JURNAL TEKNIK POMITS ol., No. 1, (1) ISSN: 7-59 (1-971 Print) 1 PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN LEEL DAN INTERLOCK PADA STEAM DRUM DENGAN TIGA ELEMENT KONTROL DI PG. GEMPOLKREP - MOJOKERTO Muhammad Niqris Prihantya, Hendra Cordoa, Ronny Dwi Noriyati Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 6111 Indonesia e-mail: muhammadniqris@gmail.com, hcordoa@ep.its.ac.id, ony@ep.its.ac.id Abstrak Salahsatu proses yang penting untuk diperhatikan demi terjaganya kualitas proses yang lain hingga keluaran produk di industri gula adalah proses produksi uap dari stasiun ketel atau boiler. ariabel proses yang sangat mempengaruhi tingkat kualitas keluaran steam adalah leel air di steam drum. Namun demikian kinerja sistem pengendalian leel yang ada belum bisa bekerja secara optimal bila terjadi disturbance dan load yang tinggi, disturbance diakibatkan oleh tekanan pompa feedwater yang besar menyebabkan leel air disteam drum selalu berfluktuasi. Maka dari itu dirancanglah suatu sistem pengendalian leel baru yang menggunakan element kontrol mode PID pada penelitian ini. Pada penelitian ini, dilakukan perancangan sistem pengendalian leel dan sistem interlock. Untuk penentuan parameter kontrol PID yang dilakukan adalah dengan metode Ziegler-Nichols diperoleh nilai Kp,4; Ti,16 dan Td,4 pada primary loop dan Kp1,7 ; Ti,55 dan Td,14 pada secondary loop. Kemudian dilakukan pengujian dan analisa sistem pengendalian leel dan interlock dan didapatkan bahwa respon sistem pengendalian leel dan interlock stabil dengan maximum oershoot (Mp) 1%, settling time (Ts) 98 detik, peak time (Tp) 45 detik, rise time (Tr) detik dan error steady state (Ess), %. Sedangkan respon yang dihasilkan oleh sistem interlock mengindikasikan trip bila leel air melebihi batas atas maksimal sistem yang sudah ditentukan yaitu,9 meter dan kembali ke kondisi normal membutuhkan waktu 4 detik leel air terlalu tinggi bisa berpengaruh pada steam yang dihasilkan masih mengandung uap air yang bisa menyebabkan korosif pada sudu-sudu turbin. Namun demikian kinerja sistem pengendalian leel yang ada belum bisa bekerja secara optimal bila terjadi disturbance dan load yang tinggi, disturbance diakibatkan oleh tekanan pompa feedwater yang besar menyebabkan leel air disteam drum selalu berfluktuasi. Load yang tinggi menyebabkan loss pressure didalam steam drum yang semuanya berpengaruh pada hasil produk proses yaitu kualitas steam. Selain itu belum optimalnya sistem safety yang digunakan karena masih menggunakan manual alarm dan manual shutdown. Maka dari itu konfigurasi tiga element kontrol berbasis PID yang dilengkapi sistem interlock leel dan pressure dipilih untuk menggantikan satu element kontrol yang masih berbasis PI sebelumnya telah digunakan karena kinerjanya masih belum optimal untuk mengatasi masalah diatas. II. URAIAN PENELITIAN A. Alur Penelitian Langkah-langkah yang dilakukan pada tugas akhir ini dapat dijelaskan melalui flowchart berikut. Kata Kunci Steam drum, Leel, Interlock, PID I. PENDAHULUAN ALAM rangka proses reitalisasi yang dilakukan oleh DPTPN X (Persero) terhadap pabrik gula di propinsi jawa timur yang bertujuan untuk meningkatkan kuantitas dan kualitas gula lokal di pasaran dalam negeri. Salahsatu proses yang penting untuk diperhatikan demi terjaganya kualitas proses yang lain hingga keluaran produk di industri gula adalah proses produksi uap dari stasiun ketel atau boiler. Steam/uap di industri pembuatan gula digunakan dibanyak proses seperti sebagai penggerak mesin grinding di stasiun gilingan, menggerakkan turbin uap di stasiun pembangkit listrik, menggerakkan pompa-pompa mesin uap dan sebagai supply pemanas pada heater, proses eaporasi di stasiun penguapan dan proses pemasakan di stasiun masakan. Leel air di steam drum senantiasa harus dijaga agar selalu sesuai set point yang ditentukan. Bila leel air tidak terjaga dengan baik, maka drum bisa oerheated yang bisa menimbulkan kebocoran pada pipa-pipa boiler bila leel air terlalu rendah dan apabila Gambar 1 metodologi penelitian
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No. 1, (1) ISSN: 7-59 (1-971 Print) B. Diagram Blok Sistem Diagram blok sistem dibuat berdasarkan gambar P&ID proses. Dimana : L : olume liquid dalam tabung A : luas area tabung W t : luas permukaan cairan L : panjang tabung h : ketinggian cairan Gambar P&ID rancangan sistem pengendalian leel Gambar Diagram Blok C. Pemodelan Steam Drum Untuk memodelkan steam drum digunakan hukum kesetimbangan massa. Dengan menggunakan persamaan hukum kesetimbangan massa (kontinuitas), maka model matematis proses Steam Drum dapat dimodelkan sebagai berikut. Akumulasi olume dalam Tangki Debit masuk Jadi hukum kesetimbangan massa yang digunakan untuk memodelkan proses dalam steam drum adalah Karena laju perubahan massa dalam steam drum dibagi dalam fase yaitu liquid/cair dan apor/uap, maka persamaannya menjadi: d L d ρ w + ρ m w m (.1) dimana: d ρ L laju perubahan massa liquid dalam Steam Drum w d ρ laju perubahan massa apor dalam Steam Drum m w laju massa water input m laju massa apor output Untuk fungsi leel air dalam steam drum dapat dicari melalui hubungan olume tanki dengan ketinggian fluida. dl dh dh A Wt L (.) Gambar 4 Pendekatan dimensi olume tabung Jadi hubungan antara olume dan ketinggian cairan pada tangki didapatkan persamaan : d dh L ( D h) h. L (.) Sedangkan fungsi apor dalam steam drum boiler dapat dinyatakan dengan persamaan: d dh ( tot 7,74) (.4) Sehingga persamaan diatas menjadi: d dh dh d ρ w. 7,74 + ρ.4,68 ( m w m ) d h d h d ρ w.7,74 + ρ 4,68 ( m w m ) Kemudian persamaan diatas didekati dengan transformasi laplace: ( ρ w. 7,74 + ρ 4,68) sh ( s) ( m w ( s) m ( s)) H ( s) ( m w ) ( ρ.7,74 + ρ 4,68)s w ( s) m ( s) (.5) D. Pemodelan Matematis Kontroller Secara matematis mode kontrol PID dapat dituliskan sebagai berikut : 1 Gc( s) Kp 1+ + T s (.6) d Ti s E. Pemodelan Matematis Aktuator hal ini, control ale memiliki masukan sinyal berupa arus listrik kemudian diubah menjadi tekanan melalui I/P Conerter yang mengubah sinyal input 4- ma menjadi sinyal pneumatic -15 psig untuk menggerakkan stem control ale. Karakteristik dari control ale adalah equal percentage normally close. Model matematik control ale diperoleh dengan persamaan: Gc xu ( s) M ( s) (.7) τ cs + 1 Dengan, M (s) Manipulated ariable (kg/s)
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No. 1, (1) ISSN: 7-59 (1-971 Print) G c Sinyal masukan ke control ale (ma) Gain total Control ale Time konstan control ale (s) Time Constant efektif control ale diperoleh berdasarkan hubungan waktu stroke, perfreksional terhadap posisi ale dan perbandingan konstanta waktu inferent terhadap waktu stroke yang dinyatakan: dengan C ( R ) T T. + (.8) T time constant control ale () C T waktu stroke penuh (1, ) R perbandingan konstanta waktu inerent Sehingga pemodelannya menjadi: Ms( s),756 Gτ s 1,79s + ( ) 1 F. Pemodelan Matematis Sensor dan Transmitter Flow Transmitter Di dalam system pengendalian leel steam drum, menggunakan dua buah sensor flow transmitter. Yaitu Feedwater keluaran dari Deaerator yang dialirkan menuju steam drum (FT-11A), dan yang kedua digunakan untuk mendeteksi laju aliran steam keluaran steam drum (FT- 1A). Sehingga pemodelannya menjadi: I( s),76 L( s),s + 1 Leel Transmitter Leel yang diukur oleh Leel Transmitter adalah leel atau ketinggian dari liquid yang terdapat pada steam drum. Leel Transmitter yang digunakan merupakan jenis D/P transmitter, yang mentransmisikan signal sebesar 4- ma DC. Measurement length LT 1 adalah ± 5 mm dan time konstan sebesar, detik, sehingga pemodelannya menjadi: I( s) 16 L( s),s + 1 G. Penentuan Parameter Kp,Ti, Td dengan metode Routh Hurwitzh Pada sistem pengendalian leel yang menggunakan elemen menggunakan jenis controller PID dan untuk menentukan nilai elemen PID yang meliputi nilai Kp, Ti dan Td digunakan pendekatan sistem pengendalian cascade atau bertingkat dengan melakukan tuning pada primary loop atau master dan pada secondary loop atau slae. Persamaan pada secondary loop: P ( s) Kp(,756)( 1,479s + 1) SP( s),4s +,48s + 1,479s + (1 +,46Kp) Persamaan karakteristik:,4s +,48s + 1,479s + (1 +,46Kp) Metode Routh-Hurwitz untuk menentukan nilai Kp kritis atau Kcr. 1+,46Kp >,46Kp < 1 Kp <,9 Nilai Kp yang memenuhi syarat kestabilan adalah <Kp<,9.. Nilai KP kritis sistem (Kcr) adalah,9. Periode (Pcr) dari sistem yang berosilasi saat nilai Kcr dimasukkan adalah 5 detik. Hasil Tuning Ziegler-nichols: Kp 1,7, Ti,5 dan Td,65 Jadi persamaan karakteristik secondary loop:,1s 4 + 1,176s +,69s +,5s +,51 Persamaan Karakteristik primary loop: 5 4 1,s + (1799,9 +,8kp) s + (9764,87 + 1,47Kp) s + (1748,8 +,19Kp) s + (1755,6 +,8Kp) s +,6 Berdasarkan Tabel perhitungan metode Routh Hurwitzh Primary Loop dapat diketahui nilai Kcr. 976,4+14,7Kp > 14,7Kp < 976,4 Kp < 66, Dengan menggunakan metode tuning Ziegler- Nichols, maka diperoleh nilai parameter PID sebagai berikut: Kp,4;Ti,5 dan Td,56. Jadi parameter PID dari Primary Loop atau LIC didapat nilai Kp,4; Ti,5 dan Td,56, sedangkan Untuk Secondary Loop atau FIC Dengan nilai Kp1,7 ; Ti,5 dan Td,65. Gambar 5 closed loop sistem pengendalian leel dan interlock III. ANALISIS DAN PEMBAHASAN A. Uji Open Loop Hubungan Leel dan Pressure dalam Steam drum.5 1.5 1.5 1 4 5 6 leel
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No. 1, (1) ISSN: 7-59 (1-971 Print) 4 Pressure(kgf/cm) 1 1 8 6 4 Pressure 1 4 5 6 Gambar 6 Hasil respon leel dan pressure pada uji open loop hubungan leel dan pressure dalam steam drum Dari kedua gambar diatas dapat dijelaskan bahwa hasil respon dari uji open loop hubungan leel dan pressure dalam steam drum mengalami kenaikan terus menerus kecuali pertama kali saat start-up karena membutuhkan waktu untuk peningkatan suhu fluida atau dari kedua ariabel yang diuji dan dibandingkan terdahap fungsi waktu didapatkan grafik linier atau berbanding lurus terhadap fungsi waktu. terdapat perubahan kecil nilai maximum oershoot dan settling time pada saat perubahan nilai setpoint dari respon yang dihasilkan. C. Uji Perbandingan Sistem Pengendalian leel hasil perancangan dengan sebelum perancangan Dalam uji perbandingan respon sistem pengendalian leel sebelum perancangan yang menggunakan single element mode PI akan dibandingkan dengan respon sistem pengendalian leel dengan tiga elemen mode PID dengan set point pada kondisi leel air normal yaitu sebesar,5 meter, berikut gambar respon perbandingan kedua jenis kontrol tersebut seperti dibawah ini..8.7.6.5.4. B. Uji Set point Sistem pengendalian leel dengan element mode PID Dalam hal ini untuk menguji tingkat keakuratan respon yang dihasilkan, maka digunakan setpoint yaitu,5 m dan,7 m. Berikut gambar respon tersebut di bawah ini..7.6.5.4...1 Set point 5 1 15 5 5 4 45 5 Gambar 7 sistem kontrol PID dengan setpoint,5 m.9.8.7.6.5.4...1 Setpoint 5 1 15 5 5 4 45 5 Gambar 8 sistem kontrol PID dengan setpoint,7 m Dari kedua gambar diatas menunjukkan sebuah respon yang stabil dengan respon berbentuk underdamp yang bisa mencapai setpoint dalam waktu tertentu. Kriteria pengendalian yang dapat diketahui dari respon diatas dengan setpoint,5 m yaitu nilai maximum oershoot (Mp) sebesar 1%, settling time (Ts) sebesar 5 detik, peak time (Tp) sebesar 1 detik, rise time (Tr) sebesar 1 detik dan error steady state (Ess) sebesar,1 atau 1 %. Sedangkan untuk setpoint,7 m didapatkan nilai maximum oershoot (Mp) sebesar 18%, settling time (Ts) sebesar 5 detik, peak time (Tp) sebesar 8 detik, rise time (Tr) sebesar 14 detik dan error steady state (Ess) sebesar,1 atau 1 %. Jadi bisa disimpulkan bahwa..1 Single element (PI) element (PID) Set Point 5 1 15 5 5 4 45 5 Gambar 9 perbandingan sistem pengendalian leel single dan tiga element kontrol Dari perbandingan kedua respon diatas memang jenis kontrol element lebih unggul daripada single element yang telah digunakan pada plant sebelumnya. Single element memiliki maximum oershoot (Mp) yang lebih besar yaitu 8%, peak time juga lebih besar (Tp)496 s, rise time juga lebih besar (Tr)6 s, settling time juga lebih besar55 s dan error steady state (Ess)%. Dari kriteria yang disebutkan diatas dapat diketahui bahwa proses dalam steamdrum yang dikendalikan dengan single element kontrol mode PI sudah baik tapi membutuhkan waktu yang lama untuk menjadikan proses lebih stabil. D. Uji Sistem Interlock Setelah melakukan uji pada sistem pengendalian untuk stabilitas proses atau BPCS, dilanjutkan uji sistem interlock yang diperlukan untuk pengamanan proses yang ada. Berikut gambar dibawah ini adalah respon sistem interlock yang telah dirancang. 1.8.6.4. Setpoint 5 1 15 5 5 4 Gambar 1 sistem interlock Dari gambar respon diatas dapat dijelaskan bahwa respon sistem pengendalian interlock bekerja pada range leel,9 m atau HHL (High-High Leel). tiba-tiba naik saat permintaan beban naik yang menyebabkan pressure dalam
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No. 1, (1) ISSN: 7-59 (1-971 Print) 5 steam drum tinggi juga sehingga menyebabkan fluida berfluktuasi melebihi batas atas aman leel yaitu,9 m. berhenti diangka di titik leel,9 menandakan bahwa plant tersebut trip/shutdown dibatas atas aman plant. Peristiwa seperti ini bisa disebabkan swell effect yang biasanya membuat fiksi leel fluida dalam steamdrum sehingga sistem langsung trip/shutdown dengan otomatis. Kemudian kembali ke kondisi awal atau normal yang mengindikasikan bahwa leel kembali kondisi normal yang membutuhkan waktu 4 detik. E. Pengujian Perancangan Sistem Uji Tracking.7.6.5.4...1 Setpoint 5 1 15 5 5 4 45 5 Gambar 11 Perbandingan respon uji tracking set point sistem Dari gambar diatas dapat dijelaskan dengan set point yang diubah-ubah yaitu,5 meter;,6 meter dan,4 meter dengan uji tracking set point, respon mengikuti kenaikan dan penurunan set point yang diberikan hanya terjadi perbedaan pada nilai maximum oershoot dan setling time. Pada saat set point dinaikkan respon memiliki setling time yang lebih lama dibandingkan dengan pada saat kondisi set point awal dan saat diturunkan, tetapi perbedaan setling time pada kenaikan dan penurunan begitu signifikan. Untuk keterangan respon uji tracking set point sistem pengendalian leel ini dapat dilihat pada tabel 4.1 dibawah ini Tabel 4.1 uji tracking set point (,5 meter,,6 meter dan,4 meter) Sp(m) Ts (s) Tr (s) Tp (s) Mp (%),5 98 45 1,6 995 8 5 4 Uji Beban.7.6.5.4...1 sebelum setelah set point 5 1 15 5 5 Gambar 1 sistem pengendalian leel dengan uji penambahan beban dan disturbance Dari gambar diatas respon yang dihasilkan dari uji penambahan beban pada proses tidak begitu banyak membuat perubahan pada proses, kecuali maximum oershoot lebih kecil yaitu sebesar 1%, settling time (Ts) lebih pendek yaitu sebesar 79 detik, peak time (Tp) sebesar 45 detik dan rise time sebesar 18 detik. Dari respon yang dihasilkan baik dari uji tracking maupun uji beban dan gangguan bisa disimpulkan bahwa jenis kontrol element dengan mode PID sudah mampu mengatasi permasalahan yang biasanya terjadi di sistem pengendalian leel dalam steam drum, dan memang merupakan keunggulan dari jenis kontrol ini adalah mampu mengatasi perubahan load dan disturbance secara kontinu. I. KESIMPULAN/RINGKASAN Setelah melakukan perancangan sistem pengendalian leel pada steam drum dengan element kontrol di PG. Gempolkrep Mojokerto dapat disimpulkan beberapa hal antara lain: 1. yang dihasilkan oleh sistem pengendalian leel dengan jenis element mode PID yang telah dirancang mempunyai maximum oershoot (Mp) sebesar 1%, settling time (Ts) sebesar 98 detik, peak time (Tp) sebesar 45 detik, rise time (Tr) sebesar detik dan error steady state (Ess) sebesar, atau, %. yang dihasilkan oleh sistem interlock yang telah dirancang mengindikasikan trip bila leel air melebihi batas atas maksimal sistem yang sudah ditentukan yaitu,9 meter dan kembali ke kondisi normal membutuhkan waktu 4 detik.. Dari semua pengujian yang dilakukan terhadap sistem pengendalian leel jenis element mode PID pada steam drum, semuanya menunjukkan tingkat kestabilan dengan nilai dan persentase tertentu. Jadi sistem pengendalian sudah cocok untuk diaplikasikan pada plant ini yang kondisi proses sangat dipengaruhi oleh disturbance dari pressure input dan permintaan beban yang tinggi. DAFTAR PUSTAKA [1] Gunterus, Frans. 1994. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses, Elex Media Komputindo, Jakarta. [] Incropera, Frank P. 1996. Fundamentals of Heat and Mass Transfer: Fourth Edition, John Willy & Sons, Inc,USA. [] Abdurrahman, Wahid.11. Perancangan Sistem Pengendalian Leel dan Interlock Steam drum Dengan Dua Elemen Kontrol Di PT. Indonesia Power UBP Sub Unit Perak. Teknik Fisika, ITS [4] Wahyudianto, Eko.11. Perancangan Sistem Pengendalian Bertingkat pada Steam Drum PT. Indonesia Power UBP Sub Unit Perak-Grati. Teknik Fisika, ITS [5] Dery Dwi Hananto, "Perancangan Sistem Pengendalian Leel pada HP Feedwater Heater dengan Metode Cascade dan Oerride di PT.IPMOMI, Paiton Jawa Timur, Teknik Fisika, ITS
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No. 1, (1) ISSN: 7-59 (1-971 Print) 6 [6] Mihai Iacob and Gheorghe-Daniel Andrescu, Drum- Boiler Control System Employing Shrink and Swell Effect Remission in Thermal Power Plants, Dept. Of Automation and Apllied Informatics, Politecnica Uniersity of Timisoara Romania [1] Min Xu, Shaoyuan Li, Wenjian Cai, Cascade Generalized Predictie Control Strategy for Boiler Drum Leel, Institute of Automation, Shanghai Jiao Tong uniersity, Shanghai