PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN HMI PADA APLIKASI PEMROGRAMAN VISUAL BASIC TUGAS AKHIR RF1483

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR RF1483 PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN HMI PADA APLIKASI PEMROGRAMAN VISUAL BASIC IBNU DWI ARYANTO NRP Dosen Pembimbing Totok Ruki Biyanto. ST. MT. JURUSAN TEKNIK FISIKA Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2006 i

2 FINAL PROJECT RF1483 CONTROLLING DISTILLATION COLUMN USING ROBUST IMC WITH HMI FROM VISUAL BASIC APPLICATION PROGRAMMING IBNU DWI ARYANTO NRP Supervisor Totok Ruki Biyanto. ST. MT. ENGINEERING PHYSICS DEPARTMENT Faculty of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2006 i

3 PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN HMI PADA APLIKASI PEMROGRAMAN VISUAL BASIC Nama Mahasiswa : Ibnu Dwi Aryanto NRP : Jurusan : Teknik Fisika FTI-ITS Dosen Pembimbing : Totok Ruki Biyanto ST. MT. Abstrak Robust Internal Model Control (Robust IMC) merupakan algoritma kontrol yang memanfaatkan inverse dari model proses dengan mempunyai satu parameter tuning yaitu filter factor (λ). Filter factor didapatkan dari kriteria robust control yang memanfaatkan kriteria indeks performansi ITAE. Robust IMC diaplikasikan pada sistem pengendalian unit operasi kolom debutanizer tepatnya pada loop pengendalian laju aliran reflux dan loop pengendalian temperatur tray keenam. Simulasi dilakukan dengan menggunakan tiga komponen software yang berjalan secara simultan. Ketiga software tersebut adalah Hysys, Matlab, dan HMI (Human Machine Interface). Komunikasi antara Hysys dan Matlab dilakukan dengan menggunakan protokol DDE (Dynaimc Data Exchange), sedangkan komunikasi Matlab dan HMI dilakukan dengan menggunakan protokol OPC (OLE for Process Control). HMI dirancang dengan menggunakan bahasa pemrograman visual basic 6.0. Dari hasil perancangan HMI dan integrasi dengan Matlab didapatkan bahwa HMI merupakan visualisasi variabel proses yang sedang terjadi di lapangan. Integrasi antara HMI dengan Matlab dilakukan dengan menggunakan protokol OPC KEPServerEx V4. Dimana Matlab dan HMI bertindak sebagai OPC client dan KEPServerEx V4 bertindak sebagai OPC server. Hasil perancangan algotima kontrol Robust IMC menunjukkan damping factor (ζ) = 0.2 untuk loop pengendalian laju aliran reflux menghasilkan respon terbaik. Sedangkan untuk loop pengendalian temperatur tray keenam menggunakan damping factor = 0.4 menghasilkan respon yang terbaik. Kata Kunci : Robust IMC, kolom debutanizer, DDE, OPC, HMI, damping factor, filter factor

4 CONTROLLING DISTILLATION COLUMN USING ROBUST IMC WITH HMI FROM VISUAL BASIC APPLICATION PROGRAMMING Name : Ibnu Dwi Aryanto NRP : Department : Engineering Physics Department Supervisor : Totok Ruki Biyanto ST. MT. Abstract Robust IMC is a control algorithm based on inverse model of the process which only one tune parameter, filter factor (λ). Filter factor is obtained from robust control criteria using ITAE index performance. Robust IMC is used to control debutanizer column especially in reflux rate control loop and sixth tray temperature control loop. Simulation using three software component that is Hysys, Matlab, and HMI (Human Machine Interface). Communication between Hysys and Matlab held by DDE (Dynamic Data Exchange) protocol whereas communication between Matlab and HMI held by OPC (OLE for Process Control) protocol. HMI is buid on visual basic 6.0 application programming. From the HMI building, HMI is a visualization of process variable from the field. OPC protocol is used to connect HMI and Matlab by KEPServerEx V4. Matlab and HMI act as a OPC client and KEPServer act as an OPC server. From the building of control algorithm Robust IMC, shows that damping factor (ζ) = 0.2 in reflux rate control loop has the best response and damping factor (ζ) = 0.4 in sixth tray temperature control loop has the best response. Keywords : Robust IMC, debutanizer column, DDE, OPC, HMI, damping factor, filter factor

5 PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN HMI PADA APLIKASI PEMROGRAMAN VISAL BASIC TUGAS AKHIR OLEH : IBNU DWI ARYANTO Nrp Surabaya, Juli 2006 Mengetahui/Menyetujui Pembimbing TOTOK RUKI BIYANTO, ST.MT NIP Ketua Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS Dr. Ir. TOTOK SOEHARTANTO, DEA NIP

6 PENGENDALIAN KOLOM DISTILASI PADA HYSYS MENGGUNAKAN ROBUST IMC PADA MATLAB DENGAN HMI PADA ALIKASI PEMROGRAMAN VISUAL BASIC TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Bidang Studi Rekayasa Instrumentasi Program Studi S-1 Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh: IBNU DWI ARYANTO Nrp Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Totok Ruki Biyanto, ST. MT....(Pembimbing I) 2. Dr. Bambang Lelono W, ST.MT...(Penguji I) 3. Hendra Cordova, ST. MT...(Penguji II) 4. Ir. Sarwono, MM...(Penguji III) 5. Gunawan Nugroho, ST. MT...(Penguji IV) SURABAYA JULI, 2006

7 DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL... i ABSTRAK... iii LEMBAR PENGESAHAN... v KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xv DAFTAR SIMBOL... xvii I. PENDAHULUAN Latar Belakang Permasalahan Batasan Masalah Tujuan dan Manfaat Penelitian Metodologi Penelitian Sistematika Laporan... 4 II. DASAR TEORI Kolom Debutanizer Internal Model Control Robust Control Algoritma Kontrol Robust Internal Model Control (Robust-IMC) Object Linking and Embedding (OLE) for Process Control Human Machine Interface III. METODOLOGI PENELITIAN Pemodelan Kolom Debutanizer Perancangan Algoritma Kontrol Robust-IMC Integrasi Hysys dengan Matlab Perancangan Human Machine Interface ix

8 3.5 Integrasi HMI dengan Matlab menggunakan Protokol OPC Pengujian dan Analisa Performansi Sistem IV. HASIL DAN ANALISA Pemodelan Kolom Debutanizer Perancangan Algoritma Kontrol Robust-IMC Integrasi Hysys dengan Matlab Perancangan Human Machine Interface Integrasi HMI dengan Matlab menggunakan Protokol OPC Pengujian dan Analisa Performansi Sistem V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA...99 LAMPIRAN A Spesifikasi Kolom Debutanizer... A-1 LAMPIRAN B Data Perubahan Komposisi... B-2 LAMPIRAN C Listing Program Matlab... C-3 LAMPIRAN D Listing Program Visual Basic D-4 x

9 DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL... i ABSTRAK... iii LEMBAR PENGESAHAN... v KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xv DAFTAR SIMBOL... xvii I. PENDAHULUAN Latar Belakang Permasalahan Batasan Masalah Tujuan dan Manfaat Penelitian Metodologi Penelitian Sistematika Laporan... 4 II. DASAR TEORI Kolom Debutanizer Internal Model Control Robust Control Algoritma Kontrol Robust Internal Model Control (Robust-IMC) Object Linking and Embedding (OLE) for Process Control Human Machine Interface III. METODOLOGI PENELITIAN Pemodelan Kolom Debutanizer Perancangan Algoritma Kontrol Robust-IMC Integrasi Hysys dengan Matlab Perancangan Human Machine Interface ix

10 3.5 Integrasi HMI dengan Matlab menggunakan Protokol OPC Pengujian dan Analisa Performansi Sistem IV. HASIL DAN ANALISA Pemodelan Kolom Debutanizer Perancangan Algoritma Kontrol Robust-IMC Integrasi Hysys dengan Matlab Perancangan Human Machine Interface Integrasi HMI dengan Matlab menggunakan Protokol OPC Pengujian dan Analisa Performansi Sistem V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA...99 LAMPIRAN A Spesifikasi Kolom Debutanizer... A-1 LAMPIRAN B Data Perubahan Komposisi... B-2 LAMPIRAN C Listing Program Matlab... C-3 LAMPIRAN D Listing Program Visual Basic D-4 x

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema Kolom Distilasi... 8 Gambar 2.2 Diagram Titik Didih Gambar 2.3 Diagram Kesetimbangan Vapour Liquid (VLE) Gambar 2.4 Kesetimbangan Massa pada kondensor dan reflux drum...13 Gambar 2.5 Kesetimbangan massa pada setiap tray Gambar 2.6 Kesetimbangan massa pada tray umpan Gambar 2.7 Kesetimbangan massa pada reboiler dan base kolom Gambar 2.8 Diagram blok Internal Model Control Gambar 2.9 Alternatif diagram blok Internal Model Control Gambar 2.10 Struktur Internal Model Control ekuivalen dengan kontrol konvensional Gambar 2.11 Struktur Internal Model Control ketika model sama dengan proses (G=Gm) Gambar 2.12 Diagram blok Robust Control Gambar 2.13 Hubungan antara damping factor dengan respon sistem orde dua Gambar 2.14 Diagram blok algoritma kontrol Robust-IMC Gambar 2.15 Skema umum OLE for Process Control (OPC) Gambar 2.16 Hubungan OPC Server Cliet Gambar 2.17 Hubungan Server, Group, dan Item Gambar 2.18 Panel board HMI dari suatu proses batch Gambar 2.19 Faceplates kontrol PID Gambar 2.20 Detail Faceplates kontrol PID Gambar 2.21 Window setting alarm Gambar 2.22 Window alarm list Gambar 2.23 Process History View Gambar 2.24 HMI dengan faceplates, process trending, dan alarm xi

12 Gambar 3.1 Diagram alir metodologi penelitian Gambar 3.2 Process flowsheet diagram kolom debutanizer Gambar 3.3 Sistem simulasi pengendalian Gambar 4.1 Respon open loop FIC Gambar 4.2 Respon open loop TIC Gambar 4.3 Respon loop tertutup pengendalian laju aliran reflux dengan Gc(s) = Gambar 4.4 Respon loop tertutup pengendalian temperatur tray keenam dengan Gc(s) = Gambar 4.5 Respon prefilter FIC Gambar 4.6 Respon prefilter TIC Gambar 4.7 Flowchart Human Machine Interface Gambar 4.8 Master Form dari HMI Gambar 4.9 Form Connection Setting Gambar 4.10 Form Tag Editor Gambar 4.11 Alarm Editor Gambar 4.12 Panel board unit operasi kolom debutanizer Gambar 4.13 Faceplates dari FIC-102 dan TIC Gambar 4.14 Process trending FIC-102 dan TIC Gambar 4.15 OPC server KEPServerEx V Gambar 4.16 FIC-102 pada perubahan set point +10% Gambar 4.17 FIC-102 pada perubahan set point -10% Gambar 4.18 TIC-100 pada perubahan set point +10% Gambar 4.19 TIC-100 pada perubahan set point -10% Gambar 4.20 Respon loop pengendalian FIC-102 pada perubahan FIC-101 sebesar +5% Gambar 4.21 Respon loop pengendalian FIC-102 pada perubahan FIC-101 sebesar -5% Gambar 4.22 Respon loop pengendalian TIC-100 pada perubahan FIC-101 sebesar +5% Gambar 4.23 Respon loop pengendalian TIC-100 pada perubahan FIC-101 sebesar -5% Gambar 4.24 Respon i-butanes produk atas pada perubahan +5% FIC xii

13 Gambar 4.25 Respon i-butanes produk atas pada perubahan +10% FIC Gambar 4.26 Respon i-butanes produk atas pada perubahan +10% TIC xiii

14 xiv

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Koefisien Indeks Performansi 24 Tabel 2.2 Definition of HMI Terminology 36 Tabel 2.3 Fungsi-fungsi proses alarm 41 Tabel 3.1 Discrete Approximation of Continuous Transfer Function 49 Tabel 3.2 KepServerEx Properties Setting 55 Tabel 4.1 Perbandingan damping factor dengan frequency natural dari time settling tetap pada FIC Tabel 4.2 Perbandingan damping factor dengan frequency natural dari time settling tetap pada TIC Tabel 4.3 Tabel ekuivalensi loop pengendalian FIC Tabel 4.4 Tabel ekuivalensi loop pengendalian TIC Tabel 4.5 T(s) FIC-102 dari masing-masing Tabel 4.6 damping factor (ζ) 68 T(s) TIC-100 dari masing-masing damping factor (ζ) 69 Tabel 4.7 Deskripsi fungsi m-files 71 Tabel 4.8 Konfigurasi KEPServerEx 80 Tabel 4.9 Perbandingan hasil integrasi HMI-Matlab 83 Tabel 4.10 Karakteristik performansi FIC-102 pada perubahan set point +10% 85 Tabel 4.11 Karakteristik performansi FIC-102 pada perubahan set point -10% 86 Tabel 4.12 Karakteristik performansi TIC-100 pada perubahan set point +10% 88 Tabel 4.13 Karakteristik performansi TIC-100 pada perubahan set point -10% 89 xv

16 DAFTAR SIMBOL α ij = Relative volatility y i = Fraksi mol komponen i dalam uap x i = Fraksi mol komponen i dalam cairan V = Flow rate vapour to condenser (kgmole/h) L = Flow rate reflux (kgmole/h) D = Flow rate distillate (kgmole/h) X D = Fraksi mol distillate (Mole frac) X B = Fraksi mol bottom (Mole frac) Q R = Laju steam pada reboiler (kgmole/h) λ = filter factor IMC G I (s) = inverse model G(s) = Notasi yang menyatakan sebuah unit operasi K = Gain controller θ = Dead time (menit) τ D = Dead time dalam aproksimasi first order pade τ = Time constant (menit) f(s) = Persamaan filter pada IMC Gp(s) = Persamaan prefilter Gc(s) = Persamaan kontroler R(s) = Set point (sp) E(s) = Error U(s) = Manipulated Variable (op) D(s) = Disturbance y(s) = Process variable (pv) ζ = Damping factor ω n = Frekuensi natural T(s) = Fungsi transfer lup tertutup pada robust control T 1 (s) = Fungsi transfer lup tertutup tanpa prefilter pada robust control xvii