15
Kajian Unjuk Kerja Sistem Pneumatic Hydrolic Pada Komponen Katup Kontrol (Control Valve) Ade Elbani Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura Pontianak E-mail :
[email protected] Abstract– Untuk keperluan proses suatu industri, komponen-komponen kendali tertentu selalu menggunakan sistem pneumatic, dimana menghasilkan daya dorong yang besar juga presisi, misalnya digunakan untuk mengatur aliran bahan kimia yang mudah terbakar, mengangkat barang yang berat, untuk menekan katup-katup kontrol, pemindahan barang dan sebagainnya. Penelitian ini akan mengamati prilaku komponen kendali katup kontrol yang menggunakan sistem pneumatic sebagai energi tekanannya, mengamati prilaku dinamik sistem pengaturan dengan tekanan komponen pneumatic terhadap masukan fungsi tangga (step function) dan sistem pengaturan berdasarkan titik kerja setiap komponen, serta menentukan konstanta waktu naik dan waktu stabilnya. Penelitian ini dilakukan pada simulasi control valve yang ada di laboratorium teknik kendali, Fakultas Teknik UNTAN. Secara umum dari hasil penelitian telah diketahui gerakan stem indicator pada katup kontrol (control valve), akan sangat dipengaruhi besar kecilnya tekanan udara, disamping juga mengetahui kurva karakteristik pneumatic yang diperoleh dari hubungan antara tekanan udara dan variabel pengaturan.. Dari kesemua hasil kajian ini akan merekomendasi penggunaan sistem pneumatic katup konrol (control valve) pada industri-industri yang bersesuaian secara efisien dan tepat sasaran, terutama industri proses yang memanfaatkan katup kontrol sebagai komponen utama pengendalian hasil industrinya, misal industri farmasi, industri makanan, maupun industri kimia lainnya. Keywords– Katup kontrol (control valve), Indicator, Karakteristik Sistem Pneumatic.
Stem
1. Pendahuluan
Dewasa ini pemakaian sistem pengaturan automatik merupakan kebutuhan pada pengendalian proses dalam suatu industri, terutama sejak digunakannya komputer sebagai unit pengendali dimana akan melakukan pengendalian secara terintegrasi. Sistem ini dipandang sangat menguntungkan karena selain menjanjikan ketelitian, kecepatan pengendalian, kontinyuitas produksi dan dapat pula menggantikan operator yang bekerja pada lingkungan yang membahayakan keselamatan. Mengingat bahwa pengendalian utama dari sistem pengaturan otomatis adalah komputer, secara keseluruhan sistem tersebut akan lebih mudah jika di disain dengan komponen yang mengkonsumsi jenis energi yang sama dengan unit pengendali yaitu energi
listrik. Karena disamping mudah didapat, bentuk energi ini mudah dikonversikan kedalam bentuk energi lainnya. Meskipun demikian untuk pertimbangan desain tertentu komponen sistem tidak seluruhnya menggunakan daya listrik, misalkan komponen yang digunakan untuk menghasilkan daya dorong yang besar digunakan komponen hidrolik (komponen yang digerakkan oleh minyak bertekanan), komponen yang digunakan untuk mengatur aliran bahan kimia yang mudah terbakar digunakan pneumatic atau komponen yang digerakkan dengan udara yang bertekanan. Suatu perancangan sistem memiliki kriteria desain dinamis dari sistem tersebut. Prilaku dinamik dari suatu sistem didapatkan dengan melakukan berbagai pengujian menggunakan sinyal masukan dalam bentuk fungsi tertentu yaitu dengan memberikan masukan sistem fungsi tangga (step function), mengamati tanggapan (respons) sistem untuk mendapatkan sifatsifat dari prilaku dinamiknya. Penelitian ini bertujuan antara lain, mengamati karakteristik sistem pneumatic beserta sistem pengaturannya berdasarkan titik kerja setiap komponen pneumatic, mengamati prilaku dinamik sistem pengaturan tekanan komponen pneumatic terhadap masukan fungsi tangga, serta menentukan konstanta waktu naik dan waktu stabil dari komponen pneumatic. 2. Pengaturan Pada Komponen Pneumatic
Sistem pengaturan dengan komponen pneumatic merupakan sistem pengaturan yang memerlukan sumber daya udara bertekanan dan hasil keluaran digunakan untuk mencatu atau menggerakan komponen akhir dari sistem lain yang lebih kompleks. Sistem pengaturan dengan komponen pneumatic berikut ini digunakan untuk mempelajari sistem pengaturan tekanan udara khususnya digunakan sebagai pencatu aliran udara bertekanan untuk proses berikutnya. Tekanan udara dalam saluran merupakan variabel yang akan diatur (controlled Variable) dinotasikan sebagai Px. Besarnya tekanan ini berubah sesuai dengan perubahan beban yang dinyatakan sebagai resistansi aliran Rz. Sistem pengaturan tekanan tersebut dicatu oleh suatu sumber udara bertekanan dengan tekanan konstan Ps. Untuk menghindari terjadinya perubahan yang mendadak dari tekanan dalam saluran sebagai akibat dari perubahan variabel pengatur Py (dapat pula difungsikan sebagai gangguan) atau perubahan beban Rz, pada saluran antara sumber dan beban dipasangkan sebuah tabung udara yang disebut Buffer Accumulator.
Jurnal ELKHA Vol.2, No.1, Maret 2010
16
bahwa keadaan PX yang mungkin untuk perubahan dari RZ dan RCON, yaitu: 1.
BA Ps Fs FA Py
Gambar 1. Sistem Pengaturan Tekanan Ket.: BA = Buffer Accumulator
2.1 Keadaan Tunak Komponen Pneumatic Keadaan tunak (Steady State) pada sistem diatas berarti bahwa tekanan sumber Ps, takanan udara dalam saluran Px, tekanan pengatur Py serta beban Rz adalah konstan untuk tiap perubahan waktu. Dalam status ini keadaan tunak dapat ditentukan tanpa menggunakan BA, karena sistem dapat dinyatakan sebagai pembagian tekanan. Seperti layaknya pembagian tegangan pada rangkaian tahanan, tekanan Px yang terletak antara tekanan sumber Ps dan tekanan udara luar (Pressure ambient) Pamb= 0 dapat dinyatakan sebagai fungsi dari resistansi pneumatic Rcon (resistansi pengatur) dan Rz (resistansi penerima aliran atau beban), yaitu: PX = f(PY ; PZMIN) PX = f(PY ; PZB) PX = f(PY ; PZMAX)
Px
1.0 bar
o o
o
RZ menyatakan beban dari sistem, jika beban ini bertambah besar (nilai resistansi RZ diturunkan), maka tekanan PX juga turun. 2. Penurunan tekanan PX dapat diatasi dengan mengatur resistansi RCON, dimana jika RCON diturunkan, maka PX akan naik kembali. 3. Nilai resistansi dari RCON tergantung dari tekanan pengatur PY, dimana jika tekanan PY turun maka valve lebih terbuka yang artinya resistansi RCON turun. Ketiga keadaan tersebut menggambarkan konsep pengaturan tekanan pada sekitar keadaan tunak yang memberikan pengertian bahwa “Meskipun terjadi perubahan beban RZ, tekanan PX dapat dijaga konstan pada keadaan tertentu melalui pengaturan tekanan valve PY”. 3. Komponen Pneumatic Untuk melakukan penelitian maupun pengamatan tentang pengukuran karakteristik komponen pneumatic, maka perlu diketahui beberapa peralatan yang digunakan, yaitu : - Filter/Air-Pressure Supplay Combination - Pressure Step Controller - Pressure-Voltage Transducer, Triple - Katup Kontrol (Control Valve) - Throttle Valve - Buffer Accumulator Fungsi dan kegunaan masing-masing komponen tersebut akan di jelaskan pada masing-masing item berikut. 3.1 Filter/Air-Pressure Supply Combination
PxB 0.6 A1
Fungsi/Kegunaan adalah untuk mengatur penyaluran udara bertekanan yang bersumber dari kompresor ke sistem berikutnya yaitu control valve dan pressure step controller melalui terminal Rapit-Acting Coupling NW7.2, yang besarnya tekanan ini tidak boleh melebihi dari 15 bar. Sedangkan udara bertekanan yang dipakai untuk mencatu sistem disedikan pada saluran energi 1 (besarnya sekitar 3 bar) dan saluran auxiliary energi (besarnya sekitar 1.4 bar).
o o
Px1
A2
0.2
0.6
0.2 Py2
PyB
Bar
1.0
Py
Gambar 2. Kurva Karakteristik Sistem Pengaturan Tekanan
2.2 Kurva Karakteristik dan Titik Kerja (Operating Point) Hubungan dari PX, RZ dan RCON pada formulasi di atas memberikan gambaran hubungan saling berkaitan antara PX terhadap perubahan dari RZ dan RCON. Melalui hubungan tersebut dapat dideskripsikan
3.2 Pressure Step Controller Fungsi / Kegunaan adalah untuk menyalurkan besar kecilnya tekanan udara yang keluar ke control valve melalui pengontrol tekanan udara. Saklar tongkat berfungsi untuk mengatur salah satu dari level tekanan yang akan dihubungkan pada saluran signal. Saklar tongkat ini juga berfungsi menggerakan rele guna mengatur start awal dari recorder. Sumber daya listrik dipakai untuk mencatu komponen listrik yang ada dalam modul ini. 3.3 Pressure -Voltage Transducer, Triple Kegunaannya adalah untuk merubah tekanan ke tegangan lisktrik sehingga pengukuran tekanan dapat
Jurnal ELKHA Vol.2, No.1, Maret 2010
17
dilakukan dengan alat ukur tegangan, disamping itu modul ini digunakan untuk keperluan pembuatan recorder listrik. Referensi titik pengukuran tegangan (ground) terhubung menjadi satu. Saluran energi 1 dan auxiliary energi diletakan hanya untuk tambahan fasilitas penyambungan dengan modul lain jika diperlukan. 3.4 Katup Kontrol (Control Valve) Kegunaannya adalah untuk menunjukan suatu tingkat tekanan udara, tekanan dari saluran energi 1 disalurkan melalui kran pengontrol dan diubah menjadi tekanan energi 2. Saluran dari auxiliary air pressure supply combination digunakan untuk mengoperasikan kran pengontrol ini. Posisi dari valve kendali di indikasikan secara mekanik. 3.5 Throttle Valve Kegunaannya yaitu sebagai pembagi tekanan (pressure divider), saluran energi 2 pada throttle valve disalurkan ke modul Pressure-Voltage Transducer (Triple). Saklar tongkat dipakai sebagai penggerak rele untuk mengatur start recorder. Bersama-sama dengan control valve (modul 744941), Sumber daya listrik dipakai untuk mencatu komponen listrik yang ada dalam modul. 3.6. Buffer Accumulator Kegunaannya adalah sebagai tabung udara, BA dapat dihubungkan atau dilepas dari saluran energi 2 dengan membuka atau menutup valve. Sebuah valve yang ada pada bagian kanan dipakai untuk membuang udara yang ada pada accumulator. Kedua valve ini disebut fastacting valve atau menutup saluran cukup dengan memutar tombol valve sebanyak 90o. HE
HE
G a m b E1 a 744 905 r 4HE . 1 0 .
S E2 E2
E1 744 941
HE
▪ Pengukuran karakteristik untuk beban normal - Setel titik kerja. - Setel Py mulai dari 0%, 10%, 20%...100%, ukur harga Px.
▪ Pengukuran karakteristik beban maximum (R zmin) - Setel Py. - Atur Rz hingga harga Px=0.8 bar, kunci Rz. - Setel Py mulai dari 0%, 10%, 20%...100%, ukur harga Px.
HE
E2
E1 744 943
Untuk panel 744943, kedua saklar accumulator ditutup karena dalam mendapatkan kurva karakteristik tidak diperlukan buffer accumulator, panel 744933 untuk pengukuran tekanan dengan voltmeter digital. Prosedur standart (titik kerja) percobaan pneumatic: 1. Pada panel 744912, pindahkan saklar kekiri selanjutnya atur tekanan kontroler hingga Py=50%, hasilnya dapat dilihat pada instrumen ukur. 2. Pada panel 744941, atur tekanan kontroler untuk Ps=1.1 bar, hasil dapat dilihat pada tampilan instrumen ukur. 3. Pada panel 744942, pindahkan tongkat saklar keatas, atur resistansi pneumatic (throttle valve) Rz hingga tekanan Px yang ditunjukan instrumen ukur 0.6 bar. Kunci throttle valve dengan memutar cincin pengunci kearah berlawanan.
E1 744 942
S
E1 744 912
5. Langkah Kerja Pengujian Kurva Karakteristik
▪ Pengukuran karakteristik beban minimum (Rzmax) - Setel Py=50%. - Atur Rz sedemikian rupa hingga harga Px=0.4 bar, kunci Rz. - Setel Py mulai dari 0%, 10%, 20%...100%, ukur harga Px.
HE
S
pada energi 1 menjadi sumber untuk mengoperasikan control valve (kran yang memiliki kontrol) yang bekerja sama dengan modul throttle valve (744942) Sebagai pembagi tekanan, keluaran sumber dari saluran energi 2 dihantarkan ke modul pengubah tekanan ke bentuk energi listrik atau tegangan (744933), sebuah kontroler tekanan lengkap dengan instrumen ukur pada modul pressure step controller (744912) berfungsi untuk mengatur tekanan Py. sehingga tekanan yang diatur berada pada saluran yang akan menuju throttle valve, sedangkan buffer-accumulator (744943) dapat digunakan atau tidak.
E1 744 933
Digital Volt Meter
B u Gambar 3. Diagram Hubungan Antar Panel f 4. Diagram Blok Dan Hubungan Antara Peralatan f e Dengan berorientasi pada panel modul yang r digunakan, diagram blok dari percobaan untuk mendapatkan titik kerja dan kurva karakteristik sistem A pengaturan dengan komponen pneumatic. Tekanan c (PS) digunakan oleh modul (744905) dan keluaran udara c u m u l a
5.1 Data Hasil Pengukuran Karakteristik Pada pengukuran Py dalam (%) dikonversikan ke dalam (bar), proses konversi ini didapatkan melalui diagram konversi sebagai berikut.
Jurnal ELKHA Vol.2, No.1, Maret 2010
18
Tabel 1. Data Hasil Pengukuran Karakteristik Py (%)
Py (bar)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.20 0.28 0.36 0.44 0.52 0.60 0.68 0.76 0.84 0.92 1.00
( RZ = RzB) Px (bar) 0.95 0.90 0.85 0.79 0.72 0.60 0.40 0.20 0.50 0.00 0.00
( Rz = Rzmax ) Px (bar) 0.70 0.66 0.65 0.61 0.55 0.40 0.25 0.10 0.01 0.00 0.00
( Rz = Rzmin ) Px (bar) 1.50 1.00 0.95 0.55 0.90 0.80 0.64 0.35 0.09 0.00 0.00
100
X/%
50
0.2
1,0
0,6 Px / bar
x 125 %
Px bar
25
Px x 0 . 008 0 .2 bar %
Gambar 4. Kurva Karakteristik Pneumatic
6. Tanggapan Sistem Terhadap Masukan Fungsi Tangga Pengujian tanggapan sistem pengaturan dengan komponen pneumatic terhadap masukan fungsi tangga digunakan beberapa komponen serta instrumen ukur seperti pada Gambar 1. Dalam pengujian sistem pengaturan tekanan menggunakan sinyal uji fungsi tangga selalu dibutuhkan buffer accumulator yang berfungsi untuk menambah waktu tunda (delay time) dan memperlambat waktu naik (rise time) dari sistem. Komponen utama sebagai perlengkapan pengujian (testing facility) adalah pembangkit sinyal fungsi tangga (step generator) dan perekam kurva tanggapan (line recorder). Pembangkit sinyal fungsi tangga berupa saklar berfungsi untuk mengalihkan masukan sistem dari satu masukan ke masukan lainnya yang mempunyai level tekanan berbeda. Tanggapan sistem terhadap masukan fungsi tangga ini didapatkan dengan menggambarkan Px melalui recorder. Fungsi masukan tangga dapat direkam melalui penggambaran dengan recorder. Gambar 5 merupakan masukan berupa fungsi tangga, setelah sistem menerima masukan fungsi tersebut, maka hasil dari tanggapan sistem ditunjukan pada Gambar 6. Sinyal masukan sebagai fungsi waktu, secara matematik
dinyatakan sebagai Py(t). Kurva sinyal keluaran Px(t) merupakan kurva yang bergantung pada kurva sinyal masukan Py dan secara matematik hal ini dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan fungsional, yaitu: Px(t)= F(Py(t)). Hubungan fungsional menyatakan suatu transformasi tanggapan (transfer respons) atau tanggapan dinamik (dynamic respons) dari sistem pengaturan tekanan tersebut, demikian pula untuk masukan berupa fungsi tangga (step function), maka tanggapan sistem (step respons) tersebut juga menyatakan suatu hubungan fungsional. Berdasarkan pada pengertian step respons, keluaran fungsi dari sistem sesungguhnya juga berupa suatu sinyal fungsi tangga (step) yang tertunda akibat adanya transformasi antar elemen pada komponen pneumatic yang digunakan pada sistem pengaturan tekanan. Penundaan ini sesungguhnya disebabkan oleh proses pembebanan (loading process) akibat pemakaian komponen kombinasi dari resistansi beban Rz dan buffer accumulator. Proses pembebanan dari suatu sistem dikarakteristikan dengan time constant (konstanta waktu) T, yang ditentukan dengan menggunakan garis singgung seperti pada gambar 4. Penggambaran garis singgung ini umumnya sulit dilakukan secara teliti, karenanya secara praktis konstanta waktu T dapat dihitung sebagai waktu yang dibutuhkan mulai t=0 sampai dengan t=T dimana respons sistem mencapai 63% dari keadaan tunak. Secara teoritis proses pembebanan ini akan terjadi sangat lama (sampai t=∞), sehingga harga akhir dari Px2 akan dicapai pada waktu yang tak terbatas atau dapat dikatakan bahwa Px2=Px(∞), akan tetapi untuk kebutuhan praktis pengambilan harga Px2 untuk t=5T, yaitu: Px2=Px(5T) sudah dapat dianggap cukup teliti. Konstanta waktu T lebih berarti matematis, karena dengan memakai harga ini tanggapan keluaran sistem dapat didekati dengan menggunakan fungsi exponensial, yaitu: Px(t)= Px2{1-exp[-(1/T).t]}. Untuk tujuan praktis, proses pembebanan dapat pula dikarakteristikan dengan waktu naik (rise time) Tr dan waktu keadaan tunak (setting time) Ts. Waktu naik dihitung berdasarkan lamanya waktu yang dibutuhkan mulai tanggapan keluaran pada Px=5%Px2 sampai dengan Px=95%Px2, sedangkan waktu keadaan tunak dihitung berdasarkan waktu yang dibutuhkan mulai dari keadaan awal t=0 sampai dengan tanggapan keluaran Px(Ts) = 99.5%Px2. Py Py2 Py(t) Py2 t
Gambar 5. Pengujian Sistem Pneumatic Dengan Masukan Fungsi Step
Jurnal ELKHA Vol.2, No.1, Maret 2010
19
Referensi Px Px2 = Px (∞)
Px2
Px (t) = F(Py(t)) Px1 T
t
Gambar 6. Pengujian Sistem Pneumatic Dengan Masukan Fungsi Step
7.
Kesimpulan
Dari hasil penelitian, dapat disimpulkan, bahwa: ▪ Secara umum gerakan dari stem indicator pada control valve sangat dipengaruhi besar kecilnya tekanan udara dari modul 744912. ▪ Tahanan Rz pada modul 744924 dapat mempengaruhi nilai tekanan Px. ▪ Kurva karakteristik pneumatic dapat diperoleh dari hubungan antara Px dan Py. ▪ Tegangan listrik yang dihasilkan pada Pressurevoltage Transducer (triple) dipengaruhi oleh besar kecilnya signal tekanan yang ada pada throttle valve, besar tegangan berbanding lurus dengan besarnya tekanan yang diterima (dapat dilihat pada voltmeter digital). ▪ Tekanan Px bisa tetap konstan melalui pengaturan tekanan Py.
[1] Moch. Rameli, Rusdianto E, Yos Pramudianto, Djoko Susilo, 1996, Proyek Lima Universitas “Sistem Pengaturan Karakteristik Pneumatic”, Erlangga, Malang. [2] Thomas Krist, Dines Ginting, 1993, Dasar-dasar Pneumatic. [3] Parr Andrew, 2003, Hidrolika dan Pneumatic Bagi Teknisi dan Insinyur, Jakarta.
Biografi Ade Elbani, lahir di Sanggau pada tanggal 22 Mei 1963. Menyelesaikan program Strata I (S1) di Universitas Gadjah Mada (UGM), Fakultas MIPA, Jurusan Fisika, Prodi Elektronika dan Instrumentasi (ELINS) pada tahun 1992 dan program Strata II (S2) di Institut Teknologi Bandung (ITB), Magister Teknik, Program Instrumentasi dan Kontrol (PINK), Fakultas Teknologi Industri selesai pada tahun 2003. Sejak tahun 1995 sampai sekarang mengajar di Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Tanjungpura Pontianak. Penelitian yang diminati saat ini adalah : Pemodelan Sistem dan Kontrol.
Jurnal ELKHA Vol.2, No.1, Maret 2010
20
Jurnal ELKHA Vol.2, No.1, Maret 2010
