PERANCANGAPERANCANGAPERANCANGAPERANCANGAN N N N SISTEM PENGENDALIAN SISTEM PENGENDALIAN SISTEM PENGENDALIAN SISTEM PENGENDALIAN LEVELLEVELLEVELLEVEL

PADA PADA PADA PADA GLYCOL CONTACTORGLYCOL CONTACTORGLYCOL CONTACTORGLYCOL CONTACTOR BERBASIS BERBASIS BERBASIS BERBASIS SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE

DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMDISTRIBUTED CONTROL SYSTEMDISTRIBUTED CONTROL SYSTEMDISTRIBUTED CONTROL SYSTEMCENTUMCENTUMCENTUMCENTUMCS3000 CS3000 CS3000 CS3000

DENGANDENGANDENGANDENGAN SELF TUNING PID SELF TUNING PID SELF TUNING PID SELF TUNING PID PADAPADAPADAPADADEHIDRATION DEHIDRATION DEHIDRATION DEHIDRATION

UNITUNITUNITUNITDI DI DI DI KANGEAN ENERGY INDONESIA LTDKANGEAN ENERGY INDONESIA LTDKANGEAN ENERGY INDONESIA LTDKANGEAN ENERGY INDONESIA LTD

OlehOlehOlehOleh ::::

Seminar Seminar Seminar Seminar TugasTugasTugasTugas AkhirAkhirAkhirAkhir

OlehOlehOlehOleh ::::

SulhanSulhanSulhanSulhan EfendiEfendiEfendiEfendi 2406100056240610005624061000562406100056

DosenDosenDosenDosen PembimbingPembimbingPembimbingPembimbing ::::

HendraHendraHendraHendra Cordova, ST. MTCordova, ST. MTCordova, ST. MTCordova, ST. MT

JURUSAN TEKNIK FISIKAJURUSAN TEKNIK FISIKAJURUSAN TEKNIK FISIKAJURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYASURABAYASURABAYASURABAYA

2010201020102010

Latar BelakangLatar BelakangLatar BelakangLatar Belakang

•Gas H2O adalah suatu gas yang mudah membeku jika terkena

temperatur yang rendah.

•Dalam Glycol Contactor sendiri, plant yang digunakan untuk

mengabsorbsi kandungan H2O 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,otomatis mengukur karakteristik statik dan dinamik plant,

sehingga diperoleh optimal control dalam proses tersebut.

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.

Perumusan MasalahPerumusan MasalahPerumusan MasalahPerumusan Masalah

TUJUANUntuk 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 MasalahAdapun Pendekatan masalah yang digunakan pada penelitian ini

adalah :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.

Diagram Alir Penelitian

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 H2O ini adalah Triethylene Glycol (TEG).

Glycol Contactor (1)

memisahkan gas H2O ini adalah Triethylene Glycol (TEG).

Glycol Contactor (2)

Distributed Control System (DCS)Distributed Control System (DCS)Distributed Control System (DCS)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.

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.

Function Block pada Control Drawing

1. Self Tuning Controller (STC) PID BlockSTC-PID Block merupakan gabungan antara STC dan PID,digunakan untuk mengeset parameter P,I dan D secara otomatissehingga diperoleh optimal control pada karakter proses statis dandinamis dan mengurangi beban tuning pada saat mulai prosesawal.

2. LAG Block

LAG Block digunakan ketika melakukan proses pemfilteran

sinyal input atau untuk mensimulasikan karakteristik dari

proses.

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.

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.

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.

Persamaan Kesetimbangan Massa Glycol

Contactor

yixiyixi

xi VLVLdt

Md−−+=

+− 11

)(

• L = laju aliran cairan (kgmole/hr)

• V = Laju aliran gas (kgmole/hr)

• M = perpindahan massa cair dalam tiap kolom

• W = perpindahan massa gas dalam tiap kolom

• xi = mole zat terlarut dalam fase cair(mole terlarut/mole

cair)

• yi = mole zat terlarut dalam fase gas (mole terlarut/mole

gas)

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]

Pemodelan Matematis Proses

Dimana :

MB = Cairan yang tertahan pada dasar kolom.

FDR = Laju aliran dry gas (kg/mnt)

FWT = Laju aliran wet gas pada bagian stripping (kg/mnt)

FM = Laju aliran cairan yang meninggalkan dasar kolom

(kg/mnt)

FG = Laju aliran Triethylene Glycol (TEG) (kg/mnt)

Karena MB = ρAh maka persamaan menjadi :

Dengan :

ρ = Massa jenis cairan yang tertahan pada dasar kolom (kg/m3)

A = Luas melintang kolom (m2)

h = Ketinggian permukaan cairan (m)

Penyederhanaan persamaan menjadi :

Dengan :

Penyederhanaan persamaan menjadi :

Setelah memasukkan nilai-nilai variabel yang ada pada persamaan

diatas maka diperoleh :

Perancangan Perancangan Perancangan Perancangan Level Transmitter Level Transmitter Level Transmitter Level Transmitter

Secara umum, transfer function dari level transmitter dapat didekati

dengan sistem orde 1 sebagaimana persamaan dibawah ini :

1)(

+=

s

Ks

L

L

LT

LT

i

o

τ

Gain Transmitter dapat diperoleh sebagai berikut :

Besarnya time constant (τLT) adalah 0,76 detik

Sehingga persamaan transfer function level transmitter adalah

1+sL LTi τ

InputSpan

OutputSpanK LT

_

_=

176,0

39,12)(

+=

ss

L

L

i

o

Perancangan Perancangan Perancangan Perancangan Control ValveControl ValveControl ValveControl Valve

Adapun transfer function control valve dapat didekati dengan sistem orde

1 sebagaimana persamaan dibawah ini :

1)(

+=

CV

CV

i

o Gs

CV

CV

τ

Gain Valve dapat diperoleh sebagai berikut :

Besarnya time constant (τLT) adalah 1,79 detik

Sehingga persamaan transfer function control valve adalah

mAinputSpan

outputSpanGCV

16

1

_

_==

179,1

45,0)(

+=

ss

CV

CV

i

o

Perancangan Perancangan Perancangan Perancangan Function Block Diagram Function Block Diagram Function Block Diagram Function Block Diagram pada pada pada pada Control DrawingControl DrawingControl DrawingControl Drawing

Pada dasarnya Control Drawing mempunyai tujuan untuk mendefinisikan

algoritma pengendalian maupun monitoring yang akan dikerjakan oleh

sistem dengan saling mengkonfigurasikan function block terkait.

Diagram Blok Pengendalian Level Glycol

Contactor

CV

Design Human Interface Station (HIS) Design Human Interface Station (HIS) Design Human Interface Station (HIS) Design Human Interface Station (HIS) DisplayDisplayDisplayDisplay

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.

Simulasi DCSSimulasi DCSSimulasi DCSSimulasi DCS• Start-Up Plant

Tuning PID dengan Metode OsilasiTuning PID dengan Metode OsilasiTuning PID dengan Metode OsilasiTuning PID dengan Metode Osilasi

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• 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

Trend Respon dengan PITrend Respon dengan PITrend Respon dengan PITrend Respon dengan PI

Parameter PI

Set Point (mm) 600

Mv (%) 2,1

Ts (s) 117

Max. Overshoot (mm) 105,1

Ess (mm) 0,2

Trend Respon dengan STCTrend Respon dengan STCTrend Respon dengan STCTrend Respon dengan STC----PIDPIDPIDPID

Parameter PID

Set Point (mm) 600

Mv (%) 2,1

Ts (s) 57

Max. Overshoot (mm) 32,2

Ess (mm) 0,1

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.

Tracking Set Point dengan PITracking Set Point dengan PITracking Set Point dengan PITracking Set Point dengan PI

No Set Point

(%)

Mv

(%)

ts (detik) Max

(mm)

Ess

(%)

1 400 1,4 98 70,5 0

2 600 2,1 89 40,6 0

3 500 1,8 82 21,5 0

4 800 2,8 93 54,7 0

Tracking Set Point dengan STCTracking Set Point dengan STCTracking Set Point dengan STCTracking Set Point dengan STC----PIDPIDPIDPID

No Set Point

(%)

Mv

(%)

ts (detik)

Max

(mm)

Ess

(%)

1 400 1,4 59 21,2 0

2 600 2,1 55 11,3 0

3 500 1,8 53 5,6 0

4 800 2,8 58 16,5 0

Uji Penambahan Load 20% terhadap Tuning PIUji Penambahan Load 20% terhadap Tuning PIUji Penambahan Load 20% terhadap Tuning PIUji Penambahan Load 20% terhadap Tuning PI

Dari grafik di atas diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk kembali

pada kondisi steady sekitar 65 detik

Uji Pengurangan Load 20% terhadap Tuning PIUji Pengurangan Load 20% terhadap Tuning PIUji Pengurangan Load 20% terhadap Tuning PIUji Pengurangan Load 20% terhadap Tuning PI

Dari grafik di atas diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk kembali

pada kondisi steady sekitar 65 detik

Uji Penambahan Load 20% terhadap STCUji Penambahan Load 20% terhadap STCUji Penambahan Load 20% terhadap STCUji Penambahan Load 20% terhadap STC----PIDPIDPIDPID

Dari grafik di atas diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk kembali

pada kondisi steady sekitar 45 detik

Uji Pengurangan Load 20% terhadap STCUji Pengurangan Load 20% terhadap STCUji Pengurangan Load 20% terhadap STCUji Pengurangan Load 20% terhadap STC----PIDPIDPIDPID

Dari grafik di atas diperoleh waktu yang dibutuhkan untuk kembali

pada kondisi steady sekitar 45 detik

Simulasi Simulasi Simulasi Simulasi Self Tuning Controller Self Tuning Controller Self Tuning Controller Self Tuning Controller ––––PID PID PID PID

dengan MATLABdengan MATLABdengan MATLABdengan MATLAB

Adaptive Control pp2a_2Adaptive Control pp2a_2Adaptive Control pp2a_2Adaptive Control pp2a_2

Uji Trend Respon STCUji Trend Respon STCUji Trend Respon STCUji Trend Respon STC----PID dengan MATLABPID dengan MATLABPID dengan MATLABPID dengan MATLAB

Parameter PID

Set Point (mm) 600

Max. Overshoot (mm) 21,3

Ts (s) 37

Ess (mm) 0,1

Perbandingan Respon STCPerbandingan Respon STCPerbandingan Respon STCPerbandingan Respon STC----PID pada DCS PID pada DCS PID pada DCS PID pada DCS

dan MATLABdan MATLABdan MATLABdan MATLAB

Uji Uji Uji Uji DisturbanceDisturbanceDisturbanceDisturbance STCSTCSTCSTC----PID MatlabPID MatlabPID MatlabPID Matlab

Uji Penambahan Disturbance terhadap Uji Penambahan Disturbance terhadap Uji Penambahan Disturbance terhadap Uji Penambahan Disturbance terhadap

STCSTCSTCSTC----PID MatlabPID MatlabPID MatlabPID Matlab

•Max Over= 32

•Max Disturb= 6

KP= -0,1------(-61,2)/-64,9

Trend Respon Mode Tuning STCTrend Respon Mode Tuning STCTrend Respon Mode Tuning STCTrend Respon Mode Tuning STC----PID PID PID PID

dengan Disturbance pada Matlab (1)dengan Disturbance pada Matlab (1)dengan Disturbance pada Matlab (1)dengan Disturbance pada Matlab (1)

Ti= -3,185------0,8/0,825

Trend Respon Mode Tuning STCTrend Respon Mode Tuning STCTrend Respon Mode Tuning STCTrend Respon Mode Tuning STC----PID PID PID PID

dengan Disturbance pada Matlab (2)dengan Disturbance pada Matlab (2)dengan Disturbance pada Matlab (2)dengan Disturbance pada Matlab (2)

Td= -1,134-----0,1697/0,1688

PengujianPengujianPengujianPengujian Virtual Human Interface Virtual Human Interface Virtual Human Interface Virtual Human Interface

Station (HIS)Station (HIS)Station (HIS)Station (HIS)

Pengujian Alarm Warning Message Pengujian Alarm Warning Message Pengujian Alarm Warning Message Pengujian Alarm Warning Message

AnnounciatorAnnounciatorAnnounciatorAnnounciator

KESIMPULANKESIMPULANKESIMPULANKESIMPULANSetelah 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,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”.

SARANSARANSARANSARAN

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.

Daftar PustakaDaftar PustakaDaftar PustakaDaftar Pustaka

1. Astrom, Karl J. Wittenmark, Bjorn. Computer Controlled Systems.Prentice-

Hall International, Inc.

2. Yokogawa Electric Corp. 2003. Centum CS3000 Manual - Instruction Manual

IM 33S01B30-01E : Yokogawa Electric Corp, Tokyo

3. Gunterus, Frans. 1994. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Jakarta :

PT Elex Media Komputindo

4. Ogata, Katsuhiko.1996. Automatic Control I .New Jersey, USA : Prentice hall

5. Training Division, 2008. CENTUM CS3000 Training. ITS, Surabaya : PT.

Yokogawa Indonesia

6. Astrom, Karl J. and Hagglund, Tore. 1995. PID Controllers: Theory, Design, 6. Astrom, Karl J. and Hagglund, Tore. 1995. PID Controllers: Theory, Design,

and Tuning. Research Triangle Park, NC : Instrument Society of America

7. Bequette, B. Wayne. 1998. 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. 1999. Self-Tuning PID Controller. Department of Aumatic

Control, Faxculty of Technology Zlin: Czech republic.

TERIMA KASIHTERIMA KASIHTERIMA KASIHTERIMA KASIH

THANK YOUTHANK YOUTHANK YOUTHANK YOU

MATOR SAKALANGKONGMATOR SAKALANGKONGMATOR SAKALANGKONGMATOR SAKALANGKONG