Embed Size (px)
Citation preview
1
PERANCANGAN SISTEM KONTROL PID PADA PROSES PH BERBASIS PEMBAGIAN REGION KURVA TITRASI
Firmansyah, Hendra Cordova, S.T., M.T.
Jurusan Teknik Fisika – Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
ABSTRAK Pengendalian pH merupakan salah satu faktor penting dalam dunia industri. Pengendalian ini
bertujuan untuk menjaga nilai pH agar berada pada kisaran nilai yang diinginkan sesuai dengan produk yang akan.Perancangan sistem control pH rumit hal ini disebabkan oleh karakteristik dari pH.Penelitian ini bertujuan untuk mendesain proses pengendalian titrasi asam-basa sebagai pemodelan reaksinya adalah asam lemah CH3COOH dan basa kuat NaOH. Sedangkan tempat terjadinya reaksi digunakan (CSTR). Kemudian untuk sistem kendalinya akan digunakan pengendalian PID auto-switch dikarenakan pada proses titrasi asam-basa menghasilkan respon sistem yang nonlinier. Dengan PID auto-switch parameter pengendali PID dibagi menjadi beberapa area set point. yaitu set point pH 3.5-5, 6-8 dan 9-10. dengan nilai Kp, Ki dan Kd pada set point 3.5-5 adalah 0.3, 0.09 dan 0.1, pada set point 5-8 adalah 0.29, 0.09 dan 0.29. Sedangkan pada set point 9-10 adalah 0.2, 0.01 dan 0.25. Error yang terjadi pada simulasi closed loop kurang dari 5%. Kata kunci : PID, pH, asam-basa, titrasi
I. PENDAHULUAN Pengendalian pH merupakan salah satu
faktor penting dalam dunia industri. Pengendalian ini bertujuan untuk menjaga nilai pH agar berada pada kisaran nilai yang diinginkan sesuai dengan produk yang akan dihasilkan. Seiring dengan meningkatnya kebutuhan performansi pengukuran dan pengendalian pH dalam industri kimia, maka perlu dibuat sistem pengendalian yang mampu memberikan performansi yang baik dengan akurasi yang memadai.
Pada berbagai literatur mengenai perancangan pengendalian pH,yang digunakan adalah berdasarkan pada persamaan dinamik dan persamaan statik, penelitian ini bertujuan untuk mendisain proses pengendalian titrasi asam basa berdasarkan pembagian region kurva titrasi, sebagai pemodelan reaksinya adalah asam lemah dan basa kuat dan untuk tempat terjadinya reaksi digunakan unit tangki penetralan kontinyu.Kemudian untuk sistem kontrolnya menggunakan PID.
Penelitian ini bertujuan untuk mendisain proses pengendalian titrasi asam-basa menggunakan pembagian region kurva titrasi pemodelan reaksinya untuk titrasi pada asam lemah CH3COOH dan basa NaOH. Sedangkan tempat terjadinya reaksi digunakan tangki CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) dimana tangki CSTR ini akan memiliki dua input flow CH3COOH dan NaOH. Kemudian untuk sistem kendalinya akan digunakan Pengendali PID.
II. Tinjauan Pustaka Bab ini berisi landasan teori yang menunjang
penyelsaian masalah yang diangkat melalui penelitian ini. Teori – teori ini menjadi rujukan dan pedoman dalam penyusunan tugas akhir. Pengambilan dasar teori diambil dari text book, jurnal ilmiah yang dapat
diakses, serta berbagai sumber yang berasal dari internet.
1. Asam dan Basa Teori Arrhenius tentang sistem ion air, asam dinyatakan sebagai suatu senyawa yang dapat memberikan ion hidrogen H+atau ion hidronium H3O+ bila dilarutkan dalam air, sedangkan basa merupakan suatu senyawa yang dapat memberikan ion hidroksil OH−bila dilarutkan dalam air. Contoh senyawa asam adalah HCl, HNO3 , H2SO4 , H3PO4,CH3COOH dan contoh senyawa basa adalah NaOH, KOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2. Untuk contoh reaksinya dapat dilihat dari Persamaan 2.1 berikut ini: CH3COOH(aq) CH3COO- + H+
(aq) (1) NaOH(aq)Na+
(aq)+OH+(aq) (2)
Dari Persamaan 2.1 ketika CH3COOH dan NaOH dilarutkan dalam air, CH3COOH akan menghasilkan ion H+ sedangkan NaOH akan menghasilkan ion OH−maka menurut Teori Arrhenius CH3COOH adalah senyawa asam sedangkan NaOH adalah senyawa basa.
Teori Bronsted Lowry menyatakan bahwa asam adalah zat yang dapat memberikan proton (donor H+) sedangkan basa adalah suatu zat yang dapat menerima proton (akseptor H+). Bila suatu asam HA terlarut dalam air (H2O), maka air bertindak sebagai basa karena dapat menerima proton H+ yang dilepaskan asam HA dan membentuk ion terhidrasi (H3O+),teori Bronsted- Lowrey menimbulkan adanya asam basa konjugat
2
pada reaksi. Berikut ini contoh reaksi pada asam dan basa.
HA + H2O H3O+ + A-
H2O + NH3 NH4+ + OH-
(3) Dapat dilihat dari Persamaan 3 air bertindak sebagai basa ketika bereaksi dengan asam pada reaksi yang pertama, sedangkan pada reaksi yang kedua air bertindak sebagai asam. Hal ini dikarenakan peranannya sebagai donor atau akseptor H+. Asam dapat digolongkan menjadi asam berbasa tunggal(monoprotic) dan asam berbasa banyak(polyprotic)(berbasa dua, berbasa tiga dst). Hal ini didasarkan jumlah ion H+ yang dapat diberikan. HA + H2O ⇌ A− + H3O+ ( 3 ) Aasam berbasa tunggal H3A + 3H2O ⇌ A3− + 3H3O+ ( 4 ) Asam berbasa tiga Asam berbasa banyak memberikan ion H+ dengan beberapa tingkat. Contoh reaksinya dapat dilihat pada persamaan berikut ini. Basa dapat menerima hidrogen dan sama dengan asam dapat dikatakan monoprotic atau polyprotic. B + H2O ⇌ HB+ + OH− (5) Persamaan konstanta kesetimbangan untuk asam dan basa adalah:
K = [A−][H3O+][HA][H2O] (6)
K = [HB+][OH−]
[B][H2O] (7)
Derajat disosiasi asam Ka dan derajat disosiasi basa Kb untuk reaksi ini adalah:
Ka = K. [H2O] =[A−][H3O+]
[HA] (8)
Kb = K. [H2O] =[HB+][OH−]
[B] (9)
2. Netralisasi
Ion hidrogen dan ion hidroksida bila bereaksi akan saling menetralkan dan akan membentuk air. H+ + OH− ⇌ 2H2O (10)
Karena reaksi tersebut adalah dua arah, maka tetapan kesetimbangan untuk air adalah Kw = K. [H2O]2 = [H+]. [OH−] (11) Kw adalah konstatanta kesetimbangan air yang bernilai 1.0 x 10-14 pada suhu 25 oC. Contoh reaksi netralisasi pada persamaan 1 dan 2 jika bereaksi akan menghasilkan air seperti pada persamaan 14 dibawah ini. NaOH + HCl ⇌ Na+ + Cl− + H2O (12) 3. Definisi pH
Sorrensen mengusulkan konsep pH untuk menyatakan konsentrasi ion H+. Nilai pH sama dengan negatif logaritmakonsentrasi ion H+dan secara matematika diungkapkan dengan persamaan:
pH = − log[H+] (15) pOH = − log[OH−] (13) Nilai pH bervariasi antara 1 sampai 14. Pada saat temperatur 25 C hubungan nilai pH dan sifat dari zat adalah: pH < 7 asam, pH = 7 netral, pH > 7 basa, dengan [H+] = [OH-] = 10-7. Dari definisi tersebut maka asam, basa dan netral dapat didefinisikan menjadi:
H+ > OH− asam
H+ = OH− netral H+ < OH− basa
Titrasi Asam Lemah Dengan Basa Kuat
Ketika Titrasi asam lemah dengan basa kuat maka dapat diperoleh kurva titrasi asam basa dengan karakteristik seperti gambar dibawah ini:
Gambar 2.1 Kurva titrasi asam lemah dengan basa
kuat
asam basa asam konj. basa konj.
asam basa asam konj. basa konj.
3
• pH pada awal titrasi (sebelum dasar ditambahkan).
• PH dari larutan asam meningkat secara signifikan sebelum mencapai titik ekivalen.
• Titik ekivalen lebih tinggi dari pH 7
Suatu titrasi asam lemah dengan basa kuat dapat dinyatakan dengan persamaan:
HA + BOH AB + H2O (14) Jika titrasi dengan air, harus diperhatikan juga
pemisahan air: HOH HO- + H+ (15)
Proses disosiasi asam dan basa adalah
HA H+ + A- (16) HA H+ + A- (17)
Untuk garam dalam kesetimbangan dengan ionnya: AB A- + B+ (18) Titrasi dimulai dengan penambahan jumlah kecil basa dalam asam, Dalam larutan terdapat H+, HO-, HA dan A- Dari disosiasi asam (persamaan 18) ini telah menghasilkan [H+]∙[A-] = Ka∙[HA] (19) dan dari disosiasi air (persamaan 19): [H+]∙[HO-]=Kw (20) dimana [∙] adalah penghubung konsentrasi
molar ([H +] adalah konsentrasi molar), Ka keasaman konstan dan Kw air konstan disosiasi. Jika diterapkan keseimbangan massa untuk asam (lihat persamaan .18, 19, 20), Ca=[HA]+[H+]-[HO-] (21) Dimana Ca adalah kosentrasi analistis asam
jika diterapkan dalam ketimbangan massa untuk garam Cs=[A]-[H+]+[HO-] (22)
Dimana Cs adalah kosentrasi analitis dari garam dengan subsitusi persamaan (persamaan Bronsted) diperoleh:
x3 + (Ka + C) * x2 - (Kw + Cx * Ka) * x - Kw * Ka = 0 (25) Dimana persamaan 25 memiliki penyelesain Cs=Cb*Vx/(Va+Vx) (23)
Cx=(Ca*Va-Cb*Vx)/(Va+Vx) (24)
Dimana Cb adalah kosentrasi analitis dasar Vx ditambahkan volume dasar, Cx adalah konsentrasi analitis asam setelah menambahkan volume Vx dasar dan Va adalah volume awal asam. Persamaan (25) dengan substitusi (26) dan (27) dapat dipecahkan secara numerik.Pada titik ekivalen, semua (17, 18, 19 dan 20) persamaan harus dipertimbangkan. Dengan hidrolisis kecil Cs = [B+]=[A-] dan:
x= (25) Dengan pengurangan yang sama
pengurangan[H+]
(26)
kkkk
4. Elemen Sistem Pengendalian pH Secara umum system pengendalian digolongkan menjadi dua yaitu pengendalian loop terbuka dan pengendalian loop tertutup. Sistem pengendalian loop terbuka pengendaliannya bersifat tidak tergantung pada keluaran namun pada loop tertutup diperlukan adanya kontroler dengan menentukan parameter kontrol untuk mencapai kestabilan sistem.
(a)
(b)
Gambar 2 Sistem Pengendalian pH[7]
(a) Loop Terbuka, (b) Loop Tetutup Dari gambar 2 tersebut maka elemen-elemen sistem pengendalian pH adalah elemen ukur yang berupa sensor pH, kontroler dan aktuator yang dikontrol oleh kontroler. Aktuator yang biasanya dipakai adalah control valve.
4
5. Sensor pH Sensor yang digunakan untuk mengukur pH
larutan adalah elektrode gelas yang dapat mengukur pH dari 0 – 14. Sensor pH terdiri dari 2 elektrode, elektrode pertamauntuk pengukuran dan elektrode lainnya sebagai referensi. Kedua elektrode ini dipisahkan oleh partisi yang terbuat dari gelas padat. Hubungan pH dengan ion hidrogen dapat dirumuskan dengan persamaan:
pH = − log[H+] (27) Perubahan konsentrasi ion hidrogen tersebut kemudian dikonversikan kedalam sinyal output listrik oleh elektrode gelas pH sensor dengan range pengukuran 0 – 14 dan sinyal keluaran 4 – 20 mA.
III. PEMODELAN DAN PERANCANGAN
SISTEM
1.AlurPenelitian Adapun tahapan - tahapan yang dilakukan pada penelitian ini dapat dijabarkan melalui flowchart berikut.
Gambar 3 Alur Penelitian
2. Model Proses Titrasi pH Sebagaimana diterangkan dalam bab 2, maka untuk mendapatkan model proses penetralan pH dalam penelitian ini menggunakan skema pembagian region kurva titrasi.
Gambar 3. Tangki Reaksi Kontinyu Penetralan pH
Asumsi yang digunakan dalam melakukan
pemodelan adalah, larutan tercampur sempurna (perfect mixing), volume tangki konstan dan temperatur ruangan dan larutan berada dalam suhu kamar (25 C atau 298 K). Kombinasi larutan yang digunakan adalah, Asam Lemah-Basa Kuat. Model Titrasi Larutan Asam Lemah dan Basa Kuat
Larutan Asam yang dipilih adalah Asam Lemah (CH3COOH) yang akan dititrasi oleh Basa Kuat yaitu NaOH. CH3COOH adalah suatu asam karena di dalam larutannya dapat melepas ion H dan NaOH merupakan basa, dengan persamaan sebagai berikut, Point A CH3COOH(aq) CH3COO- + H+
(aq) atau CH3COOH(aq) + H2O(l) CH3COO-
(aq) + H3O(l) (28)
Jika konsentrasi asam asetat adalah Ma mol / liter dan x mol per liter terdisosiasi. Kac = [H+]+[ CH3COO-] = x 2 [CH3COOH] Mac-x
(29) Berdasar persamaan 3.4 maka akan mendapatkan nilai xac sehingga [H+] sebagai berikut: xac = [H+] = −𝐾𝑎𝑐+�𝐾𝑎𝑐2+4 𝐾𝑎𝑐 𝑀𝑎𝑐 (𝑉𝑎𝑐/𝑉𝑎𝑐+𝑉𝑏𝑠)
2
pH=-logxac
(30)
mulai
Studi literatur dan menentukan data-data parameter proses
Pemodelan plant
Perancangan Sitstem Kontrol PID
Uji Sistem Kontrol
Analisis
selesai
Validasi sistem model
Pembuatan Laporan
5
Point B CH3COOH(aq) + NaOH(aq) CH3COO-Na+ + H2O
(31) CH3COOH(aq) CH3COO- + H+
(aq)
(32) Berdasarkan persamaan 34 dan 35 maka medapatkan nilai xac sehingga [H+] sebagai berikut: xac = [H+] (33) Point C CH3COOH(aq) + NaOH(aq) CH3COO-Na+ + H2O
(34)
CH3COO-Na+(aq) + H2O CH3COOH+ Na+ + OH-
(35) Berdasar persamaan 3.4 maka akan mendapatkan nilai xbs sehingga [OH-] sebagai berikut: xbs = [OH-] =
(36) Setelah mendapatkan nilai [OH-] maka mendapatkan nilai pH sebagai berikut: pH=14+logxbs
(37) Point D
(38) pH=14-pOH (39) 3.2 Pemodelan pH Transmitter dan Control Valve
Pada subbab ini akan dijelaskan mengenai pemodelan matematis dari pH transmitter dan control valve(dari sofyan & pak hendra)
• Pemodelan pH Transmitter Transmitter atau sensor pH yang digunakan
adalah jenis elektrode. Sensor ini terdiri dari 2 elektrode, elektrode pertama digunakan untuk pengukuran dan elektrode lainnya sebagai referensi. Kedua elektrode ini dipisahkan oleh partisi yang terbuat dari gelas padat. Hubungan pH dengan ion hidrogen dapat dirumuskan dengan persamaan 3.5, persamaan 3.8, persamaan 3.12 dan persamaan 3.14
Perubahan konsentrasi ion hidrogen tersebut kemudian dikonversikan kedalam sinyal output listrik oleh elektrode gelas pH sensor dengan range pengukuran pH = 0 – 14 dan sinyal keluaran 4 – 20 mA, dengan demikian diperoleh gain sensor atau transmitter pH:
𝐾𝑝𝐻 = 𝑠𝑝𝑎𝑛 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡
𝑠𝑝𝑎𝑛 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑒𝑙 𝑡𝑒𝑟𝑢𝑘𝑢𝑟 (40)
𝐾𝑝𝐻 = 20𝑚𝐴−4𝑚𝐴14−0
= 1614
= 87
𝐺𝑝𝐻 = 𝐾𝑝𝐻𝜏(𝑠)+1
12) Karena media pengiriman merupakan
sinyal elektrik maka time lag (time konstan) yang terjadi sangat kecl dan dapat diabaikan sehingga konstanta waktu dapat dianggap nol. Dengan demikian fungsi alih transmitter adalah :
𝐺𝑝𝐻 =8/7
0 + 1 =87
Kemudian kontrol yang digunakan adalah
berupa kontrol dengan menggunakan Kontrol PID, yang mana metode ini tentunya hanya dapat dilakukan dalam ranah digital. Sedangkan diketahui bahwa output dari sensor pH berupa nilai arus antara 4mA sampai dengan 20mA. Maka nilai ini harus dikonversi terlebih dahulu menjadi nilai tegangan. Setelah conversi dari arus menjadi tegangan kemudian sinyal ini dimasukkan ke dalam ADC (Analouge to Digital Converter). Sekali lagi kemudian diasumsikan bahwa resolusi dari ADC ini sangat tinggi serta kecepatan konversi yang tinggi pula. Dengan menyederhanakan proses konversi ini maka pengkonversian arus ke tegangan kemudian dikonversi lagi menjadi data digital, kumdian data digital ini dengan menggunakan software akan dibuat sedemikan rupa untuk langsung merepresentasikan nilai pH, sehingga jika proses ini berlangsung sangat cepat dapat diasumsikan bahwa proses konversi adalah dari nilai arus menjadi nilai pH kembali. Sehingga nilai gain dari transmiter ini adalah sama dengan 1.
𝐺𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠. =87 ∗
78 = 1
• Pemodelan Control Valve
Control valve merupakan salah satu final control element yang banyak digunakan dalam sistem pengendalian dan proses. Control valve mempunyai dua bagian utama yaitu aktuator dan
6
valve. Aktuator adalah bagian yang menggerakkan valve buka atau tutup, sedangkan valve adalah bagian komponen mekanis yang menentukan besarnya flow fluida proses.
Dalam tugas akhir ini, control valve yang digunakan adalah jenis equal percentage dan normally close atau air to open. Control valve tersebut digunakan untuk mengatur laju aliran fluida input NaOH dan HCl yang masuk ke dalam CSTR. Aktuator sebagai I/P Converter, menerima input sinyal elektrik 4 – 20 mA yang diubah menjadi sinyal pneumatik 3 – 15 psi. yang berfungsi menggerakkan stem membuka dan menutup 0 – 100 % dalam mengatur laju aliran fluida input dengan sinyal koreksi.
Fungsi transfer dari control valve dapat dinyatakan sebagai sebuah sistem orde satu, sebagai berikut:
𝑚(𝑠) = 𝐾𝑡𝑜𝑡𝑥𝑈(𝑠)
𝜏(𝑠)+1
Dengan : m(s) = manipulated variable laju aliran keluar control valve Ktot = Gain total control valve U(s) = sinyal masukan control valve τ = Time constant dari Control Valve
𝐾𝑡𝑜𝑡 = 𝐾𝐼/𝑃 .𝐾𝑎𝑐𝑡 Dengan : KI/P = Gain I/P positioner control valve Kact = Gain aktuator
Gain Control Valve didefinisikan sebagai
perubahan aliran yang melalui Control Valve terhadap perubahan masukan Control Valve. Karena karakteristik Control Valve yang linier, maka didapati adanya bias sebagaimana dalam persamaan linier terdapat adanya gradien dan konstanta bias. Untuk melihat konfigurasi dan mekanisme konversi pada Control Valve dapat dilihat pada gambar 3.3
I/P positioner4-20 mA
4-20 mA
3-15 psi
3-15 psi
0-100%(flow)
Fromcontroller
actuator
3-15 psi0-100% (flow)
Gambar 4. Pengkonversian pada Control Valve
𝐾𝐼/𝑃 =𝑠𝑝𝑎𝑛 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑒 𝑘𝑒 𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑡𝑜𝑟
𝑠𝑝𝑎𝑛 𝑠𝑖𝑛𝑦𝑎𝑙 𝑘𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙
𝐾𝐼/𝑃 =(15− 3)𝑝𝑠𝑖(20− 4)𝑚𝐴 =
34 (𝑝𝑠𝑖/𝑚𝐴)
𝐾𝑎𝑐𝑡. =𝑠𝑝𝑎𝑛 𝑛𝑖𝑎𝑙𝑖 𝑏𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 𝑣𝑎𝑙𝑣𝑒𝑠𝑝𝑎𝑛 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑒 𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑡𝑜𝑟
𝐾𝑎𝑐𝑡. =𝑄𝐶𝑚𝑎𝑘𝑠
(15− 3)𝑝𝑠𝑖 (𝑙/(𝑝𝑠𝑖.𝑚𝐴))
Kemudian nilai ini dikalikan dengan nilai karakteristik dari kontrol valve yang dikembangkan oleh F. G. Shinskey, yaitu: 𝑌 = 𝑥
𝐿+(1−𝐿)𝑥
Keterangan: Y = persamaan karakteristik control valve x = masukan control valve (mA) L = 1, untuk linear;
0< L<1, untuk quick opening; dan 1< L untuk equal precentage
Kemudian seperti diketahu bahwa nilai darai time constant tiap valve berbeda-beda tergantung dari berbagai macam sebab. Beberapa diantaranya adalah time stroke, faktor stroking time, koefisien aksesori valve, fraksi perubahan stem dari posisi normal, perubahan dari konstanta waktu inherent pada stroking time dan ditambah lagi dengan perbedaan pabrikan valve. Sedangkan time constant sendiri merupakan representasi dari time delay yang terjadi antara inputan sinyal perintah kontrol dengan bukaan valve. Dengan demikian nilai dari time constant ini akan ditentukan pada range antara 0 untuk kontrol valve ideal hingga pada time constant 5. 3.3. Sistem Pengendalian pH Sistem pengendalian pH dirancang berdasar gambar 3.2 terdiri dari proses yaitu tangki reaksi kontinyu (seperti gambar 3.1), katup kendali sebagai aktuator atau elemen pengendali akhir dan sensor pH. Khusus sensor pH diasumsikan mempunyai gain sama dengan satu, sehingga seluruh sinyal yang berasal dari proses tidak mengalami delay. Pengambilan gain tersebut didasari juga bahwa sistem yang bekerja dalam domain digital atau diskrit, sehingga kecepatan pengiriman sinyal dari sensor diasumsikan juga lebih cepat dari konstanta waktu proses. Kontrol valve yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai bentuk kombinasi fungsi alih orde satu.
7
Gambar 5.Diagram Blok Sistem Pengendalian
Proses seperti yang ditunjukkan oleh gambar diatas mennggunakan persamaan 3.1 sampai dengan 5. Dengan persamaan tersebut dengan menghubungkan Volume basa(Vb) sebagai input pengendali (terhubung dengan kontrol valve atau kontroller),. Laju aliran Va dalam hal ini diberikan nilai yang bervariasi sebagai larutan yang lebih dulu berada pada tangki reaksi. Jadi dengan hal ini kondisi awal semua kombinasi reaksi berada pada tingkat pH dibawah 7 atau larutan asam. Persamaan nonlinier statik yang digunakan bergantung pada reaksi yang digunakan (jenis titrasi asam-basa).
Laju aliran basa (Vb) pada semua tabel dibawah dimulai dari 0 L/sec sampai nilai maksimalnya secara proporsional dengan sinyal kontrol yang diberkan. Sinyal kontrol atau variabel yang dimanipulasi adalah laju aliran basa atau notasi u (sinyal kontrol) menggantikan Vb. Model transmitter dalam penelitian ini diasumsikan bernilai satu, sehingga kecepatan mengirimkan data tidak mengalami delay. Tabel 3.1. Data Operasional Titrasi CH3COOH oleh NaOH No Data Operasional Satuan 1 Konsentrasi Asam 0,001 (mol/L) 2 Konsentrasi Basa 0,001 (mol/L) 3 Volume asam 10 (L) 4 Volume basa 20(L)
( sumber : hendra cordova)
IV. ANALISIS DAN PEMBAHASAN Sebelum perancangan maka di uji pengaruh dari
tiap komponen.
1. Simulasi Open loop
Gambar 6.Diagram Blok sistem open loop
Simulai open loop Model dinamik dan statis titrasi bertujuan untuk mengetahui pengaruh variabel
Gambar 7 Pengaruh konsentrasi NaOH terhadap keluaran plant.
Pada gambar 8 diketahui bahwa konsentrasi NaOH berpengaruh pada span set point yang bisa dicapai oleh proses titrasi. Pada nilai konsentrasi NaOH 0,01 M nilai pH yang bisa dicapai oleh proses titrasi dengan nilai pH 11.52, untuk konsentrasi NaOH 0,05 M nilai pH yang bisa dicapai oleh proses titrasi dengan nilai pH 12.48. Sedangkan untuk konsentrasi NaOH 0,1 M sesuai data operasional, nilai pH yang bisa dengan nilai nilai pH 12,8. Ketiganya mempunyai batas pH minimal dengan nilai pH 3,35. Ketiganya memiliki span dengan pertambahan yang tidak linier, hal dikarenakan nilai pH adalah fungsi logaritmik.
2. Tuning Parameter PID (Kp, Ti, Td)
Gambar 8 Daerah pembagian set point
Tabel 2 Nilai Kp, Ki, Kd dengan range set point yang berbeda
No Set point PH Kp Ki Kd
1 3.5 - 5 0,3 0,09 0,1
2 5 - 9 0,29 0,09 0,29
3 9- 10,5 0,2 0,05 0,01
3. Simulasi Closed loop Sistem
Perancangan simulasi selanjutnya yaitu membuat simulasi sistem closed loop, dimana pada
8
sistem ini akan dimasukkan suatu blok kontroller yang mendapatkan umpan balik dari respon sistem.
Gambar 9 Diagram blok sistem closed loop
Pada simulasi sistem closed loop ini dilakukan dengan melakukan pengujian sistem pada set point pada range yang telah ditentukan. Setelah melakukan pengujian setpoint maka uji selanjutnya adalah uji gangguan.
• Simulasi range set point pH 3.5 – pH 5 Pada pengujian sistem closed loop range set
point antara pH 3,5 - 5 sistem diberikan set point pH 4. Respon sistem dapat dilihat pada gambar 4.10:
Gambar 10 Respon sistem Closed loop pH 4 dengan nilai parameter tuning PID sesuai tabel 2
a. Dead time, td = 3.3 detik b. Rise time, tr = 4 detik c. Peak time, tp = 6 detik d. Settling time, ts = 48 detik e. Maximum overshoot, Mp = 50%
Error steady state = 2.5 %
• Simulasi range set point pH 5 – pH 8 Pada pengujian sistem closed loop range set
point antara pH 5 - 8sistem diberikan set point pH 8. Respon sistem dapat dilihat pada gambar 13:
Gambar 11 Respon sistem Closed loop pH 8dengan nilai parameter tuning PID sesuai tabel 2
a. Dead time, td = 2.5 detik b. Rise time, tr = 9 detik c. Peak time, tp = 14 detik d. Settling time, ts = 42detik e. Maximum overshoot, Mp = 18.75 %
Error steady state = 2.6%
• Simulasi range set point pH 9 – pH 10,5 Pada pengujian sistem closed loop range set point antara pH 9 – 10.5 sistem diberikan set point pH 10,5. Respon sistem dapat dilihat pada gambar 14 :
9
Gambar 12 Respon sistem Closed loop pH 10 dengan nilai parameter tuning PID sesuai tabel 2
a. Dead time, td = 5.7 detik b. Rise time, tr = 8.7 detik c. Peak time, tp = 23 detik d. Settling time, ts = 45 detik e. Maximum overshoot, Mp = 3.22 %
Error steady state = 2%
• Uji noise Uji berikutnya adalah dengan memasukkan nilai
noise pada plan yang digambarkan pada gambar 17. Noise ini merupakan gangguan sinyal feedback dari sensor menuju kontroler. Dan hasil simulasinya adalah sebagai berikut:
Gambar 13 Noise
Gambar 14 Respon Sistem Akibat Noise dengan Set Point pH 4
Gambar 15 Respon Sistem Akibat Noise dengan Set Point pH 8
Gambar 16 Respon Sistem Akibat Noise dengan Set Point pH 10,5
Dari gambar 19-20 dapat dilihat bahwa
pengendali pada sistem masih bisa mengatasi noise acak pada sinyal feedback dengan nilai ±1 terhadap nilai feedback sesungguhnya dari plant. Dengan respon sistem yang berbeda untuk range set point yang berbeda. Hal ini dikarenakan setiap range set point punya parameter tuning Kp, Ki dan Kd yang berbeda. • Tracking Set point Uji coba tracking set point dapat dilihat pada gambar 21, dapat dilihat bahwa respon sistem mengikuti set point yang diberikan.
Gambar 17 Respon Uji Tracking Naik
10
Dari uji tracking ini juga diketahui bahwa laju NaOH mengikuti set point yang diberikan. Hal ini menunjukkan pengendali PID auto-switch bekerja sesuai daerah set point yang diberikan. Begitu juga saat uji tracking turun laju NaOH berkurang sesuai dengan kondisi asam yang diinginkan. Uji tracking turun dapat dilihat pada gambar 22.
Gambar 22 Respon Uji Tracking Turun
V. KESIMPULAN DAN SARAN
5. Kesimpulan Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut: Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut: 1. Telah dilakukan pemodelan titrasi asam basa
pada Continues Stirred Tank Reactor(CSTR). 2. Pada perancangan PID, aksi kontroler membagi
menjadi tiga daerah, yaitu pada set point pH 3.5-5, 6-8 dan 9-10.
3. Pada set point pH 3.5-5 nilai parameter Kp, Ki dan Kd berturut-turut adalah 0.3, 0.09 dan 0.1 dengan karakteristik respon sebagai berikut : dead time, td = 3.3 detik, rise time, tr = 4 detik, peak time, tp = 6 detik, settling time, ts = 48 detik, maximum overshoot, Mp = 50 %, error steady state = 2.5 %. Untuk set point pH 5-9 nilai parameter Kp, Ki dan Kd berturut-turut adalah 0.29, 0.09 dan 0.29 dengan karakteristik respon sebagai berikut : dead time, td = 2.5 detik, rise time, tr = 9 detik, peak time, tp = 14 detik, settling time, ts = 42 detik, maximum overshoot, Mp = 18.75 %, error steady state = 2.6 %. Untuk set point pH 9-11 nilai parameter Kp, Ki dan Kd berturut-turut adalah 0.38, 0.11 dan 0,41 dengan karakteristik respon sebagai berikut : dead time, td = 5 detik, rise time, tr = 7 detik, peak time, tp = 10 detik, settling time, ts = 24.5 detik, maximum overshoot, Mp = 11 %, error steady state = 2.5 %.
.
DAFTAR PUSTAKA [1] Vydianath R. Radhakrishnan and S.W.Wah;
2004; “Wiener Type Model for pH Neutralization Process”, Depertment of Chemical, University Technology Petronas, 31750 Tronoh, Malaysia
[2] Cordova, H ; 2004; PID Self-Tuning Based On Auto Switch Algorithm To Control pH; Teknik Fisika, FTI, ITS.
[3] Gunterus, Frans; 1994; Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses; Elex Media Komputindo; Jakarta.
[4] Luthfi, Fadloli, 2011, Perancangan sistem pengendalian pH pada Continues Inject ion Pipe Mixing (CIPM) dengan metode pengendalian PID selftuning berbasis Auto-Switch Algorithm, Teknik Fisika - FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.
[5] Mukhlis ; 2010; Proses Titrasi Asam Basa; Teknik Fisika, FTI, ITS.
[6] Ogata, Katsuhiko; 1997; Teknik Kontrol Automatik; Erlangga; Jakarta.
DATA PENULIS Nama : Firmansyah TTL : Sidoarjo, 15 Juli 1987 Alamat : Jl.Raya Buduran.111 Riwayat Pendidikan • SDN Buduran 1 • SLTPN 3 Sidoarjo • SMKN 5 Sidoarjo • D3 Teknik Instrumentasi Teknik Fisika ITS • Teknik Fisika ITS Email : [email protected]
