PERANCANGAN SISTEM CONTROL LEVEL DAN PRESSURE PADA BOILER DI WORKSHOP INTRUMENTASI BERBASIS DCS CENTUM CS3000 YOKOGAWA ( Awal Mu’amar , Hendra Cordova, Fitri Adi) Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp : +6231-5947188 Fax : +6231-5923626 E-mail :
[email protected]
Abstrak Boiler adalah sebuah bejana tertutup yang digunakan untuk memisahkan fluida antara fase gas (uap) dan fase cair (air). Fase gas dimanfaatkan oleh turbin agar dapat memutar rotor dari generator dan menghasilkan tenaga listrik. Dalam boiler terdapat dua variable proses yang saling berpengaruh yaitu level air dan tekanan uap. Level air dan tekanan uap yang akan dikendalikan berada pada steam drum. Dalam tugas akhir ini akan dirancang suatu pengendalian level dan pressure dengan menggunakan DCS (Distributed control system) CENTUM CS3000 Yokogawa. Pengendalian level dan pressure bersifat MIMO (Multi input-multi output) yang masing-masing variable berpengaruh terhadap variable yang lain agar dapat dikendalikan secara optimal. Pada perancangan didapatkan gain KP = 0,33 , TI = 9 , dan TD = 4 untuk pengendalian level dan KP = 0,5 , TI = 10s untuk pengendalian pressure. Untuk level respon step 58 detik dan maksimum overshoot 7,7 %. Untuk Pressure respon step 52 detik dan maksimum overshoot 6,25 %. Kata kunci: Boiler, Pengendalian Level, Pengendalian Pressure, DCS set point, bukaan atau tutupan control valve, melalui Human Interface Station (HIS). Permasalahan yang timbul pada tugas akhir ini adalah bagaimana merancang sebuah sistem control level dan pressure pada boiler di Workshop Instrumentasi berbasis DCS CENTUM CS3000 Yokogawa. Tujuan yang ingin dicapai dari tugas akhir ini adalah merancang suatu sistem control level dan pressure pada boiler di Workshop Instrumentasi berbasis DCS CENTUM CS3000 Yokogawa. Batasan permasalahan yang diperlukan dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut : • Boiler yang digunakan adalah boiler pada mini plant di Workshop Intrumentasi. • Variabel yang dikontrol adalah level dan pressure pada boiler. • Sinyal input berasal dari keluaran langsung sensor yang ada pada boiler. • Software yang digunakan adalah CENTUM CS3000 Yokogawa.
1. Pendahuluan Boiler secara umum terdiri dari beberapa sistem, diantaranya adalah sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar yang terintegrasi menjadi satu kesatuan. Sistem air umpan berfungsi sebagai penyedia air untuk boiler yang bekerja secara otomatis sesuai kebutuhan steam dan kemampuan dari boiler itu sendiri. Sedangkan sistem steam berfungsi sebagai penyedia uap air untuk proses pada plant yang lain. Pressure yang dihasilkan oleh boiler dipengaruhi oleh sistem bahan bakar dan kondisi level air yang terdapat di dalam boiler. Agar tercipta kondisi ideal dibutuhkan sistem kontrol yang sesuai untuk mengendalikan level dan pressure pada boiler. Miniplant boiler yang ada di Workshop Instrumentasi adalah suatu sistem pengendalian yang tergabung dalam suatu loop sistem. Sudah ada penelitian sebelumnya yang mengkaji miniplant boiler tentang rancang bangun sistem pengendalian miniplant boiler yang ada di Workshop Instrumentasi khususnya pada Local Control Unit (LCU) level dan Local Control Unit (LCU) pressure. Pada penelitian ini akan dirancang sebuah simulasi miniplant boiler yang berada di Workshop Instrumentasi dengan menggunakan Distributed Control System (DCS) CENTUM CS3000 Yokogawa yang dititik beratkan pada sistem pengendalian level dan sistem pengendalian pressure. Dimana fungsinya adalah untuk mengetahui kinerja proses pada plant melalui Human Machine Interface (HMI) dan dapat mengatur
2. Teori Penunjang 2.1 Mini Plant Mini Plant adalah sebuah pembangkit listrik tenaga uap berskala mini yang ditujukan untuk bahan peraga studi (Tugas Akhir) dan bukan untuk kepentingan komersial. Bagian – bagian dari mini plant itu sendiri adalah Steam Generator (Boiler) dan Sistem Bahan Bakar.
1
2.2 Boiler Boiler adalah bejana tertutup yang terdiri atas sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Panas pembakaran dari sistem bahan bakar dialirkan ke air sampai terbentuk air panas hingga air menghasilkan uap air atau steam. Uap air atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan steam ke suatu proses lainnya. Air adalah media yang digunakan oleh boiler untuk melakukan proses penguapan disamping itu harganya juga murah dan steam dari boiler dapat digunakan pada proses yang lain. Oleh sebab itu boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan harus dijaga dengan baik agar tetap menghasilkan tenaga yang dibutuhkan. Bagian – bagian dari Boiler adalah Feed Water Pump, Economizer, Steam drum, Wall tube dan Super heater.
2.4 Sistem Pengendalian Level pada Boiler Steam Drum Variabel dinamik yang harus dicontrol pada Boiler Steam Drum agar proses pemisahan dapat berlangsung secara optimal adalah level fluida cair di dalam Steam Drum. Level fluida yang terlalu tinggi akan menyebabkan fluida gas (steam) yang dihasilkan akan mengandung uap air sehingga akan membahayakan proses berikutnya disamping itu juga akan menyebabkan kerusakan pada pipa – pipa yang ada di dalam boiler. Sebaliknya bila level fluida terlalu rendah maka akan menghasilkan fluida gas (steam) yang terlalu kering sehingga steam yang dihasilkan tidak akan mampu memutar turbin secara maksimal. 2.5 Pengendalian Pressure pada Boiler
2.3 Algoritma Controller PID Controller PID merupakan algoritma control konvensional yang banyak digunakan dalam berbagai unit pengendalian proses karena mempunyai struktur yang relatif sederhana dan performansi yang baik pada daerah operasi yang luas. Controller PID merupakan kombinasi dari 3 pengendali yaitu : Pengendali Proportional, Pengendali Integral dan Pengendali Derivative yang disusun secara paralel sebagaimana ditunjukkan pada gambar 3. Ketiga jenis pengendali ini memberikan respon yang berbeda – beda pada proses orde satu, proses orde dua dan proses orde banyak. Ketiga jenis pengendali ini masing – masing mempunyai kelebihan dan kekurangan. Pengendali Proportional masih meninggalkan offset, hal ini disebabkan oleh sifat dasar pengendali proportional yang masih tetap membentuk error untuk menghasilkan output. Oleh karena itu untuk menghilangkan offset diperlukan pengendali lain yang dapat menghasilkan output walaupun sudah tidak ada lagi input. Sifat unik inilah yang hanya dimiliki oleh pengendali integral, tetapi kemampuan pengendali integral menghilangkan offset tidak disertai dengan kemampuan bereaksi secara cepat, kelemahan ini semakin nyata kalau pengendali tersebut digunakan untuk elemen proses temperatur. Untuk mempercepat kemampuan bereaksi maka diperlukan pengendali derivative, sehingga kekurangan yang ada pada pengendali integral dapat ditutupi. Jadi ketiga mode pengendali Proportional, Integral dan Derivative masing – masing berguna untuk mempercepat reaksi sistem, menghilangkan offset dan mendapatkan energi ekstra di saat – saat awal perubahan load.
Gambar 2 Skema pengendalian pressure pada boiler Adapun model matematis boiler akan dapat dicari dengan menggunakan persamaan hukum kesetimbangan energi:
Gambar 3 Proses Pada Boiler •
•
+
FeedBack
-
E(s)
I
•
Pada keadaan perubahan temperatur mendekati nol maka: • d(∆T) ⎛ • • ⎞ ⎛• • ⎞ =⎜mu −mus⎟cuTu +⎜mb−mbs⎟HHV−mg cg (Tg −Tgs) ...(2) dt ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
ρVc
•
mus = laju aliran massa udara pada saat
Dimana :
steady •
P R(s)
•
E st = E in + E g − Eout .........................(1)
m bs = laju aliran massa bahan bakar saat ++ +
m(s)
Tgs
D
Gambar 1 Diagram blok controller PID
2
steady = temperature gas pembakaran saat steady
2.6 Distributed Control System (DCS) DCS merupakan sistem kontrol yang mampu menghimpun (mengakuisisi) data dari lapangan dan memutuskan akan dikontrol berdasarkan data tersebut, secara singkat DCS -> ambil/baca data + lakukan pengontrolan berdasar data tersebut. Data-data yang telah diakuisisi (diperoleh) dari lapangan bisa disimpan untuk rekaman atau keperluan-keperluan masa datang, atau digunakan dalam proses-proses saat itu juga, atau bisa juga, digabung dengan data-data dari bagian lain proses, untuk kontrol lajutan dari proses yang bersangkutan.
Gambar 6 Metodologi Penelitian 3.1 Diagram Blok Sistem Diagram blok sistem untuk pengendalian level air pada steam drum boiler dapat ditunjukkan pada gambar seperti dibawah ini:
Gambar 4 Struktur Distributed Control System 2.7 DCS CENTUM CS 3000 Yokogawa CENTUM CS3000 adalah salah satu produk Control System unggulan PT.Yokogawa Indonesia. Sebagai solusi baru yang ditawarkan PT.Yokogawa Indonesia bagi masalah teknologi suatu perusahaan, Centum CS3000 dilengkapi kemampuan untuk mengintegrasikan kebutuhan perusahaan di level manejemen sampai kepada level teknis di lapangan, seperti kondisi dan performa field instrument. Mempunyai fasilitas open interface, membuat CS3000 berbeda dari sekedar Distributed Control Sistem (DCS). Dahulu DCS digunakan untuk mengoptimasi plant dalam basis “standalone”. Tetapi sekarang melalui teknologi yang dimiliki oleh Centum CS3000, membuat permintaan optimasi plant dari ERP (Enterprise Resource Planning) atau MES (Manufacturing Execution Sistem) menjadi nyata. Berikut adalah konfigurasi dari Centum CS3000 :
Gambar 7 Diagram blok sistem pengendalian level Sedangkan diagram blok sistem untuk pengendalian pressure steam pada boiler dapat ditunjukkan pada gambar seperti dibawah ini:
Gambar 8 Diagram blok sistem pengendalian Pressure 3.2 Perancangan Simulasi Boiler Berdasarkan PFD Pada proses perancangan simulasi boiler pada workshop instrumentasi digunakan PFD ( Process and Flow Diagram ) sebagai acuan. Berikut ini PFD dari boiler di workshop instrumentasi :
Gambar 5 Arsitektur Centum CS3000 Series 3. Metodologi Penelitian Adapun tahapan - tahapan dalam menyelesaikan penelitian ini adalah sebagai berikut:
Gambar 9 PFD dari sistem boiler 3.3 Pemodelan Matematis Level Pengendalian level air pada steam drum boiler ini harus dijaga konstan pada ketinggian tertentu. Bila
3
ketinggian level air pada steam drum terlalu rendah (Low Water) atau terlalu tinggi (High Water), maka sistem akan mengalami kondisi trip, yaitu suatu kondisi yang memerlukan penghentian beroperasi sampai kondisi dari level di steam drum bisa terjaga konstan mendekati set point. Biasanya pada kondisi ini membutuhkan restart ulang agar sistem bisa berjalan secara normal. Dibawah ini adalah gambar dari pengendalian level pada steam drum :
P(s) =
ρw Cs + k Q2
Q1 ( s) −
KP Q2 ( s) ………(4) Cs + k Q2
3.5 Sensor dan Transmitter 3.5.1 Sensor dan Transmitter Level Jenis transmitter yang digunakan adalah differensial pressure transmitter. Transmitter ini bekerja dalam range 0-220 mm (0,2 meter) dan keluarannya adalah sinyal listrik dengan range 4-20 mA. Gain dari transmitter ini adalah : GL =
Span keluaran (mA)
....(5)
Span masukan (meter )
Dengan memasukkan data dari transmitter level maka didapat : GL = 72,72 mA/m Gambar 10 Sistem pengendalian level pada steam drum
Sedangkan untuk mendapatkan fungsi transfer dari transmitter level ini digunakan persamaan :
3
: flow air masuk (m /s) F1 F2 : flow steam Keluar (m3/s) h(t) : tinggi permukaan air (meter) LT : Level Transmiter PID : controller Hasil akhir dari pemodelan sistem pengendalian level adalah :
Dimana :
LL ( s) GL …………….(6) = I L ( s) Tc ( s) + 1
dimana :
GL : gain transmitter Tc : time constant transmitter Time constant dari transmitter ini adalah 0,2 detik, maka fungsi transfer transmitter level adalah : LL ( s ) 72.72 = I L ( s ) 0.2 s + 1 3.5.2 Sensor dan Transmitter Tekanan Transmitter ini bekerja pada range 0 – 15 kg/cm2 dengan keluaran sinyal elektrik sebesar 4 – 20 mA. Dengan menggunakan persamaan (5) maka gain transmitter adalah : GP = 1,067 kg/(cm2 mA) Transmitter ini mempunyai time konstan sebesar 0.2 detik, maka fungsi transfernya adalah :
A A1 A F ( s ) − 2 P( s ) − 3 Q2 ( s ) ....(3) τs + 1 τs + 1 τs + 1 3.4 Pemodelan Matematis Pressure Pengendalian Pressure steam pada boiler ini harus dijaga konstan sesuai dengan kebutuhan. Bila tekanan uap pada steam drum kurang maka akan menyebabkan daya untuk menggerakkan turbin menjadi lemah dan biasanya uap dari steam drum yang bertekanan lemah masih membawa kandungan air sehingga akan menimbulkan korosi pada turbin. Sebaliknya apabila tekanan uap dari steam drum terlalu besar maka turbin akan berputar terlalu cepat bahkan turbin bisa pecah oleh tekanan uap steam drum yang berlebihan. Dibawah ini adalah gambar dari pengendalian pressure steam drum : H (s) =
Pp ( s ) I p ( s)
=
1.067 0 .2 s + 1
3.6 Elemen Pengendali Akhir 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. Control valve yang digunakan pada pengendalian mempunyai karakteristik linear trim. Fungsi tranfer dari control valve dapat dinyatakan dalam orde satu sebagai berikut :
Gambar 11 Sistem pengendalian pressure pada steam drum Dimana :F1 : flow kerosin/bahan bakar masuk (m3/s) F2 : flow air masuk (m3/s) F2 : flow steam keluar (m3/s) h(t) : tinggi permukaan air (meter) PT : Pressure Transmiter PID : Controller Hasil akhir dari pemodelan sistem pengendalian tekanan adalah :
Gcv =
dimana :
KC Tcv s + 1
…………….(7)
Kcv : gain control valve Tcv : time constant control valve Gain control valve didefinisikan sebagai perbandingan antara besarnya perubahan flow terhadap besarnya bukaan control valve. Adapun persamaan gain control valve dengan karakteristik linear adalah :
4
K CV =
Dari pemodelan setiap sistem diatas, maka didapatkan diagram blok sistem pengendalian pada setiap variabel proses (level dan tekanan) adalah sebagai berikut : • Untuk sistem pengendalian level :
laju aliran maksimum ………(8) perubahan tekanan masukan
Dari penelitian di lapangan diperoleh data sebagai berikut : • Untuk control valve feedwater : Aliran maksimum : 182 t/h (50.55 kg/s) Aliran minimum : 123 t/h (34.16 kg/s) Sehingga KCV = 5,46 cm2/s Gain transduser (I/P) diperoleh dengan 2 persamaan : GT = Span output (kg / cm ) ….(9)
Gambar 12 Diagram blok sistem pengendalian level
Span input (mA)
2
GT = 0,1875 kg/(cm mA) Maka Gain total dari control valve diperoleh dengan persamaan : KV = GT .K CV ………….(10) K V = 1.024 •
•
kg s.mA
Untuk control valve aliran steam : Aliran maksimum : 25 t/h (6.94 kg/s) Aliran minimum : 18 t/h (5 kg/s) Sehingga K = (6.94 − 5) kg / s = 0.323 cm 2 / s CV
Gambar 13 Diagram blok sistem pengendalian tekanan Dari pemodelan yang dilakukan pada setiap setiap instrumen didapatkan diagram blok sistem pengendalian level dan Pressure pada drum bertekanan tinggi. Dari masing-masing diagram blok terdapat persamaan yaitu terdapatnya variable inputan dari Q2. Dari diagram blok ini dapat diketahui bahwa kedua proses pengendalian ini saling mempengaruhi satu sama lain. Interaksi antara kedua variabel tersebut (level dan Pressure), dapat digabungkan menjadi sistem MIMO (Multi Input-Multi Output) yang dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
(6 − 0) kg / cm 2
Gain transduser (I/P) : GT = 0.1875 kg /(cm 2 mA) Maka Gain totalnya adalah : K V = 0.1875
kg cm 2 kg × = 0.06 0 . 323 2 s s.mA cm .mA
Konstanta waktu dari control valve diperoleh berdasarkan waktu stroke, perubahan fraksional terhadap bukaan valve dan perbandingan konstanta waktu pada stroking time valve yang mempunyai hubungan sebagai berikut : TCV = TV (∆V + R) ………..(11) Dimana : TCV : konstanta waktu (time constant) control valve. TV : time stroke skala penuh (8 detik untuk level dan 6 detik untuk pressure). ∆V : fraksi perubahan posisi control valve. R : Perbandingan konstanta pada stroking time valve (untuk diafragma adalah 0,03 dan untuk piston adalah 0,3). Dari persamaan diatas dan dengan memasukkan data plant yang ada, maka didapat time constant control valve sebesar 11.13 detik untuk sistem pengendalian level dan 23.85 detik untuk sistem pengendalian tekanan.Maka dengan memasukkan data-data diatas didapat fungsi transfer dari control valve : • Untuk sistem pengendalian level
GCV = •
Gambar 14 Sistem pengendalian level dan Pressure Pada diagram blok diatas terdapat dua inputan set point yang masing-masing mengendalikan level dan Pressure dari steam drum. Terdapat dua Gain Q2 yang saling berinteraksi dari pengendalian level outputan dari control valve memberi pengaruh pada proses pressure dengan outputan Q2, begitu pula sebaliknya. Hal ini menyebabkan kinerja proses menjadi lebih sempurna, karena satu sama lain saling berpengaruh dalam mencapai nilai set point yang diharapkan.
1.024 11.13s + 1
Untuk sistem pengendalian tekanan
GCV =
Untuk sistem pengendalain tekanan :
0.122 23.85s + 1 5
mempunyai nilai 1 bar, 3 bar, 6 bar dan 8 bar. Data-data ini nantinya akan dipergunakan sebagai acuan untuk merancang simulasi dari boiler.
3.7 Simulasi dan Pengendalian Pada tahap ini dibuat simulasi menggunakan DCS Centum Yokogawa CS3000 dari mini plant boiler di workshop instrumentasi berdasarkan PFD dan hasil dari pemodelan pengendalian level serta pengendalian pressure. Berikut ini adalah hasil dari simulasi yang telah dirancang :
4.2 Simulasi dan Pengendalian Pada tahap ini akan dirancang simulasi boiler menggunakan DCS Centum CS3000 Yokogawa berdasarkan data karakteristik plant boiler yang berada di workshop instrumentasi dan berdasarkan pada PFD dari boiler itu sendiri. Setelah simulasi dirancang maka akan dicari nilai PID yang terbaik dengan menggunakan system trial and eror. Perancangan simulasinya dapat dilihat dari gambar dibawah ini.
Gambar 15 Simulasi boiler menggunakan DCS Centum CS3000 Yokogawa Gambar diatas adalah tampilan utama dari perancangan yang telah dilakukan. Dari tampilan utama ini user dapat mengatur nilai-nilai yang ingin dimasukkan. Misalnya seperti nilai set point (SV), beban plant (load). 3.8 Analisa Data dan Pengujian Simulasi Pada analisa data, dilakukan pembahasan mengenai data-data yang diperoleh dari simulasi yaitu meliputi data hasil pengukuran pressure dan data hasil pengukuran level. Pada proses analisa data ini, akan dilakukan pencarian nilai PID dengan system trial and eror dari simulasi untuk mendapatkan kondisi terbaik pada saat diberi beban pada plant (load) serta akan dianalisa hasil pengujian simulasi yaitu berupa uji masukan respon step, uji tracking set point, dan uji beban untuk mendapatkan hasil yang maksimal. 3.9 Kesimpulan dan Saran Pada tahap kesimpulan dan saran ini akan diambil suatu langkah penyimpulan yang mengacu pada analisa dari seluruh rangakaian penelitian yang telah dilakukan sehingga pada akhirnya dapat dibuat suatu rekomendasi dan saran yang dapat digunakan untuk pengembangan penelitian berikutnya.
Gambar 16 Control Drawing pada DCS CENTUM Keterangan : LC0001=PC0001 : Controller LCV0001=PCV0001 : Final Control Element L0001=P0001 : Calculation LP0001=PP0001 : Proses PLANT-L=PLANT-P : Plant LT0001=PT0001 : Transmitter PP=LP : Variable Indicator LOAD-LP=LOAD-PP : Load Plant ADDP=ADDL : Suming point
4. Simulasi dan Analisa Data 4.1 Data Plant dari Boiler Pada pengambilan data plant boiler di workshop instrumentasi didapatkan data berdasarkan karakteristik dari plant tersebut. Pada input boiler terdapat dua inputan yaitu air (water) yang menggunakan pompa dengan tekanan ± 3 bar dan bahan bakar dari boiler itu sendiri yang berupa minyak tanah (kerosin). Pada output boiler terdapat dua outputan yang berupa ketinggian level yang mempunyai nilai 0 cm, 10 cm, 12 cm, 18 cm 20 cm dan 22 cm serta pressure dari steam yang
4.3 Data Simulasi Pada simulasi yang telah dirancang akan didapatkan data SH (scale-high), HH (high-high), PH (high-limit), PL (low-limit), LL (low-low), dan SL (scale low). Berdasarkan simulasi apabila data yang diperoleh pada range diantara PH dan PL maka kondisi plant dikatakan tidak berbahaya, sedangkan apabila data yang diperoleh berada diatas nilai HH dan kurang dari nilai LL maka dapat dikatakan kondisi plant berbahaya (plant dalam kondisi mati). Berikut ini data yang diperoleh dari hasil simulasi adalah sebagai berikut :
6
Table 3 Hasil tuning PID Ziegler Nichols PB Ti Td Level 11,3 % 12 s 3s Pressure 1,8 % 12 s 3s
Tabel 1 Data simulasi
4.4 Tuning Paramater PID Pengendalian level dan pressure dengan menggunakan controller PID perlu diketahui nilai gain Kp, Ti ,dan Td nya. ada beberapa cara dalam mencari nilai PID. Pada penelitian kali ini menggunakan 2 cara, yaitu dengan cara Trial eror dan menggunakan metode Zigler Nichols. Zigler Nichols adalah suatu cara yang dilakukan seorang engineer dalam mencari nilai parameter PID. Cara mencari nilai-nilai parameter PIDnya adalah dengan langkah-langkah berikut : 1. Meletakkan sistem pada posisi manual. 2. Mengatur nilai parameter PID pada posisi default 3. Mengatur set point (SV) tepat pada 50% dari set point maksimal 4. Mengatur nilai proses variable (PV) agar sama dengan set point 5. Meletakkan sistem pada posisi otomatis dan mengamati grafik sampai ber-osilasi dan mendapatkan nilai amplitude yang sama 6. Setalah mendapatkan nilai amplitude yang sama, dicatat besarnya amplitude (PBU) dan lama waktu antara amplitude tertinggi yang satu dengan yang berikutnya (PB) Trial eror merupakan salah satu cara untuk mencari nilai parameter PID yaitu dengan mencoba berulang kali merubah nilai-nilai parameter agar menemukan nilai yang terbaik. Cara ini biasanya digunakan sebagai alternatif terakhir apabila cara yang lain tidak dapat memenuhi target yang diinginkan. Nilai yang didapatkan dari metode Ziegler Nichols untuk level PBU = 6,8cm dan nilai PU = 24s, sedangkan untuk pressure PBU = 1,1cm dan nilai PU = 24s. Berikut hasil dari kedua metode tersebut : Table 2 Hasil tuning PI Ziegler Nichols PB Ti Level 15,1 % 20 s Pressure 2,4 % 20 s
Gambar 18 Hasil Tuning PID Ziegler Nichols Table 4 Hasil tuning Trial Eror Ti PB Level 300 % 9s Pressure 200 % 10 s
Td 4s -
Gambar 19 Hasil Tuning PID Trial Eror 4.5 Pengujian Pengendali PID Penyajian hasil simulasi ditampilkan dalam bentuk grafik respon keluaran sistem, sinyal keluaran kontroller dan prosentase error. Sistem yang telah dirancang diuji dengan lima pengujian, yaitu uji respon masukan step, uji tracking setpoint, dan uji beban.
Gambar 17 Hasil Tuning PI Ziegler Nichols
7
•
Uji Respon Masukan Step Pada uji ini kondisi sistem ideal tanpa adanya gangguan diberikan masukan step (tangga satuan) dengan setpoint yang sesuai dengan kondisi operasi normal sistem yang diinginkan.
•
Uji Tracking Setpoint Uji ini digunakan untuk mengetahui sejauh mana kemampuan pengendali dalam mengatasi kondisi pada saat diberikan gangguan internal berupa perubahan setpoint.
•
Uji Beban Pada uji ini, sistem yang dirancang diberi nilai setpoint tetap dan diberi gangguan. Pada pengujian ini dilakukan penambahan aliran menuju drum dalam satuan persen, sehingga nantinya level air dalam drum bertambah.
cm untuk level dapat dilihat pada garis yang berwarna biru dan 6 bar untuk pressure dapat dilihat pada garis yang berwarna hijau. Perubahan kenaikan level air dan pressure uap pada drum memiliki kecepatan yang tergantung dari nilai PID yang di masukkan ke dalam controller. Pada gambar diatas dapat ditunjukkan bahwa PV menempuh nilai set point dari keadaan awal selama 58 detik untuk level dan 52 detik untuk Pressure. Sedangkan SV (set-point) yang diatur sama dengan real plant yaitu bernilai 15 cm untuk level pada grafik dapat dilihat pada garis merah dan 6 bar untuk pressure pada garis ungu. 2. Uji 2 : Uji Tracking Setpoint Pada simulasi ini setpoint awal level diatur pada ketinggian 17 cm, setpoint ke dua sebesar 13 cm dan setpoint ke tiga sebesar 15 cm. Hasil simulasi ditunjukkan pada gambar dibawah ini :
Gambar 20 Diagram blok sistem pengendalian level dengan uji load
Gambar 21 Diagram blok sistem pengendalian pressure dengan uji load Pada pengujian untuk sistem level setelah terjadi penambahan aliran flow menuju drum yang mengakibatkan level drum bertambah, pengendali akan mengirim sinyal kontrol ke kontrol valve feed water yang akan memperkecil bukaan valve sehingga level dapat dipertahankan level pada kondisi normalnya. Pada pengujian untuk sistem tekanan setelah terjadi penambahan tekanan karena level drum bertambah, pengendali akan mengirim sinyal kontrol ke kontrol valve steam line yang akan memperbesar bukaan valve sehingga tekanan dalam drum akan terkendali, apabila terjadi penurunan tekanan maka bukaan kontrol valve akan berkurang dengan begitu tekanan yang keluar dari drum tetap terjaga pada kondisi normalnya.
Gambar 23 Tampilan uji tracking setpoint sistem pengendalian level Pada hasil uji tracking setpoint pada pengendalian level dapat dilihat pada gambar 8. Dimana PV (process value) bergerak menuju keatas dengan selisih 2 cm dapat dilihat pada garis yang berwarna biru. Perubahan kenaikan level air pada drum menempuh nilai set point dari keadaan sebelumnya rata-rata 37 detik. Pada hasil uji tracking setpoint dapat dilihat PV (process value) level ditunjukkan oleh garis yang berwarna biru, SV (set-point value) level ditunjukkan oleh garis yang berwarna merah. Dari gambar diatas dapat dilihat hubungan antara perubahan level yang berpengaruh pada perubahan pressure. Perubahan nilai PV (process value) pressure ditunjukkan oleh garis yang berwarna hijau, dan SV (set-point value) pressure yang tetap ditunjukkan oleh garis yang berwarna ungu.
4.5.1 Pengujian Sistem Pengendali 1. Uji 1 : Uji Respon Masukan Step Pada pengujian respon step ini diberikan nilai setpoint level sebesar 15 cm dan pressure sebesar 6 bar. Setpoint ini merupakan set point yang sesuai dengan kondisi operasi normal sistem yang diinginkan di real plant. Nilai parameter yang digunakan adalah PB = 300% I = 9s D = 4s untuk level dan sedangkan pada pressure adalah PB = 200% I = 1s. Berikut ini adalah gambar hasil dari pengujian step.
Gambar 22 Hasil tampilan uji step pada sistem Pada hasil uji step dapat dilihat pada gambar 7. Dimana PV (process value) bergerak menuju angka 15
Gambar 24 Tampilan uji tracking setpoint sistem pengendalian Pressure
8
PV untuk pressure juga berubah. Nilai PV level dapat dilihat pada garis yang berwarna biru dan PV pressure pada garis berwarna hijau. Penambahan dan pengurangan load ini mengganggu nilai set point dan kontroler mengatur agar set point dapat tercapai kembali. Untuk penambahan load pada level membutuhkan waktu selama 86 detik dan 66 detik pada pressure. Sedangkan untuk pengurangan load pada level membutuhkan waktu sebesar 45 detik dan 28 detik untuk pressure. Nilai SV dari kedua pengendalian adalah sama dengan kondisi normal yaitu 15 cm untuk ketinggian level dan 6 bar untuk besarnya pressure.
Pada hasil uji tracking setpoint pada pengendalian pressure dapat dilihat pada gambar 9. Dimana PV (process value) pressure bergerak menuju keatas dapat dilihat pada garis yang berwarna hijau. Perubahan kenaikan pressure steam pada drum menempuh nilai set point dari keadaan sebelumnya rata-rata 30 detik. Pada hasil uji tracking setpoint dapat dilihat PV (process value) pressure ditunjukkan oleh garis yang berwarna hijau, SV (set-point value) pressure ditunjukkan oleh garis yang berwarna ungu. Dari gambar diatas dapat dilihat hubungan antara perubahan pressure yang berpengaruh pada perubahan level. Perubahan nilai PV (process value) level ditunjukkan oleh garis yang berwarna biru, dan SV (set-point value) level yang tetap ditunjukkan oleh garis yang berwarna merah. 3. Uji 3 : Uji Load Pada pengujian pengendalian level dilakukan penambahan dan pengurangan aliran menuju drum sebesar 2 %, sehingga nantinya level air dalam drum akan bertambah dan berkurang. Nilai ini dimasukkan sebagai nilai MV (Manipulated variable) yang akan ditambahkan pada plant. Nilai MV dapat bervariasi antara 0-100 %. Namun nilai ini juga tergantung dengan kondisi plant dan kontroler yang telah dibuat. Hasil uji load adalah sebagai berikut :
Gambar 27 Tampilan penambahan load 0,7% untuk pengendalian pressure
Gambar 28 Tampilan pengurangan load 0,7% untuk pengendalian pressure
Gambar 25 Tampilan penambahan load 2% untuk pengendalian level
Pada hasil uji penambahan dan pengurangan load untuk pengendalian pressure dapat dilihat pada gambar 12 untuk penambahan load pada pressure dan gambar 13 untuk pengurangan load pada pressure. Dimana PV (process value) untuk pressure berubah dari nilai set point setelah diberikan nilai load sebesar 0,7% dan mengakibatkan nilai PV untuk level juga berubah. Nilai PV pressure dapat dilihat pada garis yang berwarna hijau dan PV level pada garis berwarna biru. Penambahan dan pengurangan load ini mengganggu nilai set point dan kontroler mengatur agar set point dapat tercapai kembali. Untuk penambahan load pada pressure membutuhkan waktu selama 69 detik dan 62 detik untuk level. Sedangkan untuk pengurangan load pada pressure pada membutuhkan waktu sebesar 65 detik dan 62 detik untuk level. Nilai SV dari kedua pengendalian adalah sama dengan kondisi normal yaitu 15 cm untuk ketinggian level dan 6 bar untuk besarnya pressure.
Gambar 26 Tampilan pengurangan load 2% untuk pengendalian level Pada hasil uji penambahan dan pengurangan load untuk pengendalian level dapat dilihat pada gambar 10 untuk penambahan load pada level dan gambar 11 untuk pengurangan load pada level. Dimana PV (process value) untuk level berubah dari nilai set point setelah diberikan nilai load sebesar 2% dan mengakibatkan nilai
9
DAFTAR PUSTAKA
5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Dari hasil simulasi dan analisa data pada penelitian Tugas Akhir ini, dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Telah dirancang sebuah sistem pengendalian level dan pressure pada boiler di Workshop Instrumentasi berbasis DCS Centum CS3000 YOKOGAWA. 2. Perancangan sistem pengendalian pada boiler di Workshop Instrumentasi untuk ketinggian level didapatkan nilai gain KP = 0,33 , TI = 9 , dan TD = 4. Sedangkan untuk pressure didapatkan nilai gain KP = 0,5 , TI = 10s. 3. Pada pengujian respon step didapatkan hasil pengendalian sebagai berikut : • Untuk sistem pengendalian level sistem dapat mencapai set point dalam waktu 58 detik dan memiliki nilai maksimum overshoot 7,7 %. • Untuk sistem pengendalian pressure sistem dapat mencapai set point dalam waktu 52 detik dan memiliki nilai maksimum overshoot 6,25 %. 4. Pada pengujian perubahan set point didapatkan hasil pengendalian sebagai berikut : • Untuk sistem pengendalian level yang dilakukan adalah dengan melakukan perubahan ketinggian level antara 17 cm, 13 cm dan 15 cmdengan rata-rata waktu tempuh 37 detik. • Untuk sistem pengendalian pressure yang dilakukan adalah dengan melakukan perubahan tekanan antara 6,5 bar, 4,5 bar dan 6 bar dengan rata-rata waktu tempuh 30 detik. 5. Pada pengujian beban didapatkan hasil pengendalian sebagai berikut : • Untuk sistem pengendalian level, sistem hanya dapat menerima beban sampai 2 % dapat mencapai set point dalam waktu 86 detik untuk penambahan load dan 45 detik untuk pengurangan load. • Untuk sistem pengendalian Pressure, sistem hanya dapat menerima beban sampai 0,7 % dapat mencapai set point dalam waktu 69 detik untuk penambahan load dan 65 detik untuk pengurangan load. 5.2 Saran Beberapa saran yang perlu disampaikan dalam laporan ini dalam rangka pengembangan penelitian ini antara lain adalah sebagai berikut : 1. Sistem pengendalian Temperatur dan Flow dari boiler dapat dijadikan tambahan pada penelitian berikutnya. 2. Untuk Mahasiswa Teknik Fisika khususnya dapat dikembangkan dengan melakukan interfacing langsung (online) dengan real plant.
[1] Ardiansyah, Bagus, “Integrasi Fieldbus Pada Distributed Control System Centum CS3000 Yokogawa”, Surabaya, 2007. [2] Gunterus, Frans,”Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses”, Elex Media Komputindo, Jakarta.,1994 [3] Incropera, Frank,”Fundamental of Heat and Mass Transfer 3nd Edition”, John Wiley & Son.Inc,1990 [4] Joko Indarto, “Rancang Bangun Local Control Unit (LCU) Level pada Distributed Control System (DCS)”, Surabaya 2007. [5] Kurnia, Dedi Nazara, “Penentuan Safety Integrity Level dengan Fault Tree Analysis untuk mengetahui Waktu keamanan proses pada Boiler Steam Drum PT. Indonesia Power UBP Suralaya”, Surabaya, 2008. [6] Ogata, Katshuiko, “Teknik Kontrol Automatik I’’, Prentice Hall Inc, 1996. [7] Ogata, Katshuiko, “Teknik Kontrol Automatik II’’, Prentice Hall Inc, 1996. [8] Pramono, Djoko, “Perancangan Sistem Pengendalian Level dan Tekanan dengan Metode Robust PID di PLTGU Gresik”, Surabaya, 2003. [9] Smith, A. Carlos, “Principles and Practice of Automatic Process Control”, John Wiley & Son.Inc,1997. [10] Stephanopoulos, George, “Chemical Process Control An Introduction to Theory and Practice” Hall International.Inc, 1984. [11] Yokogawa Electric Corp. 2003. Centum CS3000 Manual Instruction Manual IM 33S01B30-01E : Yokogawa Electric Corp, Tokyo [12] Yokogawa Electric Corp. 2003. Foundation Fieldbus Book – Technical Information TI 38K02A01-01E : Yokogawa Electric Corp.Tokyo [13] Yokogawa Electric Corp. 2003. Reference– Technical Information IM 33S01B30-01E : Yokogawa Electric Corp.Tokyo [14] Yokogawa Electric Corp. 2003. Engineering Tutorial– Technical Information IM 33S04H10-01E : Yokogawa Electric Corp.Tokyo [15] Yokogawa Electric Corp. 2003. HIS Operation– Technical Information IM 33S02C10-01E : Yokogawa Electric Corp.Tokyo
BIODATA PENULIS : Nama : Awal Mu’amar TTL : Surabaya, 5 Desember 1985 Alamat: Jl Jojoran 1 Perintis 1 No.20 Surabaya Riwayat Pendidikan : • 1992-1998 SDN Mojo V no 224 Surabaya • 1998-2001 SMP Negeri 6 Surabaya • 2001-2004 SMA Negeri 7 Surabaya • 2004-…… Teknik Fisika ITS Surabaya
10
