TUGAS AKHIR – RF 1483
PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN pH MENGGUNAKAN MULTIMODE PID CONTROLLER PADA UNIT SATURATOR DI PT. PETROKIMIA GRESIK
SOFYAN HADI PURNOMO NRP 2405 100 093 DOSEN PEMBIMBING HENDRA CORDOVA, ST. MT
JURUSAN TEKNIK FISIKA Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009
FINAL PROJECT – RF 1483
DESIGN Of pH CONTROL SYSTEM USING
MULTIMODE PID CONTROLLER IN SATURATOR UNIT AT PT. PETROKIMIA GRESIK
SOFYAN HADI PURNOMO NRP 2405 100 093 ADVISOR
HENDRA CORDOVA, ST. MT
DEPARTMENT OF ENGINEERING PHYSICS Faculty of Industrial Technology
Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2009
PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN pH MENGGUNAKAN MULTIMODE PID CONTROLLER PADA UNIT SATURATOR DI PT. PETROKIMIA GRESIK
TUGAS AKHIR
Oleh :
Sofyan Hadi Purnomo NRP : 2405 100 093
Surabaya, Agustus 2009
Mengetahui/Menyetujui Pembimbing
Hendra Cordova, ST. MT NIP : 132 125 672
Ketua Jurusan Teknik Fisika FTI – ITS
Dr. Bambang Lelono Widjiantoro, ST. MT NIP : 132 137 895
PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN pH MENGGUNAKAN MULTIMODE PID CONTROLLER PADA UNIT SATURATOR DI PT. PETROKIMIA GRESIK
TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
pada
Bidang Studi Rekayasa Instrumentasi dan Kontrol Program Studi S-1 Jurusan Teknik Fisika
Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Oleh:
Sofyan Hadi Purnomo NRP. 2405 100 093
Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir :
1. Hendra Cordova, ST. MT ...(Pembimbing) 2. Ir. Mochamad Ilyas Hs ...(Ketua Tim Penguji) 3. Dr. Ir. Sekartedjo, M.Sc ...(Penguji I)
4. Dyah Sawitri, ST. MT ...(Penguji II)
SURABAYA Agustus, 2009
xi
PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN pH MENGGUNAKAN MULTIMODE PID CONTROLLER PADA UNIT SATURATOR DI PT. PETROKIMIA GRESIK
Nama Mahasiswa : Sofyan Hadi Purnomo NRP : 2405 100 093
Jurusan/Fakultas : Teknik Fisika-FTI-ITS Dosen Pembimbing : Hendra Cordova, ST. MT.
ABSTRAK
Unit saturator adalah unit yang memproses input asam sulfat (H2SO4) dan ammonia (NH3) menjadi produk ammonium sulfat ((NH4)2SO4). pH merupakan variabel yang sangat penting untuk diperhatikan dan produk yang dihasilkan harus terjaga dalam kondisi pH asam. Melalui tugas akhir ini akan dibuat suatu rancangan sistem pengendalian pH yang menggunakan multimode PID controller.
Multimode PID merupakan sebuah kontroller yang tersusun atas beberapa mode parameter PID. Rancangan sistem pengendalian tersebut diharapkan mampu menjaga kestabilan pH dalam saturator. Perancangan dimulai dengan pemrosesan data berupa laju aliran input asam sulfat dan ammonia. Data-data tersebut akan digunakan untuk pemodelan plant yaitu berupa model dinamik dan model statik. Model dinamik digunakan untuk menentukan nilai konsentrasi asam dan basa pada saat proses sedang berlangsung. Nilai konsentrasi asam dan basa yang telah didapat akan digunakan dalam model statik untuk menentukan nilai pH. Setelah rancangan sistem pengendalian pH terbentuk, akan dilakukan uji sistem closed loop dan open loop untuk mengetahui performansinya yang dapat diketahui dari beberapa nilai parameter kualitatif. Nilai parameter kualitatif yang didapatkan pada uji set point pH 3.5 adalah dead time, td
= 0 detik; rise time, tr = 5 detik; peak time, tp = 8 detik; settling time, ts
= 10 detik; maximum overshoot, Mp = 1.4 %; dan error steady state, ess
= 0.9 %. Rancangan yang telah terbentuk memiliki beberapa kelebihan yaitu mampu mengatasi karakteristik pH yang non-linier dengan menggunakan kontroller yang linier serta mampu merespon set point yang dinginkan.
Kata Kunci : Sistem Pengendalian, pH, Asam Basa, Multimode PID Controller, Plant Saturator.
xii
DESIGN Of pH CONTROL SYSTEM USING
MULTIMODE PID CONTROLLER IN SATURATOR UNIT AT PT. PETROKIMIA GRESIK
Name of student : Sofyan Hadi Purnomo Number of registration : 2405 100 093
Department/Faculty : Engineering Physics – FTI-ITS Advisor : Hendra Cordova, ST. MT.
ABSTRACT
Saturator unit is a unit that process inputs sulphate acid (H2SO4) and ammonia (NH3) to be ammonium sulphate ((NH4)2SO4). pH is a important variable to observed and the product should be in pH acid condition. Through this final project will be make a designing of pH control system using multimode PID controller. Multimode PID is a controller that contain some modes of parameter PID’s. Designing begin with processing data flow acid and base. That data will used to modeling plant consist of dynamic model and static model. Dynamic model used to determine value of acid and base’s concentration when process go on. The value of acid and base’s concentration will used to determine pH value using static model. After designing of pH control system, will be tested open loop and closed loop to show the performance through qualitative parameters. The value of qualitative parameters that get in testing set point at pH 3.5 are dead time, td = 0 second; rise time, tr = 5 second; peak time, tp = 8 second; settling time, ts = 10 second; maximum overshoot, Mp = 1.4 % and error steady state, ess = 0.9 %. The designing that has been made has a capability in solve non-linear characteristic of pH with using linear controller that is multimode PID controller and also capable in respons at set point that set.
Keywords : Control System, pH, Acid Base, Multimode PID Controller, Saturator Plant.
xv
KATA PENGANTAR
Bismillaahirrahmaanirrahiim. Alhamdulillaah, segala puji dan haturan rasa syukur hanya untuk Allah SWT Yang Maha Suci, dengan rahmat, hidayah, serta nur ilmu-Nya penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir yang berjudul :
PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN pH MENGGUNAKAN MULTIMODE PID CONTROLLER PADA UNIT SATURATOR DI PT. PETROKIMIA GRESIK Dan tak lupa shalawat serta salam tetap tercurahkan kepada Rasul Rahmatan Lil ‘Alamiin Muhammad SAW.
Selama menyelesaikan Tugas Akhir ini penulis telah banyak mendapatkan bantuan dan dukungan dari berbagai pihak.
Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1. Ibunda Yusmika dan Ayahanda Bambang Dri H, yang telah berperan dalam kehidupan penulis, mengasuh, mendidik, membimbing dan memberi semangat dan dukungan moril, materiil, dan spiritual. Semoga Allah senantiasa membalas kebaikannya.
2. Kedua kakakku, Yusral Hendrianto dan Arif Setiawan yang telah menjadi teman bermain dan belajar.
3. Bapak Hendra Cordova, ST.MT yang telah memberikan bimbingan, tuntunan, dan inspirasi bagi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Wahyudi Soekisno, Bapak Agus Hariyono, selaku pembimbing lapangan yang sangat kooperatif
5. Bapak Dr. Bambang Lelono W, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS Surabaya.
6. Ibu Katherin Indriawati, ST.MT. selaku dosen wali yang telah memberi arahan bagi penulis selama masa perkuliahan
7. Bapak Ir. Ya’umar, MT selaku Kepala Laboratorium Rekayasa Instrumentasi dan Kontrol
8. Bapak/Ibu dosen yang telah mentransfer ilmunya dari awal jenjang perkuliahan sampai terselesaikannya Tugas Akhir ini
xvi
9. Seluruh staff dan karyawan Teknik Fisika atas segala bentuk partisipasi dan kerjasamanya.
10. My Angel, Adinda Amelia Rizkiana Yustikarini, atas segala dukungan, semangat, kasih sayang, dan cintanya.
11. Dulur-dulur seperjuangan angkatan 2005, 2004, 2003, 2002, 2006, 2007, khususnya F-40 bangga memiliki kalian semua.
12. Arek-arek Larins (anung, fatwa, uly, kadar, hartono, lia, dkk);
Fisis & Ruang TA (totok, somad, hendra, kodar, ayub, andre, adam, dkk); Fotonik (yudha “kahima”, jiwa, joko, bangka, dkk); Akustik (bagus, robin, ivho, dkk); Bahan & Energi (fandy, danang, teguh, b-man, dwi, bolot, dkk); Labkom (dery, kipot, ari, dkk); D3 & WS; Budi in the kost; n all my friends that can’t mention one by one, Thank you for all...
13. Pengurus HMTF, FUSI UA, IDJO, lanjutkan perjuangan para pendahulumu...
14. Dan semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.
Pada akhirnya seluruh kesempurnaan dan kebenaran hanya milik Allah SWT. Semoga Tugas Akhir ini dapat memberi manfaat untuk kemajuan dan perkembangan ilmu &
teknologi...Ammiin...
Surabaya, Agustus 2009
Salam Penulis
xvii DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL
LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK
KATA PENGANTAR DAFTAR ISI
DAFTAR NOTASI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR LAMPIRAN BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Perumusan Masalah... 2
1.3 Batasan Masalah... 2
1.4 Tujuan dan Manfaat... 3
1.5 Metodologi... 3
1.6 Sistematika Laporan... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Asam-Basa dan pH... 5
2.2 Titrasi Asam Basa... 10
2.3 Reaksi Pencampuran Asam Basa... 14
2.4 Penetralan pH Secara Analitik... 17
2.5 Proses Plant Saturator... 20
2.6 Control Valve... 23
2.7 Pengendali PID... 27
BAB III METODOLOGI PEMODELAN DAN PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN pH 3.1 Metodologi dan Pengolahan Data... 37
xviii
3.2 Pemodelan pH Dinamik Menggunakan
Reaksi Invariant...39
3.3 Pemodelan pH Statik Menggunakan Model Analitik...43
3.4 Pemodelan pH Transmitter dan Control Valve... 46
3.5 Perancangan Multimode PID Controller... 51
3.6 Simulasi Sistem... 53
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Simulasi Sistem Open Loop... 59
4.2 Simulasi sistem Closed Loop... 69
4.3 Uji Kombinasi PID... 88
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 93
5.2 Saran... 94 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN A………. A-1 LAMPIRAN B………. B-1 LAMPIRAN C………. C-1 LAMPIRAN D………. D-1 LAMPIRAN E………. E-1 LAMPIRAN F………. F-1 LAMPIRAN G………. G-1
xxi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Kurva Titrasi Asam-Basa Kuat... 11
Gambar 2.2 Asam Lemah Dititrasi Basa Kuat... 12
Gambar 2.3 Kurva Titrasi Basa Lemah oleh Asam Kuat... 13
Gambar 2.4 Skema Proses Pencampuran Asam-Basa... 15
Gambar 2.5 Perhitungan pH dengan Kesetimbangan dan Stokiometri... 19
Gambar 2.6 Alur Proses Unit Saturator... 20
Gambar 2.7 Skema Proses pada Unit Saturator... 21
Gambar 2.8 Kurva Karakteristik Aliran Inheren...25
Gambar 2.9 Diagram Blok Pengendali PID... 31
Gambar 3.1 Flowchart Metodologi Penelitian... 38
Gambar 3.2 Plant Reaksi H2SO4 danNH3... 39
Gambar 3.3 Pengkonversian pada Control Valve... 49
Gambar 3.4 Diagram Blok Control Valve... 51
Gambar 3.5 Skema Multimode PID Controller... 51
Gambar 3.6. Multimode PID Controller... 52
Gambar 3.7 Flowchart Sistem Open Loop... 54
Gambar 3.8 Simulink Sistem Open-Loop... 55
Gambar 3.9 Flowchart Sistem Closed Loop... 56
Gambar 3.10 Model Sistem Closed Loop... 57
Gambar 4.1 Diagram Blok Sistem Open Loop... 59
Gambar 4.2 Konsentrasi pada qa=0 L/s ; qb=0.27 L/s... 61
Gambar 4.3 pH pada qa=0 L/s ; qb=0.27 L/s... 61
Gambar 4.4 Konsentrasi pada qa=0.75 L/s ; qb=0.27 L/s... 62
Gambar 4.5 pH pada qa=0.75 L/s ; qb=0.27 L/s... 63
Gambar 4.6 Konsentrasi pada qa=1.11 L/s ; qb=0.27 L/s... 64
Gambar 4.7 pH pada qa=1.11 L/s ; qb=0.27 L/s... 64
Gambar 4.8 Konsentrasi pada qa=0 L/s ; qb=0 L/s... 65
Gambar 4.9 pH pada qa=0 L/s ; qb=0 L/s... 66
Gambar 4.10 Konsentrasi pada qa=0.75 L/s ; qb=0.27 L/s... 67
Gambar 4.11 pH pada qa=0.75 L/s ; qb=0.27 L/s... 67
xxii
Gambar 4.12 Konsentrasi pada qa=1.11 L/s ; qb=0.39 L/s... 68
Gambar 4.13 pH pada qa=1.11 L/s ; qb=0.39 L/s... 69
Gambar 4.14 Sistem Closed-Loop... 70
Gambar 4.15 Respon Sistem Closed-Loop pH 3.5... 71
Gambar 4.16 Error Sistem pada Set Point pH 3.5... 72
Gambar 4.17 Flow Asam pada Set Point pH 3.5... 73
Gambar 4.18 Respon Sistem Tracking Set Point Naik... 75
Gambar 4.19 Error Sistem Tracking Set Point Naik... 76
Gambar 4.20 Flow Asam Tracking Set Point Naik... 77
Gambar 4.21 Respon Sistem Tracking Set Point Turun... 78
Gambar 4.22 Error Sistem Tracking Set Point Turun... 80
Gambar 4.23 Flow Asam Tracking Set Point Turun... 81
Gambar 4.24 Sinyal Uniform Random Number ± 2... 82
Gambar 4.25 Respon Sistem Gangguan ± 2 Pada pH 3.5... 83
Gambar 4.26 Sinyal Uniform Random Number ± 20... 84
Gambar 4.27 Respon Sistem Gangguan ± 20 Pada pH 3.5... 84
Gambar 4.28 Error Sistem Gangguan ± 20 Pada pH 3.5... 86
Gambar 4.29 Flow Asam Gangguan ± 20 Pada pH 3.5... 87
Gambar 4.30 Respon Sistem Menggunakan 3 Mode PID... 89
Gambar 4.31 Respon Sistem Menggunakan 4 Mode PID... 90
Gambar 4.32 Respon Sistem Menggunakan 5 Mode PID... 90
xxiii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Asam Kuat dan Asam Lemah... 7
Tabel 2.2 Basa Kuat dan Basa Lemah... 8
Tabel 2.3 Kekuatan Asam-Basa berdasar Harga Ka dan Kb... 9
Tabel 3.1 Parameter Multimode PID... 53
Tabel 4.1 Hasil Uji Performansi Open Loop... 69
Tabel 4.2 Respon pH pada Set Point pH 3.5... 72
Tabel 4.3 Hasil Performansi Uji Set Point... 74
Tabel 4.4 Respon pH Pada Tracking Set Point Naik... ...76
Tabel 4.5 Respon pH Pada Tracking Set Point Turun...79
Tabel 4.6 Respon pH Saat pH 3.5 Dengan Load ± 20...85
Tabel 4.7 Hasil Respon Sistem Dengan Berbagai Noise... 87
Tabel 4.8 Hasil Uji Kombinasi PID... 88
xxiv
