4-20 mA; A Myth

Honestly it’s very difficult to find books or references which explain clearly why analog signal 4-20 mA is used on electric signal transmission. I remember I saw somebody gave his opinion in a mailing list but I forget already what he told exactly and unfortunately I lose the email by now. Sometimes I think 4-20 mA is a myth like Da Vinci Code in Dan Brown novel. There are not many expert interested to write in detail the reasons why 4-20 mA was chosen. Normally they only said the standard instrumentation signal 4-20 mA was used as common practice in instrumentation data transmission. I don’t write this post to give clear understanding, I just want to catch any idea from my guest to bring up the myth into scientific explanation.

Sekitar 6 tahun lalu di sebuah presentasi Tugas Akhir seorang rekan, dosen penguji menanyakan kenapa signal 4-20 mA digunakan dalam instrumentasi. Sang mahasiswa memberikan satu alasan tentang batas nilai bawah yang tidak mengambil nilai 0 mA tetapi mengambil 4 mA dimaksudkan untuk membedakan nilai yang ditransmit merupakan nilai minimal bukan terjadi permasalahan pada loop kabelnya, misalnya putus. Karena ketika 0 mA digunakan, maka tidak ada beda antara kabel putus atau nilai data yang ditransmit adalah nilai minimum. Mungkin penanya akan menanyakan kenapa tidak dipakai 2 mA atau 3 mA sebagai batas bawah?. Belum sempat ada pertanyaan itu, uniknya dosen pembimbing tiba-tiba ikut menyela dengan mengatakan bahwa 4-20 mA adalah signal standar komunikasi electric analog dunia instrumentasi yang sudah tida perlu untuk dipertanyakan lagi.

Saya jadi teringat dengan kasus kenapa satuan level intensitas suara adalah Desibel? bukan Centibel, Milibel, Hectobel, Decabel, dll?. Jawaban yang paling saya inget adalah bahwa penggunaan Decibel merupakan kesepakatan expert tentang penskalaan logaritmik dengan dikalikan 10 karena range pendengaran yang terlalu lebar menyulitkan penskalaan. Nah, jangan-jangan 4-20 mA adalah kesepakatan para expert juga? Kenapa disepakati?

Buku Continous Process Control; P.G. Friedmann, T.P. Stoltenberg (ISA) sekilas menyinggung, “The 4-20 mA signal became the industry standard because of inherent stability of electric current loops with multitude of resistivity load. Another advantage is that 4 mA offset ensures that minor electrical noise does not reach amplitude that is greater than the measured signal. This make noise suppression less of problem. Also the 4-20 mA loop can be monitored for a zero mA condition to alarm that an open fuse or broken wire has rendered the loop inoperative”. Jadi resumenya dari Oom Friedmann adalah tentang kestabilan signal 4-20 mA ketika terjadi perubahan resistansi atau impedansi, kemudian ketahanan terhadap ‘minor’ noise (berarti kalau major nggak tahan nih?), dan sebagai pembeda apakah signal sedang berada pada nilai minimum atau terdapat permasalahan di dalam loop (tidak ada signal), hal ini dikenal dengan “live zero” pada 4 mA.

Terdapat tambahan dari artikel Building Automation Product, Inc., bahwa signal 4-20 mA dapat tetap mengalir paling effective dan sempurna meskipun koneksi dari kabel kurang sempurna / longgar. Kemudian dinyatakan juga bahwa 4-20 mA tidak terpengaruh oleh adanya voltage drop asalkan power supply voltage masih lebih besar dari total voltage drop pada maksimum arus signal 20 mA. Juga yang paling digaris bawahi adalah pada analog signal receiver (dalam hal ini adalah I/O controller) seperti sudah menjadi ‘kesepakatan’ fabrikan untuk memiliki impedansi analog input totalnya adalah 250 Ohm. Ada ‘anggapan’ bahwa controller mengukur voltage diantara resistant 250 Ohm tersebut untuk mendapatkan data lapangan sebagai analog input. Dengan demikian pada saat nilai arus 4 mA melalui resistant 250 Ohm maka controller menerima 1 VDC, jika arus yang mengalir 8 mA maka controller menerima 2 VDC, arus 12 mA  mengalir maka controller menerima 3 VDC, 16 mA controller menerima 4 VDC, dan pada 20 mA controller akan menerima voltage 5 VDC. Data voltage tersebut yang diolah oleh PLC/DCS. 

Sehingga dengan konsep ini saya juga menduga bahwa controller itu mengolah data dengan data voltage yaitu 0 VDC untuk fault pada loop (kabel putus, short dll) pada arus 0 mA, dan signal antara 1 VDC – 5 VDC untuk mengolah data transmisi dari lapangan. Dengan alasan transmisi signal harus dengan arus karena alasan anti voltage drop, anti noise dll sebagaimana pembahasan di atas, padahal diketahui controller lebih ’suka’ menerima voltage, oleh karenanya dicari nilai arus yang tepat yang dapat dikonvert dengan mudah menjadi 0 VDC, 1VDC – 5 VDC. Nah, ketika disepakati penggunaan resistant 250 Ohm, maka signal 4-20 mA adalah pilihan maknyus sebagaimana konversi 4-20 mA menjadi 1-5 VDC pada paragraf di atas. Kebenarannya harus ditanyakan ke vendor-vendor seperti Honeywell, Siemens, Yokogawa, Foxboro, dll. Temen-temen yang bekerja di vendor automation system please share your idea.

Ada juga pertimbangan bahwa dengan arus 4 mA, transmitter sudah memiliki power yang cukup untuk menyala (ON). Maka pilihan 4-20 mA sepertinya susah diganggu gugat untuk teknologi analog konvensional.

Nova Kurniawan

Instrument Engineer; I am working at multinational EPCI company operating in Indonesia  

Instrumentation & Control; Nuclear Facility

This is not my experience story. This is just my overview after finished reading Instrumentation & Control Fundamentals Handbook Department of Energy United States of America. The Instrumentation & Control Fundamentals Handbook was developed to assist nuclear facility operating contractor, maintenance personnel, technical staff with the necessary to understand Instrumentation & Control System. There shall be no secret inside the book because all I&C technologies applied on nuclear plants are common technology. We found it in oil & gas platform as well. However if there are secrets inside I will have no capability to write it.

Hampir saja nuklir menjadi pilihan negeri ini sebagai energi alternatif di tengah kekhawatiran akan krisis energi. Rencana ini mendapat tentangan yang luar biasa dari para budayawan dan sebagian politisi sehingga ide tentang nuklir untuk sementara menjadi tidak populer. Nuklir bukan lagi menjadi persoalan teknologi tetapi sudah menjadi persoalan politik. Sebagai I&C engineer ketika menemukan artikel dari Department of Energy USA tentang basic instrumentasi dan kontrol untuk fasilitas nuklir maka saya tertarik untuk menuliskannya.

Yang disebut fasilitas nuklir adalah suatu plant facility yang dapat menggenerate terjadinya reaksi nuklir untuk menghasilkan energy yang dapat dimanfaatkan oleh manusia. Efek radioaktif sudah mulai dikenali keberadaannya sejak abad 19. Tetapi formulasi tentang konsep energi dari reaksi partikel atomic baru kemudian dirumuskan olen Einstein sebagai E = m.c^2 pada abad 20. (Tetapi kenapa Einstein lebih terkenal dengan teori relativitasnya ya? Harusnya teori energi-nya untuk partikel atomic ini, menjadi lebih terkenal. Anyway saya bukan fisikawan). Ketika neutron ditembakkan pada suatu partikel radioaktif maka terjadi reaksi fisi dalam reaktor. Reaksi fisi ini menghasilkan energy (joule) kalor. Dengan menggunakan konsep heat transfer energi panas tersebut disirkulasikan ke tempat lain dengan coolant system untuk memanaskan boiler. Boiler menerima energi panas, reaktornya kehilangan panas dan kembali dingin. Boiler menghasilkan steam, dan steam dari boiler memiliki energi untuk menggerakkan steam turbine driven generator untuk menghasilkan energi listrik. Sehingga energi listrik ini dapat diolah menjadi berbagai macam bentuk energi. (Note: Sebenernya apapun yang menghasilkan panas; seperti sampah dibakar, mayat manusia dibakar :p, tenaga dalam dari personel perguruan silat, suhu politik yang memanas :p, dll jika kalornya benar-benar mencukupi, maka akan diolah oleh boiler menjadi steam energi untuk menggerakkan generator listrik).

Inti dari proses nuklir itu terdapat di dalam reaktor nuklir. Ketika energi kalor sudah dihasilkan dari reaksi fisi maka tanggung jawab process engineer, mechanical engineer, instrument & control engineer untuk mengawal kalor tersebut melalui coolant untuk memanaskan boiler. Dari sudut pandang I&C, basic instrumentasi yaitu pengukuran tentang kondisi variable fisis masih merupakan dasar yang harus dikuasi di instrumentasi nuklir. Konsep pengukuran temperature untuk heat transfer yang digunakan adalah konsep-konsep RTD dan Thermocouple dengan rangkaian electric untuk pengolahan sinyalnya. Pengukuran tekanan untuk steam atau cooling systemnya masih menggunakan konsep bellows, bourdon tube, dan diaphragm dengan proses transducing yang mengubah pressure tersebut menjadi resistansi, induktansi, atau kapasitansi sehingga didapatkan equal electric signal untuk mendapatkan nilai tekanan. Level diukur dengan menggunakan level glass, differensial pressure, magnetic displacer, float, ultrasonic dan conductivity, dry reference leg, dan wet reference leg method. Hasil output dari sensor level adalah besaran fisis yang harus diubah ke besaran electric yang equivalent melalui transducer. Meskipun tidak saya temukan di artikel ini tapi saya yakin konsep transducingnya masih menggunakan prinsip perubahan equivalence pada resistansi, induktansi, atau kapasitansi. Pengukuran flowrate menggunakan orifice plate, ventury tube, pitot tube, displacement meter, area flowmeter (rotameter), ultrasonic, hot-wire anemometer dan ada beberapa lagi. Pengukuran posisi suatu aktuator / valve dengan menggunakan LVDT, movement dengan switch open-contact, dan potensiometer bisa juga digunakan.

Instrumentasi pengukuran yang lebih spesifik untuk fasilitas nuklir adalah pengukuran dan kontrol posisi control rod. Control Rod adalah batang yang terbuat dari komponen kimia (silver,indium, cadmium) yang dapat mengabsorb neutron yang terbentuk dari reaksi fisi tanpa menyebabkan komponen kimia tersebut mengalami reaksi pembelahan. Jadi kontrol rod merupakan aktuator dengan feedback berupa posisi untuk mengontrol laju reaksi fisi partikel radioaktif di dalam reaktor. Kontrol rod dimasukkan ke dalam guide tube di dalam fuel element. “A control rod is removed from or inserted into the central core of a nuclear rector in order to control the neutron flux” Wikipedia. Untuk membiarkan reaksi berantai terjadi maka kontrol rod digerakkan dengan skala tertentu dari core-nya reaktor. Sistem transmisi posisi kontrol rod dan sistem aktuasi untuk menggerakkan kontrol rod menggunakan synchro system yang terdiri dari synchro generator (transmiter) dan synchro motor (receiver). Rupanya agak susah memahami sistem synchro ini karena belum saya temukan di oil & gas facility.

Pengukuran berikutnya yang tidak kalah pentingnya dalam instrumentasi nuklir adalah pengukuran radiasi. Tipe radiasi digolongkan menjadi radiasi sinar alpha, betha, gamma, dan netron. Alat pengukuran yang digunakan antara lain Gas-Filled Detector dengan prinsip kerja memisahkan eletron dan positron partikle yang ter-ionisasi sehingga akan diketahui equivalensinya dengan pulsa listrik yang dihasilkan oleh rangkaian listrik yang dihubungkan ke Gas-Filled Detector tersebut. Kemudian ada Electroscope Ionization Chamber dengan prinsip kerja ketika gas dalam chamber mengalami ionisasi akibat adanya sinar radioaktif maka sensor yang disebut quartz fiber yang dicharge dengan voltage akan berubah menjadi zero charge. Karena sulit saya mengerti maka pengukuran radiasi dicukupkan dulu.

Konsep kontrol yang diterapkan di fasilitas nuklir sama dengan konsep kontrol proses di industri proses. Konsep-konsep tentang feedback control, PID, loop, input-output, controlled variable, manipulated variable, set-point, time legs, controller, dll adalah hal yang digunakan di fasilitas nuklir. Final element yg digunakan pada steam processing adalah actuated valve berupa on-off (solenoid) hydraulic-pneumatic, analog-control valve pneumatic, dan electric motor.

Nova Kurniawan

Instrument & Control Engineer, I am staying in Indonesia

Transfer Function; Either Ghost or Joke

I got an email from an apprentice student asking about how to control pressure in separator, the first question to me was whether he need to find transfer function and how to find it. On the other hand I remember an experience engineer told me in a discussion that he had already finished so many project but he did not need to know about transfer function and the project exactly running smoothly. Perhaps if this student come to see this experience engineer and asking about transfer function, the response will likely be a horrified stare followed by, “Are you kidding?, don’t make a joke in the real world boy”. “You are not in campus anymore, just forget it”. “You would never find such kind of transfer function in the real world”.

Ini adalah cerpen untuk kaum pemula saja. Terdapat gap yang nyata antara yang didapat seseorang ketika belajar tentang teori kontrol dengan yang mereka praktekan dalam dunia kerja process control. Ketika belajar pertama kali teori kontrol maka yang ada dibenak kita adalah “fungsi transfer” karena dua kata itu ibarat ‘hantu’-nya teori kontrol. Ketika sudah bekerja di dunia nyata, mungkin banyak yang berpendapat teori kontrol yang wajib pertama kali untuk dilupakan adalah “fungsi transfer” itu juga. Jadi sesuatu yang menghantui selama kuliah harus pertama kali dilupakan dan dijadikan bahan bercandaan saja ketika bekerja. ‘Gak kepake’ katanya.Mungkin seperti itu rumus umum ketidaknyambungan itu. Saya fikir harus ada yang bisa menyambungkan sehingga seorang praktisi harus mendorong seorang pelajar untuk mendalami hal itu, bukan sebaliknya.

Ketika membalas email apprentice student tersebut saya justeru balik bertanya apakah ibu-ibu ketika menyalakan kran air untuk mengisi bak mandi perlu tau fungsi transfer sistem itu dulu sebelum menghidupkan kran dan mengisi sampai ketinggian air yang diinginkan? Tidak perlu bukan?. Tetapi sebaliknya apakah yang lagi belajar teori kontrol tidak mampu untuk merumuskan fungsi transfer antara flowrate kran air dengan ketinggian level air di dalam bak mandi ibu-ibu tersebut? Sehingga bisa memodelkan sistem bak mandi tersebut & mengevaluasinya. Kedua-duanya membahas hal yang sama yaitu ketinggian air dalam bak mandi akibat kocoran air dari kran. Si ibu-ibu dengan menggunakan pendekatan praktisi tidak perlu tau tentang orde dari sistem itu, fungsi alihnya; it’s not a big deal, karena memang sistemnya sudah biasa. Lain halnya jika pelajar yang sudah dihantui terlebih dahulu dengan kata fungsi transfer dengan persamaan differensialnya maka dinamika sistem tersebut mungkin agak terasa berat. Ketika ditanya apakah sistem kran air bak mandi tersebut ada persamaan differensialnya? Mungkin ada orang yang cenderung akan menafikkan itu; mana ada itu. Tetapi kalo ditanya adakah perubahan ketinggian level airnya setiap menit? Kalau ada berapa? Hampir setiap orang akan bisa menjawab, misalnya naik 5 cm ketinggiannya setiap menit. Dengan jawaban itu, orang tersebut tanpa sengaja sudah bermain dengan persamaan differensial. Padahal persamaan differensial itu adalah ibarat ‘hantu’ anak sekolah tapi sistem biasa mainannya ibu-ibu rumah tangga di kamar mandi.

Nah, bagaimana cara menemukan fungsi transfer pada suatu system? (Ingat sekali lagi, ini tidak ditemukan pun gak apa-apa kalau memang nggak mau. Apakah bisa kerja di bagian control system kalau males dengan ‘hantu’ itu? Bisa aja, analogi ibu-ibu rumah tangga itu kan). Fungsi Transfer adalah hubungan input proses terhadap output proses yang dinamis. Kata dinamis disitu menunjukkan adanya perubahan terhadap waktu. Kata perubahan terhadap waktu menunjukkan bahwa kita akan bekerja dengan ‘hantu’ persamaan differensial. Ia menjadi bukan hantu ketika kita bayangkannya bahwa sistem kita cuman bak mandi doang yang sudah biasa. Ketinggiannya level H(t) dalam waktu t adalah fungsi dari flowrate F(t) dalam waktu itu. Ketika sudah memperoleh H(t)/F(t) maka itu adalah fungsi transfernya. Perubahan flowrate F(t) pasti akan mempengaruhi perubahan ketinggian H(t) dalam bak mandi. Oleh karenanya ibu-ibu melakukan perubahan flowrate kran untuk mengedjust kocoran air masuk ke dalam bak mandi. Ketika dipasang pressure transmitter pada H(t) level air, dipasang Control Valve pada kran air F(t) dan diaplikasikan PID, maka kita sudah memiliki satu close loop complete untuk analisis sistem. Kalau mau digunakan di matlab atau simulator lain maka H(t)/F(t)-nya mutlak diperlukan sebagai representasi dinamika alam. Kalau dikontrolnya langsung di field maka H(t)/F(t) tersebut adalah dinamika alam yang sudah begitu adanya, tidak perlu direpresentasikan lagi. Jadi fungsi transfer adalah representasi dinamika alam untuk analisis, pemodelan atau simulasi. Dalam kehidupan nyata fungsi transfer adalah perilaku alam itu sendiri.

Kembali ke sistem separator untuk mendapatkan fungsi transfer untuk pemodelan maka tidak semudah bak mandi. Contoh sebagai case saja; fungsi transfer yang ingin dikontrol adalah pressure di dalam separator dengan flowrate output yang akan disalurkan ke flare sistem. Kontrol pressure pada separator digunakan untuk memastikan bahwa pressure di dalam separator tidak melebihi set-point pressure. Jika pressure berlebih harus ada yang direlease untuk mengendalikan sistem agar tidak terjadi emergency. Sebenernya untuk memodelkan fungsi transfer hanya perlu dicari hubungan antara flowrate gas yang akan disalurkan ke flare system dengan pressure di dalam vessel. Kalau flowrate yang lain seperti Flow in 3 Phase, Flow Out Gas product, Flow Out Oil steady mungkin kita bisa konsentrasi ke hubungan flowrate gas ke flare system dengan pressure. Sehingga didapatkan fungsi transfer P(t)/F(t) artinya perubahan flowrate terhadap pressure dalam waktu t. Tetapi kalau semua variabel tsb saling berienteraksi bagaimana? Yach memang memodelkan perilaku alam itu tidak mudah ha..ha..ha. Itu sebagian ilmu Tuhan yang lumayan sulit. Pressure dan flowrate berdinamika sesuai ketentuan Tuhan. Lebih enak diambil saja fungsi transfer-nya dari handbook tentang separator yang di dapat dari penelitian yang menghubungan semua variable yang ingin dikontrol dengan variable yang bisa dimanipulasi dalam bentuk fungsi transfer.

Nova Kurniawan

I got my BE degree from Engineering Physics, ITB, Bandung. I am working at J Ray McDermott

The Power of Measurement; A Nostalgia

The first of the fundamental laws of process control reads as follows: “All process control starts with measurement, and the quality of control obtained can never be better than the quality of the measurement on which it is based”. Bob Connel; Process Instrumentation and Applications Manual.

Saya ingin menulis tentang pengukuran hanya sebagai nostalgia saja tentang satu mata kuliah yang sangat kesohor di departemen tempat saya belajar dulu. Dengan jujur saya mengakui bahwa dulu sewaktu kuliah sama sekali tidak mengetahui relevansi ilmu di kuliah tersebut dengan dunia industri. Tetapi setelah lulus ketika bertemu dengan buku-buku professional, saya melihat Liptak pun membahas tentang pengukuran pada handbooknya, Bob Connel juga membahas pada buku yang saya quote di atas, dan banyak buka lainnya, maka sampailah pada suatu kesimpulan bahwa “there is no control without measuerement” and “there is no oil & gas platform running without control and mesurement”. Kesimpulannya measurement atau pengukuran adalah aspek mendasar dalam dunia instrumentasi. 

Dalam dunia proses, pengukuran dilakukan pada material padat, cairan, dan gas yang sedang mengalami suatu proses pada suatu equipment. Equipment bisa berupa pipa, vessel, tanki, heat exchanger, ducting, dan lain sebagainya. Secara konseptual pengukuran dalam industri proses dibagi menjadi 3 kategori:

1. Pengukuran kondisi material yang sedang mengalami proses; yang termasuk golongan ini contohnya adalah level cairan di dalam vessel, tekanan di dalam pipa atau vessel, flowrate cairan di dalam pipa, dan temperature material tersebut di dalam suatu equipment.

2. Pengukuran properti fisik material yang sedang mengalami process; yang termasuk golongan ini contohnya adalah pengukuran density, viscosity, pH, dan atau pengukuran prosentase komponen di dalam suatu campuran.

3. Pengukuran equipment (Non-Material) yang menunjang proses; yang termasuk golongan ini contohnya adalah pengukuran vibrasi, pengukuran kecepatan putar, dan yang lain saya tidak inget.

Teknologi pengukuran sudah dikenal sejak lama terutama untuk alat-alat laboratorium. Akan tetapi tantangan untuk menciptakan pengukuran yang riil time, continuous (terus-menerus), remote dan selalu up to date menyebabkan bidang ilmu pengukuran harus beririsan dengan disiplin ilmu lain; diantaranya adalah transmisi signal, pengolahan signal, electronic, dan IT untuk menampilkan dan menyimpan data secara computerized. Bahkan pengukuran harus beririsan dengan dunia telekomunikasi, jika misalnya Direktur Utama Pertamina ingin mendapatkan data online produksi gas dari kilang pertamina di Handphone-nya saat itu juga secara online dan riil time ketika beliau sedang rapat dengan DPR. Maka proses transmisi data pengukuran langsung dapat dilakukan melalui jaringan telekomunikasi. Bahkan di ruang komisi DPR yang menangani masalah energi kalau perlu ditayangkan display produksi minyak dan gas dari seluruh PSC (Production Sharing Company) yang ada di Indonesia secara langsung, online dan riil time dari metering penjualan yang dimiliki PSC-PSC tersebut. Jangan kuatir untuk dimanipulasi, karena salah satu keunggulan flow computer (pengukuran flow untuk penjualan),menurut teman-teman di id-instrumentation@googlegroups.com, adalah tidak bisa di reset dan tidak bisa diintervensi.

Terminologi yang sering muncul dalam dunia pengukuran adalah Range, Span, Accuracy, Sensitivity, Readability, dan Linearity. Diskripsi yang ingin saya tampilkan di bawah ini adalah mengacu kepada Process Instrumentation Applications Manual; Bob Connel dengan kalimat yang saya susun sendiri.

Range adalah rentang batas bawah sampai dengan batas atas yang mampu diukur oleh suatu instrument. Basically yang disebut range adalah batas bawah sampai batas atas yang mampu disense oleh suaru alat ukur. Nah diantara rentang batas bawah dan batas tersebut diambil suatu rentang baru yang dikalibrasi yang disebut sebagai calibrated range. Dan calibrated range inilah yang lebih sering disebut sebagai Range oleh pasar, bukan melihat kepada kemampuan sensor alat ukur tersebut. Contoh Range adalah -100 degC to 100 degC.

Span adalah selisih antara batas atas dengan batas bawah suatu alat ukur. Jika range suatu alat ukur -100 degC to 100 degC maka Span dari alat ukur tersebut adalah 200 degC. Jika batas bawah adalah nol, maka Span akan bernilai sama dengan nilai batas atas dari range.

Accuracy adalah nilai kedekatan suatu pembacaan alat ukur dengan nilai sebenarnya dari proses yang sedang diukur pada kondisi static atau steady state. Lawan dari akurasi adalah error. Jika suatu alat ukur dinyatakan memiliki akurasi 1% of span apa artinya? Akurasinya 1% kah dengan error 99%? Bukan itu maksudnya. Jika alat ukur anda memiliki range 0 – 100 Psi dan accuracy 1% of Span, maksudnya adalah potensial error dari alat tersebut maksimum adalah 1% dari 100 Psi (Span) atau sama dengan 1 Psi. Jadi yang dimaksud sebagai accuracy pada datasheet manufacture sebenarnya adalah potensial error yang mungkin diberikan oleh alat ukur. Potensial error adalah bukan kenyataan error. Karena bisa saja dengan kalibrasi yang bagus errornya sama dengan 0. Statement accuracy lebih kepada jaminan dari manufacture bahwa kalaupun terjadi error maka maksimum akan mencapai 1% of span.

Sensitivity adalah nilai perubahan minimum yang dapat direspon oleh output display suatu alat ukur. Jika alat ukur memiliki sensitivity 1% of span artinya alat ukur hanya memberikan respon terhadap perubahan sebesar 1% of span dan selebihnya. Jika alat ukur anda memiliki range 0-100 Psi dan sensitivity sebesar 1% of Span atau 1% dari 100 Psi atau 1 Psi artinya hanya perubahan sebesar 1 Psi dan kelipatannya yang direspon oleh alat ukur. Perubahan sebesar 0.5 Psi tidak akan direspon oleh output alat ukur. Perubahan 1.5 Psi akan direspon sebesar 1 Psi oleh output alat ukur. Oleh karenanya sensitivity perlu untuk dicari sekecil mungkin. Agar perubahan sekecil mungkin bisa dideteksi oleh alat ukur. 

Readability adalah nilai interval diantara dua skala dari suatu alat ukur analog seperti pressure gauge dan temperature gauge. Suatu alat ukur dengan range 0 – 1000 Psi maka let say setiap skala akan merepresentasikan nilai 10 Psi. Dengan kata lain intervalnya adalah 10 Psi, dengan kata lain pointer atau penunjuk skala akan dengan jelas menunjuk suatu nilai dengan perubahan 10 Psi. Jika proses value berada pada 17 Psi atau 13 Psi maka pointer tidak akan memberikan perbedaan yang yang jelas karena intervalnya adalah 0,10,20,30,dst. Kalau ada yang bisa ‘mengarang’ suatu nilai yang tidak ada skalanya dengan kira-kira maka pernyataannya harus difailkan. Semakin tinggi suatu range maka readabilitynya semakin rendah. Semakin sempit range maka readabilitynya semakin tinggi.

Linearity adalah kemampuan alat ukur untuk menampilkan data pengukuran secara linear dalam percentage pada saat increasing dan decreasing. Alat ukur dengan accuracy yang kecil dibawah 1% of span akan menghasilkan linearity yang baik pula. Linearity juga diperlukan dalam transmisi data. Jika suatu sensor menghasilkan nilai data yang tidak exactly linear maka transmitter yang harus melakukan linearisasi. Nilai pembacaan temperature dengan thermocouple dengan mV yang dihasilkannya tidak exactly linear. Maka transmisi data 4-20 mA harus dilakukan linearisasi. Apakah bimetal pada temperature gauge menghasilkan lengkungan yang linear terhadap perubahan suhu dari 0 – 100 degC? Bagaimana kalo sifat materialnya lambat melengkung pada suhu 0-50 degC dan terlalu cepat perubahan lengkungannya pada suhu 50-100 degC? maka itu tidak linear. Tugas manufacture untuk melakukan linearisasi dengan menambahkan komponen mekanik berupa pegas dan lain sebagainya. Sehingga perubahan suhu yang linear dari 0-100 degC harus ditampilkan secara linear pula dalam penskalaan.

Nova Kurniawan

I got my Bachelor Engineering from Engineering Physics ITB Bandung, I am working at J Ray McDermott, Indonesia

InH2O Liquid Level; Diff Pressure Method

This is just for my own reminder to understand what InH2O is. InH2O is one of pressure unit we always find as an engineering unit on Differensial Pressure type Level Instrument. Why it is not Psi or Bar?. How to understand InH2O in easy way for level reading purpose? I was inspired to write down this posting from the discussion source in id-instrumentation@yahoogroups.com mailing list. This is a very-very basic and fundamental understanding.

Saya memahami arti dari 1 InH2O adalah tekanan yang diberikan oleh H2O (air) pada suatu titik dengan jarak dari titik tersebut ke permukaan air adalah 1 Inchi. Kalau kita memiliki tangki berapapun diameter atau luas alasnya jika diisi oleh air setinggi 1 inchi maka tekanan di dasar tangki adalah 1 InH2O + Tekanan Atmospher (atau Tekanan Permukaan). Konsep tekanan 1 InH2O memang tidak secara langsung menunjukkan berapa gaya yang harus diderita oleh permukaan tangki per satuan luas. Karena yang pernah bersekolah di SMA akan mengatakan bahwa tekanan adalah Gaya per Luas. Keberadaan satuan InH2O seakan-akan tidak sejalan dengan konsep satuan tekanan seperti N/m2 atau Pound Square Inch yang memang gamblang menghubungkan gaya dengan luas. Padahal InH2O pasti bisa dihubungkan dengan konsep gaya per luas N/m2 dan Psi.

Tanki dengan air di dalamnya setinggi 1 Inch tanpa ada tekanan awal Po dari atmospher maka dasarnya menderita tekanan 1 InH2O. Berapa equivalent Psi-nya? Tentu saja adalah gaya yang diderita oleh permukaan dasar seluas 1 square inch akibat air di atas-nya setinggi 1 inchi. Kita timbang  air dengan volume 1 qubic-Inch (luas 1 square-inch x tinggi  1 inch) berapa pound (lbs) beratnya maka itulah beban yang diterima per square-inch. Kalau tidak mau menimbang kita bisa menghitung pound-nya dengan menggunakan konsep density atau berat jenis yang menghubungkan volume 1 qubic-inch ke berat dalam pound. Maka InH2O akan mendapatkan equivalent PSI sebagaimana konsep tekanan adalah gaya per luasan. Jadi ada satu faktor penting untuk menghubungkan keduanya yaitu Density. Ketika berbicara tekanan dalam InH2O siap-siap berfikir sesuatu yang namanya density yang bisa dirubah ke bentuk lain yaitu Specific Gravity.

Specific Gravity dari liquid / cairan adalah didefinisikan sebagai perbandingan density suatu liquid dengan air murni pada suhu 60 degF. Kalau liquidnya adalah air murni, maka Specific Gravity air murni adalah  density air murni dibagi density air murni, artinya SG air = 1. Specific Gravity adalah besaran tidak bersatuan karena density dibagi density maka satuannya akan hilang. Kalau liquidnya berupa minyak (hydrocarbon) maka densitynya lebih ringan, katakanlah 800 kg/m3, sedangakan density air adalah 1000 kg/m3. Maka specific gravity dari liquid hydrocarbon tersebut adalah 800 kg/m3 dibagi 1000 kg/m3, hasilnya adalah SG = 0.8.

Kita kembali ke konsep tekanan dalam InH2O untuk mengetahui ketinggian dari suatu liquid dengan tanpa keraguan adanya pemahaman SMA kita tentang tekanan adalah gaya dan luas karena InH2O dan Psi adalah sami mawon. Untungnya dengan menggunakan InH2O kita akan sangat mudah untuk menentukan ketinggian suatu liquid dengan instrument berupa sensor tekanan. Ketinggian air 1 Inch diatas sensor artinya sensor menerima pressure sebesar 1 InH2O dengan asumsi tidak ada tekanan di atas permukaan air, Po=0. Dengan demikian ketika sensor kita menerima tekanan sebesar 100 InH2O, maka dengan serta merta diketahui ketinggian air di atas sensor adalah 100″. Konsep ini memudahkan untuk mengetahui ketinggian suatu liquid di dalam tangki atau vessel. Akan tetapi Po tidak mungkin sama dengan 0, setidak-tidaknya akan ada tekanan atmospher atau bisa jadi tekanan permukaan dari gas, maka instrument/sensor harus mencari selisih tekanannya untuk menghilangkan Po (tekanan permukaan). Oleh karenanya konsep-nya untuk level bukan menghitung pressure tapi differensial pressure. Sehingga tekanan yang dihitung benar-benar tekanan liquid saja.

Nah, kalau liquidnya berupa air murni maka dengan tau differensial pressure-nya N InH2O maka dengan mudah ketinggian level di atas sensor diketahui sebagai N inch. Kalau liquidnya bukan air sedangkan pressure bekerja dengan InH2O maka diperlukan sedikit konversi. Katakanlah liquid kita memiliki SG= 0.5, artinya liquid tersebut lebih ringan setengahnya dibandingkan air. Karena berat berbanding lurus dan linear dengan tekanan maka ketika suatu liquid lebih ringan 50% dari air maka pada ketinggian yang sama dengan air, sensor akan menerima pressure lebih kecil 50% dibanding air. Ketika level liquid dengan SG=0.5 setinggi N inch maka diff pressure yang diterima oleh sensor adalah 0.5N inH2O. Ketika sensor mendapatkan diff tekanan dari liquid sebesar N InH2O maka levelnya pasti lebih tinggi dua kali dibanding ketinggian air yaitu 2N Inch. Jadi kalau anda memiliki range actual di lapangan sebesar 14″ dengan liquid ber SG=0.5, maka berapa range transmitter anda yang bekerja dalam InH2O? Maka range anda adalah 0.5 x 14 InH2O = 7 InH2O. Maksimum tekanan yang bisa diberikan oleh liquid tersebut pada ketinggian 14″ adalah 7 InH2O. Kalau liquid tersebut adalah air, SG=1, maka pada level 14″ diff tekanannya adalah 14 InH2O.

Akan ada sedikit perbedaan ketika pipa kapilar ikut digunakan untuk meneruskan tekanan. Pada kondisi tanpa tekanan dari process, sensor sudah mendapat tekanan dari liquid di dalam pipa kapilar dan tekanan awal Po (atmospher atau gas). Sehingga tekanan tersebut harus diperhatikan. Dengan tau SG-nya dan ketinggian dari tapping point kapilari sampai dengan ketinggian sensor/instrument maka akan diketahui pressure yang diakibatkan oleh kapilari liquid. Kalau instrumentnya dipasang direct mounted pada level 0% maka itu adalah sisi Hi-nya, sedangkan kapilari yang dipasang diatas tepat pada tapping pointnya adalah level 100% maka dihubungkan ke Lo side. Jika jarak dari level 0% – 100% adalah 14″ dan SG=0.8, maka pada saat level proses masih 0% maka instrument akan menderita pressure dari liquid kapilari sebesar 11.2 InH2O + Po pada sisi Lo sidenya. Maka pada level 0% transmitter akan menunjukkan diff pressure sebesar sama dengan Po (dr Hi side) -(11.2 InH2O + Po) = -11.2 InH2O dan ini memberikan sinyal 4 mA. Ketika process liquid dengan SG=0.5 mencapai level 100% (pada 14″) artinya tekanan yang diakibatkan oleh process adalah 7 InH2O + Po dan dihubungkan sisi Hi side-nya. Maka pada level 100% diff pressurenya adalah (7 InH2O + Po) – (11.2 InH2O + Po) = -4.2 InH2O dan memberikan sinyal 20 mA. Jadi range transmitter-nya adalah -11.2 InH2O sampai -4.2 InH2O. Jadi hindari penggunaan rumus yang dihafal.

Nova Kurniawan

I was graduated from Engineering Physics ITB, now I am working at J Ray McDermott

Piper Alpha; The Worst Offshore Accident

This is only resume of what I watch in National Geographic, mailing list id-instrumentation@yahoogroups.com discussion and what I got from my offshore survival training and helicopter escape in MSTS. The piper alpha was recorded as the worst offshore accident in the oil & gas offshore history. 167 men died when the piper alpha exploded and more than half platform collapsed. Every offshore workers aware about this accident exactly, anything wrong or anything need to be added on my resume please feel free to put in comments.

Piper Alpha merupakan ‘huge’ offshore platform dengan berat 20000 metrix tons di laut utara yang memproduksi natural gas, crude oil, dan liquified petroleum gas (Nat Geo source). Living Quarter terletak pada deck yang sama dengan process platform. Kecelakaan Piper Alpha yang terjadi pada tahun 1988 tercatat merupakan kecelakaan terburuk dalam sejarah industri minyak dan gas lepas pantai.

Sebelum kejadian ada beberapa pekerjaan di Piper Alpha yang perlu digaris bawahi sebagai hal yeng menjadi tersangka kecelakaan tersebut. Aktivitas diving di sekitar platform yang menyebabkan Fire Water Pump inhibit, aktivitas maintenance PSV, dan maintenance transfer pump. Blow up pertama yang dilihat oleh awak kapal yang berada di dekat Piper Alpha adalah semburan berwarna biru dari modul C. Semburan berwarna biru mengarahkan tuduhan bahwa penyebab awal dari kecelakaan tersebut adalah LPG. Dan ketika dievaluasi PSV yang dimaintain tersebut berada di Modul C sama dengan awal dari blow up LPG itu berasal. Dan ketika diurut kembali bahwa ternyata line PSV tersebut pada upstreamnya terhubung dengan Pompa yang sedang dimaintain oleh krew mechanical. Dan ketika blow up terjadi Fire Water pump tidak automatic running dan lebih celakanya lagi PAGA system tidak ‘meraung-raung’ sama sekali.

Krew maintenance PSV mengajukan Permit To Work (PTW) untuk melepas PSV-B dan melakukan uji pop up – test. PSV-B terletak pada line B yang sedang not-in-service. Sesuai prosedure begitu PSV-B di lepas, temporary blind flange dipasang untuk menutup line tersebut. Dengan pertimbangan bahwa line-B tersebut not-in-service maka blind flange hanya di kencangi dengan menggunakan hand tight wrench. Padahal prosedure mengencangi flange pada line in-service adalah dengan tool flange management yang benar. Gasket yang benar, nilai torque yang terukur pada setiap bolt and nut, juga tingkat kerataan antar berbagai sisi di flange sangat mempengaruhi kemampuan flange tersebut untuk menahan leaking fluida di dalamnya. Hand tight tidak dapat menjamin tingkat kekencangan dan kerataan suatu joint flange. Hydraulic tools sering digunakan untuk mengencangi flange secara benar.

Krew maintenance Pump mengajukan Permit To Work (PTW) untuk memaintain Pump-A yang bermasalah. Agar proses produksi tetap berlangsung maka selama proses maintenance Pump-A, maka Pump-B akan di running. Permit To Work di approve tanpa memperhatikan adanya PTW yang lain dari krew PSV yang sedang melakukan maintenance PSV-B. Kedua PTW diletakkan di box yang berbeda karena lokasi PSV dan Pump di block yang berbeda. Seharusnya ketika kedua PTW dicompare dengan mengurut line P&ID-nya yang sudah dihighlight akan diketahui bahwa proposal running Pump-B harus direject karena PSV-B di downstream pump sedang dimaintain atau dilepas. Hanya karena miss paper work ini kemudian 167 orang tewas dalam beberapa jam kemudian.

Begitu Pump-B di running untuk menggantikan Pump-A maka liqufied petroleum gas segera mengalir menuju line PSV-B yang ditahan oleh blind flange dengan hand tight. Percobaan membuktikan dengan fluida yang sama, kondisi pressure yang sama, gasket yang sama, rating flange yang sama, dan hand tight yang sama, maka flange itu bocor memuncratkan fluida yang ada di dalamnya. Begitu bocor kenapa timbul api? Apakah ada ignition atau proses terdinamika dari fluid itu sendiri? Saya tidak tahu jawabannya, that is about process safety. Tiba-tiba timbul api dan control room mendapati signal fire alarm dari area Modul C. Tetapi tidak berusaha mematikan Pump-B, karena masih belum ‘ngeh’ bahwa Pump-B itulah yang mengalirkan hydrocarbon yang bocor di modul C. Aneh, seharusnya C&E dan SAFE chart sudah mengcapture hal ini secara auto. Adanya fire dari suatu area penyebabnya dari mana sehingga DCS or PLC secara otomatis akan menshutdown equipment di upstream yang berhubungan langsung dengan leaking tersebut.

Ketika api makin membesar seharusnya pula deluge system activate fire fighting system di area kebakaran. Mungkin ini sudah activate tetapi fire water ring main pressurenya jatuh karena kehabisan air. Tetapi fire water pumpnya tidak nyala auto karena lagi di inhibit, ada aktivitas diving dibawah platform. Maka fire water pump hanya nongkrong sia-sia selama kebakaran. Meskipun fire water pump tidak memiliki permissive signal dari safety sistem tetapi fire water pump tetap memerlukan initiate yang berupa pulse signal dengan cause dari jatuhya fire water ring main atau confirm fire di suatu area. Inhibit artinya DCS/PLC tidak akan memberikan aksi apapun ke fire water pump terhadap adanya input fire atau pressure ring main low. Inhibit diperlukan karena pada suction fire water pump terdapat aktivitas diving sehingga diver harus memastikan bahwa fire water pump tidak akan menyala. Pasti juga diver mengajukan PTW ke control room untuk meminta inhibit start signal dari control room.

Ketiga PTW yang saling dukung-mendukung untuk terjadinya blow up dan kebakaran yang sempurna. Lesson learnt-nya adalah PTW harus dihandle satu orang yang mengerti proses dan melakukan evaluasi multi-discipline, setiap flange harus dianggap in-service sehingga proper flange management harus dilakukan, dan jangan pernah meng-inhibit fire water pump.

Nova Kurniawan

Alumni Fisika Teknik ITB, bekerja di J Ray McDermott

Basic of Flushing; Engineering Point of View

Have you heard a very famous word in fabrication yard during tube or pipe completion activity? The word is ”Flushing”. This is the word that everybody knows what kind of activity is. “It is just like eating peanuts” perhaps somebody said. Clean it and blow it for few minutes and finish. I just want to discuss about flushing activity on engineering point of view. Don’t you know that proper flushing activity requires turbulent flow? What is turbulent flow and How to get turbulent flow? Let’s discuss it.

Tujuan utama dari flushing adalah untuk membersihkan tubing, terutama hydraulic line, dari kontaminasai partikel padat yang tertinggal di dalamnya. Debu dan serbuk besi sisa pemotongan adalah tersangka utama yang mungkin tertinggal di dalam hydraulic line. Pada artikel terdahulu telah dibahas tentang aktivitas cleaning yang disebut juga flushing dengan mengalirkan oli ke dalam sistem dan oli keluar dari sistem diukur ada berapa banyak solid contaminentnya. Solid contaminent dapat dilihat oleh mata telanjang ketika lebih besar dari 40 mikrometer, padahal partikel sebesar 3 – 25 mikrometer pun apabila tertinggal di dalam sistem akan secara signifikan mempengaruhi performa hydraulic system. Untuk memastikan bahwa partikel padat dari 3 mikrometer sampai lebih besar dari 40 mikrometer keluar dari hydraulic line maka flushing di dalam tubing harus dilakukan dengan turbulent stream.

Turbulent stream dipengaruhi oleh kecepatan fluida, viscosity fluida, dan internal diameter dari line yang dilalui. Bilangan yang dipakai untuk menjadi penanda turbulent flow adalah bilangan Reynold (Nr). Mekanika Fluida tingkat dasar mengatakan bahwa batas aliran fluida menjadi turbulent adalah ketika bilangan Reynoldnya (Nr) nya mencapai 3000 (some says 4000) dan selebihnya. Nr antara 2000 – 3000 disebut sebagai transisi atau zona kritikal. Nr dibawah 2000 disebut sebagai aliran fluida laminar.

Reynold Number, Nr = (Fluid Velocity . Line Internal Diameter) / (Fluid Kinematic Viscosity)

Syarat minimum flushing adalah minimal memiliki bilangan Reynold (Nr) 3000 (more 4000 better). Dengan menggunakan persamaan di atas kecepatan fluida minimum yang dibutuhkan akan diketahui. Dengan kecepatan dan area yang dilalui akan diketahui flowrate, gpm pompa yang dibutuhkan untuk flushing.

Jika tubingnya memiliki bending atau banyak belokan maka bilangan Reynod (Nr) yang direkomendasikan setidaknya adalah 25000. Dengan cara yang sama akan diketahui berapa kebutuhan gpm dari pompa yang dibutuhkan. Kalau lebih seharusnya lebih bagus, karena semua partikel sekecil apapun akan ikut tergilas oleh flow selama flushing.

Fluida hasil flushing kemudian diwadahi di tempat bersih / steril. Kemudian particle counter / analyzer (please check artikel sebelumnya) digunakan untuk menghitung berapa jumlah partikel dalam 100 ml fluida atau oil tersebut. Hasilnya kita cocokkan dengan standard cleaning yang ada seperti NAS, ISO, dan BS.

Ini adalah engineering point of view. Practically and normally kita bekerja menggunakan “biasanya” and “dulu-dulu”. Ada tambahan dan kritik dipersilahkan.

Nova Kurniawan

I was graduated from Engineering Physics ITB Bandung, I am working at J Ray McDermott Indonesia

Hydraulic Cleanliness; Offshore Industries

When you are asked by somebody how clean your T-shirt? Will you have a quantitative answer? My T-shirt is clean because the quantity of dust on my T-shirt is only 1000 particles (for example). How do you count the quantity of dust?. Or another way you just have a qualitative answer, for example I see this is clean, I don’t see any dust on my T-shirt. Everybody will agree once see your T-shirt because they can not see the dust. However unfortunately we could not give qualitative answer in technical engineering matter. When somebody have question on you how clean your hydraulic line? What are you gonna do?

Banyak expert mengatakan bahwa kebersihan hydraulic line adalah salah satu element penting pada hydraulic system. Karena meskipun oil hydraulic-nya bersih dengan jumlah partikel contaminasi sesedikit mungkin, tetapi jika line hydraulicnya masih kotor maka hydraulic systemnya akan kotor. “Solid contamination is recognized as the main reason for misfunctioning” UFI Filters Hydraulic Division. Sehingga aktivitas membersihkan hydraulic line dipandang sebagai hal utama dalam sistem hydraulic.

“It is impossible to eliminate completely, but it can be well kept under control of proper device (filter)” UFI Filters Hydraulic Division.

Kegiatan fabrikasi dan konstruksi akan menghasilkan uncounted debris pada hydraulic line. Meskipun line sudah di flush dan di blow dengan angin atau udara, siapa yang bisa menjamin secara quantitatif tidak ada debris di dalamnya. Cara yang direkomendasikan adalah dengan mengalirkan hydraulic oil melewati hydraulic line dan keluarkan kembali kemudian ukur berapa partikel yang ikut dalam oil keluar line. Ketika jumlah partikel masuk = jumlah partikel keluar maka hydraulic line tersebut benar-benar bersih.

Jumlah partikel dihitung dengan menggunakan particle counter. Kemudian jumlah particle per 100 ml dihitung dan hasilnya dibandingkan dengan NAS atau ISO. Jika kontaminasi-nya masih terlalu tinggi maka oil di re-filter dan dialirkan kembali sampai didapatkan level kebersihan sesuai yang diperlukan. NAS (National Aerospace Standard) mengeluarkan standard NAS 1638 untuk mengklasifikasi tingkat kebersihan hydraulic line. International Standard Organization mengeluarkan ISO 4406 : 1999 untuk hal yang serupa. Demikian halnya British Standard mengeluarkan BS 5540-4 untuk mengklasifikasi level hydraulic contamination.

Membersihkan hydraulic system sampai tidak ada kontaminasi sama sekali adalah tidak mungkin, akan tetapi kita harus mengontrolnya.

Nova Kurniawan

I was graduated form Engineering Physics, ITB, and now I am working at J Ray McDermott.

It Shouldn’t be an Instrument

When we are re-thinking about the concept of instrumentation and control we will define this engineering section has the picture which could be figured out as the way how to measure, how to control, and how to actuate. Wherever they are belong to process, mechanical, HVAC or electrical equipment if they are applying above principle then you shall find instrumentation and control on them. Practically sometime we found something that has no aim to perform measurement, controlling, actuating however they are included as instrument scope of work. If your boss or manager tells you below instruments are part of instrument scope of work and gives you trouble tell him you read it in this blog, and this article refers to “How to Become an Instrument Engineer; The Making of Prima Donna” Gregory K. McMillan and Stanley Weiner (ISA).

Tertuduh pertama yang tidak termasuk dalam instrumentasi adalah Restriction Orifice. Tak ada yang diukur dan dikontrol oleh restriction orifice. RO hanya dipasang untuk menghasilkan pressure drop atau mengurangi pressure sebelum masuk ke suatu equipment. Identik dengan check valve untuk menghalangi flow yang berlawan arah dan memang tidak menjadi instrument scope of work tetapi scope piping/mechanical. Pipe fitter dapat membuat RO dengan melubangi plate 1/8″ dengan bor 1/4″. Jika ternyata kurang besar sehingga pressure drop yang diharapkan belum dicapai maka ambil bor yang lebih besar dan lubangi lagi. If no drill is available, make the hole bigger with a torch. Every pipe fitter know how to use torch.

Tertuduh yang ke dua adalah Pressure Safety Valves atau Pressure Relief Valve. Seharusnya PSV tidak termasuk dalam instrument scope of work. Alasannya process engineer yang menentukan berapa PSV harus release pressure dengan flow sekian dll dan dihitung kapasitas dari relief valve. Piping / Mechanical engineer kemudian yang menentukan flange connection ke piping system. Pipe fitter akan memasang PSV tersebut pada linenya. Mechanical maintenance yang akan melakukan pemeliharaan dan perawatan selama operasi. PSV tidak menunjukkan konsep how to measure, control, and actuate.

Tertuduh yang ke tiga adalah Pressure Regulator. Fungsinya hampir identik dengan saudara-saudaranya di atas yaitu untuk mengolah pressure secara mandiri, atau self actuated. Tak berbeda dengan manual valve dan check valve yang menjadi scope mechanical engineer. Perbedaan dengan manual valve hanya pressure regulator dapat mengatur dirinya sendiri tanpa bantuan tangan orang. Check valve juga yang mengatur dirinya sendiri dalam mengatur arah flow,  maka seharusnya menjadi scope mechanical engineer.

Tertuduh yang ke empat adalah Rupture Disc. Sebagaimana PSV, maka process engineer yang akan menghitung berdasarkan kekuatan vessel yang hendak dilindungi, berapa kapasitas rupture disc yang digunakan. Ketika sudah ditemukan hitungannya maka tinggal cari katalog yang sesuai dengan kapasitas pressure itu dan sedikit berkoordinasi dengan piping/mechanical engineer untuk menentukan flange connectionnya. Pipe fitter yang akan menginstall rupture disc dalam masa konstruksi. No instrument involvement required at all.

Tertuduh yang ke lima dan terakhir adalah equipment dengan pertubingan. Contohnya adalah sample container yang digunakan untuk mengambil sample oil dari masing-masing wellhead. Bagaimana mendefinisikan ini sebagai instrument scope of work ketika fungsinya hanya untuk mengambil oil di wellhead yang dialirkan melalui tubing kemudian disimpan dalam tabung kecil yang disebut container? No Measurement, No Controlling, and No Actuating.

Untuk menutup tulisan ini saya kutipkan quote yang umum di dunia instrumentasi:
“No control without measurement”

Nova Kurniawan
Sarjana Fisika Teknik ITB 2004, bekerja di bagian Commissioning J Ray McDermott

A Steady State: Where shall control valve be?

I am curious to what going to happen to control valve in the time when the controller is being set on auto mode, but in the same time the system has been already on its set point and on steady state by mean manual adjustment only. If the control valve will move, it will disturb the stability of the system and it means the control system is not doing the job well. Because the control system will disturb the stability of the system. The correct answer should the control valve will not move during auto mode if the system already get its stability on the set-point by mean manual adjustment. The question then what is the command of the controller to control valve in auto mode to make the control valve stay on it’s stable position. What is the PID command to control valve in steady state, SP=PV? Is this the DCS magic which nobody knows?.

Artikel ini merupakan hasil dari diskusi di mailing list id-instrumentation@googlegroups.com yang menghasilkan banyak komentar. Banyak opini yang meragukan dan harus dijadikan sebagai pelajaran agar tidak digunakan kembali. Opini-opini tersebut antara lain bahwa pada kondisi steady state output kontroller adalah 0%, bahwa output kontroler artinya adalah besarnya (amplitudo)perubahan kontrol valve (increament or decreament), yang berarti ketika output PID=0% akan diartikan bahwa control valve tidak berubah atau tetap pada posisi terakhirnya, dan juga pendapat bahwa PID tidak memberikan informasi besar opening ke control valve hanya menentukan reaksi opening atau closing . Selain itu terdapat opini-opini yang meragukan kejadian di atas dapat terjadi pada dunia nyata diantaranya karena sistem dinamis pada kenyataannya tidak pernah mencapai steady state, ada juga opini bahwa sistem dinamis tidak akan pernah mencapai set-point dalam arti SP=PV karena control valve tidak pernah berfungsi sempurna. Tetapi menurut hemat saya, ketidak sempurnaan lapangan bukan merupakan alasan untuk menafikkan suatu kejadian yang secara konseptual bisa terjadi. Justeru ketidak sempurnaan lapangan yang harus diidealkan dan disempurnakan melalui riset untuk mendukung pembahasan suatu teori kontrol yang sudah well proven yaitu PID.

Skenario yang ingin kita bahas adalah tangki air sederhana dengan flow input Qin dan flow output Qout. Manual globe valve dipasang pada flow input dan control valve (LCV) dipasang pada flow output dengan kedua koefisien valve yang sama. Level Transmitter (LT) dipasang untuk mengukur dan mentransmit level ke kontroler LIC pada DCS. DCS akan meregulate level loop dengan PID base. Maka kita memiliki single close loop level kontrol LT-LIC-LCV yang kita set dalam kondisi manual mode. Alirkan air ke dalam tangki dengan membuka manual valve sampai ketinggian air 50%. Buka juga control valve secara manual dari DCS faceplate sedemikian hingga pada opening n% didapatkan Qout = Qin pada level 50%. Biarkan sistem dalam kondisi steady pada level 50% dengan flow aliran masuk dan keluar yang sama. Nah kemudian, masukkan set-point ke DCS sebesar 50%. Pertanyaanya, ketika di auto apa yang akan terjadi pada control valve? berapa openingnya?. Seharusnya control valve tetap pada bukaan n% bukan? Bagaimana DCS memerintahkan bukaan n% ketika error=SP-PV=0%?

Bagi yang tidak menyukai matematika (termasuk saya sepertinya), bagaimana cara mengetahui perintah kontroler ke control valve pada kondisi tersebut? Saya melihat memang tidak ada cara lain selain cara matematika untuk mengevaluasi kejadian itu. Karena perintah kontroler adalah output PID yang berupa persamaan matematika yang diolah oleh DCS setiap 50 millisecond untuk satu siklus (Harold Wade; Basic and Advance Regulatory Process Control). Dengan mengetahui output hitungan PID pada kondisi steady state SP=PV itu maka akan diketahui berapa opening control valve.

Naluri engineering mengatakan ketika suatu sistem sudah mencapai kondisi mantab-nya (tunak pada set point) saat manual, maka begitu di set auto sistem tidak boleh terganggu. Artinya ketika LIC diset Auto mode, opening control valve harus tidak berubah, harus tetap masih di n%. Bagaimana cara PID menghasilkan output sebesar n% dengan error = SP-PV = 0 pada skenario di atas?

Kalau melihat persamaan PID continuous dibawah ini dengan e = 0%, ibarat mengolah angka 0 dalam persamaan matematika.

Serta merta seringkali saya terjebak dalam kesimpulan output PID adalah u(t)= 0% artinya kontrol valve menutup rapat pada saat error = 0% . Lha iya e(t)=0 maka gampangannya u(t)=0 juga. Padahal saya salah lhoo.

Ketika persamaan PID continuous tersebut dipecah-pecah menjadi persamaan diskrit dengan metode matematika tingkat lanjut yang susah untuk saya mengerti itu, maka di dapatkan persamaan PID diskrit sebagaimana dijelaskan dalam blog seorang kawan blogger dari Pertamina berikut http://asro.wordpress.com/2008/06/06/algoritma-pid-pada-dcs-honeywell-experion-pks/

Dari persamaan PID diskrit tersebut kita akan melihat bahwa dengan error = 0% dan delta error = 0% maka apa yang akan menghasilkan n%?  Ternyata belum keliatan dan hehe masih cukup pening bukan menjelaskan aksi DCS itu? padahal DCS yang bikin manusia juga.

Jika yang diaktifkan pada PID adalah pengontrol proporsional saja maka aksi opening n% (bukaan awal sebelum auto) itu dianggap sebagai aksi bias (konstatnta) sesuai rumus m = K.e + b. Dengan error = 0% maka m = b. Kemudian pertanyaan lagi siapa yang memasukkan bias itu?. A very inexpensive controller might be constructed with a fixed value of b, say, of 50%. Thus, the controller output would be 50% when there is no error in the loop. (Harold Wade; Basic And Advance Regulatory Process Control).

Wouww padahal sistem sudah stabil pada opening n% dengan error = 0%, begitu di online Auto mode dengan menggunakan pengontrol Proporsional maka output kontroler ke control valve akan menjadi 50%. Perubahan dari n% ke 50% menyebabkan sistem akan meninggalkan set-pointnya. Sehingga system akan terganggu kondisi tunaknya dan mencari kestabilan baru. Oleh karenanya ada juga kontroler dengan fasilitas bias adjustable yang disebut Manual Reset. Pada pengontrol proporsional bias harus dimasukkan sebesar n% dimana n% adalah kondisi opening control valve pada saat steady state pada set-pointnya dengan load tertentu (Qin) dimana load pada sistem level tank adalah flowrate input yang masuk ke tank.

Ketika pengontrol Proporsional dan Integral digunakan bersamaan maka peranan bias dengan manual reset itu akan digantikan oleh pengontrol Integral (bias otomatik). Dengan bahasa definisi pengontrol integral dapat dipahami sebagai upaya melanjutkan perubahan opening control valve yang besarnya tergantung besarnya gain dan error dalam waktu t dengan titik start pada posisi control valve  sebelumnya. Jadi ketika pada kondisi error = 0% maka maka output aksi integral adalah posisi output sebelumnya yaitu n% ditambah 0%. Error = 0% diartikan pengontrol integral sebagai aksi tidak menambah atau tidak mengurangi posisi terakhir control valve n% tersebut. Dengan melihat hasil diskritasi dari pengontrol proporsional dan integral maka:

m = K.e + (m (integral sebelumnya) + K Ts/Ti . e)

Kembali pada sistem level kontrol di atas maka nilai m output kontroller ketika manual itu akan dianggap sebagai output bias siklus yang pertama. Karena aksi bias = aksi integral maka nilai bias n% tersebut akan dijadikan sebagai output integral sebelumnya untuk siklus yang pertama. Jadi dengan error siklus PI yang pertama e = 0% maka:
m = 0 + n% + 0 = n%

Kemudian siklus berikutnyapun ketika error masih sama dengan 0% maka output kontroller masih sama dengan m = n% tetap sepanjang sistem masih tunak pada set-point dengan load tetap. Jadi aksi integral adalah menambah atau mengurangi berapa dari posisi terakhir kontrol valve berdasarkan besarnya gain dan besarnya error.

Penggunaan Proporsional, Integral, dan Derivative sekaligus belum saya tuliskan karena belum bisa membuat diskripsi yang saya sendiri bisa mengerti dengan mudah.

Nova Kurniawan

Alumni Fisika Teknik ITB, 2004, bekerja pada bagian Commissioning J Ray McDermott Indonesia