BAB III METODOLOGI PENELITIAN Penelitian kali ini memiliki suatu tahapan-tahapan tertentu untuk mencapai tujuannya. Tahapan-tahapan tersebut direpresentasikan dalam suatu diagram alir seperti pada gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram alir metodologi penelitian 3.1 Pemodelan Kolom Debutanizer Unit operasi yang digunakan dalam penelitian kali ini adalah sebuah kolom debutanizer. Kolom debutanizer tersebut
45
46 disimulasikan menggunakan software Hysys 3.1. Kolom debutanizer didapat dalam file Hysys (*.hsc) berdasarkan penelitian yang telah dilakukan [V. Bahl, A Linninger, “Dynamics of a Debutanizer Column”, 2000]. Pada Hysys kolom debutanizer tersebut berbentuk process flowsheet diagram, dan berjalan dalam kondisi dynamic state. Unit operasi tersebut mempunyai dua buah feed, sebuah kondensor dan reboiler, serta lima buah loop pengendalian. Loop pengendalian tersebut adalah FIC-100, FIC-101, FIC102, PIC100, dan TIC-100. Komposisi dari kedua feed adalah sebagai berikut : • •
Feed 1 : Propane, i-Butane, n-Butane, i-Butene, i-Pentane, nPentane, n-Hexane, n-Heptane, n-Octane. Feed 2 : Propane, i-Butane, n-Butane, i-Butene, i-Pentane, nPentane, n-Hexane, n-Heptane, n-Octane.
Komposisi selengkapnya dari masing-masing stream terdapat pada lampiran. Bagian atas kolom debutanizer (overhead) bertujuan untuk menghasilkan komposisi butane, sedangkan bagian bawah kolom debutanizer (bottom) bertugas untuk menghasilkan komposisi pentane. Loop pengendalian yang akan ditinjau dalam penelitian kali ini adalah dua loop pengendalian inferential yaitu, loop pengendalian laju aliran reflux FIC-102, dan loop pengendalian temperatur tray keenam TIC-100 dengan memanipulasi laju aliran reboiler. Ilustrasi dari process flowsheet diagram kolom debutanizer ditunjukkan pada gambar 3.2. Pemodelan proses unit operasi kolom debutanizer dilakukan dengan menggunakan metode First Order Plus Dead Time (FOPDT) [Marlin, Thomas. E., ”Process Control : Designing Process and Control Systems for Dynamics Performance”, 2000].
47 Pemodelan tersebut dilakukan untuk mengidentifikasi perilaku dari unit operasi kolom debutanizer. Pada FOPDT terdapat tiga variabel karakteristik, process gain, process time constant, dan dead time, dimana ketiganya merepresentasikan perilaku dari unit operasi kolom debutanizer.
Gambar 3.2 Process flowsheet diagram kolom debutanizer Prosedur yang dilakukan untuk pemodelan unit operasi kolom debutanizer adalah sebagai berikut : 1. Pengambilan data open loop. Pengambilan data tersebut dilakukan dengan mengubah mode kontroler kedua loop pengendali pada Hysys dari mode auto menjadi mode manual. Merubah manipulated variable (op) pada kedua kontroler dengan memberikan masukan step sebesar ±10% dari besarnya range process variabel (pv). Pengambilan data
48 dihentikan ketika unit operasi telah mencapai kestabilan pada keadaan baru. 2. Perhitungan data yang telah dihasilkan dari respon open loop unit operasi. Perhitungan data dilakukan untuk medapatkan process gain (K), process time constant (τ), dan dead time (θ). Persamaan-persamaan yang digunakan adalah :
K=
∆
δ
..............................................................................(3.1)
t 28% = θ +
τ 3
.....................................................................(3.2)
t 63% = θ + τ ......................................................................(3.3)
τ = 1.5(t 63% − t 28% ) ..........................................................(3.4) θ = t 63% − τ ......................................................................(3.5) dengan : K : gain steady state ∆ : perubahan steady state pada keluaran proses δ : perubahan step pada masukan t28% : nilai pv ketika mencapai 28% perubahan t63% : nilai pv ketika mencapai 63% FOPDT : Gm( s ) = K
e −θs ..............................................(3.6) τs + 1
Pemodelan dengan menggunakan FOPDT untuk prosedur yang telah dijelaskan, dilakukan secara bergantian untuk kedua loop pengendalian pada unit operasi kolom debutanizer. 3.2 Perancangan Algoritma Kontrol Robust-IMC Perancangan algoritma kontrol Robust-IMC dilakukan dengan memanfaatkan pemrograman m-files pada software
49 Matlab 7.0.4. Perancangan algoritma kontrol terbagi menjadi dua bagian. Pertama perancangan algoritma kontrol Internal Model Control (IMC), kedua perancangan metode tuning pada algoritma kontrol IMC berdasarkan struktur Robust Control. Perancangan Algoritma Kontrol IMC Perancangan algoritma kontrol IMC pada mulanya dilakukan dengan menggunakan perhitungan dalam s-domain (laplace) hingga didapatkan fungsi transfer kontroler kedua loop pengendalian. Pada pemrograman m-files, fungsi transfer kontroler tersebut tidak dihitung dalam s-domain, tetapi harus dirubah terlebih dahulu dalam bentuk diskrit menggunakan zforms. Z-forms yang digunakan adalah metode Discrete Approximation of Continuous Transfer Function [Luyben, William L., "Process Modeling, Simulation, and Control for Chemical Engineer", 1990], seperti ditunjukkan pada tabel 3.1. Tabel 3.1 Discrete Approximation of Continuous Transfer Function Laplace Domain
G( s ) =
Discrete Approximation
X (s) 1 = τs + 1 M ( s )
⎛ τ ⎞ ⎛ Ts ⎞ xn = ⎜ ⎟ x n −1 + ⎜ ⎟m n ⎝ Ts + 1 ⎠ ⎝ Ts + τ ⎠
Fungsi transfer kontroler algoritma kontrol IMC untuk kedua loop pengendalian seperti pada persamaan 3.7.
Gc =
GI = 1 − G I Gm
τs + 1 K (τs + 1)
⎡ ⎛τ ⎞ ⎤ K ⎢1 − ⎜ d ⎟ s ⎥ τs + 1 ⎣ ⎝ 2 ⎠ ⎦ 1− K (λs + 1) ⎡ ⎛ τd ⎞ ⎤ ⎢1 + ⎜ 2 ⎟ s ⎥ (τs + 1) ⎣ ⎝ ⎠ ⎦
..........(3.7)
50 Setelah persamaan 3.7 telah diketahui nilai-nilai numerisnya, lalu dirubah dalam bentuk diskrit untuk pemrograman m-files. Perubahan dalam bentuk diskrit diawali dengan merubah persamaan menjadi bentuk pecahan parsial dengan memanfaatkan fungsi yang sudah tersedia dalam Matlab, seperti RESIDUE (partial-fraction expansion). Setelah persamaan algoritma kontrol sudah dalam bentuk pecahan parsial, lalu dengan menggunakan zforms persamaan tersebut dirubah dalam bentuk diskrit. Persamaan algoritma kontrol IMC untuk loop pengendalian temperatur tray keenam TIC-100 dalam bentuk diskrit adalah sebagai berikut : imcTup=[17.35 4.63 0.12]; imcTdw=[4.23*lamdaT (lamdaT+8.46) 0]; [rT,pT,kT]=residue(imcTup,imcTdw); gT_11=rT(1)/(pT(1)*(-1)); gT_12=1/(pT(1)*(-1)); gT_2=rT(2); gT_3=kT; pvT=((pv(1)-93.333)/(121.111-93.333))*100; spT=((sp(1)-93.333)/(121.111-93.333))*100; errorT=pfT-pvT; opT1=((gT_12/(Ts+gT_12))*opT1prev)+(((gT_11*Ts)/(T s+gT_12))*errorT); opT1prev=opT1; opT2=(opT2prev)+(gT_2*Ts*errorT); opT2prev=opT2; opT3=gT_3*errorT; op(1)=opT1+opT2+opT3; % TIC-100 AntiWind Up/Down if (op(1)<=0.0000000000); op(1)=0.0000000000; end; if (op(1)>=100.0000000000); op(1)=100.0000000000; end;
Persamaan tersebut berlaku untuk kedua loop pengendalian, baik TIC-100 maupun FIC-102.
51 Ouput dari kedua kontroler yang dihitung secara sinkron oleh Matlab dikirimkan kepada Hysys menggunakan Running Cmd yang dikonfigurasikan pada General Data Page Tab. Setiap periode data transfer pada Hysys mengeksekusi perhitungan nilai output manipulated variable secara kontinyu (iterative). Perancangan Metode Tuning Berdasarkan Struktur Robust Control Perancangan metode tuning ini diawali dengan menentukan frekuensi natural ( ω n ) dari loop tertutup. Besarnya frekuensi natural ditentukan oleh settling time (Ts) dan damping factor (ζ) yang diberikan. Settling time diperoleh dari respon closed loop sistem pengendalian dengan gain controller sama dengan satu dan tanpa menggunakan prefilter. Metode tuning berdasarkan struktur Robust Control dilakukan dengan mengekuivalenkan persamaan koefisien indeks performansi seperti pada tabel 2.1 dengan denumerator fungsi transfer loop tertutup sistem pengendalian tanpa persamaan prefilter. Ekuivalensi tersebut seperti pada persamaan 2.38. Proses ekuivalensi tersebut menghasilkan nilai filter factor (λ). Dengan merubah nilai dari damping factor akan didapatkan filter factor yang berbeda pula. Setelah proses perhitungan filter factor, dilakukan perhitungan persamaan prefilter (Gp) sesuai dengan persamaan 2.40. Perancangan metode tuning tersebut juga dilakukan dengan menggunakan pemrogramam m-files. Adapun metode tuning dalam pemrograman m-files adalah sebagai berikut : Wn_T=4/(DmpR_T*Tst_T); ITAE_T=[1 1.75*Wn_T 2.15*(Wn_T^2) Wn_T^3]; Tfac=(Wn_T^3)/0.9612;
52 lamda_T=[(ITAE_T(1)/(138.96*Tfac)) ((ITAE_T(2)(416.88*Tfac))/(37.08*Tfac)) ((ITAE_T(3)(45.55*Tfac))/(Tfac))]; lamdaT=lamda_T(choice_T); T1up=[138.97*Tfac 37.09*Tfac 0.9612*Tfac]; T1dw=[1 1.75*Wn_T 2.15*(Wn_T^2) Wn_T^3]; Tsup=ITAE_T(4); Tsdw=[1 1.75*Wn_T 2.15*(Wn_T^2) Wn_T^3]; GpfupT=[Wn_T^3]; GpfdwT=[138.97*Tfac 37.09*Tfac 0.9612*Tfac]; [rpfT,ppfT,kpfT]=residue(GpfupT,GpfdwT); gT1_Pf1=rpfT(1)/(-1*ppfT(1)); gT1_Pf2=1/(-1*ppfT(1)); gT2_Pf1=rpfT(2)/(-1*ppfT(2)); gT2_Pf2=1/(-1*ppfT(2)); pfT1=((gT1_Pf2/(Ts+gT1_Pf2))*pfT1prev)+(((gT1_Pf1* Ts)/(Ts+gT1_Pf2))*spT); pfT1prev=pfT1; pfT2=((gT2_Pf2/(Ts+gT2_Pf2))*pfT2prev)+(((gT2_Pf1* Ts)/(Ts+gT2_Pf2))*spT); pfT2prev=pfT2; pfT=(pfT1+pfT2);
Perhitungan filter factor dan persamaan prefilter tersebut dieksekusi setiap periode data transfer Hysys berjalan (iterative). 3.3 Integrasi Hysys dengan Matlab Integrasi antara Hysys dengan Matlab dilakukan dengan memanfaatkan protokol Dynamic Data Exchange (DDE). Pada proses integrasi tersebut Matlab berlaku sebagai DDE server dan Hysys sebagai DDE client. Prosedur integrasi antara Hysys dengan Matlab ini dilakukan sesuai dengan referensi yang telah dilaukuan pada penelitian sebelumnya [Maritz, Herdin., ”Pengendalian Kolom Debutanizer pada Hysys Menggunakan PID – IMC pada Matlab”, 2006].
53 3.4 Perancangan Human Machine Interface Perancangan Human Machine Interface (HMI) ini dilakukan dengan memanfaatkan pemrograman Microsoft Visual Basic 6.0. Pada dasarnya terdapat tiga fungsi dasar dari suatu HMI yaitu, menghadirkan visualisasi terhadap parameter proses dan metode proses kontrol, menghadirkan proses alarm dan indikasi ketika proses dalam keadaan gagal, dan menghadirkan process trending. Untuk mewujudkan tiga fungsi dasar tersebut, maka dibutuhkan beberapa komponen-komponen tertentu yang secara default tidak terdapat pada Microsoft Visual Basic. Komponen tersebut dalam bentuk ActiveX dan Dynamic Link Library (DLL). ActiveX yang digunakan dalam perancangan HMI adalah TeeChart Pro ActiveX Control yang digunakan untuk membuat suatu proses trending. Untuk proses pengambilan data melalui protokol OPC dibutuhkan file DLL yang memuat fungsi koneksi OPC yaitu kepopcdaauto.dll. Form-form pada Visual Basic didesain sedemikian rupa sehingga merepresentasikan panel board, faceplate, alarm, dan trending. Salah satu dari form-form tersebut berbentuk MDIForm, dimana MDIForm tersebut bertugas sebagai Main Form yang akan dieksekusi pertama kali dan merupakan master form dari form-form yang lain. Penggunaan MDIForm akan didapatkan suatu tampilan software yang mempunyai banyak window dalam satu master window. Module pada Visual Basic juga digunakan untuk mendeklarasikan variabel global dan fungsi global. Langkah yang ditempuh dalam perancangan HMI untuk menampilkan data baik berupa numeris maupun grafis adalah sebagai berikut :
54 1. Melakukan koneksi OPC untuk mendapatkan data. 2. Setelah data diperoleh, data tersebut diberi nama variabel dan status variabel. Nama variabel mempunyai tipe data variant, sedangkan status variabel bertipe boolean. Hal tersebut digunakan untuk memudahkan pemrosesan data. 3. Untuk menampilkan data yang telah diperoleh dibutuhkan suatu fungsi tertentu yang bersifat global atau lokal. Fungsi tersebut akan memeriksa validitas dari suatu data sebelum ditampilkan. Validitas tersebut diperoleh dari status variabel data. 4. Penggunaan komponen timer untuk melakukan pengambilan data secara terus-menerus. Biasanya timer tersebut diset pada interval 10 milisecond (0.1 second) atau sesuai dengan kebutuhan. 5. Terdapat suatu fungsi error handler yang memuat suatu langkah-langkah yang harus dilakukan ketika terjadi suatu kesalahan atau kegagalan (error). Kesalahan dan kegagalan akan ditandai dengan adanya error warning message. Error handler juga digunakan untuk mengendalikan komponen timer, sehingga ketika terjadi kegagalan tidak menjadi kegagalan yang berulang-ulang. 3.5 Integrasi HMI dengan Matlab menggunakan Protokol OPC Integrasi antara HMI dengan Matlab dilakukan dengan memanfaatkan protokol OPC. Dalam proses integrasi ini baik HMI dan Matlab bertindak sebagai OPC client. Sedangkan OPC server yang digunakan adalah KepServerEx dari vendor Kepware OPC Server. Pemilihan KepServerEx sebagai OPC server dikarenakan versi trial-nya mempunyai license yang cukup fleksibel sehingga dapat digunakan tanpa ada banyak pembatasan. KepServerEx digunakan hanya untuk menjembatani transfer data antara Matlab dengan HMI, tanpa ada suatu
55 penerjemahan protokol hardware tertentu. Setting digunakan untuk KepServerEx seperti pada tabel 3.2.
yang
Tabel 3.2 KepServerEx Properties Setting Channel Assignment Ch_Matlab Simulator Device Name Dv_Matlab Model 16 Bit Device ID 1 ; Decimal Enable Data Collection True Name Driver
Matlab dan HMI sebagai OPC client melakukan permintaan koneksi terhadap OPC server. Permintaan koneksi terhadap OPC server dalam Matlab dilakukan melalui pemrograman m-fies. Dimana pemrogramannya adalah sebagai berikut : serviceopc=opcda('localhost','Kepware.KEPServerEx. V4'); connect(serviceopc);
Sedangkan permintaan koneksi terhadap OPC server dalam Visual Basic dilakukan melalui fungsi tertentu. Fungsi tersebut adalah sebagai berikut : Public Sub ConnectedToOPC(ConnectedServerName As Variant, ConnectedNodeName As Variant) On Error GoTo OPCerrorHandler Set ConnectedOPCServer = New OPCServer ConnectedOPCServer.Connect ConnectedServerName, ConnectedNodeName OPCserverConnectionStatus = True Exit Sub: OPCerrorHandler: Call DisplayOPC_COM_ErrorValue("OPC Connection", Err.Number) End Sub
56 Secara umum, hubungan antar software yang terjadi pada sistem simulasi pengendalian yang dilakukan, dapat diilustrasikan pada gambar 3.3.
Gambar 3.3 Sistem simulasi pengendalian 3.6 Pengujian dan Analisa Performansi Sistem Pengujian dan analisa performansi sistem dilakukan dengan menguji hasil integrasi antara Matlab dengan HMI melalui protokol OPC dan pengujian sistem pengendalian Robust IMC pada unit operasi kolom debutanizer. Pengujian Integrasi Matlab – HMI Pengujian hasil integrasi Matlab dengan HMI melalui protokol OPC dilakukan dengan menjalankan sistem simulasi secara simultan. Sistem simulasi tersebut adalah Hysys, Matlab, KepServerEx,dan HMI. Pengujian diawali dengan mengaktifkan integrasi antara Matlab dengan OPC server KepServerEx, mengenable fungsi Hysys DCS Interface pada Hysys, dan mengaktifkan fungsi integrator. Aktifnya fungsi integrator Hysys membuat koneksi Hysys-Matlab-KepServerEx berjalan secara bersama-sama dan saling bertukar data. Setelah ketiganya berjalan bersamaan, selanjutnya mengaktifkan HMI dengan melakukan koneksi OPC server KepServerEx. Ketika HMI telah aktif, maka proses monitoring dan perubahan parameter kontrol sistem pengendalian kolom debutanizer menggunakan Robust IMC dapat dilakukan melalui HMI. Proses validasi data-data (sp,
57 pv, op, tuning) dalam perhitungan sistem pengendalian dapat dilakukan dengan membandingkan data-data tersebut pada Hysys, workspace Matlab, dan HMI. Pengujian Performansi Sistem Pengendalian Pengujian performansi sistem pengendalian unit operasi kolom debutanizer menggunakan Robust IMC dilakukan pada loop pengendalian laju aliran reflux FIC-102 dan loop pengendalian temperatur tray keenam TIC-100, dengan melakukan uji set point dan uji disturbance. Kedua pengujian tersebut dilakukan dengan memberikan perubahan masukan berupa step input. Besarnya step input tersebut adalah +10% dan 10% dari besarnya range process variable (range pv) loop pengendalian. Khusus untuk uji disturbance, perubahan dilakukan dengan merubah laju aliran Feed 2 (FIC-101) sebesar +5% dan 5% dari besarnya range process variable. Dari masing-masing pengujian akan dilakukan perhitungan dan analisa terhadap variabel performansi yang telah dihasilkan. Terdapat dua performansi yang akan dianalisa yaitu karakteristik performansi dan indeks performansi dari sistem pengendalian. Karakteristik performansi disini adalah settling time dan maximum overshoot, sedangkan indeks performansi adalah Integral of the Absolute Value of the Error (IAE) dan Integral of Product of Time and the Absolute Value of Error (ITAE)[Marlin, Thomas. E., ”Process Control : Designing Process and Control Systems for Dynamics Performance”, 2000]. Pemilihan kriteriakriteria tersebut berdasarkan karakteristik sistem pengendalian menggunakan Robust IMC.
58
