perancangan sistem pengendalian level 3...

Oleh :

eko wahyudianto (2409.105.004)

Pembimbing :

Ir.Mochamad.Ilyas HS NIP. 19490919 197903 1 002

* PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN BERTINGKAT PADA STEAM DRUM PT INDONESIA POWER

UBP SUB UNIT PERAK-GRATI

*Level fluida cair dalam steam drum merupakan faktor dominan untuk mendapatkan steam yang berkualitas

*Pada kondisi operasi tertentu, seperti misalnya sering terjadi gangguan pada proses yang berubah-ubah, parameter kendali ini harus sering dituning ulang.

*Sistem kendali PI merupakan algoritma kendali yang digunakan di PT.Indonesia Power UBP Sub Unit Perak.

Latar Belakang

Permasalahan

Bagaimana Merancang Sistem Pengendalian

Bertingkat di PT. Indonesia Power Ubp Sub Unit Perak-grati.

Tujuan

Untuk Merancang Sistem Pengendalian Bertingkat di PT. Indonesia Power Ubp Sub

Unit Perak-grati.

Batasan Masalah

*Plant yang menjadi objek penelitian adalah Steam

Drum Boiler di PT Indonesia Power UBP Sub Unit Perak.

*Data-data proses diambil dari control room pada kondisi operasi normal

*Variabel yang dikontrol adalah level dari steam drum boiler.

*Analisa yang dilakukan berupa analisa tentang

performansi sistem. *Software yang digunakan adalah Matlab 7.1

Alur Penelitian

P&ID Steam Drum

Diagram Blok

Pemodelan Plant

Dengan menggunakan persamaan kesetimbangan massa kontinuitas,maka model matematis proses steam drum adalah:

output

steam

massalaju

input

waterfeed

massalaju

drumsteam

dlmmassa

perubahanlaju __

_

__

_

vwv

vL

w mmdt

dV

dt

dV

dt

dVLw

dt

dVvv

wm

vm

dt

dhLD

dt

dVL 82,0

dimana:

= laju perubahan massa liquid dalam steam drum

= laju perubahan massa vapor dalam steam drum

= laju massa water input

Fungsi level air dalam steam drum boiler dapat dinyatakan dengan persamaan:

= laju massa vapor output )82,0(v LDhV

dt

d

dt

dVtot

)82,013,32(v LDhdt

d

dt

dV

dt

dLDh

dt

dV31,31v

Sedangkan fungsi vapor dalam steam drum boiler dapat dinyatakan dengan persamaan:

)(31,3182,0.

1smsm

sLDLDsH vw

vw

)(17,1581139,9126

1smsm

svw

)(56,24937

1smsm

svw

Level Transmitter

mmA /85.227,0

420

12,085.22

ssL

sI

Flow Transmitter

12,016,0ssF

sI

Control Valve

= 2,378125 kg/s mA

1012,178,1ssG

sMs

Penentuan ulang nilai Kp, Ti dan Td

pada sistem pengendalian PID Tiga

Elemen dengan metode Ziegler-Nichols

Sistem pengendalian seperti pada Gambar disamping merupakan sistem pengendalian cascade atau bertingkat. Dalam mendesain sistem cascade maka dilakukan tuning pada primary loop atau master dan pada secondary loop atau slave.

Pada secondary loop:

12,016,0

12,016,0

1012,178,1111

1012,178,111

)()(

ssssTd

sTiKp

ssTd

sTiKp

sSP

sPV

Unsur Ti dan Td dihilangkan, maka persamaan menjadi:

Kpsss

sKp

sSP

sPV

04556,012,04448,004048,012,078,1

)()(

23

Kpsss 04556,012,04448,004048,0 23

Persamaan karakteristik:

Metode Routh-Hurwitz untuk menentukan nilai Kp kritis atau Kcr.

S3 0,2

S2

S1

S0

04048,0

4448,0 Kp04556,01

Kp018,01089,0

Kp04556,01

Berdasarkan Tabel perhitungan metode Routh Hurwitzh

Secondary Loop dapat diketahui nilai Kcr.

94,21104556,0

004556,01

Kp

Kp

Kp

261,204048,0

2,0u

77,2261,2

14,322 xPcr

u

Sehingga didapatkan 0<Kp<Kcr. Dengan kata lain nilai Kp berada diantara 0 dan 21,94. Setelah mendapatkan nilai Kcr untuk menentukan nilai Kp, selanjutnya dilakukan tahapan berikutnya untuk menentukan nilai Ti dan Td dengan melakukan pertihungan mencari Pcr sebagai berikut :

Kp = 0,6x21,94 =13,16 Ti = 0,5x2,77=1,385 Td = 0,125x2,77=0,346

setelah itu dilakukan penyederhanaan persamaan primary loop dengan hanya memasukkan nilai Kp dan menghilangkan nilai Ti dan Td. Sehingga penentuan nilai Kp kritis (Kcr) dari sistem dapat dilakukan.

Persamaan Karakteristik :




Penentuan nilai parameter Kp dilakukan dengan metode Routh Hurwitzh.

12,085,22

5,829367,1

6,09,1278,26,3058,04,2303,952,1604,1219,11

5,829367,1

6,09,1278,26,3058,04,2303,952,1604,1219,1

)()(

234

2345

234

2345

ssssss

sssssKp

sssss

sssssKp

sSP

sPV

sKpsKpsKpsss 69,5437,49434,217179,1664357,366059,21900361908,64562,96 23456

s6 96.2 36190 1,6.104+2,1.103Kp 0

s5 6456.8 4,9.103+5,4.102Kp

s4 35863.7+352146.8Kp

s3 4943,7+543,69Kp

s2

s1 4943,7+543,69Kp

s0 0

3,6.103Kp+2,1.104

Kp34

2678

10.6,310.19,2Kp7,9.10Kp8,8.10+1,8.10

Kp54

2131512

10.5,310.5,3Kp3,23.10Kp1,69.10+1,7.10

2131512

5454443442434037

10.23,310.69,110.6,710.6,110.6,110.8,110.8,110.6,310.8,1

KpKp

KpKpKpKpKp




Berdasarkan Tabel perhitungan metode Routh Hurwitzh Primary Loop dapat diketahui nilai Kcr.

09,94943,7543,69

0543,69+4943,7

Kp

pK

pK

5,28,645669,41850

Sehingga didapatkan 0<Kp<Kcr. Dengan kata lain nilai Kp berada diantara 0 dan 9,09. Setelah mendapatkan nilai Kcr untuk menentukan nilai Kp, selanjutnya dilakukan tahapan berikutnya untuk menentukan nilai Ti dan Td dengan melakukan pertihungan mencari Pcr sebagai berikut :

5,25,214,3.22

Pcr

Kp kritis adalah batas kestabilan dari suatu sistem. Nilai KP kritis sistem (Kcr) adalah 9,09 dengan periode (Pcr) dari sistem yang berosilasi saat nilai Kcr dimasukkan adalah 2,5 detik. maka, berdasarkan tabel 3.3 maka diperoleh nilai parameter PID sebagai berikut: Kp = 0,6x9,09=5,45 Ti = 2,5x0,5=1,25 Td = 2,5x0,125=0,31

Untuk Primary Loop atau LIC Dengan nilai Kp=21,73;Ti=1,05 dan Td=0,26, sedangkan Untuk Secondary Loop atau FIC Dengan nilai Kp=14,5; Ti=0,91 dan Td=0,3.

Mode Kontrol PID

Grafik Respon

Grafik uji step berbasis PID controller

Pada respon dari hasil perancangan sistem pengendalian level 3 elemen kontrol berbasis PID dengan metode Ziegler-Nichols. Yang memiliki kriteria error stady state 0,02 atau Ts 2%. Respon menunjukkan nilai maksium overshoot sebesar 67,14%, dengan setling time sebesar 156 detik, serta memiliki peak time sebesar 13 detik

0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

waktu(s)

level(m

)

Respon(1)

Setpoint(2)

Grafik uji tracking set point

berbasis PID controller

Grafik Respon

hasil uji tracking set point Untuk metode Ziegler-Nichols.Dengan set point 0,2 meter, 0,5 meter, 0,3 meter dan 0,1 meter. Dari grafik diatas terlihat bahwa respon hasil rancangan sistem pengendalian PID setelah diuji dengan uji tracking set point,

respon mengikuti kenaikan dan penurunan set point yang diberikan hanya terjadi perbedaan pada setling time. Pada saat set

point dinaikkan respon memiliki setling time yang lebih lama dibandingkan dengan pada saat set point diturunkan, tetapi perbedaan setling time pada kenaikkan dan penurunan tidak begitu significant dengan range perbedaan antara 20-50 detik.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

waktu(s)

level(m

)

Respon Pengendalian PID 3 Elemen kontrol Uji tracking Set Point

Level(1)

Set Point(2)

Sp(mete

r) Ts (s) Tr (s) Tp (s) Td (s)

0,2 147 10 45 27

0,5 101 5 20 8

0,3 133 5 19 7

0,1 152 10 27 14

Tabel 4.2 uji tracking set point (0,7 meter , 0,6 meter dan 0,5 meter)

Grafik Respon

Grafik uji noise pada pengukuran transmitter

0 200 400 600 800 1000 12000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

waktu(s)

level(m

)

Respon Uji Noise Sistem

Level(1)

Set Point(2)

*Telah dilakukan perancangan system pengendalian 3 elemen control berbasis PID pada Steam Drum PT. Indonesia Power UBP Sub Unit Perak Grati.

*Diperolehnya sistem kontrol baru berdasarkan hasil rancangan kontrol PID 3 elemen berdasarkan metode Ziegler-Nichols diperoleh nilai Kp = 77,34; Ti = 0,9375 detik dan Td=0,3821

*Respon yang diberikan oleh sistem hasil rancangan telah memenuhi kriteria yang ada seperti kestabilan, maksimum overshot = 27,7% time setling = 19 detik. Sistem telah lolos dalam beberapa pengujian seperti uji respon masukan sinyal step tracking setpoint, uji noise pengukuran.

KESIMPULAN

Terima Kasih

dh

D

Luasan yang

tertutup

liquid

PERHITUNGAN PENDEKATAN LUASAN SISI SAMPING FLASH DRUM

•Luas Pendekatan Sisi Samping Feed Flash Drum

Untuk memperoleh luasan sisi samping dari Flash Drum yang tertutup liquid maka didekati dengan menggunakan

pendekatan luasan kotak dengan persamaan :

dA = f D dh

dimana :

dA = Luas permukaan sisi samping Flash Drum yang tertutup liquid.

dh = Ketinggian liquid.

D = Diameter Flash Drum.

F = Koefisien faktor koreksi

Gambar A.1 Pendekatan luasan sisi samping Flash Drum dengan luasan kotak

Dengan menggunakan pendekatan luasan kotak dalam mencari luasan sisi samping Flash Drum (berbentuk lingkaran) yang tertutup liquid, maka pertama kali dilakukan adalah mengambil contoh permisalan lingkaran memiliki diameter sebesar 30 cm. Selanjutnya dilakukan pengukuran perubahan luas akibat perubahan ketinggian liquid baik untuk luasan kotak, luasan pendekatan (X) dan juga untuk luasan Flash Drum, luas sebenarnya (Y) dengan membuat tabel berikut ini : Tabel A.1 Luasan sisi samping vessel yang tertutup liquid dengan luasan pendekatan dalam bentuk kotak.

Tinggi liquid h

(cm) Luas Kotak X

(cm2) Luas Lingkaran Y

(cm2)

2 60 20,25

3 90 36,69

4 120 55,95

5 150 77,33

6 180 100,53

8 240 151,20

9 270 178,23

10 300 206,13

11 330 234,73

12 360 263,88

Dengan memplot data diatas, dibuat suatu grafik hubungan antara luasan pendekatan (X) dengan luasan sebenarnya (Y) seperti gambar (A.2) dibawah. Dan dari grafik terlihat bahwa garisnya mendekati linier maka dengan demikian dapat dilinearkan untuk memperoleh persamaan y = ax + b . Untuk mendapatkan nilai a dan b digunakan metode kuadrat terkecil dengan persamaan :

22ii

iiii

xxn

yxyxna

22

2

ii

iiiii

xxn

xyxxyb

Setelah data dari Tabel A.1 dimasukkan kepersamaan (A.1) dan (A.2), maka diperoleh nilai a = 0,82 dan b = -40. Dimana nilai a yang merupakan slope atau gradien dari persamaan korelasi tersebut juga merupakan suatu konstanta yang menyatakan hubungan antara luasan vessel dengan pendekatan.

0

100

200

300

60 90 120 150 180 240 270 300 330 360Luas

an V

esse

l

Luasan PendekatanGambar A.2 Grafik hubungan luasan vessel

dengan luasan pendekatan

perancangan sistem pengendalian level 3...

Documents