Pengendalian Lanjut Ratio

TUGAS 5
INSTRUMENTASI DAN PENGENDALIAN PROSES
PENGENALAN SISTEM PENGENDALIAN LANJUT RATIO
KELAS A
Kelompok 2
Anggota:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Dwiki Surya
Luh Gede Gandis A.W
Yuliana Nufus
Rizki Ajin
Restu Aji Santosa
Muhammad Aditya Pratama Kusumah
(121160027)
(121160029)
(121160043)
(121160042)
(121160044)
(121160051)
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK KIMIA
JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK INDUSTRI
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL “VETERAN”
YOGYAKARTA
2019
SOAL
Merancang sistem pengendalian ratio pada proses pencampuran larutan NaOH.
Gambar. Sistem tangki pencampuran larutan NaOH
 Penjelasan Proses
Sistem proses pencampuran larutan NaOH dengan laju alir massa dan komposisi (fraksi
massa) pada kondisi tunak ditunjukkan seperti pada gambar. Volume cairan di dalam
Tangki 101 dan Tangki 102 dikendalikan dengan memanipulasi bukaan katub V-101
dan V-103, berturut-turut. Dalam kasus ini, dianggap komposisi umpan masuk ke
Tangki 101 tidak berubah (konstan), namun laju alir umpan masuk Tangki 101
dianggap sebagai variabel gangguan. Masalah yang harus ditangani adalah
perbandingan (ratio) laju alir masuk Tangki 102 (f 2 dan f3) harus terpenuhi sehingga
komposisi NaOH keluar Tangki 102 tetap.
TUGAS :
1. Tentukan arus liar (wild flow) untuk sistem tersebut (Gambar 6.2.3)
2. Gambarkan dan jelakan jawaban saudara pada 2 (dua) alternative pengendalian
𝑓3
ratio sehingga memenuhi 𝑅 = 𝑓2 = 0,6
3. Tentukan aksi control vale yang tepat untuk V-101, V-102, dan V-103, apakah
Fail-Close-Air-to-Open (FC-AO) atau Fail-Open-Air-to-Close (FO-AC)?
Jelaskan pertimbangan yang saudara pilh!
4. Tentukan aksi pengendali (controller action) untuk LC-101, LC-102 dan flow
controller pada pengendalian ratio, apakah Direct atau Reverse? Jelaslan
pertimbangan yang saudara pilih!
5. Simulasikan dengan Xcos jika F1 tiba-tiba ΔF1 = + 10 kg/jam. Dengan
diasumsikan : Gm(s) = Gf(s) = 1 dan FC
PI control.
Penyelesaian :
1. Arus liar (wild stream) untuk sistem tersebut, yaitu pada 𝑓2 . Hal ini disebabkan
karena laju alir 2 (𝑓2 ) merupakan manipulated variable (MV) dari Tangki-101.
Dimana komposisinya selalu konstan dan tidak berubah dan kasus tersebut
termasuk dalam kondisi interacting tank, sehingga apabila pada laju alir 2 (𝑓2 )
mengalami perubahan atau gangguan maka dapat menyebabkan terjadinya
perubahan pada Tangki-101 dan Tangki-102. Jika laju alir 2 (𝑓2 ) diperbesar
maka level cairan pada Tangki-101 akan semakin turun, sedangkan level cairan
pada Tangki-102 akan semakin naik. Oleh karena itu hal ini menyebabkan laju
alir 2 (𝑓2 ) menjadi wild flow atau wild stream.
2. Berikut 2 alternatif pengendalian ratio :
Alternatif 1
FY 102
x
R
Pengendalian ratio alternatif 1 di atas dirancang sebagai berikut. Pengukuran laju
alir f2 (wild flow) dan mengalikannya dengan rasio (R). Jadi, seiring berubahnya
laju alir f2, maka set point pengendali laju alir di f3 akan berubah untuk menjaga
kedua aliran pada rasio yang diinginkan dan sistem yang dijalankan berupa sistem
linear.
Alternatif 2
FY 102
Pengendalian ratio alternatif 2 di atas dirancang sebagai berikut. Pengukuran laju
alir f2 dan laju alir f3, dan pembagiannya di FY 102 merupakan perbandingan rasio
yang sesungguhnya. Sinyal aktual rasio (R) dikirim ke pengendali RC 101, dimana
set point nya adalah rasio yang diinginkan dan dapat di set ditempat (local) dan
sistem yang dijalankan berupa sistem tidak linear.
3. Aksi Control Valve
a. V-101 menggunakan aksi control Fail Open – Air to Close (FO-AC), karena
jika utilitas tidak bekerja dan valve tertutup (FC-AO) maka Tangki-101 akan
penuh dan mengakibatkan cairan dalam Tangki-101 meluap (overflow)
sehingga tidak aman dan karena 𝑓2 merupakan arus liar, jika flow nya berubah
masih bisa di kendalikan dengan mengubah 𝑓3 . V-101 akan lebih baik jika
menggunakan valve jenis (FO-AC).
b. V-102 menggunakan aksi control Fail Open-Air to Close (FO-AC), karena
diinginkan konsentrasi NaOH keluar Tangki-102 sebesar 25% berat dan rasio
yang diinginkan tetap terjaga yang disebabkan oleh kondisi V-101 FO-AC,
sehingga V-102 lebih aman pada kondisi FO-AC untuk mengimbangi
konsentrasi.
c. V-103 menggunakan aksi control Fail Open-Air to Close (FO-AC), karena
jika utilitas tidak bekerja dan valve tertutup (FC-AO) maka Tangki-102 akan
penuh dan mengakibatkan cairan dalam Tangki-102 meluap (overflow)
sehingga tidak aman.
4. Aksi pengendali (controller action) untuk LC-101, LC102, dan flow controller
pada pengendali ratio sebagai berikut :
a. LC-101 menggunakan aksi pengendali (controller action) Direct, karena seiring
meningkatnya level pada Tangki-101 yang dikarenakan laju alir f1 bertambah,
maka valve V-101 perlu ditambahkan bukaan valve nya untuk menghindari
terjadinya volume yang meluap (overflow) kemudian sebaliknya apabila
menurunnya level pada Tangki-101 yang dikarenakan laju alir f1 berkurang,
maka valve V-101 perlu dikurangi bukaan valve nya untuk menghindari
terjadinya kekosongan pada tangki. Sehingga dengan menggunakan aksi
pengendali Direct, level pada Tangki-101 dapat terkontrol dan aman.
b. LC-102 menggunakan aksi pengendali (controller action) Direct, karena seiring
meningkatnya level pada Tangki-102 yang dikarenakan laju alir f2 dan f3
bertambah, maka valve V-103 perlu ditambahkan bukaan valve nya untuk
menghindari terjadinya volume yang meluap (overflow) kemudian sebaliknya
apabila menurunnya level pada Tangki-102 yang dikarenakan laju alir f2 dan f3
berkurang, maka valve V-103 perlu dikurangi bukaan valve nya untuk
menghindari
terjadinya
kekosongan
pada
tangki.
Sehingga
dengan
menggunakan aksi pengendali Direct, level pada Tangki-102 dapat terkontrol
dan aman.
c. Flow Controller pada pengendali rasio menggunakan aksi pengendali
(controller action) Direct, karena seiring meningkatnya laju alir f2, maka valve
V-102 perlu ditambah bukaan valve nya untuk mencapai konsentrasi NaOH
keluar Tangki-102 sebesar 25% berat dan rasio tetap terjaga konstan, begitu
pula sebaliknya apabila menurunnya laju alir f2, maka valve V-102 perlu
dikurangi bukaan valve nya untuk mencapai konsentrasi NaOH keluar Tangki102 sebesar 25% berat dan rasio tetap terjaga konstan. Sehingga dengan
menggunakan aksi pengendali Direct, konsentrasi pada Tangki-102 yang
diinginkan dapat tercapai dan rasio tetap tejaga konstan.
5. Simulasikan dengan Xcos jika F1 tiba-tiba ΔF1 = + 10 kg/jam. Dengan
diasumsikan : Gm(s) = Gf(s) = 1 dan FC

PI control.
Neraca massa Tangki-101
Input – Output +Rgen = Akumulasi
Asumsi: 𝜌 𝑡𝑒𝑡𝑎𝑝
dm
dt
dρv
f1(t). ρ1 − f2(t). ρ2 =
dt
dh1(t)
f1(t). ρ1 − f2(t). ρ2 = ρA
dt
1
1
dh1(t)
f1(t) − f2(t) =
𝐴
𝐴
dt
f1(t). ρ1 − f2(t). ρ2 =
(1)
Keadaan Tunak (t=0):
1 ̅
𝑓
𝐴 1
̅
1
dh
− 𝑓̅2 = 1
𝐴
(2)
dt
Term Deviasi:
F1(t) = f1(t) − f1̅
F2(t) = f2(t) − f̅2
H1(t) = h1(t) − ̅̅̅
h1
(3)
(4)
(5)
Konstanta Gain
K1 =
1
(6)
𝐴1
Persamaan (1) - (2):
1
𝐴
1
dH1(t)
𝐴
dt
F1(t) − F2(t) =
K1. F1(t) − K1. F2(t) =
(7)
dH1(t)
(8)
dt
Transformasi Laplace persamaan (8)
K1. F1(s) − K1. F2(s) = sH1(s)
H1(s) =
𝐾1
𝐹1(𝑠)
𝑠
F2(s) =
−
(9)
𝐾1
𝐹2(𝑠)
𝑠
(10)
𝐾1
𝐹1(𝑠)−𝐻1(𝑠)
𝑠
𝐾1
𝑠
(*)
Diagram Blok
F1(s)
𝐾1
𝑠
+
+
F2(s)
𝐾1
𝑠
+
H1(s)
 Neraca Massa Tangki-102:
Input – Output + Rgen = Akumulasi
Asumsi: 𝜌 𝑡𝑒𝑡𝑎𝑝
𝑑𝑚
𝑑𝑡
𝑑𝑣𝜌
− 𝑓4(𝑡). 𝜌 =
𝑑𝑡
𝑑𝐴2.ℎ2(𝑡).𝜌
− 𝑓4(𝑡). 𝜌 =
𝑑𝑡
𝑑𝐴2.ℎ2(𝑡).𝜌
− 𝑓4(𝑡). 𝜌 =
𝑑𝑡
𝑑ℎ2(𝑡)
− 𝑓4(𝑡). 𝜌 = 𝜌. 𝐴2
𝑑𝑡
𝑑ℎ2(𝑡)
𝑓2(𝑡). 𝜌 + 𝑓3(𝑡). 𝜌 − 𝑓4(𝑡). 𝜌 =
𝑓2(𝑡). 𝜌 + 𝑓3(𝑡). 𝜌
𝑓2(𝑡). 𝜌 + 𝑓3(𝑡). 𝜌
𝑓2(𝑡). 𝜌 + 𝑓3(𝑡). 𝜌
𝑓2(𝑡). 𝜌 + 𝑓3(𝑡). 𝜌
𝑓2(𝑡) + 𝑓3(𝑡) − 𝑓4(𝑡) = 𝐴2
(11)
𝑑𝑡
Kondisi tunak (t=0):
̅̅̅̅
𝑑ℎ
𝑓̅2 + 𝑓̅3 − 𝑓̅4 = 𝐴2 2
(12)
𝑑𝑡
Term Deviasi:
F2(t) = f2(t) − f2̅
F3(t) = f3(t) − f̅3
F4(t) = f4(t) − f̅4
̅̅̅2
H2(t) = h2(t) − h
(13)
(14)
(15)
(16)
Persamaan (11) dikurangi (12):
𝐹2(𝑡) + 𝐹3(𝑡) − 𝐹4(𝑡) = 𝐴2
1
𝐴2
𝐹2(𝑡) +
1
𝐴2
𝐹3(𝑡) −
1
𝐴2
𝑑ℎ2(𝑡)
(17)
𝑑𝑡
𝐹4(𝑡) =
𝑑ℎ2(𝑡)
(18)
𝑑𝑡
𝐾2. 𝐹2(𝑡) + 𝐾2. 𝐹3(𝑡) − 𝐾2. 𝐹4(𝑡) =
𝑑ℎ2(𝑡)
𝑑𝑡
(19)
Konstanta Gain:
1
𝐾2 = 𝐴2
(20)
Jika A1 = A2, maka 𝐹2(𝑡) = 𝐾1 =
1
𝐴1
Transformasi laplace persamaan (15)
𝐾1. 𝐹2(𝑠) + 𝐾1. 𝐹3(𝑠) − 𝐾1. 𝐹4(𝑠) = 𝑠. 𝐻2(𝑠)
𝐾1
𝐹2(𝑠)
𝑠
+
𝐾1
𝐹3(𝑠)
𝑠
−
𝐾1
𝐹4(𝑠)
𝑠
= 𝐻2(𝑠)
(21)
(22)
F2(s)
𝐾1
𝑠
F3(s)
F4(s)
+
𝐾1
𝑠
Gp1
𝐾1
𝑠
Gp2
+
+
H2(s)
+
+
Substitusi persamaan *) ke persamaan (22)
𝐾1
𝐾1 𝑠 𝐹1(𝑠)−𝐻1 (𝑠)
𝐾1
[
] + 𝐹3(𝑠)
𝐾1
𝑠
𝑠
−
𝑠
𝐾1
𝐹1(𝑠)
𝑠
+
𝐾1
𝐹3(𝑠)
𝑠
−
𝐾1
𝐹4(𝑠)
𝑠
𝐾1
𝐹4(𝑠)
𝑠
(23)
− 𝐻1(𝑠) = 𝐻2(𝑠)
F2(s)
𝐾1
𝑠
Gd1
F3(s)
𝐾1
𝑠
Gp1
𝐾1
𝑠
Gp2
F4(s)
= 𝐻2(𝑠)
(24)
+
+ +
+
H2(s)
++
H1(s)
Asumsi : Gm= Gf =1
Tho =1
𝑅=
𝑓3
𝑓2
= 0.6
+
Simulasi Xcos:
Kesimpulan:
Jadi setelah diberi gangguan pada laju alir f1 yang meningkat sebesar 10 kg/jam, maka
sistem akan menghasilkan respon yang stabil pada nilai set point yang baru setelah diberi
gangguan.