Oleh :Awal Mu’amar 2404 100 030

Pembimbing :Hendra Cordova ST, MT

Fitri Adi Iskandarianto ST, MT

JURUSAN TEKNIK FISIKAFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA

PERANCANGAN SISTEM CONTROL LEVEL DAN PRESSURE

PADA BOILER DI WORKSHOP INSTRUMENTASI

BERBASIS DCS CENTUM CS3000 YOKOGAWA

Latar Belakang

Boiler adalah sebuah bejana tertutup yang digunakan untuk memisahkan fluida antara fase gas (steam) dan fase cair (air).

Distributed Control System (DCS) adalah sistem kontrol yang terdistribusi atau terbagi-bagi. Pada penggunaan DCS sebagai sistem kontrol, fungsi kontrol proses didistribusikan pada beberapa lokal kontrol yang menangani proses yang berbeda-beda.

CENTUM CS 3000 adalah salah satu DCS yang terbaru keluaran dari PT.Yokogawa Indonesia.

Permasalahan

Bagaimana merancang sebuah sistem control level dan pressure pada boiler

di workshop intrumentasi berbasis DCS CENTUM CS3000 Yokogawa

Batasan Masalah

Boiler yang digunakan adalah boiler pada miniplant di Workshop Instrumentasi

Variable yang dikontrol adalah level dan pressure dari steam drum boiler

Sinyal input berasal dari sensor yang ada pada plant

Software yang digunakan adalah CENTUM CS3000 Yokogawa

Tujuan Penelitian

Merancang sebuah sistem control level dan pressure pada boiler di Workshop Instrumentasi berbasis DCS CENTUM CS3000 Yokogawa

Metodologi Penelitian

Proses and Flow Diagram Miniplant Boiler di Workshop Intrumentasi

Miniplant Boiler di Workshop Intrumentasi

Wall Tube

Steam DrumEconomizer

Superheater

Distributed Control System (DCS)

DCS CENTUM CS 3000 Yokogawa

FCS FCS : Field Control Station: Field Control StationFIO FIO : Field Network Input/Output: Field Network Input/OutputRIO RIO : Remote Input/Output: Remote Input/OutputENG ENG : Engineering PC: Engineering PC

ControllerP

I

D

++++-E(s)R(s)

Feed

Bac

k

m(s)

sKs

KKsGc d

ip )(

sT

sTKpsGc d

i

11)(

)()(1)()( te

dtdTdtte

TteKtGc d

ip

Transfer Function PID controller dalam domain S dapat dinyatakan sebagai berikut :

Dengan Kp , Ki , dan Kd masing – masing adalah gain P, I, dan D. Bentuk diatas dapat pula ditulis dalam bentuk lain, sebagai berikut :

Bila dinyatakan dalam domain waktu (t), PID controller dapat ditulis :

Diagram Blok SistemController

FinalControlElement

Plant

Level

text

SP OutputInput

ControllerFinalControlElement

Planttext

SP OutputInput

Presure

Sistem Pengendalian LevelF2

F1

PI Dh(t)

L T

Steam

Water

F1 : Flow Air masuk (m3/s)F2 : Flow Steam Keluar (m3/s)h(t) : Tinggi permukaan air (meter)LT : Level TransmiterPID : Controller

)(1

)(1

)(1

)( 2321 sQ

sAsP

sAsF

sAsH

Pemodelan Sensor Level

12.072.72

)()(

ssIsL

L

L

Pemodelan Control Valve

113.11024.1

sGCV

Pemodelan Level

Sistem Pengendalian Pressure

q2

PID

SteamWater

PT

h(t)

pembakaranq1

q1 : Flow kerosin/bahan bakar masuk (m3/s)q2 : Flow air masuk (m3/s)h(t) : Tinggi permukaan air (meter)PT : Pressure TransmiterPID: Controller

)()()( 22

12

sQQkCs

PKsQQkCs

sP w

Pemodelan Sensor Pressure

12.0067.1

)()(

ssIsL

L

LPemodelan Control Valve

185.2306.0

s

GCV

Pemodelan Pressure

PemodelanSistem PengendalianLevel dan Pressure

Control Drawing Sistem

Tampilan Human Interface Station

PI Ziegler Nichols PID Ziegler Nichols

Tuning Trial Eror

Tuning Controller

Tampilan HMI Control PID

Uji Step Sistem Pengendalian

Uji Tracking setpoint Uji Tracking setpoint

Uji Penambahan Load

Level Pressure

Uji Penambahan Load

Uji Pengurangan Load Uji Pengurangan Load

Pengujian

KESIMPULAN1. Telah Dirancang sebuah sistem pengendalian level dan pressure

pada boiler di workshop Instrumentasi menggunakan DCS CENTUM CS3000 Yokogawa

2. Perancangan Sistem control pada boiler mendapatkan nilai Gain dari hasil Trial Eror :KP = 0,33 , TI = 9 , dan TD = 4 untuk LevelKP = 0,5 , TI = 10 , dan TD = 0 untuk pressure

3. Pengendalian Level :

Uji Step waktu 58

detik dan overshoot 7,7%

Uji Tracking setpoint waktu 37 detik

Uji Penambahan Load waktu 86 detik

Uji Pengurangan Load waktu 45 detik4. Pengendalian Pressure :

Uji Step waktu 52 detik dan overshoot 6,25%

Uji Tracking setpoint waktu 30 detik

Uji Penambahan Load waktu 69 detik

Uji Pengurangan Load waktu 65 detik

Sistem pengendalian Temperatur dan Flow dari boiler dapat dijadikan topik pada penelitian berikutnya.Untuk Mahasiswa Teknik Fisika khususnya

dapat dikembangkan dengan melakukan interfacing langsung (online) dengan real plant.

SARAN

Terima Kasih

PB TiLevel 15,1 % 20 s

Pressure 2,4 % 20 s

Tuning PI Ziegler Nichols

PB Ti TdLevel 11,3 % 12 s 3 s

Pressure 1,8 % 12 s 3 s

Tuning PID Ziegler Nichols

PB Ti TdLevel 300 % 9 s 4 s

Pressure 200 % 10 s -

Tuning Trial Eror

Uji Step Sistem Pengendalian

Uji Traking Set Point Level

Uji Traking Set Point Pressure

Uji Penambahan Load 2% level

Uji Pengurangan Load 2% level

Uji Penambahan Load 0,7% Pressure

Uji Pengurangan Load 0,7% Pressure

Level PressurePu 24 24

Pbu 6.8 1.1

LevelC P I DPI 15.11111 20 -

PID 11.33333 12 3

PressureP I D

PI 2.444444 20 -PID 1.833333 12 3

Tuning ControllerPI PBU/0.45 Pu/1.2 -

PID PBU/0.6 Pu/2 Pu/8

Pemodelan matematis pengendalian level

dm : Perubahan Massa air (m3)dt : Perubahan waktu (sekon)ρw

: Massa jenis air (kg/m3)ρv

: Massa jenis uap air (kg/m3)q1 : Flow air masuk (m3/s) q2 : Flow Uap Air keluar (m3/s)

)()()(21 tqtq

dttdm

vw

)()()(21 tqtq

dttLdA

vww

Jika m= ρ

Vw

dan d Vw

= L dA

maka menjadi :

Gv S

tPtfCtq )()()(1

Aliran air yang lewat control valve :

……..(3)

…..(2)

……..(1)

)()()()( 221 tq

SPtghtPtfC

dtdALD v

G

wvww

Substitusi persamaan menjadi :

2321 QAPAFAHdtdH

Disederhanakan menjadi :

gKLD

w

2

82.0Dimana :

gKK

Aw2

11 g

Aw1

2 gK

Aw2

3024.0

)(1

)(1

)(1

)( 2321 sQ

sAsP

sAsF

sAsH

Hasil transformasi Laplace menjadi :

……..(5)

……..(4)

Pemodelan Sensor LevelSensor Menggunakan DP Transmitter.Inputan = 22 cm / 0,22 MOutputan elektrik = 4-20 mA

)(

)(

metermasukanSpan

mAkeluaranSpanGL MetermA

MetermA 72,72

22,0420

1)()()(

sTG

sIsL

c

L

L

LGL : gain transmitteTc : time constant transmitter

Fungsi transfer Transmitter

12.072.72

)()(

ssIsL

L

L

Pemodelan Control Valve

1

sTK

Gcv

Ccv

Karena boiler yang digunakan Orde satu maka fungsi transfer adalah :

Kcv : gain control valveTcv : time constant control valve (11,13 detik)

scm

masukantekananperubahanmaksimumaliranlajuKCV

2

46.5

mAcmKg

mAinputSpancmkgoutputSpanGT 2

2

1875.0)(

)/(

mAsKgxKGK CVTC .

024.146.51875.0.

113.11024.1

sGCV

Pemodelan Level

Pemodelan matematis pengendalian pressure

C

: kapasitansi tangkidP

: Perubahan Tekanan steam (kg/m2)

dt : Perubahan waktu (sekon)q1

: Flow air masuk (m3/s)q2

: Flow uap air keluar (m3/s)ρw

: Massa jenis air (kg/m3)ρv

: Massa jenis uap air (kg/m3)

)()()(21 tqtq

dttdPC vw

RTMP

v Dimana :

)()()(21 tq

RTMPtq

dttdPC w

……..(8)

……..(7)

))()(()()(221 tPqtqP

RTMtq

dttdPC w

Persamaan (8) dilinierkan menjadi :

RTMK Misalkan :

)()()( 22

12

sQQkCs

PKsQQkCs

sP w

Hasil transformasi Laplace menjadi :

Pemodelan Sensor PressureInputan = 15 bar / 15 Kg/cm2

Outputan elektrik = 4-20 mA

1)()()(

sTG

sIsL

c

L

L

LGL : gain transmitteTc : time constant transmitter

Fungsi transfer Transmitter

12.0067.1

)()(

ssIsL

L

L

2/067.12/)15(

)420(cmkg

mA

cmkg

mAGP

Pemodelan Control Valve

1

sTK

Gcv

Ccv

Karena boiler yang digunakan Orde satu maka fungsi transfer adalah :

Kcv : gain control valveTcv : time constant control valve (23.85 detik)

scm

masukantekananperubahanmaksimumaliranlajuKCV

2

323.0

mAcmKg

mAinputSpancmkgoutputSpanGT 2

2

1875.0)(

)/(

mAsKgxKGK CVTC .

06.0323.01875.0.

185.2306.0

s

GCV

Pemodelan Pressure

178.26.1

178.2613.0

119.0035.0

119.01533.0

113.11024.1

)()(

1

1

s

sssssM

sC

Sistem Pengendalian Level

6.1752.4848.002.0056.0

119.01533.0

113.11024.1

)()(

21

1

sss

sssMsC

Sistem Pengendalian Pressure

119.01533.0

119.0035.0

178.2613.0

178.26.1

185.23122.0

)()(

2

2

s

sssssM

sC

1533.046.008.0002.00038.0

178.26.1

185.23122.0

)()(

22

2

sss

sssMsC