DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM CENTUM CS3000

(1)

PERANCANGA PERANCANGA PERANCANGA

PERANCANGAN N N SISTEM PENGENDALIAN N SISTEM PENGENDALIAN SISTEM PENGENDALIAN SISTEM PENGENDALIAN LEVEL LEVEL LEVEL LEVEL PADA

PADA PADA

PADA GLYCOL CONTACTOR GLYCOL CONTACTOR GLYCOL CONTACTOR GLYCOL CONTACTOR BERBASIS BERBASIS BERBASIS BERBASIS SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM

DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM

DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM CENTUM CENTUM CENTUM CS3000 CENTUM CS3000 CS3000 CS3000 DENGAN

DENGAN DENGAN

DENGAN SELF TUNING PID SELF TUNING PID SELF TUNING PID SELF TUNING PID PADA PADA PADA PADA DEHIDRATION DEHIDRATION DEHIDRATION DEHIDRATION UNIT

UNIT UNIT

UNIT DI DI DI DI KANGEAN ENERGY INDONESIA LTD KANGEAN ENERGY INDONESIA LTD KANGEAN ENERGY INDONESIA LTD KANGEAN ENERGY INDONESIA LTD

Oleh OlehOleh Oleh ::::

Seminar Seminar Seminar

Seminar TugasTugasTugas AkhirTugas AkhirAkhirAkhir

Oleh OlehOleh Oleh ::::

Sulhan Sulhan Sulhan

Sulhan EfendiEfendiEfendiEfendi 2406100056240610005624061000562406100056 Dosen

Dosen Dosen

Dosen PembimbingPembimbingPembimbingPembimbing ::::

Hendra HendraHendra

Hendra Cordova, ST. MTCordova, ST. MTCordova, ST. MTCordova, ST. MT

JURUSAN TEKNIK FISIKA JURUSAN TEKNIK FISIKAJURUSAN TEKNIK FISIKA JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA SURABAYASURABAYA SURABAYA

2010 2010 2010 2010

(2)

Latar Belakang Latar Belakang Latar Belakang Latar Belakang

•Gas

^H2O

adalah suatu gas yang mudah membeku jika terkena temperatur yang rendah.

•Dalam Glycol Contactor sendiri, plant yang digunakan untuk mengabsorbsi kandungan

H₂O

adalah Packing (tray).

•Diperlukan suatu teknologi yang tinggi untuk mengendalikan dan mengoptimalisasi otomatisasi pada suatu proses di industry.

•Diperlukan juga sistem pengendalian yang secara kontinue dan otomatis mengukur karakteristik statik dan dinamik plant, otomatis mengukur karakteristik statik dan dinamik plant, sehingga diperoleh optimal control dalam proses tersebut.

Bagaimana merancang sebuah simulasi dan pemodelan sistem pengendalian level pada Glycol Contactor dalam sistem kontrol terdistribusi dengan menggunakan software DCS CENTUM CS3000 Yokogawa dengan mode kontrol Self Tuning PID.

Perumusan Masalah

(3)

TUJUAN

Untuk merancang dan mensimulasikan system pengendalian level pada plant Glycol Contactor dalam Distributed Control System (DCS) dengan menggunakan software DCS Centum CS3000 Yokogawa dengan mode kontrol Self Tuning PID.

Batasan Masalah

Adapun Pendekatan masalah yang digunakan pada penelitian ini adalah :

adalah :

• Plant yang menjadi objek dalam Tugas Akhir ini yaitu Glycol Contactor pada Dehidration Unit di Kangean Energy Indonesia Ltd.

• Pengambilan data untuk simulasi dilakukan pada saat kondisi Glycol Contactor normal operation.

• Mode kontroller yang digunakan yaitu mode kontrol Self Tuning PID

• Variabel yang dikendalikan dalam proses absorbsi pada Glycol Contactor hanya level.

• Software yang digunakan yaitu software DCS Centum CS3000 Yokogawa dan Simulink Matlab.

(4)

Diagram Alir Penelitian

(5)

(6)

Glycol Contactor adalah suatu kolom atau tabung tempat terjadinya proses pengabsorbsi (penyerapan) dari zat yang dilewatkan di kolom tersebut. Glycol Contactor ini menggabungkan contacting tower dan inlet gas scrubber dalam satu vessel yang integral dengan scrubber pada bagian paling bawah. Adapun liquid yang digunakan untuk memisahkan gas H

₂

O ini adalah Triethylene Glycol (TEG).

Glycol Contactor (1)

memisahkan gas H

₂

O ini adalah Triethylene Glycol (TEG).

(7)

Glycol Contactor (2)

(8)

Distributed Control System (DCS) Distributed Control System (DCS) Distributed Control System (DCS) Distributed Control System (DCS)

Distributed Control System (DCS) merupakan suatu

sistem yang mendistribusikan berbagai fungsi yang

digunakan untuk mengendalikan berbagai variabel

proses dan unit operasi proses menjadi suatu

pengendalian yang terpusat pada suatu control room

dengan berbagai fungsi pengendalian, monitoring dan

optimasi.

(9)

Secara umum, DCS dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu : 1. Operator Station

Operator Station digunakan untuk mengumpulkan data operasi proses serta menampilkan dan mengolah data dari proses yang terjadi pada plant.

2. Control Station

Digunakan sebagai control unit untuk mengendalikan variabel–

variabel yang dikendalikan pada proses. Berikut adalah komponen dari FCS:

• Central Processor Unit (CPU)

• Catu daya (Power Supply Unit, PSU)

• Modul masukan/keluaran (I/O modules, IOM) 3. Sistem Komunikasi

Sarana pertukaran data antara operator station, control station dan proses. Sarana komunikasi ini juga bisa dapat digunakan untuk menghubungkan DCS dengan sistem lain seperti PLC, SCADA system.

(10)

Function Block pada Control Drawing

1. Self Tuning Controller (STC) PID Block

STC-PID Block merupakan gabungan antara STC dan PID, digunakan untuk mengeset parameter P,I dan D secara otomatis sehingga diperoleh optimal control pada karakter proses statis dan dinamis dan mengurangi beban tuning pada saat mulai proses awal.

2. LAG Block

LAG Block digunakan ketika melakukan proses pemfilteran sinyal input atau untuk mensimulasikan karakteristik dari proses.

(11)

3. DLAYBlock

DLAY Block (Dead Time Block) digunakan untuk mensimulasikan /memperformansikan karakteristik delay time maupun dead time.

4. FOUT Block

FOUT Block (The cascade signal distributor) digunakan untuk mendistribusikan sinyal setpoint cascade dari blok lain ke beberapa blok.

(12)

5. CALCU Block

CALCU Block (Calculation Block) digunakan saat melakukan algoritma perhitungan tertentu.

6. INPUT INDIKATOR Block (PVI)

INPUT INDIKATOR Block adalah block yang menerima sinyal input dari block yang lain, kemudian mengindikasikan sinyal tersebut sebagai proses variabel.

(13)

Self Tuning Controller PID

Self Tuning adalah struktur pengendali yang termasuk dalam

sistem pengendalian adaptive, yaitu sistem pengendalian yang

secara kontinue dan otomatis mengukur karakteristik dinamik

plant. Membandingkannya dengan karakteristik dinamik yang

diinginkan dan menggunakan selisih tersebut untuk mengubah

parameter sistem yang akan diatur.

(14)

Persamaan Kesetimbangan Massa Glycol Contactor

yi xi

xi

L V L V

dt M

d = + − −

+

−1 1

) (

• L = laju aliran cairan (kgmole/hr)

• V = Laju aliran gas (kgmole/hr)

• M = perpindahan massa cair dalam tiap kolom

• W = perpindahan massa gas dalam tiap kolom

• x_i = mole zat terlarut dalam fase cair(mole terlarut/mole cair)

• y_i = mole zat terlarut dalam fase gas (mole terlarut/mole gas)

(15)

Perubahan massa cairan yang terakumulasi sama dengan penjumlahan laju aliran gas dan laju aliran cairan pada tray.

[perubahan massa terakumulasi] = [aliran massa input] – [aliran massa output]

Pemodelan Matematis Proses

Dimana :

M_B = Cairan yang tertahan pada dasar kolom.

F_DR = Laju aliran dry gas (kg/mnt)

F_WT = Laju aliran wet gas pada bagian stripping (kg/mnt) F_M = Laju aliran cairan yang meninggalkan dasar kolom (kg/mnt)

F_G = Laju aliran Triethylene Glycol (TEG) (kg/mnt)

(16)

Karena M_B = ρAh maka persamaan menjadi :

Dengan :

ρ = Massa jenis cairan yang tertahan pada dasar kolom (kg/m³) A = Luas melintang kolom (m²)

h = Ketinggian permukaan cairan (m)

Penyederhanaan persamaan menjadi : Dengan :

Penyederhanaan persamaan menjadi :

Setelah memasukkan nilai-nilai variabel yang ada pada persamaan diatas maka diperoleh :

(17)

Perancangan Perancangan Perancangan

Perancangan Level Transmitter Level Transmitter Level Transmitter Level Transmitter

Secara umum, transfer function dari level transmitter dapat didekati dengan sistem orde 1 sebagaimana persamaan dibawah ini :

) 1

( +

=

s s K

L L

LT LT i

o

τ

Gain Transmitter dapat diperoleh sebagai berikut :

Besarnya time constant (τ_LT) adalah 0,76 detik

Sehingga persamaan transfer function level transmitter adalah

1 s + L_i τ_LT

Input Span

Output K_LT Span

_

= _

1 76

, 0

39 , ) 12

( +

= s s L L

i o

(18)

Perancangan Perancangan Perancangan

Perancangan Control Valve Control Valve Control Valve Control Valve

Adapun transfer function control valve dapat didekati dengan sistem orde 1 sebagaimana persamaan dibawah ini :

) 1

( +

=

CV CV i

o G

CV s CV

τ

Gain Valve dapat diperoleh sebagai berikut :

Besarnya time constant (τ_LT) adalah 1,79 detik

Sehingga persamaan transfer function control valve adalah

mA input

Span

output G_CV Span

16 1 _

_ =

=

1 79 , 1

45 , ) 0

( +

= s s CV CV

i o

(19)

Perancangan Perancangan Perancangan

Perancangan Function Block Diagram Function Block Diagram Function Block Diagram Function Block Diagram pada pada pada pada Control Drawing Control Drawing Control Drawing Control Drawing

Pada dasarnya Control Drawing mempunyai tujuan untuk mendefinisikan algoritma pengendalian maupun monitoring yang akan dikerjakan oleh sistem dengan saling mengkonfigurasikan function block terkait.

(20)

Diagram Blok Pengendalian Level Glycol Contactor

CV

(21)

Design Human Interface Station (HIS) Design Human Interface Station (HIS) Design Human Interface Station (HIS) Design Human Interface Station (HIS)

Display Display Display Display

Pada tahap ini dilakukan perancangan tampilan grafis pada Human Interface Station (HIS) yang digunakan untuk keperluan monitoring dan operasi. Human Machine Interface dibuat dengan menggunakan tipe

“desktop Human Interface Station (HIS)”. Selain menjalankan fungsi monitoring dan operasi, HIS diatas juga di setting untuk dapat melakukan pekerjaan engineering.

(22)

Simulasi DCS Simulasi DCS Simulasi DCS Simulasi DCS

• Start-Up Plant

(23)

Tuning PID dengan Metode Osilasi

Tuning PID dengan Metode Osilasi Tuning PID dengan Metode Osilasi

Tuning PID dengan Metode Osilasi

(24)

Dari grafik respon diatas didapatkan nilai Gain Ultimate atau PBu = 407,6 dan nilai Periode Ultimate atau Pu = 15,2 detik. Sehingga dengan menggunakan tabel perhitungan metode osilasi diperoleh parameter tuning PID controller sebagai berikut, untuk hasil perhitungan tuning PI diperoleh :

• P : PBu / 0,45 = 905,7

• I : Pu / 1,2 = 12,6

• D: 0

Sedangkan untuk hasil perhitungan dengan parameter tuning PID diperoleh :

• P : PBu / 0,6 = 679,3

• I : Pu / 2 = 7,6

• D: Pu / 8 = 1,9

(25)

Trend Respon dengan PI Trend Respon dengan PI Trend Respon dengan PI Trend Respon dengan PI

Parameter PI

Set Point (mm) 600

Mv (%) 2,1

Ts (s) 117

Max. Overshoot (mm) 105,1

Ess (mm) 0,2

(26)

Trend Respon dengan STC Trend Respon dengan STC Trend Respon dengan STC

Trend Respon dengan STC----PID PID PID PID

Parameter PID

Set Point (mm) 600

Mv (%) 2,1

Ts (s) 57

Ess (mm) 0,1

(27)

Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa tuning dengan PID memiliki trend respon yang lebih cepat dibandingkan PI. Hal ini dapat diartikan bahwa proses pada model glycol contactor ini membutuhkan energi extra dengan menambahkan time derivative pada tuning untuk lebih mempercepat reaksi.

(28)

Tracking Set Point dengan PI Tracking Set Point dengan PI Tracking Set Point dengan PI Tracking Set Point dengan PI

No Set Point (%)

Mv (%)

t_s(detik) Max (mm)

Ess (%)

1 400 1,4 98 70,5 0

2 600 2,1 89 40,6 0

3 500 1,8 82 21,5 0

4 800 2,8 93 54,7 0

(29)

Tracking Set Point dengan STC Tracking Set Point dengan STC Tracking Set Point dengan STC

Tracking Set Point dengan STC----PID PID PID PID

No Set Point (%)

Mv (%)

t_s (detik)

Max (mm)

Ess (%)

1 400 1,4 59 21,2 0

2 600 2,1 55 11,3 0

3 500 1,8 53 5,6 0

4 800 2,8 58 16,5 0

(30)

Uji Penambahan Load 20% terhadap Tuning PI Uji Penambahan Load 20% terhadap Tuning PI Uji Penambahan Load 20% terhadap Tuning PI Uji Penambahan Load 20% terhadap Tuning PI

Dari grafik di atas diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk kembali pada kondisi steady sekitar 65 detik

(31)

Uji Pengurangan Load 20% terhadap Tuning PI Uji Pengurangan Load 20% terhadap Tuning PI Uji Pengurangan Load 20% terhadap Tuning PI Uji Pengurangan Load 20% terhadap Tuning PI

(32)

Uji Penambahan Load 20% terhadap STC Uji Penambahan Load 20% terhadap STC Uji Penambahan Load 20% terhadap STC

Uji Penambahan Load 20% terhadap STC----PID PID PID PID

(33)

Uji Pengurangan Load 20% terhadap STC Uji Pengurangan Load 20% terhadap STC Uji Pengurangan Load 20% terhadap STC

Uji Pengurangan Load 20% terhadap STC----PID PID PID PID

(34)

Simulasi Simulasi Simulasi

Simulasi Self Tuning Controller Self Tuning Controller Self Tuning Controller Self Tuning Controller – – – –PID PID PID PID dengan MATLAB

dengan MATLAB

(35)

Adaptive Control pp2a_2

(36)

Uji Trend Respon STC Uji Trend Respon STC Uji Trend Respon STC

Uji Trend Respon STC----PID dengan MATLAB PID dengan MATLAB PID dengan MATLAB PID dengan MATLAB

Parameter PID

Set Point (mm) 600

Ts (s) 37

Ess (mm) 0,1

(37)

Perbandingan Respon STC Perbandingan Respon STC Perbandingan Respon STC

Perbandingan Respon STC----PID pada DCS PID pada DCS PID pada DCS PID pada DCS dan MATLAB

dan MATLAB dan MATLAB

dan MATLAB

(38)

Uji Uji Uji

Uji Disturbance Disturbance Disturbance Disturbance STC STC STC STC----PID Matlab PID Matlab PID Matlab PID Matlab

(39)

Uji Penambahan Disturbance terhadap Uji Penambahan Disturbance terhadap Uji Penambahan Disturbance terhadap Uji Penambahan Disturbance terhadap

STC STC

STC STC----PID Matlab PID Matlab PID Matlab PID Matlab

•Max Over= 32

•Max Disturb= 6

(40)

KP= -0,1---(-61,2)/-64,9

Trend Respon Mode Tuning STC Trend Respon Mode Tuning STC Trend Respon Mode Tuning STC

Trend Respon Mode Tuning STC----PID PID PID PID dengan Disturbance pada Matlab (1) dengan Disturbance pada Matlab (1) dengan Disturbance pada Matlab (1) dengan Disturbance pada Matlab (1)

Ti= -3,185---0,8/0,825

(41)

Trend Respon Mode Tuning STC Trend Respon Mode Tuning STC Trend Respon Mode Tuning STC

Trend Respon Mode Tuning STC----PID PID PID PID dengan Disturbance pada Matlab (2) dengan Disturbance pada Matlab (2) dengan Disturbance pada Matlab (2) dengan Disturbance pada Matlab (2)

Td= -1,134---0,1697/0,1688

(42)

Pengujian Pengujian Pengujian

Pengujian Virtual Human Interface Virtual Human Interface Virtual Human Interface Virtual Human Interface Station (HIS)

Station (HIS)

(43)

Pengujian Alarm Warning Message Pengujian Alarm Warning Message Pengujian Alarm Warning Message Pengujian Alarm Warning Message

Announciator

(44)

KESIMPULAN KESIMPULAN KESIMPULAN KESIMPULAN

Setelah dilakukan serangkaian metodologi, simulasi dan pengujian pada pengerjaan Tugas Akhir ini, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :

• Dengan menggunakan metode osilasi dengan sistem loop tertutup diperoleh hasil parameter tuning PI dengan PB = 905,7 ; Ti = 12,6 ; Td=0. Sedangkan untuk parameter tuning PID diperoleh PB = 679,3 ; Ti = 7,6 ; Td = 1,9.

• Dari respon trend yang dihasilkan antara tuning PI dengan PID diperoleh bahwa dengan tuning PID menghasilkan waktu untuk menghasilkan reaksi mencapai kondisi steady lebih cepat yaitu 57 detik dibandingkan tuning PI yang mencapai kondisi steady dalam waktu 117 detik.

• Dari hasil simulasi didapatkan parameter kualitatif keseluruhan dengan DCS pada tuning PI pada saat set point 600 mm yaitu Ts=117 s, pada tuning PI pada saat set point 600 mm yaitu Ts=117 s, Max.Overshoot=105,1 mm dan Ess=0,2. Sedangkan dengan PID controller pada set poin yang sama diperoleh, Ts=57 s, Max.Overshoot=32,2 mm, dan Ess=0,1.

• Dari hasil simulasi menggunakan Controller Adaptive pp2a_2 didapatkan parameter kualitatif keseluruhan dengan program simulink Matlab pada self tuning PID pada saat setpoint 600 mm yaitu Max. Overshoot=21,3 mm, Ts=37 s dan Ess=0,1.

• Pada saat level glycol dalam proses dikenai load hingga level mencapai 900 mm hingga 1000 mm maka alarm akan menyala dan Alarm Message akan menampilkan peringatan “LEVEL GLYCOL HIGH HIGH”, sedangkan pada saat level berada pada level 300 mm hingga 200 mm maka alarm akan aktif menampilkan pesan “LEVEL GLYCOL LOW LOW”.

(45)

SARAN SARAN SARAN SARAN

Dari hasil tugas akhir ini dapat diberikan saran untuk pengembangan penelitian selanjutnya antara lain :

Mengaplikasikan langsung secara online pada DCS dengan mengkoneksikan hasil perancangan pada software CENTUM CS3000 pada PC dengan Field Control Station yang ada.

(46)

Daftar Pustaka Daftar Pustaka Daftar Pustaka Daftar Pustaka

1. Astrom, Karl J. Wittenmark, Bjorn. Computer Controlled Systems.Prentice- Hall International, Inc.

2. Yokogawa Electric Corp. 2003. Centum CS3000 Manual - Instruction Manual IM 33S01B30-01E : Yokogawa Electric Corp, Tokyo

3. Gunterus, Frans. 1994. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Jakarta : PT Elex Media Komputindo

4. Ogata, Katsuhiko.1996. Automatic Control I .New Jersey, USA : Prentice hall 5. Training Division, 2008. CENTUM CS3000 Training. ITS, Surabaya : PT.

Yokogawa Indonesia

6. Astrom, Karl J. and Hagglund, Tore. 1995. PID Controllers: Theory, Design, 6. Astrom, Karl J. and Hagglund, Tore. 1995. PID Controllers: Theory, Design,

and Tuning. Research Triangle Park, NC : Instrument Society of America 7. Bequette, B. Wayne. 1998. Process Dynamics Modeling, Analysis, and

Simulation, Upper Saddle River, New Jersey : Prentice Hall PTR.

8. Pagerungan Gas Plant Manual Book. Kangean Energy Indonesia Ltd:

Pagerungan Island.

9. Bobal, Vladimir. 1999. Self-Tuning PID Controller. Department of Aumatic Control, Faxculty of Technology Zlin: Czech republic.