bp-metodologi ta - copy

7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy

1/18

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Alur Penelitian

Pada bab ini dijelaskan secara terperinci alur penelitian

seperti yang terlihat pada gambar 3.1 yaitu flowchart (diagram

alir) peneltian. Pada langkah pertama dilakukan studi literatur

mengenai safety instrumented system (SIS) dan control hybrid

fuzzy-PID guna untuk dilakukannya simulasi kontrol dan safety

yang terintegrasi pada plant steam separator di PT. PGE

Kamojang. Berikutnya akan dilakukan tinjauan plantdi PT. PGE

Kamojang untuk kepentingan pengambilan data dan mengetahui

kondisi langsung di lapangan. Setelah pengambilan data maka

pemodelan plant steam separator bias dibuat dengan

menggunakan prinsip kesetimbangan gas dan liquid yang berlaku

untuk separator dua fase (gas-liquid), pemodelan juga dilakukan

untuk memodelkan control valve transmitter dan semua

instrument yang digunakan di plant tersebut. Pemodelan steam

separator yang telah dibuat akan dilakukan validasi apakah

pemodelanplanttersebut sudah cocok atau valid seperti yang adadi lapangan langsung. Valid atau tidaknya pemodelan tersebut

akan dilihat dari output pressure yang keluar dari steam

separatorapakah sama dengan output steam separatoryang ada

di PT. PGE Kamojang berdasarkan data yang telah diambil.

Langkah selanjutnya setelah melakukan validasi dari

pemodelan plant adalah merancang sistem kontrol dan safety

padasteam separator. Perancangan sistem kontrol menggunakan

metode control hybrid fuzzy-PID dengan menentukan parameterPID terlebih dahulu sebelum digabungkan dengan logika fuzzy.

Sistem kontrol yang telah dibuat akan dilakukan pengujian

apakah mampu mengendalikan variable sistem yang berupa

tekanan sesuai dengan setpoint yang diberikan. Apabila sistem

kontrol mampu mengendalikan variable tekanan sesuai dengan

setpoint yang diberikan maka akan dirancang sistem safety

dengan memberikan tambahan gangguan dengan menaikkan

temperatur steam, dan apabila sistem kontrol tidak mampu16


2/18

2

mengendalikan variable tekanan pada plantmaka alur penelitian

kembali ke pemodelanplant, control valvedan transmitter.

Gambar dibawah ini adalah gambar dari diagram alir(flowchart) dari penelitian yang dilakukan.

Gambar 3.1 Diagram alir metodologi penelitian

3.2 PemodelanSteam Separator


3/18

3

Dalam pemodelan steam separator akan dilakukan

pemodelan yang diusahakan sesuai denganplantyang sebenarnya

di lapangan dengan menggunakan software MATLAB R2009a.Pemodelan dilakukan dengan melihat dari kesetimbangan variable

fase yang di pisahkan (gas-liquid). Dengan melihat bagaimana

kesetimbangan gas dan liquid maka dapat diketahui bagaimana

level separator, level gas dalam separator, dan level liquiddalam

separator, selain itu nilai keluaran steam yang keluar dari

separator akan diketahui nilanya.

Pemodelan yang digunakan adalah sesuai dengan

rekomendasi dari penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh

Anike Purbawati yaitu dengan mengganti peletakan control valve

yang sebelumnya diletakkan sebelum steam separator menjadi

diletakkan setelah steam separator. Hal ini dilakukan dengan

alasan bahwa dari perubahan struktur kontrol separator tersebut

sangat mempengaruhi kinerja dari sistem pengendalian tekanan

keluaran steam separator (Purbawati, Anike, 2012). Gambar

dibawah adalah struktur dari control steam separator

rekomendasi penelitian sebelumnya.


4/18

4

Gambar 3.2 Rekomendasi struktur kontrolsteam separator(Purbawati, Anike, 2012)

3.2.1 Pemodelan input aliran steam ke separator

Hal pertama yang dibuat dalam pemodelan steam

separator adalah pemodelan input aliran steam ke separator

dengan memisahkan dua fase yang berbeda yaitu fase gas dan

fase liquidkarena didalamsteam separatorterjadi pemisahan dua

fase tersebut.Seperti yang sudah dijelaskan di bab sebelumnya

mengenai kualitas steam yang terdapat di PT. PGE Kamojang

adalah 99,99%, oleh karena itu dibuat aliran gas yang masuk ke

separator adalah Qtot yang masuk dikalikan dengan 0,99 dan aliran

liquid yang masuk ke dalam separator adalah sisanya yaitu Q totdikalikan dengan 1-0.99.

Berikut adalah hasil simulink masukkan aliran steam

menggunakan software MATLAB R2009a.


5/18

5

Gambar 3.3simulinkpemodelan masukkan aliransteamke separator

3.2.2 Kesetimbangan liquid

Pada pemodelan steam separator diperhatikan suatu

kesetimbangan liquid didalam separator untuk mengetahui

bagaimana perubahan tinggi (level) liquid didalam separator

dengan mengacu dari banyaknya aliran liquid yang masuk

dengan aliran yang keluar dibagi dengan luas separator.Dalam model matematisnya dapat dilihat sebagai berikut :

dM

dt

.Q

Out. Qout (3.1)

L ,L , Out.QL , outL , .Q

L d VLdt

(3.2)

Karena liquidyang dihasilkan adalah air maka dan Outsama, maka di semua ruas dihilangkan :


6/18

6

L ,QL ,outd VL

dt Q(3.3)

L ,QL ,outAd hL

dtQ

(3.4)

hLQL.inQL.out

Adt (3.5)

Karena terdapat resistansi valve pada output liquid maka:

RLd hL

d QL , outR

d hL

d QL ,out

(3.6)

Berikut adalah hasil dari simulink dari kesetimbangan massa

liquidyang hasilnya adalah level liquidyang ada didalam steam

separator:

Gambar 3.3 simulink kesetimbangan massa liquiddidalamsteamseparator

3.2.3 Kesetimbangan gas

Kesetimbangan massa gas dalam steam separator

mengggunakan penurunan dari rumus dasar gas idealP VGnGRT . Dari rumus tersebut didapatkan hubungan

anatara laju perubahan tekanan steam separator terhadap


7/18

7

laju perubahan jumlah mol gas dan laju perubahan volume

gas, yaitu:

VGdP

dtRT

d nG

dtP

d VG

dt (3.7)

Untuk laju perubahan mol gas didapatkan dari rumus :G ,QG ,out

Q

d nG

dt

(3.8)

Substitusi persamaan (3.8) ke dalam persamaan (3.7)

diperoleh hubungan laju perubahan tekanan separator

terhadap laju perubahan volume gas dan liquid yaitu :

G ,QG ,outQ

VGdP

dtRT

G

MG

(3.9)

Karena pemodelan plant menggunakan pemodelan

rekomendasi dari penelitian sebelumnya yang merubah

posisi control valve menjadi setelah separator maka

perubahan volume gas didalam separator sama denganaliran gas yang keluar dari separator yang terdapat resistansi

pada pipa karena adanya valve sehingga flow steam output

steam separator dimodelkan sebagai berikut:

VgQg , outd hg

Rg(3.10)


8/18

8

resistansi Rg ini karena terdapat valve pada output

steam separator (rekomendasi) karena Control valve akan

lebih sensitif bekerja jika diposisikan di output steamseparator daripada diposisikan pada input separator.

Berikut adalah gambar dari hasil pemodelan

kesetimbangan massa gas didalam steam separatordengan

menggunakan simulink berdasarkan dari penurunan rumus

yang telah dijabarkan diatas.

Gambar 3.4 Pemodelan kesetimbangan gas didalamsteam

separator

3.2.4 Pemodelan Level GasPemodelan tinggi (level) gas dan liquid didalam steam

separatordidapat dari rumus :

VsepVgasVL (3.11)h

vgas hLuAA.hsep

(3.12)


9/18

9

Maka, didapat level gas dan liquid :hgashsep hL (3.13)

Berikut hasil pemodelan dari level gas didalam separator.

Gambar 3.5 Pemodelan level gas didalam steam separator

Setelah dilakukan pemodelan dari variable-vaH

vGLCCHu

4d

2

VG

riabel yang ada pada steam

separator, maka berikut adalah hasil pemodelan dari steam

separator.


10/18

10

Gambar 3.6 Simulink pemodelansteam separator

Nilai parameter yang digunakan dalam penelitian ini diambil

dari data lapangan di PGE Kamojang. Nilai parameter tersebut

ditunjukkan pada tabel 3.1.

Tabel 3.1. Nilai parameter modelsteam separator

Luas Separator (A) 4.67 m2

Tinggi separator (h) 7.63 m

Temperatursteam (TC) 194.29CMassa jenis liquid (liq) 1000 kg/m3

Massa jenissteam (g) 1225 kg/m3

Massa jenis relative gas (Mr) 18 kg/mol

Resistansi outputsteam (Rs) 0.3267 s/m2

Resistansi output liquid (RL) 0.083 s/m2

3.3. Katup Pengendali (control valve)


11/18

11

Control valve yang digunakan type butterfly dengan model

DVC6030, Fisher, dan karakteristik valve equal percentage.

Valve tipe ini cara kerjanya adalah dengan memutar piringan(disk) pada sumbu utamanya untuk membuka atau menutup jalan

fluida. Gerakan memutar ini mirip dengan gerakan mengepak

pada kupu-kupu, sehingga dinamakan butterfly valve. Control

valve yang digunakan pada plant steam separator ini mempunyai

karakteristikequal-percentage. Hubungan antara opening Control

valve denganflow discharge Control valve eksponensial. Karena

karakteristik yang equal percentage ini menyebabkan

penghitungan gain dari Control valve tidak dapat menggunakan

rumus yang umum digunakan. Oleh karena itu untuk memodelkan

gain Control valve digunakan hubungan antara sinyal control,

pressure (sinyal pneumatic), opening valve dan flow discharge

dicharge control valve.

3.3.1 Hubungan sinyal kontrol dengan opening valve

Hubungan antara sinyal kontrol (mA) dan opening Control

valve adalah linier. Hal ini berarti ketika sinyal kontrol bernilai 4

mA, maka opening dari Control valve adalah 0%. Kenaikansinyal kontrol hingga maksimum 20 mA akan diimbangi kenaikan

opening Control valve secara konstan. Untuk mencari persamaan

yang menyatakan hubungan antara sinyal control dan opening

valve, digunakan persamaan linear sebagai berikut:

%opening valve01000

mA 420 4

%opening valve6,25x mA 25 (3.14)

3.3.2 Hubungan antara opening Control valve dengan debit

aliran yang masuk.

Control valve yang digunakan type Butterfly dengan model

DVC6030, Fisher, dengan aktuator jenis piston, posisioner I/P

dan karakteristik valve equal percentage. Untuk mengetahui

fungsi karakteristik valve digunakan data dari lapangan yang


12/18

12

dilakukan di PT. PGE Kamojang adalah valve dibuka pada

kondisi 40-44% untuk menjaga kestabilan sistem.

Untuk equal-percentage valve hubungan antara%opening valve dengan flow discharge secara umum dinyatakan

dalam persamaan sebagai berikut:

f vx ux1

(3.15)

ketika bukaan valve 100% menghasilkan flow maksimum sebesar

470 l/h (datasheet) dan pada saat bukaan valve 43,339

menghasilkan flow sebesar 430 l/h, maka diperoleh nilai1.169 sehingga persamaan di atas menjadi:

f vx u1.169v

x100

u 1(3.16)

Gambar 3.11 Pemodelangaincontrol valveberdasar hubungan

opening valve dan sinyal control

Untuk mencari fungsi transfer dari control valve tersebut,

digunakan persamaan seperti persamaan (2.3):

cvTVT VRv V (3.17)


13/18

13

Dimana : TVYc

Cv

cv1.05

0.39 Tv4700u

4700.3V (3.18)

Sehingga pemodelan keseluruhan pada control valve sebagai

berikut:

Gambar 3.12 Pemodelan control valvepada simulink

3.4 Pressure Transmitter

Pressure Transmitter yang digunakan adalah gauge pressure

transmitter model EJA530A produk Yokogawa untuk mengukursteam

pressure (Kamojang, 2007).


14/18

14

Gambar 3.7. Gauge Pressure Transmitter model EJA530A

Range pengukuran yang mampu dilakukan adalah 0 20 bar

sedangkan output signal berupa arus sebesar 4-20 mA DC dengan

komunikasi digital (HART protokol). Transmitter ini memiliki

damping time constant (st order) untukcapsule silicon oiljenis B

yaitu sebesar 0,2 detik.

Nilai gain transmitter :

0.8mA

Gv20 4

20

mA

(3.14)

Karena untuk gauge Pressure Transmitter pada datasheetmerupakan first ordersehingga pemodelannya sebagai berikut:

Ivsu

Pvsu

0.8

0.2s1(3.15)

Berikut tampilan simulink dari gauge pressure Transmitter


15/18

15

Gambar 3.8 Simulink pressure transmitter

3.5 Pembuatan algortima PID

Sebelum menentukan parameter PID hal pertama yang

dilakukan mencari nilai fungsi transfer plant. Untuk mencari

fungsi transfer plant dilakukan percobaan open loop untuk

mengetahui bagaimana respon untuk dilihat nilai s dan gain dari

plant. Nilai gain didapat dari persamaan linier antara span output

dengan span input.

K

outputmax outputmin

inputmax inputmin

10.230

18.20

(3.16)

K10.23

18.20,56

(3.17)


16/18

16

Setelah didapatkan nilai, selanjutnya dicari nilai time

constant(s) dengan cara melihat grafik ketika kondisisteady dannilai yang didapatkan ketika kondisi steady adalah 10,23. Time

constant (s) didapatkan dari 63% kondisi steady respon plant

tersebut. Nilai time constant didapatkan sebesar 6,449. Maka

fungsi transfer dariplantdidapatkan sebagai berikut.

Gp0,56

6,45s1(3.18)

3.5.1 Tuning Parameter PID dengan metode direct synthesis

Setelah didapatkan fungsi transfer dari plantselanjutnya

dilakukan tuning untuk mencari parameter PID yang terbaik

untukplant. Hal pertama yang dilakukan adalah menentukan

frekuensi natural karakteristik n dengan gain pengendali sama

dengan 1. Dengan menggunakan frekuensi natural criteria 0,5%.

Tsv 0,5 u 5 n(3.19)

Dari uji open loop didapatkan nilat Ts= 169, maka hasil

dari perhitungan didapatkan damping ratio 0,1

n0,29 . Setelah didapatkan nilai frekuensi natural dari

plant selanjutnya dilakukan penentuan parameter P,I,dan D

dengan menggunakan indeks performansi ITAE untuk input step.

Dengan cara memasukkan nilai n didapatkan nilai P,I, dan

D.

Gambar 3.9 diagram blok pengendalian

0,56

6,449s1

KPs

s


17/18

17

Fungsi transfer dari diagram blok diatas adalah:

Ti vs u0,56KPs0,56 Ki

6,45s2v0,56Kp1 us0,56Ki

(3.20)

Parameter PID didapatkan dari perhitungan denumerator

persamaan yang disubtitusikan ke koefisien index performansi

ITAE untuk input step adalah:

s21,4nsn (3.21)

Dari nilai denumerator yang disubtitusikan ke koefisien index

performansi ITAE didapatkan

0,56 Kin ; n0,29 (3.22)

Ki 0,517

Setelah dapat nilai Ki maka selanjutnya dihitung nilai Kp dengan

cara yang sama.

v0,56Kp1 us1,4 n; n= 0,29 (3.23)Kp0,010


18/18

18

bp-metodologi ta - copy

Documents