*
PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN BERTINGKAT PADA STEAM DRUM PT INDONESIA POWER UBP SUB UNIT PERAK-GRATI Oleh : eko wahyudianto (2409.105.004) Pembimbing : Ir.Mochamad.Ilyas HS NIP. 19490919 197903 1 002
Latar Belakang
* Level fluida cair dalam steam drum merupakan faktor dominan untuk mendapatkan steam yang berkualitas
*Pada kondisi operasi tertentu, seperti misalnya sering terjadi gangguan pada proses yang berubah-ubah, parameter kendali ini harus sering dituning ulang.
*Sistem kendali PI merupakan algoritma kendali yang
digunakan di PT.Indonesia Power UBP Sub Unit Perak.
Permasalahan
Bagaimana Merancang Sistem Pengendalian Bertingkat di PT. Indonesia Power Ubp Sub Unit Perak-grati.
Tujuan
Untuk Merancang Sistem Pengendalian Bertingkat di PT. Indonesia Power Ubp Sub Unit Perak-grati.
Batasan Masalah
*Plant yang menjadi objek penelitian adalah Steam
Drum Boiler di PT Indonesia Power UBP Sub Unit Perak.
*Data-data proses diambil dari control room pada kondisi operasi normal
*Variabel yang dikontrol adalah level dari steam drum boiler.
*Analisa yang dilakukan berupa analisa tentang performansi sistem.
*Software yang digunakan adalah Matlab 7.1
Alur Penelitian
P&ID Steam Drum
Diagram Blok
Pemodelan Plant Dengan menggunakan persamaan kesetimbangan massa kontinuitas,maka model matematis proses steam drum adalah: laju _ perubahan massa _ dlm
laju _ massa feed _ water
laju _ massa steam
steam _ drum
input
output
dVv dVL mw mv v dt dt Fungsi level air dalam steam drum boiler dapat dinyatakan dengan persamaan:
dimana:
w
dVL dt
dh 0,82LD dt
Sedangkan fungsi vapor dalam steam drum boiler dapat dinyatakan dengan persamaan: dVv dt dVv dt dVv dt
d (Vtot dt
w
v
dVL = laju perubahan massa liquid dalam steam drum dt dVv dt
= laju perubahan massa vapor dalam steam drum
m w = laju massa water input
m v = laju massa vapor output
0,82LDh )
d (32,13 0,82LDh ) dt d 31,31LDh dt
1
H s w
.0,82LD
v
31,31LD s
(m w s
1 (m w s 9126,39 15811,17 s 1 (m w s 24937,56s
mv s )
mv s )
mv s )
Level Transmitter
20 4 0,7
I s Ls
22.85 0,2s 1
22.85mA / m
Flow Transmitter
I s F s
0,16 0,2s 1
Control Valve
= 2,378125 kg/s mA
Ms s G s
1,78 1,012s 1
Penentuan ulang nilai Kp, Ti dan Td pada sistem pengendalian PID Tiga Elemen dengan metode Ziegler-Nichols Sistem pengendalian seperti pada Gambar disamping merupakan sistem pengendalian cascade atau bertingkat. Dalam mendesain sistem cascade maka dilakukan tuning pada primary loop atau master dan pada secondary loop atau slave. Berdasarkan Tabel perhitungan metode Routh Hurwitzh Secondary Loop dapat diketahui nilai Kcr.
Pada secondary loop: PV ( s) SP( s)
1 Kp 1 Ti s 1 Kp 1
1 Ti s
Td s
Td s
1,78 1,012s 1
0,16 0,2s 1
0,16 0,2s 1
Unsur Ti dan Td dihilangkan, maka persamaan menjadi: PV ( s) SP( s)
0,04048s 3
Kp 1,78 0,2s 1 0,4448s 2 0,2s 1 0,04556Kp
Persamaan karakteristik: 0,04048s 3
0,4448s 2
0,2 s
1 0,04556Kp
Metode Routh-Hurwitz untuk menentukan nilai Kp kritis atau Kcr. S3
0,04048
S2
0,4448
S1 S0
0,1089 0,018Kp 1 0,04556Kp
1 0,04556Kp 0 0,04556Kp 1 Kp 21,94
1,78 1,012s 1
0,2
1 0,04556Kp
Sehingga didapatkan 0
0,2 0,04048
2,261
Pcr
2 u
Kp Ti Td
2 x3,14 2,261
= 0,6x21,94 =13,16 = 0,5x2,77=1,385 = 0,125x2,77=0,346
2,77
Penentuan ulang nilai Kp, Ti dan Td pada sistem pengendalian PID Tiga Elemen dengan metode Ziegler-Nichols setelah itu dilakukan penyederhanaan persamaan primary loop dengan hanya memasukkan nilai Kp dan menghilangkan nilai Ti dan Td. Sehingga penentuan nilai Kp kritis (Kcr) dari sistem dapat dilakukan. PV ( s) SP( s)
1,9s 5 121,4s 4 160,2s 3 95,03s 2 23,4s 1,67 0,058s 4 3,6s 3 2,278s 2 1,9s 0,6 8293,5s 5 4 3 2 1,9s 121,4s 160,2s 95,03s 23,4s 1,67 22,85 1 Kp 0,058s 4 3,6s 3 2,278s 2 1,9s 0,6 8293,5s 0,2s 1 Kp
Persamaan Karakteristik : 96,2s 6
6456,8s 5 36190s 4
21900,59 3660,57Kp s 3
16643,79 2171,4 Kp s 2
4943,7 543,69Kp s
Penentuan nilai parameter Kp dilakukan dengan metode Routh Hurwitzh. s6
96.2
s5
6456.8
s4
1,7.10 + 1,69.10 Kp35863.7+352146.8Kp 3,23.10 Kp 3,5.104 3,5.105 Kp 12
s3
1,8.1037
15
13
2
s0
4943,7+543,69Kp 0
2,1.104 + 3,6.103Kp 1,8.108 + 8,8.107 Kp 7,9.106 Kp 2 2,19.104 3,6.103 Kp
45 3,6.1040 Kp 1,8.1043 Kp 2 1,8.1044 Kp 3 1,6.1044 Kp 4 1,6.104943,7+543,69Kp Kp 5 12 15 13 2 7,6.10 1,69.10 Kp 3,23.10 Kp
s2 s1
36190
1,6.104+2,1.103Kp 4,9.103+5,4.102Kp
0
Penentuan ulang nilai Kp, Ti dan Td pada sistem pengendalian PID Tiga Elemen dengan metode Ziegler-Nichols Berdasarkan Tabel perhitungan metode Routh Hurwitzh Primary Loop dapat diketahui nilai Kcr. 4943,7 + 543,69K p 543,69K p Kp 9,09
0
4943,7
Sehingga didapatkan 0
Pcr
2
2.3,14 2,5
2,5
2,5
Kp kritis adalah batas kestabilan dari suatu sistem. Nilai KP kritis sistem (Kcr) adalah 9,09 dengan periode (Pcr) dari sistem yang berosilasi saat nilai Kcr dimasukkan adalah 2,5 detik. maka, berdasarkan tabel 3.3 maka diperoleh nilai parameter PID sebagai berikut: Kp = 0,6x9,09=5,45 Ti = 2,5x0,5=1,25 Td = 2,5x0,125=0,31 Untuk Primary Loop atau LIC Dengan nilai Kp=21,73;Ti=1,05 dan Td=0,26, sedangkan Untuk Secondary Loop atau FIC Dengan nilai Kp=14,5; Ti=0,91 dan Td=0,3.
Mode Kontrol PID
Grafik Respon Pada respon dari hasil perancangan sistem pengendalian level 3 elemen kontrol berbasis PID dengan metode Ziegler-Nichols. Yang memiliki kriteria error stady state 0,02 atau Ts 2%. Respon menunjukkan nilai maksium overshoot sebesar 67,14%, dengan setling time sebesar 156 detik, serta memiliki peak time sebesar 13 detik 1.4
1.2
1
level(m)
Grafik uji step berbasis PID controller
0.8
0.6 Respon(1) Setpoint(2)
0.4
0.2
0
0
100
200
300
400 500 waktu(s)
600
700
800
900
Grafik Respon hasil uji tracking set point Untuk metode Ziegler-Nichols.Dengan set point 0,2 meter, 0,5 meter, 0,3 meter dan 0,1 meter. Dari grafik diatas terlihat bahwa respon hasil rancangan sistem pengendalian PID setelah diuji dengan uji tracking set point, respon mengikuti kenaikan dan penurunan set point yang diberikan hanya terjadi perbedaan pada setling time. Pada saat set point dinaikkan respon memiliki setling time yang lebih lama dibandingkan dengan pada saat set point diturunkan, tetapi perbedaan setling time pada kenaikkan dan penurunan tidak begitu significant dengan range perbedaan antara 20-50 detik. Respon Pengendalian PID 3 Elemen kontrol Uji tracking Set Point 0.8
Grafik uji tracking set point berbasis PID controller
Level(1) Set Point(2)
0.6 0.5
level(m)
Tabel 4.2 uji tracking set point (0,7 meter , 0,6 meter dan 0,5 meter)
0.7
0.4
Sp(mete r) 0,2
Ts (s)
Tr (s)
Tp (s)
Td (s)
147
10
45
27
0.2
0,5
101
5
20
8
0.1
0,3
133
5
19
7
0,1
152
10
27
14
0.3
0 -0.1
0
200
400
600
800 waktu(s)
1000
1200
1400
1600
Grafik Respon Respon Uji Noise Sistem 1.4 Level(1) Set Point(2)
1.2
1
level(m)
Grafik uji noise pada pengukuran transmitter
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
200
400
600 waktu(s)
800
1000
1200
KESIMPULAN * Telah dilakukan perancangan system pengendalian 3 elemen
control berbasis PID pada Steam Drum PT. Indonesia Power UBP Sub Unit Perak Grati.
* Diperolehnya sistem kontrol baru berdasarkan hasil rancangan kontrol PID 3 elemen berdasarkan metode Ziegler-Nichols diperoleh nilai Kp = 77,34; Ti = 0,9375 detik dan Td=0,3821
* Respon yang diberikan oleh sistem hasil rancangan telah
memenuhi kriteria yang ada seperti kestabilan, maksimum overshot = 27,7% time setling = 19 detik. Sistem telah lolos dalam beberapa pengujian seperti uji respon masukan sinyal step tracking setpoint, uji noise pengukuran.
Terima Kasih
PERHITUNGAN PENDEKATAN LUASAN SISI SAMPING FLASH DRUM •Luas Pendekatan Sisi Samping Feed Flash Drum Untuk memperoleh luasan sisi samping dari Flash Drum yang tertutup liquid maka didekati dengan menggunakan pendekatan luasan kotak dengan persamaan : dA = f D dh dimana :
dA = Luas permukaan sisi samping Flash Drum yang tertutup liquid. dh = Ketinggian liquid. D = Diameter Flash Drum.
F = Koefisien faktor koreksi
dh Luasan yang tertutup liquid
D
Gambar A.1 Pendekatan luasan sisi samping Flash Drum dengan luasan kotak
Dengan menggunakan pendekatan luasan kotak dalam mencari luasan sisi samping Flash Drum (berbentuk lingkaran) yang tertutup liquid, maka pertama kali dilakukan adalah mengambil contoh permisalan lingkaran memiliki diameter sebesar 30 cm. Selanjutnya dilakukan pengukuran perubahan luas akibat perubahan ketinggian liquid baik untuk luasan kotak, luasan pendekatan (X) dan juga untuk luasan Flash Drum, luas sebenarnya (Y) dengan membuat tabel berikut ini : Tabel A.1 Luasan sisi samping vessel yang tertutup liquid dengan luasan pendekatan dalam bentuk kotak. Tinggi liquid h (cm)
Luas Kotak X (cm2)
Luas Lingkaran Y (cm2)
2
60
20,25
3
90
36,69
4
120
55,95
5
150
77,33
6
180
100,53
8
240
151,20
9
270
178,23
10
300
206,13
11
330
234,73
12
360
263,88
Dengan memplot data diatas, dibuat suatu grafik hubungan antara luasan pendekatan (X) dengan luasan sebenarnya (Y) seperti gambar (A.2) dibawah. Dan dari grafik terlihat bahwa garisnya mendekati linier maka dengan demikian dapat dilinearkan untuk memperoleh persamaan y = ax + b . Untuk mendapatkan nilai a dan b digunakan metode kuadrat terkecil dengan persamaan : a
n
xi yi n
xi
xi 2
yi xi
b
2
yi
xi n
2
xi
xi yi 2
xi
xi
2
Setelah data dari Tabel A.1 dimasukkan kepersamaan (A.1) dan (A.2), maka diperoleh nilai a = 0,82 dan b = -40. Dimana nilai a yang merupakan slope atau gradien dari persamaan korelasi tersebut juga merupakan suatu konstanta yang menyatakan hubungan antara luasan vessel dengan pendekatan.
300 Luasan Vessel
200 100
0
60 90 120 150 180 240 270 300 330 360 Luasan Pendekatan Gambar A.2 Grafik hubungan luasan vessel dengan luasan pendekatan
