BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SIMULASI
Pada Bab III akan dibahas perancangan simulasi kontrol level deaerator. Pada plant sebenarnya di PLTU Suralaya, untuk proses kontrol level deaerator dibuat di DCS sistem, namun apabila proses sebenarnya sedang berjalan akan kesulitan dilakuakn analisa apabila terjadi masalah pada proses kontrolnya. Oleh karena itu penulis akan melakukan pemodelan dan simulasi bagi kontrol level deaerator ini dengan menggunakan
software LabVIEW 2011.Pemodelan yang
baik adalah pemodelan yang mendekati keadaan sebenarnya. Untuk menghasilkan pemodelan
yang sesuai dengan keadaan sebenarnya,
maka diperlukan
inventarisasi data proses dari field, baik berupa data untuk tangki deaerator, Level Indicator Transmitter serta Level Control Valve. Kemudian data tersebut di koreksi dan menghasikan pendekatan pemodelan tangki deaerator, control valve dan transmitter melalui transformasi laplace. Pemodelan dilakukan dengan menggunakan software LabVIEW 2011 yang sekaligus dilakukan simulasi untuk analisa dan pembahasan yang akan ditampilkan dengan menggunakan grafik trend analyze
pada
LabVIEW
46
2011.
47
Untuk mendapatkan kontrol level yang baik, dilakukan tuning kontrol PID bagi kontrol level deaerator yang telah dimodelkan. Dalam tugas akhir ini, menggunakan dua jenis metode tuning PID yaitu metode Zieger Nichols dan metode Tyerus Luyben. Dari kedua tuning PID tersebut akan dilakukan perbandigan, sehingga dapat dilakukan analisis tuning PID yang terbaik yang mempunyai respon terbaik terhadap kontrol level deaerator ini. Untuk lebih jelasnya tampak pada diagram alir berikut ini:
DATA
KOREKSI I/O
DESAIN SIMULASI DAN PEMODELAN
PERANCANGAN SIMULASI LEVEL
PEMODELAN MATEMATIS LEVEL TRANSMITTER
PEMODELAN SISTEM LEVEL CONTROL VALVE
SIMULASI DAN PENGENDALIAN
YA EROR
TIDAK
ANALISA DATA DAN PENGUJIAN SIMULASI
PENYUSUNAN LAPORAN DAN PEMBAHASAN HASIL ANALISA
Gambar 3.1. Diagram Alir Tahapan Perancangan
48
Proses yang terjadi pada sistem Feed Water Control pada PLTU unit 1-4 UBP suralaya adalah merupakan sebuah siklus tertutup. Pada proses tersebut air pengisi hasil kondensasi di condensor mengalir ke tangki condensor Hotwell, apabila kebutuhannya tidak mencukupi untuk proses, maka akan ditambahkan air demin yang berasala dari reserve feed water tank melalui katup make up water (LCV 3100), kemudian mengalir ke Heater 1, Heater 2 dan Heater 3 dengan aliran yang konstan. Dalam Heater terjadi pemanasan yang bertingkat selanjutnya air masuk ke Heater 4 (Deaerator). Dalam Deaerator terjadi proses pemanasan dengan proses direct contact
serta proses penghilangan zat-zat
yang
terkondensasi. Hasil dari pemanasan tersebut masuk dalam Deaerator Storage Tank. Air yang masuk ke Deaerator diatur dengan katup make up water deaerator (LCV 3157)
49
Gambar 3.2. Proses Pengaturan Level Tangki Deaerator
Diagram alir di atas menjelaskan lebih lanjut proses pengendalian level Tangki Deaerator. Berdasarkan data parameter operasi yang didapat kemudian dilanjutkan dengan studi lebih lanjut. Hasil studi dilanjutkan dengan pemrosesan data-data yang diperlukan dalam perancangan pengendalian level, yang didahului dengan memodelkan proses plant. Dari hasil pehitungan dan pemodelan proses plant perlu dilakukan juga pemodelan pada masing-masing instrument kendali yakni pemodelan level indicator transmitter dan level control valve. Langkah berikutnya adalah mensimulasikan model-model tersebut secara closed
loop
dengan menggunakan LabVIEW 2011. Hasil dari simulasi closed-loop akan
50
digunakan dasar untuk merancang dan memodelkan metode pengendalian level menggunakan PID yang dalam tugas akhir ini menggunakan metode tuning PID Zieger Nichols dan Tyerus Luyben. Seperti tampak pada gambar di bawah ini:
SP
+
KONTROLER PI
-
LEVEL CONTROL VALVE
TANGKI DEAERATOR
LEVEL TRANSMITTER
Gambar 3.3. Diagram Blok Sistem Pengendali Kenaikan Level Deaerator
Set point yang diberikan sesuai dengan keadaan sebenarnya adalah 3,2 m. Kemudian dengan menggunakan kontroler PI maka akan diatur respon terhadap pengontrolan level deaerator ini. Elemen akhir pada operasi kontrol proses adalah alat yang menggunakan pengaruh langsung pada proses: yaitu memberikan perubahan-perubahan variabel terkontrol yang diperlukan itu untuk membawanya ke set-point. Elemen ini menerima satu masukan input dari pengkontrol, yang kemudian dijelmakan kedalam beberapa operasi proportional intergral yang telah dilaksanakan, pada pengontrol level deaerator ini yang digunakan adalah level control valve, dengan kenaikan yang linier, sesuai dengan permintaan. Air pengisi akan masuk dan keluar kedalam tangki deaerator. Tangki deaerator, air pengisi, semuanya merupakan suatu proses yang akan dikontrol terhadap tinggi level cairannya. Untuk mempengaruhi kontrol suatu variabel pada satu proses, kita harus memiliki informasi tentang variabel itu sendiri. Informasi itu diperoleh
51
dengan mengukur variabel tersebut. Pada umumnya, suatu pengukuran mengacu kepada pengubahan variabel tersebut menjadi besaran sinyal analog yang sesuai dengan variabel tersebut, tekanan pnumatik, tegangan atau arus listrik. Sensor adalah suatu alat yang melaksanakan pengukuran awal dan pengubahan enerji suatu variabel menjadi informasi pnumatik atau listrik yang sesuai dan dengan menggunakan Level transmitter, hasil pengukuran dari sensor tersebut akan diubah menjadi besaran listrik sebesar 4- 20 mA, sehingga dapat terbaca oleh kontroler. Pengubahan lebih lanjut atau pengkondisian sinyal akan dibutuhkan untuk menyempurnakan fungsi pengukuran. Hasil pengukuran adalah suatu pengubahan variabel menjadi beberapa informasi yang sebanding dalam bentuk yang dibutuhkan oleh elemen-elemen lainnya dalam operasi kontrol proses. Dengan melakukan tahapan simulasi tersebut akan diperoleh hasil unjuk kerja sistem dan dianalisa, apakah hasil perancangan pengendalian level berjalan sesuai kebutuhan. Setiap simulasi dilakukan pencatatan hasil dan analisa untuk selanjutnya diambil kesimpulan dan saran 3.1. Pemodelan Matematis Tangki Level Deaerator Perilaku dan sifat-sifat dari sistem dapat diwakili dalam bentuk model matematis. Model matematis dapat memberi gambaran hubungan fungsional antara masukan dan keluaran dari suatu proses dan merupakan gambaran perilaku dinamik sebuah sistem.Dalam menurunkan model matematis sistem permukaan zat cair, dipakai prinsip resitansi dan kapasitansi untuk sistem permukaan zat cair. Resistansi sistem permukaan zat cair didefinisikan sebagai perubahan dalam perbedaan tinggi yang diperlukan untuk membuat satu satuan perubahan laju aliran. Sedangkan kapasitansi dari sistem permukaan zat cair adalah besarnya
52
perubahan cairan yang diperlukan untuk membuat perubahan potensial sebesar satu satuan. Untuk mendapatkan model matematis pada tangki deaerator maupun hotwell digunakan hukum kesetimbangan energi.
3.1.1. Model Matematis Tangki Deaerator Sistem pengendalian level pada deaerator bertujuan untuk menjaga suplai air ke boiler agar tidak kekurangan dan volumenya tidak melebihi kapasitas tangki yang diijinkan. Ketinggian level pada deaerator diukur oleh level transmitter (LT) dan dibandingkan dengan setpoint oleh level indicating controller (LIC), jika terjadi selisih antara setpoint dengan level aktual, maka LIC akan memberikan sinyal kepada level control valve (LCV) untuk mengurangi atau menambah laju aliran air yang masuk.
Gambar 3.4. Perancangan sistem pengendalian level pada deaerator
53
Dengan mengasumsikan bahwa massa gas yang dibuang ke atmosfir lewat venting bisa diabaikan maka, pendekatan model tangki deaerator bisa digambarkan sebagai berikut :
Gambar 3.5. Pendekatan Model Deaerator
Level tangki pada deaerator dapat diturunkan dengan menggunakan persamaan kesetimbangan massa. Persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut :
0,003 m3/s
DEAERATOR STORAGE TANK
3 – 3,3 m
Gambar 3.6. Diagram Blok Deaerator Storage Tank
ℎ
=
.
+
=
−
–
.
54
Dengan pendekatan model bentuk tangki adalah tabung maka, hubungan antara volume dan ketinggian adalah : dV
= Adh = Wt Ldh
Dimana : V
: volume tabung
A
: luas area tabung
Wt
: luas permukaan cairan
L
: panjang tabung
h
: ketinggian cairan
Gambar 3.7. Pendekatan Volum Tabung Diketahui bahwa ketinggian cairan pada saat keadaan normal dengan set point 3m adalah 3,3 m dengan diameter dari tabung adalah 4,5 m dan panjang tabung adalah 17,294 m. wt/2 merupakan panjang dari salah satu sisi segitiga. Dengan menggunakan rumus phitagoras, kita dapat mencari hubungan antara wt/2 dengan h yaitu:
2
=
– ( − ℎ)
55
=
(
− ℎ) ℎ
= 2 ( − ℎ) ℎ . . ℎ = 2 (4,5
– 3,3 ) 3,3. 17,3. ℎ
= 68,508 ℎ
ℎ
68,508 68,508
68,508
ℎ
ℎ
=
.
=
+
=
+
+ 1
1
−
.
–
.
−
.
. √ℎ
Agar dapat menyelesaikan persamaan diatas maka persamaan harus dilinearisasi terlebih dahulu dengan menggunakan persamaan deret Taylor. Adapun persamaan deret Taylor adalah sebagai berikut : =
+
′ +
′
Berdasarkan persamaan deret taylor diatas maka, persamaan dapat disusun sebagai berikut : ℎ′
=
′ +
+
ℎ
ℎ′
Dengan variabel deviasi sebagai berikut : ′ =
–
′ ;
′ =
–
′ ; = ℎ′ = ℎ − ℎ′
56
Linearisasi persamaan menggunakan deret taylor, akan dihasilkan persamaan baru sebagai berikut : ℎ
68,508
=
+
1
.
−
2√ℎ
ℎ′
Jika persamaan disederhanakan, akan didapatkan fungsi transfer dari proses yaitu : ℎ′ =
+ 1
+
+ 1
′
Dimana : Gp
= 2√h / K
Gm
= 2√h / K. ρ
Tp
= 2√h / 68,508 . K
Diketahui: ρ air
= 1000 kg/cm3 Gp merupakan gain dari proses yaitu laju aliran volume air umpan. Gm
merupakan gain dari load yaitu laju aliran massa steam. Tp merupakan time konstan dari proses dan juga load. Berdasarkan data dari lapangan, dengan nilai setpoint level 3 m didapatkan nilai h = 3,2 m maka, fungsi transfer dari proses : ℎ′ =
410,528 1861,06 + 1
+
0,411 1861,06s + 1
Dari persamaan model matematis di atas, selanjutnya dapat dimodelkan di dalam LabVIEW 2011seperti pada gambar 3.7 :
57
Gambar 3.8. Tangki Deaerator pada LabVIEW 2011 (Blok Diagram)
Gambar 3.9. Tangki Deaerator pada LabVIEW 2011 (Front Panel)
3.2. Model Matematis Level Indikator Transmitter
58
Untuk mengukur tinggi level liquid dalam deaerator digunakan suatu sensor yang disebut level indicating transmitter yang mengukur level liquid dengan memanfaatkan pengukuran pemantulan gelombang dalam domain waktu dan mentransmisikannya dalam bentuk sinyal elektrik yang besarnya 4-20 mA.
3.2.1. Model Matematis LIT 3156 (Level Transmitter Deaerator) Tabel 3.1. Spesifikasi EJA 110 Differential Pressure Transmitter EJA 110 Yokogawa Range
0 – 4000 mm 0 – 10 Kpa (0 – 2,95 in Hg abs)
Span
0,67 to 10 Kpa (0,2 to 2,95 in Hg)
Akurasi
±0,25 %
Output
4 – 20 mA
Power
9 to 24 V DC
Supply
0 – 4000 mm
LIT 3156
4 – 20 mA
59
Gambar 3.10. Diagram Blok Level Indicating Ttransmitter LIT 3156
Span_Input adalah kesalahan dari setting ketinggian yang digunakan transmitter ini pada Deaerator sebesar 4 m Karena output dari transmitter adalah 4-20 mA dan inputnya adalah 0 sampai 4000 mm maka Gain level transmitter dapat diperoleh dengan persamaan 2.6. sebagai berikut : (
=
=
(
) )
(20 − 4) 4– 0
= 4
/
Dengan Tc adalah konstanta waktu untuk transmitter yang didapat dari spesifikasi alat, besarnya adalah 2 second. Berdasarkan data spesifikasi dari level transmitter yang digunakan,. fungsi transfer dari level transmitter sesuai dengan persamaan 2.7. adalah sebagai berikut: ( ) = ( ) ( )
=
( ) +1 4 2 + 1
Maka jika dimodelkan dalam bentuk LabVIEW 2011 akan didapatkan seperti pada gambar 3.11. berikut ini :
60
Gambar 3.11. Pemodelan Level Indicator Transmitter Deaerator (Block Diagram)
Gambar 3.12. Pemodelan Level Indicator Transmitter Deaerator (Front Panel)
3.3. Pemodelan Matematis Level Control Valve Elemen pengendali akhir merupakan bagian akhir sistem pengendalian yang berfungsi mengubah variabel yang dimanipulasi sehingga diperoleh kondisi yang dikehendaki. Ada bermacam-macam elemen pengendali akhir, dalam plant ini elemen pengendali akhir berupa control valve.
61
3.3.1. Pemodelan Matematis LCV 3157 (Deaerator) Untuk menjaga level pada tangki liquid tetap pada range 3 m ~3,3 mm, maka diperlukan satu control valve pada aliran masuk. Adapun control valve yang digunakan adalah mempunyai karakteristik linier. Karakteristik dari pada control valve ini dapat dimodelkan sebagai berikut. 4 – 20 mA
(250,1 – 324,5 ) kg/s
LCV 3157
Gambar 3.13. Diagram Blok Level Control Valve LCV 3157 Dengan menganggap output dari level control valve adalah flow-rate dari aliran liquid yang besarnya 250,1 – 324,5 kg/s dan input dari control valve adalah 4-20mA, maka gainnya level control valve sesuai persamaan 2.9 dan 2.10 adalah :
/
/
=
=
0 – 100% (20 – 4)
=
= 1
( )
/
250,1 0 − 100%
Dimana m max
= laju aliran maksimum fluida yang masuk ke control valve = 250,1 Kg/s
62
f (x) x
= karakteristik control valve linier =
/
=
0 − 100% (20 − 4)
=
250,1 16
= 15,63
250,1 0 − 100
/ /
Konstanta waktu dari control valve diperoleh berdasarkan waktu stroke, perubahan fraksional terhadap bukaan valve dan perbandingan konstanta waktu pada stroking time valve. Fungsi alih dari Control Valve level dapat didekati dengan menggunakan sistem orde 1 yang mempunyai hubungan sesuai persamaan 2.8. berikut ini: =
+ 1
Dimana: YC
= Faktor stroking time dari Control Valve = (0,676)
Cv
= Koefisien aliran dari aksesori Control Valve = 0,39
RV
= Perbandingan time constant inherent dengan time stroke 0,03 ( untuk jenis aktuator diaphragma ) 0,30 ( untuk jenis aktuator piston)
∆V
= Fraksi massa perubahan Control Valve
63
=1 Harga time constant Control Valve dapat diperoleh dengan menuliskan persamaan : TCV
= Tv ( ∆V + Rv)
= 1,788 Sehingga Fungsi Alih dari Control Valve dapat ditulis sesuai persamaan 2.18. sebagai berikut: mb (s)
=
U (s) mb (s) U (s)
Ktot Tcv (s) + 1
=
15,63 1,785s +1
Maka jika dimodelkan dalam bentuk LabVIEW 2011 akan didapatkan seperti pada gambar 3.14. berikut ini :
Gambar 3.14. Pemodelan Level Control Valve deaerator pada LabVIEW 2011
64
