Aplikasi Perbandingan Pengendali P, PI, Dan PID Pada Proses Pengendalian Suhu Dalam Sistem Mini Boiler

Transkripsi

1 Jurnal Amplifier ol. No. 2, November 20 Aplikai Perbandingan Pengendali P, PI, Dan PID Pada Proe Pengendalian Suhu Dalam Sitem Mini Boiler Bhakti Yudho S *, Hera Hikmarika, Suci Dwiayanti, Purwanto Juruan eknik Elektro Univerita Sriwiaya, *bhakti_yudho@yahoo.com ABSRAC Nowaday, Indutry ue boiler in proce of team utilization. o obtain the optimum team, controlling the combution temperature i required. In thi reearch, mini boiler i deigned, it look like a tube with a length of 80 cm and diameter of 0 cm. he combution proce ue gae a fuel. Sytem modeling of a mini boiler will be ued to get the block diagram of the ytem baed on the function. hen, baed on the block diagram, PID controller i deigned to control the temperature of the mini boiler combution air. Input variable conit of temperature and error of the thermocouple reading. While, the output variable i the opening of the control valve. MALAB oftware i ued to tet and imulate the proce by deigning the ytem with and without diturbance in the interval of 20 econd. he reult of a meaurement and imulation with diturbance a follow:, PI controller generate the bet repone, with ettling time of 7.7 econd, rie time of 0-90 % i 8.56 econd, teady tate condition of 25 oc i 7.72 econd and no teady tate error. Meanwhile PID controller i better than PI controller if there i no diturbance in the ytem. Keyword: Mini Boiler, PID controller, ettling time, rie time, PI Controller. PENDAHULUAN eknologi yang baik diperlukan manuia agar dapat meningkatakan efiieni keranya erta menaga keelamatan umber daya manuianya itu endiri. Berbagai macam penemuan peralatan indutri yang hingga kini maih menadi kebutuhan pokok bagi dunia indutri eperti motor, generator, kompreor, heater, dan boiler teru dikembangkan dengan optimal agar dapat lebih mempermudah tuga manuia di bidang indutri. Penggunaan boiler dalam dunia indutri diperlukan untuk proe-proe yang memerlukan uap dari boiler mialkan untuk pemanaan, proe memaak maupun untuk pembangkit tenaga uap. Boiler mengubah air ebagai maukan untuk diubah menadi uap melalui proe pemanaan di dalam team. Untuk mendapatkan uap yang optimal diperlukan item kendali boiler yang mengatur bearnya uhu dan tekanan yang dihailkan di dalam team terebut. Salah atu pengendali yang dapat digunakan pada boiler adalah pengendali Proporional-Integral-Diferenial (PID). Penelitian tentang boiler banyak ekali telah dilakukan namun hampir emuanya dilakukan untuk boiler dalam kala bear dan untuk pembangkit tenaga litrik, diantaranya oleh Hoein Reza Karampoorian dan Reza Moheni (20) yang membaha tentang item multivariabel boiler dan turbin untuk pembangkit litrik []. Penelitian lainnya dilakukan oleh F. P. de Mello dan Fellow (99) yang meneliti tentang pemodelan boiler untuk item yang memiliki unuk kera dinami eperti yang ada pada pembangkit litrik[2]. Pada penelitian ini dirancang mini boiler yang dipergunakan pada indutri kecil dengan team yang uhunya tidak terlalu tinggi namun membutuhkan pengendalian temperatur agar team yang dialirkan memiliki temperatur yang tabil karena permaalahan utama dari mini boiler ini yaitu ketabilan temperatur dan tekanan. Dengan demikian penggunaan pengendali yang baik dan handal diharapkan dapat mengatai permaalahan terebut ehingga pemanfaatan team terebut untuk proe lebih lanut uga lebih baik lagi. 2. KERANGKA EORIIS A. Boiler[],[5] Boiler adalah uatu peralatan yang dioperaikan agar memproduki uap air ehingga dapat digunakan ebagai umber tenaga penggerak, alat pemana, pemberih, penguap cairan dan kegunaan lainnya. Sitem boiler terdiri dari item air umpan, item team dan item bahan bakar. Sitem air umpan menyediakan air untuk boiler ecara otomati euai dengan kebutuhan team. Berbagai kran diediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sitem team mengumpulkan dan mengontrol produki team dalam boiler. Pada keeluruhan item, tekanan team diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sitem bahan bakar adalah emua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghailkan pana yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada item bahan bakar tergantung pada eni bahan bakar yang digunakan pada item. Air yang diuplai ke boiler untuk diubah menadi team diebut air umpan. Dua umber air umpan adalah 2

2 ISSN: Kondenat yang merupakan hail dari pengembunan team dari proe ampingan dan Air makeup (air baku yang udah diolah) yang haru diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proe. Agar mendapatkan efiieni boiler yang lebih tinggi, economizer digunakan untuk memanakan awal air umpan terebut. B. Jeni-Jeni Boiler a. Fire ube Boiler Pada fire tube boiler, ga pana melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam hell untuk dirubah menadi team. Fire tube boiler biaanya digunakan untuk kapaita team yang relative kecil dengan tekanan team rendah ampai edang. Sebagai pedoman, fire tube boiler kompetitif untuk kecepatan team ampai kg/am dengan tekanan ampai 8 kg/cm2. Fire tube boiler dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, ga atau bahan bakar padat dalam operainya. Untuk alaan ekonomi, ebagian bear fire tube boiler dikontruki ebagai paket (diproduki oleh pabrik) boiler untuk emua bahan bakar. Gambar. Fire ube Boiler[] b. Water ube Boiler Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa mauk kedalam drum. Air yang terirkulai dipanakan oleh ga pembakar membentuk team pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih ika kebutuhan team dan tekanan team angat tinggi eperti pada kau boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang angat modern dirancang dengan kapaita team antara kg/am, dengan tekanan angat tinggi. Banyak water tube boiler yang dikontruki ecara paket ika digunakan bahan bakar minyak bakar dan ga. Untuk water tube boiler yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang ecara paket. Karakteritik water tube boiler ebagai berikut: Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efiieni pembakaran Kurang toleran terhadap kualita air yang dihailkani plant pengolahan air. Memungkinkan untuk tingkat efiieni pana yang lebih tinggi. Gambar 2. Water ube Boiler[] C. Keetimbangan Energi dan Maa Untuk menetapkan karakteritik dan kelakuan item proe, diperlukan:. Himpunan fundamental dependent quality, yang nilainya akan menelakan keadaan item : maa dan energi 2. Himpunan peramaan dari fundamental variable pada () yang akan menelakan bagaimana keadaan item berubah terhadap waktu. Fundamental dependent variable ering kali tidak daat diukur ecara langung. Sehingga perlu dipilih variabel variabel lain yang dapat diukur dengan baik, yang ika digabungkan dapat menghailkan nilai fundamental variable yang dibutuhkan. Fundamental variable maa, energi, dan momentum dapat ditetapkan dari denita ( ), kenentrai (C), tempperatur (), tekanan (P), dan lau alir (F). ariabel variabel yang memberikan karakteritik uatu proe diebut ebagai tate variable, dan nilainya mendefiniikan keadaan dari item proe. Peramaan peramaan yang menhubungkan tate variable dengan berbagai independent variable diebut peramaan keadaan, yang dapat diturunkan menggunakan prinip kekekalan (conervation principle) terhadap fundamental quantitie.[] akumulais aliran S aliran S dalam item mauk ke item keluar item rentang waktu rentang waktu rentang waktu umlah S digeneraikan umlah S dikonumi dalam item dalam item rentang waktu rentang waktu Dengan: S Maa otal atau Maa Komponen atau Energi otal Berdaarkan prinip kekekalan, dapat diuun peramaan peramaan keadaan ebagai berikut :[] Neraca Maa otal : d i Fi F (2) i _ inlet _ outlet ()

3 Jurnal Amplifier ol. No. 2, Nopember 20 Dimana : menyatakan volume (m ) F menyatakan lau aliran (kg/) menyatakan denita atau maa eni (kg/m ) Peramaan diata menelakan bahwa perubahan maa dalam uatu item tiap atuan waktu merupakan eliih dari umlah perubahan aliran fluida yang mauk ke dalam item terebut peratuan waktu dikurang umlah perubahan aliran fluida yang keluar item terebut peratuan waktu. Neraca Energi otal :[] de ifi hi Fh Q W () S i _ inlet _ outlet Dimana : menyatakan volume (m ) F menyatakan lau aliran (kg/) menyatakan denita atau maa eni (kg/m ) Q menyatakan perubahan pana dalam item (J/) W menyatakan kera yang dilakukan item (J/) h menyatakan enthalpi (J/kg) Peramaan diata menelakan bahwa perubahan energi dalam uatu item tiap atuan waktu merupakan umlah energi yang mauk ke dalam item tiap atuan waktu dikurangi dengan umlah energi yang keluar item tiap atuan waktu dan ditambahkan dengan perubahan pana dalam item terebut erta ditambahkan kera yang dilakukan oleh item terebut. D. Contol alve alve ecara definii bahaa Indoneia yaitu katup, kran, atau klep, yang mempunyai fungi ebagai pengatur lau aliran fluida yang melewatinya. Jika katup terebut diinginkan dapat digerakkan ecara otomati euai dengan keinginan maka dibutuhkan katup yang dapat dikendalikan biaa diebut control valve. Umumnya pemodelan control valve ebagai berikut :[8] F. Pengendali [6] Pengendali PID adalah pengendali yang paling banyak digunakan didalam indutri. Pengendali PID telah bertahan eak lama, dari era item analog hingga era item digital komputer. Pada kenyataannya, perkembangan teknologi digital dan oftware telah membuat perkembangan yang ignifikan terhadap penelitian PID. Pengendali Proportional ( P ) Aki pengendali proporional memiliki repon keluaran yang ebanding dengan inyal kealahan (error) yang dihailkan, hal ini euai dengan perumuan dibawah ini : CO( K e( (6) p Dimana, proporional repon dapat dieuaikan dengan mengalikan inyal error terhadap K P, atau yang diebut dengan proporional gain. Berikut gambar yang memperlihatkan diagram blok proportional. Gambar. Diagram blok Pengendali Proportional Pengendali Integral ( I ) Pengendali intergal digunakan untuk menghilangkan offet pada keadaan tunak. Offet biaannya teradi pada plant yang tidak mempunyai faktor integrai (/). Berikut ini adalah perumuan pengendali integral : CO( Ki e( (7) Diamping menghilangkan inyal kealahan keadaan tunak ( offe, ada kemungkinan pengendali integral dapat menimbulkan repon yang beroilai dengan amplitudo yang mengecil ecara perlahan atau bahkan amplitudo yang membear. Berikut gambar diagram blok pengendali integral. () E. hermocouple hermocouple merupakan alah atu contoh enor temperatur yang ering digunakan. Secara umum, fungi alih thermocouple ebagai berikut[8] : (5) Gambar. Diagram blok Pengendali Integral Pengendali Derivative ( D ) Fungi pengendali derivative adalah untuk memprediki nilai yang akan datang dari kendali inyal kealahan (error). Berikut ini perumuan pengendali derivative : de( CO( K D (8)

4 ISSN: Perumuan terdapat pada pengendali derivative ini dihailkan dari diffrenial atau turunan proe inyal kealahan (error) yang diumlahkan dengan menentukan kemiringan inyal kealahan dari waktu ke waktu dan mengalikan lau perubahan dengan penguat (gain) derivative (K D ). Berikut gambar 5 diagram blok pengendali derivative. Gambar 5. Diagram blok Pengendali Derivative. MEODE RISE Mini boiler yang digunakan terdiri dari beberapa bagian, yaitu team drum, pipa ulir, dan pipa tegak. Steam drum dirancang menyerupai tabung dengan panang 80 cm dan diameter 0 cm berbahan daar tenli dengan ketebalan mm. Steam drum berfungi ebagai tempat penampungan uap yang dihailkan dari proe pemanaan air. Di bawah team drum terdapat pipa ulir dengan ketebalan mm dan diameter lubang 0,8 cm yang dibuat tiga tingkatan ebagai ebagai alur input aliran air yang akan dipanakan. Di bawah team drum uga terdapat pipa tegak yang dibuat mengelilingi pipa ulir dengan umlah enam tiang epanang 5 cm. Pipa tegak ini dihubungkan oleh pipa mendatar berbentuk peregi panang yang kemudian dihubungkan dengan team drum dan pipa ulir. Pipa tegak ini berfungi ebagai penyuplai uap ke dalam team drum dari proe pemanaan yang teradi pada pipa ulir dan uga ebagai tempat pemiah antara air yang beraal dari proe pengembunan uap pana yang mengendap lama dalam team drum yang elanutnyaa dipanakan kembali menadi uap. (team). Proe dimulai dari item pemanaan air aat air yang beraal dari feedwater dialirkan melalui pompa menuu pipa ulir yang kemudian dipanakan oleh api yang dihailkan dari ga elpii hingga menadi uap pana. Selanutnya proe kera berlanut pada item penyimpanan uap pana etelah air mencapai titik didih 00 o C. Uap pana ( team) yang beraal dari pipa ulir akan naik menuu team drum melalui pipa tegak yang menembu badan team drum. Kemudian uap pana ini akan dikumpulkan dalam tabung penampungan uap pana ( team drum) hingga menghailkan tekanan yang diinginkan yaitu ebear 2 bar. Sebagian uap pana yang telah lama mengendap dalam team drum berubah menadi air kembali (yang diebut blowdown water) akan dikeluarkan melalui pipa pada bagian bawah team drum. Semua item di ata elalu bekera aling berurutan dan kontinu, ehingga ika terdapat gangguan pada ebuah item, makaa item lainnya akan menadi terganggu pula. Gambar 7. Skema Sitem Mini Boiler Pemodelan item uatu plant dilakukan berdaarkan pada hukum keetimbangan maa ( ma balance) dan keetimbangan energi ( energi balance). Oleh karena itu, ecara ederhana dapat ditentukan variabel yang terdapat pada mini boiler, variabel variabel terebut digambarkan dalam diagram blok berikut : Gambar 6. Perancangan Mini Boiler Sitem pemanaan air pada mini boiler ini menggunakan tiga buah tungku api berbahan bakar ga. Sehingga ecara umum item kera mini boiler dikelompokkan menadi dua ubitem, yaitu item pemanaan air dan item penyimpanan uap pana Gambar 8. ariabel Pada Mini Boiler Dimana : w menyatakan lau aliran feedwater (kg/) w2 menyatakan lau aliran team menuu team drum (kg/) w menyatakan lau aliran team output (kg/) w menyatakan lau aliran blowdown water (kg/) menyatakan uhu feedwater (oc) 2 menyatakan uhu team yang menuu team drum (oc) menyatakan uhu team output (oc) 5

5 Jurnal Amplifier ol. No. 2, Nopember 20 menyatakan uhu blowdown water (oc) Berdaarkan model variabel di ata, maka dapat diperoleh peramaan keetimbangan maa dan energi item :[2] d w i w o (9) d w w w (0) d w w w () Dimana w i menyatakan lau aliran yang mauk ke item (kg/) w o menyatakan lau aliran yang keluar item (kg/) menyatakan volume team dalam mini boiler (m ) w menyatakan lau aliran (flow rate) feedwater (kg/) w menyatakan flow rate team out (kg/) w menyatakan flow rate blowdown water (kg/) menyatakan maa eni air (kg/m ) Berdaarkan prinip kekekalan energi (conervation principle) mengenai akumulai zat dalam item, keetimbangan energi total dalam item didefiniikan ebagai eliih antara energi yang mauk ke item dan keluar item, ditambah dengan umlah energi yang dihailkan item, erta energi yang dikonumi oleh item. Keetimbangan energi dapat digambarkan melalui peramaan berikut : d C w w C i C w C d C w C d d w Q w C w C Q Q w w C (2) () () Dimana i menyatakan uhu feed water ( o C) menyatakan uhu output ( o C) C menyatakan kalor eni air (J/kg. o C) w menyatakan lau aliran feedwater (kg/) w menyatakan lau aliran team out (kg/) w menyatakan lau aliran blowdown water (kg/) Q menyatakan perubahan energi pana yang teradi pada item (J/) menyatakan uhu feedwater ( o C) menyatakan uhu team out ( o C) menyatakan uhu blowdown water ( o C) Dengan menubtituikan peramaan () ke dalam peramaan (), maka diperoleh peramaan berikut : d w w Q w w C (5) Peramaan () dan ( 5) mewakili karakteritik item pada mini boiler berdaarkan keetimbangan maa dan energi. Dengan menggunakan ekpani deret taylor peramaan terebut dapat dilineariaikan menadi d ( w ( ) ( ) ( ) t w t w t (6) d ( w, w, ( w, w, t,,,, ( ) 2 2 (7),,,, w t w t ( ) ( ) w, w, Q ( ( (.. C Dalam penelitian ini pengendalian hanya difokukan pada pengendalian uhu dalam team drum aa, yaitu pada. Oleh karena itu, beberapa variabel dianggap kontan. Dalam pembataan maalah, maukan air dianggap kontan ( dan w kontan). Selain itu, untuk melakukan pengontrolan uhu dalam team drum, maka volume dalam team drum dianggap tetap, dan blowdown water ( dan w ) dianggap ebagai gangguan item. Sehingga peramaan (7) berubah menadi : d ( w, w, Q ( ( C,, w, w ( ( (8) Dengan menggunakan tranformai laplace, peramaan diata berubah menadi : Q C w, w, C, w,,, w w w,, w w, (9) 6

6 ISSN: Dalam penelitian ini, pengontrolan yang dilakukan melalui control valve digunakan untuk mengontrol perubahan perpindahan pana yang teradi pada item pemanaan air. Fungi alih control valve diata hanya membandingkan maukan bukaan valve dengan umlah aliran ga elpii yang digunakan ebagai bahan bakar. Oleh karena itu, diperlukan uatu blok yang digunakan untuk menghubungkan plant dengan control valve yaitu perbandingan umlah aliran ga yang terbakar dengan perubahan perpindahan pana yang teradi pada item pemanaan air dalam pipa ulir. Pemodelan termokopel yang diperoleh dari data penelitian, maka didapat fungi alih ebagai berikut : oy ox K (20) team yang bear. Steam drum berdimeni panang 80 cm dengan diameter 0 cm. erdapat erangkaian pipa ulir ebagai alur air input yang akan dipanakan. Pipa ulir bertuuan mempercepat proe pemanaan air, ehingga air lebih cepat mendidih dan menadi uap. Pipa yang digunakan berbahan tenli dengan ketebalan mm dan diameter lubang 0,8 cm. Selain itu, terdapat pula pipa tegak yang mengelilingi pipa ulir. Pipa tegak terebut berumlah 6 tiang dihubungkan oleh pipa mendatar berbentuk peregi panang yang uga terhubung dengan pipa ulir. Berdaarkan fungi alih item mini boiler, pemodelan control valve, dan pemodelan termokopel maka didapatkan diagram blok item kendali mini boiler ebagai berikut : ABEL KONSANA PENYUSUN SISEM MINI BOILER parameter nilai atuan 0,005 m w, 0, kg/ w, 0.08 kg/ C,8 kj/kg o C kg/m, 28 o C, 25 o C Gambar 0. Diagram blok mini boiler Berikut adalah hail perbandingan repon item mini boiler dengan pengendali P, PI, dan PID:. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdaarkan metode yang telah diebutkan pada bab terdahulu, maka berikut ini merupakan pembahaan dari hail penelitian dan penguian yang telah dilakukan. Pada gambar berikut ini ditampilkan hail rancangan mini boiler yang telah dirancang. Gambar. Perbandingan repon item Gambar 9. Hail perancangan Mini Boiler Mini boiler yang dibuat menggunakan ga elpii ebagai bahan bakar untuk umber pana dan fluida yang digunakan berupa air (H 2 O). angki penampungan pada mini boiler berbahan tenli dengan ketebalan mm, ketebalan tangki dimakudkan agar tangki ebagai tempat penampungan team mampu menahan tekanan Dari gambar terebut, repon item mini boiler dengan pengendali PID menghailkan ettling time, rie time, dan mencapai kondii teady tate lebih cepat daripada pengendali PI. Akan tetapi, pengendali PID memiliki error teady tate ebear ± 0.. Maka repon item mini boiler yang paling baik adalah dengan pengendali PI dengan ettling time 7.7 detik, dan rie time 0-90 % ebear 8.56 detik dengan kondii teady tate 25 o C pada aat 7.72 detik. Kemudian perlu didapatkan pula repon item dengan pengendali teebut terhadap gangguan. Pada gambar 2 berikut ini, pule generator yang digunakan ebagai maukan diturbance (gangguan item) memiliki nilai parameter amplitude ebear 25, pule wih(% of period) ebear 0.5, phae delay(ec) 7

7 Jurnal Amplifier ol. No. 2, Nopember 20 ebear, dan period(ec) ebear 20. Berikut adalah hail perbandingan repon pengendali P, PI, dan PID item mini boiler terhadap gangguan : time ebear 7.29 detik, rie time 0-90 % ebear 8.68 detik dan overhoot 7.5 o C etiap 20 detik yang kembali mencapai keadaan teady tate 25 o C etelah 7.2 detik etelah gangguan. 2. Repon tanpa gangguan PID lebih baik karena memiliki ettling time, rie time, dan mencapai kondii teady tate lebih cepat daripada pengendali PI.. Dari eluruh penguian repon, pengendali P tidak dapat mencapai et point yang diinginkan. Gambar 2. Perbadingan repon item terhadap gangguan Dari gambar terebut, repon item mini boiler dengan pengendali PID terhadap gangguan menghailkan ettling time, rie time, dan mencapai kondii teady tate etelah mengalami overhoot lebih cepat daripada pengendali PI. Akan tetapi, pengendali PID memiliki error teady tate ebear ± 0.. Maka repon item mini boiler yang paling baik adalah dengan pengendali PI dengan ettling time 7.29 detik, rie time 0-90 % ebear 8.68 detik dan overhoot 7.5 o C etiap 20 detik yang kembali mencapai keadaan teady tate 25 o C etelah 7.2 detik etelah gangguan terebut. 6. PENUUP. Repon item mini boiler dengan pengendali PI yang terbaik aat diberikan gangguan yaitu ettling 7. REFERENSI [] Hoein R. K., et al. 20. Generalized Model Predictive Control for a Multivariable Boiler- urbine Unit. th International Conference on Control, Automation and Sytem. Oct ,20 in KINEX, Gyeonggi-do, Korea. pp [2] F. P. de Mello. et al. 99. Boiler Model For Sytem Dynamic Performance Studie. IEEE ranactions on Power Sytem, o.6, No., February 99. pp []. hermal Energy Equipment: Boiler & hermic Fluid Heater. UNEP [] Stephanopoulo, G. 98. Chemical Proce Control An Introduction to heory and Practice. Department of Chemical Engineering Maachuett Initute of echnology. New Jerey [5] Gilman,G.F (Jerry) Boiler Control Sytem Engineering. riangle Park: ISA [6] Manurung, Robert.. K-52 Pengendalian Proe. Bandung: Penerbit IB [7] Yu, Cheng Ching Autotuning Of PID Controller. Springer erlag. London [8] Seeborg, D. E., Edgar,. F., & Mellichamp, D. A. (989). Proce Dynamic And Control. Canada: John Wiley & Son, Inc. 8