1 Abstrak
Steam Drum adalah salah satu bagian dari boiler yang berfungsi untuk memisahkan uap dari air setelah proses pemanasan yang terjadi dalam boiler yang didasarkan atas perbedaan berat jenis. Sedangkan level air dalam steam drum merupakan faktor dominan untuk mendapatkan steam yang berkualitas. Level air dipertahankan pada ketinggian NWL (Normally Water Level). Bila steam drum mengalami kondisi low water level atau high water level yang cukup besar atau sigmaka sistem akan mengalami kondisi trip, yaitu kondisi dimana sistem berhenti beroperasi hingga perlu dilakukan waktu untuk restart awal untuk memulai proses. Kondisi high level merupakan kondisi yang sangat berbahaya bagi proses selanjutnya, dimana masukan turbin yang berupa steam akan tercampur dengan air dari kelebihan level air di steam drum (carry over). Dalam penelitian ini dilakukan perancangan dan simulasi sistem pengendalian level dengan menggunakan PID berdasarkan 3 elemen kontrol, untuk menentukan parameter pengendali adalah level air, flow feed water dan flow steam. Dari hasil penelitian terlihat bahwa respon sistem dengan menggunakan kendali PID lebih baik dibanding dengan menggunakan kendali PI pada beberapa pengujian dengan max overshoot 67,14% dan settling time 156 detik.
Pendahuluan
PT Indonesia Power Ubp Unit Perak merupakan PLTU yang menghasilkan daya 50MW/hari. Kebutuhan utama dari pembangkit ialah steam yang dihasilkan oleh Steam drum. Sehingga steam drum merupakan salah satu bagian yang paling penting dalam proses pembangkitan. Salah satu faktor dominan untuk mendapatkan steam yang berkualitas adalah level fluida cair dalam drum[8]. Level air dipertahankan pada ketinggian NWL (Normally Water Level). Bila steam drum mengalami kondisi low water atau high water maka sistem akan mengalami kondisi trip, yaitu kondisi dimana sistem berhenti beroperasi hingga perlu dilakukan waktu untuk restart awal
untuk memulai proses. Kondisi high water merupakan kondisi yang sangat berbahaya bagi proses selanjutnya, dimana masukan turbin yang berupa steam akan tercampur dengan air dari kelebihan level air di steam drum (carry over). Hal ini akan mengakibatkan korosi dan bahkan kerusakan pada steam turbin. Kondisi inilah yang tidak diinginkan oleh perancang. Selain kondisi itu, kondisi low water juga sangat berbahaya, karena jika proses berlangsung tetapi kekurangan level air di steam drum yang akan menyebabkan terjadinya kerusakan-kerusakan pada komponen-komponen pembangkitan listrik sehingga sangat merugikan selain juga berbahaya. Untuk meminimalkan masalah di atas maka diperlukan sistem kendali yang handal agar keberlangsungan proses tetap terjaga dengan baik.
Setelah kunjungan yang dilakukan pada real plant PT Indonesia Power Ubp Unit Perak khususnya pada steam drum ternyata masih menggunakan control PI dan pada tiap field instrument masih banyak yang masih menggunakan control manual. Oleh karena itu dalam melaksanakan tugas akhir ini mengambil tema mengenai perancangan sistem pengendalian level 3 elemen berbasis PID pada steam drum.
Permasalahan
Pada pembuatan tugas akhir ini terdapat beberapa permasalahan dan kendala yang dihadapi. Adapun permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah bagaimana merancang sistem pengendalian level 3 elemen berbasis PID pada steam drum di PT Indonesia Power Ubp sub unit perak.
Batasan Masalah
Perlu diberikan beberapa batasan permasalahan dengan tujuan agar pembahasan tidak meluas dan menyimpang dari tujuan, serta keterbatasan waktu dan juga kemampuan maka pembahasan masalah dibatasi mencakup hal-hal berikut yaitu
1. Plant yang menjadi objek penelitian adalah Steam Drum Boiler di PT Indonesia Power UBP Perak..
2. Data-data proses diambil dari control room pada kondisi operasi normal
3. Variabel yang dikontrol adalah level dari steam drum boiler.
PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN BERTINGKAT PADA STEAM DRUM PT
INDONESIA POWER UBP SUB UNIT PERAK-GRATI
(Eko Wahyudianto, Ir.Mochammad Ilyas HS)
Jurusan Teknik Fisika – Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo,Surabaya 60111
2 4. Analisa yang dilakukan berupa analisa tentang
performansi sistem.
5. Software yang digunakan adalah Matlab 7.1 Tujuan Tugas Akhir
Tujuan dari dikerjakan tugas akhir ini adalah untuk mendapatkan rancangan sistem pengendalian level 3 elemen pada steam drum di PT Indonesia Power Ubp sub unit perak.
Metodologi Penelitian
Dalam melakukan sebuah penelitian, diperlukan metode serta tahapan-tahapan yang jelas dan sistematis untuk dapat memperoleh suatu hasil penelitian yang baik. Tahapan - tahapan dalam melakukan penelitian ini dapat dijabarkan sebagai berikut :
1. Studi literatur
Studi literatur dilakukan untuk memahami konsep dasar penalaran dan analisa tentang proses yang terjadi pada steam drum boiler.
2. Pengambilan data-data teknis dan operasi pada plant
Hal ini dilakukan dengan pencatatan data-data proses melalui control room pada kondisi operasi normal, pengambilan data melalui Boiler Operation Manual Book, serta pengambilan data melalui Piping and Instrumentation Diagram (P&ID). 3. Pengolahan data
Pemodelan plant dilakukan dengan model matematis. Tujuan pemodelan plant adalah untuk merepresentasikan proses yang sesungguhnya ke dalam bentuk model matematis sehingga dapat dilakukan analisa plant secara perhitungan.
4. Simulasi dengan Matlab Simulink
Setelah mendapatkan model matematis, dilakukan suatu perancangan dan pembuatan sistem pengendalian berupa software dengan menggunakan simulink.
5. Pengujian dan analisa performansi
Analisa performansi ini meliputi Mp - Maximum Overshoot, ts - time settling (detik), serta ess - Error steady state (%).
6. Penarikan kesimpulan
Penarikan kesimpulan dari hasil simulasi dan pembahasan tentang hasil simulasi yang telah dilakukan.
7. Penyusunan laporan tugas akhir
Tahap akhir dari penelitian ini adalah penyusunan laporan tugas akhir.
2. TEORI PENUNJANG Three-Element Control Three-element control
Three-element control adalah sebuah strategi pengendalian level pada tangki yang mempertimbangkan besarnya level fluida. Laju aliran fluida masuk ke dalam tangki dan laju aliran
fluida keluar dari tangki. Pada umumnya three-element control digunakan untuk pengendalian level pada tangki separator berskala besar daan mengalami perubahan beban yang sangat cepat. Dalam three-element control, feed water flow juga diperhatikan untuk mengkompresi error yang disebabkan karena pengukuran laju aliran untuk load disturbance lainnya yang tidak terukur, misalnya blowndown, karena hal ini berpengaruh pada level fluidacair dalam steam drum. Aliran dari feedwater ke steam drum normalnya terkendali agar level air dalam steam drum sedekat mungkin dengan Normally Water Level (NWL). Level control loop mengukur level dengan menggunakan level transmitter dan mengatur aliran feedwater dengan menggunakan control valve atau boiler feed pump. Control loop tersebut mengindikasikan perbandingan antara feedwater flow dan steam flow adalah level dari permukaan di dalam “ Boiler Steam Drum”. Jadi feedwater flow harus dikendalikan dengan simple loop pada keadaan sebenarnya tidak memberikan pengendalian yang stabil yang dikarenakan oleh banyak keadaan. Alasan utama adalah fluida dibawah NWL tidak berupa air, tetapi campuran antara air dengan gelembung-gelembung uap menjadi mengembang, yang menyebabkan level NWL meningkat. Akibat dari meningkatnya aliran uap (steam flow) adalah level dalam steam drum juga meningkat, sehingga sebuah simple loop akan mengurangi feedwater daripada menambahnya. Selanjutnya, pengurangan dalam aliran feedwater berarti pengurangan dalam efek pendinginan dari feedwater, dimana kemudian akan menambah ekspansi dari gelembung-gelembung uap. Secepatnya, uap yang lolos dari permukaan akan menyebabkan level menjadi turun, sehingga simple loop akan dengan cepat menambah feedwater flow. Akan tetapi, peningkatan laju aliran feedwater akan menyebabkan suhu air di dalam steam drum menjadi turun, yang berakibat pada gelembung-gelembung uap (steam bubles) menjadi menyusut dan levelnya menjadi turun. Peningkatan aliran feedwater akan menyebabkab turunnya level daripada meningkatkan level. Fenomena yang berlawanan ini dikenal dengan istilah “ swellage” dan “stirinkage” dan akan mengahsilkan osilasi yang tidak terduga di permukaan level. Dengan jelas bahwa kebutuhan utama adalah feedwater flow harus sesuai dengan steam flow, sehingga strategi pengendalian yang
3 lebih baikharus memasukkan parameter ini. Tidak hanya cukup mengendalikan feedwater flow sama dengan steam flow, karena NWL di boiler steam drum dapat menerima harga berapapun secara acak, sehingga sistem pengendaliannya harus memperhitungkan ketiga parameter ini.
Kebutuhan utama dari three-element control adalah untuk menyesuaikan besarnya nilai feedwater flow dan steam flow, tetapi harga utama yang dikehendaki adalah level pada NWL jadi implementasi awal dari pengendalian ini adalah menahan konsep single loop dan diaplikasikannya ketidaksesuaian pada laju aliran feedwater maupun laju aliran steam sebagai komponen berpengaruh terhadap deviasi pada level. Prosedur ini memiliki beberapa kerugian, antara lain weighting factor harus diaplikasikan pada kedua level error dan flow error dan hal ini tidak pernah memenuhi semua kondisi load, pengukuran error laju aliran harus dikompensasi dengan off setting level pada harga yang diiinginkan, secara dinamis prosedur ini tidak memuaskan karena penyimpanannya dalam skala level tetapi regulasinya diterapkan untuk flow, dimana proposional dengan laju
3 Pemodelan dan Perancangan Sistem 3.1 Diagram Blok Sistem
yang menjadi objek pada tugas akhir ini. Diagram blok sistem untuk pengendalian level pada steam drum boiler dapat dilihat pada gambar 3.3.
Berdasarkan gambar tersebut dapat dijelaskan bahwa control valve untuk mengatur laju massa feedwater merupakan manipulated variabel yang
masuk ke steam drum, sedangkan level air, laju
massa steam danlaju massa feedwater pada steam drum merupakan tiga variabel proses untuk
menopang keseimbangan sistem.
Gambar Diagram Blok Sistem Pengendalian Level Tiga Elemen 3.2 Pemodelan Matematis Steam Drum
Dengan menggunakan persamaan hukum kesetimbangan massa (kontinuitas), maka model
matematis proses steam drum dapat dimodelkan
sebagai berikut. Persamaan kesetimbangan massa input dan massa output:
output steam massa laju input water feed massa laju drum steam dlm massa perubahan laju _ _ _ _ _ _ v w v v L w
m
m
dt
dV
dt
dV
dimana:dt
dV
Lw = laju perubahan massa liquid dalam steam drum
dt
dV
vv = laju perubahan massa vapor dalam steam drum
w
m
= laju massa water input vm
= laju massa vapor outputFungsi level air dalam steam drum boiler dapat
dinyatakan dengan persamaan:
dt
dh
LD
dt
dV
L0
,
82
Sedangkan fungsi vapor dalam steam drum boiler
dapat dinyatakan dengan persamaan:
)
82
,
0
(
vV
LDh
dt
d
dt
dV
tot)
82
,
0
13
,
32
(
vLDh
dt
d
dt
dV
dt
d
LDh
dt
dV
31
,
31
vSehingga persamaan diatas menjadi:
v w v v w
V
m
m
dt
d
dt
LDh
)
(
)
82
,
0
(
pers 3.1 v w v wm
m
dt
LDh
dt
LDh
)
(
31
,
31
)
82
,
0
(
) ( 31 , 31 . 82 , 0 . v w v w m m dt d dt dh LD dt dh LD dt d ) ( 31 , 31 82 , 0 . 2 v 2 w v w m m dt d dt h d LD dt h d LD ) ( 31 , 31 82 , 0 . 2 s m s m s s H s LD LD v w v w4 ) ( 31 , 31 . 82 , 0 . LD v LD sH s mw s mv s w
s
LD
LD
s
m
s
m
s
H
v w v w31
,
31
82
,
0
.
)
(
Berdasarkan data di lapangan diperoleh data-data teknis sebagai berikut: (pada pressure 65,139 bar)
w = 748,49 kg/m 3 ( pada pressure 65,139 bar) v = 35,5945 kg/m 3(
pada pressure 68,4 bar)
L = 8,47 meter D = 1,675 meter w
m
= 119 T/H = 33,06 kg/s vm
=113 T/H = 31,39 kg/sMaka didapat persamaan sebagai berikut:
) ( 31 , 31 82 , 0 . 1 s m s m s LD LD s H w v v w
)
(
17
,
15811
39
,
9126
1
s
m
s
m
s
w vs
s
H
56
,
24937
67
,
1
3.4 Pemodelan Matematis Kontroler
Apabila dinginkan respon proses tidak berosilasi, maka dapat digunakan mode integral (I) karena mode kontrol ini dapat membuat respon proses menuju ke set point secara eksponensial.
Secara matematis mode kontrol ini dapat dituliskan sebagai berikut :
s
T
s
T
Kp
s
Gc
d i1
1
)
(
3.5 Pemodelan Matematis Aktuator
Aktuator yang digunakan adalah Control Valve, yang berfungsi untuk mengendalikan level
pada steam drum. Untuk control valve dengan tipe
I/P Converter yang mengubah sinyal input 4-20
mA menjadi sinyal pneumatic 3-15 psig. Dalam hal
ini, control valve memiliki masukan sinyal berupa
arus listrik kemudian diubah menjadi tekanan untuk menggerakkan stem control valve. Karakteristik
dari control valve adalah equal percentage normally close.
Fluida yang mengalir pada boiler feed water
(BFW) dengan laju aliran maksimum 261 ton/hours dan laju aliran minimum adalah 79 ton/hours, dan
merupakan control valve criteria Air to Open (fail closed), dimana pada sinyal 4mA control valve
menutup sedangkan pada sinyal 20mA control valve memiliki laju aliran maksimum.
Model matematik control valve diperoleh dengan persamaan:
dengan
= laju aliran BFW yang termanipulasi (kg/s)
= sinyal masukan ke control valve (Amp) = gain total control valve
= time konstan control valve (s) Untuk menghitung gain control valve dengan
menggunakan persamaan :
dimana span input adalah arus yang masuk dari controller yaitu 4-20 mA sedangkan span output
adalah laju aliran Feed Water dengan laju aliran
max: 183 t/h=50,83 kg/s dan laju aliran min: 46 t/h= 12,78 kg/s, maka didapatkan: G(v) =
4
20
78
,
12
83
,
50
= 2,378125 kg/s mA dimana span input adalah arus yang masuk dari controller yaitu 4-20 mA.Gain I/P,
Sehingga diperoleh gain total control valve:
Kv = Gv.
= (2,378125) .( 0,75) = 1,78 (kg dt/mA)
Time constant efektif control valve
diperoleh berdasarkan hubungan waktu stroke,
perfreksional terhadap posisi valve dan
perbandingan konstanta waktu inferent terhadap waktu stroke yang dinyatakan:
V V
CV
T
V
R
T
.
5
CV
T
= time constant control valve (dt)V
T
= waktu stroke penuh (1,3 dt)V
R
= perbandingan konstanta waktu inverent terhadap waktu stroke (Rv = 0,03)7485 , 0 83 , 50 78 , 12 83 , 50 max _ min _ max _ aliran aliran aliran V
012
,
1
03
,
0
7485
,
0
3
,
1
CVT
1
012
,
1
78
,
1
s
s
G
s
Ms
3.6 Pemodelan Matematis Sensor dan Transmitter
3.6.1 Flow TransmitterFeed Water
Untuk mendeteksi laju aliran Boiler Feed Water keluaran dari Deaerator yang dialirkan
menuju steam drum, maka digunakan Flow Transmitter jenis D/P transmitter, yang
mentransmisikan sinyal dengan range 4-20 mA. Dengan range laju aliran 360-0 ton/hours atau 100-0 kg/s dan time konstan sebesar 100-0,2 detik. Untuk menghitung gain dari transmitter menggunakan
persamaan :
dimana span input adalah laju aliran dari Boiler Feed Water (BFW), sedangkan sebagai span output
adalah arus yang ditransmisikan oleh flow
transmitter. Didapatkan gain transmitter dari
persamaan diatas sebagai berikut :
sehingga pemodelannya menjadi:
3.6.2 Level Transmitter LT 0201
Level yang diukur oleh Level Transmitter
adalah level atau ketinggian dari liquid yang
terdapat pada steam drum. Level Transmitter yang
digunakan merupakan jenis D/P transmitter, yang mentransmisikan signal sebesar 4-20 mA DC.
Measurement length LT 0201 adalah ± 350 mm
dan time konstan sebesar 0,2 detik.
Untuk menghitung gain dari transmitter
menggunakan persamaan:
dimana span input adalah level dari Water atau liquid yang terdapat pada steam drum, sedangkan
sebagai span output adalah arus yang keluar dari
level transmitter. Maka didapatkan gain transmitter
dari persamaan diatas sebagai berikut :
m
mA
/
85
.
22
7
,
0
4
20
sehingga pemodelannya menjadi:
1
2
,
0
85
.
22
s
s
L
s
I
3.6.3 Flow Transmittersteam
Flow yang diukur oleh Flow Transmitter
adalah flow atau laju aliran HP steam keluaran dari
steam drum. Flow Transmitter yang digunakan
merupakan jenis D/P transmitter, yang mentransmisikan signal sebesar 4-20 mA DC. Dengan range laju aliran 360-0 ton/hours atau 100-0 kg/s dan time konstan sebesar 100-0,2 detik.
Untuk menghitung gain dari transmitter
menggunakan persamaan :
dimana span input adalah laju aliran dari HP steam,
sedangkan sebagai span output adalah arus yang
ditransmisikan oleh flow transmitter. Didapatkan
gain transmitter dari persamaan diatas sebagai berikut :
6 sehingga pemodelannya menjadi:
1
2
,
0
16
,
0
s
s
L
s
I
Setelah memodelkan beberapa komponen dari sistem pengendalian, maka selanjutnya memasukkan komponen-komponen tersebut disusun pada suatu blok diagram pengendalian.
Gambar 3.4 Diagram Blok Fungsi Transfer Tiga Elemen
3.7 Penentuan nilai Kp, Ti dan Td pada sistem pengendalian PID Tiga Elemen dengan metode Ziegler-Nichols
Sistem pengendalian seperti pada Gambar 3.4 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:
1 2 , 0 16 , 0 1 2 , 0 16 , 0 1 012 ,1 78 ,1 1 1 1 1 012 ,1 78 ,1 1 1 ) (() s s s s Td s Ti Kp s s Td s Ti Kp s SP s PV Persamaan karakteristik: Kp s s s 0,4448 0,2 1 0,04556 04048 , 0 3 2
Metode Routh-Hurwitz untuk menentukan nilai Kp
kritis atau Kcr.
Tabel 3.1 Kriteria Routh Hurwitzh Secondary Loop
S3 0,04048 0,2
S2 0,4448 1 0,04556Kp
S1 0,1089 0,018Kp
S0 1 0,04556Kp
Berdasarkan Tabel perhitungan metode Routh Hurwitzh Secondary Loop dapat diketahui nilai
Kcr.
94
,
21
1
04556
,
0
0
04556
,
0
1
Kp
Kp
Kp
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 :
261
,
2
04048
,
0
2
,
0
u77
,
2
261
,
2
14
,
3
2
2
x
Pcr
u Kp = 0,6x21,94 =13,16 Ti = 0,5x2,77=1,385 Td = 0,125x2,77=0,346Kp 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.
4 ANALISA dan PEMBAHASAN
4.1 Simulasi Respon Sistem Pengendalian Dengan Parameter Kontroller Hasil Tuning Metode Ziegler-Nichols
Setelah didapatkan parameter kontroller dari hasil tuning dengan metode Ziegler-Nichols,
Selanjutnya akan dilihat bagaimana respon sistem pengendalian level 3 elemen kontrol dengan FIC
7 (Flow Indicator Controller) memiliki nilai Kp =
13,16; Ti = 1,385; Td = 0,346 dan LIC (Level Indicator Controller) memiliki nilai KP = 5,45; Ti
= 1,25; Td = 0,31. Adapun respon sistem kontrolnya ketika dihadapkan untuk mencapai set point pada kondisi NWL (Normal Water Level)
sebesar 0,7 meter, dapat dilihat pada gambar 4.2 di bawah ini. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 waktu(s) le v e l( m ) Respon(1) Setpoint(2)
Gambar 4.2 Respon sistem kontrol PID dengan metode Ziegler-Nichols
Respon pada gambar diatas secara kualitatif memiliki maximum overshot (Mp) =
71,45% dan setlingtime 346 detik.
4.3 Uji Kestabilan Sistem Pengendalian
Untuk mengetahui kestabilan dari suatu sistem maka dilakukan suatu analisa uji kestabilannya. Ada banyak cara yang bisa dilakukan antara lain dengan Routh Hurwitz.
a. Uji kestabilan pada 3 elemen kontrol Uji parameter PID
6 , 0 9 , 1 278 , 2 6 , 3 058 , 0 4 , 23 03 , 95 2 , 160 4 , 121 9 , 1 ) ( ) ( 2 3 4 2 3 4 5 s s s s s s s s s s SP s PV
Tabel 4.9 Uji kestabilan 3 elemen kontrol PI dari
data plant S6 7665 2,7.105 4,6.104 523,3 S5 8,1.104 3,1.104 4552.4 S4 26706,648 45569,2 523,3 S3 17179,07 4393,68 S2 38738,7 523,3 S1 4161,75 S0 523,3
Tidak ada perubahan tanda pada
perhitungan Routh Hurwitz sehingga sistem stabil
dengan parameter yang ada. Hal ini menunjukkan akar-akar persamaan karakteristik berada disebelah kiri sumbu imajiner.
Uji Parameter PID dari metode Ziegler-Nichols s s s s s s 6456,8 36190 55175,17 36381,8 9885,8 2 , 96 6 5 4 3 2
Tabel 4.10 Uji kestabilan 3 elemen kontrol dari metode Ziegler-Nichols S6 96,2 36190 36381,8 0 S5 6456,8 55175,17 9885,8 S4 14889,8 201875 S3 49929,8 106837,54 S2 170014,5 24142,2 S1 99747,46 S0 0
Tidak ada perubahan tanda pada perhitungan Routh Hurwitz sehingga sistem
dinyatakan stabil dengan parameter Kp ,Ti dan Td
yang ada. Hal ini menunjukkan akar-akar persamaan karakteristik berada disebelah kiri sumbu imajiner.
8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 waktu(s) le v e l( m )
Respon Sistem Pengendalian PID 3 elemen kontrol
Level(1) Set Point(2)
Pada respon dari hasil perancangan sistem pengendalian level 3 elemen kontrol berbasis PID dengan metode Ziegler-Nichols diatas secara
kualitatif memiliki maximum overshot (Mp) =
71,45% dan setlingtime 346 detik, dengan kriteria error stady state 0,02 atau Ts 2%, serta memiliki peak time sebesar 20 detik .
4.3 Uji Kestabilan Sistem Pengendalian
Untuk mengetahui kestabilan dari suatu sistem maka dilakukan suatu analisa uji kestabilannya. Ada banyak cara yang bisa dilakukan antara lain dengan Routh Hurwitz.
a. Uji kestabilan pada 3 elemen kontrol Uji parameter PID
6
,
0
9
,
1
278
,
2
6
,
3
058
,
0
4
,
23
03
,
95
2
,
160
4
,
121
9
,
1
)
(
)
(
2 3 4 2 3 4 5s
s
s
s
s
s
s
s
s
s
SP
s
PV
Tabel 4.9 Uji kestabilan 3 elemen kontrol PI dari
data plant S6 7665 2,7.105 4,6.104 523,3 S5 8,1.104 3,1.104 4552.4 S4 26706,648 45569,2 523,3 S3 17179,07 4393,68 S2 38738,7 523,3 S1 4161,75 S0 523,3
Tidak ada perubahan tanda pada perhitungan Routh Hurwitz sehingga sistem stabil
dengan parameter yang ada. Hal ini menunjukkan akar-akar persamaan karakteristik berada disebelah kiri sumbu imajiner.
Uji Parameter PID dari metode Ziegler-Nichols
s s s s s s 6456,8 36190 55175,17 36381,8 9885,8 2 , 96 6 5 4 3 2
Tabel 4.10 Uji kestabilan 3 elemen kontrol dari metode Ziegler-Nichols S6 96,2 36190 36381,8 0 S5 6456,8 55175,17 9885,8 S4 14889,8 201875 S3 49929,8 106837,54 S2 170014,5 24142,2 S1 99747,46 S0 0
Tidak ada perubahan tanda pada perhitungan Routh Hurwitz sehingga sistem dinyatakan stabil dengan
parameter Kp ,Ti dan Td yang ada. Hal ini
menunjukkan akar-akar persamaan karakteristik berada disebelah kiri sumbu imajiner.
9 Pada masukan step ini respon dari sistem
PID hasil metode Ziegler-Nichols menggunakan
kriteria Ts 2% dan menunjukkan maksium overshoot sebesar 71,45%, setling time sebesar
346 detik, sedangkan PI data plant maksium overshoot sebesar 74,28% dan time setling sebesar
349 detik.
4.4 Pengujian Respon Perancangan Sistem Untuk melengkapi informasi kestabilan sistem hasil perancangan sistem dan menjawab permasalahan maka pada sub bab ini akan dilakukan pengujian terhadap sistem tersebut. Jenis pengujian yang dilakukan diantaranya adalah uji uji
noise pengukuran.
4.3.1 Perbandingan melalui masukan tracking set point
Pada uji tracking Set point yang dilakukan
pada hasil perancangan sistem kali ini, Set point
diubah sebanyak empat kali dengan nilai Set point
yang dinaikkan sekali dan dilakukan penurunan set point sebanyak dua kali. Berikut ini adalah respon
3 elemen kontrol dari parameter PID dan PI
metode Ziegler-Nichol. 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) le v e l( m )
Respon Pengendalian PID 3 Elemen kontrol Uji tracking Set Point
Level(1) Set Point(2)
Grafik 4.3 Perbandingan respon uji tracking set point sistem
Berikut adalah 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.
Tabel 4.2 uji tracking set point (0,7 meter , 0,6 meter dan 0,5 meter)
Sp(meter) Ts (s) Tp (s)
0,2 147 45
0,5 101 20
0,3 133 19
0,1 152 27
Dari hasil uji tracking set point ( 0,2 meter , 0,5 meter, 0,3 meter dan 0,1 meter ) didapatkan bahwa untuk mencapai keadaan stabil,semakin tinggi nilai dari set point maka smakin cepat sistem mencapai keadaan stabilnya.ini dapat dilihat dari hasil respon tracking set point grafik 4.3.kemudian Dari hasil uji tracking set point ( 0,7 meter , 0,6 meter dan 0,4 meter ) didapatkan bahwa ketika mengalami penurunan set point , sistem mengalami undershoot.hal ini dapat dilihat saat set point 0,3 meter dan 0,1 meter pada grafik 4.3. Ketika set point 0,3 meter,mengalami undershoot sebesar 23,75 % , sedangkan pada set point 0,4 meter sistem mengalami undershoot sebesar 25 %. 4.4.2 Uji Noise
Pada uji noise yang dilakukan pada hasil
perancangan sistem kali ini, noise yang diberikan
pada pengukuran level transmitter yaitu berupa
kesalahan atau error pengukuran pada transmitter.
Kesalahan pengukuran dapat diberikan berupa sinyal random dengan error sebesar 1% untuk
mengganggu pengiriman sinyal electric yang dikirimkan transmitter pada controller .
10 0 200 400 600 800 1000 1200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 waktu(s) le v e l( m )
Respon Uji Noise Sistem
Level(1) Set Point(2)
Respon yang diberikan oleh sistem PID memiliki
error steady state lebih dari 30% . Serta sistem
lebih berosilasi dengan noise yang ada.
5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Setelah melakukan perancangan system pengendalian level 3 elemen pada steam drum PT Indonesia Power dengan mempelajari sistem pengendalian tiga elemen pada unit Steam. Dapat disimpulkan beberapa hal antara lain:
1) Telah dilakukan perancangan system pengendalian 3 elemen control berbasis PID pada Steam Drum PT. Indonesia Power UBP Sub Unit Perak Grati.
2) 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.
3) 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, uji noise pengukuran.
5.2 Saran
Saran yang diberikan adalah
1) Sebaiknya saat mengubah mode kontrol dari sistem harap diperhatikan proses sistem yang berlangsung.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Gunterus, Frans,”Falsafah Dasar Sistem
Pengendalian Proses”, Elex Media Komputindo, Jakarta.,1994
[2] Incropera, Frank,”Fundamental of Heat and Mass Transfer 3nd Edition”, John Wiley & Son.Inc,1990 [3] Ogata, Katshuiko, “Teknik Kontrol Automatik I’’,
Prentice Hall Inc, 1996.
[4] Ogata, Katshuiko, “Teknik Kontrol Automatik II’’, Prentice Hall Inc, 1996.
[5] Kurnia, Dedi Nazara, “Penentuan Safety Integrity Level dengan Fault Tree Analysis untuk mengetahui Waktu keamanan proses pada Boiler Steam Drum PT. Indonesia Power UBP Suralaya”, Surabaya, 2008.
[6] Smith, A. Carlos, “Principles and Practice of Automatic Process Control”, John Wiley & Son.Inc,1997.
[7] Stephanopoulos, George, “Chemical Process Control An Introduction to Theory and Practice” Hall International.Inc, 1984.
[8] Abadi, Imam. 2009. Simulasi Pengendalian Level Steam Drum Dengan Pengendali PID Berbasis Fuzzy Gain Sheduling. Surabaya : ITS
[9] Awal,Mu’amar, “Perancangan Sistem Control Level Dan Pressure Pada Boiler DiWorkshop
Instrumentasi Berbasis Dcs Centum Cs3000 Yokogawa”, Surabaya, 2009.
[10] Marlin, T.E. 1995 ProcessControl; DesignProcess and Control System for Dynamic Performance. New York : McGraw-Hill Company.
