Sistem dan Rangkaian Kontrol Otomatik

Daftar Isi

Sistem Kontrol

Kendali atau kontrol (control) merupakan piranti yang mengoperasikan atau mengatur sistem mekanikal dan elektrikal. Piranti kontrol tersebut digunakan pada sistem pemanasan ruang (heating system), sistem pendinginan (cooling system), sistem penembahan kelembaban udara (humidifying system), dan sistem pengurangan kelembaban udara (dehumidifying system). 

Biasanya, setiap piranti kontrol dodosaon untuk merespon kondisi tertentu. Misalnya untuk mengatur suhu, tekanan, aliran fluida, level likuid, dan waktu operasi suatu unit refrijerasi atau tata udara.

Kita memanfaatkan piranti kontrol setiap hari. Sebagai contoh, ketika kita berkendaraan menuju ke sekolah atau ke bekerja, sering kita melihat kecepatan kendaraan melalui speedometer dan secara manual mengontrol kecepatan kendaraan kita pada titik kecepatan yang diinginkan. 

Ketika kita berada di dalam ruang kerja, seringkali kita mengatur nyala lampu untuk memperoleh penerangan yang memadai. Dan masih banyak contoh lain yang sering kita lakukan tanpa menyadari hakekatnya.

Contoh di atas merupakan penerapan dari sistem kontrol tertutup secara manual (closed loop manual control). Istilah manual mengandung pengertian bahwa aksi kontrol  dilakukan oleh manusia bukan oleh suatu piranti; kita bertindak sebagai piranti kontrol atau piranti pengendali (controller).  Dalam sistem kontrol manual, kita yang membuat keputusan tentang aksi kontrol yang akan dilakukan.

Istilah kontrol tertutup (closed-loop) mengandung makna bahwa kita memiliki umpan balik (feedback) dari aksi yang dilakukan. Dalam contoh ini, umpan balik didapatkan dari indera perasa kita, tangan dan mata: begitu kita membuka keran shower air panas, kita dapat merasakan suhu airnya meningkat; ketika kita memutar gas kendaraan yang kita tumpangi, kita dapat melihat kenaikan laju kecepatan melalui speedometer; ketika kita menekan sakelar lampu, kita dapat melihat naiknya tingkat penerangan ang ada di dalam ruang.

Kontrol otomatik adalah kebalikan kontrol manual. Pada systemkontrol otomatik, yang melakukan aksi kontrol bukan manusia melainkan sebuah piranti kontrol yang meniru aksi yang kita lakukan pada sistem kontrol manual. 

Dalam hal ini, ketika kita menekan tombol pemilih kecepatan (set-button) yang ada pada suatu panel kontrol pengatur kecepatan (cruise control panel), pada hakekatnya kita memberitahu ke piranti kontrol atau piranti pengendali (controller) besaran kecepatan yang kita inginkan.

Besaran kecepatan yang kita inginkan lazim disebut sebagai set point. Kemudian piranti pengendali akan melakukan pengukuran kecepatan aktual yang sedang terjadi saat itu. 

Bila kecepatan actual belum sama dengan kecepatan yang kita inginkan, maka piranti pengendali akan mengatur posisi piranti akselerasinya untuk menjaga laju kecepatan kendaraan sesuai dengan set point. 

Yang perlu dicacat di sini, adalah sistem kontrol otomatik lebih presisi daripada sistem kontrol manual. Hal ini disebabkan karena perhatian kita tidak hanya tertuju pada kecapatan kendaraan saja, melainkan kita juga harus berkonsentrasi pada stir kendaraan kita, melihat keramaian lalu lintas, dan mengarahkanstir agar tidak bertabrakan dengan pengendara lain. 

Inilah salah satu alasan mengapa kita menerapkan sistemkontrol otomatik. Kita tidak punya waktu atau keinginan, atau mungkin kemampuan memonitor proses agar berada pada kondisi yang diinginkan secara terus-menerus. Dalam banyak hal, mengontrol proses pada sistem Refrigeration & Air Conditioning (RAC) mempunyai analogi dengan contoh kasus menyetir kendaraan.

Pada sistem RAC, biasanya menggunakan suhu udara kering (dry bulb temperature) yakni suhu yang terukur oleh thermometer sebagai indikator kondisi thermal. Suhu bukan hanya satu-satunya faktor yang berpengaruh terhadap persepsi kenyamanan thermal. 

Suhu merupakan faktor utama dalam menciptakan kenyamanan dan mudah diukur serta dikontrol. Pada sistem refrigerasi & tata udara, sistem kontrol didisain untuk mampu mengatasi beban puncak yang terjadi pada keadaan tertentu.

Dasar Sistem Kontrol

Sistem refrijerasi dan tata udara pada hakekatnya mengontrol kondisi udara di dalam suatu area spesifik. Peralatan tersebut memelihara suatu kondisi yang diharapkan yang dikenal dengan istilah “operating control”. 

Operasi keamanan (safety) dan pembatasan (limit control) membuat peralatan beroperasi pada level yang tepat sesuai keinginan. Peralatan tersebut juga dapat mencegah kerusakan terhadap sistem dan mencegah terjadinya cidera terhadap manusia. 

Kategori Sistem Kontrol

Sistem kontrol refrijerasi dan tata udara dapat dibagi menjadi tiga kategori, yaitu: 

(1) conditioned area, 

(2) controlling instrument, dan 

(3) operating device.

Conditioned area merupakan area yang dikondisikan yakni area di mana suhu, tekanan, dan kelembaban udara dikontrol secara ketat pada kondisi tertentu. Controlling instrument merupakan instrumen yang responsif terhadap perubahan. Hal ini dilakukan oleh piranti pendeteksi (sensing device), thermostat, motor control, pressurestat, humidistat, dan distibution control. 

Operating device, merupakan sebuah mekanisasi yang berdampak langsung terhadap kondisi aktual lewat pengaturan oleh instrumen kontrol. Sebagai contoh adalah katub, damper udara, fan, dan kompresor.

Suatu sistem kontrol yang senantiasa (secara konstan) mengoreksi kondisi setiap saat lazim disebut sebagai sistem kontrol jerat tertutup (closed-loop control system).  Dalam pengoperasian suatu peralatan refrijerator, thermostat merupakan instrumet pengontrol (controlling instrument). 

Kompresor hermetik merupakan operating device. Ruang di dalam kabinet refrijerator merupakan area yang dikondisi (conditioned area). Jika ruang di dalam kabinet refrijerator menjadi terlalu hangat, thermostat akan mengaktifkan (turn on) kompresor. 

Kemudian kompresor akan mensirkulasikan refrijeran ke sistem pemipaan refrijerasi sehingga dapat mendinginkan ruang di dalam kabinet. Setelah kondisi ruang kabinet mencapai suhu yang diinginkan, maka instrumen pengontrol (controlling instrument) akan menonaktifkan (turn off) kompresor. 

Siklus tersebut akan terulang kembali jika ruang kabinet berubah kembali menjadi terlalu hangat (warm-up) dan menjadi terlalu dingin (cool down). Piranti kontrol pertama yang digunakan pada system refrigerasi & tata udara biasanya berupa elektromekanik, yang berfungsi untuk menggerakkan kontak sakelar otomatik untuk mengontrol operasi fan, pompa, kompresor, dan damper. 

Biasanya piranti kontrol tersebut bekerja secara self powered, artinya mereka beroperasi menggunakan energi yang ada pada proses bukan menggunakan energi dari luar.

Kebutuhan akan kontrol modulasi yang murah yakni untuk mengatur output secara kontinyu bukan hanya sekedar siklus operasi on dan off, menghasilkan pengembangan control berbasis pnumatik, yang mengunakan udara kempa sebagai sumber energi untuk menggerakan piranti kontrolnya.

Kontrol pnumatik berkaitan dengan analog modulasi. Dengan berkembangnya penemuan di bidang tabung elektron, didisain sistem control baru berbasis elektronik. Dengan ditemukannya bahan semikonduktor, saat ini telah digunakan sistem kontrol berbasis semikonduktor dan sistem kontrol terprogram.

Berbagai sistem kontrol yang digunakan umtuk mengontrol suhu tersebut memiliki prinsip dasar yang sama. Walaupun teknologi untuk mengimplementasikan prinsip dasar  tersebut dapat berubah setiap saat, tetapi konsep dasar  yang digunakan tetap sama.

Closed-Loop Control System

Proses mengendarai mobil seperti yang telah dibahas sebelumnya merupakan contoh sebuah control loop. Pengendara mobil (sopir) menggunakan speedometer untuk mengukur kecepatan mobil. Bila pengendara menginginkan menurunkan atau menaikkan kecepatan mobil, maka tinggal menekan tombol akselerasinya, begitu kecepatan yang diinginkan tercapai maka tekanan tombol akselerasi dilepaskan. 

Pada contoh tersebut pengendara mobil berperan sebagai piranti pengendali (controller).Sopir membuat keputusan apakah menekan atau melepas tombol akselerasi. Laju kecepatan mobil sebagai variable terkontrol  (controlled variable) dan speedometer sebagai sensor yang mengukur nilai kecepatan aktual atau control point dari variable terkontrol. 

Tombol akselerasi merupakan piranti control (controlled device) dan mesin mobil sebagai sistem atau proses (proses plant).

Proses pertukaran informasi seperti yang berlangsung pada proses mengendarai mobil yang ditampilkan secara skematik. Diagram skematik tersebut disebut control loop karena informasi mengalir secara tertutup mulai dari sensor (speedometer) mengukur controlled variable (kecepatan) hingga ke controller (pengendara) di mana nilai aktual (control point) dari variable terkontrol (controlled variable) dibandingkan dengan nilai kecepatan yang diinginkan (set point). 

Kemudian piranti control (controller) membuat keputusan kontrol dan meneruskannya ke piranti terkontrol (controlled device) yakni akselerator dan ke proses (process plant) yaitu mesin mobil. Hal ini akan berdampak pada nilai actual atau control point dari variable terkontrol. Pertukaran informasi tersebut berlangsung secara terus-menerus. 

Komponen Heating control loop.  Suatu sistem pemanasan ruang sederhana, menggunakan pipa pemanasan yang menyalurkan uap panas, atau air panas sebagai sumber panas. Udara dingin dialirkan secara paksa dengan menggunakan fan melalui pipa pemanas untuk menaikkan suhu ruang sesuai  keinginan.

Tujuan kontrol pada kasus di atas adalah menjaga suhu suplai udara sesuai yang diinginkan. Dalam hal ini sensor mengukur suhu udara yang akan disuplai ke ruangan atau variable terkontrol (controlled variable) dan mengirimkan informasi ini ke piranti control (controller). Di dalam controller, suhu yang terukur oleh sensor (control point) dibandingkan dengan suhu udara yang diinginkan (set point).

Perbedaan antara set point dan control point disebut error. Berdasarkan nilai error ini, peralatan kontrol (controller) mengkalkulasi sinyal output dan mengirimkan sinyal tersebut ke piranti control valve (piranti terkontrol). Sebagai hasil dari sinyal baru ini, posisi control valve akan berubah sehingga jumlah fluida pemanas yang dialirkan ke pipa pemanas juga berubah (process plant). 

Akhirnya suhu udara suplai juga berubah. Berikutnya, sensor akan merasakan perubahan suhu tersebut dan mengirimkan sinyalnya ke controller, dan controller akan merespon sinyal tersebut

untuk menentukan aksi berikutnya..

Kedua contoh tersebut di atas lazim disebut sebagai system kontrol jerat tertutup (closed-loop control system) atau system control umpan balik (feedback control system) karena variable terkontrol selalu dideteksi setiap saat oleh sensor dan meneruskan kembali informasi tersebut ke peralatan control (controller). 

Piranti Terkontrol (Controlled device) dan process plant meberikan dampak terhadap variable terkontrol, yang akan dideteksi dan hasilnya dikirim kembali ke controller untuk dibandingkan dengan set point dan memberikan respon dalam bentuk perubahan sinyal yang dikeluarkan oleh controller. Sistem refrigerasi dan tata udara lazim menggunakan system control jerat tertutup untuk mengontrol process plant-nya.

Open Loop Control System

Sistem kontrol jerat terbuka (open loop control system) tidak memiliki hubungan langsung antara nilai variable terkontrol dan pranti control: jadi tidak memiliki umpan balik. Contoh kontrol jerat terbuka adalah jika sensor mengukur suhu luar dan piranti kontrolnya didisain untuk mengaktifkan control valve sebagai fungsi suhu luar. 

Variabel lain yang ada di dalam system misalnya suhu suplai udara dan mungkin suhu ruang yang dikondisikan tidak ditransmisikan ke controller, sehingga controller-nya tidak dapat mengetahui secara langsung dampak modulasi katub.

Dengan kata lain, pada kontrol jerat terbuka, perubahan piranti terkontrol (controlled device) dalam hal ini control valve tidak memiliki dampak langsung terhadap variabel yang dideteksi oleh controller (dalam kasus ini adalah suhu luar). Dengan system control jerat terbuka, dapat dikatakan tidak ada koneksi langsung antara hasil akhir dan variable yang dideteksi oleh controller.