DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM CENTUM CS3000

Transkripsi

1 Seminar Tugas Akhir PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN LEVEL PADA GLYCOL CONTACTOR BERBASIS SOFTWARE DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM CENTUM CS3000 DENGAN SELF TUNING PID PADA DEHIDRATION UNIT DI KANGEAN ENERGY INDONESIA LTD Oleh : Sulhan Efendi Dosen Pembimbing : Hendra Cordova, ST. MT JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2010

2 Latar Belakang Gas H 2 O adalah suatu gas yang mudah membeku jika terkena temperatur yang rendah. Dalam Glycol Contactor sendiri, plant yang digunakan untuk mengabsorbsi kandungan H 2 O adalah Packing (tray). Diperlukan suatu teknologi yang tinggi untuk mengendalikan dan mengoptimalisasi otomatisasi pada suatu proses di industry. Diperlukan juga sistem pengendalian yang secara kontinue dan otomatis mengukur karakteristik statik dan dinamik plant, sehingga diperoleh optimal control dalam proses tersebut. Perumusan Masalah Bagaimana merancang sebuah simulasi dan pemodelan sistem pengendalian level pada Glycol Contactor dalam sistem kontrol terdistribusi dengan menggunakan software DCS CENTUM CS3000 Yokogawa dengan mode kontrol Self Tuning PID.

3 TUJUAN Untuk merancang dan mensimulasikan system pengendalian level pada plant Glycol Contactor dalam Distributed Control System (DCS) dengan menggunakan software DCS Centum CS3000 Yokogawa dengan mode kontrol Self Tuning PID. Batasan Masalah Adapun Pendekatan masalah yang digunakan pada penelitian ini adalah : Plant yang menjadi objek dalam Tugas Akhir ini yaitu Glycol Contactor pada Dehidration Unit di Kangean Energy Indonesia Ltd. Pengambilan data untuk simulasi dilakukan pada saat kondisi Glycol Contactor normal operation. Mode kontroller yang digunakan yaitu mode kontrol Self Tuning PID Variabel yang dikendalikan dalam proses absorbsi pada Glycol Contactor hanya level. Software yang digunakan yaitu software DCS Centum CS3000 Yokogawa dan Simulink Matlab.

4 Diagram Alir Penelitian

5

6 Glycol Contactor (1) Glycol Contactor adalah suatu kolom atau tabung tempat terjadinya proses pengabsorbsi (penyerapan) dari zat yang dilewatkan di kolom tersebut. Glycol Contactor ini menggabungkan contacting tower dan inlet gas scrubber dalam satu vessel yang integral dengan scrubber pada bagian paling bawah. Adapun liquid yang digunakan untuk memisahkan gas H 2 O ini adalah Triethylene Glycol (TEG).

7 Glycol Contactor (2)

8 Distributed Control System (DCS) Distributed Control System (DCS) merupakan suatu sistem yang mendistribusikan berbagai fungsi yang digunakan untuk mengendalikan berbagai variabel proses dan unit operasi proses menjadi suatu pengendalian yang terpusat pada suatu control room dengan berbagai fungsi pengendalian, monitoring dan optimasi.

9 Secara umum, DCS dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu : 1. Operator Station Operator Station digunakan untuk mengumpulkan data operasi proses serta menampilkan dan mengolah data dari proses yang terjadi pada plant. 2. Control Station Digunakan sebagai control unit untuk mengendalikan variabel variabel yang dikendalikan pada proses. Berikut adalah komponen dari FCS: Central Processor Unit (CPU) Catu daya (Power Supply Unit, PSU) Modul masukan/keluaran (I/O modules, IOM) 3. Sistem Komunikasi Sarana pertukaran data antara operator station, control station dan proses. Sarana komunikasi ini juga bisa dapat digunakan untuk menghubungkan DCS dengan sistem lain seperti PLC, SCADA system.

10 Function Block pada Control Drawing 1. Self Tuning Controller (STC) PID Block STC-PID Block merupakan gabungan antara STC dan PID, digunakan untuk mengeset parameter P,I dan D secara otomatis sehingga diperoleh optimal control pada karakter proses statis dan dinamis dan mengurangi beban tuning pada saat mulai proses awal. 2. LAG Block LAG Block digunakan ketika melakukan proses pemfilteran sinyal input atau untuk mensimulasikan karakteristik dari proses.

11 3. DLAYBlock DLAY Block (Dead Time Block) digunakan untuk mensimulasikan /memperformansikan karakteristik delay time maupun dead time. 4. FOUT Block FOUT Block (The cascade signal distributor) digunakan untuk mendistribusikan sinyal setpoint cascade dari blok lain ke beberapa blok.

12 5. CALCU Block CALCU Block (Calculation Block) digunakan saat melakukan algoritma perhitungan tertentu. 6. INPUT INDIKATOR Block (PVI) INPUT INDIKATOR Block adalah block yang menerima sinyal input dari block yang lain, kemudian mengindikasikan sinyal tersebut sebagai proses variabel.

13 Self Tuning Controller PID Self Tuning adalah struktur pengendali yang termasuk dalam sistem pengendalian adaptive, yaitu sistem pengendalian yang secara kontinue dan otomatis mengukur karakteristik dinamik plant. Membandingkannya dengan karakteristik dinamik yang diinginkan dan menggunakan selisih tersebut untuk mengubah parameter sistem yang akan diatur.

14 Persamaan Kesetimbangan Massa Glycol Contactor d( M dt xi ) = Lxi 1+ Vyi+ 1 L xi V yi L V M W x i cair) y i gas) = laju aliran cairan (kgmole/hr) = Laju aliran gas (kgmole/hr) = perpindahan massa cair dalam tiap kolom = perpindahan massa gas dalam tiap kolom = mole zat terlarut dalam fase cair(mole terlarut/mole = mole zat terlarut dalam fase gas (mole terlarut/mole

15 Pemodelan Matematis Proses Perubahan massa cairan yang terakumulasi sama dengan penjumlahan laju aliran gas dan laju aliran cairan pada tray. [perubahan massa terakumulasi] = [aliran massa input] [aliran massa output] Dimana : M B = Cairan yang tertahan pada dasar kolom. F DR = Laju aliran dry gas (kg/mnt) F WT = Laju aliran wet gas pada bagian stripping (kg/mnt) F M = Laju aliran cairan yang meninggalkan dasar kolom (kg/mnt) F G = Laju aliran Triethylene Glycol (TEG) (kg/mnt)

16 Karena M B = ρah maka persamaan menjadi : Dengan : ρ = Massa jenis cairan yang tertahan pada dasar kolom (kg/m 3 ) A = Luas melintang kolom (m 2 ) h = Ketinggian permukaan cairan (m) Dengan : Penyederhanaan persamaan menjadi : Setelah memasukkan nilai-nilai variabel yang ada pada persamaan diatas maka diperoleh :

17 Perancangan Level Transmitter Secara umum, transfer function dari level transmitter dapat didekati dengan sistem orde 1 sebagaimana persamaan dibawah ini : L o L ( s) = τ K LT s +11 Gain Transmitter dapat diperoleh sebagai berikut : K LT Besarnya time constant (τ LT ) adalah 0,76 detik i Sehingga persamaan transfer function level transmitter adalah LT Span _ Output = Span _ Input L L o i ( s) = 12,39 0,76s+ 1

18 Perancangan Control Valve Adapun transfer function control valve dapat didekati dengan sistem orde 1 sebagaimana persamaan dibawah ini : CV CV o i ( s) = τ G CV CV + 1 Gain Valve dapat diperoleh sebagai berikut : G Span _ output 1 = = CV Span _ input 16 ma Besarnya time constant (τ LT ) adalah 1,79 detik Sehingga persamaan transfer function control valve adalah CV CV o i ( s) 0,45 = 1,79s+ 1

19 Perancangan Function Block Diagram pada Control Drawing Pada dasarnya Control Drawing mempunyai tujuan untuk mendefinisikan algoritma pengendalian maupun monitoring yang akan dikerjakan oleh sistem dengan saling mengkonfigurasikan function block terkait.

20 Diagram Blok Pengendalian Level Glycol Contactor CV

21 Design Human Interface Station (HIS) Display Pada tahap ini dilakukan perancangan tampilan grafis pada Human Interface Station (HIS) yang digunakan untuk keperluan monitoring dan operasi. Human Machine Interface dibuat dengan menggunakan tipe desktop Human Interface Station (HIS). Selain menjalankan fungsi monitoring dan operasi, HIS diatas juga di setting untuk dapat melakukan pekerjaan engineering.

22 Start-Up Plant Simulasi DCS

23 Tuning PID dengan Metode Osilasi

24 Dari grafik respon diatas didapatkan nilai Gain Ultimate atau PBu = 407,6 dan nilai Periode Ultimate atau Pu = 15,2 detik. Sehingga dengan menggunakan tabel perhitungan metode osilasi diperoleh parameter tuning PID controller sebagai berikut, untuk hasil perhitungan tuning PI diperoleh : P : PBu / 0,45 = 905,7 I : Pu / 1,2 = 12,6 D: 0 Sedangkan untuk hasil perhitungan dengan parameter tuning PID diperoleh : P : PBu / 0,6 = 679,3 I : Pu / 2 = 7,6 D: Pu / 8 = 1,9

25 Trend Respon dengan PI Parameter PI Set Point (mm) 600 Mv (%) 2,1 Ts (s) 117 Max. Overshoot (mm) 105,1 Ess (mm) 0,2

26 Trend Respon dengan STC-PID Parameter PID Set Point (mm) 600 Mv (%) 2,1 Ts (s) 57 Max. Overshoot (mm) 32,2 Ess (mm) 0,1

27 Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa tuning dengan PID memiliki trend respon yang lebih cepat dibandingkan PI. Hal ini dapat diartikan bahwa proses pada model glycol contactor ini membutuhkan energi extra dengan menambahkan time derivative pada tuning untuk lebih mempercepat reaksi.

28 Tracking Set Point dengan PI No Set Point (%) Mv (%) t s (detik) Max (mm) Ess (%) , , , , , , , ,7 0

29 Tracking Set Point dengan STC-PID No Set Point Mv t s Max Ess (%) (%) (detik) (mm) (%) , , , , ,8 53 5, , ,5 0

30 Uji Penambahan Load 20% terhadap Tuning PI Dari grafik di atas diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk kembali pada kondisi steady sekitar 65 detik

31 Uji Pengurangan Load 20% terhadap Tuning PI Dari grafik di atas diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk kembali pada kondisi steady sekitar 65 detik

32 Uji Penambahan Load 20% terhadap STC-PID Dari grafik di atas diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk kembali pada kondisi steady sekitar 45 detik

33 Uji Pengurangan Load 20% terhadap STC-PID Dari grafik di atas diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk kembali pada kondisi steady sekitar 45 detik

34 Simulasi Self Tuning Controller PID dengan MATLAB

35 Adaptive Control pp2a_2

36 Uji Trend Respon STC-PID dengan MATLAB Parameter PID Set Point (mm) 600 Max. Overshoot (mm) 21,3 Ts (s) 37 Ess (mm) 0,1

37 Perbandingan Respon STC-PID pada DCS dan MATLAB

38 Uji Disturbance STC-PID Matlab

39 Uji Penambahan Disturbance terhadap STC-PID Matlab Max Over= 32 Max Disturb= 6

40 Trend Respon Mode Tuning STC-PID dengan Disturbance pada Matlab (1) KP= -0, (-61,2)/-64,9 Ti= -3, ,8/0,825

41 Trend Respon Mode Tuning STC-PID dengan Disturbance pada Matlab (2) Td= -1, ,1697/0,1688

42 Pengujian Virtual Human Interface Station (HIS)

43 Pengujian Alarm Warning Message Announciator

44 KESIMPULAN Setelah dilakukan serangkaian metodologi, simulasi dan pengujian pada pengerjaan Tugas Akhir ini, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : Dengan menggunakan metode osilasi dengan sistem loop tertutup diperoleh hasil parameter tuning PI dengan PB = 905,7 ; Ti = 12,6 ; Td=0. Sedangkan untuk parameter tuning PID diperoleh PB = 679,3 ; Ti = 7,6 ; Td = 1,9. Dari respon trend yang dihasilkan antara tuning PI dengan PID diperoleh bahwa dengan tuning PID menghasilkan waktu untuk menghasilkan reaksi mencapai kondisi steady lebih cepat yaitu 57 detik dibandingkan tuning PI yang mencapai kondisi steady dalam waktu 117 detik. Dari hasil simulasi didapatkan parameter kualitatif keseluruhan dengan DCS pada tuning PI pada saat set point 600 mm yaitu Ts=117 s, Max.Overshoot=105,1 mm dan Ess=0,2. Sedangkan dengan PID controller pada set poin yang sama diperoleh, Ts=57 s, Max.Overshoot=32,2 mm, dan Ess=0,1. Dari hasil simulasi menggunakan Controller Adaptive pp2a_2 didapatkan parameter kualitatif keseluruhan dengan program simulink Matlab pada self tuning PID pada saat setpoint 600 mm yaitu Max. Overshoot=21,3 mm, Ts=37 s dan Ess=0,1. Pada saat level glycol dalam proses dikenai load hingga level mencapai 900 mm hingga 1000 mm maka alarm akan menyala dan Alarm Message akan menampilkan peringatan LEVEL GLYCOL HIGH HIGH, sedangkan pada saat level berada pada level 300 mm hingga 200 mm maka alarm akan aktif menampilkan pesan LEVEL GLYCOL LOW LOW.

45 SARAN Dari hasil tugas akhir ini dapat diberikan saran untuk pengembangan penelitian selanjutnya antara lain : Mengaplikasikan langsung secara online pada DCS dengan mengkoneksikan hasil perancangan pada software CENTUM CS3000 pada PC dengan Field Control Station yang ada.

46 Daftar Pustaka 1. Astrom, Karl J. Wittenmark, Bjorn. Computer Controlled Systems.Prentice- Hall International, Inc. 2. Yokogawa Electric Corp Centum CS3000 Manual - Instruction Manual IM 33S01B30-01E : Yokogawa Electric Corp, Tokyo 3. Gunterus, Frans Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Jakarta : PT Elex Media Komputindo 4. Ogata, Katsuhiko Automatic Control I.New Jersey, USA : Prentice hall 5. Training Division, CENTUM CS3000 Training. ITS, Surabaya : PT. Yokogawa Indonesia 6. Astrom, Karl J. and Hagglund, Tore PID Controllers: Theory, Design, and Tuning. Research Triangle Park, NC : Instrument Society of America 7. Bequette, B. Wayne Process Dynamics Modeling, Analysis, and Simulation, Upper Saddle River, New Jersey : Prentice Hall PTR. 8. Pagerungan Gas Plant Manual Book. Kangean Energy Indonesia Ltd: Pagerungan Island. 9. Bobal, Vladimir Self-Tuning PID Controller. Department of Aumatic Control, Faxculty of Technology Zlin: Czech republic.

47 TERIMA KASIH THANK YOU MATOR SAKALANGKONG