PERANCANGAN SISTEM CONTROL LEVEL DAN PRESSURE PADA BOILER DI WORKSHOP INSTRUMENTASI BERBASIS DCS CENTUM CS3000 YOKOGAWA
Oleh : Awal Mu’amar 2404 100 030 Pembimbing : Hendra Cordova ST, MT Fitri Adi Iskandarianto ST, MT JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
Latar Belakang Boiler adalah sebuah bejana tertutup yang digunakan untuk memisahkan fluida antara fase gas (steam) dan fase cair (air). Distributed Control System (DCS) adalah sistem kontrol yang terdistribusi atau terbagi-bagi. Pada penggunaan DCS sebagai sistem kontrol, fungsi kontrol proses didistribusikan pada beberapa lokal kontrol yang menangani proses yang berbeda-beda. CENTUM CS 3000 adalah salah satu DCS yang terbaru keluaran dari PT.Yokogawa Indonesia.
Permasalahan Bagaimana merancang sebuah sistem control level dan pressure pada boiler di workshop intrumentasi berbasis DCS CENTUM CS3000 Yokogawa
Batasan Masalah Boiler yang digunakan adalah boiler pada miniplant di Workshop Instrumentasi Variable yang dikontrol adalah level dan pressure dari steam drum boiler Sinyal input berasal dari sensor yang ada pada plant Software yang digunakan adalah CENTUM CS3000 Yokogawa
Tujuan Penelitian Merancang sebuah sistem control level dan pressure pada boiler di Workshop Instrumentasi berbasis DCS CENTUM CS3000 Yokogawa
Metodologi Penelitian
Proses and Flow Diagram Miniplant Boiler di Workshop Intrumentasi
Miniplant Boiler di Workshop Intrumentasi
Superheater
Steam Drum
Economizer Wall Tube
Distributed Control System (DCS)
DCS CENTUM CS 3000 Yokogawa
FCS FIO RIO ENG
: Field Control Station : Field Network Input/Output : Remote Input/Output : Engineering PC
R(s)
+
-
FeedBack
Controller
P E(s)
I
++ +
m(s)
D
Transfer Function PID controller dalam domain S dapat dinyatakan sebagai berikut :
Gc( s) K p
Ki Kd s s
Dengan Kp, Ki , dan Kd masing – masing adalah gain P, I, dan D. Bentuk diatas dapat pula ditulis dalam bentuk lain, sebagai berikut :
1 Gc( s ) Kp1 Td s Ti s Bila dinyatakan dalam domain waktu (t), PID controller dapat ditulis :
1 d Gc(t ) K p e(t ) e(t )dt Td e(t ) dt Ti
Diagram Blok Sistem te xt
Input SP
Controller
Final Control Element
Plant
Output
Level
te xt
Input SP
Controller
Final Control Element
Presure
Output Plant
F2
Sistem Pengendalian Level
Steam h(t) F1 F2 h(t) (meter) LT PID
Water
: Flow Air masuk (m3/s) : Flow Steam Keluar (m3/s) : Tinggi permukaan air : Level Transmiter : Controller
L T
PI D
F1
A3 A1 A2 H (s) F (s) P(s) Q2 (s) s 1 s 1 s 1
Pemodelan Sensor Level
LL ( s ) 72.72 I L ( s ) 0 .2 s 1 Pemodelan Level
Pemodelan Control Valve
GCV
1.024 11.13s 1
Sistem Pengendalian Pressure PT
PID
q1
h(t)
Steam Water pembakaran
q1 : Flow kerosin/bahan bakar masuk (m3/s) q2 : Flow air masuk (m3/s) h(t) : Tinggi permukaan air (meter) PT : Pressure Transmiter PID: Controller
w
q2
KP P( s ) Q1 ( s ) Q2 ( s ) Cs k Q2 Cs k Q2
Pemodelan Sensor Pressure Pemodelan Control Valve
LL ( s ) 1.067 I L ( s ) 0 .2 s 1
Pemodelan Pressure
GCV
0.06 23.85s 1
Pemodelan Sistem Pengendalian Level dan Pressure
Control Drawing Sistem Tampilan Human Interface Station Tuning Controller PI Ziegler Nichols
PID Ziegler Nichols
Tuning Trial Eror
Pengujian Uji Step Sistem Pengendalian Level Uji Tracking setpoint
Pressure Uji Tracking setpoint
Uji Penambahan Load
Uji Penambahan Load
Uji Pengurangan Load
Uji Pengurangan Load
Tampilan HMI Control PID
KESIMPULAN 1. 2.
3.
Telah Dirancang sebuah sistem pengendalian level dan pressure pada boiler di workshop Instrumentasi menggunakan DCS CENTUM CS3000 Yokogawa Perancangan Sistem control pada boiler mendapatkan nilai Gain dari hasil Trial Eror : KP = 0,33 , TI = 9 , dan TD = 4 untuk Level KP = 0,5 , TI = 10 , dan TD = 0 untuk pressure Pengendalian Level :
Uji Step waktu 58 detik dan overshoot 7,7% Uji Tracking setpoint waktu 37 detik Uji Penambahan Load waktu 86 detik Uji Pengurangan Load waktu 45 detik
4. Pengendalian Pressure :
Uji Step waktu 52 detik dan overshoot 6,25% Uji Tracking setpoint waktu 30 detik Uji Penambahan Load waktu 69 detik Uji Pengurangan Load waktu 65 detik
SARAN
Sistem pengendalian Temperatur dan Flow dari boiler dapat dijadikan topik pada penelitian berikutnya. Untuk Mahasiswa Teknik Fisika khususnya dapat dikembangkan dengan melakukan interfacing langsung (online) dengan real plant.
Terima Kasih
Tuning PI Ziegler Nichols
Level Pressure
PB 15,1 % 2,4 %
Ti 20 s 20 s
Tuning PID Ziegler Nichols PB Level 11,3 % Pressure 1,8 %
Ti 12 s 12 s
Td 3s 3s
Tuning Trial Eror Level Pressure
PB 300 % 200 %
Ti 9s 10 s
Td 4s -
Uji Step Sistem Pengendalian
Uji Traking Set Point Level
Uji Traking Set Point Pressure
Uji Penambahan Load 2% level
Uji Pengurangan Load 2% level
Uji Penambahan Load 0,7% Pressure
Uji Pengurangan Load 0,7% Pressure
Level
Pressure
Pu
24
24
Pbu
6.8
1.1
Tuning Controller
C PI PID
PI
PBU/0.45
Pu/1.2
-
PID
PBU/0.6
Pu/2
Pu/8
Level P I 15.11111 20 11.33333 12
D 3
PI PID
Pressure P 2.444444 1.833333
I D 20 12 3
Pemodelan matematis pengendalian level dm(t ) w q1 (t ) v q2 (t ) dt dm dt ρw ρv q1 q2
……..(1)
: Perubahan Massa air (m3) : Perubahan waktu (sekon) : Massa jenis air (kg/m3) : Massa jenis uap air (kg/m3) : Flow air masuk (m3/s) : Flow Uap Air keluar (m3/s)
Jika m= ρ Vw dan d Vw = L dA maka menjadi : w LdA(t )
dt
w q1 (t ) v q2 (t ) …..(2)
Aliran air yang lewat control valve : P(t ) q1 (t ) C v f (t ) SG
……..(3)
Substitusi persamaan menjadi : P1 (t ) w gh(t ) P2 dA w LD wCv f (t ) v q2 (t ) ……..(4) SG dt
Disederhanakan menjadi :
dH H A1 F A2 P A3Q2 dt Dimana : 0.82 LD A 1 K2wg
……..(5)
0.024 1 A3 A2 K2wg K2wg wg K1
Hasil transformasi Laplace menjadi :
A3 A1 A2 F ( s) P( s) Q2 ( s ) H ( s) s 1 s 1 s 1
Pemodelan Sensor Level Sensor Menggunakan DP Transmitter. Inputan = 22 cm / 0,22 M Outputan elektrik = 4-20 mA
20 4 mA mA GL 72,72 0 , 22 Meter Meter Span masukan (meter ) Span keluaran (mA )
Fungsi transfer Transmitter
LL ( s) GL I L ( s) Tc ( s) 1
GL : gain transmitte Tc : time constant transmitter
LL ( s ) 72.72 I L ( s ) 0 .2 s 1
Pemodelan Control Valve Karena boiler yang digunakan Orde satu maka fungsi transfer adalah :
G cv
KC Tcv s 1
GCV
Kcv : gain control valve Tcv : time constant control valve (11,13 detik)
K CV
1.024 11.13s 1
cm2 5.46 s perubahan tekanan masukan laju aliran maksimum
Span output (kg / cm 2 ) Kg 0.1875 GT Span input (mA) cm 2 mA
KC GT .KCV
Kg 0.1875 x 5.46 1.024 s.mA
Pemodelan Level
Pemodelan matematis pengendalian pressure
dP (t ) C w q1 (t ) v q2 (t ) dt C dP dt q1 q2 ρw ρv
……..(7)
: kapasitansi tangki : Perubahan Tekanan steam (kg/m2) : Perubahan waktu (sekon) : Flow air masuk (m3/s) : Flow uap air keluar (m3/s) : Massa jenis air (kg/m3) : Massa jenis uap air (kg/m3)
MP Dimana : v RT dP (t ) MP C w q1 (t ) q2 (t ) dt RT
……..(8)
Persamaan (8) dilinierkan menjadi :
dP (t ) M w q1 (t ) ( Pq2 (t ) q2 P (t )) C RT dt
M Misalkan : K RT Hasil transformasi Laplace menjadi :
w
KP P( s ) Q1 ( s ) Q2 ( s ) Cs k Q2 Cs k Q2
Pemodelan Sensor Pressure Inputan = 15 bar / 15 Kg/cm2 Outputan elektrik = 4-20 mA
(20 4)mA mA GP 1.067 2 2 kg / cm (15)kg / cm Fungsi transfer Transmitter
LL ( s) GL I L ( s) Tc ( s) 1
GL : gain transmitte Tc : time constant transmitter
LL ( s ) 1.067 I L ( s ) 0 .2 s 1
Pemodelan Control Valve Karena boiler yang digunakan Orde satu maka fungsi transfer adalah :
G cv
KC Tcv s 1
GCV
0.06 23.85s 1
Kcv : gain control valve Tcv : time constant control valve (23.85 detik)
K CV
laju aliran maksimum
cm 0.323 s perubahan tekanan masukan
2
Span output (kg / cm 2 ) Kg 0.1875 GT Span input (mA) cm 2 mA
KC GT .KCV
Kg 0.1875 x 0.323 0.06 s.mA
Pemodelan Pressure
Sistem Pengendalian Level 0.035 0.613 C1 ( s ) 1.024 0.1533 0.19 s 1 2.78 s 1 M 1 ( s ) 11.13s 1 0.19 s 1 1 .6 s 2 . 78 1
1.024 0.1533 0.056 s 0.02 C1(s) 2 M1(s) 11.13 s 1 0.19 s 1 0.848 s 4.752 s 1.6
Sistem Pengendalian Pressure 1 .6 C 2 (s) 0 .122 M 2 ( s ) 23 .85 s 1 2 .78 s 1
0 .613 0 .035 2 .78 s 1 0 .19 s 1 0 .1533 0 .19 s 1
0.122 1.6 0.0038s 0.002 C2(s) 2 M2(s) 23.85 s 1 2.78 s 1 0.08 s 0.46 s 0.1533
