Elemen kendali akhir dan loop kendali: katup solenoid, aktuator, ON-OFF, dan PID dasar

Setiap pagi sebuah mesin cuci di laundry hotel memberi alarm "waktu isi terlampaui". Teknisi mengukur koil katup air masuk, mendapati resistansinya normal, lalu tetap menggantinya; alarm muncul lagi keesokan paginya. Mesin itu diisi dari tandon atap yang permukaan airnya hanya sekitar 2,5 m di atas katup ketika tandon hampir kosong pada jam sibuk, sehingga tekanan statisnya sekitar $1\,000 \times 9{,}81 \times 2{,}5 \approx 24\,500$ Pa atau 0,25 bar, sebelum dikurangi rugi gesek pipa. Katupnya berjenis kerja pilot, yang pada lembar data ilustrasi baru membuka penuh di atas 0,3 bar. Di minggu yang sama pemilik bertanya apakah pengendali suhu tangki air panas perlu diganti dengan pengendali PID supaya suhu bilasan "lebih stabil". Kedua keputusan itu bergantung pada cara keluaran listrik diubah menjadi tindakan fisik dan pada cara pengendali memutuskan kapan bertindak.

Bab ini menjelaskan mengapa dan bagaimana keluaran listrik pengendali diubah menjadi tindakan fisik yang terukur. Bab kendali pompa, pemanas, dan proses dengan sakelar proses membahas logika kontak: diskret, hidup atau mati, dengan titik kerja dan diferensial yang ditentukan sakelar itu. Di sini dibahas loop kendali terukur, aktuator yang menggerakkan katup, serta algoritma ON-OFF dan PID yang menentukan kestabilan proses. Rumus siklus termostat dan susunan pembatas suhu dari bab sakelar proses dipakai apa adanya dan tidak diturunkan ulang.

Batas pembahasan

Cakupannya katup solenoid bertegangan ekstra rendah (24 V DC atau AC) sampai tegangan jaringan 230 V AC, aktuator motor listrik dan pneumatik skala ringan, serta algoritma kendali ON-OFF dengan diferensial dan PID dasar. Tekanan dibatasi pada air bersih dan uap jenuh tekanan rendah di laundry dan bengkel kecil. Sistem bertekanan tinggi, pemilihan dan penentuan ukuran katup kendali proporsional, dan kendali bertingkat (cascade control) berada di luar cakupan. Sensor dan loop 4–20 mA ada di bab sensor proses dan transmiter, kontaktor AC-1 dan SSR di bab komponen kendali, dan fisika koil serta peredamnya di bab magnet dan induksi. Perangkat keras PLC dibahas pada bab relai pintar dan PLC, blok PID di PLC beserta penskalaan dan batas keluarannya dibahas pada bab PLC lanjutan, dan pengaturan kecepatan motor dengan VFD dibahas pada bab VFD. Bab ini adalah pembelajaran, bukan instruksi kerja: pekerjaan pada katup, aktuator, atau panel dilakukan personel kompeten setelah isolasi listrik dan pelepasan tekanan menurut prosedur yang dibahas pada bab kerja aman.

Katup solenoid: prinsip, jenis, dan persyaratan operasi

Katup solenoid mengubah energi listrik menjadi gaya magnet yang menggerakkan inti besi (plunger) sehingga membuka atau menutup saluran fluida. Koil dialiri arus listrik; medan magnet yang terbentuk menarik plunger melawan pegas pembalik. Ketika arus diputus, pegas mengembalikan plunger ke posisi semula. Inilah cara kerja dasar semua varian katup solenoid, dan silabus instrumentasi korpus menempatkannya bersama katup kendali, aktuator, dan positioner sebagai elemen kendali akhir (final control element).

Konfigurasi NC dan NO

Katup normally closed (NC) tertutup saat tidak berenergi dan terbuka ketika koil diberi tegangan. Ini pilihan yang lazim untuk air panas dan uap: jika catu daya gagal, aliran berhenti. Katup normally open (NO) berlaku sebaliknya, terbuka saat tidak berenergi, dan berguna untuk pendingin darurat atau drainase gravitasi yang harus tetap mengalir ketika listrik padam. Pilihan NC atau NO menentukan respons sistem saat catu daya gagal (fail-safe position), sehingga ditetapkan dari penilaian proses, bukan dari kebiasaan.

Kerja langsung dan kerja pilot

Pada katup kerja langsung (direct acting), gaya koil sepenuhnya menanggung beban membuka orifis. Katup ini dapat bekerja dari tekanan diferensial nol, tetapi karena gaya koil terbatas, orifisnya kecil dan tekanan diferensial maksimum yang masih dapat dibuka lebih rendah. Pada katup kerja pilot (pilot operated), membran utama tertutup karena ruang di atasnya terisi air masukan melalui lubang kecil (bleed hole), dan luas atas membran lebih besar daripada luas yang ditekan dari bawah. Koil hanya membuka orifis pilot yang mengosongkan ruang atas ke sisi keluaran lebih cepat daripada lubang kecil mengisinya, sehingga tekanan masukan di bawah membran mengangkatnya. Gaya angkat itu sebanding dengan selisih tekanan masukan dan keluaran, sedangkan pegas dan kekakuan membran tetap; karena itu katup kerja pilot memerlukan tekanan diferensial minimum, lazimnya beberapa persepuluh bar menurut lembar data, dan selisih itu harus tetap ada selama air mengalir. Di bawah nilai minimum, katup tidak membuka atau membuka sebagian meskipun koil berenergi, seperti pada kasus pembuka; gejala ini sering disalahdiagnosis sebagai kerusakan koil. Kerak memberi gejala serupa: orifis pilot atau saringan masukan yang tersumbat membuat katup tidak membuka, sedangkan lubang kecil yang tersumbat membuat katup tidak menutup.

Koil dan peredam

Koil katup solenoid adalah induktor, sehingga saat arusnya diputus timbul lonjakan tegangan yang dapat merusak keluaran transistor, triac, atau kontak relai yang menyakelarnya. Pilihan peredamnya, yaitu dioda, dioda-zener, varistor, atau RC, beserta akibatnya pada waktu lepas sudah dibandingkan di bab magnet dan induksi, termasuk kasus katup air 24 V DC tanpa dioda. Satu hal khusus pada koil AC: arusnya besar selama plunger belum menempel karena celah udara membuat induktansinya kecil, seperti dijelaskan di bab yang sama. Plunger yang macet oleh kotoran membuat arus besar itu mengalir terus, dan koil AC terbakar walaupun tegangannya benar. Relai atau keluaran yang menyakelar koil dipilih menurut kategori AC-15 atau DC-13 di bab komponen kendali.

Dalam kode referensi IEC 81346-2:2019 yang dipakai rak ini, katup sebagai objek yang mengendalikan aliran fluida diberi huruf kelas Q, sedangkan solenoid penggerak, bila diberi kode tersendiri, diberi M. Karena kontaktor juga Q, penomoran dibuat berurutan dalam satu diagram, misalnya kontaktor pemanas -Q1, kontaktor pengaman -Q2 seperti di bab sakelar proses, dan katup air masuk -Q3. Gambar lama memakai -Y untuk katup dan rem elektromagnetik; edisi 2019 mencadangkan huruf Y dan tidak memakainya.

Aktuator motor, pneumatik, konverter I/P, dan positioner

Tidak semua proses cukup dikendalikan dengan buka-tutup penuh. Ketika laju aliran atau tekanan harus diatur secara proporsional, dibutuhkan aktuator yang dapat berhenti di posisi antara. IEC 60534-1:2023 (Ed. 4.0) memberi terminologi dasar katup kendali proses industri; dalam praktik, katup kendali terdiri atas badan katup dan aktuator yang menggerakkannya, sering dilengkapi positioner. Dua teknologi aktuator yang paling banyak dijumpai di skala industri ringan adalah aktuator motor listrik dan aktuator pneumatik.

Aktuator motor listrik. Motor listrik kecil, lazimnya 24 V AC atau 230 V AC, menggerakkan katup melalui roda gigi cacing. Umpan balik posisi diberikan oleh potensiometer atau encoder yang terpasang pada poros, dan sakelar batas menghentikan motor di ujung langkah. Aktuator ini lazim pada katup bola dan kupu-kupu. Motor aktuator diberi kode -M1, sedangkan katup yang digerakkannya tetap -Q. Tanpa pegas pembalik atau cadangan energi, aktuator motor berhenti di posisi terakhir saat listrik padam, bukan di posisi aman.

Aktuator pneumatik. Udara bertekanan menggerakkan membran atau piston yang terhubung ke batang katup. Aktuator pneumatik cepat, dan pada aktuatornya sendiri tidak ada sumber nyala listrik. Posisi gagal aman ditentukan oleh arah aksi pegas pembalik, yaitu udara membuka dengan pegas menutup atau sebaliknya; silabus korpus menyebutnya aktuator aksi langsung dan aksi balik.

Konverter I/P dan positioner. Konverter I/P (current-to-pressure) mengubah sinyal arus 4–20 mA dari pengendali menjadi tekanan pneumatik sebanding 3–15 psi, sekitar 0,2–1,0 bar, dengan penyetelan nol dan rentang; silabus korpus mendaftar konverter semacam ini beserta praktik kalibrasinya. Rentang pneumatik analog dibakukan IEC 60382:1991 (Ed. 2.0), yang dalam satuan SI sebesar 20–100 kPa. Positioner membandingkan posisi aktual batang katup dengan sinyal perintah dan mengoreksi selisihnya, sehingga ia merupakan loop tertutup kecil di dalam aktuator yang melawan gesekan paking dan gaya fluida. Pemilihan jenis aktuator bergantung pada ketersediaan utilitas (udara bertekanan atau listrik), kebutuhan kecepatan, dan posisi gagal aman yang dituntut proses.

Kendali ON-OFF dan diferensial

Kendali ON-OFF adalah strategi paling sederhana: keluaran pengendali hanya memiliki dua keadaan, aktif atau tidak aktif. Pengendali membandingkan nilai proses terukur (process value, PV) dengan nilai acuan (setpoint, SP); jika nilai proses di bawah acuan, keluaran aktif, dan jika di atas, keluaran tidak aktif. Tanpa histeresis, derau sensor dan riak kecil di sekitar acuan memicu pergantian keadaan berulang (chatter).

Histeresis (hysteresis) adalah rentang nilai proses di mana pengendali tidak mengubah keadaan keluarannya; lebarnya disebut diferensial, istilah yang sama dengan bab sakelar proses. Pengendali elektronik menyatakannya dengan cara berbeda: sebagian simetris di sekitar acuan, sebagian satu sisi di bawah acuan, sehingga manual pengendali dibaca sebelum menyetel. Bila pemanas menyala ketika suhu turun ke 60 °C dan mati ketika suhu naik ke 64 °C, diferensialnya 4 K dan batas bawahnya tetap memenuhi penyimpanan air panas pada 60 °C atau lebih yang dipakai bab sakelar proses. Diferensial mengurangi frekuensi pensakelaran, dan hitungannya menentukan umur kontaktor. Termostat dan pengendali suhu elektronik yang menjadi bagian peralatan rumah tangga dan sejenisnya termasuk pengendali otomatis keluarga IEC 60730, dengan bagian khusus pengindra suhu IEC 60730-2-9:2026 (Ed. 5.0) yang juga dikutip bab sakelar proses.

Lewatan akibat keterlambatan

Diferensial di layar bukan ayunan suhu air sebenarnya, karena sensor di dalam kantong (thermowell) membaca dengan keterlambatan. Selama keterlambatan total $t_\text{d}$ itu, pemanas terus bekerja setelah suhu sebenarnya melewati titik mati, dan tetap mati setelah suhu sebenarnya melewati titik hidup. Dengan laju naik $(P - L)/(m\,c)$ dan laju turun $L/(m\,c)$:

$$\Delta T_\text{nyata} \approx \Delta T + \frac{P - L}{m\,c}\,t_\text{d} + \frac{L}{m\,c}\,t_\text{d} = \Delta T + \frac{P\,t_\text{d}}{m\,c}$$

dengan $\Delta T$ diferensial pengendali (K), $P$ daya pemanas (W), $L$ kebutuhan panas rata-rata termasuk rugi (W), $m$ massa air (kg), $c$ kalor jenis air (J/(kg·K)), dan $t_\text{d}$ keterlambatan total sensor (s). Model ini menganggap air bercampur rata dan keterlambatan berupa waktu mati murni; pelapisan suhu di tangki menambah ayunan. Rumus ini menjelaskan lewatan (overshoot): pemanas besar pada tangki kecil dengan sensor lambat melewati titik mati jauh lebih banyak daripada setelannya. Keterlambatan juga memperpanjang siklus.

Siklus berlebih dan umur kontaktor

Kontaktor -Q1 yang menyakelar elemen pemanas -E1 memiliki umur mekanis dan umur listrik yang dinyatakan dalam jumlah siklus operasi. Menurut bab komponen kendali, umur mekanis kontaktor kecil umumnya jutaan sampai belasan juta siklus, sedangkan umur listrik dibaca dari kurva pabrikan untuk kategori pemakaiannya, pada pemanas AC-1; bab itu dan bab sakelar proses memakai 1 juta siklus AC-1 sebagai ilustrasi. Jumlah siklus per jam terbesar tidak terjadi saat tangki diam, tetapi ketika kebutuhan panas rata-rata sama dengan separuh daya pemanas. Bab sakelar proses menurunkan periode terpendeknya:

$$T_\text{min} = \frac{4\,m\,c\,\Delta T}{P}$$

dalam detik, dengan simbol seperti di atas. Untuk tangki contoh kerja (200 kg air, 6 kW), diferensial 0,2 K memberi $T_\text{min} = 112$ s, paling banyak 32 siklus per jam. Selama 16 jam per hari dan 300 hari per tahun itu berarti sekitar 155.000 penutupan, sehingga 1 juta siklus bertahan sekitar 6,5 tahun; pada operasi terus-menerus 24 jam, sekitar 3,5 tahun. Pada tangki berisi ratusan liter ukurannya tahun, bukan bulan; kontaktor habis cepat pada tangki kecil, misalnya tangki 30 L berpemanas 12 kW dengan diferensial 0,5 K di bab sakelar proses, yang menghabiskan 1 juta siklus dalam sekitar 1,2 tahun.

Penyebab lazim siklus berlebih adalah setelan bawaan pabrik yang tidak diubah sesuai proses, atau sensor yang ditempatkan terlalu dekat dengan elemen pemanas sehingga pembacaan berfluktuasi tajam meskipun suhu rata-rata tangki stabil. Penempatan sensor -B1 di tengah volume tangki, jauh dari elemen -E1 tetapi tetap terendam dengan margin, adalah praktik yang dianjurkan. Bila kendali harus ketat, keluaran pemanas dipindahkan ke SSR yang disakelar proporsional-waktu, dengan kontaktor pengaman tetap di hulunya menurut bab sakelar proses.

PID: arti fisik P, I, dan D

Silabus instrumentasi korpus melatih pengendali ON-OFF dan PID elektronik maupun pneumatik, respons tunak dan transien mode P, PI, PD, dan PID, serta penyetelan dengan metode tanggapan langkah. Pengendali PID menjumlahkan tiga bagian yang masing-masing bermakna fisik. Masukannya biasanya sinyal 4–20 mA dari transmiter, dan keluarannya arus 4–20 mA ke konverter I/P atau positioner, atau pulsa proporsional-waktu ke SSR pemanas.

Bagian P, proporsional. Keluaran P sebanding dengan galat saat ini, $e(t) = \text{SP} - \text{PV}$, untuk pengendali aksi balik (reverse acting) seperti pemanas; silabus korpus memakai konvensi aksi balik untuk pemanasan dan aksi langsung untuk pendinginan. Semakin besar galat, semakin besar keluaran. Penguatan proporsional $K_\text{p}$ menentukan seberapa agresif respons awal; pengendali suhu sering menyatakannya sebagai pita proporsional $PB = 100\,\%/K_\text{p}$. Bagian P bereaksi seketika terhadap perubahan, tetapi tidak dapat menghilangkan offset (sisa galat tunak), karena keluaran yang dibutuhkan beban hanya ada bila galat tidak nol.

Bagian I, integral. Keluaran I sebanding dengan jumlah (integral) galat sepanjang waktu. Bagian I secara bertahap menghilangkan offset yang tidak dapat diatasi oleh P saja. Waktu integral $T_\text{i}$ (s) adalah waktu yang dibutuhkan bagian I untuk menambah keluaran sebesar bagian P ketika galat tetap; nilai $T_\text{i}$ kecil berarti koreksi cepat dan berisiko osilasi, nilai besar berarti koreksi lambat. Ketika keluaran sudah jenuh di 100 % tetapi galat masih ada, integral terus bertambah (windup) dan kelak harus "dibayar" dengan lewatan.

Bagian D, derivatif. Keluaran D sebanding dengan laju perubahan galat. Bagian D "melihat" arah perubahan dan menambahkan peredaman: jika galat berkurang cepat karena proses mendekati acuan dengan laju tinggi, D mengurangi keluaran agar tidak melampaui acuan. Bagian D peka terhadap derau sensor; pada sensor beresolusi rendah yang pembacaannya melompat per langkah, D sering dimatikan ($T_\text{d} = 0$). Istilah "derivatif" dipakai di sini supaya tidak tertukar dengan diferensial termostat.

Bentuk yang umum pada pengendali industri adalah bentuk standar (ideal), dengan $K_\text{p}$ mengalikan ketiga bagian:

$$u(t) = K_\text{p}\,e(t) + \frac{K_\text{p}}{T_\text{i}} \int_0^t e(\tau)\,\mathrm{d}\tau + K_\text{p}\,T_\text{d}\,\frac{\mathrm{d}e(t)}{\mathrm{d}t}$$

dengan $u(t)$ keluaran pengendali (% dari keluaran penuh), $e(t)$ galat dalam % rentang ukur, $K_\text{p}$ penguatan proporsional (tak berdimensi bila $u$ dan $e$ sama-sama dalam %), $T_\text{i}$ waktu integral (s), dan $T_\text{d}$ waktu derivatif (s). Bentuk paralel memakai tiga penguatan terpisah, sehingga angka setelan tidak dapat dipindahkan antarpengendali tanpa mengetahui bentuknya. Karena pengendali mengatur nilai terukur, galat kalibrasi sensor langsung menggeser suhu sebenarnya: sensor yang membaca 1,5 K terlalu tinggi membuat PI menahan air 1,5 K di bawah acuan, dan batas ON-OFF bergeser sama besar.

Penyetelan praktis secara aman

Penyetelan PID di lapangan dimulai dari karakteristik proses: laju naik suhu, keterlambatan, dan gangguan dari luar. Uji tanggapan langkah (step test) dalam mode manual mengukur semua itu: keluaran diubah satu langkah, misalnya dari 20 % ke 60 %, lalu laju naik dan waktu mati dicatat. Aturan Ziegler-Nichols untuk kurva reaksi memakai kedua angka itu, tetapi setelannya agresif untuk tangki air panas, sehingga hasilnya hanya titik awal. Tanpa perangkat lunak khusus, metode coba-ulang terstruktur berikut aman dilakukan:

1. Mulai dari P saja. Matikan I dan D ($T_\text{i} = \infty$, $T_\text{d} = 0$). Naikkan $K_\text{p}$ dari nilai kecil (misalnya 0,5) hingga respons cukup cepat tanpa osilasi. Pada tahap ini offset tunak normal dan akan dikoreksi oleh I.
2. Tambahkan I secara bertahap. Mulai dengan $T_\text{i}$ besar, jauh di atas waktu mati hasil uji langkah (untuk tangki contoh, 1.800 s atau lebih). Kurangi bertahap sambil mengamati apakah offset hilang tanpa memunculkan osilasi, dan berhenti sebelum lewatan berulang muncul.
3. Tambahkan D hanya jika diperlukan. Jika proses masih melampaui acuan berulang kali, tambahkan $T_\text{d}$ kecil (misalnya 10–20 s) setelah memastikan sinyal sensor tidak berderau.
4. Verifikasi pada gangguan. Uji dengan gangguan terkendali, misalnya pengambilan air panas yang biasa terjadi pada jam sibuk. Amati berapa lama pengendali mengembalikan suhu ke acuan dan apakah osilasi muncul sesudahnya.
5. Catat setelan akhir. Nilai $K_\text{p}$, $T_\text{i}$, $T_\text{d}$, bentuk algoritma, dan hasil uji gangguan dicatat sebagai bukti komisioning, sesuai prinsip Bab 52.

Selama penyetelan, pembatas suhu reset manual tetap aktif sebagai perangkat keras terpisah yang memutus kontaktor pengaman di hulu, seperti disusun di bab sakelar proses. Pembatas -B2 membaca suhu dengan sensornya sendiri, sehingga sensor -B1 yang rusak tidak sekaligus membutakannya. Pembatas ini tidak pernah dijembatani atau dimatikan, termasuk selama mode uji atau penyetelan otomatis (autotune) yang sengaja mengayunkan suhu. PID adalah fungsi kendali, bukan fungsi pengaman; penilaiannya sebagai fungsi keselamatan dibahas pada bab keselamatan fungsional mesin.

Contoh kerja: menstabilkan suhu tangki air panas dengan ON-OFF lalu PI

Contoh berikut menunjukkan cara berpikir, bukan nilai pengukuran nyata. Seluruh data adalah ilustrasi.

Langkah 1: waktu pemanasan awal. Energi untuk menaikkan suhu massa air adalah:

$$Q = m\,c\,\Delta T$$

dengan $m$ = 200 kg, $c$ = 4.186 J/(kg·K), dan sampai tangki siap pakai pada 60 °C, $\Delta T = 60 - 25 = 35$ K:

$$Q = 200 \times 4\,186 \times 35 = 29\,302\,000\ \text{J} \approx 29{,}3\ \text{MJ}$$

Daya bersih pemanas setelah dikurangi rugi kalor $P_\text{neto} = 6\,000 - 300 = 5\,700$ W. Karena daya adalah energi per satuan waktu (Bab 1), waktu pemanasan:

$$t = \frac{Q}{P_\text{neto}} = \frac{29\,302\,000}{5\,700} \approx 5\,141\ \text{s} \approx 85{,}7\ \text{menit}$$

Laju kenaikan suhu rata-rata $35/5\,141 \approx 0{,}0068$ K/s, atau 0,41 K/menit. Rugi kalor sebenarnya lebih kecil saat air masih dingin, sehingga angka ini sedikit terlalu lama; arahnya aman untuk perencanaan.

Langkah 2: siklus ON-OFF saat tangki diam. Dengan diferensial 4 K, energi di dalam diferensial:

$$Q_\text{d} = 200 \times 4\,186 \times 4 = 3\,348\,800\ \text{J}$$

Rugi 300 W menurunkan suhu dari 64 °C ke 60 °C dalam $t_\text{OFF} = 3\,348\,800/300 \approx 11\,163$ s, sekitar 186 menit. Pemanasan kembali dari 60 °C ke 64 °C berlangsung $t_\text{ON} = 3\,348\,800/5\,700 \approx 588$ s, sekitar 9,8 menit. Satu siklus penuh sekitar 196 menit, atau 0,31 siklus per jam.

Langkah 3: siklus terburuk. Tangki diam bukan keadaan terburuk. Pada jam sibuk, pengambilan air panas menaikkan kebutuhan panas rata-rata, dan periode terpendek terjadi pada $L = P/2 = 3$ kW:

$$T_\text{min} = \frac{4 \times 3\,348\,800}{6\,000} \approx 2\,233\ \text{s}$$

atau 37,2 menit, paling banyak 1,6 siklus per jam dan sekitar 7.700 penutupan per tahun untuk 16 jam per hari selama 300 hari. Terhadap umur 1 juta siklus AC-1 (ilustrasi), diferensial 4 K pada tangki ini jauh dari batas umur kontaktor -Q1.

Langkah 4: lewatan. Dengan keterlambatan 90 s, ayunan suhu sebenarnya:

$$\Delta T_\text{nyata} \approx 4 + \frac{6\,000 \times 90}{200 \times 4\,186} = 4 + 0{,}64 \approx 4{,}6\ \text{K}$$

Saat tangki diam, hampir seluruh tambahan itu berupa lewatan di atas 64 °C (0,61 K), karena laju turun oleh rugi 300 W hanya 0,03 K per 90 s. Suhu air berayun sekitar 60–64,6 °C. Keluhan pemilik tentang suhu yang "tidak stabil" menyangkut ayunan ini, bukan umur kontaktor.

Langkah 5: kendali P saja. Pengendali -K1 dioperasikan hanya dengan bagian P, $K_\text{p} = 20$ (pita proporsional 5 %), bias keluaran 0 %, dan pemanas dikerjakan proporsional-waktu melalui SSR dengan kontaktor pengaman di hulu. Pada keadaan tunak tanpa pengambilan air, keluaran harus menyeimbangkan rugi 300 W, yaitu $300/6\,000 = 5\,\%$ keluaran penuh. Galat yang diperlukan:

$$e = \frac{u}{K_\text{p}} = \frac{5\,\%}{20} = 0{,}25\,\%$$

Pada rentang 0–100 °C, 0,25 % setara dengan 0,25 K, sehingga suhu tunak 61,75 °C, bukan 62 °C. Pada jam sibuk dengan kebutuhan 3 kW, keluaran harus 50 % dan galatnya $50/20 = 2{,}5\,\%$, atau 2,5 K: air turun ke 59,5 °C, di bawah batas penyimpanan 60 °C. Offset kendali P bergantung pada beban, sehingga tidak dapat "dikoreksi" dengan menaikkan acuan sekali saja.

Langkah 6: menambah bagian I. Dengan $T_\text{i} = 1\,200$ s, pada galat tetap 0,25 % bagian I bertambah $K_\text{p}\,e/T_\text{i} = 20 \times 0{,}25/1\,200 \approx 0{,}0042$ % per detik, sehingga dalam 1.200 s ia menyumbang 5 %, sama dengan bagian P. Keluaran kemudian dipikul bagian I, galat menuju nol, dan suhu tunak menjadi 62 °C pada beban berapa pun dalam kemampuan pemanas. Harganya muncul saat pemanasan awal: galat 37 % membuat bagian I bertambah sekitar 0,62 % per detik selama keluaran jenuh. Tangki ini hanya mendingin sekitar 1,3 K per jam lewat rugi 300 W, sehingga lewatan tidak cepat hilang. Simulasi editor dengan waktu mati 90 s memberi puncak sekitar 63 °C bila integrasi dihentikan selama keluaran jenuh (anti-windup), tetapi sekitar 92 °C tanpa anti-windup, di atas pembatas 85 °C pada contoh bab sakelar proses.

Tafsir. Untuk tangki ini, ON-OFF dengan diferensial 4 K sudah aman bagi kontaktor dan menjaga air di atas 60 °C. PI dengan SSR menghapus ayunan itu dan offset kendali P hanya bila penguatan dan waktu integralnya cocok dengan proses, anti-windup aktif, dan pembatas suhu tetap independen, karena bila anti-windup gagal hanya pembatas itu yang menghentikan lewatan ke arah 92 °C.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Pekerjaan pada katup, aktuator, dan panel tetap mengikuti batas pembahasan di awal bab.

Contoh 1: tinggi air minimum untuk katup kerja pilot. Katup pada kasus pembuka baru membuka penuh di atas 0,3 bar (lembar data ilustrasi). Tinggi muka air tandon di atas katup yang diperlukan, sebelum rugi gesek pipa:

$$h = \frac{p}{\rho\,g} = \frac{30\,000}{1\,000 \times 9{,}81} \approx 3{,}1\ \text{m}$$

Tandon yang turun ke 2,5 m pada jam sibuk berada di bawah batas itu, jadi koil tidak perlu diganti. Pilihannya menjaga muka air di atas batas ditambah rugi gesek, atau memakai katup kerja langsung yang bekerja dari selisih nol tetapi berorifis kecil, sehingga waktu isinya diperiksa ulang.

Contoh 2: siklus kontaktor tangki kecil dapur hotel. Tangki 30 L berpemanas 12 kW dari bab sakelar proses memakai diferensial 0,5 K, lalu diperlebar menjadi 2 K (angka latihan):

$$T_\text{min} = \frac{4 \times 30 \times 4\,186 \times 2}{12\,000} \approx 84\ \text{s}$$

Siklus terburuk turun dari 172 menjadi 43 per jam. Dengan 16 jam per hari dan 300 hari per tahun, umur 1 juta siklus naik dari sekitar 1,2 tahun menjadi sekitar 4,8 tahun.

Contoh 3: lewatan pada tangki yang sama. Sensor di kantong tangki itu terlambat 60 s (angka latihan):

$$\Delta T_\text{nyata} \approx 2 + \frac{12\,000 \times 60}{30 \times 4\,186} = 2 + 5{,}7 \approx 7{,}7\ \text{K}$$

Suku lewatan tidak bergantung pada diferensial, jadi diferensial yang diperlebar demi kontaktor tidak mengurangi lewatan 5,7 K ini. Bila ayunan 7,7 K tidak dapat diterima, keluaran dipindah ke SSR proporsional-waktu dengan kontaktor pengaman di hulu, dan pembatas suhu tetap independen.

Contoh 4: offset kendali P di pengering laundry. Pengendali suhu udara pengering berpemanas listrik berentang 0 sampai 200 °C memakai pita proporsional 10 %, dan beban memerlukan keluaran tunak 30 % (angka latihan):

$$K_\text{p} = \frac{100\,\%}{10\,\%} = 10, \qquad e = \frac{u}{K_\text{p}} = \frac{30\,\%}{10} = 3\,\%$$

Pada rentang 200 K, 3 % setara 6 K di bawah acuan, dua kali lipat dibanding rentang 0 sampai 100 °C. Offset berubah bersama beban, sehingga yang benar adalah mengaktifkan bagian I dengan $T_\text{i}$ besar lalu menurunkannya bertahap.

Contoh 5: konverter I/P katup uap di laundry rumah sakit. Aktuator pneumatik katup uap bekerja udara membuka, pegas menutup, dan konverter I/P memetakan 4 sampai 20 mA ke 20 sampai 100 kPa. Pada sinyal uji 8 mA:

$$p = 20 + \frac{8 - 4}{16} \times 80 = 40\ \text{kPa}$$

Manometer keluaran I/P membaca 45 kPa (angka latihan), galat 6,25 % rentang, sehingga nol dan rentang konverter dikalibrasi menurut bab kalibrasi. Bila udara instrumen hilang, pegas menutup katup uap, dan arah itu diuji saat komisioning.

Kondisi berhenti

Pekerjaan atau operasi dihentikan dan keadaan diamankan dulu bila:

1. Pembatas suhu trip atau suhu melampaui setelannya (85 °C pada contoh bab sakelar proses, ilustrasi). Penyetelan dihentikan, pembatas tidak di-reset berulang, dan penyebabnya dicari menurut bab sakelar proses.
2. Pembatas suhu atau interlock level dijembatani atau dimatikan supaya penyetelan PID atau autotune dapat berjalan.
3. Katup solenoid, aktuator, atau pipa air panas dan uap akan dibuka atau dibongkar sebelum listriknya diisolasi, tekanannya dilepas melalui katup isolasi manual, dan suhunya turun ke keadaan aman. Katup solenoid yang tertutup tidak dihitung sebagai isolasi.
4. Sinyal sensor -B1 hilang atau tidak sah (kabel putus, 0 mA, atau sinyal kegagalan NE 43) dan pengendali tidak menurunkan keluaran ke keadaan aman. Arahnya bergantung pada sensor dan konfigurasi; pembacaan rendah palsu, misalnya loop 4–20 mA putus, membuat PI mendorong keluaran ke 100 %.
5. Pengendali ditinggal di mode manual dengan keluaran tinggi tanpa pengawasan.
6. Kontaktor -Q1 bersiklus jauh di atas hitungan rancangan, misalnya lebih dari 10 kali per menit (ilustrasi), atau berdengung dan bergetar. Kontaktor yang terus bergetar dapat las; sistem dihentikan dan sensor -B1, setelan diferensial, serta suplai koil diperiksa.
7. Pengukuran tegangan pada terminal koil atau keluaran pengendali di panel yang juga berisi sirkit 230/400 V akan dilakukan tanpa personel kompeten, alat berkategori ukur sesuai, dan APD.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Katup solenoid tidak membuka, pasti koilnya putus." Periksa dulu tekanan diferensial minimum. Koil bisa baik-baik saja tetapi katup kerja pilot tidak membuka karena tekanan masukan terlalu rendah, seperti pada kasus pembuka, atau karena lubang pilot tersumbat.

"Pengendali ON-OFF lebih buruk dari PID." Untuk proses lambat dengan massa termal besar dan diferensial yang dirancang dengan benar, ON-OFF sering memadai dan lebih sederhana karena hanya diferensial yang perlu disetel. PID dipilih bila ayunan ON-OFF tidak dapat diterima proses.

"PID dengan $K_\text{p}$ besar selalu lebih baik." Penguatan terlalu besar menyebabkan osilasi yang menggerakkan aktuator bolak-balik tanpa henti dan mempercepat aus paking, roda gigi, dan kontak.

"Katup solenoid NC yang tertutup sudah cukup sebagai pemisah saat perawatan." Dudukan katup dapat bocor karena kerak atau serat, katup kerja pilot dapat terangkat oleh tekanan balik, dan koil dapat dienergi tanpa sengaja dari pengendali. Isolasi dilakukan dengan katup manual yang dapat dikunci dan pelepasan tekanan, bukan dengan katup kendali.

Hubungan dengan bab lain

Bab ini bersandar pada Bab 1 dan Bab 2, pada bab sakelar proses untuk diferensial, $T_\text{min}$, dan pembatas suhu, serta pada bab komponen kendali, magnet dan induksi, dan diagram kendali untuk kontaktor, koil, dan label. Sinyal masukannya datang dari bab sensor proses dan kalibrasi. Hasilnya dipakai pada bab relai pintar dan PLC, PLC lanjutan, VFD, dan keselamatan fungsional mesin yang dibahas sesudahnya, dan pencatatan setelannya mengikuti Bab 52.

Latihan dan pembahasan

1. [Tafsir] Katup solenoid NC kerja pilot -Q3 terpasang pada jalur air panas. Koil terukur beresistansi normal, tetapi katup tidak membuka saat diberi tegangan 24 V AC. Sebutkan dua penyebab paling mungkin dan cara memverifikasinya.
2. [Hitung] Tangki air 150 L dipanaskan dari 20 °C ke 55 °C oleh pemanas 4.500 W dengan rugi kalor 200 W. Hitung waktu pemanasan dalam menit ($c$ air 4.186 J/(kg·K)).
3. [Tafsir] Pengendali ON-OFF -K1 dengan diferensial 1 K mengoperasikan kontaktor -Q1 sebanyak 45 kali per jam pada tangki air panas. Sebutkan dua tindakan korektif dan perkirakan jumlah siklus per jam bila diferensial diperlebar menjadi 4 K.
4. [Hitung] Pengendali P saja dengan $K_\text{p}$ = 3 dan bias keluaran 0 % mengendalikan suhu dengan rentang ukur 0–100 °C. Beban mengharuskan keluaran tunak 8 %. Hitung offset suhu tunak dalam kelvin.
5. [Tafsir] Seorang teknisi menambahkan bagian D pada pengendali PID pemanas air. Setelah itu keluaran pengendali bergetar cepat walaupun suhu hampir tidak berubah dan $K_\text{p}$ tidak diubah. Apa penyebab paling mungkin dan bagaimana mengatasinya?
6. [Hitung dan tafsir] Tangki 200 L dengan rugi kalor 400 W dikendalikan ON-OFF dengan titik hidup 62 °C dan titik mati 68 °C. Pemanas -E1 5.000 W. Hitung jumlah siklus per jam saat tangki diam dan pada keadaan terburuk, lalu tentukan apakah kontaktor -Q1 berumur listrik 500.000 siklus (ilustrasi) cukup untuk 5 tahun × 8.000 jam.

Kunci jawaban beralasan

1. Penyebab pertama: tekanan diferensial masukan-keluaran di bawah minimum katup kerja pilot. Verifikasi: baca manometer di sisi masukan dan keluaran saat katup diperintah membuka, hitung selisihnya, dan bandingkan dengan lembar data; tekanan tandon atap yang rendah pada jam sibuk adalah contoh penyebabnya. Penyebab kedua: tegangan koil tidak mencapai nilai pengenalnya karena susut tegangan di kabel panjang atau terminal kendur, atau lubang pilot dan saringan masukan tersumbat. Tegangan diukur di terminal koil saat pengendali memerintahkan buka, oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD; saringan diperiksa setelah jalur diisolasi dan tekanannya dilepas.
2. $m$ = 150 kg; $\Delta T = 55 - 20 = 35$ K; $Q = 150 \times 4\,186 \times 35 = 21\,976\,500$ J. $P_\text{neto} = 4\,500 - 200 = 4\,300$ W. $t = 21\,976\,500/4\,300 = 5\,111$ s ≈ 85,2 menit. Rugi kalor dikurangi dulu dari daya pemanas sebelum membagi energi, dengan anggapan rugi tetap.
3. Tindakan pertama: perlebar diferensial -K1, karena menurut $T_\text{min} = 4mc\Delta T/P$ jumlah siklus berbanding terbalik dengan diferensial; dari 1 K ke 4 K, 45 siklus per jam turun menjadi sekitar $45/4 \approx 11$ siklus per jam bila keterlambatan sensor kecil; dengan keterlambatan, penurunannya kurang dari empat kali karena ayunan nyata $\Delta T + P t_\text{d}/(mc)$. Tindakan kedua: periksa posisi sensor -B1; jika terlalu dekat elemen -E1, pindahkan ke tengah tangki (tetap terendam) supaya fluktuasi lokal tidak memicu pensakelaran.
4. $e = u/K_\text{p} = 8/3 = 2{,}67$ %. Rentang 100 K, sehingga offset 2,67 K: suhu tunak sekitar 2,7 K di bawah acuan. Bias keluaran yang disetel tepat 8 % akan menghapusnya hanya pada beban itu; untuk semua beban diperlukan bagian I.
5. Bagian D memperkuat derau atau lompatan resolusi sensor, karena laju perubahan sinyal yang berderau besar walaupun suhu rata-ratanya tetap. Perbaikannya: kurangi $T_\text{d}$ bertahap sampai getaran hilang atau matikan D, dan pasang filter masukan atau filter D bila pengendali menyediakannya. Pelindung dan pemisahan kabel sensor juga diperiksa menurut bab sensor proses dan transmiter.
6. $\Delta T$ = 6 K; $Q_\text{d} = 200 \times 4\,186 \times 6 = 5\,023\,200$ J. Saat diam: $t_\text{OFF} = 5\,023\,200/400 = 12\,558$ s (209,3 menit), $t_\text{ON} = 5\,023\,200/4\,600 = 1\,092$ s (18,2 menit), periode 227,5 menit, 0,26 siklus per jam, dan $0{,}264 \times 40\,000 \approx 10\,500$ siklus dalam 5 tahun. Keadaan terburuk: $T_\text{min} = 4 \times 5\,023\,200/5\,000 = 4\,019$ s (67 menit), 0,90 siklus per jam, sekitar 35.800 siklus dalam 40.000 jam. Keduanya jauh di bawah 500.000, sehingga kontaktor cukup; yang wajib dihitung adalah keadaan terburuk, bukan keadaan diam.

Referensi