Makalah Seminar Kerja Praktek ANALISIS LEVEL CONTROL DAN TUNING PROPORSIONAL INTEGRAL PADA COLUMN 220C102 LOC III Jusagemal Aria Endra Luthvi (L2F007042) Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang Jln. Prof. Soedharto, Tembalang, Semarang, Jawa Tengah, Indonesia e-mail:
[email protected] Abstrak PT. PERTAMINA RU IV Cilacap merupakan salah satu indutstri yang menggunakan sistem kendali otomatis dalam proses produksinya. Sistem kendali otomatis sangat diperlukan dalam operasi-operasi industri misalnya untuk pengontrolan tekanan, temperature, level, kelembapan, viskositas dan laju alir dalam proses produksi. Otomatisasi saat ini tidak hanya diperlukan sebagai pendukung keamanan operasi, faktor ekonomi maupun mutu produksi, namun telah menjadi suatu kebutuhan pokok bagi proses industri. Lube Oil Complex III (LOC III) sebagai ruang pengolahan penghasil non-BBM diharuskan mempunyai fungsi control yang handal untuk memperolah hasil non-BBM yang maksimal. Didalam LOC III terdapat column 220C102 yang merupakan tempat pemisahan fluida berdasarkan viskositasnya. Sesuai hukum fisisnya bahwa fluida dengan viskositas yang lebih tinggi akan berada pada atas fluida dengan vskositas yang lebih rendah, sehingga keduanya data dipisahan. Di dalam laporan ini akan membahas tentang tuning kontrol Proporsional Integral pada level control dengan menggunakan metode Chien-Servo 1 yang berada di column 220C102. Kata kunci: level control, tuning control Proporsional Integral, Chien-Servo 1.
I Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Sistem kendali sangat diperlukan dalam dunia industri dan memegang peranan penting untuk pengendalian proses produksi. Perkembangan system kendali saat ini dipengaruhi oleh beberapa faktor sebagai berikut: • Kebutuhan user (industri) akan teknologi yang lebih maju dan bersifat user friendly karena bertambahnya ukuran, kapasitas dan kompleksitas proses produksi. • Perkembangan teknologi elektronika dan komputerisasi yang mengarah pada penggunaan teknologi digital. PT. PERTAMINA RU IV Cilacap sebagai suatu perusahaan pengilangan di Indonesia yang mengolah minyak mentah menjadi Bahan Bakar Minyak (BBM) dan Non Bahan Bakar Minyak (NBM) merupakan salah satu indutstri yang menggunakan sistem kendali otomatis dalam proses produksinya. Sistem kendali otomatis sangat diperlukan dalam operasi-operasi industri misalnya untuk pengontrolan tekanan, temperature, level, kelembapan, viskositas dan laju alir dalam proses produksi. Otomatisasi saat ini tidak hanya diperlukan sebagai pendukung keamanan operasi, faktor ekonomi maupun mutu produksi namun telah menjadi suatu kebutuhan pokok bagi proses industri.
Lube Oil Complex III (LOC III) sebagai ruang pengolahan penghasil non-BBM diharuskan mempunyai fungsi control yang handal untuk memperolah hasil non-BBM yang maksimal. Didalam LOC III terdapat column 220C102 yang merupakan tempat pemisahan fluida berdasarkan viskositasnya. Sesuai hukum fisisnya bahwa fluida dengan viskositas yang lebih tinggi akan berada pada atas fluida dengan vskositas yang lebih rendah, sehingga keduanya data dipisahan. Di dalam laporan ini akan membahas tentang tuning kontrol Proporsional Integral pada level control dengan menggunakan metode Chien-Servo 1 yang berada di column 220C102. 1.2 Tujuan Adapun tujuan khusus dari pelaksanaan kerja praktek adalah mempelajari tuning kontrol Proporsional Integral pada level control dengan menggunakan metode Chien-Servo 1 yang berada di column 220C102 LOC III. 1.3 Pembatasan Masalah Makalah ini hanya untuk mempelajari secara khusus tentang analisis dan tuning kontrol Proporsional Integral pada level control dengan menggunakan metode Chien-Servo 1 yang berada di
Jusagemal Aria E. L. – L2F007042 Halaman 1
column 220C102 LOC III di PT PERTAMINA RU IV dan tidak mempresentasikan tentang : 1. Estimasi sistem pada level control.
untuk selanjutnya mengubah sinyal pengukuran standar yang sebanding dengan arus listrik searah 420 mA, tegangan 1-5 V atau sinyal pneumatic 3-15 psi atau 0,2-1 kg/cm².
2. Respon sistem secara meatematika dari output sistem level control. 3. Progam logika yang digunakan dalam pengontrolan sistem level control. 4. Proses fisis dan kimia pada kontrol proses level control. II 2.1
DASAR TEORI Sistem Instrumentasi Di PT PERTAMINA (Persero) RU IV Cilacap parameter utama yang selalu diukur antara lain: suhu (temperature), aliran (flow), tekanan (pressure), tinggi permukaan (level). Gabungan serta kerja alat-alat pengendalian otomatis ini dinamakan sistem pengendalian, sedangkan semua peralatan yang membentuk sistem pengendalian disebut instrumentasi sistem kendali. Fungsi instrumentasi pada suatu proses industri dapat diklasifikasikan ke dalam 4 bagian yaitu : 1.Sebagai Alat Ukur Instrument mendeteksi dan memberikan informasi tentang besarnya nilai proses variabel yang diukur dari suatu proses industri sehingga dapat dipahami (mempunyai informasi) oleh pengamat. 2. Sebagai Alat Kontrol/Pengendali Instrument berfungsi untuk mengendalikan jalannya operasi agar variabel proses yang diukur dapat diatur dan dikendalikan, tetap pada nilai yang ditentukan (set point). 3. Sebagai Alat Safety Instrument memberikan tanda bahaya atau tanda gangguan apabila terjadi trouble atau kondisi tidak normal yang diakibatkan tidak berfungsinya suatu peralatan pada proses, serta berfungsi untuk mentripkan suatu proses apabila gangguan tersebut tidak teratasi dalam jangka waktu tertentu. 4. Sebagai Alat Analisa Instrument berfungsi sebagai alat untuk menganalisa produk yang dikelola, apakah sudah memenuhi spesifikasi yang diinginkan sesuai dengan standar mengetahui polusi dari hasil buangan sisa produksi yang diproses agar tidak membahayakan dan merusak lingkungan. 2.2
Instrumentasi Pengukuran dan Transmitter Transmitter adalah individual instrument yang berfungsi mengukur nilai flow, level, pressure
Gambar 2.1 Level Transmitter yang digunakan di LOCIII
2.3
Sistem Single Control Single control adalah loop instrumen yang terdiri dari suatu satu transmitter, satu controller, dan sebuah final control element. Tujuannya adalah untuk mendapatkan stabilitas dari output proses yang dikontrol. Contohnya pada vessel seperti digambarkan di bawah ini:
Gambar 2.2 Struktur Single Control
Pada pengukuran level dilakukan oleh transmitter (LT), selnjutnya output LT dikirim ke level indicator controller (LIC) sebagai measured variable. Harga level yang dikehendaki dinyatakan sebagai set point pada kontroler LIC. Dari perbandingan kedua harga tersebut, LIC mengeluarkan sinyal output untuk mengatur bukaan control valve sehingga didapatkan level yang diinginkan. 2.4
Kontrol Valve
Valve adalah suatu peralatan mekanis yang melaksanakan suatu akasi untuk mengontrol atau memberikan efek terhadap suatu aliran fluida di dalam suatu sistem perpipaan atau peralatan. Fungsi valve dapat dibedakan menjadi : 1. Mengalirkan atau menghentikan aliran (on-off) 2. Mengatur variasi kecepatan aliran (regulating) 3. Mengatur aliran hanya pada suatu aliran saja (checking)
4. Merubah/memindahkan aliran pada line pipa yang berbeda (switching) 5. Melepas aliran dari system ke atmosfer (discharging) Control valve adalah jenis final control element yang paling umum dipakai untuk sistem pengendalian proses, sehingga orang cenderung mengartikan final control element sebagai control valve. Aksi kontrol pada control valve ini dibedakan menjadi 2, yaitu : • Air To Close / ATC: apabila mendapat signal input, maka control valve akan menutup. Semakin besar signalinput yang diterima maka semakin besar pula gerakan stem kebawah. • Air To Open / ATO: apabila mendapat signal input, maka controlvalve akan membuka. Semakin besar signal input yang diterima maka semakin besar pula gerakan stem keatas.
dengan short residu untuk dijadikan sebagai bahan baku aspalt bahan. Pelarut propane yang sudah dipakai akan direcovery, yang selanjutnya akan digunakan kembali dalam proses ekstraksi PDU III.
PDU III bertujuan memisahkan aspalt dari short residu agar produk memiliki pour point yang dikehendaki. Proses deasphalting ini dilakukan melalui proses ekstraksi dengan propane sebagai solvent. Adapun spesifikasi umpan dan produknya adalah sebagai berikut : Tabel 3.1 Spesifikasi Umpan PDU III
Sifat-sifat Umpan
Short Residu
SG 70/40C, cSt
0,98
Viscosity 1000C, cSt
830-890
0
Viscosity 125 C, cSt
225
Sulphur, %wt
4,3
Tabel 3.2 Spesifikasi Produk PDU III
Sifat-Sifat Produk
DAO
Propane Asphalt
0
(a) Gambar 2.3
III.
(b) (a) Control Valve aksi ATO (b) Control Valve aksi ATC
LEVEL CONTROL DAN TUNING PROPORSIONAL INTEGRAL PADA 220C102 3.1 PENGENALAN UMUM LOC III Proses pengolahan di LOC III ini meliputi pengolahan secara fisis dan kimiawi. Proses pengolahan secara fisis terjadi pada Propane Deaspalting Unit dan MEK Dewaxing Unit, sedangkan proses pengolahan secara kimiawi terjadi pada Hydro Treating Unit. Pada makalah ini akan dibahas pengolahan pada Propane Deaspalting Unit. Propane Deasphalting Unit dirancang untuk memisahkan kandungan aspalt yang terdapat dalam short residu. Proses pemisahan dilakukan dengan cara ekstraksi menggunakan propane sebagai pelarut. Ekstraksi secara berlawanan arah di dalam Rotating Disc Contactor (RDC) dan panas yang diperlukan untuk menguapkan propane mengggunakan sirkulasi minyak panas (hot oil). Produk ini adalah Deasphalted Oil (DAO) dan produk samping berupa Propane Asphalt. Untuk DAO akan diolah lebih lanjut di Furfural Extraction Unit III (FEU III), sedangkan propane asphalt akan dicampur
SG 70/4 C, cSt
0,9
1,03
Viscosity 1000C, cSt
41 – 44
12500
Viscosity 800C, cSt
87
-
Flash Point PMCC, 0C
290
-
Pour Point, 0C
50
-
Conradson Carbon, %wt
3,0
-
Sulphur, %wt
2,4
5,3
Softening Point
-
63
Penetrasi pada 250C, 0,1 mm
-
11
Proses yang terjadi ini dibagi menjadi 3 seksi, yaitu seksi ekstraksi, recovery, dan sirkulasi solvent. Pada saat ekstraksi umpan yang berupa short residu dicampur dengan sedikit propane sebagai pelarutan awal (predillution). Kemudian umpan tersebut didinginkan hingga mencapai temperature ekstraksi yang dibutuhkan. Pada seksi recovery fase DAO yang mengandung 90% berat propane keluar dari bagian atas RDC dan masuk ke evaporator. Di evaporator ini propane diuapkan seketika dalam dua stage pada level temperature yang berbeda. Pada sirkulasi solvent Propane yang telah diuapkan dari evaporator dan flash column bertekan tinggi dikondensasi dengan water condenser dan ditampung dalam propane accumulator. Propane
yang bercampur dengan steam yang berasal dari kedua kolom stripper dilewatkan ke heat exchanger. Steam yang terkondensasi aakan ditampung dalam vessel. Sedangkan propane dikompresi dengan reciprocating compressor dan dikembalikan pada sistem bertekanan tinggi. 3.2
ANALISIS LEVEL CONTROL DAN TUNING PI PADA 220C102 Pada control level 220C102, digunakan konfigurasi control single control. Single control adalah loop instrumen yang terdiri dari suatu satu transmitter, satu controller, dan sebuah final control element. Tujuannya adalah untuk mendapatkan stabilitas dari output proses yang dikontrol.
Setelah dilakukan pengamatan, ternyata overshoot yang ditimbulkan kecil sehingga metode yang didekati adalah Chien-Servo 1. Berikut adalah tabel perhitungan parameter PI dari metode Chien-Servo: Tabel 3.3 Perhitungan Parameter PI dari Metode Chien Servo
PI
Metode
Kp
Chien –
0.35T /
servo 1
K.L
Chien –
0.6T /
servo 2
K.L
Ti
Keterangan 0% overshoot –
1.17T
0.11 < L/T < 1.0 20% overshoot
T
– 0.11 < L/T <1.0
Keterangan : Kp : gain proporsional (penguatan proporsional) Ti : time integral (waktu integral) K : gain statis proses T : konstanta waktu proses (menit) L : keterlambatan transportasi proses (menit)
Gambar 3.1 Tampilan Loop Control Level Column 220C102 pada monitor DCS
Seperti pada gambar di atas pengontrolan level pada column 220C102 memiliki masukan dari 220E107. Output dari 220E107 ini tidak dikontrol flow nya sehingga jika terjadi perubahan pada output dari 220E107, hanya bisa di control level nya melalui output dari column 220C102. Pada saat terjadi perubahan level maka level transmitter (220LT-003) akan memberikan sinyal perbedaan pressure yang kemudian di ubah oleh transducer menjadi sinyal elektrik. Sinyal elektrik ini menjadi inputan dari controller 220LIC-003. Kontroler 220LIC-003 ini kemudian diteruskan ke transducer untuk diubah menjadi sinyal pneumatic. Sinyal pneumatic inilah yang berfungsi untuk mengatur perubahan bukaan valve. Pada output dari column 220C102 juga terdapat 220FI-007. Pada saat terjadi perubahan flow maka flow transmitter (220FT-007) akan memberikan sinyal yang kemudian di ubah oleh transducer menjadi sinyal elektrik. Sinyal elektrik ini menjadi inputan dari indicator 220FI-007. Perbedaan antara 220LIC-003 dan 220FI-007 yaitu 220LIC-003 merupakan indicator dan controller, sedangkan 220FI-007 merupakan sebuah indicator saja. Karena pada pengontrolan level ini set point nya sering diubah-ubah sesuai dengan kebutuhan, maka disini diterapkan metode Chien-Servo.
Berdasarkan data yang diperoleh pada saat pengamatan selama 4 menit dengan waktu pengamatan sekitar 4 detik sekali di control room LOC III, maka dapat dibuat tabel seperti di bawah ini : Tabel 3.4 Pengamatan Output dan Process variable selama 4 menit
Dari tabel di atas dapat dibuat grafik hubungan OP (output) dengan Time dan PV (Process variable) dengan Time. Berikut adalah
dibuat grafik hubungan PV (Process variable) dengan Time.
• •
•
Gambar 3.2 Grafik Hubungan PV dan Time
Berdasarkan grafik hubungan PV (Process Variable) dengan Time di atas, maka dapat diketahui PV0 bernilai sekitar 33,4, PV1 bernilai sekitar 40, dan set point bernilai 40 dimana PV0 adalah nilai process variable (output proses) sebelum set point dinaikkan dan PV1 adalah nilai process variable (output proses) setelah mencapai set point. Sehingga dapat dihitung selisih antara PV0 dan PV1 atau PV = PV1 – PV0 = 40 – 33,4 = 6,6. Sedangkan gambar di bawah ini adalah grafik hubungan OP (output) dengan Time.
•
Keterlambatan waktu proses: L = 20 detik = 0,33 menit. Artinya, proses mulai menanggapi perubahan sinyal CO setelah 0,33 menit berlalu. Gain statis proses: P V1 − P 0V 4 V− 3 ,04 63,6 ∆P K= = = = = 1,0 ∆C C 1O− C 0O 2 O − 2 ,58 61,5 Konstanta waktu proses adalah waktu yang diperlukan sehingga perubahan output proses PV bernilai 63% dari nilai awal steady-nya: PV63% = 63%. ∆PV + PV0 = 63%. 6,6 + 33,4 = 37,6. Berdasarkan grafik, terlihat bahwa nilai 37,6 ini dicapai dalam selang waktu kurang lebih 84 detik atau 1,4 menit sehingga dengan demikian konstanta waktu proses tersebut adalah 1,4 menit. Setelah diketahui konstanta waktu proses dan juga keterlambatan waktu proses, maka dapat diketahui perbandingannya. L/T = 0,33/1,4 = 0,24 Karena perbandingan L/T sebesar 0,24 maka memenuhi syarat metode tuning chien-servo I yang berkisar antara 0.11 < L/T < 1.0.
Karena sistem level control ini merupakan FOPDT, maka dengan diketahui nilai K, L, dan T maka dapat dibuat fungsi alihnya : K = 1,02 L = 0,33 menit T = 1,4 menit
H (s) =
Gambar 3.3 Grafik Hubungan CO dan Time
Berdasarkan grafik hubungan CO (Controller Output) dengan Time di atas, maka dapat diketahui CO0 bernilai sekitar 21,5% dan CO1 bernilai sekitar 28%, dimana CO0 adalah nilai controller output (input proses) sebelum set point dinaikkan dan CO1 adalah nilai controller output (input proses) setelah mencapai set point. Sehingga dapat dihitung selisih antara CO0 dan CO1 atau CO = CO1 – CO0 = 28 – 21,5 = 6,5%. Dari kedua grafik diatas, dapat diketahui bahwa overshoot tidak begitu besar atau sangat kecil maka dipilih metode tuning PI chien-servo I yang memiliki syarat 0% overshoot. Sedangkan nilai L/T yang harus dipenuhi sebesar 0.11 < L/T < 1.0. Syarat ini telah terpenuhi semuanya karena besar L/T berkisar antara 0.11 < L/T < 1.0. Berdasarkan dua grafik di atas, dapat diketahui :
p (s) v K 1,0 2 e −L = s e −0,3 = c (s) o T + 1 s 1,4 s + 1
s
Untuk semua keadaan awal yang sama, nilai PV pada keadaan steady baru jika operator menaikkan sinyal nominal dari 28% menjadi 35% adalah sebagai berikut : K = 1,02 CO1 = 35% CO0 = 21,5% PV0 = 33,4
K= Atau
∆P ∆C
VP = OC
−VP OC 1 − 1
0
V
0
PV1 = K(CO1 – CO0) + PV0 PV1 = 1,06 (35 – 21,5) + 33,4 PV1 = 47,7 Jadi, jika operator menaikkan output kontroler dari 21,5% menjadi 35% maka output proses (PV) akan naik dari 33,4 menjadi 47,7. Untuk semua keadaan awal yang sama, nilai output kontroler pada keadaan steady baru sehingga nilai process variable (PV) bernilai 70 adalah sebagai berikut : K = 1,02 PV1 = 70 PV0 = 33,4
CO0 = 21,5% ∆P K= ∆C
VP = OC
VP 1 − OC 1 −
0
V
0
−VP 0 V =O 1 +C 0 K 7 −03 ,43 O = + 2 ,51 1,0 2
control level column 220C102 diperoleh nilai Kp sebesar 1,46 dan nilai Ti sebesar 1,64.
P
C
1
C
1
C 1O= 3 ,59 + 2 ,15 C O1 = 5 7,4 Jadi, jika diinginkan PV (process variable) sebesar 70, maka controller output harus dinaikkan menjadi 57,4%. Setelah diketahui nilai parameter-parameter K, T, dan L maka dapat dilanjutkan dengan tuning Proporsional Integral dengan metode Chien-Servo I sebagaimana dengan rumus berikut ini: Diketahui nilai K = 1,02 L = 0,33 menit T = 1,4 menit Maka Kp = 0,35 T / K.L Kp = 0,35 . 1,4 / 1,02 . 0,33 Kp = 1,46 dan Ti = 1,17 T Ti = 1,17 1,4 Ti = 1,64 Berikut ini adalah diagram blok secara lengkap : B
BIOGRAFI Jusagemal Aria Endra Luthvi L2F007042, dilahirkan di Semarang, 25 Juli 1989. Jenjang edukasi ditempuh dari SD Islam Hidayatullah, SMP Negeri 21 Semarang, SMA Negeri 3 Semarang dan sekarang sedang menempuh studi S1 di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Konsentrasi Kontrol. Motto nya adalah “Usaha yang keras akan mempengaruhi takdir seseorang” dan hobi nya adalah bermain futsal dan game. Semarang, Maret 2011 Mengetahui dan mengesahkan, Dosen Pembimbing
Sumardi, ST. MT NIP. 19681111 199412 1 001 Gambar 4.13 Diagram blok lengkap plant control level pada column 220C102 Gambar 3.4 Diagram blok lengkap plant control level pada column 220C102
IV. KESIMPULAN 1. Control level pada 220C102 mempunyai satu loop pengontrolan yaitu pengontrolan level fluida. 2. Berdasarkan data-data yang diperoleh pada saat pengamatan, maka didapatkan keterlambatan waktu proses: L = 20 detik = 0,33 menit, gain statis proses: K = 1,02, konstanta waktu proses: T = 1,4 menit. 3. Metode tuning yang cocok pada plant control level column 220C102 adalah metode chien-servo I karena titik kerja yang sering mengalami perubahan dan overshoot yang sangat kecil. 4. Dari perhitungan di atas, maka berdasarkan metode chien-servo I kontroler Proporsional Integral (PI) pada plant
