PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN HMI PADA APLIKASI PEMROGRAMAN VISUAL BASIC TUGAS AKHIR RF1483

(1)

i

TUGAS AKHIR RF1483

PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS

MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN

HMI PADA APLIKASI PEMROGRAMAN VISUAL BASIC

IBNU DWI ARYANTO

NRP 2402 100 037 Dosen Pembimbing

Totok Ruki Biyanto. ST. MT. JURUSAN TEKNIK FISIKA Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2006

(2)

i

FINAL PROJECT RF1483

CONTROLLING DISTILLATION COLUMN USING

ROBUST IMC WITH HMI FROM VISUAL BASIC

APPLICATION PROGRAMMING

IBNU DWI ARYANTO NRP 2402 100 037 Supervisor

Totok Ruki Biyanto. ST. MT.

ENGINEERING PHYSICS DEPARTMENT Faculty of Industrial Technology

Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2006

(3)

PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN

HMI PADA APLIKASI PEMROGRAMAN VISUAL BASIC Nama Mahasiswa : Ibnu Dwi Aryanto

NRP : 2402 100 037

Jurusan : Teknik Fisika FTI-ITS Dosen Pembimbing : Totok Ruki Biyanto ST. MT. Abstrak

Robust Internal Model Control (Robust IMC) merupakan algoritma kontrol yang memanfaatkan inverse dari model proses dengan mempunyai satu parameter tuning yaitu filter factor (λ). Filter factor didapatkan dari kriteria robust control yang memanfaatkan kriteria indeks performansi ITAE. Robust IMC diaplikasikan pada sistem pengendalian unit operasi kolom debutanizer tepatnya pada loop pengendalian laju aliran reflux dan loop pengendalian temperatur tray keenam. Simulasi dilakukan dengan menggunakan tiga komponen software yang berjalan secara simultan. Ketiga software tersebut adalah Hysys, Matlab, dan HMI (Human Machine Interface). Komunikasi antara Hysys dan Matlab dilakukan dengan menggunakan protokol DDE (Dynaimc Data Exchange), sedangkan komunikasi Matlab dan HMI dilakukan dengan menggunakan protokol OPC (OLE for Process Control). HMI dirancang dengan menggunakan bahasa pemrograman visual basic 6.0. Dari hasil perancangan HMI dan integrasi dengan Matlab didapatkan bahwa HMI merupakan visualisasi variabel proses yang sedang terjadi di lapangan. Integrasi antara HMI dengan Matlab dilakukan dengan menggunakan protokol OPC KEPServerEx V4. Dimana Matlab dan HMI bertindak sebagai OPC client dan KEPServerEx V4 bertindak sebagai OPC server. Hasil perancangan algotima kontrol Robust IMC menunjukkan damping factor (ζ) = 0.2 untuk loop pengendalian laju aliran reflux menghasilkan respon terbaik. Sedangkan untuk loop pengendalian temperatur tray keenam menggunakan damping factor = 0.4 menghasilkan respon yang terbaik.

Kata Kunci : Robust IMC, kolom debutanizer, DDE, OPC, HMI, damping factor, filter factor

(4)

CONTROLLING DISTILLATION COLUMN USING ROBUST IMC WITH HMI FROM VISUAL BASIC APPLICATION

PROGRAMMING

Name : Ibnu Dwi Aryanto NRP : 2402 100 037

Department : Engineering Physics Department Supervisor : Totok Ruki Biyanto ST. MT. Abstract

Robust IMC is a control algorithm based on inverse model of the process which only one tune parameter, filter factor (λ). Filter factor is obtained from robust control criteria using ITAE index performance. Robust IMC is used to control debutanizer column especially in reflux rate control loop and sixth tray temperature control loop. Simulation using three software component that is Hysys, Matlab, and HMI (Human Machine Interface). Communication between Hysys and Matlab held by DDE (Dynamic Data Exchange) protocol whereas communication between Matlab and HMI held by OPC (OLE for Process Control) protocol. HMI is buid on visual basic 6.0 application programming. From the HMI building, HMI is a visualization of process variable from the field. OPC protocol is used to connect HMI and Matlab by KEPServerEx V4. Matlab and HMI act as a OPC client and KEPServer act as an OPC server. From the building of control algorithm Robust IMC, shows that damping factor (ζ) = 0.2 in reflux rate control loop has the best response and damping factor (ζ) = 0.4 in sixth tray temperature control loop has the best response.

Keywords : Robust IMC, debutanizer column, DDE, OPC, HMI, damping factor, filter factor

(5)

PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN HMI PADA APLIKASI PEMROGRAMAN

VISAL BASIC

TUGAS AKHIR

OLEH :

IBNU DWI ARYANTO Nrp. 2402 100 037

Surabaya, Juli 2006 Mengetahui/Menyetujui

Pembimbing

TOTOK RUKI BIYANTO, ST.MT NIP. 132 206 692

Ketua Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS

Dr. Ir. TOTOK SOEHARTANTO, DEA NIP. 131 879 399

(6)

PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN HMI PADA ALIKASI PEMROGRAMAN

VISUAL BASIC

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

pada

Bidang Studi Rekayasa Instrumentasi Program Studi S-1 Jurusan Teknik Fisika

Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh:

IBNU DWI ARYANTO Nrp. 2402 100 037 Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir :

1. Totok Ruki Biyanto, ST. MT. ...(Pembimbing I) 2. Dr. Bambang Lelono W, ST.MT ...(Penguji I) 3. Hendra Cordova, ST. MT ...(Penguji II) 4. Ir. Sarwono, MM ...(Penguji III) 5. Gunawan Nugroho, ST. MT ...(Penguji IV)

SURABAYA JULI, 2006

(7)

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL... i

ABSTRAK... iii

LEMBAR PENGESAHAN... v

KATA PENGANTAR... vii

DAFTAR ISI... ix

DAFTAR GAMBAR... xi

DAFTAR TABEL... xv

DAFTAR SIMBOL... xvii

I. PENDAHULUAN... 1

1.1 Latar Belakang... 1

1.2 Permasalahan... 2

1.3 Batasan Masalah... 2

1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian... 3

1.5 Metodologi Penelitian... 3

1.6 Sistematika Laporan... 4

II. DASAR TEORI... 7

2.1 Kolom Debutanizer... 7

2.2 Internal Model Control... 16

2.3 Robust Control... 21

2.4 Algoritma Kontrol Robust Internal Model Control (Robust-IMC)... 26

2.5 Object Linking and Embedding (OLE) for Process Control... 28

2.6 Human Machine Interface... 35

III. METODOLOGI PENELITIAN... 45

3.1 Pemodelan Kolom Debutanizer... 45

3.2 Perancangan Algoritma Kontrol Robust-IMC... 48

3.3 Integrasi Hysys dengan Matlab... 52

3.4 Perancangan Human Machine Interface... 53

(8)

3.5 Integrasi HMI dengan Matlab menggunakan

Protokol OPC... 54

3.6 Pengujian dan Analisa Performansi Sistem... 56

IV. HASIL DAN ANALISA... 59

4.5 Integrasi HMI dengan Matlab menggunakan Protokol OPC... 79

V. KESIMPULAN DAN SARAN... 97

5.1 Kesimpulan... 97

5.2 Saran... 97

DAFTAR PUSTAKA...99 LAMPIRAN A – Spesifikasi Kolom Debutanizer... A-1 LAMPIRAN B – Data Perubahan Komposisi... B-2 LAMPIRAN C – Listing Program Matlab... C-3 LAMPIRAN D – Listing Program Visual Basic 6.0... D-4

(9)

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL... i

ABSTRAK... iii

LEMBAR PENGESAHAN... v

KATA PENGANTAR... vii

DAFTAR ISI... ix

DAFTAR GAMBAR... xi

DAFTAR TABEL... xv

DAFTAR SIMBOL... xvii

I. PENDAHULUAN... 1

1.1 Latar Belakang... 1

1.2 Permasalahan... 2

1.3 Batasan Masalah... 2

1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian... 3

1.5 Metodologi Penelitian... 3

1.6 Sistematika Laporan... 4

II. DASAR TEORI... 7

2.1 Kolom Debutanizer... 7

2.2 Internal Model Control... 16

2.3 Robust Control... 21

2.4 Algoritma Kontrol Robust Internal Model Control (Robust-IMC)... 26

2.5 Object Linking and Embedding (OLE) for Process Control... 28

2.6 Human Machine Interface... 35

III. METODOLOGI PENELITIAN... 45

(10)

3.5 Integrasi HMI dengan Matlab menggunakan

Protokol OPC... 54

IV. HASIL DAN ANALISA... 59

4.5 Integrasi HMI dengan Matlab menggunakan Protokol OPC... 79

V. KESIMPULAN DAN SARAN... 97

5.1 Kesimpulan... 97

5.2 Saran... 97

DAFTAR PUSTAKA...99 LAMPIRAN A – Spesifikasi Kolom Debutanizer... A-1 LAMPIRAN B – Data Perubahan Komposisi... B-2 LAMPIRAN C – Listing Program Matlab... C-3 LAMPIRAN D – Listing Program Visual Basic 6.0... D-4

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema Kolom Distilasi... 8

Gambar 2.2 Diagram Titik Didih... 10

Gambar 2.3 Diagram Kesetimbangan Vapour Liquid (VLE)... 12

Gambar 2.4 Kesetimbangan Massa pada kondensor dan reflux drum...13

Gambar 2.5 Kesetimbangan massa pada setiap tray... 14

Gambar 2.6 Kesetimbangan massa pada tray umpan... 15

Gambar 2.7 Kesetimbangan massa pada reboiler dan base kolom... 16

Gambar 2.8 Diagram blok Internal Model Control... 17

Gambar 2.9 Alternatif diagram blok Internal Model Control... 18

Gambar 2.10 Struktur Internal Model Control ekuivalen dengan kontrol konvensional... 18

Gambar 2.11 Struktur Internal Model Control ketika model sama dengan proses (G=Gm)... 19

Gambar 2.12 Diagram blok Robust Control... 23

Gambar 2.13 Hubungan antara damping factor dengan respon sistem orde dua... 25

Gambar 2.14 Diagram blok algoritma kontrol Robust-IMC... 27

Gambar 2.15 Skema umum OLE for Process Control (OPC)... 32

Gambar 2.16 Hubungan OPC Server – Cliet... 33

Gambar 2.17 Hubungan Server, Group, dan Item... 34

Gambar 2.18 Panel board HMI dari suatu proses batch... 38

Gambar 2.19 Faceplates kontrol PID... 39

Gambar 2.20 Detail Faceplates kontrol PID... 40

Gambar 2.21 Window setting alarm... 42

Gambar 2.22 Window alarm list... 42

Gambar 2.23 Process History View... 44

Gambar 2.24 HMI dengan faceplates, process trending, dan alarm... 44

(12)

Gambar 3.1 Diagram alir metodologi penelitian... 45

Gambar 3.2 Process flowsheet diagram kolom debutanizer.... 47

Gambar 3.3 Sistem simulasi pengendalian... 56

Gambar 4.1 Respon open loop FIC-102... 59

Gambar 4.2 Respon open loop TIC-100... 60

Gambar 4.3 Respon loop tertutup pengendalian laju aliran reflux dengan Gc(s) = 0.897... 63

Gambar 4.4 Respon loop tertutup pengendalian temperatur tray keenam dengan Gc(s) = 1... 63

Gambar 4.5 Respon prefilter FIC-102... 70

Gambar 4.6 Respon prefilter TIC-100... 71

Gambar 4.7 Flowchart Human Machine Interface... 73

Gambar 4.8 Master Form dari HMI... 74

Gambar 4.9 Form Connection Setting... 76

Gambar 4.10 Form Tag Editor... 76

Gambar 4.11 Alarm Editor... 77

Gambar 4.12 Panel board unit operasi kolom debutanizer... 77

Gambar 4.13 Faceplates dari FIC-102 dan TIC-100... 78

Gambar 4.14 Process trending FIC-102 dan TIC-100... 79

Gambar 4.15 OPC server KEPServerEx V4™... 80

Gambar 4.16 FIC-102 pada perubahan set point +10%... 85

Gambar 4.17 FIC-102 pada perubahan set point -10%... 86

Gambar 4.18 TIC-100 pada perubahan set point +10%... 88

Gambar 4.19 TIC-100 pada perubahan set point -10%... 89

Gambar 4.20 Respon loop pengendalian FIC-102 pada perubahan FIC-101 sebesar +5%... 91

Gambar 4.21 Respon loop pengendalian FIC-102 pada perubahan FIC-101 sebesar -5%... 91

Gambar 4.22 Respon loop pengendalian TIC-100 pada perubahan FIC-101 sebesar +5%... 92

Gambar 4.23 Respon loop pengendalian TIC-100 pada perubahan FIC-101 sebesar -5%... 93

Gambar 4.24 Respon i-Butanes produk atas pada perubahan +5% FIC-101... 94

(13)

Gambar 4.25 Respon i-Butanes produk atas pada

perubahan +10% FIC-102... 95 Gambar 4.26 Respon i-Butanes produk atas pada

perubahan +10% TIC-100... 95

(14)

(15)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Koefisien Indeks Performansi 24 Tabel 2.2 Definition of HMI Terminology 36 Tabel 2.3 Fungsi-fungsi proses alarm 41 Tabel 3.1 Discrete Approximation of Continuous

Transfer Function 49

Tabel 3.2 KepServerEx Properties Setting 55 Tabel 4.1 Perbandingan damping factor dengan

frequency natural dari time settling

tetap pada FIC-102 64 Tabel 4.2 Perbandingan damping factor dengan

frequency natural dari time settling

tetap pada TIC-100 64 Tabel 4.3 Tabel ekuivalensi loop pengendalian FIC-102 66 Tabel 4.4 Tabel ekuivalensi loop pengendalian TIC-100 66 Tabel 4.5 T(s) FIC-102 dari masing-masing

damping factor (ζ) 68

Tabel 4.6 T(s) TIC-100 dari masing-masing

damping factor (ζ) 69

Tabel 4.7 Deskripsi fungsi m-files 71 Tabel 4.8 Konfigurasi KEPServerEx 80

Tabel 4.9 Perbandingan hasil integrasi HMI-Matlab 83 Tabel 4.10 Karakteristik performansi FIC-102

pada perubahan set point +10% 85 Tabel 4.11 Karakteristik performansi FIC-102

pada perubahan set point -10% 86 Tabel 4.12 Karakteristik performansi TIC-100

pada perubahan set point +10% 88 Tabel 4.13 Karakteristik performansi TIC-100

pada perubahan set point -10% 89

(16)

DAFTAR SIMBOL

αij = Relative volatility

yi = Fraksi mol komponen i dalam uap

xi = Fraksi mol komponen i dalam cairan

V = Flow rate vapour to condenser (kgmole/h)

L = Flow rate reflux (kgmole/h)

D = Flow rate distillate (kgmole/h)

XD = Fraksi mol distillate (Mole frac)

XB = Fraksi mol bottom (Mole frac)

QR = Laju steam pada reboiler (kgmole/h)

λ = filter factor IMC

GI(s) = inverse model

G(s) = Notasi yang menyatakan sebuah unit operasi

K = Gain controller

θ = Dead time (menit)

τD = Dead time dalam aproksimasi first order pade

τ = Time constant (menit)

f(s) = Persamaan filter pada IMC

Gp(s) = Persamaan prefilter

Gc(s) = Persamaan kontroler R(s) = Set point (sp)

E(s) = Error

U(s) = Manipulated Variable (op)

D(s) = Disturbance

y(s) = Process variable (pv)

ζ = Damping factor

ωn = Frekuensi natural

T(s) = Fungsi transfer lup tertutup pada robust control T1(s) = Fungsi transfer lup tertutup tanpa prefilter pada

robust control