Oleh :
eko wahyudianto
(2409.105.004)
Pembimbing :
Ir.Mochamad.Ilyas HS
NIP. 19490919 197903 1 00
2
*
PERANCANGAN SISTEM
PENGENDALIAN BERTINGKAT PADA
STEAM DRUM PT INDONESIA POWER
*
L
evel
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.
Permasalahan
Bagaimana Merancang Sistem Pengendalian
Bertingkat di PT. Indonesia Power Ubp Sub
Tujuan
Untuk Merancang Sistem Pengendalian
Bertingkat di PT. Indonesia Power Ubp Sub
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.
Pemodelan Plant
Dengan menggunakan persamaan kesetimbangan massa kontinuitas,maka model matematis proses steam
drum adalah:
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 dt dVL w dt dVv v wm
vm
dt dh LD 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 V LDh dt d dt dV tot ) 82 , 0 13 , 32 ( v LDh dt d dt dV dt d LDh dt dV 31 , 31 v
Sedangkan fungsi vapor dalam steam drum boiler dapat dinyatakan dengan persamaan:
) ( 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 v ) ( 56 , 24937 1 s m s m s w v
Level Transmitter
m mA/ 85 . 22 7 , 0 4 201
2
,
0
85
.
22
s
s
L
s
I
Flow Transmitter
1
2
,
0
16
,
0
s
s
F
s
I
Control Valve
= 2,378125 kg/s mA
1
012
,1
78
,1
s
s
G
s
Ms
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:
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
Unsur Ti dan Td dihilangkan, maka persamaan menjadi:
Kp s s s s Kp s SP s PV 04556 , 0 1 2 , 0 4448 , 0 04048 , 0 1 2 , 0 78 , 1 ) ( ) ( 2 3 Kp s s s 0,4448 0,2 1 0,04556 04048 , 0 3 2 Persamaan karakteristik:
Metode Routh-Hurwitz untuk menentukan nilai
Kp kritis atau Kcr. S3 0,2 S2 S1 S0 04048 , 0 4448 , 0 1 0,04556Kp Kp 018 , 0 1089 , 0 Kp 04556 , 0 1
Berdasarkan Tabel perhitungan metode Routh Hurwitzh Secondary Loop dapat diketahui nilai Kcr.
94 , 21 1 04556 , 0 0 04556 , 0 1 Kp Kp Kp 261 , 2 04048 , 0 2 , 0 u 2,261 2,77 14 , 3 2 2 x Pcr 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 ulang nilai Kp, Ti dan Td
pada sistem pengendalian PID Tiga
Elemen dengan metode Ziegler-Nichols
Penentuan nilai parameter Kp dilakukan dengan metode Routh Hurwitzh.
1 2 , 0 85 , 22 5 , 8293 67 ,1 6 , 0 9 ,1 278 , 2 6 , 3 058 , 0 4 , 23 03 , 95 2 , 160 4 , 121 9 ,1 1 5 , 8293 67 ,1 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 2 3 4 2 3 4 5 s s s s s s s s s s s Kp s s s s s s s s s s Kp s SP s PV s Kp s Kp s Kp s s s 6456,8 36190 21900,59 3660,57 16643,79 2171,4 4943,7 543,69 2 , 96 6 5 4 3 2 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 Kp 3 4 2 6 7 8 10 . 6 , 3 10 . 19 , 2+8,8.10Kp 7,9.10Kp 1,8.10 Kp 5 4 2 13 15 12 10 . 5 , 3 10 . 5 , 3 Kp 3,23.10 Kp 1,69.10 + 1,7.10 2 13 15 12 5 45 4 44 3 44 2 43 40 37 10 . 23 , 3 10 . 69 , 1 10 . 6 , 7 10 . 6 , 1 10 . 6 , 1 10 . 8 , 1 10 . 8 , 1 10 . 6 , 3 10 . 8 , 1 Kp Kp Kp Kp Kp Kp Kp
Penentuan ulang nilai Kp, Ti dan Td
pada sistem pengendalian PID Tiga
Elemen dengan metode Ziegler-Nichols
Berdasarkan Tabel perhitungan metode Routh Hurwitzh Primary Loop dapat diketahui nilai Kcr.
09 , 9 4943,7 543,69 0 543,69 + 4943,7 Kp p K p K 5 , 2 8 , 6456 69 , 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 , 2 5 , 2 14 , 3 . 2 2 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.
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
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 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)
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) le v e l( 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 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)
*
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.
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
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 :
2 2 i i i i i i x x n y x y x n a 2 2 2 i i i i i i i x x n x y x x y b
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 90 120 150 180 240 270 300 330 360 Lua sa n V es se l Luasan Pendekatan
Gambar A.2 Grafik hubungan luasan vessel dengan luasan pendekatan
