PERANCANGAN SISTEM KOREKSI LEVEL TRANSMITTER PADA SISTEM PENGENDALIAN LEVEL SODA WATER DI NET GAS WASH COLUMN C-5-05, PT PERTAMINA (PERSERO) RU V Riska Utami1) Totok Soehartanto1) 1) Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology ITS Surabaya Indonesia 60111 Email:
[email protected] 2) Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology ITS Surabaya Indonesia 60111
transmitternya. Sehingga orang lapangan selalu melihat level glass untuk mendapatkan pengukuran yang akurat. Padahal diketahui bahwasanya pembacaan level transmitter yang akurat sangat diperlukan karena level yang akan dikontrol pada column C-5-05 yang akan dikirimkan ke DCS merupakan data hasil pengukuran dari level transmitter. Ketidakakuratan pembacaan level tersebut diduga karena adanya perubahan volume wash water yang masuk sedangkan injection soda konstan sehingga terjadi perubahan komposisi soda water yang terakumulasi dan mengakibatkan densitas pada soda water berubah-ubah. Perubahan densitas soda water yang terakumulasi inilah yang diduga mengakibatkan pembacaan tekanan hidrostatisnya berubah. Differensial pressure transmitter bekerja berdasarkan prinsip beda tekanan di antara tekanan high dan tekanan low yang kemudian direpresentasikan dengan persen sehingga didapatkan pembacaan level tanpa memperhatikan pengaruh perubahan densitas. Adanya perubahan densitas sehingga Phidrostatik berubah disebabkan karena adanya perubahan volume wash water. Hal itu dikarenakan debit input wash water pada column berubahubah sesuai dengan yang diperintahkan kontroler sehingga diperlukan perancangan sistem koreksi untuk mengukur level soda water pada net gas wash column C-5-05 agar akurat. Untuk itu dilakukan sebuah penelitian agar dapat menyelesaikan masalah dalam pembacaan data level soda water di column C-5-05 dengan cara membuat program koreksi untuk pembacaan level berdasarkan perubahan volume wash water yang masuk di dalam column. Dalam tugas akhir yang berjudul Perancangan Sistem Koreksi Untuk Mengukur Level Soda Water Pada Net Gas Wash Column C-5-05 di PT Pertamina (Persero) RU V akan dikaji mengenai permasalahan tersebut.
Abstrak Di dalam net gas wash column C-5-05 dialirkan soda water guna membersihkan gas H2, dimana gas H2 ini akan dimanfaatkan untuk make up kompresor. Level hasil siraman soda water dikontrol agar proses berjalan dengan baik. Dalam hal ini, terdapat permasalahan pada pembacaan level soda water, yaitu terjadi perbedaan pembacaan antara level transmitter (berbasiskan tekanan) yang nilai densitasnya dibuat tetap (konstan) dengan level glass (level yang sebenarnya). Diduga level soda water di column C-5-05 mengalami perubahan densitas sehingga menyebabkan pembacaan tidak akurat. Oleh sebab itu, maka dirancanglah sistem koreksi. Sistem koreksi dirancang berdasarkan error yang dihasilkan dari sinyal output level transmitter sebelum masuk ke controller. Perancangan sistem koreksi dibuat dengan membandingkan sinyal output level transmitter yang benar dan yang salah ketika diberikan debit input wash water yang berubah-ubah sehingga diperoleh suatu fungsi. Set point yang digunakan pada plant untuk mengendalikan level adalah 40 % (2,432 meter). Dengan menggunakan sistem koreksi, maka sistem pengendalian level menjadi lebih baik. Hal ini terbukti dari error yang dihasilkan pada saat diberikan setpoint 2,432 menjadi 0,29 %, sedangkan tanpa sistem koreksi adalah 7 % Kata kunci : net gas wash column C-5-05, level soda water, sistem koreksi, Matlab Simulink, DP Transmitter. I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Net Gas Wash Column C-5-05 merupakan salah satu column yang terletak di Pertamina RU V, plant 5 Kilang Balikpapan 2. Column ini berfungsi untuk menampung gas H2 yang merupakan hasil dari berbagai proses produksi. Di dalam column C-5-05, dialirkan soda water guna membersihkan gas H2, dimana gas H2 ini akan dimanfaatkan untuk make up kompresor di plant 3. Dalam hal ini level liquid hasil siraman soda water dikontrol agar proses berjalan dengan baik, sehingga pada column C-5-05 tersebut besaran fisis yang dikendalikan adalah ketinggian liquid. Pada column C-5-05 kondisi yang terjadi adalah tangki dipasang sebuah alat ukur differensial pressure transmitter yang bertujuan untuk mengetahui ketinggian level berbasiskan tekanan (pressure) dan nilai densitas yang dibuat tetap (konstan). Tetapi pada kenyataannya sering terjadi gangguan sehingga di plant real terdapat ketidakakuratan pembacaan level transmitter terhadap level glass meskipun selalu dilakukan kalibrasi pada level
1.2 Perumusan Masalah Permasalahan yang akan dibahas adalah bagaimana merancang sistem koreksi untuk memperbaiki hasil pengukuran level soda water pada net gas wash column C-5-05 di PT Pertamina (Persero) RU V 1.3 Batasan Masalah Pada penelitian ini, ada beberapa batasan yang akan membatasi permasalahan yang telah ditetapkan, adapun batasan tersebut antara lain: 1. Pengendalian level pada net gas wash column C-5-05 adalah untuk mengendalikan level soda water, dimana ketika terjadi perubahan komposisi soda water yang masuk akibat perubahan debit input wash
1
2.
3. 4.
water maka akan terjadi perubahan densitas sehingga berpengaruh pada pembacaan DP transmitter Sensor level yang digunakan adalah Differensial Pressure Transmitter yang menggunakan prinsip beda tekanan Debit gas H2input dan debit gas H2output adalah konstan Perubahan tekanan yang terbaca pada tangki merupakan tekanan hidrostatis, sehingga meski ρgas fungsi waktu, akan saling menghilangkan berdasarkan fungsi DP transmitter
2.2.2 Soda. Soda merupakan sodium bi-karbonat murni yang memiliki rumus kimia yaitu NaHCO3. Soda adalah garam kimia yang punya beragam fungsi. Soda bersifat basa lemah sehingga berguna untuk menetralisasi asam dan memecah protein. Soda bersifat basa lemah sehingga berguna untuk menetralisasi asam dan memecah protein.. 2.3
Plant Net Gas Wash Column Berdasarkan Hukum Kesetimbangan Massa 2.3.2 Kesetimbangan Massa Hukum kekekalan massa atau dikenal juga sebagai hukum Lomonosov-Lavoisier adalah suatu hukum yang menyatakan massa dari suatu sistem tertutup akan konstan meskipun terjadi berbagai macam proses di dalam sistem tersebut. Kesetimbangan laju massa untuk mengontrol volume dapat ditunjukkan pada gambar di bawah ini
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah akan dirancang sebuah sistem koreksi untuk memperbaiki hasil pengukuran level soda water pada net gas wash column C-5-05 di PT Pertamina (Persero) RU V Manfaat yang diharapkan dari penelitian tugas akhir ini adalah dapat membantu memberikan solusi masalah ketidakakuratan pengukuran level pada net gash wash column C-5-05 di PT Pertamina (Persero) RU V dengan merancang sebuah sistem koreksi di plant tersebut.
Gambar 2.1 Kontrol Volume dengan 1 input 1 output [2]
II. DASAR TEORI 2.1 Net Gas Wash Column C-5-05 PT. Pertamina (Persero) RU V merupakan salah unit pengolahan minyak dan gas bumi yang terdapat di Indonesia. Crude oil diolah hingga menghasilkan berbagai produk yang dapat digunakan oleh konsumen, seperti avtur, premium, kerosene, dan lain-lain.Gas hidrogen merupakan hasil samping dari berbagai proses pengolahan yang akan dimanfaatkan untuk make up kompresor. Sebelum dimanfaatkan, gas hidrogen tersebut dilewatkan terlebih dahulu di dalam net gash wash column. Net gas wash column merupakan kolom yang berfungsi untuk mengubah sifat keasaman gas dengan cara menyemprotkan fluida cair yang dapat membuat sifat gas berubah seperti yang dinginkan. Dalam hal ini, net gas yang berasal dari recontact drum C-5-04, masuk ke dalam net gas wash column C-505. Net gas wash column C-5-05 didesain untuk menghilangkan jumlah kandungan dari asam hydrochrolic yang terkandung pada net gas (gas hidrogen/gas H2). Net gas yang berupa gas H2 yang masih mengandung asam klorid masuk ke column C-5-05 dan dinjeksi dengan soda water. Soda water inilah yang berfungsi agar kandungan asam pada net gas hilang. Setelah tidak ada kandungan asam klorida, maka net gas tersebut dapat di trasnsfer untuk make up kompresor pada Hydrocracker dan Naphta Hydrotreater.
Gambar di atas menunjukkan sebuah volume yang dikontrol melalui laju massa input dan laju massa output. Apabila diterapkan untuk kontrol volume, prinsip konservasi massa dapat dituliskan sebagai berikut:
(2.1) Massa yang terkandung didalam suatu sistem dapat ditunjukkan dengan , sehingga prinsip konservasi massa dapat dituliskan sebagai berikut: (2.2) Dimana jumlah perubahan laju massa dalam sebagai kontrol volume dalam suatu sistem Laju massa input Laju massa output Secara umum, pada saat sistem terdiri dari beberapa laju input dan beberapa laju output yang akan dapat mempengaruhi kontrol volume dalam suatu sistem, dapat ditulis sebagai berikut: (2.3) Seperti yang telah disebutkan pada teori di atas bahwa pendekatan model matematis menggunakan persamaan ketimbangan massa, dimana massa yang terakumulasi merupakan selisih laju massa input dengan laju massa output. dengan mengetahui massa yang terakumulasi didalam sistem maka mekanisme perubahan massa per satuan waktu dapat dihitung[1]. (2.4) [ flowrateakumulasi ] = [ flowratein ] − [ flowrateout ]
2.2 Hidrogen dan Soda 2.2.1 Hidrogen Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani: hydro: air, genes: membentuk) adalah unsur kimia dimana pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomor atom 1. Hidrogen adalah unsur teringan di dunia.Hidrogen juga merupakan unsur paling melimpah dengan persentase kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta. Kebanyakan bintang dibentuk oleh hidrogen dalam keadaan plasma.
2
density (ρ) zat tersebut dan berujung kepada perubahan tekanan (P). Berdasarkan persamaan
Berikut merupakan pemodelan plant net gas wash column berdasarkan hukum kesetimbangan massa : • • dm = mi − m o dt
(2.5)
d ( ρ swVsw + ρ gasVgas ) dt
•
•
(2.10)
Dimana: P = Tekanan V = Volume T = Temperature R = tetapan gas Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa ρ ≈ 1/T dan ρ ≈ P 2.4 Level Transmitter Level transmitter berfungsi untuk mendeteksi tingkat zat yang mengalir, termasuk cairan, slurries, granular material, dan bubuk[3]. Jenis level transmitter yang digunakan di PT Pertamina (Persero) RU V adalah differential pressure transmitter, seperti pada gambar di bawah
(2.6)
•
= miwater + misoda + migas − moSW − mogas
Dimana:
dm = akumulasi massa dalam kolom dt •
mi
= Mass flow input
•
mo
= Mass flow output •
miwater
= mass flow water input (kg/jam)
•
misoda
= mass flow soda input (kg/jam)
•
migas
= mass flow gas input (kg/jam)
•
moSW
= mass flow sodawater output (kg/jam)
•
mogas
ρ SW ρ gas VSW V gas
= mass flow gas output (kg/jam)
Gambar 2.2 Differential Pressure Transmitter[3]
= density soda water (kg/m3)
2.4.1 Diferensial Pressure Transmitter Differential pressure transmitter, bekerja berdasarkan 2 prinsip beda tekanan. Transmitter yang banyak digunakan untuk mengukur ketinggian suatu fluida didalam tangki adalah differential pressure transmitter (DP transmitter). Prinsip kerja DP -Transmitter berdasarkan keseimbangan gaya dua masukan yang berbeda tekanan atau yang biasanya disebut Hidrostatic Head.. Prinsip pembacaan perbedaan tekanan di dalam tangki tergantung pada nilai high pressure (HP) dan low pressure (LP) pada tapping point yang telah ditentukan, sehingga dapat disimpulkan bahwa DP transmitter mengukur tekanan hydrostatic dari fluida yang ada di dalam tangki dan hydrostatic head dinyatakan dalam tekanan dengan persamaan: Dimana: P = tekanan hydrostatic Head (mmH2O) ρ = fluid density (kg/m3) g = konstanta gravitasi h = level fluida (m) Sehingga untuk tangki tertutup: (2.11)
= density gas (kg/m3) = volume soda water dalam kolom (m3) = volume gas dalam kolom (m3)
2.3
Massa Jenis (Density) Massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya. Massa jenis rata-rata setiap benda merupakan total massa dibagi dengan total volumenya. Karena adanya variasi volume (2.7) yang masuk, maka dapat menyebabkan komposisi yang ada dalam fluida berubah sehingga menyebabkan density fluida berubah Berikut persamaan yang menunujukkan hubungan massa dengan volume: (2.8)
(2.9)
Berdasarkan persamaan di atas menunjukkan bahwa perubahan volume akan mempengaruhi perubahan komposisi fluida yang akan berdampak pada perubahan
3
transien dan respon steady state. Di bawah ini adalah persamaan umum dari PID kendali :
u (t ) = K p e(t ) +
Kp Ti
t
∫ e(t )dt 0
(2.14)
atau fungsi transfer dari proporsional-integral-derivatif kendali adalah : U ( s) 1 = K p (1 + ) E ( s) Ti s
Gambar 2.3 Pengukuran Level dengan Differential Pressure Transmitter [4] Berikut adalah gambaran umum singkat mengenai pemasangan differential pressure transmitter [4]: • High Pressure dihubungkan pada tangki bagian bawah yang berfungsi sebagai tekanan terukur. • Low Pressure dihubungkan pada tangki bagian atas sebagai tekanan referensi. • Pada tekanan referensi berisi tekanan berupa gas atau uap, bukan menggunkan cairan/fluida yang ada dalam tangki. • kaki referensi harus dipertahankan kering sehingga tidak ada tekanan yang disebabkan oleh fluida cair (2.12)
(2.15)
2.6
Faktor Koreksi Faktor koreksi adalah faktor penyesuian dari kondisi ideal ke kondisi sebenarnya untuk suatu variable tertentu (MKJI, 1996). Dalam sistem pengendalian level soda water pada net gas wash column C-5-05 terdapat ketidaksesuaian antara pembacaan pada level glass dan level transmitter sehingga diperlukan faktor koreksi untuk memperbaiki kesalahan pembacaan tersebut. Perbaikan kesalahn pembacaan level melalui sistem koreksi yang dibuat, sangatlah penting, karena pembacaan level transmitter harus tepat agar manipulasi variabel yang bekerja atas perintah controller juga sesuai dengan keadaan real plant.
(2.13) Berikut merupakan differential pressure transmitter yang digunakan pada net gash wash column C-5-05. Beserta spesifikasinya:
III. PEMODELAN DAN PERANCANGAN SISTEM 3.1 Alur Penelitian Berikut merupakan tahapan - tahapan yang dilakukan pada penelitian ini dapat dijabarkan melalui flowchart berikut.
Gambar 2.4 Differential Pressure Transmitter Berikut adalah spesifikasi dari Differential Pressure Transmitter yang di dapat dari data lapangan Spesifikasi : Ins tag no :05-LT-123 Type : D/P Transmitter FKCT35V5 Manufactur : Fuji Range : 0-10000 mmH2O Power Supply : 45 volt DC max Output : 4-20 mA Mwp : 160 Kgcm2 Actual Range : - 500 mmH2O (0%) hingga -4000 mmH2O (100%) Differential Pressure (DP) transmitter berkerja berdasarkan selisih perbedaan tekanan antara sisi high dan low. Karena tekanan yang menjadi parameter utama dari transmitter, tentu saja density yang bervariasi akan mempengaruhi pembacaan transmitter yang berkerja berdasarkan perbedaan tekanan. 2.5. Sistem Pengendalian Level Kendali PI Level merupakan hal yang sangat cepat mengalami perubahan, sehingga dalam proses apapun level menjadi hal yang penting untuk dikendalikan[2]. Kendali PI merupakan sebuah aplikasi dari rangkaian kendali yang menggunakan dua buah komponen sekaligus yaitu kendali proporsional dan kendali integral[1]. Kendali jenis ini digunakan untuk mendapatkan respon
4
1
Mulai
Perancangan Sistem Pengkoreksian Pengukuran dengan Differential Pressure Transmitter
Tinjauan Lapangan Penyebab Terjadinya Ketidakakuratan Pembacaan Level
Pemrograman Simulasi Pengukuran Level Air Soda dengan Mempergunakan Faktor Koreksi
Studi Literatur Sistem Pengukuran Level di Kolom C-5-05 1.Karakteristik dari Kolom C-5-05 2. Alat ukur D/P Transmitter 3. Perubahan Densitas Terhadap Perubahan Komposisi Dalam Hal Ini Volume yang Masuk Simulasi Hasil Perancangan Berjalan Sesuai
Pengambilan Data Spesifikasi Kolom,D/P Transmitter dan Alat-Alat Instrument Lain Yang Berkaitan dengan Proses Tersebut
Ya Tuning PI Kontroller Dengan Metode Osilasi
Simulasi Perkomponen Sistem Pengendalian Level Pada Net Gas Wash Column C-5-05
Analisa Hasil Simulasi
Penyusunan Laporan
Perancangan dan Simulasi Sistem Plant Net Gash Wash Column C5-505 dengan ρ (densitas) sebagai Fungsi Komposisi yang Masuk Berdasarkan Volume Water yang Masuk
Selesai
Gambar 3.1 Alur Penelitian 1
Tahap pertama yang dikerjakan adalah tinjauan lapangan dengan melakukan pemantauan DP transmitter yang terpasang pada net gas wash column C-5-05 selaku alat ukur level pada kolom C-5-05 dan data-data lain yang berkaitan dengan proses pada kolom C-5-05, seperti data pompa dan data kolom. Setelah itu dilanjutkan dengan pembuatan model matematis densitas terhadap perubahan komposisi soda water akibat dari perubahan volume wash water yang masuk untuk mendapatkan nilai densitas sebenarnya yang digunakan untuk menghitung nilai level yang lebih akurat pada kolom C-5-05. Untuk mendapatkan level yang akurat maka dilakukan pemodelan plant menggunakan hukum kesetimbangan massa sesuai dengan akumulasi soda water dan gas H2 yang terdapat didalam kolom. Untuk mengetahui nilai densitas sesungguhnya dari pemodelan tersebut, maka dilakukan sebuah simulasi dengan menggunakan bantuan software MatLab. Setelah didapatkan nilai level yang sebenarnya, dilakukan pengujian perbandingan antara data level serta data output berupa arus setelah melewati LT123 dan sebelum melewati LT 123 untuk mengetahui nilai dari setiap keadaan sehingga dapat dibuat sebuah faktor koreksi pembacaan yang akurat dan diharapkan hasil pembacaan pada differensial level transmitter dapat sesuai dengan keadaan yang sebenarnya. Selanjutnya adalah dilakukan analisa terhadap hasil simulasi yang telah dibuat.
5
3.2
Sistem Pengendalian Level Pada Net Gas Wash Column C-5-05 Net Gas Wash Column C-5-05 merupakan salah satu column yang digunakan untuk melewatkan gas H2. Di dalam Net Gas Wash Column, gas H2 disiram dengan soda water guna untuk menetralisir sifat asam gas H2 sehingga gas H2 dapat dimanfaatkan untuk make up kompresor di plant 3. Di dalam net gas wash column, level soda water dikendalikan guna memperoleh hasil gas H2 yang maksimal.
Q7inp wash water
Load (density)
+
SP +
u
e
PV
MV
Aktuator (Pompa G-09A)
Controller
Level Pada Net Gash Wash Column
-
Level Transmitter
Gambar 3.4 Diagram Blok Sistem Pengendalian Level Berdasarkan diagram blok di atas, dapat diketahui bahwa flow rate masukan dapat dikatakan sebagai load. Dalam mengendalikan prosesnya, sistem pengendalian yang ada telah dilengkapi dengan controller. 3.2.2 Sistem Pengendalian Level Dengan Penambahan Faktor Koreksi
Gambar 3.2 Net Gas Wash Column C-5-05
R2
Level soda water di dalam net gas wash column dikontrol sebesar 40% dari taping point bawah hingga taping point atas. Pada net gas wash column terdapat 3 inputan yaitu gas H2, injection soda, dan wash water serta terdapat 2 outputan yaitu, gas H2 yang telah dinetralisasi dan soda water.
H2 Netgas
Q7inp wash water
Q2
22960 m3/jam
Q8
Load (density) Q7
Q1
ρ2 , H2
H2 from C04
+
SP +33000 m /jam 3
u
e
Aktuator (Pompa G-09A)
ControllerPlow
3.2.1 SistemPengendalian Level Yang Ada Saat Ini
Gas H2
R2
MV -
V-7
-
PV Level Pada Net Gash Wash Column
V-5
H2 Netgas
Q2
22960 m3/jam
LT 123 I-4
LG 123 I-6
LIC 123 I-5
Level Transmitter
ρ(t) , H1
Q7 Q1
ρs
Soda Water
Q8
ρa
Q6
V-4
Phigh
Caustic Injection Soda
Wash Water
ρ2 , H2
H2 from C04
Column C-5-05 33000 m3/jam
Q3 Q4
Plow R1
Gas H2
G-5
G-8
G-9
V-7 V-5
LT 123 I-4
LG 123 I-6
ρ = mtotal /voltotal
LIC 123 I-5
ρs
Soda Water
ρ(t) , H1
Plow =ρ.g.h
ρa
Q6
V-4
Phigh
Caustic Injection Soda
Wash Water
Column C-5-05
Gambar 3.5 Desain Sistem Pengendalian Level yang dilengkapi Faktor Koreksi
Q3 Q4 R1
G-5
G-8
G-9
Gambar diatas merupakan sistem pengendaliam level pada net gas wash column C-5-05 yang akan dilengkap dengan sistem koreksi. Masukan dalam sistem yang berupa debit input wash water yang bervariasi berperan sebagai load, karena variasi masukan tersebut mengakibatkan perubahan density yang sangat mempengaruhi akumulasi level setiap detiknya.
Gambar 3.3 P&ID Sistem Pengendalian Level Berdasarkan P&ID di atas, diagram blok dari sistem pengendalian level dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
6
3.3
Model Matematis Komponen Pada sub-bab berikut akan dijabarkan model matematis perkomponen sesuai dengan diagram blok sistem pengendalian level pada net gas wash column seperti pada gambar 3.5 di atas.
(3.11)
3.3.1 Pemodelan Net Gas Wash Column C-5-05 Seperti apa yang telah dijelaskan di Bab sebelumnya mengenai pemodelan plant net gas wash column C-5-05 maka didapatkan model sebagai berikut : Pemodelan Net Gas Wash Column C-5-05
(3.12)
Dimana : Debit input gas H2 = 33000 m3/jam Debit output gas H2 = 22900 m3.jam Debit output soda water = 0,45 m3/jam Debit soda water yang direcycle Debit caustic injection soda = 0,042 m3/jam Debit caustic injection soda + soda water yang di recycle Debit wash water (dikendalikan sebagai
(3.1)
(3.2) manipulasi)
Densitas soda water intank (fungsi waktu) Densitas gas H2 rata-rata = 0,00880 kg/m3 Densitas wash water = 1000 kg/m3 Densitas caustic injection soda = 1089,5
(3.3)
kg/m3 Tinggi soda water in column (dikendalikan dengan set point 40 % dari taping point atas (2,432m) Tinggi gas H2 in column dari data = 5,40444444 dari data = 0,00028606 Melalui model matematis plant pada persamaan 3.13, maka dilakukan wiring dengan menggunakan simulink yaitu sebagai berikut :
(3.4)
(3.5)
(3.6)
(3.7)
(3.8) Penyelesaian: Subtitusi persamaan 2 dan 3 ke persamaan 1 ]
(3.9) Gambar 3.6 Wiring Net Gas Wash Column C-5-05
Subtitusi persamaan 4 ke persamaan 8
Dalam hal ini Q7 yang merupakan debit input wash water yang masuk ke dalam kolom bervariasi sehingga menyebabkan density soda water di dalam kolom berubahubah. Sehingga pada subsytem wiring pemodelan plant di atas, terdapat fungsi density sesuai dengan komposisi masukan sebagai berikut:
(3.10)
7
(3.14)
(3.15)
(3.61)
Gambar 3.7 Wiring LT -123 (3.17)
3.4 Perancangan Faktor Koreksi Level Soda Water System faktor koreksi ini dikembangkan dalam bentuk program berdasar model matematik yang berada dalam controller sehingga dalam kerjanya nilai density soda water yang terbaca pada akan menjadi perhitungan untuk mendapatkan nilai akumulasi level yang dan akan menjadi pertimbangan bagi controller dalam menentukan debit input pompa -09A yang mengalirkan wash water. Alur berpikir dari perhitungan faktor koreksi level adalh sebagai berikut.
Dimana: Volume water awal dalam column Volume soda awal dalam column Volume injection soda input (konstan) Volume wash water input (dikendalikan melalui debit wash water input) 3.3.2
Level Transmitter (05-LT- 123) Adapun span variable terukur merupakan hasil perhitungan spesifikasi dari range transmitter sehingga pemodelan matematis pada level transmitter adalah sehingga pemodelan matematis pada level transmitter LT 123 yaitu sebagai berikut :
Kt =
Mulai
Baca Data D/P Transmitter
(20 − 4)mA = 1,6
Faktor perubahan Komposisi soda water
10m
Perhitungan Beda Tekanan
Bandingan perhitungan beda tekanan dengan yang densitasnya konstan
(3.22)
τt =
62,3 × 1,6sekon = 1.0112.sekon 100
Perhitungan Volume water yang masuk
(3.18)
Sehingga, pemodelan matematis dari LT-123 adalah :
Loy
(3.19)
1,6 = Lox s + 1
Dalam hal ini LT 123 menggunakan prinsip beda tekanan sesuai dengan prinsip kerja DP transmitter yaitu : (3.20) -Plow
Perhitungan Perubahan Densitas soda water yang Diakibatkan Perubahan Volume water
Level akurat
Perhitungan Phidrostatis
Selesai
Gambar 3.8 Alur Berfikir Perhitungan Faktor Koreksi Level
(3.21)
Gambar di atas merupakan alur berfikir dalam perhitungan faktor koreksi level soda water. Pertama, level yang ada pada column akan dibaca oleh DP transmitter berdasarkan perbedaan tekanan, kemudian manipulated variabel yaitu pompa bekerja berdaarkan perintah kontroller berdasarkan informasi dari DP transmitter. Dalam hal ini, maka terjadilah perubahan volume wash water akibat input wash water yang bervariasi.
(3.22) Dalam hal ini, ρ yang terbaca pada DP transmitter konstan sedangkan yang terdapat pada plant berubah-ubah. Sehingga pemodelan matematis level transmitter pada khususnya LT-123 adalah sebagai berikut: (3.23) =
Koreksi Sinyal output D/P transmitter
(3.24)
3.5
Sehingga, wiring dari DP transmitter LT 123 adalah sebagai berikut:
8
Perancangan Sistem Open Loop Pada Net Gas Wash Column C-5-05 Setelah memodelkan perkomponen, maka akan di dapatkan wiring open loop pada sistem pengendalian net gas wash column C-5-05 seperti pada gambar di bawah ini.
(3.27) Dimana: y= sinyal output transmitter setelah dikoreksi x= debit input wash water
Gambar 3.9 Wiring Sistem Open Loop Net Gas Wash Column C-5-05 Gambar 3.11 Wiring Koreksi
Gambar di atas merupakan rangkaian sistem open loop pada plant net gas wash column C-5-05. Inputan yang diberikan berasal dari pompa sebagai debit wash water input. Dalam hal ini pompa inputan pompa berupa tegangan sehingga diuji dengan inptan step sebesar 190, dimana tegangan tersebut mereprentasikan debit pompa sebesar 50 % sesuai dengan spect pompa yang ada. Dalam uji ini terlihat nilai level kurang lebih sebesar 3 m yang menunjukkan bahwa input yang diberikan sesuai dengan output yang diberikan (dalam kondisi real di lapangan). Selain itu dilakukan juga pengujian dengan level transmitter LT123 dengan dengan plant net gas wash column C-5-0, Seperti pada gambar di bawah ini:
Perancangan sistem koreksi dibuat berdasarkan kesalahan pembacaan pada level transmitternya. Ketika debit wash water diubah-ubah, maka level pun ikut berubah. Pembacaan level sebelum dan sesudah keluar dari level transmitter tidak sesuai begitu juga dengan outputan level tranmitter yaitu arus. 3.7 Perancangan Sistem Open Loop Setelah Diberikan Faktor Koreksi Berikut adalah wiring sistem open loop setelah diberikan sistem koreksi.
Gambar 3.12 Wiring Sistem Open Loop Net Gas Wash Column C-5-05 Dengan Pengujian LT dengan Sistem Koreksi
Gambar 3.10 Wiring Sistem Open Loop Net Gas Wash Column C-5-05 Dengan Pengujian LT Dari gambar di atas dilakukan pengujian dengan mengubah-ubah debit input wash water. Terlihat bahwasnya dengan mengubah-ubah debit, maka terjadi perubahan level dan setiap perubahan level yang masuk dan keluar dari level transmitter, tidak sesuai, sehingga dalam hal ini diperlukan perancangan sistem koreksi untuk outputan level transmitter sebelum masuk ke controller.
Setelah ditambahkan sistem koreksi, pembacaan level oleh level transmitter dapat menjadi lebih akurat. 3.8
Perancangan Sistem Close Loop Pada Net Gas Wash Column C-5-05 dengan Sistem Koreksi. Berikut adalah wiring sistem close loop setelah diberikan faktor koreksi.
3.6 Perancangan Sistem Koreksi. Faktor koreksi dibangun berdasarkan data hasil simulasi error dari sinyal output level transmitter berupa arus terhadap debit masukan dari wash water. Dari data di dapatkan persamaan: (3.25) Sehingga untuk memasukkan error ke dalam persamaan transmitter: (3.26)
9
Respon Sistem Level Soda Water 6
Level Soda Water(m)
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30 Waktu(jam)
40
50
60
Gambar 4.2 Grafik respon uji step level pada Net Gas Wash Column C-5-05
Gambar 3.13 Wiring Sistem Close Loop Net Gas Wash Column C-5-05 Dengan Sistem Koreksi Gambar diatas merupakan wiring sistem pengendalian level pada net gas wash column C-5-05 setelah ditambahkan factor koreksi
Garfik respon di atas diuji step dengan debit maksimum pompa yaitu sebesar 0,85 m3/jam. Dapat terlihat bahwa, apabila pompa mengalirkan debit maksimum, maka ketinggian level yang dapat tercapai adalah sekitar 5,861 m. Berdasarkan hasil simulasi sinyal uji step, dapat diamati pada grafik bahwa untuk debit wash water minimum yaitu sebesar 0 m3/jam, level soda water yang dihasilkan pada net gas wash column C-5-05 adalah sekitar 0,6 m. Hal ini dikarenakn sebelum gas H2 masuk pada kolom (system belum berjalan), kondisi awal kolom sudah berisi soda water sedangkan untuk debit wash water maksimum yaitu sebesar 0,85 m3/jam, level soda water yang dihasilkan pada net gas wash column C-5-05 adalah 5.356 m. Dari grafik diatas juga dapat diamati bahwa setiap masukan wash water akan mempengaruhi akumulasi level soda water. Untuk memudahkan pengamatan dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengujian Model Dinamik Komponen Penyusun System Pengendalian level Soda Water Sebelum dilakukan pengujian secara menyeluruh, maka dilakukan pengujian untuk masing-masing komponen penyusun system pengendalian level pada pada net gas wash column C-5-05. 4.1.1 Net Gas Wash Column C-5-05 Pada simulasi uji step net gas wash column C-5-05, sinyal masukan direpresentasikan sebagai laju wash water input yang keluar dari pompa G-09A. Pemberian sinyal uji step dimaksudkan untuk mengetahui tingkat kelogisan dari model matematis net gas wash column C-5-05, sehingga nantinya dapat diketahui apakah model matematis yang telah dibuat sudah merepresentasikan model yang sebenarnya atau tidak.
Tabel 4.1 Akumulasi Level pada Net Gas Wash Column C5-05 No Debit Wash Water Level Soda Water (m3/jam) (m) 1. 0,1 0,9991 2 0,2 1,647 3 0,3 2,296 4 0,4 2,944 5 0,5 3,592 6 0,6 4,24 7 0,7 4,888 8 0,85 5,861 Tabel di atas menunjukkan bahwa apabila diberikan input step yang bervariasi maka level soda water yang terakumulasi juga bervariasi, dimana debit wash water sebanding dengan akumulasi level soda water.
Gambar 4.1Simulasi uji step pada Net Gas Wash Column C-5-05 Berikut adalah grafik respon uji step level pada net gas wash column C-5-05
4.1.2 Level Tranmitter (LT 123) Berikut akan dilakukan pengujian level transmitter (LT123) jenis DP transmitter, dimana prinsip kerjanya berdasarkan perbedaan tekanan yang tidak dipengaruhi oleh density (density dibaca konstan).
10
4.2
Uji Open Loop Pada Net Gas Wash Column C-505 Dalam hal ini uji open loop dilakukan dengan menambahkan level transmitter pada plant, dimana ketika plant mengalkami perubahan density sesuai dengan volume wash water yang masuk.
Gambar 4.3 Simulasi uji step DP Transmitter LT 123 Dalam simulasi ini, inputan LT 123 berupa level dan output berupa arus. Dengan range input 0-10 m dan output 4-20 mA.
Gambar 4.6 Simulasi uji step Open Loop
10
Dalam hal ini, diberikan nilai step maksimum dari debit input ya mungkin pada plant sesuai dengan spesifikasi pompa G-09A, yaitu sebesar 0,85 m3/jam.
9 8
Level (meter)
7 6 5
6 4 3 2
5
1 0
0
10
20
30 Waktu
40
50
60
4 Level (meter)
Gambar 4.4 Grafik respon Step input Uji LT 123 Dari grafik di atas terlihat bahwa, pembacaan LT sesuai dengan inputan yang diinginkan yaitu sebesasr 10 meter. Tidak terjadi kesalahan pembacaan.
3
2
22
Level sebelum melewati LT 123 Level Setelah Melewati LT 123
20
1 18 16
Arus (mA)
0 14
0
10
20
30
40
50
60
70
Waktu 12 10
Gambar 4.7 Simulasi uji step Hasil Level
8
Dari grafik di atas terlihat bahwa ketika diberi debit input maksimum sebesar 0,85 m3/jam maka level yang dihasilkan pada plant sebesar 5,861 m. Tetapi setelah melewati level transmitter, level yang dihasilkan adalah sebesar 5,452 m. Dalam uji close loop, dilakukan percobaan dengan mengubah-ngubah debit input yang masuk dan data hasil simulasi dapat dilihat pada tabel dibawah ini
6 4
0
10
20
30 waktu
40
50
60
Gambar 4.5 Grafik respon Step output Uji LT 123 Selain itu terlihat juga output dari level transmitter yang ditunjukkan pada grafik di atas yaitu sebesar 20 mA. Jadi dapat dikatakan bahwa ketika diberikan input step maksmimum pada level transmitter yaitu sebesar 10 m, maka output dari level transmitter menunjukkan angka 20 mA. Hal ini berarti menunjukkan performa level transmitter adalah baik.
11
Tabel 4.2 Data Simulasi Matlab Net Gas Wash Column C5-05 N0 Debit (1) (m3/ja m)(2)
Pada tabel di atas menunjukkan ketika diberikan peubahan debit, maka terjadi perubahan pembacaan level pada saat sebelum dan setelah masuk dari level transmitter LT 123. Dapat dilihat bahwa semakin tinggi kenaikan level , maka error yang dihasilkan semakin besar. Terdapat error rata-rata yaitu sebesar 6,19 %, dimana error tersebut telah mencapai di luar batas toleransi. Untuk ketinggian level 2,432 (sesuai dengan set point) dapat dilihat bahwa error yang terjadi sekitar 6,33 %. Oleh sebab itu, maka diperlukan sistem koreksi untuk memperbaiki pembacaan dari level transmitter. 4.3 Uji Open Loop Pada Net Gas Wash Column C-505 Setelah ditambahkan Faktor Koreksi Perancangan sistem koreksi dibuat berdasarkan error dari sinyal output level tranmitter. Berdasarkan data-data yang telah dijui dari hasil simulasi diketahui bahwa semakin debit wash water yang diberikan maka semakin besar juga error yang dihasilkan oleh level transmitter
Gambar 4.8 Grafik Error Sinyal output LT123 terhadap Debit Masukan Dari grafik di atas terlihat bahwa semakin besar debit wash water, maka semakin besar koreksi yang diberikan. Hal ini menandakan bahwa semakin besar juga eror yang. Hal ini jelas, karena semakin banyak wash water yang masuk, maka density plant semakin manjauhi dari sensity awal yang terbaca oleh DP transmitter. Dari datadata tersebut makan dirancang sebuah faktor koreksi melalui fungsi seperti yang telah dijelaskan pada sub bab 3.6 Setelah dirancang sistem koreksi, maka dilakukan uji open loop kembali seperti pada gambar di bawah ini:
Level Glass (benar) (3)
DP-LT-123(Salah) (4)
Level (m) Arus (mA) Level(m) Arus(mA ) 0,9991 5,599 0,9509 5,521 1,064 5,702 1,011 5,618 1,129 5,806 1,071 5,714
1 2 3
0,1 0,11 0,12
4 5 6 7
0,13 0,14 0,15 0,16
1,194 1,258 1,323 1,388
5,91 6,013 6,117 6,221
1,131 1,191 1,251 1,331
5,81 5,906 6,002 6,098
8 9 10
0,17 0,18 0,19
1,453 1,518 1,583
6,325 6,428 6,532
1,371 1,431 1,491
6,194 6,29 6,386
Gambar 4.9 Uji Open Loop Plant Net Gash Wash Column C-5-05 Dengan Sistem Koreksi Dari uji open loop di atas maka didapatkan grafik sinyal output dari level trasnmitter seperti pada gambar di bawah ini: 14 13 12
Arus (mA)
11 10 9 8 7 Sinyal output LT yang seharusnya Sinyal output LT setelah diberikan sistem koreksi Sinyal output LT sebelum diberikan sistem koreksi
6 5 4
0
10
20
40
30
50
60
waktu
Gambar 4.10 Grafik Sinyal Output LT 123
12
70
Dalam hal ini error antara set point dengan output level setelah dikendalikan adalah sebesar 7 % . disimpulkan dari grafik di atas: Tabel 4.3 Hasil Respon Transien Untuk Kontrol PI Sebelum diberikan Faktor koreksi Set Point: Time Settling 7 jam 2,432 Overshoor 5,2 m Maximum Ess 7% Sebenarnya kestabilan sistem dapat dinyatakan melaluii tiga parameter yaitu Mp, ts, dan Ess, dimana suatu system errornya masih dapat ditoleransi memiliki nilai Ess < 5%. Dalam hal ini, erorr yang dihasilkan lebih besar dari 5 % sehingga dapat dikatakan di luar batas toleransi.
Grafik di atas merupakan grafik sinyal output dari level transmitter ketika diberikan input step debit maksimum. Dapat terlihat bahwa sinyal output setelah diberikan faktor koreksi hampir mendekati sunyal output yang seharusnya. Berbeda dengan sinyal output sebelum diberikan faktor koreksi. Dalam hal ini terlihat bahwa error sinyal output yang dihasilkan pada saat diberikan input step berupa debit maksimum sebelum ditambahkan faktor koreksi adalah sebesar 5 % dengan error rata-rata pengujian sebesar 3,6 %. Sedangakan setelah ditambahkan faktor koreksi error yang dihasilkan ketika diberikan debit maksimum adalah sebesar 1,55 % dengan error rata-rata dari pengujian yang telah dilakukan sebesar 0,002 %. 4.4 Uji Close Loop Pada Net Gas Wash Column C-505 Sebelum ditambahkan Faktor Koreksi Berikut adalah uji sistem close loop tanpa menggunakan faktor koreksi.
4.5
Uji Close Loop Pada Net Gas Wash Column C-505 Setelah ditambahkan Faktor Koreksi
Gambar 4.11 Uji Close Loop Plant Net Gash Wash Column C-5-05 Tanpa Sistem Koreksi Setelah ditambahkan sistem koreksi maka dilakukan pengujian sistem close loop tanpa menggunakan sistem koreksi yang nantinya akan dibandingkan dari error yang dihasilkan. Pada pengujian ini diberikan setpoint sebesar 2,432 m sesuai dengan set point net gash wash column C-505 dan output level yang dihasilkan setelah dikontrol adalah sebesar 2,603.
Gambar 4.13 Uji Close Loop Plant Net Gash Wash Column C-5-05 Setelah Ditambahkan Sistem Koreksi Setelah ditambahkan sistem koreksi maka dilakukan pengujian sistem close loop yang sebelumnya dilakukan tuning pada controllernya. Diberikan setpoint sebesar 2,432 m dan output level yang dihasilkan setelah dikontrol adalah sebesar 2,425.
6
3.5 5
3 set point respon level
2.5
3
level meter(m)
level meter(m)
4
2
1
0
2 set point respon level 1.5
1
0.5 0
5
10
15
20
25 30 waktu(jam)
35
40
45
50
0 0
Gambar 4.12 Grafik Respon Level Tanpa Sistem Koreksi
5
10
15
20
25 30 waktu(jam)
35
40
45
50
Gambar 4.14 Grafik Respon Level Dengan Sistem Koreksi
Dari grafik respon di atas dapat terlihat bahwa sistem tidak dapat mengikuti set point yang diberikan.
13
Dari grafik respon di atas dapat terlihat bahwa sistem dapat mengikuti set point yang diberikan. Hanya saja tersjadi error sekitar 0,29 %. Berikut merupakan hasil respon yang dapat disimpulkan dari grafik di atas: Tabel 4.3 Hasil Respon Trasnsien Untuk Kontrol PI Setelah diberikan Faktor koreksi Set Point: Time Constant 6 jam 2,432 Overshoor 3,4 m Maximum Ess 0,29 %
Nama NRP TTL Alamat Surabaya
: Riska Utami : 2408 100 017 : Balikpapan, 23 November 1989 : Jalan Hidrodinamika Blok T No 20 Perumdos ITS Alamat Balikpapan :Jalan Bunyu No 714 Komperta Balikpapan Tengah Riwayat Pendidikan : TK Tunas Harapan 2 Balikpapan (1994-1996) SD Patra Dharma 1 Balikpapan (1996-2002) SMP Patra Dharma 1 Balikpapan (2002-2005) SMA Negeri 2 Balikpapan (2005-2008) Jurusan Teknik Fisika ITS (2008-…...)
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut: 1. Perubahan density soda water pada net gas wash column C-5-05 mengakibatkan pembacaan level dengan menggunakan DP transmitter tidak akurat 2. Pembacaan level soda water dengan level transmitter (pembacaan yang salah) terhadap level glass (pembacaan yang benar) memiliki error rata-rata sebesar 6,19% 3. Sistem pengendalian level dengan sistem koreksi dapat menjadikan hasil pembacaan level dengan DP transmitter menjadi jauh lebih baik. 4. Pada set point 2,432 m, error yang dihasilkan setelah ditambahkan sistem koreksi pada sistem pengendalian level pada net gas wash column C-5-05 menjadi 0,29%, sedangkan tanpa sistem koreksi error yang dihasilkan sebesar 7 %
DAFTAR PUSTAKA [1] Ogata, Katsuhiko. 2002. Modern Control Engineering, Fourth Edition. Prentice-Hall, Inc. United States of America [2] Gunterus, Frans. 1994. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Jakarta. PT. Elex Media Komputindo [3] Liptak, B.I. 2003. Instrument Engineers' Handbook - Process Measurement and Analysis [4] Pudjanarsa, Astu. 2008. “Mesin Konversi Energi”. ANDI; Yogyakarta [5] Margolin, Jed.2001.The Secret Life of Vector Generators.http://www.jmargolin.com_vgens_fi g13b.jpg.mht [6] Iwan Setiawan. “ Kontrol PID untuk Proses Industri”. Elex Media Komputindo, 2008 [7] Michael J. Moran. “Fundamentals of Engineering Thermodynamics Fifth Edition”. John Wiley & Sons, Inc. [8] SSK Electrical Measure and Control Technology [9] http://www.dwirajaya.co.id/Other_Valve.htm [10] “Fundamentals Handbook Intrumentation and Control Vol 1 0f 2”. Department of Energy.United States Of America. 1992. Biodata Penulis
14
