PERANCANGAN SISTEM CONTROL LEVEL DAN PRESSURE PADA BOILER DI WORKSHOP INSTRUMENTASI BERBASIS DCS CENTUM CS3000 YOKOGAWA

Oleh :

Awal Mu’amar 2404 100 030 Pembimbing :

Hendra Cordova ST, MT Fitri Adi Iskandarianto ST, MT

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

PERANCANGAN SISTEM CONTROL LEVEL DAN PRESSURE

PADA BOILER

DI WORKSHOP INSTRUMENTASI

Latar Belakang

 Boiler adalah sebuah bejana tertutup yang

digunakan untuk memisahkan fluida antara fase gas (steam) dan fase cair (air).

 Distributed Control System (DCS) adalah sistem kontrol yang terdistribusi atau terbagi-bagi.

Pada penggunaan DCS sebagai sistem kontrol, fungsi kontrol proses didistribusikan pada

beberapa lokal kontrol yang menangani proses yang berbeda-beda.

 CENTUM CS 3000 adalah salah satu DCS yang

Permasalahan

Bagaimana merancang sebuah sistem

control level dan pressure pada boiler

di workshop intrumentasi berbasis

DCS CENTUM CS3000 Yokogawa

Batasan Masalah



Boiler

yang digunakan adalah boiler pada

miniplant

di Workshop Instrumentasi



Variable yang dikontrol adalah level dan

pressure

dari steam drum boiler



Sinyal input berasal dari sensor yang ada

pada plant



Software

yang digunakan adalah

Tujuan Penelitian

Merancang sebuah sistem control

level dan pressure pada boiler di

Workshop Instrumentasi berbasis

Proses and Flow Diagram

Miniplant Boiler di Workshop Intrumentasi

Wall Tube

Steam Drum Economizer

DCS CENTUM CS 3000 Yokogawa

FCS

FCS : Field Control Station: Field Control Station FIO

FIO : Field Network Input/Output: Field Network Input/Output RIO

RIO : Remote Input/Output: Remote Input/Output ENG

Controller

P I D + ++ +_- E(s) R(s) F eed Back m(s) s K s K K s Gc( )  _p  i  _d          T s s T Kp s Gc _d i 1 1 ) (          ( ) 1  ( ) ( ) ) ( e t dt d T dt t e T t e K t Gc _d i p

Transfer Function PID controller dalam domain S dapat dinyatakan

sebagai berikut :

Dengan K_p , K_i , dan K_d masing – masing adalah gain P, I, dan D. Bentuk diatas dapat pula ditulis dalam bentuk lain, sebagai berikut :

Diagram Blok Sistem

Controller Final Control Element Plant Level text SP Output Input Controller Final Control Element Plant text SP Output Input Presure

Sistem Pengendalian Level

F

₂

F

₁ PI D

h(t)

L

_T

Steam

Water

F₁ : Flow Air masuk (m3_/s)

F₂ : Flow Steam Keluar (m3_/s)

h(t) : Tinggi permukaan air (meter) LT : Level Transmiter PID : Controller

)

(

1

)

(

1

)

(

1

)

(

1 2 3

Q

₂

s

s

A

s

P

s

A

s

F

s

A

s

H



















Pemodelan Sensor Level

1

2

.

0

72

.

72

)

(

)

(





s

s

I

s

L

L L

Pemodelan Control Valve

1

13

.

11

024

.

1





s

G

_CV

Pemodelan Level

Sistem Pengendalian Pressure

q

₂ PID

Steam

Water

PT

h(t)

pembakaran

q

₁

q₁ : Flow kerosin/bahan bakar masuk (m3_/s)

q₂ : Flow air masuk (m3_/s)

h(t) : Tinggi permukaan air (meter) PT : Pressure Transmiter PID: Controller ) ( ) ( ) ( ₂ 2 1 2 s Q Q k Cs P K s Q Q k Cs s P w    



Pemodelan Sensor Pressure

1

2

.

0

067

.

1

)

(

)

(





s

s

I

s

L

L L

Pemodelan Control Valve

1

85

.

23

06

.

0





s

G

_CV

Pemodelan

Pressure

Pemodelan

Sistem Pengendalian

Level dan Pressure

Control Drawing Sistem

Tampilan Human Interface Station

PI Ziegler Nichols

PID Ziegler Nichols

Tuning Trial Eror

Tampilan HMI Control PID

Uji Step Sistem Pengendalian

Uji Tracking setpoint Uji Tracking setpoint

Uji Penambahan Load

Level Pressure

Uji Penambahan Load

Uji Pengurangan Load Uji Pengurangan Load

KESIMPULAN

1. Telah Dirancang sebuah sistem pengendalian level dan pressure pada boiler di workshop Instrumentasi menggunakan DCS CENTUM CS3000 Yokogawa

2. Perancangan Sistem control pada boiler mendapatkan nilai Gain dari hasil Trial Eror :

K_P = 0,33 , T_I = 9 , dan T_D = 4 untuk Level K_P = 0,5 , T_I = 10 , dan T_D = 0 untuk pressure 3. Pengendalian Level :

 Uji Step waktu 58 detik dan overshoot 7,7%

 Uji Tracking setpoint waktu 37 detik

 Uji Penambahan Load waktu 86 detik

 Uji Pengurangan Load waktu 45 detik

4. Pengendalian Pressure :

 Uji Step waktu 52 detik dan overshoot 6,25%

 Uji Tracking setpoint waktu 30 detik

 Uji Penambahan Load waktu 69 detik



Sistem pengendalian Temperatur dan Flow

dari boiler dapat dijadikan topik pada

penelitian berikutnya.



Untuk Mahasiswa Teknik Fisika khususnya

dapat dikembangkan dengan melakukan

interfacing

langsung (online) dengan real

plant

.

P

_B

T

_i

Level

15,1 %

20 s

Pressure

2,4 %

20 s

P_B T_i T_d

Level 11,3 % 12 s 3 s

Pressure 1,8 % 12 s 3 s

P_B T_i T_d

Level 300 % 9 s 4 s

Pressure 200 % 10 s

Level Pressure Pu 24 24 Pbu 6.8 1.1 Level C P I D PI 15.11111 20 -PID 11.33333 12 3 Pressure P I D PI 2.444444 20 -PID 1.833333 12 3 Tuning Controller PI PBU/0.45 Pu/1.2 -PID PBU/0.6 Pu/2 Pu/8

Pemodelan matematis pengendalian level

dm : Perubahan Massa air (m3₎

dt : Perubahan waktu (sekon)

ρ_w : Massa jenis air (kg/m3₎

ρ_v : Massa jenis uap air (kg/m3₎

q₁ : Flow air masuk (m3_/s)

q₂ : Flow Uap Air keluar (m3_/s) ) ( ) ( ) ( 2 1 t q t q dt t dm v w    

)

(

)

(

)

(

2 1

t

q

t

q

dt

t

LdA

v w w







_

_

Jika m= ρ V_w dan d V_w = L dA maka menjadi : G v S t P t f C t q₁( )  ( )  ( )

Aliran air yang lewat control valve :

……..(3)

…..(2) ……..(1)

) ( ) ( ) ( ) ( 1 2 q₂ t S P t gh t P t f C dt dA LD _v G w v w w        

Substitusi persamaan menjadi :

2 3 2 1

F

A

P

A

Q

A

H

dt

dH

_

_

_

_



Disederhanakan menjadi : g K LD w   2 82 . 0  Dimana : g K K A w  2 1 1  g A w  1 2  g K A w  2 3 024 . 0 

)

(

1

)

(

1

)

(

1

)

(

1 2 3

Q

₂

s

s

A

s

P

s

A

s

F

s

A

s

H



















Hasil transformasi Laplace menjadi :

……..(5)

Pemodelan Sensor Level

Sensor Menggunakan DP Transmitter. Inputan = 22 cm / 0,22 M Outputan elektrik = 4-20 mA

)

(

)

(

meter

masukan

Span

mA

keluaran

Span

G

_L



Meter

mA

Meter

mA

72

,

72

22

,

0

4

20







1

)

(

)

(

)

(





s

T

G

s

I

s

L

c L L L G_L : gain transmitte

T_c : time constant transmitter Fungsi transfer Transmitter

1

2

.

0

72

.

72

)

(

)

(





s

s

I

s

L

L L

Pemodelan Control Valve

1





s

T

K

G

cv C cv

Karena boiler yang digunakan Orde satu maka fungsi transfer adalah :

K_cv : gain control valve

T_cv : time constant control valve (11,13 detik)

s cm masukan tekanan perubahan maksimum aliran laju K_CV 2 46 . 5  

mA

cm

Kg

mA

input

Span

cm

kg

output

Span

G

_{T 2} 2

1875

.

0

)

(

)

/

(





mA

s

Kg

x

K

G

K

_{C T CV}

.

024

.

1

46

.

5

1875

.

0

.







1

13

.

11

024

.

1





s

G

_CV

Pemodelan matematis pengendalian pressure

C : kapasitansi tangki

dP : Perubahan Tekanan steam (kg/m2₎

dt : Perubahan waktu (sekon) q₁ : Flow air masuk (m3_/s)

q₂ : Flow uap air keluar (m3_/s)

ρ_w : Massa jenis air (kg/m3₎

ρ_v : Massa jenis uap air (kg/m3₎

)

(

)

(

)

(

2 1

t

q

t

q

dt

t

dP

C





_w





_v

RT

MP

v





Dimana :

)

(

)

(

)

(

2 1

q

t

RT

MP

t

q

dt

t

dP

C





_w



……..(8) ……..(7)

))

(

)

(

(

)

(

)

(

2 2 1

P

q

t

q

P

t

RT

M

t

q

dt

t

dP

C





_w





Persamaan (8) dilinierkan menjadi :

RT

M

K



Misalkan : ) ( ) ( ) ( ₂ 2 1 2 s Q Q k Cs P K s Q Q k Cs s P w    



Pemodelan Sensor Pressure Inputan = 15 bar / 15 Kg/cm2 Outputan elektrik = 4-20 mA

1

)

(

)

(

)

(





s

T

G

s

I

s

L

c L L L G_L : gain transmitte

T_c : time constant transmitter Fungsi transfer Transmitter

1

2

.

0

067

.

1

)

(

)

(





s

s

I

s

L

L L 2

/

067

.

1

2

/

)

15

(

)

4

20

(

cm

kg

mA

cm

kg

mA

G

_P







Pemodelan Control Valve

1





s

T

K

G

cv C cv

Karena boiler yang digunakan Orde satu maka fungsi transfer adalah :

K_cv : gain control valve

T_cv : time constant control valve (23.85 detik)

s cm masukan tekanan perubahan maksimum aliran laju K_CV 2 323 . 0  

mA

cm

Kg

mA

input

Span

cm

kg

output

Span

G

_{T 2} 2

1875

.

0

)

(

)

/

(





mA

s

Kg

x

K

G

K

_{C T CV}

.

06

.

0

323

.

0

1875

.

0

.







1

85

.

23

06

.

0





s

G

_CV

                                        1 78 . 2 6 . 1 1 78 . 2 613 . 0 1 19 . 0 035 . 0 1 19 . 0 1533 . 0 1 13 . 11 024 . 1 ) ( ) ( 1 1 s s s s s s M s C

Sistem Pengendalian Level





























6

.

1

752

.

4

848

.

0

02

.

0

056

.

0

1

19

.

0

1533

.

0

1

13

.

11

024

.

1

)

(

)

(

2 1 1

s

s

s

s

s

s

M

s

C

Sistem Pengendalian Pressure

                                        1 19 . 0 1533 . 0 1 19 . 0 035 . 0 1 78 . 2 613 . 0 1 78 . 2 6 . 1 1 85 . 23 122 . 0 ) ( ) ( 2 2 s s s s s s M s C





























1533

.

0

46

.

0

08

.

0

002

.

0

0038

.

0

1

78

.

2

6

.

1

1

85

.

23

122

.

0

)

(

)

(

2 2 2

s

s

s

s

s

s

M

s

C