Makalah Seminar Kerja Praktek PROSES KENDALI LEVEL PADA AMMONIA FLASH TANK (204 KK) DAN ELEMENELEMEN PENGENDALI DI DALAMNYA Bayu Gigih Prasetyo (L2F008014) Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang Jln. Prof. Soedharto, Tembalang, Semarang, Jawa Tengah, Indonesia Email:
[email protected] ,
[email protected] Abstrak PT. Multi Nitrotama Kimia (MNK) merupakan indutstri bahan baku bahan peledak (ammonium nitrat) yang menggunakan sistem kendali otomatis dalam proses produksinya. Sistem kendali otomatis sangat diperlukan dalam operasi-operasi industri misalnya untuk pengontrolan tekanan, temperature, level, kadar pH, 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. Ammonium nitrat merupakan bahan baku bahan peledak. Dalam proses produksi ammonium nitrat terdapat 2 plant utama yaitu NA plant dan AN plant. NA plant merupakan plant untuk produksi nitrit acid (asam nitrat). Sedangkan AN plant merupakan plant untuk produksi ammonium nitrat yang merupakan lanjutan dari NA plant. Pengendalian level tangki 204KK merupakan proses paling awal pada AN plant. Dalam laporan ini akan dibahas mengenai sistem kendali dan instrumentasi pada pengendalian level tangki 204KK. Kata kunci: cascade control, level control, flow control
I. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Sistem kendali sangat diperlukan dalam dunia industri terutama industri pengolahan bahan baku yang mengandalkan kontrol proses.Perkembangan system kendali saat ini dipengaruhi oleh beberapa faktor sebagai berikut: Kebutuhan industri akan teknologi yang lebih maju dan mudah dioperasikan, karena bertambahnya ukuran, kapasitas dan kompleksitas proses produksi. Perkembangan teknologi DCS pada sistem skala besar dan sistem instrumentasi yang mengarah pada pengendalian kontrol proses. PT. Multi Nitrotama Kimia (MNK) Cikampek sebagai suatu industri pengolahan bahan baku (ammonium nitrat) merupakan salah satu indutstri yang menggunakan sistem kendali otomatis dalam proses produksinya. Sistem kendali otomatis sangat diperlukan dalam operasioperasi 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. Dalam proses produksi ammonium nitrat terdapat 2 plant utama yaitu NA (Nitric Acid) plant dan AN (Ammonium Nitrat) plant. NA plant merupakan plant untuk produksi nitrit acid (asam nitrat). Sedangkan AN plant merupakan plant
untuk produksi ammonium nitrat yang merupakan lanjutan dari NA plant. Pengendalian level tangki 204KK merupakan proses paling awal pada AN plant. Terdapat elemen-elemen pengendali atau sistem instrumentasi yang berperan dalam pengaturan level. 1.2
Tujuan Tujuan dari kerja praktek ini adalah untuk mempelajari secara khusus mengenai proses level control pada ammonia flash tank (204KK) di PT. MNK dan sistem instrumentasi di dalamnya.
1.3
Pembatasan Masalah Makalah ini hanya untuk mempelajari secara khusus mempelajari proses level control pada ammonia flash tank (204KK) di PT. MNK Cikampek dan sistem instrumentasi di dalamnya tidak mempresentasikan tentang :
1. Estimasi pemodelan dan respon sistem pada kendali level 2. Metode tuning yang digunakan 3. Pemorgraman DCS pada loop kendali level 4. Installasi dan kalibrasi pada instrumentasinya 5. Kegagalan dan penanganan dalam proses kendali 6. Sistem interlock dan safety 7. Teknologi DCS secara detail. 8. Sistem ketenagaan (power supply)
II. Dasar Teori 2.1 Sistem Instumentasi Secara definisi ada yang memberikan pernyatan mengenai pengertian dari instrumentasi yang berbunyi “Instrumentation is technology of using instrument device to measure and to control phsical and chemical properties material”, yang artinya instrumentasi adalah suatu teknologi dalam menggunakan alat/instrumen untuk mengukur dan mengendalikan sifat-sifat fisis dan kimia dari suatu bahan. Dari definisi tersebut jelas bahwa dalam instrumentasi terdapat dua kegiatan yang merupakan prinsip dasar instrumentasi yaitu mengukur dan mengendalikan. Di mana kualitas hasil pengukuran akan sangat menentukan hasil dari pengendalian. Di PT MULTI NITROTAMA KIMIA Cikampek, 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. 2.2 Istilah Dalam Instrumentasi Beberapa istilah yang sering digunakan di dalam bidang pengendalian proses antara lain, yaitu: 1. Pengendalian Adalah pekerjaan dengan tujuan utama membuat agar sesuatu yang dapat keluaran disini adalah besaran output dari suatu proses yang bisa terukur dan bisa disebut dengan variabel proses. 2. Proses Adalah rangkaian peralatan yang mempunyai suatu fungsi tertentu. Dan masing-masing mempunyai perilaku dan dinamika yang berlainan. Tergantung karakteristik elemenelemen yang dimiliki. 3. Set point Adalah nilai acuan yang diberikan oleh operator, dengan tujuan agar variable proses selalu berusaha menyamakan ke nilai tersebut. 4. Controller variable Adalah besaran proses yang dikendalikan. Besaran ini diukur dari kondisi atau hasil proses, sehingga disebut juga process variable. 5. Manipulated Variable Adalah variable masukan suatu proses atau keluaran dari pengendali yang besarnya dapat berubah-ubah (dimanipulasi) agar keluaran proses sama besarnya dengan acuannya (set point).
6. Disturbance (gangguan proses) Merupakan besaran yang tidak kita kehendaki, yang dapat menyebabkan berubahnya keluaran proses pada kondisi set point tetap. Istilah gangguan ini biasa disebut dengan load atau beban. 7. Sensing Element Bagian ini biasa disebut dengan sensor atau primary element. Elemen ini merupakan bagian ujung paling depan pada suatu sistem pengukuran yang fungsinya mengubah besaran-besaran fisik menjadi besaran lainnya. Contoh : thermocouple, orifice, dll. 8. Transmitter Adalah alat yang berfungsi untuk membaca sinyal sensing elemen, dan mengubahnya menjadi sinyal yang dapat dimengerti oleh controller. 9. Tranducer Adalah alat pengubah sinyal, biasanya rancu dengan istilah transmitter. Transducer disini digunakan untuk mengartikan sebagai alat pengubah dari besaran satu ke besaran lainnya. Contoh : I/P transducer adalah alat pengubah dari besaran arus listrik ke tekanan udara, yang merupakan kelengkapan sebuah control valve. 10. Control Valve Adalah alat untuk mengatur besaran proses dengan cara membuka atau menutup dengan menggunakan penggerak angin instrument atau elektrik yang diatur controller. Untuk control valve dengan penggerak angin instrument ada dua jenis control valve yaitu ATO/FC (Air To Open/Failure Close) dan ATC/FO(Air To Close/Failure Open). 11. Positioner Alat ini berfungsi sebagai buffer atau penguat agar kerja dari control valve lebih cepat. 2.3 Sinyal Instrumentasi Di dalam ilmu instrumentasi industri dikenal istilah sinyal. Sinyal yaitu besaran yang saling menghubungkan suatu instrumen dengan instrumen lainnya. Sinyal tersebut bisa berupa sinyal keluaran maupun masukan dari instrumeninstrumen pengukuran, instrumen pengendali, maupun instrumen pengendali akhir. Sistem transmisi dapat berupa sinyal pneumatik dan sinyal elektrik. Adapun sinyal –sinyal tersebut memiliki standar yang digunakan di dunia internasional. Sinyal pneumatik standar instrumentasi yaitu sebesar 3-15 psi atau 0.2-1 kg/cm2. Sementara sinyal elektrik standar instrumentasi yaitu sebesar 1-5 VDC atau 4-20 mA. Sinyal
inilah yang biasanya dipergunakan dalam suatu instrumen, baik sebagai masukan dari instrumen maupun sebaiga keluaran dari instrumen tersebut. Di dalam instrumentasi juga dikenal konversi sinyal. Konversi sinyal yaitu mengubah suatu sinyal ke dalam sinyal yang lain yang dapat dimengerti oleh alat instrumen itu sendiri, alat itu disebut converter, namun dalam instrumen dikenal dengan sebutan transducer. Alat ini bisa berupa pengubah sinyal pneumatik ke sinyal elektrik atau biasa disebut P to I (P/I) Transducer. Sebaliknya alat yang mengubah sinyal elektrik ke sinyal pneumatik disebut I to P (I/P) Transducer. III. Proses Kendali Level Ammonia Flash Tank (204 KK) dan Elemen-elemen Pengendali di Dalamnya Pada tahapanya operasi pembuatan ammonium nitrat terbagi atas 2 tahap, yaitu: 1. Tahap operasi basah (wet section) 2. Tahap operasi kering (dry section) Proses yang menjadi bahan laporan ini merupakan tahap awal dari wet section yaitu tahap pembentukan ammonia cair menjadi ammonnia gas. Ammonia di sini merupakan ammonia yang masih dalam keadaan cair dengan konsentrasi 99.7% yang kemudian dilewatkan ke alat penguap untuk diubah menjadi ammonia gas dengan merubah fasanya, caranya dengan melewatkan ammonia liquid pada komponen penguap yang disebut vaporizer. Serangkaian proses penguapan ini terdiri atas dua tahap yaitu pada ammonia flash tank (204KK) dan ammonia vaporizer (203KE). Ammonia flash tank (204KK) berfungsi sebagai penampung sementara awal ammonia cair dengan konsentrasi 99.7%. Pada tahap awal ini merupakan tahap yang cukup penting dalam pengubahan ammonia cair yang akan diubah ke dalam bentuk gas dengan konsentrasi 99.9%. Dengan bantuan flash tank atau penampung sementara ammonia cair dari ammonia storage tank (151KK) yang kemudian dipompakan ke ammonia vaporizer (203KE). Dari vaporizer terbentuklah gas ammonia dengan konsentrasi 99.9%. Gas tersebut dimasukkan ke dalam pipe reactor (206KK) yang kemudian diolah untuk mencapai karakteristik standar yang dibutuhkan untuk dapat dijadikan ammonium nitrat. Agar suplai ammonia cair ke ammonia vaporizer (203KE) tetap stabil, dipasang loop level control untuk menstabilkan proses di ammonia vaporizer (203KE). Loop level control terpasang pada tangki ammonia flash tank (204KK).
Gambar 3.1 Loop level
IV. Elemen-Elemen Yang Berada Pada Loop Level (LIC 201) Di dalam suatu pengendalian tersebut digambarkan terdapat blok-blok bagian penting yang berfungsi antara lain control unit atau controller lalu measuring drive unit atau final control element serta measuring element dan transmitter yang masing-masing mempunyai fungsi yang berbeda-beda dan bekerjasama untuk bisa mendapatkan hasil pengukuran yang sama dan meminimalisir errror. 4.1 Sensing Element Sensing element pada pengendalian level ini adalah sensor perbedaan tekanan (differential pressure sensor) dengan seri DPharp (Differntial Pressure high accuracy resonant pressure) produksi dari YOKOGAWA.
Gambar 4.1 Konstruksi Dpharp Sensor
Inti dari Dpharp adalah dua resonator bentuk H. Terletak pada sensor itu sendiri, dua jembatan beresonansi pada frekuensi alaminya yaitu 90 kHz yang membuat sensor tetap stabil untuk periode waktu yang lama. Kapan pun tekanan terdeteksi, tekanan tersebut memaksa pusat jembatan menjadi menegang dan jembatan terluar menjadi mengendur. Hasilnya frekuensi resonansi berubah, yang satu bertambah dan yang lainnya berkurang. Sebuah mikroprosesor menghitung perbedaan perubahan pada frekuensi resonansi yang sebanding dengan tekanan yang diterapkan. 4.2 Transmitter Level transmitter adalah perangkat instrumen yang digunakan untuk mengirimkan arus sinyal ke
DCS (DistributedControlSystem) atau ke kontroler, keluaran yang dikirimkan biasanya berupa arus sebesar 4-20 mA. Transmitter yang digunakan pada pengendalian level pada ammonia flash tank (204KK) adalah differential pressure transmitter model EJA110A buatan YOKOGAWA. Pada transmitter ini terdapat sensor tekanan Dpharp seperti yang telah dijelaskan di atas.
Gambar 4.2 Differeential transmitter
Transmitter ini dapat digunakan pada industri minyak dan gas, pertambangan, kimia, pembangkit, besi dan baja. Kemampuan differential pressure transmitter model EJA110A dapat digunakan untuk mengukur cairan, gas, aliran steam sebaik ketinggian cairan, densitas dan tekanan. Transmitter ini memiliki sinyal output 4-20 mA DC berdasarkan beda tekanan yang terukur. Tabel 4.1 Spesifikasi Differential transmitter Instrument type Manufacturer
Differential transmitter (electric) YOKOGAWA ELECTRIC CORPORATION EJA110-DM54B-82DB/XI/D4/T02/Z F570 FC 267 3 valve manifold
Model/ Type No Serial No Accessory Calibration Details Input 0-1250 mmH2O Output 4-20 mA Indication 0-100% linear Supply voltage 24 VDC 2 wire system 1. Digital Manometer 2655-12 Test Tool Used 2. Digital Multimeter 7544-01
Tabel 4.2 Kalibrasi Transmitter Input (%) 0 50 100 100 50 0
Actual input mmH2O 0.00 625.00 1250.00 1250.00 625.00 0.00
Output mA
Indication
DCS reading
4.003 11.999 20.004 20.004 12.000 4.007
0.0 50.0 100.00 100.00 49.90 0.0
0.0 49.0 100.1 100.1 50.0 0.1
4.3
Control Station Sinyal-sinyal yang datang dari transmitter, dapat berupa sinyal analog (4-20 mA) dan digital (on-off) di proses dalam control room. Di control room terdapat beberapa station yaitu: Analog I/O Station Kabinet analog ini berfungsi sebagai penerima sinyal analog dari field (lapangan) sebagai input dan juga pengirim sinyal analog ke field (lapangan) sebagai output. Sinyal analog di sini adalah sinyal standar 420 mA. Digital I/O Station Kabinet digital ini berfungsi sebagai penerima sinyal digital dari lapangan (field) sebagai input dan juga pengirim sinyal digital ke lapangan (field) sebagai output. Sinyal digital adalah sinyal on-off yang bisa berupa relay. Sinyal digital di sini di bagi menjadi 2 yaitu: Wet contact Wet contact adalah metode memutus dan menyambung sinyal tanpa contactor. Dalam kasus ini menyambung adalah mengirimkan sinyal 24 V DC dan memutus adalah mengirimkan sinyal 0 V DC. Dry contact Dry contact adalah metode memutus dan menyambung sinyal dengan menggunakan contactor. Kelebihan dari metode ini adalah bisa memutus dan menyambungkan sinyal dengan bermacam-macam variasi tegangan. Field Control Station (FCS) FCS yang digunakan adalah model CENTUM CS 1000 diproduksi oleh YOKOGAWA. FCS terhubung ke FCS lain dan ke human interface station (HIS) dan station lainya dan juga gateways melalui Vlnet. Komunikasi melalui Vlnet memungkinkan database FCS didownload dan bermacam-macam penyetelan FCS dapat dilakukan dan dibaca pada sebuah HIS. FCS juga memungkinkan sebuah HIS memberitahukan alarm. FCS dilengkapi dengan jumlah modul input/output (I/O) yang berbeda yang menghubungkan ke berbagai sinyal input/output analog dan digital. Sinyal tersebut diperoleh modul I/O sebagai input processing, perhitungan kontrol, operasi logic, dan output processing sebelum dikeluarkan dari I/O modul FCS. 4.4 Valve Positioner Valve positioner yang dipakai pada loop level ammonia flash tank (204KK) adalah Model
YVP110 FOUNDATION fieldbusTM. Beberapa aplikasi, tekanan 0.2 – 1 bar pada ruangan diapraghm tidaklah cukup untuk menangani gesekan dan perbedaan tekanan yang tinggi. Kontrol tekanan yang lebih tinggi dan pegas yang lebih kuat dapat digunakan, tapi pada praktiknya solusinya adalah dengan positioner. Positioner biasanya dipasang pada yoke atau pilar aktuator, dan dihubungkan ke gelendong aktuator dengan lengan feedback untuk mengetahui posisi valve. Positioner memerlukan tekanan yang tinggi untuk mengatur posisi valve. Positioner pada loop level ammonia flash tank (204 KK) ini memiliki supply sebesar 280 Kpa dan outputnya 80 – 200 Kpa. Positioner YVP110 meminimalkan keterlambatan transmisi (transmission lag), menambah karakteristik valve dan responyya dan mengurangi efek variasi aliran tekanan.
Gambar 4.3 Valve Positioner
Control Valve
4.5
Final control element pada loop level ammonia flash tank adalah control valve tipe globe valve model 3889 produksi MOTOYAMA. Mempunyai gerakan stem dan plug yang bergerak throttle pada 0 – 100% dengan aksi failure close/ Air to Open (ATO) dan karakteristik linear. Untuk input control valve ini di desain menggunakan input range sebesar 240 Kpa atau 12 – 30 psi dengan bukaan valve 0 – 100%. Karena aliran fluida (ammonia cair) yang dipompa dari pump 151KH A/B alirannya sangat cepat, maka digunakan input besar untuk menanggulangi lag time proses.
Gambar 4.4 Control Valve
Tabel 4.3 Spesifikasi Control Valve Type of Valve Air Failure Action Manufacturer Model/ Type No Serial No Calibration Details Input Rate travel (mm) Stem travel speed (sec) Supply voltage for solenoid Test Tool Used
Globe type Close MOTOYAMA ENG.WORKS.LTD 3889 578647 DC 4-20 mA 15 Open to close 2.1 Close to open 4.05 AC 110 V, 50 Hz ALTEK 134
Tabel 4.4 Kalibrasi Control Valve Input (%) 0 50 100 50 0
Actual input mA 0 4 12 20 12 4 0
Opening
Remarks
No move 0% 50% 100% 50% 0% No move
No move Full close Full open Full close No move
V. Kesimpulan 1. Proses kontrol level pada ammonia flash tank (204 KK) merupakan proses awal pembentukan ammonium nitrat pada wet section. 2. Tujuan kontrol level pada ammonia flash tank (204 KK) adalah untuk mengatur masuknya aliran ammonia cair dari ammonia storage tank (151KK) secara stabil agar pengolahan pembentukan konsentrasi tidak terus bercampur dengan volume fluida yang baru. 3. Pembacaan level pada ammonia flash tank (204 KK) dilakukan dengan differential pressure transmitter tipe EJA110 produksi YOKOGAWA. 4. Perhitungan level diperoleh dari perbedaan tekanan high dan low pada pembacaan differential pressure transmitter. 5. Perhitungan dan aksi kontrol dilakukan oleh control station dan ditampilkan pada human interface station (HIS). 6. Aktuator pada kontrol level pada ammonia flash tank (204 KK) adalah globe valve singgle seat produksi MOTOYAMA. 7. Untuk mengetahui posisi valve digunakan alat bantu yang disebut valve positioner yang dipasang pada yoke globe valve. 8. Valve positioner juga berfungsi untuk menambah kepresisian posisi valve dan mengurangi waktu keterlambatan.
Biografi Bayu Gigih Prasetyo dilahirkan di Bawen, 3 November 1990. Jenjang edukasi ditempuh dari TK Assalamah Ambarawa, SD N 1 Bawen, SLTP N 2 Ambarawa, SMA N 1 Salatiga dan sekarang sedang menempuh studi S1 di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Konsentrasi Kontrol. “Just trying to the best” Semarang, Oktober 2011 Mengetahui dan mengesahkan, Dosen Pembimbing
Iwan Setiawan, ST. MT NIP.197309262000121001
