FORMULASI SISTEMATIKA KNOWLEDGE-BASED ENGINEERING UNTUK PENANGANAN PERMASALAHAN PROSES DENGAN STUDI KASUS REAKTOR UREA PABRIK KALTIM-1
TESIS Karya Tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
oleh
SURAHMAD WIJI WIDODO NIM : 23005003 Program Studi Teknik Kimia
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
FORMULASI SISTEMATIKA KNOWLEDGE-BASED ENGINEERING UNTUK PENANGANAN PERMASALAHAN PROSES DENGAN STUDI KASUS REAKTOR UREA PABRIK KALTIM-1
Oleh
Surahmad Wiji Widodo NIM : 23005003 Program Studi Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tanggal ........................................
Pembimbing I
Pembimbing II
(Ir. Yazid Bindar, MSc., PhD)
(Ir. Praharso, MSc., PhD)
ABSTRAK
Formulasi Sistematika Knowledge-Based Engineering Untuk Penanganan Permasalahan Proses dengan Studi Kasus Reaktor Urea Pabrik Kaltim-1 Oleh Surahmad Wiji Widodo NIM : 23005003 Pabrik pupuk adalah pabrik petrokimia yang termasuk salah satu industri strategis nasional. Pengetahuan merupakan aset penting bagi perusahaan yang harus dikelola sebaik-baiknya agar memberikan manfaat dan keuntungan yang optimal. Tanpa pengetahuan yang cukup dalam mengoperasikan pabrik, maka masalah proses yang dihadapi cenderung diselesaikan dengan percobaan di lapangan yang hasilnya tidak pasti dan mengakibatkan kerugian bagi perusahaan. Dengan sistem berbasis pengetahuan, maka pengetahuan disimpan, terorganisasi dan dapat diakses kembali untuk menyelesaian masalah proses, serta tindakan coba-coba yang menghasilkan kesalahan dapat diminimalkan. Dalam tesis ini formulasi sistem berbasis pengetahuan untuk penanganan permasalahan proses pada unit reaktor sintesis urea dilakukan dengan melakukan kajian pengetahuan heuristis, kajian model kesetimbangan reaksi sintesis urea, kajian simulasi CFD tray reaktor, serta kajian model pengembangan sistem berbasis pengetahuan proses. Model kesetimbangan yang digunakan dapat menjelaskan pengaruh suhu, rasio NH3/CO2 dan rasio H2O/CO2 terhadap konversi. Hasil perhitungan untuk konversi dan komposisi keluaran reaktor menunjukkan kesesuaian dengan data rancangan pabrik. Hasil kajian simulasi CFD menunjukkan bahwa dengan konfigurasi tray baru dihasilkan efek pencampuran fasa cair dan gas yang lebih baik daripada dengan tray konvensional. Model sistem pakar untuk troubleshooting proses pada pengoperasian reaktor urea telah dibuat dengan expert system shell CLIPS. Pengetahuan heuristis dari pengalaman dan pengetahuan berdasarkan model proses menjadi basis pengetahuan yang dikembangkan sebagai model sistem berbasis pengetahuan untuk menyelesaikan masalah proses di unit proses sintesis urea.
Kata kunci : basis pengetahuan, pengetahuan proses, pengetahuan heuristis, simulasi, CFD, reaktor urea
i
ABSTRACT Knowledge-Based Engineering System Formulation for Process Problem Solving with Case Study of Kaltim-1 Plant Urea Reactor By Surahmad Wiji Widodo NIM : 23005003 Urea plant is a petrochemical plant considered as one of strategic industries in Indonesia. Knowledge is important asset for the company that should be managed well in order to give the optimal profit. Without the adequate knowledge to operate the process plant, the process problems tend to be solved by trial-error effort in the field with unknown result and can cause the losses for the company. With the knowledge-based system, the knowledge can be stored, organized can be accessed again to solve the process problem and minimize the trial-error losses. In this thesis knowledge-based sistem formulation for process problem solving in urea synthesis process unit done by study the heuristic knowledge, study the urea synthesis equilibrium model, study the urea tray reactor with CFD simulation and study of development of process knowledge-based system model. Urea reaction equilibrium model used can explain the effects of temperature, NH3/CO2 molar ratio and H2O/CO2 molar ratio to the urea conversion. Calculation results of conversion and reactor outlet composition show the agreement with the reactor data. Results of CFD simulation show that the new tray configuration gives the better mixing effect of liquid and gas phase than the conventional tray. Expert system model for process troubleshooting of urea reactor operation has been developed successfully with CLIPS expert system shell. Heuristic knowledge based on the experience and the knowledge based on process model become the knowledge base for development of knowledge-based system model for process problem solving in urea synthesis process unit.
Keywords : knowledge-based, process knowledge, heuristic, simulation, CFD, urea reactor
ii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
iii
KATA PENGANTAR
Segala puji hanya kepada Allah atas segala petunjuk dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ir.Yazid Bindar M.Sc.Ph.D dan Ir. Praharso M.Sc. Ph.D sebagai pembimbing atas saran dan bimbingannya kepada penulis selama penelitian dan penulisan tesis ini. Terimakasih penulis sampaikan pula kepada Manajemen PT. Pupuk Kaltim, Departemen Operasi Kaltim-1, Biro Teknologi serta Biro Pengembangan SDM PT. Pupuk Kaltim yang telah memberi kesempatan, dukungan dan bantuan kepada penulis dalam mengikuti pendidikan magister ini. Juga kepada rekan-rekan program magister Teknik Kimia dan rekan-rekan di Laboratorium Termofluida dan Sistem Utilitas, atas segala bantuan dan dukungannya. Penulis menyadari bahwa pelaksanaan dan hasil dari penelitian ini masih belum sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran untuk perbaikan dan pengembangan selanjutnya.
Bandung, Juni 2007
Surahmad W. Widodo
iv
DAFTAR ISI ABSTRAK
i
ABSTRACT
ii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
iii
KATA PENGANTAR
iv
DAFTAR ISI
v
DAFTAR LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR
ix
DAFTAR TABEL
xi
Bab I
Pendahuluan
1
I.1 Latar Belakang
1
I.2 Perumusan Masalah
4
I.3 Tujuan Penelitian
7
I.4 Ruang Lingkup Penelitian
7
I.5 Sistematika Tesis
8
Bab II
Tinjauan Pustaka
10
II.1 Kinerja Pabrik
10
II.1.1 Utilisasi Aset
10
II.1.2 Klasifikasi Persoalan Pabrik
13
II.1.3 Reliabilitas
16
II.1.4 Analisis Akar Persoalan
18
II.2 Manajemen Pengetahuan
19
II.3 Basis Pengetahuan
24
II.3.1 Definisi
24
II.3.2 Representasi Pengetahuan
26
II.3.3 Metode Pengembangan Basis Pengetahuan
27
II.4 Basis Pengetahuan Pada Industri Proses
Bab III
29
II.4.1 Pengetahuan Proses
29
II.4.2 Representasi Pengetahuan Proses
31
II.4.2 Aplikasi Sistem Berbasis Pengetahuan Proses
33
Metodologi Penelitian
36
v
Bab IV
III.1 Metodologi Umum
36
III.2 Pengetahuan Proses
37
III.3 Pengetahuan Heuristis
40
III.4 Studi Pengembangan Sistem Berbasis Pengetahuan
41
Pengetahuan Heuristis Sebagai Sumber Pengetahuan
43
IV.1 Pendahuluan
43
IV.2 Pengetahuan Heuristis Berdasarkan Pengalaman Internal Pabrik
Bab V
43
IV.3 Pengetahuan Heuristis Dari Eksternal Pabrik
45
IV.4 Peran Pengetahuan Heuristis Dalam Basis Pengetahuan
46
Pengetahuan Proses Pada Unit Sintesis Urea
48
V.1 Pendahuluan
48
V.2 Kesetimbangan dan Konversi Reaksi sintesis Urea
48
V.3 Parameter Proses Yang Berpengaruh Terhadap Konversi Kesetimbangan Reaksi Sintesis Urea V.4 Perhitungan Konversi Reaksi Sintesis Urea Pabrik Kaltim-1
49 53
V.5 Pengendalian Proses Pada Pengoperasian Reaktor Urea Kaltim-1
56
V.6 Aplikasi Pengetahuan Proses Sintesis Urea Sebagai Basis Pengetahuan di Pabrik Urea Bab VI
60
Formulasi Pengetahuan Melalui Simulasi Aliran Fluida Tiga Dimensi
62
VI.1 Pendahuluan
62
VI.2 Model Geometri Tray Reaktor Urea
62
VI.3 Definisi Model dan Penyelesaian dengan CFD solver
65
VI.4 Hasil Simulasi CFD
66
VI.5 Potensi Implementasi Konfigurasi Tray Baru Untuk Reaktor Urea
71
VI.6 Peran Simulasi CFD Dalam Membangun Basis Pengetahuan Proses di Pabrik Bab VII
72
Model Sistem Pakar Troubleshooting Proses Reaktor Urea
74
VII.1 Pendahuluan
74
vi
VII.2 Pengendalian Proses di Reaktor Urea
75
VII.3 Model dan Penulisan Program Sistem Pakar
77
VII.4 Hasil
79
VII.5 Alternatif Model Aplikasi Sistem dan Pengembangannya
81
Bab VIII Konsep Tahapan Pengembangan Aplikasi Sistem Pakar di Pabrik
Bab IX
Urea
84
VIII.1 Pendahuluan
84
VIII.2 Perencanaan
84
VIII.3 Akuisisi Pengetahuan
87
VIII.4 Pemrograman
90
VIII.5 Evaluasi
91
Kesimpulan dan Saran
93
IX.1
93
Kesimpulan
IX.2 Saran
94
DAFTAR PUSTAKA
95
vii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Reaksi Sintesis Urea
98
Lampiran B Skema dan Data Neraca Massa Reaktor Urea Kaltim-1
100
Lampiran C Perhitungan Konversi Reaksi Sintesis Urea
102
Lampiran D Langkah-Langkah Simulasi CFD
104
Lampiran E
Kode Program Sistem Pakar Dalam CLIPS
109
Lampiran F
Langkah-Langkah Menjalankan Sistem Pakar Dengan CLIPS
131
viii
DAFTAR GAMBAR Gambar I.1
Tren penelitian mengenai manajemen pengetahuan
2
Gambar I.2
Distribusi topik-topik penelitian bidang manajemen
3
pengetahuan Gambar I.3
Komponen pembentuk pengetahuan
5
Gambar I.4
Peranan pengetahuan pada siklus penyelesaian masalah
6
Gambar II.1
Data distribusi penyebab downtime pabrik urea Kaltim-1
15
Gambar II.2
Hirarki pengembangan reliabilitas
17
Gambar II.3
Sumber-sumber pengetahuan, proses dan hasil dari manajemen pengetahuan
21
Gambar II.4
Contoh hirarki manajemen organisasi tradisional
23
Gambar II.5
Hirarki elemen-elemen organisasi pengetahuan
24
Gambar II.6
Siklus pengembangan sistem berbasis pengetahuan
29
Gambar II.7
Diagram SDG untuk persamaan gas
32
Gambar II.8
Contoh bagian diagram alir proses di pabrik
32
Gambar II.9
Contoh representasi frame untuk reaktor
33
Gambar III.1
Metodologi formulasi sistem berbasis pengetahuan proses
37
Gambar III.2
Langkah-langkah simulasi proses
38
Gambar III.3
Langkah-langkah simulasi CFD
39
Gambar III.4
Model interaksi fluida-struktur
40
Gambar III.5
Sumber pengetahuan heuristis dari internal dan eksternal
41
Gambar III.6
Struktur aplikasi sistem berbasis pengetahuan
41
Gambar IV.1
Penyelesaian masalah melalui deep knowledge atau shallow knowledge
47
Gambar V.1
Pengaruh suhu terhadap konversi kesetimbangan
50
Gambar V.2
Pengaruh perbandingan mol H2O/CO2 terhadap konversi kesetimbangan
Gambar V.3
51
Pengaruh perbandingan mol NH3/CO2 terhadap konversi kesetimbangan
Gambar V.4
52
Skema unit proses MPCC yang menyuplai larutan karbamat ke reaktor
59
ix
Gambar VI.1
Sketsa model tray dengan spesifikasi dimensi
63
Gambar VI.2
Model mesh geometri tray reaktor urea untuk simulasi CFD
64
Gambar VI.3
Perbandingan profil arah aliran fluida dalam reaktor dari kedua tipe tray
Gambar VI.4
67
Perbandingan profil kecepatan fluida untuk kedua tipe tray reaktor
68
Gambar VI.5
Perbandingan kontur kecepatan fluida dalam tray reaktor
69
Gambar VI.6
Perbandingan kontur kecepatan fraksi volume gas
69
Gambar VI.7
Perbandingan kontur kecepatan fluida pada penampang reaktor
70
Gambar VII.1
Diagram hirarki masalah pada proses di reaktor urea
78
Gambar VII.2
Kompilasi rules pada CLIPS
79
Gambar VII.3
Tampilan menu utama program
80
Gambar VII.4
Tamplan submenu kemungkinan penyebab masalah proses hingga rekomendasi tindakan
81
Gambar VII.5
Contoh diagram struktur langkah-langkah diagnosis masalah
83
Gambar VIII.1
Blok diagram tahap-tahap pengembangan sistem pakar
85
Gambar VIII.2
Akuisisi pengetahuan untuk penyelesaian masalah proses
88
x
DAFTAR TABEL Tabel I.1
Kapasitas produksi pabrik PT. Pupuk Kalimantan Timur
1
(ton/tahun) Tabel II.1
Grup fungsional dan kategori penyebab hilang produksi
14
Tabel II.2
Pendekatan reliabilitas dari sudut pandang proses dan
16
pemeliharaan Tabel II.3
Definisi manajemen pengetahuan
20
Tabel II.4
Tahapan-tahapan pengembangan basis pengetahuan
27
Tabel V.1
Perbandingan konversi reaktor urea Kaltim-1 dari hasil perhitungan dan data perancangan
54
Tabel VI.1
Dimensi model tray reaktor urea
64
Tabel VII.1
Batasan normal operasi parameter proses di reaktor urea
76
Tabel A-1
Parameter kinetika reaksi pembentukan urea dan biuret
99
Tabel B-1
Kondisi operasi dan komposisi
xi
101
