. Informasi tersebut dapat digunakan untuk menentukan aksi pengendalian yang harus diambil apabila menggunakan sistem pengendalian feedforward.

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

Pemilihan Variabel yang Dimanipulasi
Dalam proses kimia, umumnya terdapat beberapa variabel input yang dapat diatur dengan bebas. Untuk memilih variabel mana yang akan dimanipulasi, harus dipertimbangkan efek dari tindakan yang diambil terhadap kualitas pengendalian. Sebagai contoh pengendalian ketingguan cairan dalam reaktor, tangki, ataupun kolom distilasi dapat dilakukan dengan mengatur laju alir masuk dan laju alir keluar cairan.

Pemilihan Konfigurasi Pengendalian
Konfigurasi pengendalian merupakan suatu struktur informasi yang digunakan untuk mnghubungkan variabel pengukuran terhadap variabel yang akan dimanipulasi. Sebagai contoh pengendalian temperatur dan ketinggian cairan pada reaktor, kolom distilasi, mixer, dan alat lainnya memiliki beberapa alternatif konfigurasi sistem pengendali. Perbadaan-perbedaan yang dapat diamati pada sistem pengendali temperatur dan sistem pengendali ketinggian cairan terjadi karena (1) terdapat perbedaan variabel yang diukur, tetapi hasil pengukuran digunakan untuk memanipulasi variabel yang sama, atau (2) variabel yang diukur sama, tetapi hasil pengukuran tersebut digunakan untuk memanipulasi variabel yang berbeda.

Ada 3 tipe konfigurasi pengendalian, antara lain:
1. Feedback control configuration
Konfigurasi ini mengukur secara langsung variabel yang dikendalikan untuk mengatur harga variabel yang dimanipulasi. Tujuan pengendalian ini adalah mempertahankan variabel yang dikendalikan pada level yang diinginkan (set point). Sebagian instrumentasi pada proses pembuatan formaldehid dan hidrogen peroksida berbahan baku metanol dengan reaksi enzimatik ini menggunakan konfigurasi pengendalian feedback, mulai dari pengendalian temperatur, pengendalian ketinggian, pengendalian perbedaan tekanan, dan pengendalian tekanan.

2. Feedforward control configuration
Konfigurasi sistem pengendali feedforward memanfaatkan pengukuran langsung pada disturbance untuk mengatur harga variabel yang akan dimanipulasi. Tujuan pengendalian adalah mempertahankan variabel output yang dikontrol pada nilai yang diharapkan.

3. Inferential Control Configuration
Konfigurasi sistem pengendali inferential memanfaatkan data hasil pengukuran output sekunder (secondary measurement) untuk mengatur harga variabel yang akan dimanipulasi. Hal ini dilakukan karena variabel output yang akan dikendalikan tidak dapat diukur secara langsung. Tujuan pengendalian ini adalah memeprtahankan variabel unmeasured output tersebut pada tingkat/harga yang ditetapkan pada set point. Alat ukur menggunakan harga variabel terukur (measured output) yang terdeteksi dalam persamaan neraca massa dan energi yang dapat mewakili proses ke dalam suatu persamaan matematika tertentu yang oleh komputer dapat dihitung menjadi output unmeasured variables yang ingin dikendalikan. Hasil perhitungan tersebut oleh instrumentasi pengendalian kemudian digunakan untuk mengatur harga variabel yang dimanipulasi.

Inferential control configuration ini digunakan dalam pengendalian komposisi aliran output pada setiap kolom distilasi dan tangki mixer berpengaduk. Analisis komposisi tidak dilakukan langsung dengan composition analyzer karena harga alat tersebut mahal, dan alat tersebut sangat analitik sehingga kapasitasnya kecil dan tidak sesuai diterapkan dalam skala pabrik. Komposisi aliran kolom distilasi dan mixer harus selalu dikendalikan karena pasar sangat ketat menuntut produk formaldehid dan hidrogen peroksida sesuai spesifikasi.

Perancangan Sistem Pengendali
Sistem pengendali (controller) adalah elemen aktif dalam sistem pengendalian yang menerima informasi dari pengukuran dan membuat tindakan yang sesuai untuk mengatur harga manipulated variables. Pengaturan manipulated variables sangat bergantung pada control law yang diterapkan secara otomatis pada controller. Beberapa control law yang umum diterapkan pada sistem pengendalian:

1. Penggunaan proportional controller (P-controller) dimana nilai output dari P-controller akan sebanding terhadap error.

2. Penggunaan proportional-integral controller (PI-controller) dimana nilai output dari PI-controller akan sebanding terhadap error ditambah suatu faktor dikali nilai integrasi error sebagai fungsi waktu.

3. Penggunaan proportional-integral-derivative controller dimana nilai output dari PID-controller akan ditentukan oleh konstanta yang menghubungkan kesebandingan error terhadap output ditambah suatu faktor dikali nilai integrasi error sebagai fungsi waktu lalu ditambah suatu faktor dikali nilai diferensial (gradien/slope) error sebagai fungsi waktu.


Penggunaan Komputer Digital pada Pengendali Proses
Dalam aspek pengendalian seluruh pabrik tidak hanya melibatkan satu unit proses, seperti CSTR, tangki berpengaduk, kolom distilasi. Pada kenyataannya proses produksi produk dari bahan baku dengan reaksi tertentu ini terdiri dari banyak unit yang saliang berhubungan dengan adanya aliran bahan (material) dan energi dari satu unit ke unit lainnya. Pada proses kimia tersebut akan timbul hal-hal karakteristik yang tidak terjadi pada pengopersian satu unit proses saja. Kemajuan teknologi komputer yang sangat pesat dengan harga yang semakin terjangkau membuat perangkat ini banyak digunakan untuk pengendalian dalam prosesproses kimia. Instrumen pengendalian pada pabrik besar dan modern umumnya dirancang menggunakan komputer pengendali secara digital. Beberapa aplikasi spesifik komputer untuk pengendalian proses adalah sebagai berikut:

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

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

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

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

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

Perangkat Keras Sistem Pengendali Proses
Pada setiap konfigurasi sitem pengendali dapat dibedakan masing-masing elemen perangkat keras sebagai berikut:
1. Proses kimia
Proses kimia mewakili peralatan proses yang digunakan dan proses-proses/operasi baik secara kimia maupun fisika yang terjadi di dalam peralatan tersebut.
2, Instrumen Pengukur atau Sensor
Peralatan pengukur/sensor digunakan untuk mengukur disturbance, mengukur controlled output variables, dan mengukur secondary ouput variables. Peralatan pengukur/sensor adalah sumber informasi yang mengidentifikasi hal-hal yang sedang terjadi pada proses. Salah satu syarat penting dalam pemilihan sensor adalah hasil pengukuran sensor harus dapat ditransmisikan dengan mudah. Contoh instrumen pengendalian yang dipakai pada pabrik formaldehid dan hidrogen peroksida ini adalah termokopel, venturi meter, dan composition analyzer.
3. Transducers
Beberapa hasil pengukuran tidak dapat digunakan untik tujuan pengendalian sebelum dikonversikan menjadi besaran fisik yang dapat dengan mudah ditransmisikan seperti tegangan listrik. Transducer merupakan alat yang digunakan untuk mengonversi hasil pengukuran menjadi besaran yang ditransmisikan.
4. Jalur transmisi dan amplifier
Jalur transmisi merupakan media untuk membawa sinyal hasil pengukuran dari alat ukur ke controller. Pada banyak kasus sinyal yang dihasilkan alat ukur terlalu lemah untuk ditransmisikan sehingga sinyal tersebut harus diperkuat terlebih dahulu dengan amplifier.
5, Elemen Pengendali
Elemen pengendali adalah perangkat keras yang memiliki intelegensi. Perangkat ini menerima informasi dari alat ukur dan memutuskan tindakan yang harus dilakukan.
6. Elemen Pengendali Akhir
Elemen pengendali akhir merupakan perangkat keras yang melaksanakan tindakan yang diperintahkan controller. Elemen pengendali akhir yang diaplikasikan pada perancangan pabrik ini adalah control valve yang membuka dan menutup sampai derajat tertentu sesuai keputusan controller.
7. Elemen pencatat
Elemen pencatat merupakan bagian dari sistem pengendali yang mencatat semua variabel sehingga kelakukan proses yang sedang berlangsung dapat didemonstrasikan secara visual.