BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Prosedur Penelitian 3.1.1 Studi Literatur
Tahap ini dilakukan pencarian literatur terbuka dan publikasi ilmiah, yang sesuai dengan penelitian dan dapat dijadikan acuan atau dasar dalam penelitian ini.
3.1.2 Studi Lapangan
Tahap ini dilakukan pengamatan secara langsung dilapangan, dengan dibimbing operator dalam pencarian dan pengamatan alat yang digunakan sebagai bahan penelitian. Studi lapangan mengenai kontrol PID didalam deaerator dilaksanakan selama lima bulan, selama lima bulan pengerjaan penulis dibimbing mengenai perhitungan dan pengambilan data oleh engineer.
3.2 Diagram Alir Perancangan
Tahapan perancangan sistem kendali level air deaerator ditunjukkan pada Gambar 3.1 yang merupakan diagram alir perancangan sistem kendali. Perancangan sistem kendali level air deaerator dilakukan dengan pengendalian yaitu PID kontrol.
Gambar 3.1 Diagram Alir Rancangan Penelitian
A B C
Perancangan sistem kendali level air pada deaerator dilakukan dengan memulai studi literatur mengenai control valve pada PLTU Teluk Balikpapan dan juga melakukan studi literatur mengenai perancangan sistem kendali PID. Setelah melakukan studi literatur, langkah selanjutnya dengan melakukan studi lapangan pada PJB UBJOM Kaltim Teluk dengan tujuan mengetahui fungsi setiap alat yang berada pada plant dan dapat melihat secara langsung masalah yang terjadi pada sistem kontrol PID level air didalam deaerator, pada saat dilakukannya studi lapangan penulis dibimbing secara langsung oleh engineer lapangan yang ahli pada bidang instrument. Setelah dilakukan studi lapangan langkah selanjutnya adalah mengumpulkan data-data yang dibutuhkan dalam melakukan rancangan sistem kendali baik berupa data operasi maupun data spesifikasi alat. Kemudian dilakukan pemodelan matematis pada level transmitter, control valve dan deaerator menggunakan data yang dimiliki. Selanjutnya melakukan validasi terhadap model matematis dengan cara membandingkan nilai output level dari kondisi lapangan dengan nilai output level dari hasil pemodelan matematis. Simulasi blok diagram plant menggunakan data pemodelan matematis digunakan untuk melakukan validasi, input pada simulasi diberikan menggunakan tools sinyal step. Jika model matematis merepresentasikan proses aktual yang terjadi, langkah selanjutnya melakukan tuning PID menggunakan metode konvensional Z-N dan menggunakan metode auto tuned. Proses penalaan tersebut didapatkan nilai Kp, Ki, Kd. Selanjutnya nilai parameter PID dibandingkan dengan nilai PID plant menggunakan simulasi Simulink Matlab. Hasil simulasi didapatkan grafik respon dari masing-masing nilai parameter PID, selanjutnya dari hasil tuning akan dibandingkan dengan pengendali PID pada PLTU Teluk Balikpapan. Respon transient plant ditunjukkan pada Tabel 3.1
Tabel 3.1 Kriteria Performansi Respon Sistem Kendali Plant Rise time (tr) Overshoot Settling time (ts) Error Steady State
< 13,27 s < 88,88% < 6676,8 s ± 2% - ± 5%
*)Kriteria Performasi Plant PJB, 2019
Tabel 3.1 merupakan respon transient dari sistem kendali PID plant PJB.
Setelah sistem kendali rancangan telah memenuhi kreteria performansi transient
yang ditunjukkan pada Tabel 3.1, selanjutnya adalah pengujian tracking setpoint yaitu kemampuan sistem untuk dapat mengikuti fluktuasi nilai setpoint.
3.3 Metode Perancangan
Data yang akan digunakan sebagai acuan untuk rancangan sistem pengendalian PID untuk perbandingan performansi kendali PID PLTU Teluk Balikpapan dengan hasil tuning, merupakan data sekunder yang diperoleh dari database dan data operasi PLTU Teluk Balikpapan. Data operasi yang dibutuhkan dalam perancangan sistem kendali PID. Data operasi yang dibutuhkan dalam perancangan sistem kendali meliputi laju alir air umpan, laju alir uap, level air, temperatur uap dan temperatur air umpan. Data spesifikasi alat dan diagram P&ID diperoleh dari database PLTU Teluk Balikpapan. Data operasi yang digunakan adalah data rekaman operasi dalam 6 bulan terakhir, yaitu pada saat plant dioperasikan pada beban 110 MW.
Tabel 3.2 Data Teknis Pada Deaerator Saat Beban 110 MW
Data Harga Satuan
Design capacity 80 t/h
Oxygen content ≤ 7 𝜇𝑔/liter
Design pressure 1,0 Mpa.g
Design temperature 430/205 oC
Working pressure 0,147~0,588 Mpa.g
Working temperature 430/180 oC
Opening pressure of safety valve 0,95 Mpa
After filled with water 281,376 ton
Capacity 80 ton
*)Manual book deaerator PJB
Perancangan sistem kendali level air pada deaerator ini ditentukan variabel- variabel agar penelitian dapat berjalan sesuai dengan yang dikehendaki. Variabel yang digunakan dalam melakukan perancangan sistem kendali level air pada deaerator ditunjukkan pada Tabel 3.3
Tabel 3.3 Variabel Perancangan
Variabel Independen Variabel Dependen Variabel Kontrol Laju Aliran Feed Water (kg/s) massa jenis feedwater (kg/m3)
laju aliran steam (kg/sekon)
Level (mm)
3.3.1 Perancangan Sistem kendali PID
Adapun perancangan sistem kendali PID meliputi:
a. Pemodelan matematis deaerator, level transmitter dan control valve.
b. Tuning parameter control PID menggunakan metode Ziegler – Nichols.
c. Perancangan diagram sistem tertutup (close loop).
d. Simulasi Menggunakan Simulink Matlab.
e. Nilai parameter PID yang diperoleh dibandingkan dengan nilai parameter PID plant.
f. Simulasi meliputi uji tracking setpoint.
g. Hasil simulasi rancangan harus memenuhi kriteria performasi
Adapun diagram alir dari perancangan sistem kendali PID dapat dilihat pada Gambar 3.2
A B
Gambar 3.2 Diagram Alir Perancangan Sistem Kendali PID
Perancangan sistem kendali PID perlu dilakukan pemodelan dari control valve selanjutnya dilakukan pemodelan pada transmitter setelah itu dilakukan pemodelan pada deaerator. Pemodelan yang sudah dibuat selanjutnya dilakukan perancangan sistem kendali pada plant, setelah itu dibuat perancangan sistem kendali menggunakan aturan tuning PID menggunakan ziegler-nichols dan juga menggunakan auto tuned untuk tuning sistem kendali PID. Selanjutnya akan dilakukan simulasi menggunakan Simulink dan akan mendapatkan respon grafik.
A B
jika hasil tuning tidak lebih baik dari respon grafik plant maka akan dilakukan tuning ulang dengan metode yang berbeda, setelah hasil respon grafik tuning lebih baik maka dilanjutkan dengan melakukan uji tracking setpoint jika sistem kendali tuning tidak mampu mengikuti perubahan setpoint yang diberikan maka akan dilakukan tuning ulang dengan metode yang berbeda, setelah sistem mampu mengikuti perubahan setpoint yang diberikan sebesar 30 sekon, selanjutnya akan dilakukan pengambilan kesimpulan.
a. Pemodelan matematis deaerator
Pemodelan matematis deaerator menggunakan persamaan kesetimbangan massa. Persamaan ini digunakan untuk mendapatkan level tangki pada deaerator.
Menggunakan Persamaan 2.9 maka model matematis deaerator dapat dituliskan sebagai berikut:
[akumulasi massa per satuan waktu] = [massa masuk per satuan waktu] – [massa keluar persatuan waktu]
𝜌𝑑𝑉
𝑑𝑡 = 𝐹𝑖𝜌𝑖+ 𝑚𝑠− 𝐹𝑜𝜌𝑜
Selanjutnya diperlukan pemodelan bentuk tangki. Tangki pada deaerator memiliki bentuk bangun ruang yang menyerupai bentuk tabung. Setelah diketahui pendekatan model tangki berbentuk tabung maka, hubungan antara volume dan ketinggian adalah:
𝑑𝑉 = 𝐴𝑑ℎ = 𝑊𝑡𝐿𝑑ℎ
Pendekatan volume tabung dapat dilihat pada Gambar 3.3
Gambar 3.3 Pendekatan Volume Tabung (Ariyanto,2011).
Data dari diameter, ketinggian air dan Panjang tabung ditunjukkan pada Tabel 3.4
Wt
Tabel 3.4 Data Desain Deaerator
Data Nilai
Diameter (D) 3,24 meter
Ketinggian Cairan (h) 0,8 meter Panjang Tabung (L) 13,78 meter
*)Data desain deaerator PJB
Setelah didapatkan data desain deaerator selanjutnya dilakukan perhitungan volume tangki deaerator, karena deaerator memiliki bentuk tabung maka dilakukan perhitungan menggunakan pendekatan volume tabung.
wt
2 adalah Panjang dari salah satu sisi segitiga. Hubungan dari wt
2 dan h dapat diketahui menggunkan rumus phitagoras.
𝑤𝑡
2 =√𝑅2− (𝑅 − ℎ)2 𝑤𝑡= 2√(𝐷 − ℎ)ℎ 𝑑𝑉 = 2√(𝐷 − ℎ)ℎ 𝐿𝑑ℎ
𝑑𝑉 = 2√(3,24 − 0,8)𝑥0,8 𝑥13,78𝑑ℎ 𝑑𝑉 = 38,505𝑑ℎ
38,505𝜌𝑑ℎ
𝑑𝑡 = 𝐹𝑖𝜌𝑖+ 𝑚𝑠− 𝐹𝑜𝜌𝑜
38,505𝑑ℎ
𝑑𝑡 = 𝐹𝑖+1
𝜌 𝑚𝑠− 𝐹𝑜 38,505𝑑ℎ
𝑑𝑡 = 𝐹𝑖+1
𝜌 𝑚𝑠− 𝐾√ℎ
Penyelesaian persmaan diatas perlu adanya linearisasi dengan menggunakan deret taylor. Penyusunan sesuai deret taylor ditunjukkan pada Persamaan 2.14
𝑑𝑦′ 𝑑𝑡 =
𝜕𝑓
𝜕𝑦 𝑦′ +
𝜕𝑓
𝜕𝑥 𝑥′ +
𝜕𝑓
𝜕𝑧 𝑧′
Dari persamaan deret taylor diatas maka persamaan dapat di susun:
𝑑ℎ′ 𝑑𝑡 =
𝜕𝑓
𝜕𝐹𝑖 𝐹𝑖′+ 𝜕𝑓
𝜕𝑚𝑠 𝑚𝑠′ +𝜕𝑓
𝜕ℎ ℎ′
Variable deviasi sebagai berikut:
𝐹𝑖′= 𝐹𝑖− 𝐹̅ ; 𝑚𝑖 𝑠′ = 𝑚𝑠− 𝑚̅̅̅̅ ; ℎ𝑠 ′= ℎ − ℎ̅
Setelah linearisasi menggunakan deret taylor didapatkan persamaan sebagai berikut:
𝑑ℎ
𝑑𝑡 = 𝐹𝑖′ +1
𝜌 𝑚𝑠′ − 𝐾 2√ℎℎ′
Selanjutnya persamaan akan disederhanakan, untuk mendapatkan fungsi transfer dari proses yaitu:
ℎ′ = 𝐺𝑝
𝜏𝑝𝑠 + 1 𝐹𝑖′+ 𝐺𝑚
𝜏𝑝𝑠 + 1 𝑚𝑠′
Dikarenakan nilai K untuk flow out deaerator tidak tersedia diperusahaan, karena tipe deaerator pada perusahaan dan deaerator pada jurnal memiliki tipe yang sama, maka digunakan nilai K dari jurnal yang telah dilakukan penelitian tugas akhir oleh (wahyu, 2015). Didapatkan nilai K sebesar 1 maka fungsi transfer dari proses sebagai berikut:
Dimana:
𝐺𝑝 = 2√ℎ
𝐾 ; 𝐺𝑚 =2√ℎ
𝐾𝜌 ; 𝜏𝑝 = 2√ℎ 38,505𝐾 𝐺𝑝 = 2√0,8
1 = 1,78 𝐺𝑚 = 2√0,8
1𝑥1000 = 0,00178 𝜏𝑝= 2√0,8
38,505𝑥1 = 0,0464577167
Gp merupakan gain dari proses yaitu laju aliran volume air umpan. Gm merupakan gain dari load yaitu laju aliran massa steam. 𝜏𝑝 merupakan time konstan dari proses dan juga load.
ℎ = 1,78
0,0464577167𝑠 + 1 𝐹𝑖+ 0,00178
0,0464577167𝑠 + 1 𝑚𝑠 b. Pemodelan matematis control valve
Pengendalian level air pada deaerator membutuhkan control valve untuk mengatur laju aliran yang akan masuk kedalam tangki deaerator. Control valve yang digunakan pada PLTU Teluk Balikpapan bertipe pneumatic dengan jenis actuator diaphragma yang memiliki range bukaan katup 0% - 100%.
Menggunakan input sinyal elektrik dengan input 4-20 mA kemudian dikonversi menjadi sinyal pneumatic 3-15 psig untuk menggerakan actuator biasanya dikenal dengan sistem I/P. fungsi transfer ditunjukkan pada Persamaan 2.3.
𝑀𝑉𝐶𝑉(𝑆) 𝑈(𝑆) =
𝐾𝐶𝑉
𝜏𝐶𝑉𝑆 + 1
Gain control valve (Kcv) bisa didapatkan dengan Persamaan 2.4.
𝐾 = 𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑎𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚
∆ tekanan masukan 𝐾 = 174,913 𝑘𝑔/𝑠
(15 − 3)psi = 14,576
Sedangkan untuk gain I/P diperoleh dengan persamaan 2.5.
𝐺𝐶 = (15 − 3)𝑝𝑠𝑖
(20 − 4)𝑚𝐴 = 0,75𝑝𝑠𝑖 𝑚𝐴
Gain total control valve dapat diperoleh dengan Persamaan 2.6 𝐾𝐶𝑉 = 𝐾. 𝐺𝐶
= 14,576𝑥0,75 = 10,9320𝑘𝑔/𝑠. 𝑚𝐴
Time constant dari control valve didapatkan dari Persamaan 2.7 𝜏𝐶𝑉= 𝑇𝑉(∆𝑉 + 𝑅𝐶𝑉)
Actuator yang digunakan model diaphragma maka nilainya adalah 0,03 dan untuk Nilai TV diperoleh dari Persamaan 2.8.
𝑇𝑉 = 𝑌𝐶 𝐶𝑉
𝑇𝑉 = 0,676
0,39 = 1,73
𝜏𝐶𝑉= 1,73(174,913−0174,913 + 0,03) 𝜏𝐶𝑉= 1,785
Maka fungsi transfer dari control valve adalah sebagai berikut:
𝑀𝑉𝐶𝑉(𝑆) 𝑈(𝑆) =
10,9320 1,785𝑆 + 1
c. Pemodelan level transmitter
Level transmitter merupakan alat yang berfungsi sebagai pengukur level air didalam tangki deaerator, serta mentransmisikan hasil konversinya kebesaran elektrik 4mA-20 mA, maka dipasang level transmitter dengan range sebesar 0 mm sampai dengan 2400 mm.
Transmitter dilakukan pemodelan matematis dengan Persamaan 2.1 sebagai berikut:
𝐺𝑇 =𝑆𝑝𝑎𝑛 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 𝑆𝑝𝑎𝑛 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 𝐺𝑇 = 𝐼𝑚𝑎𝑘𝑠− 𝐼𝑚𝑖𝑛
𝐻𝑚𝑎𝑘𝑠− 𝐻𝑚𝑖𝑛
Nilai GT merupakan nilai dari penguat level transmitter dapat diperoleh dengan perbandingan span output dan span input.
𝐺𝑇 = (20 − 4)𝑚𝐴
(2400 − 0)𝑚𝑚 = 0,00667𝑚𝐴 𝑚𝑚
Dikarenakan time konstan dari level transmitter untuk deaerator tidak tersedia diperusahaan, karena transmitter yang digunakan pada deaerator dan steam drum memiliki model dan merek yang sama, maka digunakan time constant dari level transmitter steam drum yang telah dilakukan penelitian tugas akhir oleh
(Saputra, 2017). Didapatkan nilai time constant sebesar 0,2 sekon maka fungsi level transmitter sebagai berikut:
𝑀(𝑆) 𝑈(𝑆) =
𝐺𝑇 𝜏𝑇𝑆 + 1 𝑀(𝑆)
𝑈(𝑆) =
0,0067 0,2𝑠 + 1
d. Validasi Pemodelan Deaerator
Validasi pemodelan pada deaerator dilakukan dengan cara membandingkan nilai output level dari kondisi lapangan dengan nilai output level dari hasil pemodelan matematis, validasi ini dilakukan dengan tujuan mendapatkan hasil yang sama dari persamaan matematis dengan kondisi lapangan. Validasi dilakukan dengan cara melakukan simulasi blok diagram plant menggunakan data pemodelan matematis, input pada simulasi diberikan menggunakan tools sinyal step yang ditunjukkan pada Gambar 3.4 (Widiyanti, 2017).
Gambar 3.4 Diagram Blok Sistem Validasi Pemodelan Deaerator
Hasil respon sistem validasi pemodelan berupa grafik yang akan menunjukan pengaruh dari penambahan input terhadap level pada deaerator yang ditunjukkan pada Gambar 3.5.
(mm)
Time (sekon)
Gambar 3.5 Respon Sistem Validasi Pemodelan Deaerartor
Ditunjukkan pada Gambar 3.5 bahwa sumbu x menunjukan waktu dengan satuan sekon dan sumbu y menunjukan level dengan satuan mm. Garis kuning pada grafik merupakan setpoint dan garis biru pada grafik adalah respon transient sistem.
Nilai output pada simulasi telah sesuai dengan data pengukuran yang dilakukan dilapangan yaitu untuk mencapai level 486,71 membutuhkan waktu 320 sekon.
Ditunjukkan pada grafik bahwa sistem memiliki karakteristik linier hal ini dikarenakan pada saat terjadi penambahan input maka secara otomatis kenaikan level juga akan terjadi. Sehingga sistem plant tersebut perlu dikendalikan (Widiyanti, 2017).
e. Pemodelan sistem plant
Pemodelan matematis yang telah dilakukan pada masing – masing komponen plant, selanjutnya dilakukan pemodelan menjadi bentuk blok diagram pada Simulink menggunakan sistem tertutup (close loop). Penyusunan sistem plant secara tertutup dilakukan dengan alasan sistem menggunakan transmitter sebagai pembaca level aktual pada deaerator, kemudian akan menyesuaikan dengan nilai setpoint level. Converter pada simulasi digunakan sebagai sarana pengubah nilai input level berupa setpoint menjadi arus listrik (mA). Susunan blok diagram ditunjukkan pada Gambar 3.6.
L e v e l
0 50 100 150 200 250 300
(mm)
Time (sekon)
Gambar 3.6 Blok Diagram Tanpa Sistem Kendali
Blok diagram tanpa sistem kendali menunjukkan bahwa tidak ada sistem kendali yang digunakan baik itu sistem kendali menggunakan fuzzy logic maupun menggunakan sistem kendali PID dari diagram blok diatas tanpa adanya sistem kendali maka tidak ada sistem yang memanipulasi laju aliran air sehingga laju aliran pada control valve tidak dapat mencapai nilai setpoint yang diberikan yang memiliki level air setinggi 1900 mm nilai setpoint yang digunakan merupakan nilai setpoint pada plant dengan beban 90 MW. Didapatkan respon grafik dari blok diagram jika plant tidak menggunakan sistem kendali, yang ditunjukkan pada Gambar 3.7
Gambar 3.7 Respon Grafik Control Valve Tanpa Sistem Kendali
Diketahui pada Gambar 3.7 bahwa sumbu x menunjukan waktu dengan satuan sekon dan sumbu y menunjukan level dengan satuan mm. Garis kuning pada grafik merupakan setpoint dan garis biru pada grafik adalah respon transient sistem.
Hasil respon plant yang tidak diberikan sistem pengendali dapat diketahui bahwa
L e v e l
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
1900 mm. Upaya yang dilakukan untuk mencegah terjadinya hal diatas dilakukan pemasangan sistem kendali PID untuk memanipulasi besaran sinyal input control valve sehingga sistem dapat mencapai setpoint yang ditentukan.
Halaman ini sengaja dikosongkan
