Desain dan Realisasi Virtual Plant Heat Recovery Steam Generator untuk Simulator Kontrol Proses dengan DCS CENTUM CS 3000

Transkripsi

1 Desain dan Realisasi Virtual Plant Heat Recovery Steam Generator untuk Simulator Kontrol Proses dengan DCS CENTUM CS 3000 Agus Supriyanto Jurusan Teknik Elektro FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Surabaya Abstract Pada industri proses, tuntutan untuk senantiasa mencapai produksi tinggi dengan efisien ternyata memiliki banyak permasalahan pada sulit dan rumitnya pengontrolan. Hal ini dikarenakan begitu beragamnya besaran fisis dengan karakteristik yang berbeda-beda dalam proses industri. Untuk itu perlu dibuat pemodelan proses yang dapat merepresentasikan proses yang sebenarnya sehingga dapat ditemukan strategi pengontrolan yang tepat. Untuk membuat real simulator yang dapat memodelkan proses yang sebenarnya dibutuhkan biaya yang cukup besar. Oleh karena itu, dibutuhkan simulator yang dapat dibuat dengan harga relatif murah, efisien,dan tidak memerlukan banyak tempat. Pada Tugas Akhir ini akan dirancang sebuah virtual plant Heat Recovery Steam Generator (HRSG). Virtual plant Heat Recovery Steam Generator (HRSG) tersebut juga akan dihubungkan oleh Distributed Control System (DCS). Metode yang digunakan untuk mengintegrasi beberapa perangkat lunak dalam simulator ini menggunakan OLE for Process Control (OPC). Dari hasil pengujian dan analisa dapat disimpulkan bahwa DCS dapat mengontrol virtual plant dengan baik, tetapi masih terdapat delay pada plant akibat respon DCS yang agak lama. Kata Kunci: Simulator Kontrol Proses, Distributed Control System (DCS),OLE for Process Control (OPC), Heat Recovery Steam Generator (HRSG) 1. PENDAHULUAN Perkembangan zaman dan teknologi yang begitu pesat diikuti oleh berkembangnya teknologi dibidang industri terutama industri proses. Semakin besar suatu industri proses melakukan produksi, maka akan semakin beragam masalah yang ditimbulkan. Masalah tersebut diantaranya adalah sulit dan rumitnya pengontrolan yang dilakukan oleh operator karena begitu beragamnya besaran fisis dengan karakteristik yang berbeda-beda di dalam industri proses tersebut. Oleh karena itu, operator perlu memiliki kemampuan khusus dalam hal pengontrolan dan mengenal karakteristik instrument industri sebelum benar-benar terjun ke dunia instrument industri yang sebenarnya. Selain itu, juga berkembang sebuah alat pengontrol yang dapat dapat bekerja dengan beberapa kontroler sekaligus dan dapat mengkoordinasinya. Alat pengontrol tersebut adalah Distributed Control System (DCS). Karena penggunaaanya yang efisien dan praktis, maka banyak industri proses yang memanfaatkan alat pengontrol tersebut. Untuk proses yang relatif kompleks, DCS pada umumnya digunakan untuk pengendalian dan pemantauan operasi dalam industri. Dalam kesempatan yang sama, muncul sebuah teknologi OLE for Proses Control (OPC) yang dapat menjembatani berbagai aplikasi berbasis Windows dengan hardware maupun software tanpa harus menggunakan driver yang spesifik untuk dapat berkomunikasi. Untuk itu dalam Tugas Akhir ini akan dibuat sebuah virtual plant Heat Recovery Steam Generator (HRSG) yang dapat merepresentasikan plant Heat Recovery Steam Generator (HRSG) yang sebenarnya, kemudian virtual plant Heat Recovery Steam Generator (HRSG) tersebut akan dikendalikan oleh Distributed Control System (DCS) melalui modul masukan/keluaran. Metode yang digunakan untuk mengintegrasi beberapa perangkat lunak dalam simulator ini adalah dengan menggunakan OLE for Process Control (OPC). 2. SISTEM KONTROL PROSES, DCS, DAN OPC Berikut ini merupakan komponen-komponen pendukung simulator kontrol proses Sistem Kontrol Proses Sistem kontrol proses adalah gabungan kerja dari alatalat kontrol otomatis. Semua peralatan yang membentuk sistem kontrol disebut instrumentasi kontrol proses. Contoh sederhana istrumentasi kontrol proses adalah saklar temperatur yang bekerja secara otomatis mengendalikan suhu setrika. Instrumentasi kontrolnya disebut temperature switch, saklar akan memutuskan arus listrik ke elemen pemanas apabila suhu setrika ada di atas titik yang dikehendaki. Tujuan utama dari suatu sistem kontrol adalah untuk mendapatkan unjuk kerja yang optimal pada suatu sistem yang dirancang. Untuk mengukur performansi dalam pengaturan, biasanya diekspresikan dengan ukuran-ukuran seperti waktu naik(tr), waktu puncak (tp), waktu tunak (ts),overshoot maksimum (Mp), waktu tunda (td), dan nilai error.[1]

2 Semua analisa sistem kontrol selalu dimulai dengan menampilkan diagram blok sistem. Di dalam diagram kotak sistem kontrol proses akan selalu ada komponen-komponen pokok seperti elemen proses, elemen pengukuran (sensing element dan transmitter), elemen kontroler (control unit), dan final control element (control valve) yang ditunjukkan oleh Gambar 2.1. Gambar 2.1 Diagram Kontrol Proses Istilah-istilah yang perlu diketahui dalam rangka mempelajari sistem kontrol proses adalah sebagai berikut :[2] 1. Proses (Process) adalah tatanan peralatan suatu fungsi tertentu contohnya heat exchanger. Masukan proses dapat bermacammacam, yang pasti ia merupakan besaran yang dimanipulasi oleh final control element agar measurement variabel sama dengan setpoint. Masukan proses ini juga disebut manipulated variabel. 2. Controller adalah perangkat yang digunakan untuk melakukan perhitungan-perhitungan pengontrol dengan membandingkan antara sinyal referensi (setpoint) dengan sinyal umpan balik (process variabel) 3. Disturbance adalah besaran lain, selain manipulated variabel yang dapat menyebabkan berubahnya control variabel. Besaran ini juga lazim disebut load. 4. Measurement adalah sinyal yang keluar dari transmitter. Besaran ini merupakan cerminan besarnya sinyal sistem pengukuran. 5. Actuator adalah perangkat yang digunakan untuk melakukan aksi pengontol berdasarkan sinyal kontrol Disributed Control System (DCS) DCS merupakan suatu sistem kontrol yang tersusun dari modul-modul yang dapat bekerja sendiri-sendiri (independen), terdistribusi secara hardware dan fungsi serta dapat terintegrasi dalam sebuah jaringan. Terdistribusi secara hardware artinya hardware yang ditempatkan di lapangan (dekat dengan yang dikontrol dan dekat dengan proses yang dikendalikan) dihubungkan ke suatu local area network yang dipantau dari satu control room. Terdistribusi secara fungsi artinya fungsi-fungsi yang ada, yang dahulu hanya diolah oleh satu perangkat tertentu (1 perangkat mengemban lebih dari satu fungsi), sekarang didistribusikan ke masing-masing perangkat (1 perangkat / modul mengemban 1 fungsi) sehingga dengan demikian kalau ada kerusakan pada 1 perangkat tidak akan mempengaruhi perangkat yang lain. Sebelumnya kontrol proses otomatik secara terpadu dikenal dengan nama Direct Supervisory Control (DSC). Pada sistem ini pengontrolan tetap dilakukan oleh kontroler biasa, namun pengawasannya dilakukan oleh komputer. Komputer pada DSC berfungsi untuk menampilkan sinyal masukan dan keluaran kontroler. Kelemahan yang sangat mendasar dari sistem ini adalah komputer tidak bisa melakukan pengontrolan sehingga proses otomasi tetap dilakukan oleh kontroler biasa. Secara bertahap berkembang lebih lanjut hingga muncul Direct Digital Control (DDC). Disini komputer berperan sebagai pengawas dan sekaligus pengontrol. Jadi, proses otomasi dilakukan oleh komputer, dengan pemberian set point awal yang dilakukan oleh operator. Sistem ini juga memiliki kelemahan, yaitu apabila terjadi masalah dalam sistem komputernya, maka sistem pengendalian secara menyeluruh akan terganggu. Hal ini disebabkan karena pengontrolan sepenuhnya terpusat pada komputer pusat.[3][4] Pada perkembangan selanjutnya muncul Distributed Control System (DCS). Konsep pengendalian sistem ini menggabungkan konsep Digital Supervisory Control (DSC) dan Direct Digital Control (DDC). Dengan sistem ini diharapkan bahwa pengendalian dapat dilakukan pada satu tempat, yaitu pada unit supervisorinya. Kegagalan pada satu DDC tidak akan berpengaruh pada DDC yang lain karena pada setiap DDC sudah terdapat prosesor tersendiri. Sebutan yang umum pada DCS untuk DDC adalah Field Control Unit (FCU), Local Control Unit (LCU), dan lain-lain tergantung dari produsen DCS. Demikian halnya dengan supervisory yang pada umunya disebut Operator Station. Arsitektur DCS secara umum ditunjukkan oleh Gambar 2.2 Gambar 2.2. Arsitektur DCS secara umum [5] 2.3. OLE for Process Control (OPC) Perkembangan teknologi konektivitas OPC untuk tukar menukar informasi antara hardware di plant dengan software untuk monitoring point diawali oleh perkembangan standar komunikasi yang bernama OLE. OLE (Object Linking and Embedding)

3 merupakan suatu teknologi yang dikembangkan oleh Microsoft untuk menghubungkan suatu objek atau dokumen dengan objek yang lainnya. Dengan adanya OLE seorang editor dapat mengambil sebagian informasi dari suatu dokumen dan mengimpor informasi tersebut ke aplikasi editor yang lain. Sebagai contoh, seorang editor dapat melakukan pertukaran data antar aplikasi yang berbeda menggunakan operasi drag and drop atau dengan operasi clipboard.[6] Sedangkan OPC (OLE for Process Control) adalah OLE yang didesain untuk menjembatani berbagai aplikasi berbasis Windows dengan hardware maupun software untuk kontrol proses. OPC dikembangkan oleh industri otomasi sebagai suatu standar terbuka yang menjelaskan tentang komunikasi data real-time dari plant antar perangkat kontrol yang diproduksi oleh manufaktur yang berbeda. Gambar 2.3. Komunikasi dengan driver spesifik [6] Sebelum OPC ditemukan, setiap perangkat kontrol memerlukan driver yang spesifik agar dapat berkomunikasi dengan aplikasi client yang membutuhkan data dari hardware kontrol tersebut. Hal ini akan menjadi tidak efisien ketika perangkat yang digunakan di plant sangat banyak dan berasal dari manufaktur yang berbeda merek. Karena biasanya suatu alat dari manufaktur tertentu memiliki cara komunikasi yang berbeda dengan alat yang diproduksi oleh manufaktur yang lain walaupun memiliki fungsi yang sama. Komunikasi dengan driver spesifik ditunjukkan pada Gambar 2.3 OPC memberikan satu standardisasi komunikasi yang berlangsung antara perangkat dengan aplikasi sehingga client tidak perlu lagi mendefinisikan format komunikasinya sendiri-sendiri untuk masing-masing perangkat yang berbeda vendor. Standardisasi yang dilakukan OPC adalah pada teknologinya, bukan pada alatnya sehingga tidak perlu dilakukan perubahan fisik pada hardware. Dengan adanya satu standar yang ditawarkan oleh OPC, visualisasi, analisis, dan reporting data dapat dilakukan dengan lebih efisien seperti terlihat pada Gambar 2.4. Gambar 2.4. Komunikasi dengan OPC Interface [6] 3. PERANCANGAN SISTEM Secara umum simulator kontrol proses yang dibangun terdiri dari tiga buah PC (Personal Computer) dan satu buah FCS (Field Control System). Ketiga PC tersebut mempunyi fungsi yang berbeda-beda,yaitu: HIS (Human Interface Station) Komputer yang berisikan perangkat lunak CENTUM CS 3000 sebagai driver kontroler dan merupakan komputer dari operator. Dari komputer HIS ini operator dapat mengubahubah masukan dan men-tuning kontroler sesuai kebutuhan. Pemodelan Proses Komputer ini berisikan pemodelan dari proses yang dibangun menggunakan perangkat lunak Labview 7.1. Pemodelan proses yang dibangun dalam komputer ini diharapkan dapat merepresentasikan dari plant yang sebenarnya. Plant yang dimodelkan prosesnya adalah Heat Recovery Steam Generator (HRSG). HMI (Human Machine Interface) Komputer ini berisikan visualisasi dari plant Heat Recovery Steam Generator yang dibangun menggunakan perangkat lunak Wonderware Intouch. Di komputer ini semua dinamika dari plant Heat Recovery Steam Generator akan tampak. Secara umum konfigurasi simulator kontrol proses yang dibangun ditunjukkan pada Gambar 3.1 Gambar 3.1. Konfigurasi simulator kontrol proses Sedangkan FCS berfungsi untuk mengambil input yang masuk dari transmitter dan perintah operator, perhitungan sinyal kontrol, dan mengirimkan sinyal kontrol ke aktuator. Konsep virual plant yang dibangun ditunjukkan pada Gambar 3.2

4 Gambar 3.2. Konsep virtual plant Pemodelan proses yang dibangun merupakan proses dari Heat Recovery Steam Generator (HRSG). Prinsip kerja HRSG hampir sama dengan ketel uap pada umumnya, hanya saja media untuk memenaskan air hingga berubah fase uap panas lanjut digunakan gas panas buangan dari turbin gas (Brayton cycle) yang masih memmiliki temperature sangat tinggi. Gas buangan yang keluar dari turbin gas antara C. Oleh karena itu masih dimanfaatkan sebagai fluida pemanas ketel uap, disamping itu gas buang sistem turbin gas masih mengandung banyak oksigen karena sistem ini menggunakan campuran bahan bakar udara yang miskin. Karena itu gas buang dapat digunakan untuk membakar bahan bakar didalam ruang bakar HRSG. Dengan sistem gabungan tersebut diharapkan dapat diperoleh efisiensi thermal yang lebih tinggi. P&ID dari HRSG ditunjukkan pada Tabel 1. berfungsi untuk mengubah air menjadi uap jenuh, pipa-pipa evaporator pada ketel uap biasanya terletak pada lantai(water floor) dan juga pada dinding (water wall). Pada pipa ini uap jenuh biasanya pada kualitas 0,8-0,98 sehingga sebagian masih berbentuk fase cair. Evaporator akan memanaskan uap air yang turun dari drum uap panas lanjut yang masih dalam fase cair agar berbentuk uap sehingga bisa diteruskan menuju superheater. Economizer Economizer adalah elemen HRSG yang berfungsi untuk memanaskan air pengisi sebelum memasuki steam drum dan evaporator sehingga proses penguapan lebih ringan dengan memanfaatkan gas buang dari HRSG yang masih tinggi sehingga memperbesar efisiensi HRSG karena dapat mempekecil kerugian panas yang diderita HRSG. Air yang masuk pada evaporator sudah pada temperatur tinggi sehingga pipapipa evaporator tidak mudah rusak karena perbedaan temperatur tidak terlalu tinggi. P&ID dari HRSG ditunjukkan pada Gambar 3.3 Tabel 1. Pemodelan dari HRSG [7] Gambar 3.3. P&ID dari HRSG Bagian-bagian utama dari HRSG adalah sebagai berikut :[7] Superheater Pemanas lanjut uap atau superheater ialah alat untuk memanaskan uap jenuh menjadi uap lanjut (superheat vapor). Uap panas lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan ekspansi di dalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik atau back stroke yang diakibatkan mengembunya uap belum pada waktunya sehingga menimbulkan vakum di tempat yang tidak semestinya di daerah ekspansi. Evaporator Evaporator merupakan elemen HRSG yang Pembuatan simulator kontrol proses ini melibatkan beberapa perangkat lunak dengan vendor yang berbeda didalamnya, sehingga memerlukan komunikasi via OPC. Untuk menghubungkan perangkat lunak tersebut, maka konfigurasi yang digunakan adalah menggunakan dua buah OPC Datahub. Pada komputer pertama yaitu komputer Labview, OPC Datahub berfungsi sebagai Master dan OPC Datahub juga terintegrasi dengan OPC Server. Sedangkan pada komputer dua yaitu komputer Intouch, OPC Datahub berfungsi sebagai Slave dan berkomunikasi dengan Intouch melalui prosedur DDE (Dynamic Data Exchange). Adapun langkah langkah untuk mengoneksikannya terbagi menjadi tiga yaitu setting pada Wonderware Intouch, setting pada OPC Datahub, dan setting pada Labview.

5 1. Setting pada Wonderware Intouch Agar Wonderware Intouch dapat berkomunikasi, maka perlu disetting pada. Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam pembuatan Access Names, yaitu : Access : dapat diisi terserah dan merupakan inisial dari DDE yang kita lakukan Node Name : dikosongkan ketika OPC yang dituju berada dalam satu komputer Application Name : nama ketika program OPC running Topic name : tempat aplikasi dibuat 2 Setting pada OPC DataHub Untuk itu setting pada OPC DataHub terbagi menjadi dua yaitu OPC DataHub sebagai Master dan OPC DataHub sebagai Slave. 2.1OPC Datahub sebagai Master Aktifkan OPC Server yang ada pada komputer 1 yang akan digunakan untuk pertukaran data. Pada Tunnel/Mirror Master setting jenis data yang akan di transfer. Dalam hal ini ada beberapa jenis data yang dapat digunakan 2.2 OPC Datahub sebagai Slave Definisikan komunikasi DDE yang dilakukan yang ditunjukkan Setting alamat IP Master pada Tunnel/mirror Slave Menghubungkan Master dengan Slave menggunakan Bridging. Bridging merupakan fasilitas dalam OPC DataHub yang berfungsi untuk menghubungkan dua OPC 3 Setting pada Labview Pada object yang akan dilakukan komunikasi, klik kanan kemudian pilih data operation lalu datasocket connection Kemudian browse pada OPC yangditentukan. Hasil perancangan simulator kontrol proses ini dtunjukkan olah Gambar IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN Pengujian simulator virtual plant HRSG bertujuan untuk mengetahui tingkat kemampuan simulator serta untuk mengetahui karakteristik dan spesifikasi dari virtual plant yang telah dibangun. Tingkat kemampuan dalam simulator ini meliputi kemampuan DCS dalam mengontrol plant dan kemampuan fungsional dalam simulator. Tingkat kemampuan dalam mengontrol plant dapat dilihat pada kemampuan DCS untuk mengontrol proses pada simulator. Sedangkan Tingkat kemampuan fungsional ditekankan kepada kemampuan fungsi tiap-tiap komponen yang disediakan untuk operator dalam menampilkan variabel-variabel proses secara waktu nyata. Hasil implementasi dan pengujian dengan kontroler didapatkan : Gambar 4.1. Respon Hasil Implementasi dengan Kontroler PID pada Economizer Aliran air Suhu air Gambar 4.2. Respon Hasil Implementasi dengan Kontroler PID pada Evaporator Aliran air panas Suhu uap jenuh Gambar 4.3. Respon Suhu uap lanjut Hasil Implementasi dengan Kontroler PID pada Superheater Gambar 3.4. Tampilan simulator kontrol proses Berdasarkan pada grafik yang ditunjukkan pada Gambar 4.1 untuk implementasi pada Economizer didapatkan waktu tunak (5%) untuk variabel aliran air dan suhu air sebesar 27 detik dan 36 detik. Untuk

6 implementasi pada Evaporator ditunjukkan pada Gambar 4.2, didapatkan waktu tunak (5%) untuk variabel aliran air panas dan suhu uap jenuh sebesar 69 detik dan 81 detik, sedangkan untuk implementasi pada Superheater ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan didapatkan waktu tunak untuk variabel suhu uap jenuh sebesar 39 detik. Untuk melakukan pengujian dengan kontroler diberikan masukan berupa persen (%) sebesar 40 % pada komputer HIS. Dalam beberapa saat, kontroler pada DCS akan memberikan aksi kontrol sehingga membuat respon keluaran pada virtual plant menuju nilai yang diinginkan. Akan tetapi, apabila kontroler tidak membuat respon keluaran sesuai dengan yang diinginkan maka dapat dilakukan tuning PID. Ketika bacaan dari sensor sama dengan nilai dari masukan maka nilai keluaran kontroler pada DCS akan mempertahankan nilai terakhir. Akan tetapi, bila bacaan pada sensor tidak sama dengan nilai masukan maka nilai dari keluaran kontroler tersebut akan bergerak naik turun agar nilai pada bacaan sensor sama dengan nilai masukan. Respon keluaran pada virtual plant juga memperlihatkan adanya delay, hal tersebut terjadi diakibatkan respon DCS yang agak lama ketika masuk pada virtual plant. Gambar 4.6. Respon Suhu uap lanjut Hasil Implementasi dengan pemberian Noise berupa sinyal acak pada Superheater Pada saat pemberian noise, kontroler pada DCS masih berusaha untuk memperbaiki dari respon keluaran agar sesuai dengan nilai masukan, sehingga menyebabkan sinyal keluaran dari kontroler ikut berosilasi karena selalu berusaha untuk melakukan perbaikan pada respon. Akan tetapi, ketika noise dihilangkan maka kontroler pada DCS akan langsung mengeluaran sinyal untuk membuat nilai keluaran kembali pada nilai masukan. Noise yang diberikan berupa sinyal acak dalam tenggang waktu 1 menit. 5. KESIMPULAN Simulator kontrol proses yang dibangun cukup dapat merepresentasikan pada plant yang sebenarnya. DCS dapat mengontrol virtual plant HRSG dengan baik. Adanya delay pada virtual plant akibat dari respon DCS yang sedikit agak lama. OPC sebagai media untuk mengintegrasi beberapa perangkat lunak dalam simulator ini dapat berfungsi dengan baik. DAFTAR PUSTAKA Gambar 4.4 Respon Hasil Implementasi dengan pemberian Noise berupa sinyal acak pada Economizer Aliran air Suhu air Gambar 4.5 Respon Hasil Implementasi dengan pemberian Noise berupa sinyal acak pada Evaporator Aliran air panas Suhu uap jenuh Pada Gambar 4.4 dan 4.5 merupakan hasil pengujian dengan memberikan gangguan berupa sinyal acak pada Economizer dan Evaporator yang masing masing-masing mengatur variabel aliran dan suhu, sedangkan pada Gambar 4.6 merupakan hasil pengujian dengan memberikan gangguan pada Superheater yang mengatur variabel suhu. [1] Katsuhiko Ogata, Modern Control Engineering Prentice-Hall, Inc,1970 [2] Curtis D. Johnson, Process Control Instrumentation Technology Prentice-Hall, Inc, [3] Triyana, Ika, Desain dan Realisasi Simulator pada Komputer Operator, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2009 [4] Hiroshi, Wakasuku, Hiroshi, Kumagai, Centum CS 3000 Operator Training System. [5] Manual book Centum CS [6] Khalid Mohammed Eltayeb, Mazin Implementation of a Virtual Plant Using SCADA/HMI Technologies, Thesis, Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Khartoum, 2009 [7] Mohamad Idris, Faridah, Modeling of a Combined Cycle Power Plant, Thesis, Faculty of Electrical Engineering, University Teknologi Malaysia, 2001