PERANCANGAN SWITCHING CONTROL PADA POMPA DI SIMULATOR SISTEM PENGENDALIAN LEVEL DAN TEMPERATUR ( Rahmat Permanahadi, DR. Ir. Totok Soehartanto, DEA ) Jurusan Teknik Fisika-Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya 6011 Email :
[email protected] Abstrak Telah dihasilkan sebuah simulator pengendalian level dan temperatur pada tangki vertikal dan horisontal dengan menggunakan software labview. Pada penelitian telah dirancang cascade control untuk mengendalikan temperatur fluida dan Pressure Relief Valve ( PRV ) untuk pengamanan pressure yang berlebih pada tangki vertikal. Akan tetapi penelitian ini belum dirancang sistem pengendalian 2 buah pompa yang ada disimulasi untuk mengalirkan fluida dari tangki vertikal ke tangki horisontal.Untuk itu pada penelitian ini dirancang switching control untuk mengatur kerja kedua pompa agar simulator dapat berfungsi dengan baik. Pada Tugas Akhir ini, telah dilakukan simulasi dari sistem switching control. Dari hasil simulasi, level dari tangki vertikal dapat dikontrol dengan batas atas level 120 cm dan batas bawah level 3 cm dan tangki dapat dikontrol dengan batas atas level 120 cm dan batas bawah level 3 cm dan dapat mensirkulasikan air dari tangki vertikal ke tangki horisontal dengan laju aliran 0,0005 m3/s. Sistem juga memiliki kinerja yang baik dalam merespon gangguan yang diberikan baik secara internal maupun eksternal setelah diberi gangguan penambahan load (laju aliran input) yang mempengaruhi level pada sistem proses tersebut. Kata Kunci : Tangki vertikal, Tangki horisontal, Pressure Relief Valve ( PRV ), Cascade Control, Switching control, Level, Labview. BAB I PENDAHULUAN Pada Bab berikut ini akan dijabarkan mengenai latar belakang, permasalahan, pendekatan masalah yang diambil, tujuan dan manfaat yang akan dicapai, beserta sistematika laporan dari penelitian Tugas Akhir ini. 1.1
Latar Belakang.
Di Workshop Instrument akan membangun sebuah miniplant. Miniplant yang akan dirancang adalah simulator sistem pengendalian level dan temperatur. Dengan fluida kerja berupa air (water), dimana pada sistem tersebut terdiri dari 2 tangki, yaitu satu unit tangki horizontal yang berfungsi sebagai penampung air (storage) yang akan menyalurkan fluida ke tangki berikutnya berupa tangki vertikal. Pada tangki vertikal dilengkapi dengan elemen pemanas (heater) yang berfungsi untuk menaikkan temperatur fluida sehingga debit air yang masuk merupakan variabel yang harus dimanipulasi agar tetap terjaga temperatur dan levelnya. Gambar dibawah ini merupakan P&ID dari tangki vertikal
Gambar 1.1 P&ID tangki Vertikal Untuk itu diperlukan sistem pengendalian bertingkat ( cascade ) pada tangki vertikal dan switching control untuk
mensirkulasikan air dari tangki vertikal ke horisontal. Dari hasil karya TA yang sudah ada, Dari tugas akhir Fahruly merancang sistem pengendalian bertingkat (cascade control) temperatur dan level pada tangki vertikal. Sebagai pengendali pada sistem tersebut digunakan algoritma pengendalian PID controller. Dari tugas akhir Anugrah merancang Pressure Relief Valve ( PRV ) yang terdapat pada tangki vertikal. Untuk mencegah terjadinya kenaikkan suhu yang berlebih (overheating) yang dapat mempengaruhi kenaikan tekanan, maka diperlukan suatu device yang berfungsi untuk mengendalikan tekanan dengan cara membuang tekanan tersebut ke udara pada saat terjadi overpressure didalam tangki.
Gambar 2.2 Posisi Pressure Pelief valve pada tangki vertikal[2] Pompa pada miniplant tidak di kontrol, untuk itu perlu adanya switching control pada pompa untuk mensirkulasikan air dari tangki vertikal ke tangki horisontal. Oleh karena saya mendapat ide untuk menggunakan switching control untuk mengatur pompa untuk mensirkulasikan air dari tangki vertikal ke tangki horisontal. Proses sirkulasi pemanasan air ini terdiri dari tangki vertikal yang didalamnya terdapat heater dan presure savety valve. Dalam tangki vertikal ini terjadi proses pemanasan air sehingga dihasilkan produk berupa fluida panas. Setelah itu tangki vertikal tersebut terhubung dengan tangki horisontal yang digunakan sebagai storage.
Proses dari sirkulasi pemanasan air ini adalah air dingin yang berasal dari tangki horisontal dipompakan masuk ke dalam tangki vertikal. Laju aliran air tersebut diatur oleh pompa 1. Pengaturan laju aliran disini digunakan untuk menjaga level pada tangki vertikal konstan sesuai dengan set point. Untuk menjaga agar level air tersebut sesuai dengan set point, maka digunakan sistem pengendalian level dengan mengatur kerja pompa secara bergantian maka diperlukan switching. Agar switching bekerja maksimal maka diperlukan logic solver. Switching control pompa ini digunakan untuk menjaga agar air tidak memenuhi tangki dan menjaga agar tangki tidak kehabisan air. Dengan kondisi air yang levelnya terjaga maka tangki vertikal tersebut mampu memenuhi permintaan laju keluaran aliran menuju ke tangki horisontal. Selain itu pengendalian level ini juga disesuaikan dengan adanya proses pemanasan air oleh heater. Dengan adanya kenaikan temperatur maka akan menyebabkan terjadinya kenaikan presure. Pada proses pemanasan fluida tersebut sebagian dari fluida berubah menjadi vapor. Perubahan nilai massa vapor hasil evaporasi tersebut dapat meningkatkan besarnya presure pada tangki vertikal. Oleh karena itu pada tangki vertikal dilengkapi dengan pressure safety valve yang digunakan sebagai pengaman apabila sewaktu-waktu pressure pada tangki vertikal tersebut mencapai presur maksimal yang ditentukan berdasarkan spesifikasi pada pressure safety valve. Output pemanaan air dari tangki vertikal dipompakan dengan pompa 2 menuju ke tangki horisontal yang berfungsi sebagai storage. Pada tangki horisontal terdapat Switching control pompa yang digunakan untuk menjaga level agar sesuai set point yang sudah ditetapkan oleh kontroler. Output dari tangki horisontal tersebut masuk kembali ke dalam tangki vertikal untuk kembali ke proses awal lagi. Perkembangan Switching control yang dikembangkan lebih cenderung ke proses safety level switch low (LSL) dan pressure switch low (PSL) dan untuk mengontrol mana yang diinginkan. Pada bidang industri digunakan untuk menswitch apabila terjadi keadaan yang tidak normal ( emergency ). Biasanya Switching control bekerja secara onoff untuk switch. Beberapa alat seperti pressure switch low, flow switch high, dan overload relay pada motor pompa dipasang pada sistem pompa untuk menghindari overload. 1.2
Permasalahan
Berdasarkan latar belakang sebelumnya, maka dirumuskanlah permasalahan dalam Tugas Akhir ini yang kemudian berdasarkan metodologi yang ada harus dipecahkan. Adapun untuk rumusan permasalahannya adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana membuat switching control pada pompa di simulator water circulation agar bekerja sesuai kebutuhan. 2. Bagaimana menentukan model matematis proses pada tangki horizontal 3. Bagaimana membuat simulator water circulation 1.3
Batasan Masalah
Untuk mempertajam dan memfokuskan permasalahan dalam Tugas Akhir ini, beberapa batasan masalah yang diambil diantaranya adalah sebagai berikut: 1. Simulator yang dipergunakan masih hasil perancangan diatas kertas, jadi saya hanya menggunakannya.
1.4
2.
Kerja pompa sesuai dengan logic kontrol.
3.
Pemodelan disimulasikan dengan mempergunakan software LabVIEW 8.2.1 Tujuan
Tujuan dari pengerjaan tugas akhir ini adalah untuk melakukan perancangan switching control pada pompa di simulator sistem pengendalian level dan temperatur untuk mensirkulasikan air dari tangki vertikal ke tangki horisontal dengan menggunakan software labVIEW. 1.5
Metodologi penelitian Untuk mencapai tujuan yang telah ditetapkan, maka diperlukanlah metodologi yang memuat tahapantahapan dalam menyelesaikan Tugas Akhir. Adapun metodologi yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Studi literatur Studi literatur berhubungan terhadap materi yang terkait dengan pelaksanaan tugas akhir yang akan dilakukan, mengenai: Pemahaman mengenai karakteristik tangki vertikal dan tangki horisontal. Pemahaman mengenai desain tangki vertikal dan tangki horisontal Pemahaman mengenai desain proses pada tangki vertikal dan tangki horisontal. Pemahaman mengenai kesetimbangan massa dan energi Pemahaman mengenai heater, transmitter, actuator. Pemahaman mengenai sistem switching pompa pada simulasi. Pemahaman mengenai pemrograman pada software LabVIEW Pemahaman mengenai interface card dan DAQ 2. Identifikasi variabel dan pemodelan matematis Menentukan dimensi dari tangki vertikal dan tangki horisontal. Menentukan desain proses pada tangki vertikal dan tangki horisontal Menentukan pemodelan matematis dinamika proses di tangki vertikal dan tangki horisontal Menentukan desain switching control yang sesuai dengan proses pada tangki vertikal dan tangki horisontal Penalaan parameter pengendalian proses
3.
4.
5.
6.
Merancang program switching control pada pompa di simulator sistem pengendalian level dan temperatur: Membuat variabel, parameter, dan persamaan pada software LabVIEW Pembuatan interface antara simulator yang telah dibuat dengan DAQ dan Interface Card: Pengecekan kondisi DAQ dan interface card yang akan digunakan Penggabungan program simulator yang telah dibuat dengan DAQ dan interface card Eksperimen switching control pada pompa dengan simulator yang telah dibuat dalam LabVIEW Penyusunan laporan Tugas Akhir.
Merancang diameter sebuah tangki dapat juga didasarkan pada volume total tangki dengan mempergunakan beberapa persamaan yang berkaitan. VT = Vi + Vrk (2.8) Dimana VT = volume total tangki (ft3) Vi = volume fliuda (ft3) Vrk = volume ruang kosong (ft3) Selain dihitung berdasarkan volume fluida dan volume ruang kosong, volume total tangki dapat dihitung berdasarkan volume silinder tutup atas dan bawah. VT
=
V1 +
V2
+
V3
(2.9) BAB II TEORI PENUNJANG Pada bab II ini akan dibahas mengenai teori-teori dasar yang menunjang dalam pengerjaan tugas akhir, diantaranya Deskripsi sistem pengendalian bertingkat (cascade control), transmitter, actuator, aksi pengendalian, Hukum kesetimbangan massa, Hukum kesetimbangan energi serta software Labview yang akan digunakan untuk mensimulasikan sistem yang telah dirancang.
Dimana V1 = Volume tutup bawah (ft3) V2 = Volume silinder (ft3) V3 = Volume tutup atas (ft3) Pada daerah tutup atas dan bawah dapat diketahui nilai volumenya dengan menggunakan persamaan V = 0,000049 d3 ft3 (2.10) Dimana d dalam satuan inch
2.1 Tangki Vertikal Tangki vertikal merupakan sebuah tangki yang pada umumnya digunakan sebagai tangki penyimpanan (storage). Tangki vertikal juga dapat digunakan sebagai tangki untuk suatu proses tertentu, diantaranya adalah proses pemanasan suatu fluida dimana didalam tangki terpasang sebuah heater (pemanas) sebagi sumber panas. 2.2 Tangki Horisontal
Tangki horisontal dalam proses industri atau plant industri bisanya digunakan sebagai penyimpan atau storage. Pada tangki horisontal variabel yang harus dikontrol tidak terlalu kompleks, biasanya hanya sekitar dua variabel. Berbeda dengan pada tangki vertikal yang lebih kompleks biasanya variabel yang dikontrol lebih banyak seperti temperature, presure, level dan aliran. Sementara itu tangki horisontal sebagaimana fungsinya sebagai storage biasanya hanya mengontrol variabel level dan flow saja. Meskipun demikian ada juga tangki horisontal yang mempunyai variabel yang lebih dari yang saya jelaskan di atas. Tapi pada penelitian ini tangki horisontal digunakan sebagai storage. Untuk perhitungan pada horisontal digunakan persamaan yang sama dengan persamaan yang ada pada tangki vertikal.
Untuk daerah silinder, yaitu pada bagian yang berbentuk silinder, volume dapat diketahui dengan menggunakan persamaan, V = d2 L (2.11) 4 Jadi volume total dari tangki tersebut adalah VT = 2 x 0,000049 d3 ft3 + d2 L (2.12) 4 Dengan didapatkannya nilai diameter dari tangki maka dapat diketahui tinggi dari dari tutup tangki. Tinggi tutup atas dan bawah (ha) ha = 0,169 d (2.13) Tinggi bagian silinder (L) L = 1,5 x d (2.14) 2.3 Proses Pemanasan (heating process) Dalam proses pemanasan (heating process) terdapat dua macam metodeGambar yang 2.2 biasa digunakan di [13] Tangki Horisontal industri yaitu metode Direct Tank Heating dan Indirect Tank Heating. Metode Direct Tank Heating menempatkan heater di dalam tangki dimana heater akan mengalami kontak langsung dengan media yang akan dipanaskan. Dengan menggunakan metode ini efisiensi heater akan mendekati 100%. Hal ini dikarenakan pemanasan yang dibangkitkan oleh heater dapat diserap langsung oleh proses yang terjadi, selain itu juga dapat mempercepat proses pemanasan.Metode yang kedua adalah Indirect tank Heating. Metode ini membutuhkan media untuk mengirimkan panas ke dalam tangki, dengan kata lain elemen heater tidak mengalami kontak langsung dengan media yang akan dipanaskan
Heater digunakan untuk meningkatkan temperatur dari suatu fluida pada sebuah tangki. Heater memiliki berbagai macam jenis dan bentuk sesuai dengan range pengukuran temperatur dan ukurannya. Salah satu jenis heater adalah tubular heater yang banyak digunakan pada sebuah tangki. Selain itu terdapat juga thermocouple heater, finned heater yang memiliki karakteristik dan range pengukuran yang berbeda beda.
Gambar 2.3 Heater pada sebuah Tangki Vertikal[12] 2.4. Temperatur transmitter Banyak jenis sensor yang digunakan untuk melkukan pengukuran temperatur pada suatu proses, Salah satunya menggunakan sensor RTD (Resistance Temperatur Detector). Prinsip dari transmitter ini yaitu mengolah hasil pengukuran yang berupa tahanan yang sebanding dengan suhu yang diukur. keluaran ini kemudian diolah dengan rangkaian pengkondisi sinyal sehingga diperoleh keluaran berupa arus 4-20mA. Secara umum fungsi alih dari temperatur transmitter dapat didekati dengan sistem orde 1 sebagaimana pada persamaan dibawah ini
Toy Tox
KT Ts 1
(2.15)
Gambar 2.4 Skema temperatur transmitter[10] Level transmitter 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. Perbedaan tekanan menyebabkan force bar bergerak menuju keseimbangan dan gerakan ini dihubungkan dengan relay. Relay merupakan komponen utama dalam transmitter. Dimana relay merupakan penguat pneumatik yang berfungsi mengubah perubahan kecil pada masukkan menjadi perubahan yang besar pada keluaran. Suplai udara diberikan pada relay yang diletakkan melalui lubang permukaan instrumen. Sinyal input (tekanan nozzle) masuk ke relay melalui lubang yang lain dan bekerja pada suatu diafragma berhubungan dengan steam valve maka akan terjadi dua gerakan. Saat sinyal input naik, steam valve menekan ball valve sehingga menggerakkan flat. Gerakan steam yang lebih besar mengakibatkan menutupnya lubang buang (exhaust), sehingga menyebabkan variasi tekanan pada output. Fungsi alih dari level transmitter dapat didekati dengan sistem orde 1 sebagaimana persamaan dibawah ini 2.5.
Loy Lox
KT s 1
(2.16)
T
2.6. Control valve Valve secara definisi bahasa Indonesia yaitu katup, keran, atau klep, yang mempunyai fungsi sebagai pengatur laju aliran fluida yang melewatinya. Jika katup tersebut diinginkan dapat digerakkan secara otomatis sesuai dengan keinginan maka dibutuhkan katup yang dapat dikendalikan yang biasa disebut disebut control valve. Sedangkan aktuator, dalam bahasa Indonesia, mungkin bisa diartikan sebagai penggerak. Karena memang fungsi sebuah aktuator adalah menggerakkan control valve agar ia terbuka atau tertutup dan selalu ada pada posisi yang dikehendaki pengendalinya.
mb s U s
K tot s 1
.................( 2.19 )
v
2.7. Pressure Relief Valve Definisi Sistem Pembuangan (relief system) Relief system merupakan proses pembuangan kapasitas maksimum tekanan yang ada didalam sebuah tangki (equipment), (SV/PSV/PRV/BDV), vent scrubber serta vent sistemnya, sistem perpipaan ke flare, flare dari separator, flare-nya sendiri serta sistem pengapiannya. Dimana proses tersebut dilakukan untuk memelihara equipment. Pendefinisian kapasitas maksimum dari fluida yang akan dibuang ke relief system tersebut memerlukan analisa yang dalam dengan berbagai asumsi, tetapi penentuan awal ini yang diperlukan, dengan asumsi umum bahwa dua keadaan emergency oleh kegagalan equipment yang tidak saling berhubungan atau operator error tidak akan terjadi secara sekaligus. Sequence dari keadaan tersebut harus diperhitungkan, dengan jalan mengetahui keseluruhan desain operasional termasuk mengenali tipe driver pompa yang digunakan, sumber cooling water, spare yang disediakan (misal pada vessel body), layout pabrik, instrumentasi, dan philosophy dari emergency shutdown-nya. Proses Kerja pada Pressure Relief Valve Dalam proses perancangan pressure relief valve ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam menentukan PRV yang sesuai untuk proses di plant. Adapun hal-hal tersebut antara lain perhitungan Maximum Allowable Working Pressure (MAWP), pressure and flow characteristic, valve sizing. Pada kasus ini hal pertama yang perlu dilakukan adalah menentukan dimensi dari vessel (tangki vertical) serta model matematis dari proses tersebut, kemudian menetukan karakteristik relief valve yang akan digunakan dengan ditinjau dari karakteristik spring force dan pressure force untuk jenis direct acting relief valve. Besarnya tekanan sistem yang dibuang dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut : Pc =
Fso Fr As
..(2.20)
Dimana Pc : Pressure cracking (psi) Fso : Spring force preload ( = Ks.Xo) Ks : Spring rate xo : Precompressed spring length Fr : Coulomb friction force As : Spool area normal to pressure
Daya hidrolik (hydraulic horse power) Daya hidrolik (daya pompa teoritis) adalah daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan sejumlah zat cair. Daya ini dapat dihitung dengan rumus : HHP = (2.22)
Sebagai catatan bahwa kerja dari Fr (coulomb friction force) secara langsung berkebalikan dengan arah gerakan dari spool, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.11 Proses direct acting relief valve[14 ]
Gambar 2.12 Hubungan antara Pressure-Level pada Pressure Relief Valve [14]
Dimana : HHP = Daya hidrolik pompa Q = kapasitas pompa (m3/s) H = Total head pompa (m) = berat spesifik cairan (kg/m3) 2.7. Hukum kesetimbangan massa Hukum kesetimbangan massa menyatakan bahwa massa tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Untuk sebuah volume kontrol, hukum kekekalan massa dapat dinyatakan semata-mata sebagai laju aliran massa yang masuk ke volume kontrol ditambah laju akumulasi massa dalam volume kontrol dikurangi laju aliran massa yang keluar dari volume kontrol. [7] Dengan menggunakan persamaan di bawah maka dapat diidentifikasi variabel keadaan pada tangki vertikal. Massa total didalam tangki : Massa total = V = Ah (2.23) Dimana : = massa jenis fluida V = volume dari fluida A = luas penampang dari tangki vertical H = ketinggian level fluida dalam tangki vertical =
2.8 Pompa Atau Cara kerja pompa sentrafugal Pompa sentrifugal merupakan salah satu peralatan yang paling sederhana dalam berbagai proses pabrik. Cara kerja pompa jenis ini beroperasi: Cairan dipaksa menuju sebuah impeler oleh tekanan atmosfir, atau dalam hal jet pump oleh tekanan buatan. Baling-baling impeler meneruskan energi kinetik ke cairan, sehingga menyebabkan cairan berputar. Cairan meninggalkan impeler pada kecepatan tinggi. Impeler dikelilingi oleh volute casing atau dalam hal pompa turbin digunakan cincin diffuser stasioner. Volute atau cincin diffuser stasioner mengubah energi kinetik menjadi energi tekanan.
Gambar 2.13 Lintasan Aliran Cairan Pompa Sentrifugal[15]
= Fi
F
(2.24)
Dimana Fi dan F adalah laju aliran [volume per satuan waktu (ft3/min atau m3/min)] dari input dan output proses. Dengan mengasumsikan massa jenis dari fluida konstan maka persamaan (2.2) menjadi A
= Fi F
(2.25)
2.10 Hukum kesetimbangan energi Hukum kesetimbangan energi menyatakan bahwa laju perubahan energi yang tersimpan didalam suatu sistem adalah sebanding dengan laju perubahan energi yang masuk kedalam sistem dijumlahkan dengan energi yang dibangkitkan (generated) oleh sistem itu sendiri kemudian dikurangi dengan laju perubahan energi yang keluar dari sistem. [7] = + Atau
= Fi cp (Ti
T ref) - F cp (T
T
ref)+ Q (2.26) Dimana: A : luas penampang dari tangki vertikal (m2) h : ketinggian fluida didalam tangki vertical (m) T : temperatur fluida didalam tangki ( Fi : Laju aliran yang masuk ke tangki vertikal (m3/min) Ti : temperatur fluida yang masuk ke tangki vertical ( Q : Kalor yang dihasilkan oleh pemanas (heater) (joule) : Massa jenis fluida Cp : Kapasitas panas fluida didalam Tangki vertikal Sedangkan kesetimbangan energi untuk tangki vertikal berdasar persamaan (2.15) adalah
Data Akuisisi dengan labVIEW. Akuisisi data merupakan proses pengalihan data dengan mengkondisikan sinyal masukan data menjadi sinyal digital yang dapat diterima oleh PC atau media elektonik lainnya dimana pada proses akuisisi data terjadi proses mengambil, mengumpulkan dan menyiapkan data, hingga memprosesnya untuk menghasilkan data yang dikehendaki. BAB III PERANCANGAN & PEMBUATAN SIMULASI Pada Bab III ini akan dideskripsikan mengenai proses pada tangki vertikal, yang selanjutnya akan dilakukan pemodelan untuk disimulasikan dengan menggunakan software Labview.
(2.27) Dimana nilai F, V, , Cp adalah konstan, maka persamaan (2.27) dapat disederhanakan menjadi (2.28) Dimana Q adalah jumlah energi panas yang dihasilkan oleh pemanas (heater) per satuan waktu. 2.11 LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) merupakan bahasa pemrograman dengan performansi dan fleksibilitas seperti bahas pemrograman yang lain yaitu C++, Fortran, Basic, dan lainlain. Secara umum, bahasa pemrograman menggunakan kode sebagai aplikasinya sehingga aplikasinya sehingga tidak perlu memperhatikan syntax (koma, periode, titik koma, tanda kurung kotak, tanda kurung kurawal, tanda kurung lengkung). LabVIEW menggunakan icon yang dihubungkan bersama untuk mempresentasikan fungsinya dan menjelaskan aliran data dalam program. Hal ini sejenis dengan membangun flowchart kode sesuai dengan yang diinginkan. Program LabVIEW biasa disebut Virtual Instruments (V.I). V.I dibangun oleh dua windows yaitu panel muka (front panel) dan blok diagram. Front Panel menyediakan interface untuk pengguna yang akan mensimulasikan panel untuk instrumen seperti knop, tombol, dan saklar. Masukan pada front panel disebut kontrol. Keluaran yang terdiri dari grafik, LEDs, dan meter disebut indikator. Diagram merupakan source code yang dibuat dan berfungsi sebagai instruksi untuk front panel.
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan 3.1 Proses pada Heated Water Circulation Miniplant Proses yang terjadi pada Heated Water Circulation miniplant adalah proses sirkulasi pemanasan air. Pada miniplant ini terjadi proses pencampuran antara air hasil pemanasan oleh heater pada tangki vertikal dengan air yang tersimpan pada tangki horizontal. Pada sistem pengendalian di tangki vertikal, variabel temperatur dipengaruhi oleh level air, sehingga strategi untuk mensirkulasikan air dari tangki vertikal ke tangki horisontal menggunakan switching control pada pompa. Gambar 3.2 menunjukkan diagram alir proses secara keseluruhan dari miniplant heated water circulation.
Gambar 2.14 Tampilan Vi pada Labview
ASME Unfired-Pressure-Vessel Code (lampiran), tangki terbuat dari bahan Carbon steels SA-201 Grade B C-Si type Double Welded Butt Joint dengan ketebalan tangki t = 4/16 sehingga untuk jari-jari dalam dapat ditentukan dari gambar dibawah ini sebagai berikut : diketahui d = 0,91 m jadi Rout = 0,455 m t = 4/16 = 0,625 cm Rin = 0,455 0,00625 = 0,44875 m Gambar 3.2 Process Flow Diagram 3.2 Perancangan Tangki Horizontal. Tangki horisontal Untuk menentukan dimensi dari tangki horisontal maka disesuaikan dengan kapasitas pompa serta waktu untuk memenuhi tangki sesuai dengan pada tangki vertikal. Yaitu kapasitas pompa 7,5 liter / menit dan asumsi bahwa untuk memenuhi dalam kondisi maksimum dari tangki dibutuhkan waktu sekitar 40 menit. Berdasarkan equipment vessel design untuk tangki storage disebutkan bahwa komposisi ideal dalam desain tangki yang diisi air adalah 50 % air dan sisanya 50 % adalah ruang kosong. Dari sini kita akan menghitung dimensi dari tangki berdasarkan persamaan 2.2 dan 2.3 : Vfluida = 7,5 liter x 60 menit = 450 liter Vtangki =
Gambar 3.3 Jari jari ketebalan tangki 3.3 Pemodelan Proses pada Tangki Horisontal. Perilaku dan sifat-sifat dari sistem dapat diwakili dalam bentuk model matematis. Model matematis dapat memberi gambaran hubungan fungsional antara masukan dan keluaran dari suatu proses dan merupakan gambaran perilaku dinamik sebuah sistem. Proses yang terjadi pada tangki horisontal adalah fluida yang masuk ke dalam tangki adalah hasil dari pemanasan dari tangki vertikal. Untuk mendapatkan model matematis pada tangki vertikal digunakan hukum kesetimbangan massa dan hukum kesetimbangan energipersamaan dari hukum kesetimbangan massa didapat dari persamaan di bab 2 adalah
x 450 liter = 900 liter
Berdasarkan standar yang ada L = 1,5 x d sehingga persamaannya menjadi Vtangki = 900 liter = 900 dm3 = 0,9 m3 = 31,78 ft3 31,78 = 2 x 0,00049 d3 +
d2 / 4 X L
Parameter : = 1000 kg/m3 cp = 4,2 A = 0,442 m2 Fo =0,0005 (m3/s) Ti =74,5 To = 100 C
31,78 = 2 x 0,00049 d3 + 3,14 d2 / 4 X 1,5 d d = 3 ft = 36 in = 0,91 m = 91 cm Jadi panjang dari bagian silinder tangki L = 1,5 d L = 1,5 x 91 cm = 136,5 cm Panjang dari penutup cembung pada tangki dapat dihitung dengan : Tutup atas = d x 0,169 = 91 x 0,169 = 15,379 cm Tutup bawah = d x 0,169 = 91 x 0,169 = 15,379 cm Dari situ kita bisa menghitung panjang keseluruhan dari tangki dengan cara : Ttangki = Ltangki + Tutup atas + Tutup bawah = 136,5 + 15,379 + 15,379 = 167,25 cm = 1,67 m Penentuan jenis tangki yang digunakan berdasarkan jenis tangki yang beredar dipasaran dimana berdasarkan tabel
= Fi
A
Fo
= Fi Fo
0,442
dh dt
Fi 0,0005
Untuk persamaan kesetimbangan energi adalah Dalam proses ini, nilai temperatur air yang keluar dari tangki vertikal tidak bisa langsung mencapai setpoint yang ditentukan (100 0C), dikarenakan proses yang terjadi pada miniplant ini adalah kontinu (sirkulasi). Temperatur air yang dikendalikan, dipengaruhi oleh daya heater yang digunakan dan kalor jenis dari air. Kalor jenis air adalah sebesar 4200 j /Kg 0C, jadi untuk menaikkan temperatur air dengan jumlah 1Kg/s sebesar 10C, dibutuhkan kalor sebesar 4200 joule. Daya heater yang digunakan sesuai dengan spesifikasi adalah 1500 W,
maka kalor yang dihasilkan oleh heater tersebut sebesar 1500 j/s. Oleh karena proses pada miniplant ini adalah proses sirkulasi, kalor yang dihasilkan oleh heater juga ditambahkan dengan kalor air yang disirkulasikan kembali kedalam tangki
Loy
KT s 1
Lox
T
Toy
0,32 2s 1
Tox =
Fi cp (Ti
T ref) - F cp (T
T
ref) + Q water
Oleh karena nilai dari parameter h juga berubah terhadap waktu. Gambar 3.5 Gambar untuk pemodelan level transmitter 3.5 Pemodelan Control Valve Gain total dari control valve didefinisikan sebagai hasil perkalian antara gain perubahan dari arus ke tekanan K i / p dengan gain aktuator K actuator .
Gambar 3.4 wirring diagram proses tangki horizontal di labview 3.4 Pemodelan Level Transmitter Temperatur transmitter yang digunakan dalam sistem proses ini adalah EJX110A Differential Pressure Transmitter H capsule produk dari Yokogawa Electric Corporation. Tabel 3.3 Spesifikasi EJX110A Differential Pressure Transmitter EJX110A Differential Pressure Transmitter H capsule Range -500 to 500 kPa (-2000 to 2000 inH2O) Span 2.5 to 500 kPa (10 to 2000 inH2O) Akurasi ±0.04% Output 4 20 ma DC Power BRAIN and HART: Supply 10.5 to 42 V DC Fungsi alih dari level transmitter dapat didekati dengan sistem orde 1. Karena Output dari transmitter adalah 4 20 mA, maka diperoleh Gain transmitter
KI
Span_ pressure_ dari _ I / P Span_ input _ Sinyal_ Control
P
0 100% 20 4 mA
Kactuator 1
d mmax f (x) dx Span_ pressure _ dari_ I / P
0,6667 Kg / s 0 100%
Dimana
m max = laju aliran maksimum fluida yang masuk ke control valve = 0,6667 Kg/s f ( x ) x = karakteristik control valve linier
Ktot
K I .K actuator P
Ktot = 0 100% . 0,6667 Kg / s 20 4 mA
KT
Span_ Keluaran Span_ Variabel_ Terukur
20 4 mA 0,32mA/ Psi 216 (167 Psi
Dengan adalah konstanta waktu untuk T transmitter yang didapat dari spesifikasi alat, besarnya adalah 2 second Berdasarkan data spesifikasi dari level transmitter yang digunakan,. fungsi transfer dari level transmitter adalah sebagai berikut
0 100%
= 0.041 Kg/s/mA Kemudian besar Time Konstan control valve dapat diperoleh dengan menuliskan persamaan V = Fraksi massa Perubahan Control Valve =
m b max m b min m b max
0,6667 0 0,6667
Rv = Perbandingan Time Konstan inherent dengan Time Stroke = 0,03 ( untuk jenis aktuator diaphragma ) = 0,3 ( untuk jenis aktuator piston ) Tv dapat diperoleh dari persamaan berikut
Tv
Gambar 3.7 Gambar pemodelan pompa di LabVIEW
Yc Cv
Yc = Faktor Stroking Time Valve = 0,676 Cv = koefisien control Valve = 0,39 cv
CV
CV
Tv ( V 0.676 0.39
RV ) 0,6667 0 0,6667
3.5 Perancangan switching control. Dari gambar plant dapat dilihat pompa pada miniplant tidak di kontrol, untuk itu perlu adanya switching control pada pompa yang dapat membuat pompa bekerja sesuai kebutuhan. Gambar 3.5 menunjukkan switching kontrol yang mengendalikan pompa pada plant.
0,03
1,79s
Sehingga Fungsi Alih dari Control Valve adalah sebagai berikut:
K tot 1 vs
mb s U s mb s Us
0,041 1,79s 1 Gambar 3.8 Gambar Switching Kontrol yang Berisi Logic Solver
Proses dari sirkulasi pemanasan air ini adalah air panas yang berasal dari tangki horisontal dipompakan masuk ke dalam tangki vertikal. Laju aliran air tersebut diatur oleh pompa 1. Pengaturan laju aliran disini digunakan untuk menjaga level pada tangki vertikal Gambar 3.6 Gambar pemodelan control valve di LabVIEW konstan sesuai dengan set point. Untuk menjaga agar level air tersebut sesuai dengan set point, maka digunakan 3.6. Pemodelan Pompa sistem pengendalian level dengan mengatur pompa.Di Pompa menggunakan pompa sentrifugal dengan 3 tangki vertikal air di panaskan dengan heater. Output spesifikasi kapasitas pompa ( Q ) = 0,0005 m /s, daya pemanaan air dari tangki vertikal dipompakan dengan hidrolik pompa (HHP) = 100 watt = 0,1 kwatt. S.G = pompa 2 menuju ke tangki horisontal yang berfungsi 0,99 ( saat T 100 C ) sebagai storage. Untuk itu di perlukan switching control dengan mengatur laju pompa yang ada di proses. Jadi Span_ Keluaran 0,0005 0m3 / s KP 0,00003125 ketika level tangki vertikal low maka pompa 1 akan Span_ Variabel_ Terukur 20 4 mA menyala dan pompa 2 akan mati, ketika level tangki vertikal high pompa 2 akan menyala dan pompa 1 akan Poy KP mati. Jadi ketika level tangki horisontal low maka pompa 2 akan menyala dan pompa 1 akan mati, ketika level Pox Ps 1 tangki horisontal high pompa 1 akan menyala dan pompa Poy 0,00003125 2 akan mati. Pemodelan Logic Solver di LabVIEW pada gambar 3.9 P 2s 1 ox
Gambar 3.12. Gambar Tampilan Measurement and Automation Explorer Gambar 3.9 Gambar pemodelan Logic Solver di LabVIEW. Dalam mengandalikan pompa menggunakan switching kontrol dibutuhkan Logic solver yang berisi logika-logika untuk mengondisikan kerja dari pompa. 3.6 Pemasangan Perangkat DAQ dan Interface Card LabVIEW memiliki seperangkat alat dan software yang dapat melakukan fungsi tersebut. Rangkaian yang terbuat dari perangkat tersebut dapat membentuk sebuah sistem data akuisisi seperti yang telah dijelaskan pada bab II.
g) Untuk mengetahui bahwa perangkat keras DAQ yang terpasang dapat berkomunikasi dengan aplikasi LabVIEW, kita perlu melakukan prosedur Self-Test. Seperti yang terlihat pada gambar 3.13 notasi (2). h) Ketika kita aktifkan tombol tersebut, program tersebut akan menjalankan prosedur pemeriksaan perangkat keras yang telah dipasang. Apabila prosedur pemeriksaan berhasil, akan muncul profil seperti pada gambar 3.10. Hal ini berarti perangkat DAQ yang dipasang telah siap untuk dieksploitasi dalam pembuatan simulator seperti yang telah direncanakan.
Gambar 3.10. Konfirmasi Self-Test berhasil i) Gambar 3.11. Gambar wirring alat untuk membentuk sebuah sistem data akuisisi pada LabVIEW Langkah2 untuk memasang DAQ dan interface: a) masukkan DAQ card ke slot PCI komputer. b) Pasang kabel koneksi dari DAQ card di komputer ke slot input output DAQ c) Pasang kabel inputan tegangan pada kaki 28 untuk + dan kaki 27 untuk ground inputan tegangan dengan pengalamatan AI-4 output seperti gambar 3.8 d) aktifkan menu Measurement and Automation Explorer yang terdapat pada paket aplikasi driver DAQ sehingga terlihat tampilan seperti pada gambar 3.9. e) Prosedur selanjutnya dilakukan sehingga pada layer kita dapat melihat bahwa perangkat DAQ yang akan kita gunakan pada perancangan ini terdeteksi oleh program yang kita buka. f) Seperti yang terlihat pada gambar 3.9 notasi (1), terlihat bahwa software LabVIEW yang akan kita gunakan sebagai platform perancangan simulator telah dapat membaca perangkat keras DAQ yang digunakan yaitu NI PCI 6221. Notasi Dev1 yang mengikuti keterangan jenis perangkat keras yang digunakan, menerangkan bahwa alat yang difungsikan pada sistem LabVIEW adalah perangkat keras pertama yang terkoneksi dengan software yang akan dibangun dan siap berkomunikasi dengan perangkat DAQ yang telah terpasang.
j)
Setelah perangkat DAQ terdeteksi oleh LabVIEW dan berhasil melalui self-test, maka langkah berikutnya adalah proses interfacing simulator yang telah dibuat dengan perangkat DAQ yang telah terpasang. Untuk melakukan hal tersebut kita harus membuat VI yang berfungsi untuk membaca perangkat DAQ yang telah terpasang sehingga dapat berkomunikasi dengan simulator yang telah dibuat. Untuk dapat berkomunikasi maka tipe data keluaran DAQ harus sama dengan tipe data masukan simulator. Setelah VI simulator dan VI DAQ telah tersambung, maka proses pengambilan data dan simulasi dapat kita lakukan.
3.10 Desain Simulator. Dari perancangan switching control pada pompa dihasilkan tampilan dari simulator seperti pada gambar 3.10
Gambar 3.13. Gambar tampilan Simulator BAB IV
PENGUJIAN DAN ANALISA HASIL SIMULASI No. Pada bab IV ini akan ditampilkan hasil analisa dari sistem proses yang telah dimodelkan menggunakan labview dimana telah dibahas pada bab sebelumnya. Dari hasil grafik respon hasil simulasi yang telah didapatkan, maka dapat dilakukan analisa. Analisa yang dilakukan adalah dengan menganalisa grafik respon proses dari sistem pengendalian bertingkat tersebut, sehingga nantinya akan menjawab tujuan yang telah ditetapkan pada Bab I. 4.4 Pengujian Open Loop pada Proses Tangki Horisontal Pengujian open loop ini ditujukan untuk mengetahui kinerja daripada blok proses yang telah kita buat. Simulasi open loop ini dapat menggunakan signal uji step berupa signal masukan laju aliran ke dalam tangki. Pada simulasi open loop ini kita menggunakan signal uji step sebesar 20. Sistem proses yang terjadi pada open loop itu sendiri merupakan penurunan umum dari rumusan 3.12. Berikut adalah model yang diterapkan pada simulasi open loop tangki horisontal
Gambar 4.9 Model open loop pada tangki horisontal Untuk pengujian tangki horisontal, diberi inputan berupa sinyal step 37 liter/ menit dan menyebabkan level dalam tangki horisontal setinggi 0,6 meter.
Gambar 4.10 Gambar level Tangki Horisontal ketika diberi inputan aliran fluida sebanyak 37 liter/ menit. 4.5 Uji Switching Control pada pompa.
1 2 3 4 5
Input Vertikal 0,0005 0,0005 0 0 0,0005
Level Vertikal 0 4 124 60 0
Input Horisontal 0 0 0,0005 0,0005 0
Level Horisontal 200 196 76 140 200
Pompa Pom 1 2 ON OFF ON OFF OFF ON OFF ON ON OFF
Tabel 4.1 merupakan data hasil uji Logic Solver untuk Switching control pada pompa. Tangki Vertikal diberi batas atas 200 cm dan batas bawah 0 cm, untuk Tangki Horisontal diberi batas atas 200 cm dan batas bawah 0 cm. Jika tangki vertikal kosong maka pompa 1 akan hidup dan pompa 2 akan mati, jika tangki vertikal penuh maka pompa 1 akan mati dan pompa 2 akan hidup. Begitu juga sebaliknya Jika tangki vertikal horisontal kosong maka pompa 1 akan mati dan pompa 2 akan hidup, jika tangki horisontal penuh maka pompa 1 akan hidup dan pompa 2 akan mati. 4.6 Uji close loop simulasi Offline. Setelah dilakukan pengujian open loop pada sistem yang telah dibuat, maka perlu diuji pula sistem pengendalian dengan uji closed loop, yaitu dengan memberikan masukan berupa sinyal step sebesar setpoint yang sesuai dengan kondisi sebenarnya. Pada pengujian ini akan diberikan input step sebesar 100oC. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kinerja sistem pengendalian yang telah kita rancang agar mampu mencapai setpoint yang telah kita berikan. Parameter kontrol pada uji closed loop ini menggunakan parameter kontrol yang telah didapatkan pada subbab sebelumnya dan dengan switching control. Berikut adalah sistem pengendalian yang telah dibuat untuk switching control
Gambar 4.11 Gambar Model simulasi Dari logic solver didapatkan pembacaan data dari level di tangki vertical dan tangki horisontal.
Gambar 4.12 Gambar Uji level pada level vertikal Dari logic solver didapatkan pembacaan data dari level horisontal Tabel. 4.1 Data Switching Control berdasarkan Logic Solver
Pada saat level air pada tangki vertikal 31.1102 cm, level air pada tangki horisontal 102.254 cm dam kondisi pompa 1 menyala dan pompa 2 mati.
Kondisi pompa 1 OFF dan pompa 2 ON Gambar 4.13 Gambar Uji level pada level horisontal Tabel 4.2 Tabel Pembacaan data Switching control pada simulasi No.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Level vertical ( cm ) 3 8.936713 22.39552 33.682833 44.626014 53.799337 61.288753 71.988983 87.209615 98.915051 104.155218 112.487922 120.688619 108.89511 96.659311 85.918009 63.037841 55.022655 29.252058 6.77007 3 28.7395 36.196342 49.353689 55.934216
Level horizontal ( cm ) 100 125.06661 111.128853 100.707096 89.760356 80.913055 71.982968 62.388742 46.050667 34.988056 30.72958 22.822984 13.602554 24.824986 36.778725 48.413771 72.111472 78.361991 104.4337 127.08939 100 104.901978 98.551049 84.116738 77.929658
Pompa 1
Pompa 2
ON ON ON ON ON ON ON ON ON ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON
OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF
Gambar 4.16 Gambar simulasi ketika pompa 1 OFF dan pompa 2 ON Uji close loop simulasi secara Online Pengujian penambahan laju aliran input sebesar 6 liter/min Pengujian yang pertama adalah dengan menambahkan load pada laju aliran yang masuk kedalam tangki vertikal sebesar 6 ltr/min (3,01 Volt)
Gambar 4.25 Tegangan untuk flow input 6liter/min
Pada saat level air pada tangki vertikal 31.1102 cm, level air pada tangki horisontal 102.254 cm dam kondisi pompa 1 menyala dan pompa 2 mati.
Kondisi pompa 1 ON dan pompa 2 OFF Gambar Grafik Tegangan yang masuk 3 volt sebagai load sistem.
Gambar 4.15 Gambar simulasi ketika pompa 1 ON dan pompa 2 OFF
Carbon steels SA-201 Grade B C-Si type Double Welded Butt Joint. Telah dilakukan simulasi switching kontrol dengan menswitching pompa pada plant simulator pengandalian level dan temperatur dengan mengendalikan batas atas level ditangki vertikal 120 cm dan batas bawah 3 cm dan batas atas level ditangki horisontal 120 cm dan batas bawah 3 cm. dan dapat mensirkulasikan air dari tangki vertikal ke tangki horisontal dengan laju aliran 0,0005 m3/s. Menggunakan perangkat DAQ guna memberikan sinyal masukan secara eksternal sebanyak tiga data Gambar 4.26 Grafik Respon dengan load 6 ltr/min (3,01 Volt) Pengujian penambahan laju aliran input sebesar 12 liter/min Pengujian yang kedua adalah dengan menambahkan load pada laju aliran yang masuk kedalam tangki vertikal sebesar 12 ltr/min (6,07 Volt).
5.2 Saran Beberapa saran yang dapat disampaikan untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut: Untuk penelitian selanjutnya bisa dilakukan uji simulasi distribusi aliran tekanan dengan menggunakan software penunjang yang lain secara jelas sehingga dapat diketahui nilai efisiensi tekanan pada prosesnya. DAFTAR PUSTAKA 1.
Gambar 4.27 Tegangan untuk flow input 12 liter/min
Gambar Grafik Tegangan yang masuk 6 volt sebagai load sistem. Gambar 4.28 Grafik Respon dengan load 36.42 ltr/min (6,07 Volt)
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari penelitian yang dilakukan diperoleh beberapa kesimpulan yaitu: Telah dirancang sebuah tangki horisontal dengan diameter 0,91m, tinggi 1,15 m terbuat dari bahan
B. W. Bequette, Process Control: Modeling, Design And Simulation, Upper Saddle River,New Jersey: Prentice Hall, 2003. 2. Brownell, Lloyd E and Edwin H Young. 1959. Process Equipment Design : Vessel design. Jonh Willey & sons Inc, USA 3. D. E. Seborg, T. F. Edgar, and D. A. Mellichamp. Process Dynamics and Control, New York: John Wiley, 1989. 4. Driedger, Walter. 2001. Controling Vessel and Tank, A Paper that was firstly published in Hydrocarbon Processing on March 2000 5. G. Stephanopoulos. Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice,Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1984. 6. Gunterus, Frans. 1994. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Jakarta : Elex Media Komputindo. 7. Incropera, Frank. 1990. Fundamental of Heat and Mass Transfer 3nd Edition. USA : John Willy & Sons, Inc. 8. Ogata, Katsuhiko. 1997. Teknik Kontrol Automatik Jilid 1. Jakarta : Penerbit Erlangga. 9. M. L. Luyben and W. L. Luyben. Essentials of process control, New York: McGraw-Hill,1997. 10. YOKOGAWA electric corporation ; Product Information: YTA Temperature Transmitters 11. YOKOGAWA electric corporation ; Product Information: EJX110A Differential Pressure Transmitter 12. Wikipedia Indonesia. 2007 13. www.horisoncatalog.com 14. www.valve-world.net 15. www.lightmypump.com
Biodata: Nama TTL Alamat
Riwayat Pendidikan: 2007-sekarang 2004-2007 2001-2004 1998-2001 1992-1998
: Rahmat Permanahadi : Surabaya, 26 Pebruari 1986 : Gunung Sari Indah T-5 Surabaya
: S1 Lintas Jalur-Jurusan Teknik Fisika ITS : D3 T. Instrumentasi JurusanTeknik Fisika ITS : SMAN 22 Surabaya : SMPN 16 Surabaya : SDN Jajar Tunggal III Surabaya
