TRANSDUCER & SENSOR YANG DIGUNAKAN PADA SISTEM PEMBANGKITAN

Tranducers adalah peralatan yang dapat mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Tranducers dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu:

Input Tranducers     =  Electric-Input Tranducers mengubah energi non-listrik seperti suara, cahaya menjadi energi listrik.

Output Tranducers  =          Electric-Output Tranducers merupakan kebalikan dari Electric-Input Tranducers.

Terdapat tipe-tipe tranducers yang dipergunakan untuk mengkonversi energi mekanik, magnetik, panas, optik, ataupun kimia menjadi arus dan tegangan listrik.

Sensor adalah peralatan yang dipergunakan untuk mendeteksi ataupun mengukur ukuran dari sesuatu. Sensor umumnya dikategorikan menurut apa yang diukur dan sangat berperan penting dalam proses pengendali manufaktur modern.

3.1   Proximity Sensor

Proximity Sensor merupakan sensor yang mendeteksi keberadaan dari suatu objek tanpa melakukan kontak fisik.

Proximity sensor ini akan dipergunakan dalam kondisi:

-     Objek yang akan dideteksi terlalu kecil.

-     Respons cepat dan kecepatan switching diperlukan, misalnya dalam menghitung, ataupun ejection control applications.

-     Objek harus diindra melalui pembatas non metalik, seperti kaca, plastik dan kartor kertas.

-     Lingkungan yang berbahaya, dimana sistem terproteksi dengan baik, dan tidak diharapkan adanya kontak mekanik.

-     Jika dibutuhkan saklar yang panjang umur dan andal

-     Sistem pengendali elektronik cepat yang membutuhkan signal masukan bebas pantulan.

3.1.1   Sensor Induktif dan Kapasitif

o  Inductive Proximity Sensor adalah peralatan sensor yang diaktifkan oleh objek logam. Inductive Sensor ini dapat diaktifkan baik dalam posisi aksial ataupun radial.

o  Capacitive Proximity Sensor adalah sensor yang diaktifkan oleh material konduktif ataupun non-konduktif, seperti kayu, plastik, cairan, gula, tepung, ataupun gandum.

Inductive Proximity Sensor

Capacitive Proximity Sensor

3.1.2   Magnetic switch (reed relay)

Switch magnetic atau sering juga disebut sebagai reed-relay. Sensor ini terdiri dari dua plat kontak yang terproteksi penuh dalam ruang kaca yang mempunyai gas proteksi. Reed relays ini cepat, lebih andal, dan menghasilkan penyimpangan yang lebih kecil dibandingkan dengan saklar elektromekanik konvensional.

3.2    Sensor cahaya

Sensor cahaya yang paling sering dijumpai adalah photovoltaic atau sel solar, dimana peralatan ini mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik.

3.2.1   Photoconductive (Photoresistive)

Photoconductive (Photoresistive) cell merupakan salah satu tranducers cahaya yang sering dipergunakan. Energi cahaya yang jatuh pada sel photoconductive akan mengakibatkan perubahan resistansi pada sel, jika cahaya sedang gelap, maka resistansi akan tinggi, demikian juga sebaliknya.

Terdapat dua tipe utama dari sensor photoelektrik ini, yaitu:

-     Reflective-type photoelectric sensor, dipergunakan untuk mendeteksi cahaya yang dipantulkan dari objek

-     Through-beam photoelectric sensor, dipergunakan untuk mengukur perubahan kuantitas cahaya yang diakibatkan dari adanya objek yang melewati aksis optiknya.

Fasilitas yang disediakan oleh sensor photoelektrik antara lain:

·      Deteksi non-kontak. Proses deteksi ini tidak akan mengakibatkan kerusakan baik pada target ataupun sensor.

·      Deteksi target virtual dari segala material. Proses deteksi ini didasarkan atas jumlah cahaya yang diterima, atau perubahan dalam jumlah cahaya yang dipantulkan. Metoda ini memungkinkan untuk mendeteksi target yang terbuat dari berbagai material, misalnya kaca, logam, plastik, kayu ataupun cairan.

·      Jarak deteksi yang jauh. Reflective-Type PhotoElectric Sensor mampu mendeteksi sampai jarak 1 (satu) meter, sedangkan Through-Beam PhotoElectric Sensor mampu memdeteksi sampai jarak 10 (sepuluh) meter.

·      Diskriminasi warna. Sensor ini memiliki kemampuan untuk mendeteksi cahaya dari objek berdasarkan reflektansi dan penyerapan cahaya dari warna tersebut.

·      Deteksi dengan keakuratan tinggi. Dengan sistem optikal yang unik dan sirkit elektronik presisi memungkinkan deteksi objek dengan keakuratan tinggi.

3.3    Bar-Code

Teknologi Bar-Code adalah yang paling banyak diimplementasikan di industri, biasanya dipergunakan untuk memasukkan data secara cepat, dan akurat. Simbol Bar-Code terdiri dari 30 karakter yang dienkodekan menjadi bentuk yang bisa dibaca mesin.

Scanner Bar-Code adalah alat yang dipergunakan untuk mengoleksi data. Sumber cahaya dari scanner akan memancarkan cahaya ke bar-code, kemudian bagian yang hitam akan menyerap cahaya, sehingga bagian yang putih akan memantulkan cahaya, photo detector akan mengumpulkan cahaya dalam bentuk signal elektronik, decoder yang menerima signal tersebut akan dikonversikan menjadi karakter yang direpresentasikan oleh simbol bar-code tersebut.

3.4   Hall-Effect Sensors

Sensor ini didesain untuk mendeteksi keberadaan dari objek magnetik, biasanya magnet permanen. Biasanya digunakan untuk mensinyalir posisi dari komponen, dan sensor ini memiliki tingkat ketelitian yang tinggi.

3.5   Ultrasonic Sensors

Sensor ini dioperasikan dengan mengirimkan gelombang suara pada target dan mengukur waktu yang dibutuhkan oleh gelombang untuk memantulkan kembali. Waktu yang dibutuhkan oleh gema untuk kembali ke sensor adalah proporsional terhadap jarak dan tinggi dari objek, karena suara memiliki kecepatan yang tetap. Reflektivitas dari gelombang suara di permukaan cairan akan sama dengan permukaan padat, tapi pada tekstil dan foams, gelombang akan diserap.

3.6   Pressure Sensors

Strain Wire Gauge

Strain Wire Gauge Transducer  akan mengkonversi tegangan mekanik menjadi signal elektrik.

-     Prinsip yang diterapkan adalah mengikuti prinsip bahwa konduktor akan memiliki resistansi yang berbeda pada sisi panjang ataupun mendatarnya.

-     Gaya yang dikenakan pada bidang ukur akan menyebabkan bidang membengkok, bengkokan ini akan mendistorsi ukuran bidang, dan akan terjadi perubahan resistansi.

-     Perubahan resistansi ini akan disinyalir oleh sirkit yang ada.

Strain Gauge Load Cells biasanya terbuat dari baja dan bidang ukur tegangan yang sensitif.

Semiconductor strain gauge

Menggunakan piezo-electric crystal sebagai elemen pengindraannya. Jika kristal diberi gaya, maka bentuk kristal akan berubah dan menghasilkan tegangan pada terminal keluaran dari kristal, jenis strain gauge ini memiliki sensitivitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan strain wire gauge.

Displacement Tranducers

Displacement mengacu pada posisi suatu ofjek fisik terhadap suatu titik referensi tertentu. Displacement Tranducers bisa linear (straight-line) ataupun angular (rotary). Potensiometer dapat dipergunakan untuk mengukur perubahan linear ataupun angular.

Displacement Tranducers yang paling umum dipakai industri adalah LVDT (Linear Variable Differential Transformer). LVDT ini digunakan untuk mengendalikan level air di dalam tangki.

Aplikasi LVDT

3.7   Temperature Sensors

Terdapat empat jenis sensor temperatur, yaitu:

a.  Thermocouple. Thermocouple ini terdiri dari sepasang konduktor yang tidak sama yang dikeling bersama pada satu sisi saja, sisi yang dikeling merupakan persambungan untuk pengukuran, sedangkan sisi yang tidak dikeling merupakan persambungan referensi. Dalam fungsinya sebagai thermocouple, maka akan terdapat perbedaan temperatur pada kedua sisi ini. Jika terdapat perbedaan, maka tegangan DC kecil akan dibangkitkan.

b.  Resistance Temperature Detectors (RTDs). Konsep ini berdasar bahwa hambatan elektrik pada logam bervariasi secara proporsional dengan suhu. Variasi proporsional ini sangat tepat dan bisa berulang, sehingga memungkinkan untuk pengukuran suhu yang konsisten melalui pendeteksian hambatan elektrik. Biasanya logam yang sering digunakan ini adalah platina, karenaplatina adalah sangat bagus dalam batas suhu, linearity, stability, dan reproducibility. Terdapat sensor aliran udara yang menggunakan panas RTD yang mendeteksi reduksi ataupun kenaikan dari aliran udara melalui efek pendingin yang melalui elemen pengindra.

c.  Thermistor. Merupakan hambatan suhu sensitif yang memiliki koefisien temperatur negatif. Jika suhu meninggi, maka resistansi akan menurun, dan sebaliknya. Thermistor ini sangat sensitif, sebanyak 5 % resistansi berubah untuk setiap perubahan suhu (oC), untuk itu sangat tepat untuk mendeteksi setiap perubahan suhu, dan massanya yang kecil memungkinkan untuk memberikan respon perubahan yang cepat.

d.  Integrated Circuit (IC) temperature sensors. IC ini menggunakan chip silikon sebagai elemen pengindranya, dan tersedia dalam konfigurasi keluaran tegangan ataupun arus tertentu, meskipun dalam range suhu yang sangat besar.

3.8   Velocity / RPM Sensors

Tachometer biasanya merupakan magnet permanen DC generator kecil. Jika generator berrotasi, akan menghasilkan tegangan DC yang proporsional langsung terhadap kecepatan.

Tachometer biasanya dipasang ke motor pada peralatan pengukur kecepatan motor. Kecepatan dari putaran poros diukur menggunakan magnetic pickup sensor. Magnet ditempelkan ke poros.

Kumparan kecil yang terletak dekat magnet menerima pulsa setiap kali magnet lewat. Dengan mengukur frekwensi dari pulsa, maka kecepatan poros bisa ditentukan. Tegangan yang keluar adalah sangat kecil, dan membutuhkan proses penguatan (amplifikasi) untuk bisa diukur.

3.9   Encoders Sensors

Sensor ini berfungsi untuk mengkonversi gerak linear dan rotasi menjadi signal digital. Rotary Encoder memonitor gerak rotasi dari peralatan. Terdapat dua tipe, yaitu:

a.    Incremental Encoder, yang mengirimkan sejumlah pulsa untuk tiap putaran.

b.    Absolute Encoder, yang menampilkan kode biner spesifik untuk perubahan posisi angular dari peralatan.

3.10   Flow Measurement

Menggunakan prinsip mengkonversi energi kinetik dalam aliran fluida ke dalam bentuk yang dapat diukur.

3.11   Signal Conditioning

Sinyal elektrik yang diproduksi oleh sensor biasanya tidak dapat langsung dipergunakan. Signal Conditioner mengubah sinyal menjadi sinyal yang mudah diukur. Amplifikasi dan atenuasi merupakan teknik signal conditioning yang biasa.

Proses amplifikasi dipergunakan jika hasil dari sensor terlalu kecil. Sedangkan atenuasi mereduksi tegangan sebelum diukur. Penyaringan signal untuk mengubah frekwensi juga merupakan teknik yang umum dipakai. Penyaring yang umum antara lain, high pass, yang hanya melewatkan frekwensi yang high saja, bandpass, melewatkan frekwensi pada rentang tertentu, dan low pass, yang melewatkan frekwensi low saja.

Terkadang signal perlu dikonversikan dari analog ke digital, untuk itu dibutuhkan konverter A/D (Analog Digital), atau sebaliknya D/A (Digital Analog).

Smart Signal Conditioner adalah alat yang menggunakan prosesor dan memiliki kemampuan untuk mengkonversi signal sensor elektrik.

INTRUMENTASI DAN KONTROL PADA SISTEM PEMBANGKITAN

1.1   Instrumentasi pada Proses Pembangkitan

Kemajuan dunia teknologi ditandai dengan berkembang dan meningkatnya metoda pemantauan dan pengendalian lingkungannya dengan tujuan meningkatkan kemampuan untuk beradaptasi, memperkirakan, menurunkan resiko dan menghilangkan efek buruk terhadap kehidupan dan lingkungan. Sebaliknya, istilah kontrol berarti metoda-metoda memaksa parameter-parameter lingkungan untuk mengikuti harga-harga tertentu. Fungsi sistem instrumentasi dan pengukuran (Instrumentation and Measurement systems) dapat diklasifikasikan kedalam kategori berikut ini.

a.    Penilaian harga atau kualitas (Value or quality assessment) – Inilah tujuan tertua pengukuran dalam sejarah peradaban. Contoh instrument asesmen harga adalah adalah timbangan perdagangan. Timbangan membantu kita dengan cara membandingkan dengan berat standard untuk menentukan harga jual suatu barang. Contoh lainnya, pemanfaatan sistem pengukur meteran air atau listrik (kwh meter). Di lingkungan pembangkitan, banyak pengukuran untuk menjamin kualitas keandalan produksi listrik sesuai yang dibutuhkan.

b.    Keselamatan dan Proteksi (Safety and Protection) – Bertujuan memantau dan mendeteksi situasi berbahaya tertentu untuk menentukan aksi adaptif, protektif danpreventif; misalnya tujuan pemantauan suhu untuk menentukan tindakan adaptif atau protektif. Dalam beberapa hal, sistem pengukuran dibuat untuk menyulut suara atau lampu peringatan alarm, misalnya alarm kebakaran; atau untuk mengambil tindakan lain seperti membuka katup pelepas tekanan (relief valve) untuk mencegah tekanan lebih yang menyebabkan pecah.

c.    Kendali otomatis (Automatic Control) – Seperti disebutkan sebelumnya, bahwa istilah kontrol berarti metoda-metoda memaksa parameter-parameter lingkungan untuk mengikuti harga-harga tertentu. Misalnya menjaga ketersediaan air dalam tangki; mempertahankan tinggi/level air dalam tangki ketel uap, atau proses start/stop dan pengoperasian unit pembangkit. Secara umum, semua elemen-elemen yang diperlukan untuk melaksanakan tujuan kendali (control) termasuk sistem instrumentasi, biasanya dijelaskan dengan istilah sistem kendali (control system).

d.    Pengumpulan data (Data collection) – Dalam banyak hal, data dikumpulkan dan diarsipkan sebagai informasi untuk menganalisis penyebab gangguan dan pengembangan model proses yang lebih baik

Teknologi kontrol buatan pertama kali dikembangkan memanfaatkan manusia sebagai bagian integral aksi kontrol. Setelah mempelajari bagaimana menggunakan mesin dan elektronika serta computer untuk menggantikan fungsi manusia, mulailah digunakan istilah kontrol otomatis (automatic control). Pada proses kontrol, tujuan utamanya adalah mengatur harga suatu kuantitas. Mengatur berarti menjaga harga tersebut tetap pada harga yang diinginkan walau apa pun pengaruh dari luar. Harga yang diinginkan disebut harga acuan atau set-point.

Paragraf berikut menggunakan pengembangan suatu sistem kontrol untuk contoh kontrol proses tertentu untuk mengenalkan beberapa istilah dan lambing di lapangan. Gambar 1.1 menunjukkan proses yang akan digunakan pada pembahasan berikut. Cairan mengalir ke dalam tangki dengan laju q_in, dan keluar dari tangki dengan laju q_out. cairan dalam tangki berketinggian (level) h. Tinggi cairan dalam tangki akan dipertahankan pada harga tertentu H, walau berapa pun laju aliran masuk tangki.

1.1.1   Kontrol manual (Manual Control)

Untuk mengatur tinggi level, tangki dilengkapi dengan satu tabung gelas penduga S, seperti  gambar 1.1.  Tinggi level cairan yang ada h disebut controlled variable (variabel terkontrol). Aliran keluar tangki bisa dirobah oleh operator melalui katup. Laju aliran keluar disebut manipulated variable atau controlling variable (variabel terselewengkan atau variabel pengkontrolan).

Gambar 1.1   Kontrol Level Manual (Manual Level Control).

Dengan memanipulasi posisi katup, operator mengkontrol tinggi level tangki sedekat mungkin dengan level yang diinginkan H.

Disini, manusia operator menggunakan matanya sebagai elemen perasa (sensing element) level. Umumnya, pada operasi manual, manusia merasakan: melihat, menyentuh, mencium, merasa dan mendengar merupakan sistem pengukuran. Dalam banyak hal, manusia operator bisa dibantu dengan sensor lain, misalnya indikator level, suhu, dan tekanan.

1.1.2   Kontrol Otomatis (Automatic Control)

Untuk menyediakan kontrol otomatis, sistem harus dimodifikasi seperti ditunjukkan pada gambar 1.2, dimana mesin, elektronik atau komputer menggantikan operasi oleh manusia operator.

Satu alat yang disebut perasa (sensor) ditambahkan, yang mampu mengukur nilai harga level dan mengobahnya menjadi sinyal proporsional s. Sinyal ini disiapkan sebagai masukan input ke mesin, rangkaian eletronik atau komputer, yang disebut pengkontrol (controller). Pengkontrol ini melakukan fungsi manusia mengevaluasi pengukuran dan menyiapkan sinyal keluaran U untuk merobah posisi katup melalui suatu penggerak actuator (motor atau sistem numatik/hidrolik) yang terhubung ke katup dengan sambungan mekanikal. Inilah contoh khas dari kontrol proses otomatik (automatic process control)

Gambar 1.2   Kontrol Level Otomatik cairan dalam tangki.

Instrumentasi yang tepat untuk sistem kontrol otomatis yang dimaksud pada gambar 1.2, ditunjukkan pada gambar 1.3. Sensor level mengirim hasil pengukurannya sebagai suatu sinyal listrik ke pengkontrol elektronik. Pengkontrol diprogram untuk membandingkan sinyal yang diterima dengan harga yang disimpan H. Kemudian pengkontrol menghitung suatu harga sebagai suatu sinyal yang akan dikirim katup kontrol (unit penggerak – actuator) untuk mengobah aliran. Pengkontrol bisa juga dihubungkan ke komputer atau rekorder. Pada situasi yang lebih realistis bisa juga dibuat Alarm untuk mengingatkan/ menyiagakan operator jarak jauh jika level dalam tangki menjadi terlalu tinggi atau terlalu rendah yang bisa merusak katup/actuator, tangki atau pipa, dll. Bisa juga mengirim laju aliran ke monitor,atau jumlah total aliran untuk perhitungan biaya dengan menambahkan alat ukur pada sisi keluar tangki. Pengukuran ini biasanya dikirim ke komputer yang terhubung ke jaringan komputer perusahaan untuk diproses di bagian lain. Untuk tujuan pemeliharaan, banyak alat ukur dilapangan (field instruments) juga dilengkapi dengan indikator lokal, yaitu harga yang terukur ditunjukkan di lokal dan juga dikirim sebagai sinyal ke pusat kontrol.

Gambar 1.3   Instrumentasi untuk kontrol level otomatis

1.2   Diagram Blok Kontrol Proses (Process Control Block Diagram)

Tujuan pendekatan diagram blok adalah untuk memungkinkan suatu proses dianalisis sebagai interaksi sub-sistem lebih kecil dan lebih sederhana. Jika karakter setiap elemen sistem bisa ditentukan, maka kemudian karakter sistem yang terpasang dapat ditentukan dengan mensaling-hubungkan subsistem-subsistem tersebut. Satu model bisa dibuat dengan menggunakan blok-blok yang melambangkan tiap-tiap elemen yang berbeda. Karakter suatu operasi proses bisa dikembangkan dari memperhatikan sifat dan perantara elemen-elemennya.   

1.2.1   Elemen-elemen Lup Kontrol Proses (Elements of Process control loop)

Elemen-elemen suatu sistem kontrol proses ditentukan dengan hubungan bagian-bagian fungsionil yang terpisah dari sistem. Paragraf berikut memberi definisi elemen-elemen dasar sistem kontrol proses dan menghubungkannya dengan contoh diatas. Gambar 1.4 menunjukkan diagram blok yang dibuat dari elemen-elemen yang telah ditentukan sebelumnya. Variabel yang dikontrol pada proses ditunjukkan dengan y pada diagram ini, nilai terukur dari variabel yang dikontrol diberi simbol ym.  Nilai acuan (setpoint) variabel yang dikontrol diberi simbol ysp.

Pencari kesalahan (error) adalah titik bagian pengurangan-penambahan yang menghasilkan sinyal error E = y_sp - y_m  ke pengkontrol untuk pembandingan dan tindakan.

Gambar 1.4   Diagram blok suatu lup kontrol proses

Spesifikasi sistem kontrol proses untuk mengatur variabel y dalam batas tertentu dengan respon waktu tertentu, menentukan karakteristik yang harus dimiliki sistem pengukuran. Pilihan teknologi tertentu untuk pengukuran pada lupadalah tergantung keseluruhan kebutuhan dan spesifikasi yang mendasari sistem kontrol.  Istilah-istilah utama yang digunakan untuk menjelaskan elemen-elemen lup kontrol adalah sebagai berikut.

Process : pada contoh sebelumnya, cairan mengalir masuk dan keluar tangki, tangkinya sendiri, dan cairan, semuanya merupakan suatu proses yang akan dikontrol terhadap tinggi level cairannya. Secara umum, suatu proses bisa terdiri dari suatu kumpulan fenomena yang rumit yang berhubungan dengan beberapa urutan manufacturing. Banyak variabel bisa dilibatkan pada proses sperti ini, dan bisa diperlukan sekali untuk mengkontrol semua variabel ini pada waktu bersamaan. Ada proses-proses variabel tunggal, dimana hanya satu variabel yang akan dikontrol; demikian juga proses-proses bervariabel banyak (multi-variable), dimana banyak variabel, mungkin saling berhubungan, yang perlu pengaturan.

Measurement : Jelaslah, untuk mempengaruhi kontrol suatu variabel pada satu proses, kita harus memiliki informasi tentang variabel itu sendiri. Informasi itu diperoleh dengan mengukur variabel tersebut. Pada umumnya, suatu pengukuran mengacu kepada pengubahan variabel tersebut menjadi besaran sinyal analog yang sesuai dengan variabel tersebut, tekanan pnumatik, tegangan atau arus listrik. Sensor adalah suatu alat yang melaksanakan pengukuran awal dan pengubahan enerji suatu variabel menjadi informasi pnumatik atau listrik yang sesuai. Pengubahan lebih lanjut atau pengkondisian sinyal akan dibutuhkan untuk menyempurnakan fungsi pengukuran. Hasil pengukuran adalah suatu pengubahan variabel menjadi beberapa informasi yang sebanding dalam bentuk yang dibutuhkan oleh elemen-elemen lainnya dalam operasi kontrol proses.

Transducer: Sensor yang digunakan untuk pengukuran bisa juga disebut transducer. Kata sensor cocok untuk peralatan pengukuran awal, namun karena "transducer" menggambarkan suatu alat yang mengubah suatu sinyal dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Sehingga, misalnya suatu alat yang mengubah tegangan menjadi arus yang sebanding akan disebut sebuah transducer. Dengan kata lain, bahwa semua sensor adalah transducer, tetapi tidak semua transducer adalah sensor,

Error Detector: Pada gambar 1.2, operator mengamati beda antara level sebenarnya h dengan level yang diinginkan set-point H dan menghitung error-nya. Error ini memiliki besar dan polaritas. Untuk sistem kontrol otomatis gambar 1.3, penentuan error yang sama jenisnya ini harus dibuat sebelum aksi kontrol apapun dapat dilakukan oleh pengkontrol. Walaupun error detector senantiasa merupakan bagian dari peralatan pengkontrol, adlah sangat perlu menunjukkan perbedaan yang jelas antara keduanya.

Controller : Langkah berikutnya pada urutan kontrol proses adalah memeriksa error-nya jika ada dan menentukan aksi apa yang harus diambil. Evaluasi bisa dilakukan oleh operator (seperti pada contoh sebelumnya), dengan processing (pengolahan) sinyal elektronik, dengan sinyal pnumatik atau dengan komputer. Penggunaan komputer tumbuh dengan cepatpada bidang kontrol proses karena komputer mudah disesuaikan terhadap operasi pembuatan keputusan dank arena kapasitas kemampuannya melakukan kontrol sistem multi-variabel. Pengkontrol memerlukan kedua masukan input, yaitu indikasi terukur dari variabel yang dikontrol dan satu gambaran dari harga acuan variabel, dinyatakan dengan istilah yang sama sebagai nilai/harga terukur. Harga acuan dari variabel akan disebut sebagai set-point. Evaluasi melakukan penentuan aksi yang dibutuhkan untuk membawa variabel terkontrol menuju harga set-point.

Control Element : Elemen akhir pada operasi kontrol proses adalah  alat yang menggunakan pengaruh langsung pada proses: yaitu memberikan perubahan-perubahan variabel terkontrol yang diperlukan itu untuk membawanya ke set-point. Elemen ini menerima satu masukan input dari pengkontrol, yang kemudian dijelmakan kedalam beberapa operasi proportional yang telah dilaksanakan pada proses. Pada contoh sebelumnya, elemen kontrolnya adalah katup yang mengatur laju aliran cairan dari tangki. Elemen ini juga disebut sebagai final control element.

The Loop : Perhatikan pada gambar 1.3 bahwa sinyal yang mengalir akan membentuk suatu rangkaian yang menyeluruh dari proses melalui pengukuran, error detector, controller, dan final control element. Hal inilah yang disebut loop, bahasa umumnya adalah process-control loop (lup kontrol proses); sering-nya disebut a feedback loop, karena kita menetapkan satu error dan feedback sebagai koreksi terhadap proses.

1.3    Diagram Proses & Instrumentasi

Suatu alat penting untuk komunikasi enjinering pada proses pembangkit adalah apa yang disebut sebagai Diagram Proses & Instrumentasi (P&I diagram). Gambar 1.5 menunjukkan diagram P&I sejenis penukar panas (heat exchanger) pada pembangkit. Penukar panas adalah satu unit proses dimana uap digunakan untuk memanaskan suatu bahan cairan seperti minyak residu. Material minyak residu (disebut feed-stock) dipompakan dengan laju aliran tertentukedalam pipa-pipa melalui ruang penukar panas dimana panas dipindahkan  dari uapke dalam minyak dalam pipa. Biasanya diinginkan untuk mengatur suhu minyak keluar aliran agar tetap, walaupun laju aliran berubah-ubah ataupun suhu masuk aliran juga berubah-ubah. Pengaturan suhu keluar aliran diperoleh dengan kontrol otomatis mengatur laju aliran uap ke penukar panas. Diagram P&I menggunakan simbol-simbol standard tertentu untuk menggambarkan unit-unit proses, instrumentasi dan aliran proses. 

Suatu diagram Process & Instrumentation berisikan:

1. Tampilan gambar bagian utama peralatan yang diperlukan dengan garis utama aliran dari dan ke setiap bagian perlengkapan
2. Semua item perlengkapan lainnya dilengkapi dengan desain suhu, tekanan, flow dll
3. Semua interkoneksi pemipaan ditunjukkan dengan ukuran, bahan, dan spesifikasi fabriknya.
4. Semua peralatan instrumen utama

Gambar 1.5    Diagram P & I suatu Heat Exchanger

Instrumen ditunjukkan pada diagram P&I dengan lingkaran, biasanya disebut “balloons”. Balloon berisi angka dan huruf yang mencerminkan fungsi instrumen dan nomer kartunya. Misalnya, TT102 berarti Temperature Transmitter (sensor suhu) nomer 2 pada unit proses nomer 1. Bilangan 102 disebut nomer kartu (tag number).

Setiap Temperature Transmitter (TT) di pembangkit harus memiliki satu tag number yang khas. Penomeran tag number bisa berbeda dari satu pabrikan dengan pabrikan lainnya. Diagram P&I merupakan referensi berharga untuk instalasi projek yang sebenarnya. Enjiner instrumen menggunakannya sebagai sumber banyak dokumen yang harus disediakan.

Jenis diagram lainnya dikenal sebagai Process flow Sheet. Process flow sheets juga berisikan tampilan bergambar bagian-bagian utama peralatan yang dibutuhkan dengan garis aliran utama dari dan ke setiap bagian. Bagaimanapun, informasi tambahan selalu diberikan meliputi kondisi operasi pada beberapa tingkatan proses (flows, pressures, temperatures, viscosity, etc.), keseimbangan material, ukuran peralatan, konfigurasi dan kebutuhan keperluan. Sebaliknya , instrumentasi pada process flow sheets bisa lengkap sempurna, bisa juga tidak.

Diagramjenis ketiga disebut Loop Wiring Diagrams. Electrical loop wiring diagrams adalah gambar skematik listrik yang disiapkan untuk lup listrik individu. Lup paling sederhana adalah yang berisi hanya satu transmitter dan satu receiver.

Lup lainnya bisa berisi banyak item seperti: transmitters. recorders. controllers, alarm units, control valves, transducers, integrators, dan mungkin juga item lainnya. Loop Wiring Diagram dimaksudkan untuk menunjukkan lokasi instrumen, nomer identifikasi dan terminasi kabel interkoneksi. Jalur kabel, ukuran kabel, titik terminal tengah dan informasi berhubungan lainnya perlu ditunjukkan pada gambar lain

Penjelasan Instrumen

FIC-101        Flow Indicator dan Controller (0 to 50 m3/Hr, normal 30 T/Hr). Instrumen ini mengkontrol aliran cold feedstock yang masuk sisi tabung penukar panas dengan mengatur posisi katup pada lintasan aliran cold feed stock.

FR-103         Flow Recorder, (0 to 10 T/Hr, 2.14 T/Hr). Instrument ini mencatat laju aliran uap.

HS-101         Hand Switch, ON/OFF (ON). Saklar (switch) ini untuk menghidup/matikan (on/off) pompa cold feedstock P-101. Ketika saklar di posisi ON, pompa beroperasi. Ketika saklar di posisi OFF, pompa berhenti.

HV-102         Hand Valve, OPEN/CLOSED, (OPEN). Saklar ini untuk membuka/tutup (opens/closes) katup pemblok uap (steam block valve) yang melaluinya uap dialirkan dari header ke sisi rumah penukar panas. Ketika saklar di posisi OPEN, block valve membuka. Ketika saklar di posisi CLOSE, block valve menutup.

PAL-103       Pressure Alarm Low, (Normal). Alarm ini berbunyi bila tekanan di pipa utama uap (steam header) kurang dari 6 kg/cm².

PI-100          Pressure Indicator, 0 to 15 kg/cm², (3.18 Kg/cm²). Instrumen ini menampilkan tekanan uap pada sisi rumah (shell) penukar panas.

PI-103          Pressure Indicator, 0 to 15 kg/cm², (10.55 Kg/cm²). Instrumen ini menampilkan tekanan uap pada steam header.

TAH/L-102   Temperature Alarm High/Low, (Normal). Alarm ini berbunyi bila suhu feed-stock (bahan bakar)  pada  sisi  keluar  penukar panas  melebihi 85 ^OC  atau  kurang dari 71 ^OC.

TI-103           Temperature Indicator, 0 to 200 ^OC, (186 ^OC). Instrumen ini menampilkan suhu uap masuk ke penukar panas.

TIRC-102     Temperature Indicator, Recorder, and Controller, 0 to 200 ^OC, (80 ^OC). Instrumen ini mengkontrol suhu feedstock pada sisi keluar  penukar panas dengan mengatur posisi katup yang mengatur aliran uap ke  penukar panas.

TR-101         Temperature Recorder, 0 to 200 ^OC, (38 ^OC). Instrumen ini menampilkan suhu feedstock yang masuk ke penukar panas.

1.4   Komponen Sistem Pengukuran

Tujuan sistem pengukuran adalah untuk menyajikan kepada pengamat nilai harga numerik yang sesuai dengan variabel yang sedang terukur. Secara umum, harga numeric ini, nilai terukur tidaklah tepat sama dengan harga variabel yang sebenarnya. Sehingga, nilai terukur laju aliran dalam pipa seperti yang ditampilkan pada suatu indikator mungkin adalah 7.0 m³/hr, sedangkan nilai sebenarnya mungkin7.4 m³/hr; putaran terukur suatu mesin yang ditunjukkan pada tampilan digital mungkin 3000 rpm, sedangkan putaran sebenarnya mungkin 2950. Hingga kini, cukuplah menganggap bahwa masukan ke sistem pengukuran adalah harga variabel sebenarnya, dan keluaran outputnya adalah nilai terukur. Lihat Gambar 1.6

Gambar 1.6    Diagram Block sistem pengukuran (measurement system)

Sistem pengukuran terdiri dari beberapa elemen atau blok. Adalah mungkin untuk mengenal 4 jenis elemen,walaupun pada sistem yang diberi satu jenis elemen mungkin hilang atau bisa terjadi lebih dari sekali. Ke-empat jenis tersebut ditunjukkan pada gambar 1.6 dan dapat dijelaskan sebagai berikut.

Sensing element (elemen perasa) - Ini yang bersentuhan dengan proses dan memberikan satu output yang tergantung pada beberapa cara variabel diukur. Jika ada lebih dari satu elemen perasa yang  cascade (berpancaran kebawah), elemen yang bersentuhan dengan proses disebut primary sensing element, yang lainnya disebut secondary sensing elements. Keluaran output dari suatu sensor bisa berupa perubahan tahanan, perubahan tegangan, perubahan arus , frekuensi dll.

Signal conditioning element (elemen mempersiapkan sinyal) - Ini yang mengambil output dari sensing element dan mengubahnya menjadi satu bentuk yang lebih sesuai untuk pemrosesan lebih lanjut, biasanya suatu tegangan DC, arus DC atau sinyal frekuensi. Contohnya adalah: deflection bridge yang mengubah suatu perubahan impedansi menjadi perubahan tegangan; penguat yang menguatkan tegangan milli-volt menjadi volt; oscillator yang mengubah perubahan impedansi menjadi tegangan frekuensi variabel. Dalam kebanyakan hal keluaran output elemen signal conditioning mengikuti level sinyal standard, yaitu 0 -10 Volts or 0-5 Volts. Jika sinyal akan dikirim melalui wayar ke Control Room, output dari elemen signal conditioning adalah 4-20 mA. Dalam hal ini, kombinasi sensor dan elemen signal conditioning disebut Transmitter. Untuk transmitter suhu yang mengukur suhu antara 0-120 ^OC, output 4mA sesuai dengan 0 ^OC, dan output 20 mA sesuai dengan 120 ^OC.

Signal processing element (elemen pengolah sinyal) - Ini yang mengambil output dari conditioning element dan mengubahnya dan mengubahnya menjadi satu bentuk yang lebih sesuai untuk penyajian lebih lanjut. Misalnya: pengubah analog ke digital ADC yang mengubah tegangan menjadi bentuk digital sebagai masukan input ke komputer; mikro-komputer yang menghitung nilai variabel terukur dari data digital yang masuk. Kalkulasi khasnya adalah: perhitungan aliran masa total dari laju aliran volume dan data rapat masa (density); analisa komponen harmonik dari pengukuran getaran, dan koreksi ketidak linearan sensing element.

Data presentation element (elemen penyajian data) - Data presentation element menyajikan nilai terukur dalam suatu bentuk yang dapat dengan mudah dimengerti oleh pengamat. Misalnya elemen-elemen seperti: indikator, indikator berskala pointer; chart recorders; alphanumeric displays; dan computer monitors.

Contoh: Suatu penimbang berat (timbangan) dengan pembacaan digital. Timbangan terdiri dari pegas S, potentiometer P, amplifier A, Analog to Digital converter ADC, dan pembacaan digital R. Pegas S sebagai sensor utama menghasilkan pergeseran linear 0 - 4 cm untuk berat antara 0 – 9,999 kg. Pergeserannya diukur dengan potentiometer P. Potentiometer berfungsi sebagai sensor kedua yang menghasilkan tegangan keluar V1 antara 0 – 2,5 volts bila bergeser antara 0 – 4,0 cm. Penguat (amplifier) memiliki gain 4,0 sehingga mengeluarkan output V2 yang bervariasi antara 0 – 9,999 volts. Pengubah ADC menghasilkan bilangan digital yang dapat ditampilkan dengan rangkaian pembacaan digital.

Kenalilah (identify) elemen-elemen sistem pengukuran diatas!

ü  Pegas S adalah primary sensing element.

ü  Potentiometer adalah secondary sensing element (atau transducer).

ü  Amplifier dan A/D Converter adalah signal conditioning elements.

ü  Pembacaan digital (digital readout) adalah indicator element.

1.5   Evolusi Instrumentasi

Pada tahun 1940 hingga awal 1950, instrumentasi analog berperangkat keras umumnya berdasarkan pada pneumatic (air pressure), konsep berukuran besar (18x 18 in). Setiap instrumen dihubungkan langsung ke titik ukur proses dan biasanya diletakkan dekat titik ukur tersebut. Aiibatnya, kontrol dan pengukuran proses menjdai tersebar (decentralized) dan operator hanya bisa melihat satu seksi dari satu unit operasi. Dengan perkembangan teknik transmisi pneumatic, kontrol terpusat (centralized control) menjadi mungkin, perlahan-lahan memungkinkan lebih banyak perangkat keras kontrol ditempatkan dalam satu seksi suatu panel kontrol. Bagaimanapun, perangkat Instrumentasi masihsangat besar dan tidak praktis, dan menyajikan tampilan dan kontrol satu variabel proses.

Revolusi baru Instrumentasi dating akibat penemuan transistor pada tahun 1947. Pada akhir 1950, kecenderungan meminiaturkan sajian instrumentasi berlanjut hingga langkah yang tinggi dan ukuran perangkatnya menurun hingga berstandard 2 x 6 in. Pada masa itu, perangkat keras instrumentasi elektronik telah resmi digunakan, berbasis pada teknologi transistor, berkembang menjadi transmisi elektronik dan berlanjut dengan instrumentasi terpusat (centralization) pada satu control panel kontrol; lahirlah ruang kontrol terpusat (centralized control rooms).

Pada awal 1960, komputer digital mulai digunakan pada kontrol proses, dihubungkan dengan perangkat keras peripheral di ruang kontrol. Perangkat keras pengantara baru seperti printers, typewriters, screen CRT dan keyboards, sekarang digunakan operator, membuat suasana di ruang kontrol menjadi kompleks, karena semua perangkat keras baru masih didukung dengan panel instrumen analog yang konvensional. Sehingga, operator harus mempelajari teknik yang baru sambil mengingat peralatan lama dalam hal darurat. Beginilah keadaan tata susunan rancangan panel kontrol yang ada hingga belakangan ini.

Selama akhir 1970-an dan awal 1980-an, revolusi filosofi rancangan pengantara orang dengan mesin (man-machine interface) telah dimulai, dengan menggunakan arsitektur tersebar berbasis perangkat mikro-prosesor. Perangkat baru ini mendigitalkan perangkat analog biasa dan menjadikan mode kontrol yang baru. Mulai diterapkan juga jaringan komunikasi pada lup analog konvensional dan memungkinkan mengembalikan desentralisasi beberapa kontroldi lapangan, sambil bersamaan lebih memusatkan informasi pada tampilan-tampilan kontrol utama. Studi intensif terus dilakukan pada aspek teknik manusia mendapatkan informasi, misalnya rekomendasi ISA (ISA-RP60.3-1977) berjudul "Human Engineering for Control Centers”. Studi ini membawa revolusi baru pada pengantara manusia (human interfacing) sistem pengukuran berbasis komputer pada decade 1980-an.

Sistem tersebar memungkikan untuk mengganti semua informasi proses yang relevan pada tampilan kontrol tersebut menjadi mudah digapai oleh operator yang duduk. Inilah inti utama revolusinya. Gambar 1.8 menunjukkan Evolusi rancangan panel kontrol tahun1950-an hingga 1980-an.

Gambar 1.8    Evolusi Panel Control dan Instruments.

Sistem tersebar ini ditawarkan oleh kebanyakan pabrikan instrumen utama, seperti Honeywell, Inc., Foxboro Corporation, Taylor Instrument Company, the Bristol Company, Fisher Controls Corporation, EMC Corporation dan lainnya. "TDC2000" buatan Honeywell, Inc., adalah salah satu yang pertama dikeluarkan (TDC =Totally Distributed Control). Sistem berbasis perangkat mikro-prosesor yang disusun dalam suatu jaringan "data highway". Sejenis pusat kontrol modern ditunjukkan pada gambar 1.9.

Pada tahun 1990-an display station menerapkan teknologi tinggi mempertinggi human interface dan memungkinkan operator untuk mengawasi informasi lebih banyak. Tampilan berbasis teknologi “Windows”, animasi, 3D display, icons, mouses, touch screens, videos, dan instrumen sebenarnya (virtual). Pengembangan selanjutnya adalah perangkat lunak penyokong operator, dimana software cerdas digunakan untuk menggabung dan menganalisa banyak data dan menyediakan bagi operator ringkasan cerdas, analisa dan anjuran ahli.

Gambar 1.9    Typical Control Center.

 

Gambar 1.10   Workstation Modern

 

Gambar 1.11   Engineering Workstation

Periode 1950-an dan 1960-an transmisi sinyal berbasis teknik pnumatik, dimana sinyal analog ditransmisikan melalui pipa sebagai tekanan udara bervariasi antara 3 hingga 15 psi. Periode 1970-an hingga 1990-an, sistem kabel listrik standard 4 - 20 mA menjadi metoda transmisi sinyal yang paling popular pada bidang Instrumentasi. Selama 1990-an kemajuan di bidang komunikasi digital, mikro-elektronik, dan jaringan networking, sehingga banyak usaha memajukan teknik transmisi digital. Sensor-sensor menjadi lebih canggih dan generasi baru smart transmitter memasuki pasaran. Teknologi fieldbus akhirnya menjadi terstandarkan pada tahun 1997. Fieldbus memungkinkan satu kabel wayar dihubungkan ke banyak sensor dilapangan. Transmisi digital memberikan tanggapan (response) lebih cepat dan meningkatkan jumlah informasi yang bisa trnasmisikan melalui field bus. Transmisi digital menjadi revolusi instrumentasi proses dengan skala yang jauh lebih besar dari pada revolusi yang telah dimulai dengan transmisi elektrik selama tahun 1970-an dan1980-an sebagaimana tercermin pada gambar 1.12. Kecerdasan juga menjadi terdistribusi dan tersimpan dalam smart transmitters. Ruang lingkup instrumentasi akan ter-revolusi dengan jaringan, fiber optics, solidstate sensors, dan teknologi Artificial Intelligence (kecerdasan bikinan).

Gambar 1.12   Evolusi teknologi komunikasi lapangan

Ringkasan

1. Fungsi utama suatu sistem instrumentasi adalah pencapaian harga/nilai dan kualitas, proteksi dan keselamatan, kontrol, dan pengumpulan data.

2. Block diagrams membantu melihat sub-functions setiap bagian dari suatu proses dan menentukan input dan outputnya, dan bagaimana dihubungkannya dengan bagian lain dari proses.

3. bagian utama suatu lup kontrol adalah proses, pengukuran, error detector, pengkontrol, dan elemen kontrol.

4. Diagram P&I terdiri dari simbol-simbol grafikal dan gaaris-garis yang menggambarkan aliran proses dan mengenali (identify) lokasi dan fungsi instrumennya, misalnya sensors, katup, recorders, indikator, dan interkonesi instrument.nya

5. Suatu sistem instrumentasi terdiri dari empat bagian fungsi dasar; sensors, signal conditioning, signal processing, dan indicators.