Perancangan Sistem Pengendalian Level Pada Monitoring Produksi Sumur Minyak Dan Gas Dengan Menggunakan Kontroler PID Di PT PERTAMINA EP REGION JAWA, FIELD SUBANG – TAMBUN (Djoko Nusantoro, Suyanto) Jurusan Teknik Fisika – Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih – Sukolilo, Surabaya 60111 Email :
[email protected] Abstrak : Pada monitoring produksi sumur minyak-gas, fluida dari sumur telah terseparasi total separation oleh fasilitas monitoring yang dikenal dengan istilah multiphase flow meter (mpfm). Flow-rate dari sumur seringkali berubah-ubah secara signifikan sehingga mempengaruhi level liquid pada bagian horisontal pipe, untuk itu diperlukan perencanaan pengendalian level pada bagian liquid agar proses monitoring produksi sumur berlangsung sesuai kebutuhan. Pengendalian liquid level pada liquid tank dilakukan dengan memanipulasi laju aliran liquid, agar didapat level liquid sesuai set point 0.2meter.Pemilihan mode kontrol PID dengan menggunakan metode Tyreus-Luyben dimaksudkan untuk mendapatkan nilainilai Kp=4.45; Ti =15.56 ; dan Td=1.11 yang lebih bagus dari pada menggunakan metode trial and error. Pada aplikasi pengendalian level liquid di mpfm, diperoleh karakteristik respon sistem terhadap gangguan step sebagai berikut; Mp=20%; Ts=40 detik dan Ess=1.95%. Kata kunci : mpfm, pengendalian level, kontroler PID, Metode Tyreus-Luyben murni (water cut), dan debit gas (gas flow rate) diukur dengan perangkat ukur konvensional (corriolis). Kebutuhan pengendalian pengukuran di lapangan akibat perubahan-perubahan dalam sumur sangat dibutuhkan agar hasil sampling dari flow-rate fluida yang keluar dari sumur tetap terukur seakurat mungkin, untuk itu perlu dirancang sistem pengendalian level dengan menggunakan metode kontrol PID.
1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dalam suatu pengeboran minyak dan gas seringkali didapat kandungan material-material yang tidak sesuai dengan investigasi awal. Hal ini bisa disebabkan oleh banyak hal terutama fisik dari sumur seperti properti formasi dan trayektori lubang sumur. Selain itu, juga bisa disebabkan rentang waktu hasil investigasi akhir dengan proses pengeboran yang cukup lama akibat beberapa hal internal dan eksternal proses. Dalam setiap pengeboran sumur akan didapat produksi komersial (minyak, gas, air dsb) yang disebut Phase Tester dan Phase Watcher dan harus dipisahkan terlebih dahulu. Secara tradisional produksi tersebut dipisahkan berdasarkan phase-phasenya. Hasil pemisahan dari phase-phase tersebut akan dapat diukur flow rate-nya. Tentu saja yang menjadi langkah awal adalah menyediakan fasilitas test separator yang dilengkapi juga dengan piranti ukur dengan spesifikasi mengacu pada data awal investigasi. Hasil pemetaan ladang minyak dan gas diberbagai tempat yang berbeda-beda akan memberikan informasi untuk pemilihan metode perlakuan pengukuran yang berbeda-beda pula. Kadang kala di satu ladang bisa terdapat sedikit atau banyak sumur minyak dan gas. Dan kadang pula antar satu ladang dengan ladang yang lain walau dalam satu blok akan mempunyai karakter sumur dan hasil produksi yang perbedaannya cukup berarti. Oleh karena itu setelah didapat hasil bersih berupa fluida (gas, air dan minyak) maka diperlukan perangkat untuk mengukur kandungan jenis dan volume dari properti yang ada. Dengan menggunakan konfigurasi perpipaan yang unik akan berfungsi memisahkan stream gas dan stream cair. Selanjutnya debit cair (liquid flow rate), air
1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang diatas maka dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut yaitu : 1. Bagaimana memodelkan horizontal pipe separator sebagai liquid tank pada pengendalian level liquid. 2. Bagaimana merencanakan dan menetapkan model kontroler dengan nilai-nilai tertentu pada pengendalian level liquid. 3. Bagaimana menala parameter kontroler PID dengan menggunakan metode Tyreus-Luyben. 1.3 Batasan Masalah Untuk menyederhanakan permasalahan, maka diperlukan pembatasan masalah sebagai berikut: - Properti dari hasil pengeboran sudah bersih dari lumpur yang biasanya terangkut pada awal-awal pengeboran. - Bahwa sesuai hasil survey awal, jenis hasil produksi dari sumur-sumur ini adalah mayoritas gas. - Pipa vertikal dan horisontal sebagai total separator dari fluida multiphase tidak membangkitkan energi dan non-atmospheric. - Pada liquid tank, level dari oil dianggap sama dengan level air, yang selanjutnya disebut liquid level.
1
-
-
Level liquid ditetapkan sebagai variabel proses yang dikendalikan melalui manipulasi flowrate liquid pada liquid tank. Metode penalaan paameter kontrol P, I dan D dengan menggunakan metode Tyreus-Luyben.
BAB II Teori Penunjang Pada bab ini membahas secara singkat teori-teori yang terkait dalam penulisan Tugas Akhir. BAB III Metodologi Penelitian Dalam bab ini dijelaskan mengenai detail langkah – langkah yang harus dilakukan untuk mencapai tujuan dan simpulan akhir dari penelitian. Hasil akhir dari tahap ini adalah perhitungan dan model yang siap untuk disimulasikan dan dianalisa. BAB IV Pengujian dan Analisa Hasil Simulasi Bab ini merupakan kelanjutan dari Bab III, dimana dari simulasi yang didapatkan baik berupa grafik maupun tabulasi, akan dilakukanlah analisa-analisa serta pembahasan yang berorientasi pada tujuan penelitian yang telah ditetapkan. BAB V Kesimpulan dan Saran Bab ini berisi tentang kesimpulan pokok dari seluruh rangakain penelitian yang telah dilakukan dan saran yang dapat dijadikan sebagai pengembangan penelitian berikutnya.
1.4 Tujuan Penelitian Tugas Akhir Tujuan dari pengerjaan tugas akhir ini adalah perencanaan pengendalian liquid level pada liquid tank sesuai set point dengan memanipulasi laju aliran liquid pada satu fasilitas MPFM-MWT. 1.5 Metodologi Penelitian Studi Literatur Studi teoritis mengenai P&ID, Instrument Data Sheet, dan Standard – standard acuan (ex : API, IEC, ISA, dll) tentang Hazardous Area Clasification, Instrument system, dan Safety instrumented system. Study mengenai Basic Process Control System pada MPFM. Study mengenai mekanika fluida yang terjadi pada separasi phase fluida menjadi phase gas dan phase liquid pada pipa horisontal dan vertikal Pengambilan data Identifikasi parameter, variabel dan pengumpulan data yang meliputi data dari berbagai proses variabel pada mpfm (data kondisi real plant) serta berbagai dokumen yang diperlukan. Pemodelan plant dan penentuan model kontroler dengan menggunakan simulink matlab berdasarkan data real plant yang diperoleh. Pemodelan proses pada liquid tank – mpfm. Pemodelan sistem pengendalian level pada mpfm. Penalaan parameter P, I dan D dengan menggunakan metode Tyreus-Luyben Pengujian, analisa dan evaluasi terhadap pengukuran hasil produksi sumur minyak dan gas yang telah dibuat pada plant. Melakukan pengujian dan evaluasi terhadap model mpfm melalui simulasi. Melakukan pengujian dan evaluasi terhadap model instrument kontrol sistem melalui simulasi. Penyusunan Laporan tugas akhir.
2.
TEORI PENUNJANG Dalam bab ini akan dipaparkan mengenai teori– teori dasar yang dipergunakan dalam menyelesaikan masalah dan pengerjaan penelitian Tugas Akhir ini. Teori tentang dasar multiphase flow meter dan hukum–hukum yang mendasari pemodelan matematis plant beserta pemodelan dinamik proses “Multiphase Flow Meter” akan dibahas dalam bab ini. Sumber yang didapat adalah dari jurnal yang mendukung, textbook, dan manual instruction book yang didapat dari perpustakaan tempat penulis mengambil data. Sehingga data dan teori yang diambil sesuai dengan keadaan yang ada di lapangan. 2.1. Multiphase Flow Meter Pada Gambar 2.1. dan Gambar 2.2. menunjukkan plant multiphase flow meter yang sedang beroperasi di lokasi produksi minyak dan gas. Multiphase Flow Meter merupakan konfigurasi pipa vertikal dan horisontal berfungsi untuk memisahkan secara total dari fase fluida menjadi fase gas dan liquid. Dengan terpisahnya fase fluida tersebut, maka proses berikut akan lebih muda dilakukan. Proses yang dimaksud adalah mengukur flowrate gas, dengan vortex flow meter dan flowrate oil-air diukur dengan coriolis meter. Saat proses separasi fase gas dan fase liquid, masih sangat mungkin terjadinya gelembung gas yang terjebak dalam fase liquid. Terjebaknya gelembung gas dalam fase liquid merupakan dampak dari gerakan siklon yang ditimbulkan saat fluida multifase masuk dari inlet pipe ke dalam pipa vetikal secara tangensial. Gerakan siklon tersebut semakin mengecil dan berjalan menuju pipa horisontal dengan kondisi liquid mengalir secara turbulen. Maka pada pipa horisontal diberi wave breaker untuk menghilangkan turbulensi dan aliran liquid menjadi laminar.
1.6 Sistematika Laporan Laporan penelitian Tugas Akhir ini akan disusun secara sistematis dibagi dalam beberapa bab, dengan perincian sebagai berikut : BAB I Pendahuluan Bab ini berisi tentang penjelasan latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika laporan.
2
Gambar 2.3. Diagram P&ID MPFM-MWT tanpa kontroler Pada proses bagian pipa horisontal masih terdapatnya fase gas. Aliran dua fase yang masuk pada inlet pipa horisontal selanjutnya terseparasi menjadi aliran fase gas menuju gas outlet dan aliran liquid menuju outlet liquid seperti tampak pada Gambar 2.4. Secara garis besar multiphase fluid yang masuk pada production inlet mempunyai tekanan fluktuatif
Gambar 2.1. MPFM-MWT (tampak depan) Keterangan gambar 2.1. [1] Vertical Pipe; [2] Horizontal Pipe; [3] Vortex Flow Meter; [4] Level Control Valve; [5] Coriolis Meter; [10] I/P Converter
Gambar 2.4. Two-Phase Gas-Liquid Horizontal Separator Pada diagram skematik Two-Phase Gas-Liquid Horizontal Separator, pemisahan dari gabungan aliran gas-liquid kedalam fasa-fasa pemisahan dapat dijelaskan lewat proses berikut; aliran gas-liquid masuk ke dalam pemisahan primer bagian A yang terdiri dari inlet nozzle (biasanya pipa tangensial). Bagian ini berfungsi mengurangi kecepatan dari aliran fluida dan memanfaatkan pengaruh awal dari gaya sentrifugal atau perubahan yang sangat drastis dalam arah tersebut untuk memisahkan sebagian besar liquid dari aliran gabungan tersebut. Gas bergerak ke bagian B pada kecepatan yang lebih lambat. Di bagian ini, gaya gravitasi digunakan untuk memisahkan gelembung-gelembung gas yang naik dalam liquid menuju aliran gas. Gas bergerak relatif lambat dengan sedikit turbulensi. Lalu aliran gas akan bergerak menuju pipa pengumpul gas outlet di bagian C. Pada bagian ini, gelembung gas yang sangat kecil dipindahkan dari permukaan liquid. Aliran gas meninggalkan separator dengan kurang lebih 0,1 gallon per million standard cubic feet, sementara liquid yang tertinggal di bagian D akan bergerak menuju liquid outlet. Dari penjelasan Gambar 2.4. tampak horizontal pipe berlaku seperti tangki liquid biasa (liquid tank). Perubahan flowrate dari multiphase fluid pada bagian inlet akan
Gambar 2.2. MPFM-MWT (tampak belakang) Keterangan gambar 2.2. : [6] Level Indicator Transmitter; [7] Pressure Indicator Transmitter; [8] Temperature Gauge; [9] Pressure Gauge; [11] Tangential Pipe Untuk memahami proses kerja dari MPFM-MWT seperti pada Gambar 2.1. dan Gambar 2.2., diperlukan gambar P&ID (piping & instrument diagram) seperti pada Gambar 2.3. Yang mana secara garis besar adalah multiphase fluid dari manifold masuk pipa production inlet secara tangensial ke dalam pipa vertikal. Aliran gas menuju bagian atas pipa vertikal dan aliran liquid menuju bagian bawah pipa vertikal yang tersambung dengan pipa horisontal. Berdasarkan data lapangan flowrate dari multiphase fluid bergerak fluktuatif dari 200 ~ 2000 bfpd yang disertai juga perubahan tekanan dari 50 ~ 350 psi.
3
mempengaruhi perubahan liquid level pada liquid tank secara signifikan. Perubahan yang signifikan ini dapat menyebabkan liquid tank menjadi penuh ataupun kosong. Hal ini tidak diperkenankan, sehingga level liquid harus dijaga pada level bawah 0.18 m dan level atas 0.22 m. Pada Gambar 2.5, untuk memantau level tersebut digunakan level indicating transmitter LIT-01 yang terpasang dan bekerja berdasarkan pengaruh pantulan gelombang. Pantulan yang bekerja pada domain waktu tersebut akan dikonversikan ke dalam besaran arus 4~20 mA untuk ditransmisikan ke peralatan kontroler untuk dikuatkan sinyalnya. Sinyal penguatan tersebut akan memerintahkan konverter I/P (I to P, arus ke tekanan) untuk membuka atau menutup katub LCV-01 sesuai set point.
volume liquid tank sebagai V Ah . Jadi persamaan model matematis dari liquid tank adalah
A
dh Qin Qout ...................................................(2.3) dt
Dari persamaan 2.3 dapat disederhanakan untuk melihat hubungan perubahan level tiap saat terhadap perubahan laju aliran menjadi persamaan 2.4.
dh Qin Qout .................................................... (2.4) dt A Sedangkan hubungan antara qout dan h diberikan oleh h qout .................................................................... (2.5) R Dengan nilai R konstan, maka persamaan diferensial untuk sistem menjadi
RA
dh h Rqi .....................................................(2.6) dt
Dengan mentransformasikan ke dalam bentuk Laplace dari kedua ruas persamaan dengan syarat awal nol, diperoleh RAs 1H s RQi s ........................................(2.7) Bila qi dipandang sebagai masukan dan h sebagai keluaran, maka fungsi alih sistem liquid tank adalah
H s R ....................................................(2.8) Qi s RAs 1 H merupakan tinggi permukaan zat cair pada keadaan tunak. Sedangkan Qi dan Qo adalah masing-masing
Gambar 2.5. Pendekatan Model Liquid Tank 2.2.
Model Matematis Dinamika Level Liquid Tank Setelah dijelaskan secara umum tentang diskripsi proses separasi produksi sumur minyak dan gas dengan masukan berupa multiphase fluid yang flowrate-nya berubah-ubah, maka akan ditinjau dampak dari perubahan flowrate masukan terhadap perubahan level liquid pada liquid tank. Dipertimbangkan pada liquid tank dengan satu inlet dan satu outlet, maka asumsinya adalah nilai density dari liquid adalah konstan. Sistem permukaan zat cair dalam liquid tank adalah menggunakan persamaan kesetimbangan massa.
sebagai laju aliran masuk dan keluar. Resistansi dari katub beban diwakili R . Dan A sebagai kapasitansi sistem permukaan zat cair. 2.3.
Level Indicator Transmitter Level Indicator Transmitter (LIT) dengan tipe Guided Wave Radar bekerja berdasarkan pada teknologi pengukuran pemantulan domain waktu (TDR= Time Domain Reflectometry). Pulsa gelombang mikro berdaya rendah di alirkan lewat sebuah probe ke dalam media proses. Pada plant ini LIT yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2.6.
Yang mana total volume dari liquid di dalam liquid tank adalah V dan perubahan volume terhadap waktu adalah
dV / dt adalah sama dengan isi liquid tank : dV Qin Qout ............................................ (2.1) dt Dengan asumsi density dari liquid adalah konstan, maka pers. (2.1) menjadi
dV Qin Qout .....................................................(2.2) dt Asumsi berikutnya adalah luas permkaan liquid tank adalah konstan, sehingga dapat digambarkan bahwa
Gambar 2.6. Level Indicator Transmitter
4
Saat pulsa radar mencapai media tersebut dengan konstanta dielektrik tertentu, sebagian energinya akan dipantulkan kembali ke pengirim. Perbedaan waktu antara pulsa pengiriman dan pantulan akan dikonversikan terhadap jarak total ketinggian atau permukaan ketinggian yang harus dihitung lebih dulu. Intensitas dari pantulan pulsa akan sangat bergantung terhadap konstanta dielektrik dari media yang diukur. Semakin tinggi nilai konstanta dielektriknya maka pantulannya akan semakin kuat. Transmiternya menggunakan Dynamic Gain Optimization™ yang berarti secara otomatis akan mengatur penguatan maksimum rasio signal-to-noise pada setiap aplikasinya. Hal ini akan meningkatkan kehandalan dan kemampuan dalam pengukuran. Dasar dari pengukuran liquid level pada plant ini dapat dipahami pada gambar 2.7.
dalam berbagai unit pengendalian proses karena mempunyai struktur yang relatif sederhana dan performansi yang baik pada daerah operasi yang luas. Sistem pengendalian juga ditentukan dengan jenis instrumen yang dipilih, salah satunya adalah level control valve seperti ditunjukkan pada gambar 2.8.
Gambar 2.8. Level Control Valve [V-notch Ball Valve 3”, Product Bulletin, Emerson Process Management] Secara umum, transfer function dari level control valve dapat didekati dengan menggunakan sistem orde 1 sebagaimana persamaan berikut ini :
LCVo s GLCV ……………………….. (2.11) LCVi LCV s 1
Gambar 2.7. Dasar pengukuran liquid level dengan GWR. Secara umum, transfer function dari level transmitter dapat didekati dengan menggunakan sistem orde 1 sebagaimana persamaan 2.9 :
Dan gain kontroler didapat dengan persamaan 2.11.
G LCV
LITo s G LIT …………………………..…(2.9) LITi LIT s 1
dimana:
G LCV gain level control valve (m3/mA.s) LIT time constant (detik)
Dan gain dari level transmitter adalah perbandingan dari selisih span_output terhadap span_input.
G LIT
Span _ Output ……………………… (2.12) Span _ Input
2.5.
Aksi pengendalian Kontrol PID merupakan alat standar bagi otomasi industri. Fleksibilitas pada kontroller membuat kontrol PID digunakan pada banyak situasi. Kontroller juga dapat digunakan pada selective control maupun konfigurasi kontroller yang lain. Algoritma PID dapat didefinisikan sebagai berikut
Span _ Output ......………...…......... (2.10) Span _ Input
dimana:
G LIT gain level indicator transmitter (mA/m) LIT time constant (detik)
t
1 de u (t ) K c (e(t ) e(t )dt TD ) .............. (2.13) TI 0 dt
2.4. Level Control Valve Aksi pengendalian yang dipakai dalam sistem pengendalian dapat ditentukan dari respon sistem pada saat diberi masukan. Dalam pengendalian ada banyak aksi pengendalian diantaranya pengendali proporsional (P), integral (I), dan differensial (D), atau gabungan dari ketiga pengendalian tersebut. [Gunterus, Frans. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian] Controller PID merupakan algoritma control konvensional yang banyak digunakan
dimana, u(t) = sinyal kontrol e(t) = error Kc = gain kontroller TI = integral time TD = derivative time
5
Ada beberapa representasi dari transfer function PID controller : Transfer Function PID controller dalam domain s dapat dinyatakan sebagai berikut :
Kontrol P (Proportional) selalu sebanding dengan besarnya input. Bentuk transfer function dari kontrol P adalah U = Kc.e......................................................................(2.18)
K Gc( s ) K p i K d s ................................... (2.14) s
dimana ; Kc = gain kontrol proporsional Pengendali Integral (I) Kontroller integral memiliki karakteristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran kontroller sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal kesalahan. Keluaran kontroller ini merupakan jumlahan yang terus menerus dari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan, keluaran akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Diagram blok mode kontrol integral ditunjukkan oleh gambar 2.12.
Dengan Kp, Ki , dan Kd masing – masing adalah gain P, I, dan D. Bentuk diatas dapat pula ditulis dalam bentuk lain, sebagai berikut :
1 Gc( s ) Kp 1 Td s ……..….…….…. (2.15) Ti s
Bila dinyatakan dalam domain waktu (t), PID controller dapat ditulis :
1 d Gc(t ) K p e(t ) e(t )dt Td e(t ) ....(2.16) Ti dt Pengendali Proporsional (P) Kontroler proporsional memiliki 2 parameter, pita proporsional (proportional band) dan konstanta proporsional. Daerah kerja kontroler efektif dicerminkan oleh pita proporsional [Gunterus,1994], sedangkan konstanta proporsional menunjukkan nilai faktor penguatan terhadap sinyal kesalahan, Kp. Hubungan antara proporsional band (PB) dengan konstanta proporsional (Kp) ditunjukkan secara oleh Persamaan berikut :
PB
Gambar 2.10. Diagram Blok Pengendali Integral Kontroler integral mempunyai beberapa karakteristik berikut ini: Keluaran kontroler butuh selang waktu tertentu, sehingga kontroler integral cenderung memperlambat respon. Ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran kontroler akan bertahan pada nilai sebelumnya. Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan dan nilai Ki Konstanta integral Ki berharga besar, offset akan cepat hilang. Saat nilai Ki besar akan berakibat peningkatan osilasi dari sinyal keluaran kontroller .
100% ............................................................(2.17) KP
Dimana :
PB = Proportional Band Kp = Gain Proses
Diagram blok pengendali proportional ditujukkan seperti pada gambar 2.9 :
Transfer function dari unit control integral adalah :
U Gambar 2.9. Diagram Blok Pengendali Proporsional
1 K c e.dt ..................................................... (2.19) TI
Dimana : TI = integral time e = error (input dari unit control) Kc = gain dari controller
Penggunaan mode kontrol proporsional harus memperhatikan hal – hal berikut : jika nilai Kp kecil, mode kontrol proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat. jika nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan stabilnya. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berosilasi.
Pegendali Diffrensial (D) Keluaran kontroller differensial memiliki sifat seperti halnya suatu operasi derivatif. Perubahan yang mendadak pada masukan kontroller, akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Diagram blok pengendali difrensial ditunjukkan oleh gambar 2.11.
6
Gambar 2.11. Diagram Blok Pengendali Diferensial Karakteristik dari kontroller differensial adalah sebagai berikut: Kontroler ini tidak dapat menghasilkan keluaran bila tidak ada perubahan atau error sebagai sinyal kesalahan untuk masukannya. Jika sinyal error berubah terhadap waktu, maka keluaran yang dihasilkan kontroller tergantung pada nilai Td dan laju perubahan sinyal kesalahan. Kontroller differensial mempunyai karakter untuk mendahului, sehingga kontroller ini dapat menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum pembangkit error menjadi sangat besar. Jadi kontroller differensial dapat mengantisipasi pembangkit error, memberikan aksi yang bersifat korektif, dan cenderung meningkatkan stabilitas sistem [Ogata, 1997].
Gambar 2.12. Diagram Blok Pengendali PID. Satu atau dua dari ketiga konstanta tersebut dapat disetting lebih menonjol dibanding yang lain sehingga konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi lebih dominan pada respon sistem secara keseluruhan [Gunterus, 1994]. Pengaruh nilai Kp, Ti dan Td pada respon sistem adalah : Kp yang kecil akan membuat pengendali menjadi sensitif dan cenderung membawa loop berosilasi, sedangkan Kp yang besar akan meninggaakan offset yang besar juga. Ti yang kecil bermanfaat untuk menghilangkan offset tetapi juga cenderung membawa sistem menjadi lebih sensitf dan lebih mudah berosilasi, seangkan Ti yang besar belum tentu efektif menghilangkan offset dan juga cenderung membuat sistem menjadi lambat. Td yang besar akan membawa unsur D menjadi lebih menonjol sehingga respon cenderung cepat, sedangkan Td yang kecil kurang memberi nilai ekstra pada saat – saat awal.
Transfer function dari unit control differential adalah :
U K c .TD
de ......................................................... (2.20) dt
dimana, KC = gain e = error TD = derivative time
2.6. Metode Tyreus-Luyben Untuk Menala P, I dan D Tuning kontroler PID selalu didasari atas tinjauan terhadap karakteristik yang diatur (Plant). Dengan demikian betapapun rumitnya suatu plant, perilaku plant tersebut harus diketahui terlebih dahulu sebelum tuning PID itu dilakukan. Karena penyusunan model matematik plant tidak mudah, maka dikembangkan suatu metode eksperimental. Metode ini didasarkan pada reaksi plant yang dikenai suatu perubahan. Dengan menggunakan metode itu model matematik perilaku plant tidak diperlukan lagi, karena dengan menggunakan data yang berupa kurva keluaran, tuning kontroler PID telah dapat dilakukan. Dalam hal ini, tuning bertujuan untuk mendapatkan kinerja sistem sesuai spesifikasi perancangan. Dalam penalaan kontrol PID ada beberapa metode seperti ; Ziegler-Nichols, Tyreus-Luyben, CianconeMarlin dan yang lainnya. Ziegler-Nichols pertama kali memperkenalkan metodenya pada tahun 1942. Metode ini memiliki dua cara, metode kurva reaksi dan osilasi. Kedua metode ditujukan untuk menghasilkan respon sistem dengan lonjakan maksimum sebesar 25%. Gambar 2.13 menunjukkan kurva dengan lonjakan 25%. Tahapan untuk melakukan uji sistem antara satu metode dengan metode lainnya adalah tidak jauh berbeda. Akan tetapi dalam
Unit pengendali differensial yang bersifat reaktif sangat tepat bagi pengendalian temperatur karena mampu bereaksi secara cepat terhadap perubahan input. Sebaliknya mode control D tidak dapat dipakai untuk process variable yang beriak (mengandung noise) seperti pengendalian level dan flow, karena riak dan gelombang akan dideferensialkan menjadi pulsa-pulsa yang tidak beraturan. Akibatnya, control valve terbuka dan tertutup secara tidak beraturan dan sistem menjadi kacau. Selain itu, mode control D tidak dapat megeluarkan output bila tidak ada perubahan input. Sehingga, control D tidak pernah dipakai sendirian. Unit control D selalu dipakai dalam kombinasinya dengan P dan I, menjadi mode control PD atau mode control PID. Keluaran kontroller PID merupakan penjumlahan dari keluaran kontroller proporsional, kontroller integral dan kontroller differensial. Gambar diatas menunjukkan hubungan input dan output pada mode control PID. Karakteristik kontroller PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari ketiga parameter P, I dan D. Penngaturan nilai konstanta Kp, Ti, dan Td akan mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen.
7
penelitian ini sengaja dilakukan penalaan dengan metode Tyreus-Luyben.
Penalaan parameter PID didasarkan perolehan kedua konstanta itu. Tyreus-Luyben melakukan eksperimen dan menyarankan parameter penyetelan nilai Kp, Ti, dan Td dengan didasarkan pada kedua parameter tersebut. Tabel 3.2 merupakan rumusan penalaan parameter PID berdasarkan cara kurva reaksi. Tabel 2.1 Tuning paramater PID dengan metode kurva reaksi metode ZN. Tipe Kp Ti Td Kontroler P Ku/2 PI Ku/2.2 Pu/1.2 PID Ku/1.7 Pu/2 Pu/8
Gambar 2.13 Kurva respons tangga satuan yang memperlihatkan 25 % lonjakan maksimum.
Metode Kurva Reaksi Metode ini didasarkan terhadap reaksi sistem untaian terbuka. Plant sebagai untaian terbuka dikenai sinyal fungsi tangga satuan (gambar 2.14). Kalau plant minimal tidak mengandung unsur integrator ataupun pole-pole kompleks, reaksi sistem akan berbentuk S.
Tabel 2.2 Tuning paramater PID dengan metode kurva reaksi metode TL. Tipe Kp Ti Td Kontroler PI Ku/3.2 2.2Pu PID Ku/2.2 2.2Pu Pu/6.3 Metode Osilasi Metode ini didasarkan pada reaksi sistem untaian tertutup. Plant disusun serial dengan kontroller PID. Semula parameter parameter integrator disetel tak berhingga dan parameter diferensial disetel nol (Ti = ~ ;Td = 0). Parameter proporsional kemudian dinaikkan bertahap. Mulai dari nol sampai mencapai harga yang mengakibatkan reaksi sistem berosilasi. Reaksi sistem harus berosilasi dengan magnitud tetap(Sustain oscillation). Gambar 2.16 menunjukkan rangkaian untaian tertutup pada cara osilasi.
Gambar 2.14 Respon tangga satuan system Gambar 2.15 menunjukkan kurva berbentuk S tersebut. Kelemahan metode ini terletak pada ketidakmampuannya untuk plant integrator maupun plant yang memiliki pole kompleks.
Gambar 2.16 Sistem rangkaian tertutup dengan alat kontrol proporsional. Gambar 2.15 Kurva Respons berbentuk S.
Nilai penguatan proportional pada saat sistem mencapai kondisi sustain oscillation disebut ultimate gain Ku. Periode dari sustained oscillation disebut ultimate period Tu. Gambar 2.17 dibawah ini menggambarkan kurva reaksi untaian tertutup ketika berosilasi.
Kurva berbentuk-s mempunyai dua konstanta, waktu mati (dead time) L dan waktu tunda T. Dari gambar 3.13 terlihat bahwa kurva reaksi berubah naik, setelah selang waktu L. Sedangkan waktu tunda menggambarkan perubahan kurva setelah mencapai 66% dari keadaan mantapnya. Pada kurva dibuat suatu garis yang bersinggungan dengan garis kurva. Garis singgung itu akan memotong dengan sumbu absis dan garis maksimum. Perpotongan garis singgung dengan sumbu absis merupakan ukuran waktu mati, dan perpotongan dengan garis maksimum merupakan waktu tunda yang diukur dari titik waktu L.
8
Gambar 2.18 Diagram blok sistem pengendalian closedloop sederhana
Gambar 2.17 Kurva respon sustain oscillation. Penalaan parameter PID didasarkan terhadap kedua konstanta hasil eksperimen, Ku dan Pu. TyreusLuyben menyarankan penyetelan nilai parameter Kp, Ti, dan Td berdasarkan rumus yang diperlihatkan pada Tabel 2.2.
3.
METODOLOGI PENELITIAN Tahapan penelitian yang dilakukan dalam pengerjaan tugas akhir dalam bab ini adalah dimulai dari inventarisasi data proses, plant, instrument kendali, alat ukur, pemodelan, dan simulasi. Pemodelan dilakukan dengan menggunakan software Matlab-Simulink 7.01, yang sekaligus dilakukan simulasi untuk dilakukan analisa dan pembahasan.
2.7. Sistem pengendalian level pada MPFM-MWT Tujuan dari pengendalian level pada mpfm adalah untuk menjaga level liquid sesuai set point. Sehingga proses pengukuran flow-rate dari liquid dapat berjalan stabil. Strategi pengendalian level pada suatu plant secara umum dapat dilakukan dengan menggunakan strategi single element, two element, atau three element control. Pemilihan strategi pengendalian level yang digunakan pada plant bergantung pada kebutuhan plant baik ditinjau secara ekonomis maupun dinamika proses yang terjadi pada plant. Single – element control merupakan strategi yang paling sederhana dalam pengendalian level, pada strategi ini variabel level diukur dengan menggunakan suatu mesurement device yang akan mengirimkan sinyal pada transmitter kemudian sinyal diteruskan pada controller yang akan memberikan sinyal control pada flow control valve untuk melakukan eksekusi mengurangi atau menambah bukaannya untuk menjaga agar level liquid pada liquid tank tetap stabil. Strategi ini sesuai digunakan pada model mpfm yang sederhana dimana fluida yang menuju maupun keluar dari mpfm relatif stabil. Sedangkan fenomena yang sering terjadi adalah ketika sedang terjadi pengisian fluida sering menyebabkan pressure naik dan temperatur ikut naik, ketika pressure naik maka akan menyebabkan level control valve mencekik laju aliran gas secara otomatis untuk melakukan eksekusi menekan sistem permukaan liquid pada liquid tank. Bila liquid level mencapai minimum level, level control valve akan mengurangi bukaannya sampai liquid level mencapai titik set point. Keuntungan single element control adalah sistemnya yang sangat sederhana dan efisien untuk perubahan load yang kecil. Tetapi, manakala sistem ini dihadapakan pada proses dengan load yang besar, maka pada respon sistem controlnya akan timbul maksimum overshoot yang besar.
Gambar 3.1 Diagram alir tahapan penelitian Berdasarkan data awal (FEED Document) dari PT. PERTAMINA dan data produksi, maka dilaksanakan studi dasar dan lanjut. Hasil studi dilanjutkan dengan pemrosesan data-data yang diperlukan dalam perancangan pengendalian level, yang didahului dengan memodelkan proses plant. Dari hasil pehitungan dan pemodelan proses plant perlu dilakukan juga pemodelan pada masing-masing
9
instrument kendali yakni pemodelan level indicator transmitter dan level control valve. Langkah berikutnya adalah mensimulasikan model-model tersebut secara open loop dengan menggunakan Matlab-Simulink 7.01. Hasil dari simulasi open-loop akan digunakan dasar untuk merancang dan memodelkan metode pengendalian level menggunakan PID. Dengan melakukan tahapan simulasi tersebut akan diperoleh hasil unjuk kerja sistem dan dianalisa, apakah hasil perancangan pengendalian level berjalan sesuai kebutuhan. Setiap simulasi dilakukan pencatatan hasil dan analisa untuk selanjutnya diambil kesimpulan dan saran.
Gambar 3.3. Tangki Liquid MWT(08)-EF-1 pada Matlab-Simulink 7.01. 3.2.
Model Matematis Level Indicator Transmitter (319-LIT-01) Untuk mengukur tinggi level liquid dalam tangki liquid digunakan suatu sensor yang disebut level indicating transmitter yang bertipe guided wave radar (319-LIT – 01) yang mengukur level liquid dengan memanfaatkan pengukuran pemantulan gelombang dalam domain waktu dan mentransmisikannya dalam bentuk sinyal elektrik yang besarnya 4-20 mA.
3.1.
Model Matematis MPFM-MWT Dalam menurunkan model matematis sistem permukaan zat cair, dipakai prinsip resitansi dan kapasitansi untuk sistem permukaan zat cair. Resistansi sistem permukaan zat cair didefinisikan sebagai perubahan dalam perbedaan tinggi yang diperlukan untuk membuat satu satuan perubahan laju aliran. Sedangkan kapasitansi dari sistem permukaan zat cair adalah besarnya perubahan cairan yang diperlukan untuk membuat perubahan potensial sebesar satu satuan. Model matematis liquid tank sesuai persamaan 2.8 di dalam Matlab-Simulink diperlukan penyederhaan dengan parameter flow-rate sebagai input dan level sebagai output seperti gambar di bawah ini.
Gambar 3.4 Diagram Blok Level Indicating Ttransmitter 319-LIT-01 Span_Input adalah kesalahan dari setting ketinggian yang digunakan transmitter ini pada liquid tank sebesar 0.04 m. Karena output dari transmitter adalah 4-20 mA dan inputnya adalah 0.18 – 0.22 m, maka Gain level transmitter dapat diperoleh dengan persamaan 2.10 sebagai berikut :
Gambar 3.2. Diagram Blok Tangki Liquid MPFM-MWT Diketahui besar aliran masuk dan keluar dari liquid tank adalah Qout = 0.005 m3/s. Sedangkan besar resistansi (perubahan perbedaan permukaan yang diperlukan untuk membuat satu satuan perubahan laju aliran), yaitu R = H/Qout adalah sama dengan 40s/m2. Perubahan cairan yang diperlukan untuk membuat perubahan potensial sebesar satu satuan adalah A = 0.015m. Akan tetapi dengan didasarkan atas pertimbangan menjaga kondisi tangki liquid bekerja pada level aman, maka nantinya pada set point telah ditetapkan tangki liquid bekeja diantara high-level 0.22 m dan low-level 0.18 m. Maka persamaan model matematis dari tangki liquid adalah sesuai dengan persamaan 2.8., akan didapat nilai sebagai berikut
G LIT
20 4mA 40 mA m 0.4 0m
Secara umum transmisi sinyal arus listrik dari LIT ke kontroler relatif jauh, maka besarnya Time Constant ( LT ) yang digunakan adalah 0.76 detik. Sehingga persamaan transfer function level transmitter dengan menggunakan persamaan 2.9 adalah
LITo G 40 (s ) LIT LITi T s 1 0.76 s 1
H 40 Qin 24 s 1
Maka jika dimodelkan dalam bentuk simulink akan didapatkan seperti pada gambar 3.5. berikut ini :
Dan selanjutnya bentuk persamaan matematis tersebut disimulasikan ke dalam software Matlab-Simulink 7.1 seperti gambar 3.3.
10
Berdasarkan persamaan – persamaan diatas, Level Control Valve 319 – LCV – 01 yang memiliki maximum flow rate sebesar 0.0072 m3/s maka akan diperoleh nilai time constant : CV 1,7 second Maka persamaan model matematis sesuai persamaan 2.11 dari Control Valve adalah
LCVo s 0.00028 LCVi 1,7 s 1
Gambar 3.5 Model Level Indicating Ttransmitter pada Matlab-Simulink 7.01.
Dari persamaan model matematis di atas, selanjutnya dapat dimodelkan di dalam Matlab-Simulink seperti pada gambar 3.7 :
3.3.
Model Matematis Level Cotrol Valve (319-LCV01) Untuk menjaga level pada tangki liquid tetap pada range 0.18 m ~ 0.22 m, maka diperlukan satu control valve pada aliran masuk. Adapun control valve yang digunakan adalah jenis Vnotch-Ball 3”. Karakteristik dari pada control valve ini dapat dimodelkan sebagai berikut.
Gambar 3.6. Diagram Blok Level Control Valvet 319-LCV-01
Gambar 3.7. Model Level Indicating Ttransmitter pada Matlab-Simulink 7.01.
Dengan menganggap output dari level control valve adalah flow-rate dari aliran liquid yang besarnya 0 – 0.005 m3/s dan input dari control valve adalah 4-20mA, maka gainnya level control valve sesuai persamaan 2.12 adalah :
4.
PENGUJIAN DAN ANALISA SIMULASI Pada bab ini akan dijelaskan hasil analisa yang telah dimodelkan dalam simulink matlab sebagaimana telah dibahas pada bab III. Dengan korelasi aspek keseluruhan dimulai dari Bab I hingga Bab III, maka dapat ditarik analisa yang telah didapatkan dari grafik hasil simulasi. Sehingga pada akhirnya akan menjawab tujuan dari penelitian tugas akhir yang telah ditetapkan.
3
G LCV
0.0045 m s 20 4 mA
0.00028m 3 / mA.s
Harga time constant Control Valve dapat diperoleh dengan menuliskan persamaan : CV TV (v Rv) ……..……….………...........(3.1) Dimana YC = Faktor stroking time dari Control Valve Cv = Koefisien aliran dari aksesori Control Valve RV = Perbandingan time constant inherent dengan time stroke 0,03 ( untuk jenis aktuator diaphragma ) 0,30 ( untuk jenis aktuator piston)
v
= Fraksi Perubahan Control Valve =
4.1. Uji Open Loop Sistem Pengujian open loop dilakukan untuk melihat karakteristik dari proses dengan melihat respon perubahan level pada liquid tank terhadap perubahan laju aliran liquid yang masuk ke liquid tank tanpa adanya controller dari proses pengendalian. Dari respon tersebut nantinya akan dapat dilihat apakah proses memerlukan controller atau tidak untuk menjamin agar proses dapat berjalan dengan aman.
v max v min v max
YC …………... ………..………………….......(3.2) Cv TV 1,65 v v min v max ……….………………….......(3.3) v max v 0,375
TV
Gambar 4.1. Diagram Blok Sistem Open Loop
11
1.
Mula-mula meletakkan PB = 100%, artinya nilai Kp = Kc atau 100, nilai Ti = 1000 dan Td = 0. 2. Set point diberi nilai 50% atau sama dengan 0.2 meter. Bukaan LCV diatur sama dengan set point dan offset sama dengan nol. 3. Memberikan load pada sistem sebesar 0.18 meter. 4. Uji closed loop oscillation segera dilakukan dan hasilnya dianalisa apakah response yang terjadi underdamped, sustain oscillation atau undamped. 5. Dengan mengulangi langkah 1, 2, 3 dan 4, serta mengatur nilai PB menadi lebih kecil dan atau lebih besar. Pada saat menggunakan metode ini, hal yang paling utama adalah mencari nilai ultimate gain (Ku). Nilai Ku dicari sedemikian rupa dengan mensetting controller hanya mempunyai parameter P saja sehingga dengan nilai tersebut sistem control menghasilkan respon yang berosilasi secara kontinyu dan berkelanjutan karena dengan semakin besar Ku, maka respon sistem akan mencapai kondisi osilasi.
Gambar 4.2. Grafik Respon Uji Open Loop Dalam simulasi ini, setting level sebesar 12 mA atau sama dengan 0.2 m pada liquid tank tidak dapat dicapai. Hasil yang dicapai mempunyai error sebesar 20%, artinya output level yang dicapai hanya 0.19 m. Fenomena fisis yang didapat salah satunya adalah besarnya laju aliran keluar dari liquid yang lebih besar dari pada laju aliran masuk. Dengan tanpa terpasangnya pengendali pada plant ini dapat dipastikan bahwa liquid tank tak akan pernah penuh, bahkan akan kosong. Kondisi plant yang kosong dapat menyebabkan fungsi pengukuran laju aliran liquid tak dapat dilaksanakan dengan baik. Seperti dijelaskan pada batasan masalah, bahwa pengukuran flow rate dari two-phase fluida harus berada pada range level liquid di dalam liquid tank adalah 0.18 ~ 0.22 m. Sehingga plant ini mutlak membutuhkan controller untuk mengendalikan proses secara keseluruhan.
Output ( s) KG ( s ) ...................................(4.1) Input ( s) 1 G ( s ) H ( s) Output ( s ) Input( s )
0.00028 40 x 1.7 s 1 24s 1 40 40 0.00028 1 Kx x 1.7 s 1 24 s 1 0.76 s 1 Kx
Dari persamaan matematis tersebut di atas didapat, bahwa persamaan karakteristik sistem adalah; 1 KG s H s 0 .................................................(4.2)
4.2 Tuning Parameter Controller Untuk mendapatkan kinerja sistem control yang memiliki performansi yang handal dan kualitas pengendalian yang optimal, maka parameter dalam controller juga harus memiliki nilai yang optimal. Hal pertama yang diperlukan untuk menentukan nilai optimal adalah mendapatkan variabel nilai penguatan dengan mengetahui kestabilan sistem. Kestabilan sistem dapat dicari dengan menentukan persamaan karakteristik dan pole-pole pada fungsi transfernya.
31s 3 60 s 2 26.5s 1 0.5 K 0 31s 3 60 s 2 26.5s 1 Didapat susunan polimomial sebagai berikut
1 31s 3 60 s 2 26.5s 0.5 K 0 0.5 Selanjutnya didapat susunan koefisien sebagai berikut;
s 3 31 s 2 60 s1 A
26.5 1 0.5 K 0.5 0
1 s 0 0.5 K 0.5 Dari hasil pemodelan dan perhitungan kriteria kestabilan Routh’s untuk analisa sistem kontrol, didapatkan nilai Ku = 100 dan Pu = 7. Grafik osilasi hasil simulasinya dapat dilihat dalam gambar 4.4 dan 4.5. Dalam penelitian ini dilakukan uji closed loop dengan dua metode PI, yaitu metode Ziegler-Nichols dan TyreusLuyben. Dan hasil yang didapat adalah pada gambar 4.4.
Gambar 4.3. Diagram Blok Sistem Closed Loop Pada Tugas Akhir ini prosedur tuning dilakukan dengan menggunakan metode closed loop oscillation. Adapun langkah-langkah dalam metode Osilasi adalah;
12
dan gambar 4.5., ternyata overshoot dan time steady-state dengan metode Tyreus-Luyben lebih baik dari pada metode Ziegler-Nichols. Dari metode tuning didapatkan nilai parameter controller sebagaimana terlihat pada tabel 4.1 di bawah ini. Tabel 4.1 Nilai parameter controller hasil tuning Closed Loop Oscilation P Controller Ku = 100 Pu = 7
Ziegler-Nichols PI Controller Kp = 45 Ti = 5.83
4.3.
Uji Respon Sistem Pengendalian dengan Parameter hasil tuning metode Ziegler – Nichols Setelah nilai parameter controller PI dengan metode Ziegler–Nichols didapatkan maka akan disimulasikan untuk melihat bagaimana respon sistem control dengan parameter tersebut. Adapun respon sistem control ketika dihadapkan pada nilai set point 0,2 (Normal Liquid Level) adalah seperti gambar 4.3 Respon sistem control pada kondisi seperti ditunjukkan dalam gambar 4.5. memiliki nilai maximum overshoot (Mp = 100%). Sistem sudah memasuki keadaan steady pada detik ke-82 (time settling) dengan Error Steady State (Ess) ±2% akan tetapi sistem benar-benar steady dengan Ess = 0.05% pada detik ke-180.
Tyreus-Luyben PI Controller Kp = 31.25 Ti = 15.56
Gambar 4.6. Respon sistem control dengan Parameter PI Ziegler – Nichols untuk set point 0.2 m
Gambar 4.4. Grafik osilasi Controller PI Ziegler-Nichols
Tabel 4.2 Kriteria kualitatif tracking set-point dengan Parameter PI Ziegler – Nichols Set Point Mp (%) Ess (%) ts (detik) 0,18 110 2.01 82 0,20 100 2.00 82 0.22 89 1.98 82 4.4.
Uji Respon Sistem Pengendalian dengan Parameter hasil tuning metode Tyreus – Luyben Setelah diketahui performansi sistem dengan menggunakan paremater PI yang di tuning menggunakan metode Ziegler–Nichols, maka akan diuji performansi sistem dengan menggunakan paremater PI yang di-tuning menggunakan metode Tyreus–Luyben. Adapun respon sistem control ketika dihadapkan pada nilai set point 0,2 (Normal Liquid Level) adalah seperti gambar 4.4
Gambar 4.5. Grafik osilasi Controller PI Tyreus-Luyben Dari kedua nilai parameter yang didapatkan dengan dua metode yang berbeda ini kemudian akan diuji coba untuk menentukan mana yang terbaik diantara keduanya yang nantinya akan dipakai seterusnya sebagai parameter controller dalam sistem pengendalian level pada liquid tank.
13
Gambar 4.9. Model Controller PID dengan TyreusLuyben Setelah nilai parameter controller PID dengan metode empiris didapatkan maka akan disimulasikan bagaimana respon sistem control dengan parameter tersebut. Adapun respon sistem control ketika dihadapkan pada nilai set point 0,2 (Normal Liquid Level) adalah seperti gambar 4.6
Gambar 4.7. Respon sistem control dengan Parameter PI Tyreus – Luyben untuk set point 0.2 m Respon sistem pengendalian pada kondisi seperti ditunjukkan dalam gambar 4.4 memiliki nilai maximum overshoot (Mp = 95 %). Sistem sudah masuk pada keadaan steady pada detik ke-45 (time settling) dengan Error Steady State (Ess = 1.58%). Tabel 4.3 Kriteria kualitatif untuk beberapa set point dengan Parameter PI Tyreus – Luyben Set Point Mp (%) Ess (%) ts (detik) 0,18 98 1,53 45 0,20 95 1,58 46 0.22 91 1,96 51
Gambar 4.10. Respon sistem control dengan Parameter PID Tyreus-Luyben untuk set point 0.2 m
Dari hasil simulasi yang telah dilakukan untuk kedua parameter controller yang diperoleh dengan dua metode tuning yang berbeda, berdasarkan kriteria performansi yang didapatkan (maximum overshot (Mp), settling time (ts) dan error steady state (Ess)), maka parameter yang diperoleh dengan tuning menggunakan metode Tyreus–Luyben adalah yang lebih unggul dibandingkan dengan parameter yang diperoleh dengan tuning menggunakan metode Ziegler– Nichols. Kelemahan yang timbul pada penggunaan metode Tyreus–Luyben akan dicoba diatasi dengan melakukan tuning secara empiris. Tuning dengan metode empiris ini dilakukan karena sangat sulit sekali mendapatkan parameter PID dengan metode teoritis. Setelah lama dilakukan tuning dengan empirismaka akhirnya didapatkan parameter PID terbaik sebagai berikut Kp = 4.45 ; Ti = 15.56 ; dan Td = 1.11
4.5.
Uji Respon Sistem Pengendalian dengan Parameter Tracking-Set Point dengan metode Tyreus – Luyben Untuk menguji dinamika kendali level saat set point berubah-ubah sesuai desain awal yakni dari 0.18 meter ke 0.2 meter dan 0.22 meter, juga sebaliknya dari 0.22 meter ke 0.2 meter dan 0.18 meter maka sistem seharusnya mengikuti secara dinamis. Adapun gafik yang didapat dari uji tracking set point dapat dilihat pada gambar 4.10.
Gambar 4.8. Model Controller PID dengan ZieglerNichols
Gambar 4.11. Respon sistem control dengan Parameter PID yang diperoleh secara tracking set point 0.18~0.22 m
14
Respon sistem pengendalian pada kondisi seperti ditunjukkan dalam gambar 4.10 memiliki nilai awal maximum overshoot (Mp = 67 %) dan level sudah steady saat detik ke-100. Saat set point dinaikkan pada 0.2, sistem mempunyai Mp= ± 50%. Jika diperhatikan pada set point berikutnya, sistem cenderung bekerja semakin baik, karena maximum overshoot dari sistem cenderung semakin turun dan bekerja pada kisaran 15% ~ 20%. Begitu juga keadaan steady juga dicapai dalam waktu yang semakin singkat dengan kisaran 30 ~ 40 detik. Berdasarkan kriteria performansi dan pengaruhnya terhadap respon control valve, maka parameter controller yang cocok untuk sistem pengendalian level pada liquid tank adalah nilai parameter yang didapatkan dengan metode tuning PID TyreusLuyben.
5.
5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari serangkaian metodologi dan pengujian yang telah dilakukan pada pengerjaan Tugas Akhir ini, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Dari hasil uji umpan balik dan metode osilasi, didapatkan tuning PID dengan metode TyreusLuyben akan menghasilkan performasi pengendali liquid level yang lebih berarti. 2. Berdasarkan hasil simulasi didapatkan nilai performansi terbaik untuk tuning parameter Kp = 45.45; Ti = 15.56 dan Td = 1.11 dan didapatkan nilai-nilai Mp = 20%, Ess = 1,95%, serta Ts = 40 sekon. 5.2. Saran Dari hasil tugas akhir ini dapat diberikan saran untuk pengembangan penelitian selanjutnya antara lain : 1. Diperlukan sizing control valve yang tepat untuk meningkatkan performasi sistem. 2. Untuk dilakukan penelitian dengan metoda autotuning berbasis genethic-algorithm terhadap masukan yang berubah-ubah, artinya membaca banyak error. 3. Untuk dilakukan penelitian pengendalian liquid level dengan memanipulasi tekanan gas pada horizontal pipe.
Riwayat Pendidikan: 2007 – Skrg : S1 Lintas Jalur Jurusan Teknik Fisika ITS Surabaya 1994 – 1997 : PENS-ITS 1987 – 1991 : DLKT PT PAL Indonesia 1984 – 1987 : SLTPN Buduran 1978 – 1984 : SDN Bulu Sidokare
6.
J. J. S. Shen & R. C. Riley (Chevron Energy Technology Company – Houston, Texas, USA) : Evaluation of a Multiphase Meter in Well-Testing Operation Gunterus, Frans. 1994 : Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Elex Media Komputindo, Jakarta.
Biodata Nama : Djoko Nusantoro TTL : Jombang, 11 Agustus 1971 Alamat : Jl. Bandulan VIIIB/308c
Daftar Pustaka 1. Bella G Liptak : Instrument Engineers Handbook 2. Eivind Dahl, Christian Michelsen Research AS : Handbook of Multiphase Flow Metering. 3. K.T. Liu & G. E. Kouba : Oil & Gas Journal – Coriolis-based net oil computers gain acceptance at the wellhead. 4. J. J. S. Shen (Chevron Energy Technology Company – Houston, Texas, USA) : Filed Trial of a Separated-Flow Multiphase Meter at High GVF Conditions in Offshore Operation.
15
