Download - 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
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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.
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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.
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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 :
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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)
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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)
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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.
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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)
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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)
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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).
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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)
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
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
-
7/21/2019 Bp-metodologi Ta - Copy
18/18
18