A-1 Makalah Seminar Kerja Praktek PENGENDALIAN LEVEL AIR PADA BOILER DRUM SIMULATOR MENGGUNAKAN DCS YOKOGAWA CENTUM VP DI LABORATORIUM INSTRUMENTASI PUSDIKLAT MIGAS CEPU Ebtian Apriantoro [1], Wahyudi, ST, MT [2] Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro. Jalan Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia. Abstrak Sistem kontrol telah menjadi komponen yang sangat vital di dunia industri, salah satunya adalah industri minyak dan gas. Pengendalian tiap-tiap subsistem ataupun unit agar dapat beroperasi dan bekerja sesuai dengan yang diinginkan telah menciptakan berkembangnya sistem kontrol secara pesat. Salah satunya adalah Distributed Control System (DCS), di mana kita dapat melakukan sistem kontrol secara terdistribusi atau terbagi-bagi tiap unitnya namun ada di dalam satu supervisor atau pengawasan. Pengontrolan dalam DCS dilakukan dengan pengaturan dan pembuatan tiap project-nya. Sistem telah dilengkapi prosesor unit, modul I/O, power supply, terminal, dan peralatan lain yang mendukung keefektifan kinerja sistem. Pemantauan dan supervisory dilakukan melalui Man Machine Interface (MMI) atau biasa juga disebut Human Machine Interface (HMI) dan Human Interface Station (HMI). Aksi pengontrolan dapat dilakukan secara mudah melalui terminal pusat dan efek di lapangan pun dapat dipantau dengan baik melalui tampilan HIS. Kata Kunci : Sistem Kontrol, Instrumentasi, DCS, Pengontrolan I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Semakin berkembangnya peradaban manusia, semakin tinggi pula keinginan dan kebutuhan manusia. Perkembangan ilmu dan teknologi yang cukup pesat telah memberikan pengaruh berkembangnya dunia industri di Indonesia. Perkembangan industri yang cukup pesat ini dimanfaatkan manusia untuk memenuhi kebutuhan yang harus dipenuhinya. Pusdiklat Migas Cepu yang berada di bawah Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral Indonesia, merupakan satu-satunya pusat pendidikan dan pelatihan dalam pengelolaan energi minyak dan gas yang diakui di Indonesia. Di dalamnya telah terdapat standar-standar kemampuan yang telah baku yang harus dimiliki oleh para karyawan dan juga engineer di bidang minyak dan gas. Fasilitas dan sarana prasarana yang memadai juga menambah mutu dan kualitas dari pendidikan yang dilaksanakan. Dengan dilengkapi alat-alat yang canggih, para praktikan dan peserta diklat diharapkan mampu memenuhi standar minimal yang diterapkan guna dapat bekerja di industri pengolahan minyak dan gas bumi. 1 Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro UNDIP 2 Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro UNDIP 1.2 Batasan Masalah Batasan masalah yang dibahas dalam makalah kerja praktek ini adalah: 1. Hanya merancang project pengendalian level air pada boiler drum simulator dengan menggunakan DCS Yokogawa Centum VP. 2. Hanya membahas dan menjelaskan pengendalian level air pada boiler drum simulator dengan menggunakan DCS Yokogawa Centum VP. 1.3 Tujuan Kerja Praktik Hal-hal yang menjadi tujuan dilaksanakannya kerja praktek ini adalah: 1. Agar mahasiswa dapat mengimplementasikan ilmu yang didapat di bangku kuliah dan sebagai perbandingan antara teori yang diperoleh dibangku perkuliahan dengan yang terdapat di lapangan. 2. Agar mahasiswa dapat melihat aplikasi disiplin ilmu yang dipelajari di bangku perkuliahan dengan yang terdapat di lapangan. 3. Untuk mengukur kemampuan penalaran dalam memahami dan menyelesaikan
permasalahan secara analisis sesuai minat di lapangan serta memecahkan permasalahan di lapangan sesuai dengan bidang studinya. 4. Untuk memperoleh pengalaman praktis di lapangan yang berguna untuk pengembangan ilmu pengetahuan. 5. Memperluas wawasan dalam bidang DCS dalam sistem pengontrolan. II. DASAR TEORI 2.1 Sensor, Transmitter, dan Transduser Sensor adalah jenis transduser yang digunakan untuk mengubah besaran, dari besaran mekanis, magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Jenis sensor bermacam-macam, antara lain sensor suhu atau temperatur, sensor cahaya, sensor tekanan, sensor posisi atau gerak, dan berbagai jenis besaran fisik lainnya. Transmitter adalah sebagai pengubah besaran fisik dari sensing element menjadi sinyal pengukuran yang kemudian ditransmisikan ke control elemen. Berdasarkan sinyal keluarannya, transmitter dibedakan menjadi dua macam: a. Penumatic transmitter, yaitu transmitter yang mampu mengubah besaran mekanik menjadi sinyal pneumatic (tekanan) b. Electric transmitter, di dalamnya terdapat detector armature yang berfungsi sebagai transducer yang mengubah besaran mekanik menjadi sinyal elektrik. Transduser dapat didefinisikan sebagai suatu peranti yang dapat mengubah suatu energi ke bentuk energi yang lain. Dari sisi pola aktivasinya, transduser dapat dibagi menjadi dua, yaitu: a. Transduser pasif, yaitu transduser yang dapat bekerja bila mendapat energi tambahan dari luar. b. Transduser aktif, yaitu transduser yang bekerja tanpa tambahan energi dari luar, tetapi menggunakan energi yang akan diubah oleh transduser itu sendiri. 2.2 Kontroler Kontroler merupakan piranti utama yang digunakan dalam menentukan aksi kontrol pada sebuah plant. Terdapat bermacam-macam tipe dan aksi pengontrolan, antara lain : 1. On Off Controller Jenis controller ini memiliki sinyal output maksimum dan minimum, on dan off saja. Controller ini dapat dikatakan sebagai digital controller, di mana dalam pengoperasiannya hanya bekerja dalam kondisi bernilai high atau low. 2. Proportional Controller Jenis controller ini menghasilkan output yang sebanding dengan input-nya tergantung dari sensitivitasnya, yang juga tergantung pada proportional band (PB). Maksud dari proportional band yaitu perubahan input yang dapat menghasilkan 100% perubahan output controller. Secara matematis dapat dirumuskan dalam persamaan (1). MV = Kc E +b (1) Di mana Kc : gain controller E : error b : harga awal manipulated variable. Gain controller (K) ditentukan oleh besarnya nilai Proportional Band (PB) di mana hubungan keduanya ditunjukkan oleh persamaan (2). K = 100 / PB (2) Proportional controller ini mempunyai kelemahan pada model system P, mempercepat time response tetapi mengalami offset yang tinggi. Untuk mengatasinya digunakan Proportional Integral (PI) Controller. 3. Proportional Integral Controller Proportional Integral controller digunakan dalam aksi pengendalian untuk menghilangkan offset yang terjadi pada proportional controller. Perubahan konfigurasi yang ada pada PI ini adalah adanya proportional spring yang melawan proportional bellows. 4. Proportional Integral Derivative Controller Untuk menutup semua kekurangan dari pengendali PI maka dibuat suatu pengendali yang menggabungkan unsur kendali secara proportional, integral, dan derivative di mana masing masing memiliki tujuan untuk mempercepat reaksi system, menghilangkan offset, dan mendapatkan energi tambahan pada saat load. Mode ini disebut PID Controller. 2.3 Control Valve Control Valve merupakan elemen akhir control system loop. Fungsinya untuk mengatur aliran zat cair yang melewatinya sebagai realisasi koneksi yang diterima dari kontroler. Valve juga dapat dikatakan sebagai
actuator akhir dari control system loop yang dilakukan. Ditinjau dari tipe penggeraknya, control valve dibagi menjadi tiga macam: a. Automatic Valve tipe Pneumatic Actuator b. Automatic Valve tipe Hydrolic Actuator c. Automatic Valve tipe Electric Actuator Gambar 1 menunjukkan bentuk fisik control valve. 2.5 DCS Yokogawa Centum VP Centum VP adalah produk unggulan dari Yokogawa Vigilant Plant Solutions. Centum VP merupakan smart system yang diusung oleh Yokogawa dan memiliki beberapa konsep serta keunggulan yang ingin ditawarkan. Sistem ini didesain dengan mengusung konsep: See Clearly (Information Visibility) Know in Advance (Performance Foresight) Act with Agility (Operational Agility) Centum VP merupakan produk lanjutan dari Yokogawa Centum CS 3000 dengan beberapa penyempurnaan, seperti sistem konfigurasinya, kemudahan dalam pemakaian, serta sistem grafis dan interface yang lebih baik. Gambar 3 menunjukkan logo Yokogawa Centum VP. Gambar 1. Control valve 2.4 Distributed Control System (DCS) Distributed Control System (DCS) adalah suatu sistem kontrol yang terintegrasi yang terdiri dari beberapa controller yang diatur oleh computer station (Man Machine Interfere) untuk mengendalikan, memonitor, dan mengatur nilai-nilai proses yang ada di lapangan. Sebuah controller pada DCS disebut juga sebagai Field Control Station (FCS), Field Control Unit (FCU), Process Manager, atau sebagainya. DCS tersusun dari beberapa bagian, yaitu: Engineering Work Station (EWS), Process Historical Archivers (PHA), FCU (Field Control Unit), Operator Work Station (OWS), Operator Console, History Module, Data Historian, Control Modules, Input Output, dan Human Interface Station (HIS). Arsitektur DCS dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 3. Logo DCS Yokogawa Centum VP III. ANALISA DAN PEMBAHASAN 3.1 Plant Boiler Drum Simulator Plant yang terdapat dalam Laboratorium Instrumentasi dan Telekomunikasi Pusdiklat Migas Cepu adalah sebuah boiler drum simulator. Dalam plant ini telah dilengkapi berbagai elemen instrumentasi yang wajib dikendalikan dalam proses pengolahan minyak dan gas, seperti pressure, level, temperature dan flow. Jadi, meskipun hanya simulator, namun telah mewakili aspek-aspek penting dari real plant yang ada di lapangan. Sistem heat exchanger dan controlling system juga terpasang dalam plant boiler drum ini. Gambar 4 menunjukkan gambar boiler drum simulator. Gambar 2. Arsitektur DCS Gambar 4. Boiler drum simulator
Seluruh komponen-komponen pada plant seperti flowmeter transmitter, level transmitter, thermocouple, dan lain sebagainya telah saling terintegrasi satu sama lain. Gambar 5 menunjukkan P&ID dari plant boiler drum simulator. tangki. Dalam hal ini, terdapat masukan dan keluaran yang konstan dalam tangki, sehingga untuk dapat melakukan pengendalian, kita harus dapat mengatur besarnya bukaan dan tutupan control valve pada sistem. Seluruh komponen telah terkoneksi dengan DCS dan juga terdapat pilihan untuk manual atau local control. Penyederhanaan diagram blok sistem dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 5. Gambar P&ID boiler drum simulator 3.2 Diagram Blok Pengontrolan Level Dalam sistem pengontrolan yang dilakukan, terdapat beberapa elemen yang digunakan antara lain level transmitter dan level controller. Input dan output berupa digital dan telah terkoneksi dengan sistem DCS. Skema pengontrolan level pada boiler drum simulator dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 6. Skema pengendalian level air Keterangan : MV% (Manipulated Variable) : Variabel yang dapat dimanipulasi contohnya aktuator, yaitu pada system di atas adalah control valve. PV% (Process Variable) yaitu keluaran dari proses yang diinginkan, contohnya sesnsor pada system di atas adalah sensor level (LT101) SV% (Set Value) atau Set Point yaitu nilai yang diinginkan pada keluaran atau nilai yang di atur dalam kontroler. Pengontrolan yang diinginkan adalah untuk dapat mengatur besarnya level air pada Gambar 7. Diagram blok sistem Pada diagram blok terlihat bahwa kita menggunakan PID controller, untuk modenya karena kita melakukan otomatisasi menggunakan Direct Controller pada DCS, maka dipilih mode auto. Set point (SV) dipilih untuk menentukan besarnya level yang diinginkan, sementara sinyal level di lapangan yang asli (PV) akan dikirim oleh sensor atau transmitter untuk dibaca kontroler. Sinyal error yang terbaca akan membuat kontroler melakukan aksi pengendalian yang berupa sinyal termanipulasi (MV) yang menggerakkan aktuator (control valve) sehingga dapat mengatur level sesuai dengan yang diinginkan. Aktuator dari sistem ini adalah berupa valve di mana MV merupakan besarnya sinyal bukaan dari valve tersebut. 3.3 Perancangan Sistem dengan DCS Yokogawa Centum VP Seperti halnya kontroler digital pada umumnya, untuk dapat melakukan pengontrolan secara otomatis menggunakan computer, diperlukan pembuatan project berdasarkan software yang bersangkutan. Sistem DCS di Laboratorium Instrumentasi Pusdiklat Migas Cepu juga demikian, yakni digunakan software Centum VP. Pembuatan project dilakukan dengan sebuah Engineering Work Station (EWS) pada ruang kontrol. Field Control Station (FCS) yang digunakan adalah FCS101. Dalam FCS101, terdapat power supply, FCU,
modul input output dan sebagainya yang merupakan elemen dari DCS. Langkah-langkah dalam pembuatan project pengendalian level pada boiler drum simulator dengan DCS Centum VP adalah sebagai berikut: 1. Pastikan semua sistem telah terhubung dengan sumber daya dan DCS terkoneksi dengan plant. 2. Buatlah project pada EWS dengan cara click system view pada start windows. system view adalah aplikasi utama dalam pembuatan project dengan Centum VP. 3. Tentukan FCS dan HIS yang akan dipilih. 4. Tentukan bentuk input output yang digunakan dengan mengatur node dan juga input output modules pada system. Dalam bagian ini, dapat ditentukan status input dan output dari sistem apakah analog atau digital, tipe dari tiap I/O tersebut, dan juga modul yang digunakan 5. Inisialisasi dan pengalamatan setelah modul input output telah terbentuk. 6. Laksanakan test function untuk sistem apakah project yang kita buat telah dapat dibaca oleh DCS. 7. Jika tak ada error, langkah selanjutnya adalah membuat function block yang merupakan fungsi utama dalam project menggunakan DCS. Pembuatan function block ini dilakukan dalam control drawing builder. Dalam function block, peyusunan input output system dan juga controller yang diinginkan dapat dilakukan. Di dalam tiap block telah terdapat fungsi sendiri-sendiri dan cukup menyusunnya saja sesuai dengan sistem yang inginkan. Gambar 8 menunjukkan bentuk function block yang digunakan. Cara melakukan aksi pengontrolan adalah pada jendela MMI pilih Name, lalu call dengan cara ketik : LIC 101, click CALL. Setelah itu akan muncul kontrol panel seperti pada Gambar 9. Gambar 9 Calling and controlling view 4.4 Analisis simulasi control Dalam aksi pengontrolan melalui MMI DCS, dapat dilihat tiga parameter yaitu PV, SV dan MV. PV menunjukkan kondisi di lapangan, SV merupakan set point yang diinginkan, dan MV di sini adalah bukaan dari Valve (aksi kontrol dari aktuator). Katakanlah diinginkan level 100 dan PV masih 0, maka MV akan bergerak menuju 100% (bukaan penuh). Range level ada 0-100 dan pengaturan set point tinggal click saja pada SV, lalu masukkan nilainya. Untuk penggantian mode manual, auto atau cascade tinggal click saja di mode yang diinginkan (lambang kotak hijau kecil). Gambar 10 menunjukkan cara ke manual mode controller. Gambar 8. Bentuk function block pada sistem 8. Saat fungsi loop kontrol telah terbentuk, maka dapat disimulasikan dengan cara menggunakan window utama MMI (Man Machine Interface) DCS yang aktif jika test function telah dilakukan. Gambar 10 Manual mode controller
Window setting SV pada panel kontrolnya dapat ditunjukkan pada Gambar 11. Dalam window ini dapat dituliskan nilai set point yang diinginkan, caranya tinggal mengetikkan saja pada kolom yang tersedia, setelah itu maka tinggal dijalankan saja kontrolernya. Gambar 11. Setting SV Jika menggunakan auto controller, setelah menentukan nilai set point, maka kontroler LIC 101 akan melakukan aksi pengontrolan secara otomatis agar tingginya level sesuai dengan yang diinginkan. Dalam plant-nya, semua sistem harus sudah terkoneksikan dengan baik dan benar. Gambar 12 menunjukkan panel auto controller. Gambar 12. Auto controller Pada system pengendalian ini, semakin besar sinyal kontrol yang diterima oleh control valve, maka bukaan valve akan semakin mengecil. Jadi apabila indikasi level air pada drum semakin besar, maka sinyal control yang dikirimkan ke kontroler akan semakin besar pula. DCS akan memberikan perintah valve untuk menutup (ingat bahwa control valve ATC adalah reverse, semakin besar sinyal, maka bukaan semakin kecil), sehingga aliran semakin kecil. Begitu juga sebaliknya. Pada system DCS ini digunakan komponen LIC 101 sebagai kontroler dan tipenya adalah PID controller. Pada system ini menggunakan system auto, jadi menggunakan loop tertutup PID control system, di mana output dijadikan referensi lagi oleh kontroler. Jadi, apabila terjadi kesalahan penggerak yaitu pada control valve, maka sinyal error akan diumpan balikkan ke system sehingga didapatkan harga keluaran mendekati harga yang diinginkan (SV). Pada awalnya sistem mungkin akan mengalami error terlebih dahulu, akan tetapi akan berangsur stabil dan menjadi stabil (steady state) seperti karakter dalam PID controller. Fungsi PID controller di sini telah didapat dari dalam DCS, yaitu saat pengaturan function block kontroler PID sehingga nilai Kp, Ki, dan Kd sebenarnya telah diatur lewat function block DCS dan tinggal menjalankannya saja dengan mengatur SV dan modenya. IV. PENUTUP 4.1 Kesimpulan Dari makalah yang telah dibuat, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Pada sistem pengendalian level pada boiler drum dengan DCS Centum VP controller PID, dalam Mode MMI, parameter yang dapat ditampilkan pada system yaitu : MV% (Manipulated Variable) yaitu variabel yang dapat dimanipulasi contohnya aktuator pada system di atas adalah control valve. PV% (Process Variable) yaitu keluaran dari proses yang diinginkan, contohnya sesnsor pada system di atas adalah sensor level (LT101) SV% (Set Value) atau Set Point yaitu nilai yang diinginkan pada keluaran atau nilai yang di atur dalam kontroler. 2. Pada Boiler Drum Simulator di Pusdiklat Migas Cepu terdapat dua mode konfigurasi, yaitu dengan DCS dan local control. 3. Untuk membuat project atau program pengendalian, misalkan saja pengendalian level, dalam DCS Centum VP digunakan function block.
4. Urutan dalam pembuatan project menggunakan DCS Yokogawa Centum VP adalah penentuan input output modules, pengalamatan input dan output, test function, pembuatan function block, wiring dan downloading data, dan penjalanan fungsi kontroler menggunakan Man Machine Interface (MMI) pada system view di DCS. 5. Dalam aksi pengontrolan menggunakan MMI pada DCS, dapat ditentukan mode auto atau manual. 6. Nilai yang dapat diubah ubah oleh operator dalam pengontrolan adalah nilai set point (SV). 4.2 Saran Beberapa saran yang dapat diberikan antara lain : 1. Dalam pembuatan project menggunakan DCS, pembuatan function block harus benar dan wiring yang dilakukan juga benar. 2. Selalu melakuakn test function unuk mengetahui ada error atau tidak dari project yang telah dibuat. 3. Dalam melakukan aksi pengontrolan, dipahami tipe dari kontroler dan juga aktuator, sehingga pengontrolan dapat dilakukan dengan benar. BIODATA PENULIS Ebtian Apriantoro (21060110130069), Lahir di Kudus, 4 April 1992. Telah menempuh pendidikan di MI Muhammadiyah 1 Kudus, SMP 1 Kudus, dan SMA 1 Kudus. Saat ini tercatat sebagai mahasiswa Teknik Elektro Universitas Diponegoro, angkatan 2010, konsentrasi Teknik Kontrol dan Instrumentasi. Menyetujui Dosen Pembimbing Wahyudi, ST. MT NIP. 19690612 199403 1 001 DAFTAR PUSTAKA [1] Heru, HT. 2010. Teori dan Praktek Instrumentasi (Instrument Application). Cepu : Pusdiklat Migas Cepu [2] Team. 1992. DOE Fundamental Handsbook Instrumentation and Control. Washington DC : US. Department of Energy. [3] Nakacho, Musashino. Integrated Production Control System CENTUM VP. Yokogawa Electric Corporation. Shi : Tokyo [4] George, RA. 1994. Pengukuran Aliran dan Level. Cepu : Pengembangan Tenaga Perminyakan dan Gas Bumi (PPT MIGAS) [5] Ogata, Katsuhiko. 2002. Modern Control of Engineering 4 th Edition. Teheran: A eizh.