MAKALAH APLIKASI PID PADA BOILER INDUSTRI TENAGA UAP
Makalah diajukan untuk mata kuliah Sistem Kendali
Oleh:
1. Hariansyah : 12250510364
2. Iskandar Muda Sirait : 12250511319 3. M. Arieful Fikri : 12250512980 4. M. Daffa Septian Ashandi : 12250511038
5. Reza Alfiandi : 12250513159
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SULTAN SYARIF KASIM RIAU
PEKANBARU
KATA PENGANTAR
Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah Subhanahuwata'ala atas Berkat dan Rahmat karunia-Nya sehingga Makalah yang berjudul Aplikasi PID pada Boiler Industri Tenaga Uap dapat di diselesaikan dengan baik. Kemudian tidak lupa juga kita panjatkan sholawat kepada junjungan alam yakni Nabi Besar Muhammad Shalallahualaihiwasallam yang membimbing kita ke jalan yang terang serta banyak ilmu pengetahuan.
Untuk pihak-pihak terkait yang telah membantu kami dalam membuat makalah ini kami ucapkan banyak terimakasih dan utama nya kepada Ibu Dian Murtisyah, S.T., M.T. yang telah memberi sedikit penjelasan mengenai analisa PID termasuk pada simulasi serta persamaan-persamaannya.
Tujuan utama pembuatan makalah ini adalah dimana untuk sebagai bahan analisis bila kita berjumpa dengan pengontrolan PID pada suhu boiler tenaga uap menggunakan simulasi aplikasi/software. Disisi lain juga bisa meningkatkan pemahaman mengenai analisa PID untuk mengontrol suhu yang ada didalam boiler.
Makalah ini dibuat dengan sebaik mungkin, tetapi kami menyadari bahwa makalah ini masih banyak kekurangan dan jauh dari kata perfect, namun kami berharap bahwa makalah ini bermanfaat walaupun itu kecil dan bisa diterima.
Mohon maaf jika banyak terdapat kata yang salah dalam penulisan nya. Semoga makalah ini bermanfaat bagi kita semua, Aamiin.
Pekanbaru,17 Desember 2023
Penulis
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR...i
DAFTAR ISI...ii
BAB I PENDAHULUAN...1
1.1 Latar Belakang Masalah...1
1.2 Rumusan Masalah...1
1.3 Tujuan...2
BAB II PEMBAHASAN...3
2.1 PID (Propotional Integrated and Differencial) dan Fungsinya Terhadap Boiler...3
2.2 Metode Penelitian dan Tabel Eksperimen...5
2.3 Hubungan Suhu Sepoint terhadap Heat Flow...7
2.4 Pengaruh Tunning dan Waktu Respon PID...8
BAB III PENUTUP... 11
3.1 Kesimpulan...11
3.2 Saran... 11
DAFTAR PUSTAKA... 12
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Pada dasarnya penggunaan sistem aplikasi PID kerap digunakan dalam bidang industri baik dalam industri manufakur, otomotif, kimia, energi dan lain sebagainya. Dalam banyak bidang aplikasi kontroler PID relatif lebih banyak penggunaannya dibanding aplikasi yang lain, hal ini karena kinerja aplikasi PID lebih unggul dan memuaskan para usernya. Makalah ini akan menjelaskan peran PID dalam mengendalikan suhu dalam sebuah boiler dalam industri energi.
Boiler adalah sebuah alat pada bidang industri karena steam yang dihasilkan berguna dan berdampak pada listrik, jadi peran PID dalam hal ini sebagai pencari waktu terbaik untuk merespon gangguan setting dengan nilai Kc, Ti dan Td dengan setpoint (270oC, 275oC, 280oC, 285oC, 290oC). Dari pengamatan yang dilakukan akan didapati proses pengontrolan PID dalam merespon gangguan Kc, Ti dan Td.
Steam adalah salah satu hasil pengolahan manfaat unit yang berpengaruh besar dalam bidang industri terutama pada pembangkit listrik, pengoperasian mesin-mesin otomatis industri dan penggerak dari boiler. Lalu sudu-sudu yang terbentuk merupakan hasil steam dari boiler, karena itu boiler sangat berpengaruh pada listrik yang dihasilkan turbin. Jika steam yang dihasilkan boiler mengalami naik turun maka akan berdampak pada ketidakstabilan alat listrik dan mesin pada bidang industri. PID lah yang digunakan sebagai aplikasi dalam menangani masalah ini agar steam boiler menggunakan suhu yang selalu konstan.
Di masa digital kini PID masih banyak digunakan dalam mengontrol suhu dalam bidang industri termasuk energi. Hal ini disebabkan karena aplikasi PID sangat sederhana namun jangkauan dalam pengaplikasian nya sangat luas.
Pengaplikasian PID juga ada beberapa cara atau toeri yaitu Trial and Error, Ziegler-Nichols dan Cohen Coon. Ulasan dalam makalah akan membahas teori dari Trial and Error.
1.2 Rumusan Masalah
Pemaparan diatas sudah sedikit menjelaskan terkait topik yang akan dibahas, namun ada beberapa sedikit tambahan yang akan lebih baik penjelasan nya secara rinci mengenai dari pertanyaan-pertanyaan berikut:
1. Apa itu kendali PID dan jelaskan hubungannya terhadap industri energi tenaga uap?
2. Tunjukkan hasil tabel percobaan dari praktikum journal yang kamu dapatkan!
3. Apakah pengaruh Set Point terhadap heat flow (perpindahan panas)?
4. Sebutkan pengaruh Tunning dengan waktu respon PID? Dan tunjukkan diagramnya serta grafiknya!
1.3 Tujuan
Setelah dipaparkannya analisa mengenai kontrol PID dilapangan, melalui makalah ini diharapkan para mahasiswa dapat:
1. Mengetahui pengertian dan makna dari PID.
2. Mengamati dan memahami isi dari tabel eksperimen.
3. Mencermati hubungan set point terhadap heat flow (perpindahan panas).
4. Mengetahui pengaruh Tunning dengan respon PID serta mengamati grafik yang dilampirkan.
BAB II PEMBAHASAN
2.1 PID (Propotional Integrated and Differencial) dan Fungsinya Terhadap Boiler
PID adalah sebuah kontrol yang merancang adanya mekanisme umpan balik yang kerap ditemukan pada bidang industri. Hakikatnya PID dirancang untuk menemukan kesalahan yang ada pada sistem sehingga setpoint dan variabel yang diinginkan bisa diukur atau terukur.
Gambar 1. Kinerja Kontrol PID
Masing-masing variabel dari PID mempunyai fungsi khusus dalam menjalankan tugasnya , seperti:
a) P berfungsi untuk membenarkan kesalahan nilai saat sekarang. Contoh apabila nilai input kecil dan negatif maka output harus dalam keadaan kecil dan negatif.
b) I berfungsi untuk membenarkan kesalahan sebelumnya. Contoh apabila output kurang kecil, maka kesalahan pada sistem akan terdeteksi secara terus menerus lalu kontroler akan merespon dengan output yang lebih kecil.
c) D berfungsi sebagai kewaspadaan terhadap kemungkinan kesalahan pada perubahan waktu yang akan datang.
Perlu diketahui bahwa kontrol PID hanya mengandalkan variabel terukur bukan mengetahui dari prosesnya dan dengan itu PID secara luas bisa digunakan semua orang. Selain itu PID juga bisa dirubah atau diringkas secara penggunaan nya seperti PI, PD, P dan I.
Fungsi kontrol PID terhadap boiler terdapat pada tuning/penalaan, dimana proses ini menemukan nilai yang harus tepat agar Procces Variabel dapat mengejar harga setpoint dalam waktu yang singkat. Fungsi pada kontrol P disini mempunyai makna besar aksi yang dilakukan sama dengan besar error dengan syarat pengali- pengali tertentu dari sistem. Namun pada fungsi P ini terdapat salah satu kelemahan dimana Steady State Error yang artinya output mempunyai selisih dengan setpoint.
Lalu fungsi I disini adalah untuk menghilangkan steady state error yang terbentuk tadi, dimana sistem akan selalu mendekati setpoint dalam waktu yang singkat, namun lagi-lagi yang menjadi kekurangannya adalah kestabilan sistem yang tidak dapat terjaga. Fungsi D adalah menahan agar error yang terbentuk tidak semakin besar dalam kurun waktu yang singkat, lalu fungsi D dapat meningkatkan respon sistem dan kestabilan sistem. Apabila PID digabungkan maka akan dapat merasakan beberapa manfaat diantaranya meningkatkan respon dan stabilitas sistem lalu bisa mengeliminasi steady state error sistem. Jadi fungsi PID pada pemanasan suhu di boiler dijabarkan sebagai berikut:
1. PID dapat mengatur suhu yang lebih presisi sesuai dengan suhu yang diinginkan oleh owner.
2. Dengan kemampuan kontrol yang cermat, PID mampu mencegah fluktuasi suhu ekstrim hingga kestabilan dalam pemanasan air dapat terjaga.
3. Bisa meningkatkan efisiensi energi yang berlebih sehingga kerugian energi bisa di minimalisir.
4. PID mampu membuat boiler bisa beradaptasi terhadap permintaan yang di perintahkan baik terhadap suhu maupun kondisi.
5. Pencegahan yang terjadi pada eksternal juga bisa di kontrol oleh PID, dengan melalui kontrol yang lebih pada operasional boiler.
Adapun Persamaan laplace yang terbentuk :
U(s)=Kp E(s)+ 1
Ti(s)E(s)+Td sE(s)
2.2 Metode Penelitian dan Tabel Eksperimen
Menggunakan software Aspen Hysys V.8.8. dan tahapan sebagai berikut:
1. Membuat model steady state (Gambar 2).
2. Mengubah dari model steady state menjadi dynamic (Gambar 3).
3. Membuat model PID dan Melakukan tuning Kc, Ti dan Td.
Gambar 2. Simulasi Steady State
Gambar 3. Mengubah Simulasi Steady State ke Model Dynamic
Tabel 1. Eksperimen PID Kc=0,7, Ti=1 dan Td=0 Suhu Parameter Tunning Waktu
(Menit)
Heat Flow (kJ/s)
Bukaan Valve (%)
Kc Ti Td
280-285
0,7 1 0
0,978 13535 75,20
285-280 1,104 13457 74,76
280-290 1,323 13616 75,64
290-280 1,135 13457 74,76
280-275 0,823 13380 74,33
275-280 1,542 13457 74,76
Eksperimen diatas menggunakan set range point pada tempratur (270oC, 275o C, 280oC, 285oC, 290oC) untuk melihat respon waktu dari kontrol. Lalu akan didapatkan hasil 1 waktu terbaik dari 25 run.
2.3 Hubungan Suhu Setpoint Terhadap Heat Flow
Gambar 3. Grafik Pengaruh Suhu dan Heat Flow
Pada gambar 3 diatas terlihat suhu 270 oC membutuhkan heat flow sebesar 13304 kJ/s, suhu 280 oC membutuhkan heat flow sebesar 13457 kJ/s, suhu 275 oC membutuhkan heat flow sebesar 13380 kJ/s, suhu 285 oC membutuhkan heat flow 13535 kJ/s dan suhu 290 oC membutuhkan heat flow sebesar 13616 kJ/s. Didasari dari kurva grafik, dapat diketahui apabila suhu steam naik maka heat flow yang digunakan juga akan semakin besar. Lalu pada eksperimen ini dibantu oleh valve, v alve adalah alat kontrol yang berguna untuk mengarahkan, membesarkan atau mengecilkan suatu objek sistem atau dengan sebutan lain (Katup).
Eksperimen ini menginginkan adalah 280 oC, lalu buka atau tutupnya valve dikendalikan oleh TIC (Temprature Indicator Controller). Proses utamanya adalah data dari sensor dibaca oleh sebuah transmitter, lalu data yang tadinya diinput diubah menjadi sebuah sinyal yang akan di pahami oleh controller. Data yang dikirimkan transmitter diinput oleh TIC sehingga akan dibandingkan dengan setpoint, jika sudah mendekati harga setpoint maka akan didapat bukaan valve dan tempratur yang ingin didapatkan. Valve berfungsi sebagai kontrol laju steam dan mempunyai prinsip kerja yang bertindak sebagai penyempitan variabel dalam proses perpipaan.
Gambar 4. Grafik Pengaruh Bukaan Valve dan Heat Flow
Terlihat dari kurva diatas kualitas besaran bukaan valve dan heat flow pada Kc, Ti dan Td adalah sama, hal ini dikarenakan ketika katup dibuka maka semakin besar heat flow. Valve yang terbuka mengartikan laju aliran air yang semakin deras atau besar. Nilai pada Kc, Ti dan Td hanya mempengaruhi nilai PID saja dan tidak berdampak pada perubahan valve maupun heat flow.
2.4 Pengaruh Tunning dan Waktu Respon PID
Pengaruh dari kontrol Kc, Ti dan Td dapat dilihat pada diagram gambar 5 berikut ini
Gambar 5. Pengaruh Tunning PID dan Waktu Respon PID
Dari gambar diatas bisa dilihat waktu tercepat kontrol PID dalam merespon
untuk mengembalikan garis Present Value mengikuti atau mendekati garis Setpoint.
Jika nilai Kc kecil maka fungsi kontrol P hanya akan mampu mengoreksi kesalahan kecil hingga otomatis sistem akan bergerak lebih lambat, namun apabila Kc diperbesar maka sistem yang berjalan tidak akan stabil. Pada peletakan nilai Ti yang tinggi ternyata menyebabkan respon transien yang tinggi pula, artinya Ti berbanding lurus dengan respon transien sistem, dimana jika diletakkan dalam nilai tinggi sistem otomatis tidak stabil. Lalu apabila Td dinaikkan, maka stabilitas dari sistem akan didapatkan dan otomatis akan mengurangi overshoot.
Tujuan utama dalam merancang kontrol PID adalah untuk merespon error sistem dengan proses penalaan agar final control element bekerja dengan baik.
Penyetingan kontrol P pada Kc sifatnya akan selalu offset. Namun apabila Kc bernilai tinggi maka akan lebih rentan sistem tidak stabil dan Kc bernilai kecil akan menyebabkan penyimpangan variabel. Karena posisi Kc yang serba salah maka ditambahkan Integral Ti. Untuk simulasi lihatlah gambar berikut
(a) Sebelum Dilakukan Tunning PID
(b) Sesudah Dilakukan Tunning PID Gambar 6. Grafik Model PID
Ket gambar :
: Proses Variabel : Bukaan Valve : Setpoint
Pada gambar 6 (b) nilai Ti yang terlihat adalah 1. Tidak berbeda dengan Kc, Ti yang tinggi juga dapat mempengaruhi ketidakstabilan sistem dan apabila Ti bernilai kecil maka akan terjadi overshoot. Pada eksperimen sesudah mendapatkan tunning antara Kc dan Ti waktu yang dihasilkan adalah 1 menit, artinya waktu yang didapatkan sudah sesuai dengan yang diinginkan dan tidak lai ditambahkan Td karena bisa berpotensi tidak stabilnya sistem. Pada gambar 6 (a) terdapat bahwa sebelum dilakukannya tunning PID waktu yang dibutuhkan Proccess Variabel untuk mencapai setpoint membutuhkan waktu yang sangat lama. Proses pada gambar 6 (b) ada nya hubungan Setpoint (SP), Proccess Variabel (PV) dan bukaan Valve (OP). PV menandakan besaran yang menyatakan keadaan pada proses, OP adalah Controller Output yang sebelumnya diubah oleh transducer menjadi sebuah sinyal untuk mengatur katup atau valve agar mendapatkan tempratur air yang diinginkan. Terlihat pada grafik PV yang cenderung naik turun untuk menyamai keadaan setpoint dan berpengaruh pada OP, waktu yang optimal akan memperkecil kemungkinan kualitas produk yang buruk, memperkecil kecelakaan kerja dan lain sebagainya.
BAB III PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Dari beberapa pemaparan diatas ada beberapa poin utama yang menjadi acuan dalam memahaminya yaitu
1. Keseuaian konstanta Kc, Ti dan Td berpengaruh sangat signifikan pada kontroler untuk merespon gangguan.
2. Waktu tercepat dalam merespon gangguan oleh kontroller bisa membuat variasi pada setpoint (tempratur).
3.2 Saran
Sistem kontrol sangat berpengaruh pada industri, jika sistem kontrol tidak ada di sebuah lingkungan industri maka akan berdampak pada keuntungan industri tersebut. Apabila sebuah sistem pada industri lama dalam merespon gangguan maka sangat banyak energi yang akan dikuras dan begitupun dengan biaya yang dikeluarkan.
DAFTAR PUSTAKA
Indah Diah Pratiwi, Dkk. “Simulasi Kontrol PID pada Boiler Sistem Tenaga Uap”
Jurnal Teknologi Kimia Unimal. 7 : 1 (2018) 40-51.
