Ph Control

UNIVERSITAS INDONESIA

LAPORAN PRAKTIKUM PROSES & OPERASI TEKNIK KIMIA 2

pH Control

KELOMPOK 8SL ANGGOTA KELOMPOK Akbar Pandu W

(1406607786)

Mustika Saraswati (1406552906) Sheila Nadhifa

(1406607905)

Stephanie S

(1406575241)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2017

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa karena atas berkat dan anugerah-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan praktikum ini tepat pada waktunya. Laporan Praktikum UOP 2 : pH Control ini dibuat sebagai tugas akhir setelah penulis melaksanakan praktikum untuk modul pH Control. Laporan praktikum ini pun tidak akan terealisasi tanpa adanya bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis juga tidak lupa lupa menyampaikan terima kasih kepada, 1. Ir. Abdul Wahid, M.T. selaku dosen pembimbing praktikum untuk modul pH Control 2. Dezaldi Adam selaku asisten laboratorium praktikum untuk modul pH Control 3. Pihak – Pihak – pihak pihak lain yang turut membantu penulis, baik se cara langsung maupun secara tidak langsung, dalam proses penyelesaian laporan praktikum ini Ada pepatah berbunyi, “tak ada gading yang tak retak”. Begitu pula dengan laporan praktikum ini, masih banyak kekurangan dikarenakan keterbatasan keterbatas an kemampuan yang penulis miliki, kurangnya sarana dan prasarana dalam praktikum, dan lain sebagainya. Namun dibalik semua kekurangan yang ada, penulis tetap berharap bahwa laporan praktikum ini dapat bermanfaat bagi banyak pihak untuk memperkaya wawasan mengenai manfaat serta mekanisme kerja dari alat untuk proses absorpsi. Hal ini dikhususkan bagi pihak – pihak pihak yang terlibat di bidang Teknik Kimia.

Depok , 21 Maret 2017

Penulis

ii Universitas Universitas Indonesia Indonesia

DAFTAR ISI

COVER ............................................. .................................................................. ........................................... ............................................. ........................................ ................. i KATA PENGANTAR ........................................... .................................................................. ............................................. ....................................... ................. ii DAFTAR ISI ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ ................................ .......... iii DAFTAR GAMBAR .......................................... ................................................................ ............................................ ........................................... ..................... iv DAFTAR TABEL .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................ ......................... ... v BAB 1 PENDAHULUAN ......................................... ............................................................... ............................................ .................................... .............. 6 1.1 Tujuan Percobaan ................................ ..................................................... ............................................ ............................................. ............................ ...... 6 1.2 Prinsip Kerja ......................................... .............................................................. ........................................... ............................................. ............................. ...... 6 1.3 Prosedur Percobaan ........................................ .............................................................. ............................................. ........................................ ................. 6 BAB 2 DASAR TEORI ......................................... ............................................................... ............................................. ........................................ ................. 9 BAB 3 PENGOLAHAN DATA .......................................... ................................................................ ............................................ ......................... ... 17 BAB 4 ANALISIS .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................ ......................... ... 26 26 4.1 Analisis Alat dan Bahan ........................................... .................................................................. ............................................. ............................ ...... 26 4.2 Analisis Percobaan ........................................ .............................................................. ............................................. ........................................ ................. 30 4.3 Analisis Kesalahan ............................................ ................................................................... ............................................ ................................... .............. 33 BAB 5 PENUTUP ......................................... ............................................................... ............................................ ............................................ ......................... ... 34 5.1 Kesimpulan .......................................... ............................................................... ........................................... ............................................. ............................. ...... 34 DAFTAR PUSTAKA ......................................... ............................................................... ............................................ ........................................... ..................... 35

iii Universitas Universitas Indonesia Indonesia

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 4.1

Laju Perubahan pH Larutan Asam dengan Penambahan Larutan NaOH ........ 10 Sistem Kontrol Lup Tertutup ............................................................................ 11 Sistem Kontrol Lup Terbuka ............................................................................ 12 Variabel-Variabel Sistem Kontrol dalam Destilasi .......................................... 14 Manual Ph Increasing ....................................................................................... 18 Grafik Percobaan .............................................................................................. 19 Grafik Manual to Automatic ............................................................................. 22 Perhitungan Nilai t63% dan t28% pada Grafik PRC Percobaan 2 ........................ 23 Grafik Percobaan Automatic ............................................................................ 24 Perhitungan Nilai t63% dan t28% pada Grafik PRC Percobaan 2 ........................ 23 Tangki Larutan Asam (Biru Tua) dan Larutan Basa (Kuning) pada Mini-Plant WA921.............................................................................................................. 27 Gambar 4.2 Sistem Pengendalian Proses pada Mini-Plant WA921; Pneumatic Actuat or (kiri) dan Controller (kanan) ..................................................................................... 28

iv Universitas Indonesia

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Tabel 3.2 Tabel 3.3 Tabel 3.4 Tabel 3.5 Tabel 3.6 Tabel 3.7 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3

Data Percobaan Manual Controller .................................................................. 17 Data Kondisi Awal dan Akhir ......................................................................... 18 Persamaan PID dengan metode Ziegler Nichlos .............................................. 20 Nilai Controller ................................................................................................. 20 Data Percobaan Manual to Automatic .............................................................. 20 Data Nilai Controller ........................................................................................ 22 Data Percobaan Automatic ............................................................................... 23 Data Percobaan Variasi Set Point Pengontrol PID ........................................... 31 Data Kondisi Pada Pengontrol PID .................................................................. 31 Hasil Nilai Pada Pengontrol PID ...................................................................... 32

v Universitas Indonesia

6 BAB 1 PENDAHULUAN

1.1

Tujuan Percobaan

Tujuan dilakukannya praktikum untuk modul “pH Control” adalah sebagai berikut. 1. Membandingkan metode-metode tuning yang sudah ada dan yang seri ng digunakan untuk diteliti manakah diantara metode-metode tersebut yang lebih baik digunakan dalam pengontrolan pH. 2. Mengamati berbagai respon yang terjadi (perubahan bukaan valve) akibat berbagai macam bentuk masukan. 3. Membandingkan karakteristik perubahan set point pada sistem PID, PI, dan P. 4. Mengamati karakteristik perubahan manipulated variabel ketika digunakan pengontrol PID. 5. Mengamati perubahan nilai pH pada saat variasi nilai set value.

1.2

Prinsip Kerja

Melakukan percobaan secara kuantitatif dan kualitatif dengan mengubah set point (SV) pH larutan yang diinginkan pada alat pengaturan kontrol pH sehingga diperoleh karakteristik grafik kontrol dan nilai variable proses yang dihasilkan dari proses kontrol dengan masingmasing jenis kontroler yaitu PID, PI, dan P.

1.3

Prosedur Percobaan

➢ Persiapan Percobaan

1. Membuat larutan asam : - Menyiapkan air pada T52 sampai garis level batas yang ada pada bagian tangki sejumlah 70 L. - Mengambil dan mengukur 20 ml larutan H 2SO4 98% pada gelas ukur 50ml. - Menuangkan secara perlahan larutan H 2SO4 ke dalam T52 sambil diaduk hingga merata. Dengan ingin kita mendapatkan larutan asam H 2SO4 dengan pH 3. 2. Membuat larutan basa: - Menyiapkan air pada T51 sampai garis level batas yang ada pada bagian tangki sejumlah 70 L

Universitas Indonesia

7 - Mengambil dan menimbang 30 gram NaOH 99% yang berbentuk granula 98% pada wadah 1 atau 2 L dan menggunakan air pada T51 yang sudah diukur sebanyak 70 L. - Menuangkan secara perlahan larutan NaOH pada wadah tersebut ke dalam T51 sambil diaduk hingga merata. Dengan ini kita mendapatkan larutan basa NaOH dengan pH 13. 3. Menyiapkan tinta dan kertas recorder 4. Memasukkan larutan asam dan basa pada tangki masing-masing pada unit mini plant 5. Mencampurkan larutan asam dan basa pada tangki proses (T53) hingga mencapai pH steady pada 7 dengan menjalankan unit mini plant . ➢ Variasi Set Point dengan Pengontrol PID

1. Melakukan penyetelan PID yang nilai Kc sebesar 25, TI = 40 detik dan TD = 10 detik pada pengendali mini plant WA921 2. Melakukan set automatic dan mengatur nilai SV = 7 3. Menunggu nilai PV agar dekat dengan SV. 4. Mencatat nilai PV dan MV yang muncul 5. Memberi tanda pada recorder saat mengubah nilai SV menjadi 7,5. 6. Melihat perubahannya pada recorder dan menunggu hingga hasil yang didapatkan stabil 7. Mencatat hasil dan perubahan tersebut dan memberikan tanda pada recorder. ➢ Variasi Set Point dengan Pengontrol PI

1. Melakukan penyetelan PID yang nilai Kc sebesar 25, TI = 40 detik dan TD = 0 detik pada pengendali mini plant WA921 2. Melakukan set automatic dan mengatur nilai SV = 7 3. Menunggu nilai PV agar dekat dengan SV. 4. Mencatat nilai PV dan MV yang muncul 5. Memberi tanda pada recorder saat mengubah nilai SV menjadi 7,5. 6. Melihat perubahannya pada recorder dan menunggu hingga hasil yang didapatkan stabil 7. Mencatat hasil dan perubahan tersebut dan memberikan tanda pada recorder. ➢ Variasi Set Point dengan Pengontrol P


8 1. Melakukan penyetelan PID yang nilai Kc sebesar 25, TI = 9999 detik dan TD = 0 detik pada pengendali mini plant WA921 2. Melakukan set automatic dan mengatur nilai SV = 7 3. Menunggu nilai PV agar dekat dengan SV. 4. Mencatat nilai PV dan MV yang muncul 5. Memberi tanda pada recorder saat mengubah nilai SV menjadi 7,5. 6. Melihat perubahannya pada recorder dan menunggu hingga hasil yang didapatkan stabil 7. Mencatat hasil dan perubahan tersebut dan memberikan tanda pada recorder.


9 BAB 2 DASAR TEORI

2.1

pH

Sorrensen mengusulkan konsep pH untuk menyatakan konsentrasi ion H+.nilai pH sama

dengan negatif logaritma konsentrasi ion H+ dan secara matematika diungkapkan dengan persamaan: pH = -log[H+] pOH = -log(OH-] Nilai pH bervariasi antara 1 sampai 14. Pada saat temperatur 250C, hubungan pH dan sifat dari zat adalah:

2.2

•

pH< 7 (asam)

•

pH = 7 (netral)

•

pH> 7 (basa)

Kontrol pH

Pengendalian pH pada suatu industri merupakan pengendalian konsentrasi dari suatu proses pengendalian pencampuran. Pencampuran ini meliputi campuran suatu larutan asam dan basa yang perlu dinetralisasi sebelum dibuang ke lingkungan atau dimasukkan ke dalam rangkaian proses selanjutnya. Proses kontrol pH antara larutan asam dan basa merupakan suatu panduan proses yang bergaris lurus (linear) dan yang tidak bergaris lurus (non-linear). Nilai pH versus reagent merupakan fungsi logaritma dimana laju perubahan pH akan sangat cepat sebelum dan sesudah titik netralisasi yaitu pada rentang pH 4 dan 10. Pada pH di bawah 4, gain proses relatid kecil sedangkan pada titik netralisasi gain proses mencapai ribuan kali lebih tinggi dibandingkan di bawah pH 4. Nilai PID yang diatur pada pH 7 akan begitu rapat ketika proses bekerja pada daerah pH yang lebih tinggi atau lebih rendah. Nilai pID yang diatur pada daerah pH yang lebih tinggi atau lebih rendah akan tidak stabil ketika pH mencapai keadaan netral. Laju perubahan pH antara pencampuran larutan asam dan basa digambarkan pada gambar berikut: Universitas Indonesia

10

Gambar 2.1. Laju Perubahan pH Larutan Asam dengan Penambahan Lar utan NaOH

2.3

Model Pengendalian Proses

Pengendalian proses berhubungan dengan mekanisme, arsitektur dan algoritma untuk mengendalikan sebuah proses yang tingkah laku sistemnya dinamik. Beberapa contoh proses yang dikendalikan adalah: 1. Mengendalikan suhu aliran air dengan mengendalikan jumlah uap yang dialirkan pada bagian shell alat penukar kalor 2. Mengoperasikan selubung reaktor secara isothermal dengan mengendalikan suhu pencampuran air pendingin dan uap yang mengalir pada selubung yang menyelubungi reaktor 3. Menjaga perbandingan reaktan yang ditambahkan ke sebuah reaktor dengan mengendalikan laju alirnya 4. Mengendalikan ketinggian fluida proses dalam tangki supaya tidak melimpah Loop control memiliki enam dasar unsur pokok, seperti berikut: ❖ Controller variable: kondisi yang sedang dikendalikan ❖ Setpoint: nilai dimana sebuah controlled variable harus dipertahankan ❖ Manupulated variable: sebuah kondisi (variable) yang dapat dirubah untuk

menyebabkan controlled variable berubah ❖ Controller : suatu alat yang menjaga controlled variable pada setpoint


11 ❖ Final control element : alat yang diatur kontroler merubah manipulated variable ❖ Disturbances:kondisi proses yang cenderung merubah nilai controlled variable

Terdapat dua jenis sistem kendali yang digunakan dalam pengendalian proses: 1. Sistem kendali manual (open loop) 2. Sistem kendali otomatis (closed loop)

2.4 Sistem Kontrol Loop Tertutup

Sistem kontrol tertutup merupakan suatu sistem kontrol dengan kondisi di mana kontroler terhubung dengan proses, dan kontroler melakukan perbadingan set point terhadap variabel yang dikontrol dan adanya aksi untuk melakukan koreksi. Sistem tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:

Masukan

Keluaran Elemen Kontroler

Kontrol

Proses

Akhir

SensorTransmitter

Gambar 2.2. Sistem Kontrol Lup Tertutup

Secara umum sistem kontrol lup tertutup terbagi menjadi:

2.5

•

sistem kontrol berumpan balik

•

sistem kontrol inferensial

•

sistem kontrol berumpan maju

Sistem Kontrol Loop Terbuka

Sistem kontrol terbuka merupakan suatu sistem kontrol dengan kondisi dimana kontroler tidak terhubung dengan proses, dimana kontroler tidak melakukan keputusan untul mempertahan variabel yang dikontrol pada set point. Sistem tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:


12

input

Kontroler

Proses

output

Gambar 2.3. Sistem Kontrol Lup Terbuka

Pada suatu pengontrolan dalam sistem kontrol, variabel yang dikontrol dapat berubah dari set point yang ditetapkan karena adanya gangguan. Regulatory Control merupakan suatu sistem yang didesain untuk mengkompensasi terjadinya gangguan. Set point itu sendiri, bisa juga berubah karena memang diinginkan setpointnya berubah. Servo Control merupakan suatu sistem yang didesain untuk tujuan di mana set point

diubah sebagai fubgsi waktu sehingga variabel yang dikontrol harus mengikuti set point tersebut.

2.6

Komponen-komponen Dasar pada Sistem Kontrol

Komponen-komponen utama pada sistem pengendalian berumpan-balik terdiri dari : 1. Sensor-transmitter Sensor berfungsi untuk mengukur ( measuring) CV dan menghasilkan sinyal mV yang sesuai, sensor sering juga disebut sebagai elemen primer. Sedangkan transmitter menguatkan sinyal ke tingkat voltase V(t) dan mengirimkan ke kontroler. Transmiter sering disebut sebagai elemen sekunder. Ada 3 hal penting dalam sensortransmitter: ➢ Range of the instrument : harga yang terendah dan tertinggi ➢ Span of instrument : beda antara harga yang terendah dan tertinggi ➢ Zero of the instrument : haraga range yang terendah

1. Controller Controler merupakan otak dari sistem kontrol dan membuat keputusan

(decision). Pembuatan keputusan dilakukan dengan cara : •

mengubah set point ke tegangan VR Universitas Indonesia

13

•

menghitung error e(t) = VR – V(t)

•

menghitung daya yang diperlukan dan mengirim sinyalnya yang sesuai p(t) ke final element

Ada 2 jenis aksi kontroller: ➢ Aksi berlawanan (reverse action), bila harga output naik maka kontroler akan

mengurangi sinyal outputnya ➢ Aksi searah (direct action), bila harga output naik maka kontroler akan

meningkatkan sinyal outputnya 2. Process 3. Final Element Sebagai respon sinyal masukan p(t), final element merubah sinyal p(t) ke arus yang menghasilkan daya yang sesuai. Final elemen biasanya berupa control valve. Ada 2 jenis kontrol valve berdasarkan suplai udara yaitu : •

Fail to Open (FO) atau Air to Close (AC) : control valve akan terbuka jika tidak ada

suplai udara maka katup. Untuk menutup katup diperlukan suplai udara •

Fail to Close (FC) atau Air to Open (AO) : control valve akan tertutup jika ada suplai

udara. Untuk membuka katup diperlukan suplai udara 4. Recoder Recoder merupakan sistem pencatatan dari perubahan yang ada dan recoder tidak diikutkan dalam perhitungan. Keseluruhan komponen dasar pada sistem kontrol tersusun dalam sistem kontrol tutup sebagai berikut: Adapun operasi-opreasi dasar dari komponen-komponen pada sistem kontrol adalah •

Mesurement (M) yakni mengukur variabel yang dikontrol yang dilakukan oleh sensor-

transmiter. •

Decison (D) didasarkan pada pengukuran; kontroller harus memutuskan apa yang

dilakukan untuk menjaga variabel terkontrol pada harga yang diinginkan. •

Action (A) sebagai hasil dari keputusan kontroler , biasanya dilakukan oleh elemen

akhir


14 2.7

Pemodelan Empirik

1. Offset Offset adalah perbedaan antara keadaan akhir set point saat stabil dengan

set point yang ditentukan. Offset yang baik adalah zero steady state offset di mana nilai yang diinginkan untuk dicapai sama dengan nilai yang dicapai pada keadaan steady state walaupun pada waktu yang lama. Untuk memperkecil offset dapat dilakukan dengan memperbesar nilai Kc akan tetapi pada sistem ini ada batasan K c (K cu) di mana pada K c > K cu maka sistem tidak stabil. Selain itu, dengan memperbesar nilai K c maka osilasi akan bertambah banyak dan waktu stabil yang diperlukanpun semakin besar.

2. IAE Integral of Absolute value of the Error , merupakan luas absolut area antara

kurva dengan garis steady state yang dicapai. Metode yang digunakan untuk menghitung IAE dari tuning PID yang dilakukan adala h dengan menggunakan metode trapesoidal integral. IAE PID terkecil memberikan hasil respon yang paling baik (PID optimum). 3. Controlled Variable

Variabel yang harus dijaga atau dikendalikan pada harga yang diinginkan. Contoh: laju alir, suhu, tekanan, komposisi dan level. 4. Setpoint Harga yang diinginkan dari controlled variable. 5. Disturbance atau upset (gangguan):

Variabel yang dapat menyebabkan controlled variable berubah dari harga setpoint -nya; biasanya berupa laju alir, suhu, atau komposisi sebuah aliran yang

masuk (tapi kadang meninggalkan) suatu proses. Gangguan dapat diklasifikasikan dan didefinisikan dalam beberapa cara: a. Bentuk: step, pulse, impulse, ramp, sinusoidal, dsb. b. Lokasi di feedback loop:


15 ❖ load disturbance (perubahan komposisi umpan, suplai tekanan uap air,

suhu air pendingin, dsb.); fungsi kontroler: mengembalikan controlled variable pada setpoint-nya dengan perubahan yang tepat pada manipulated variable ❖ setpoint disturbance (perubahannya dapat dibuat, khususnya dalam proses

batch atau dalam merubah dari satu kondisi ke kondisi lain dalam proses kontinyu); fungsi kontroler: mendorong controlled variable mencapai setpoint yang baru

Gambar 2.4. Variabel-Variabel Sistem Kontrol dalam Destilasi 6. Sistem Kontrol

Empat komponen utama pada sistem pengendalian berumpan-balik, antara lain : ❖ Sensor-transmitter

Sensor berfungsi untuk mengukur ( measuring) CV dan menghasilkan sinyal mV yang sesuai, sedangkan transmitter menguatkan sinyal ke tingkat voltase V(t) dan mengirimkan ke kontroler. ❖ Kontroler

- merupakan otak dari sistem kontrol - membuat keputusan (decision) dengan cara : •

merubah set point ke tegangan V R

•

menghitung error e(t) = VR – V(t)

•

menghitung daya yang diperlukan dan mengirim sinyalnya yang sesuai p(t) ke final element

❖ Process


16 ❖ Final Element

Sebagai respon sinyal masukan p(t), final element merubah sinyal p(t) ke arus yang menghasilkan daya yang sesuai


17 BAB III PENGOLAHAN DATA A. Manual Controller

Pengendalian Manual (OP Increasing) Pada percobaan pertama, didapatkan data pengamatan sebagai berikut. t (s) pH 3 6.95 94 6.94 131 6.93 152 6.94 206 6.93 230 6.92 237 6.91 261 6.92 308 6.93 314 6.94 323 6.95 330 6.96 336 6.97 344 6.98 355 6.99 379 7 412 7.01 444 7.02 458 7.03 474 7.04 483 7.05 494 7.06 501 7.07 552 7.07 567 7.08 605 7.08 614 7.09 634 7.1 653 7.11 663 7.12 669 7.13 684 7.14 690 7.15 704 7.16 708 7.17 731 7.18


18 790 7.19 804 7.2 815 7.21 857 7.22 896 7.23 920 7.24 932 7.25 Tabel 3.1. Data Percobaan Manual Controller

Manual pH Increasing 7,25 7,2 7,15 7,1 H p

7,05 7

Manual pH

6,95 6,9 6,85 0

200

400

600

800

1000

t (s)

Gambar 3.1. Manual Ph Increasing Kondisi Awal

Kondisi Akhir

PV

6.95

7.25

SV

7

7

MV

19.5

39.5

Tabel 3.2. Data Kondisi Awal dan Akhir Dari data tersebut kemudian diolah agar didapatkan parameter pengendalian PIDnya. Untuk mencari PID, langkah-langkah perhitungannya adalah sebagai berikut 1. Menghitung delta (Δ) Δ = ℎ   Δ = 7.25 – 6.95 = 0.25


19 2. Menghitung Kp (K)

 =

 =

Δ ℎ   0,25

39,5  19,5

= 0.714286

3. Menghitung τ

 = 1,5 (t %  t %) Nilai t63% dan t28% diperoleh dari grafik dimana kecepatan dari kertas tersebut adalah 500 mm/jam. Berikut gambar perhitungan nilai t 63% dan t28%

Gambar 3.2. Grafik Percobaan

63%

0.1575

6.8425

577

28%

0.07

6.93

342

 = 352.5 sekon 4. Menghitung θ (τ o)

θ = t %   θ = 224.5 Maka FOPDTnya adalah

 =

0,04−, 352,5 + 1

PID, PI, dan P dihitung dengan menggunakan metode Ziegler Nichlos dengan persamaan


20

Tabel 3.3. Persamaan PID dengan metode Ziegler Nichlos

Dengan menggunakan persamaan di atas, didapatkan nilai-nilai K c,τI dan τDuntuk PID, PI, dan P sebagai berikut: Kc

Ti

Td

SK

2.637862

449

112.25

PID

1.978396

740.85

-

PI

2.198218

-

-

P

Tabel 3.4. Nilai Controller B. Automatic Controller Manual to Automatic t(s) 12 14 31 51 64 105 121 131 141 167 179 186 195 203 211 229 241

pH 7 7.06 7.12 7.18 7.24 7.3 7.36 7.42 7.48 7.54 7.6 7.66 7.72 7.78 7.84 7.9 7.96 Universitas Indonesia

21 242 243 244 245 246 247 252 258 263 283 293 304 316 325 333 340 342 350 370 380 410 450 480 490 520 536 547 560 582 590 593 600 610 620

8 8.2 8.5 8.6 8.4 8.3 8.2 8.1 8 7.8 7.6 7.5 7.4 7.6 7.8 8 8.1 8.2 8 7.8 7.7 7.6 7.7 7.8 8 8.12 7.9 7.8 7.7 8 8.1 7.97 8 8

Tabel 3.5 Data Percobaan Manual to Automatic


22

Automatic 10 9 8 7 6 5

Manual pH

4 3 2 1 0 0

200

400

600

800

Gambar 3.3 Grafik Manual to Automatic Awal

Akhir

PV

7 PV

8

SV

7 SV

8

15 MV

50

Mvo

Tabel 3.6 Data Nilai Controller Dari data tersebut kemudian diolah agar didapatkan parameter pengendalian PIDnya. Untuk mencari PID, langkah-langkah perhitungannya adalah sebagai berikut Menghitung delta (Δ) Δ = ℎ   Δ = 8 – 7 = 1 Menghitung Kp (K)

 =  =

Δ ℎ   1 5015

= , 

Proportional-Intergral-Derivatif (PID) Controller

Dari gambar berikut ini, akan dicari 6 karakteristik dari kontroler PID berupa overshoot , rise time, time to first peak , settling time, decay ratio, dan period of oscillation.


23

Gambar 3.4. Perhitungan Nilai t63% dan t28% pada Grafik PRC Percobaan 2

Jenis Kontroler

Overs hoot

Rise Time

Decay Ratio

Time to First Peak

Settling Time

Period of Oscillation

Off set

PID

0,6

242 s

0.33333 333

245 s

340 s

7s

0

Automatic Percobaan t pH 7 7.22 26 7.23 47 7.24 77 7.25 87 7.24 137 7.25 149 7.24 174 7.25 193 7.24 274 7.23 318 7.24 344 7.23 400 7.24 422 7.25 449 7.24 476 7.23 Universitas Indonesia

24 489 7.24 510 7.25 558 7.25 578 7.24 633 7.24 636 7.23 658 7.24 679 7.25 735 7.26 792 7.25 810 7.24 836 7.25 856 7.26 880 7.27 889 7.26 893 7.26 900 7.25 Tabel 3.7 Data Percobaan Automatic Awal PV SV OP

Akhir 7.22 PV 8 SV 15 OP

7.25 8 100.1

Auto Kc Ti Td Percobaan 7,28 7,27 7,26 7,25

H p

7,24

Manual pH

7,23 7,22 7,21 0

200

400

600

800

1000

t (s)

Gambar 3.5. Grafik Percobaan Automatic


25

Gambar 3.6. Perhitungan Nilai t63% dan t28% pada Grafik PRC Percobaan 2


26 BAB IV ANALISIS

4.1 Analisis Alat dan Bahan

Dalam percobaan pH control ini bertujuan untuk mengatahui perbedaan antara respon dinamik dari sistem proses control pada pengolahan air yang dikendalikan secara manual. Percobaan yang dilakukan dimulai dari membuat larutan asam dan basa, persiapan tinta dan kertas rekorder kemudian setelah siap semua dimulai percobaan pengendalian manual. Untuk mempersiapkan larutan asam-basa dimulai dengan melarutkan sekitar 30 mL larutan H 2SO4 pekat (98%) dan 1 liter larutan NaOH pekat 99% untuk dilarutkan ke dalam tangki yang sudah diisi air sampai batas yang telah ditetapkan. Hal ini bertujuan untuk menghasilkan larutan asam dan basa berkonsentrasi 0,01 N. Kemudian set elah dimasukkan, diaduk dengan menggunakan pengaduk untuk meratakan konsentrasi asam atau basa di tangki. Tangki T53, diisi dengan air dari kran sampai batas untuk agen penetral kadar keasaman larutan asam juga nantinya. Pada praktikum ini, kami melakukan pengujian menggunakan berbagai macam peralatan instrumen dan tangki pada sebuah mini plant yang berukutan kira-kira 3 x 1,5 meter. Sebuah mini plant tersebut digunakan untuk melakukan reaksi netralisasi antara larutan asam kuat dan

basa kuat dengan mengaplikasikan ilmu pengendalian proses. Proses penetralan tersebut berada pada. Peralatan – peralatan yang ada dalam mini-plant ini antara lain adalah tangki bahan larutan asam, tangki bahan larutan basa, tangki reaksi netralisasi (pembentukan garam), kontroler pusat, dan pompa (untuk sirkulasi dan antar tangki). Sistem kontrol dari mini-plant ini menggunakan utilitas udara bertekanan (sistem pneumatik sebagai sistem aktuator) untuk membuka dan menutup valve yang mengatur aliran keluar-masuk dari tangki yang bersangkutan. Pengaturan debit aliran bertujuan untuk mengatur pH pada tangki reaksi netralisasi. Pada tangki pH dijaga pada rentang 7-7,5. Dibawah ini merupakan gambar dari tangki netralasisasi yang digunakan pada praktikum.


27

Gambar 4.1. Tangki Larutan Asam (Biru Tua) dan Larutan Basa (Kuning) pada MiniPlant WA921

Tangki yang digunakan untuk larutan asam dan basa dibedakan menurut warnanya. Larutan asam pada tangki berwarna biru tua sedangkan larutan basa pada tangki berwarna kuning. Kapasitas kedua tangki sama yaitu 70 Liter. Untuk menandakan jika tangki sudah berisi kapasitas maksimum yang diinginkan terdapat garis batas. Sehingga praktikan dapat dengan mudah mengatur ketinggan larutan yang dimasukkan. Jumlah pelarut yang dimasukkan kedalam tangki akan memengaruhi konsentrasi pencampuran dari jumlah mol asam (H 2SO4) atau basa (NaOH) yang bereaksi di tangki reaksi netralisasi nanti. Pada kedua tangki juga terdapat pengaduk manual yang terbuat dari pipa PVC untuk membantu mempercepat homogenisasi pada pencampuran kedua larutan. Setelah larutan siap pada kedua tangki ini, dialirkanlah larutan asam dan basa kedalam tangki reaksi netralisasi. Di sini pun bisa diatur, melalui master controller , berapa pH yang diinginkan di tangki reaksi. Jika ingin asam, maka bukaan valve yang mengalirkan basa akan diperkecil atau sebaliknya bukaan valve yang mengalirkan asam akan diperbesar. Hal ini berlaku sebaliknya untuk pH > 7 (basa). Pada mini-plant , master controller berhubungan langsung dengan aktuator yang disuplai udara bertekanan (garis merah) oleh kompresor dari luar mini-plant . Fungsi pengendalian aliran direpresentasikan dengan garis panah berwarna biru dan aliran material (larutan) direpresentasikan dengan garis panah berwarna hitam. Setiap tangki memiliki saluran drain yang direpresentasikan dengan garis panah berwarna hijau, untuk membuang dengan segera ke waste pit jika terjadi overcapacity pada tangki yang bersangkutan. Terlihat bahwa pda layout

tersebut juga bahwa semua valve diatur oleh aktuator, yang mana diatur oleh master controller. Hal ini berarti memang melalui unit operasi tersebut, kita dapat mengatur keseluruhan proses Universitas Indonesia

28 ini agar menghasilkan limbah dengan pH yang aman bagi lingkungan atau bahkan bisa membuat limbah yang asam ataupun basa. Pada gambar 4.2 dapat dilihat bahwa master controller dilengkapi dengan berbagai macam tombol untuk pengontrolan, monitor untuk fungsi monitoring (mengawasi level pH dan juga keberadaan ion dalam larutan melalui sensor konduktivitas) dan juga merekam jalannya proses pengendalian menggunakan recorder. Controller ini juga dilengkapi dengan pengendalian otomatis yang dapat mengendalikan pH buangan ke setpoint yang kami inginkan; baik dengan sistem pengendalian P, PI, maupun PID. Jika terjadi overcapacity ataupun pH terlalu rendah atau terlalu tinggi yang membahayakan, instrumen ini pun dapat membunyikan alarm tanda bahaya sebagai peringatan kepada pengguna.

Gambar 4.2. Sistem Pengendalian Proses pada Mini-Plant WA921; Pneumatic Actuat or

(kiri) dan Controller (kanan) Dapat dilihat juga pada gambar di atas (sebelah kiri), bahwa terdapat aktuator yang menggunakan udara bertekanan sebagai pelaksana perintah yang di-set di master controller. Alat ini terhubung kepada valve-valve yang mengatur debit aliran dari dan ke setiap tangki yang ada di mini-plant. Dapat terlihat pressure gauge yang ada di alat tersebut untuk memastikan utilitas udara bertekanan tidak membahayakan. Udara bertekanan ini datang dari kompresor berkapasitas 2,5 hp yang dioperasikan di luar ruangan praktikum atau laboratorium. Master controller juga mengatur secara otomatis operasi pipa bersamaan dengan bukaan valve.


29 Pompa yang digunakan merupakan pompa sentrifugal untuk megalirkan larutan. Seperti yang dapat terlihat pada gambar 4.2, terdapat 5 buah pompa pada mini-plant ini. Empat pompa digunakan untuk mengalirkan dari satu tangki ke tangki lain dan ada satu pompa khusus untuk sirkulasi di tangki limbah. Pada setiap tangki juga terdapat sensor untuk level control dan tentunya untuk pH control itu sendiri. Di luar mini-plant ini, alat yang digunakan praktikan adalah alat standar laboratorium untuk preparasi larutan asam dan basa pada masing-masing tangki yang bersangkutan. Kedalam masing-masing tangki, dilarutkan sejumlah H 2SO4 dan NaOH konsentrasi tinggi agar mencapai konsentrasi larutan yang diinginkan. Praktikan sa at itu menghitung jumlah asam dan basa yang dibutuhkan, lalu menggunakan pipet, gelas ukur, dan spatula (NaOH padatan); melarutkannya ke dalam masing-masing tangki. Praktikan juga menggunakan sarung tangan plastik karena berurusan dengan asam kuat H2SO4 dengan konsentrasi 18 molar, sangat berbahaya jika menyentuh kulit. Praktikan menyimpulkan bahwa bahan asam dan basa yang digunakan saat praktikum pH control ini berada pada kondisi yang masih layak pakai dan begitu pula dengan alat dan unitnya. 4.1.1 Manual Decreasing Setelah semua alat dan bahan siap, percobaan harus melakukan set default point. MV diatur secara manual hingga mendapatkan pH sistem stabil pada saat 7. Setelah mencapai kestabilan PH =7 maka MV, PV dan SV dapat dicatat. Data ini merupakan data awal. Pada percobaan ini dilakukan penurunan pH dari kondisi stabilnya. Kemudian nyalakan rekorder terlebih dahulu agar perubahan nilai pH dapat tercatat. Setelah recorder aktif, maka ketika MV di ubah, recorder akan memulai untuk merekam kurva. Dari kurva ini dapat diukur nilai P, I dan D. Nilai MV mulai diubah-ubah, hingga mencapai pH = 7,2 dari keadaan stabil. Pengubahan nilai Ph dilakukan dengan menutup pompa basa sehingga lambat laun kondisi pada tangki akan semakin asam. 4.1.2 Manual Increasing Berbeda dengan prosedur pada percobaan pertama, pada percobaan kali ini kita akan menguji pH control dengan cara menaikan pH larutan. Setelah semua alat dan bahan siap, percobaan harus melakukan set default point. MV diatur secara manual hingga mendapatkan pH sistem stabil pada saat 7. Setelah mencapai kestabilan PH =7 maka MV, PV dan SV dapat dicatat. Data ini merupakan data awal Kemudian nyalakan rekorder terlebih dahulu agar perubahan nilai pH dapat tercatat. Setelah recorder aktif, maka ketika MV di ubah, recorder akan memulai untuk merekam kurva. Dari kurva ini dapat diukur nilai P, I dan D. Nilai MV


30 mulai diubah-ubah, hingga mencapai pH = 8 dari keadaan stabil. Pengubahan nilai Ph dilakukan dengan membuka pompa basa sehingga lambat laun kondisi pada tangki akan semakin basa dan nilai pH meningkat. 4.1.3 Automatic Setelah larutan selesai dibuat, langkah selanjutnya adalah menyalakan peralatan pH control kemudian menyetel sistem kontrol ke mode otomatis kemudian memasukkan komponen nilai kontrol. Untuk percobaan pertama kami menggunakan tipe kontrol PID dengan masukan atau input kontrol yaitu Pb = 5, T i = 40 dan T D = 10. Inti dari percobaan kali ini adalah pencampuran antara asam dan basa di dalam tangki yang berbeda. Laju alir dari larutan basa akan disetel dengan nilai tertentu sedangkan laju alir dari larutan basa akan dikendalikan oleh komponen kontrol sedemikian rupa sehingga pH campuran asam-basa nantinya bernilai mendekati SV yang telah diatur sebelumnya. Setting value yang digunakan pada percobaan pertama ada dua yaitu 7 dan 7,5. Setelah penyetelan alat maka langkah selanjutnya adalah merekam output yang dihasilkan hingga stabil. Kest abilan ditandai dengan nilai SV yang tidak mengalami perubahan lagi atau mengalami perubahan yang fluktuatif (naik-turun). Setelah nilai P, Ti, dan TD, maka sistem diubah ke dalam bentuk automatic. Perubahan sistem dari manual ke automatic dilakukan serentak dengan penekanan tombol recorder agar grafik yang dibaca lebih lengkap. Nilai SV yang ditetapkan pada percobaan ini adalah pH 7,7. Kontroller PI kemudian akan mengubah-ubah nilai MV dari sistem sehingga pH mencapai nilai sesuai dengan set value (SV) yang telah ditetapkan sebelumnya untuk mendapatkan nilai pH sekitar 7,7. Setelah sistem mencapai kestabilan, kemudian recorder dimatikan dan selanjutnya sistem diubah kembali ke keadaan awal hingga mencapai nilai pH ± 7. Caranya sama dengan percobaan sebelumnya, yaitu dengan cara meng-on/off pompa asam/basa atau dengan mengubah-ubah nilai MV hingga dicapai kestabilan pada sistem dengan pH sekitar 7. 4.2 Analisis Percobaan

4.2.1 Manual Decrasing Percobaan ini merupakan percobaan tuning secara manual yang dilakukan dengan memberikan step respons pada kontroler. Pada percobaan ini dilakukan perubahan terhadap nilai MV. Dengan melakukan hal ini maka akan didapatkan kurva PRC. Percobaan pertama bertujuan untuk mengamati karakteristik perubahan MV ketika menggunakan pengontrol PID. Adapun hasil PV dan MV untuk kedua nilai setting point ditunjukkan tabel di bawah ini. Universitas Indonesia

31

Tabel 4.1. Data Percobaan Variasi Set Point Pengontrol PID

SV1 (7.2)

SV2 (7,5)

PV

7,2

7

MV

39,5

19,50

Dari tabel di atas terlihat bahwa semakin tinggi setting point yang kita masukkan, maka semakin tinggi pula nilai PV. Hal ini dikarenakan nilai PV memang akan menyeimbangi nilai SV. Dengan data nilai MV dan SV, maka bisa didapatkan nilai Kp. Berdasarkan rumus pada pengolahan data, kelompok kami berhasil mendapatkan nilai Kp sebesar 0,714286.

4.2.2 Manual Increasing Pada percobaan ini dilakukan dengan cara mengubah-ubah nilai sistem sehingga didapatkan kecenderungan pada control PID. Dari percobaan kita mendapatkan kondisi awal dan kondisi alhir sebagai berikut. Tabel 4.2. Data Kondisi Pada Pengontrol PID Kondisi Awal

Kondisi Akhir

PV

6.95

7.25

SV

7

7

MV

19.5

39.5

Sebelum melakukan perhitungan P,I dan D dilakukan untuk mendapatkan nilai- nilai yang diperlukan dalam perhintungan P, I dan D. Nilai FOPDT yang didapatkan adalah

 =

0,04 −, 352,5 + 1

Hasil FOPDT (First Order Plus Dead Time) mengindikasikan bahwa sistem memiliki dead time (θ) sebesar 244,5 sekon yang menunjukkan waktu yang diperlukan sebelum terja dinya step respon. Konstanta τ sebesar 352,5 sekon menunjukkan kecepatan sistem merespon gangguan, sedangkan nilai K p memperlihatkan kesensitifan sistem yang sebesar 0,04.


32 Dengan menggunakan metode Ziegler Nichlos, didapatkan nilai-nilai K c,τI dan τDuntuk PID, PI, dan P sebagai berikut: Tabel 4.3. Hasil Nilai Pada Pengontrol PID

Kc

Ti

Td

SK

2.637862

449

112.25

PID

Dari grafik percobaan PID, kesimpulan yang dapat terlihat pertama kali adalah pengendalian yang dilakukan terhadap perubahan set point pH dari 6,9 ke 7,2 oleh kontroler PID khususnya berjalan dengan sangat baik. Mengapa demikian, hal ini dikarenakan responnya yang cepat dalam menghadapi perubahan set point yang dilakukan tanpa mengalami toleransi yang cukup lama menghadapi perubahan yang terjadi. Yang lebih baiknya lagi adalah, pengendalian dengan kontroler PID adalah zero offset , kembali tepat ke set point yang diberikan sebelumnya

4.2.3 Automatic Percobaan dengan menggunakan kontroler PID ini pada unit pH control digunakan untuk melihat set point response (SERVO). Parameter kontroler PID yang diinput ke dalam sistem adalah PB = 25% τ i = 40 dan τ D = 10. Tuning parameter kontroler optimum tidak dilakukan mengingat waktu yang dibutuhkan dalam percobaan ini terbatas. Ketiga para meter yang diinput tersebut mengindikasikan banyak hal, terutama terkait dengan karakteristik dari kontroler PID. Dalam kontroler, parameter Kc seringkali dijumpai dalam bentuk PB, yang nilainya adalah 100/Kc. Dalam hal ini nilai PB yang digunakan cukup kecil, yang berarti nilai Kc-nya adalah besar. Makin besar Kc akan menyebabkan semakin kecilnya error , namun osilasinya akan semakin besar. Sebab itulah nilai Kc ini harus dibatasi, umumnya dengan melakukan prosedur tuning. Tetapi, karena prosedur ini tidak dilakukan maka dianggap nilai PB sebesar 25% adalah nilai optimumnya. Selanjutnya adalah parameter τ i, parameter ini adalah karakteristik dari adanya aksi integral dalam suatu kontroler. Aksi integral ini berguna untuk menghilangkan offset pada sistem pengendalian yang dilakukan. Karena τidigunakan sebagai penyebut dalam persamaan untuk gain controller , maka dibutuhkan nilai τ i yang tidak terlalu besar untuk melihat pengaruh aksi integral pada kinerja kontroler. Sebab itulah nilai yang digunakan untuk parameter ini adalah 40. Lain halnya dengan τ D, parameter ini menunjukkan


33 adanya aksi derivatif dalam kontroler yang digunakan. Aksi derivatif ini berguna untuk menurunkan overshoot dan waktu osilasi 4.3 Analisis Kesalahan

Saat melakukan percobaan, hasil praktikum kadang kala tidak sesuai dengan teori yang seharusnya terjadi. Kesalahan tersebut dapat disebabkan oleh berbagai macam faktor, baik faktor kesalahan praktikan maupun alat yang digunakan. Berikut adalah beberapa analisis kesalahan yang praktikan rumuskan ketika telah mengalami praktikum: •

Ketika hendak melakukan variasi, praktikan terlalu terburu-buru sehingga tidak dapat diketahui secara pasti apakah pH telah berada pada kondisi yang stabil. Hal ini menyebabkan data yang diambil saat variasi masih berusaha untuk menstabilkan kondisi awal. Alasan praktikan melakukan hal tersebut adalah karena keterbatasan waktu yang ada. Untuk menunggu mini plant stabil pada keadaan awal dibutuhkan waktu yang cukup banyak sehingga praktikan hanya menunggu beberapa menit untuk menstabilkan pH pada kondisi awal.

•

Kesalahan lain yang mungkin terjadi yang terdapat selama percobaan berlangsung adalah pada saat keadaan default setting, seharusnya nilai pH awalnya diset hingga ia berada pada kondisi yang tetap (pH = 7 tidak berubah-ubah beberapa saat). Namun karena mungkin praktikan kurang teliti, maka ketika pH-nya sudah mencapai 7, untuk mencegah ia tidak berubah-ubah, dalam 5-10 detik praktikan langsung mengganti ke nilai yang ditentukan oleh asisten yaitu SV= 7.5. Hal ini tentu akan mempengaruhi grafik yang ada.

•

Pada saat percobaan automatic, data yang keluar juga ti dak terlihat kecenderungan yang jelas. Hal ini dimungkinkan oleh penggunaan kontroler P terjadi pasca pengendalian manual. Efek dari pengendalian manual masih belum berakhir dan kece patan perubahan set point yang dilakukan oleh praktikan sedikit lebih lama dibandingkan dengan

kontroler PID karena setting automatic sedikit berbeda dengan yang manual.


BAB 5 PENUTUP

5.1

Kesimpulan •

Nilai FOPDT pada percobaan pertama adalah

 =

0,04−,

352,5 + 1 ✓ Nilai (θ) atau dead time merupakan waktu yang diperlukan sebelum terjadinya step respon. ✓ Nilai Kp menunjukkan sensitivitas terhadap gangguan yang diberikan. ✓ Konstanta waktu (τ) menunjukkan kecepatan suatu sistem untuk merespon

gangguan. •

Perhitungan nilai P, I dan D dilakukan dengan menggunakan metode Ziegler – Nichols

•

Pada percobaan pertama didapatkan nilai kontroller sebagai berikut :

•

Kc

Ti

Td

SK

2.637862

449

112.25

PID

1.978396

740.85

-

PI

2.198218

-

-

P

Jika dibandingkan kontroler PID pada percobaan ini lebih baik dibandingkan kontroler P dan PI karena nilai parameter-parameter yang didapatkan dari PRC masih lebih baik untuk jenis kontroler PID.

•

Kontroler PID memiliki respon yang cepat dala m menghadapi perubahan set point yang dilakukan tanpa memakan waktu yang lama dalam menghadapi perubahan yang terjadi.

•

Pengendalian dengan kontroler PID adalah zero offset , kembali tepat ke set point yang diberikan sebelumnya.

•

Aksi integral berguna untuk menghilangkan offset pada sistem pengendalian yang dilakukan.

•

Aksi derivatif dalam kontroler yang digunakan dan berguna untuk menurunkan overshoot dan waktu osilasi.

34 Universitas Indonesia

Ph Control

Recommend Documents