Post on 01-Oct-2020
PERANCANGAN SISTEM KONTROL RASIO UDARA DAN BAHAN BAKAR PADA PEMBAKARAN BOILER WANSON DI PPSDM MIGAS
CEPU DENGAN PENGENDALI PID
SKRIPSI
TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI TEKNIK KONTROL
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
MUHAMMAD MALIK ABDULLAH
NIM. 135060307111023
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
FAKULTAS TEKNIK
MALANG
2017
LEMBAR PENGESAHAN
PERANCANGAN SISTEM KONTROL RASIO UDARA DAN BAHAN BAKAR PADA PEMBAKARAN BOILER WANSON DI PPSDM MIGAS
CEPU DENGAN PENGENDALI PID
SKRIPSI
TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI TEKNIK KONTROL
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
MUHAMMAD MALIK ABDULLAH NIM. 135060307111023
Skripsi ini telah direvisi dan disetujui oleh dosen pembimbing Pada tanggal 25 Juli 2017
Dosen Pembimbing I
Ir. Dipl. -Ing M. Rusli
NIP. 19630104 198701 1 001
Dosen Pembimbing II
Goegoes Dwi Nusantoro, ST., MT.
NIP. 19711013 200604 1 001
Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Elektro
M. Aziz Muslim, S.T., M.T., Ph.D. NIP. 19741203 200012 1 001
JUDUL SKRIPSI:
PERANCANGAN SISTEM KONTROL RASIO UDARA DAN BAHAN BAKAR PADA
PEMBAKARAN BOILER WANSON DI PPSDM MIGAS CEPU DENGAN
PENGENDALI PID
Nama Mahasiswa : MUHAMMAD MALIK ABDULLAH
NIM : 135060307111023
Program Studi : TEKNIK ELEKTRO
Konsentrasi : TEKNIK KONTROL
Komisi Pembimbing :
Ketua : Ir. Dipl. -Ing M. Rusli ..............................
Anggota : Goegoes Dwi Nusantoro, ST., MT. ..............................
Tim Dosen Penguji :
Dosen Penguji 1 : Dr. Ir. Erni Yudaningtyas, MT ..............................
Dosen Penguji 2 : M. Aziz Muslim, ST., MT., Ph.D ..............................
Dosen Penguji 3 : Ir. Purwanto, MT ..............................
Tanggal Ujian : 20 Juli 2017
SK Penguji : No.849/UN.10.F07/SK/2017
PERNYATAAN ORISINALITAS SKRIPSI
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa sepanjang pengetahuan saya dan
berdasarkan hasil penelusuran berbagai karya ilmiah, gagasan dan masalah ilmiah yang
diteliti dan diulas di dalam Naskah Skripsi ini adalah asli dari pemikiran saya. Tidak terdapat
karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik di
suatu Perguruan Tinggi, dan tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau
diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis dikutip dalam naskah ini dan
disebutkan dalam sumber kutipan dan daftar pustaka.
Apabila ternyata di dalam naskah Skripsi ini dapat dibuktikan terdapat unsur-unsur
jiplakan, saya bersedia Skripsi dibatalkan, serta diproses sesuai dengan peraturan perundang-
undangan yang berlaku (UU No. 20 Tahun 2003, pasal 25 ayat 2 dan pasal 70).
Malang, 25 Juli 2017
Mahasiswa, MUHAMMAD MALIK ABDULLAH NIM. 135060307111023
i
RINGKASAN
Muhammad Malik Abdullah, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Univers itas Brawijaya, Juli 2017, Perancangan Sistem Kontrol Rasio Udara Dan Bahan Bakar Pada Pembakaran Boiler Wanson Di Ppsdm Migas Cepu Dengan Pengendali PID, Dosen Pembimbing: Mochammad Rusli dan Goegoes Dwi Nusantoro.
Proses pembakaran pada boiler memiliki peran yang penting untuk menjaga temperatur uap (steam) pada nilai tertentu. Pada proses pembakaran membutuhkan sejumlah bahan bakar dan udara dengan komposisi atau rasio tertentu agar terjadi pembakaran yang optimal. Optimal tidaknya proses pembakaran dapat diketahui dari prosentase udara berlebih (%excess air). Di PPSDM Migas Cepu, proses pengoprasian boiler pada pengendalian temperatur uap dan pengendalian flow bahan bakar masih dilakukan secara manual. Oleh karena itu diperlukan sistem kontrol yang dapat menjaga temperatur uap pada nilai tertentu serta sistem kontrol rasio yang digunakan untuk menjaga komposisi dari jumlah bahan bakar dan udara agar diperoleh pembakaran yang optimal dengan kontroler PID. Dengan metode Ziegler-Nichols, diperoleh parameter PID pada pengendali temperatur dengan nilai Kp = 3,104, Ti = 2,826, dan Td = 0,7065, pada pengendali flow bahan bakar dengan nilai Kp = 3,773, Ti = 3.43, dan Td = 0,8575, dan pada pengendali flow udara dengan nilai Kp = 3,42, Ti = 2,854, dan Td = 0,7135. Dari hasil simulasi dengan setpoint 160oC, diperoleh respon temperatur dengan settling time 54 sekon dan error steady state 0,062%, respon flow bahan bakar dengan setlling time 52 sekon dan error steady state 0,085%, respon flow udara dengan settling time 53 sekon dan error steady state 0,11%, dan rasio flow udara dan flow bahan bakar 16,24. Kata kunci: Boiler, Sistem Kontrol Rasio, PID
ii
iii
SUMMARY
Muhammad Malik Abdullah, Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, University of Brawijaya, July 2017, Design of Air and Fuel Ratio Control System at Burning Boiler Wanson In PPSDM Migas Cepu With PID Controller, Academic Supervisor: Mochammad Rusli and Goegoes Dwi Nusantoro.
The combustion process in the boiler has an important role to maintain steam temperature at a certain value. In the combustion process requires a certain amount of fuel and air with a certain composition or ratio for optimal combustion. Optimal or not the combustion process can be known from the percentage of excess air. In PPSDM Migas Cepu, the boiler operating process at steam temperature control and fuel flow control is st ill done manually. Therefore, a control system that can maintain steam temperature at a certain value as well as a ratio control system used to maintain the composition of the fuel and air quantities to obtain optimal combustion with PID controller. By using Ziegler-Nichols method, PID parameter is obtained at temperature controller with value Kp = 3,104, Ti = 2,826, and Td = 0,7065, at fuel flow control with value Kp = 3,773, Ti = 3.43, and Td = 0,8575 , And on the air flow controller with the value Kp = 3.42, Ti = 2.854, and Td = 0.7135. From the simulation result with setpoint 160oC, temperature response obtained with 54 seconds settling time and steady state error 0,062%, response of fuel flow with setlling time 52 second and error of steady state 0,085%, airflow response with 53 second time and steady error State 0.11% and the ratio of airflow and fuel flow 16.24.
Keywords: Boiler, Ratio Control, PID
iv
v
PENGANTAR
Segala puji syukur bagi Allah SWT berkat segala limpahan rahmat-Nya, penulisan
laporan Skrip
Pembakaran Boiler Wanson dapat
diselesaikan dengan baik. Tak lepas shalawat serta salam tercurahkan kepada junjugan kita
Nabi Muhammad SAW yang telah menjadi suri tauladan bagi yang mengharapkan rahmat
dan hidayah-Nya.
Tak lupa penulis juga mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak yang membantu
terselesaikannya laporan skripsi ini.
1. Allah SWT yang telah memberikan kelancaran, kemudahan, ilham dan hidayahnya.
2. Abdul Malik dan Nur Aini selaku orang tua penulis yang segenap hati mendukung dan
mendoakan terselesainya skripsi ini secara moril dan materil.
3. Keluarga tercinta yang segenap hati mendukung dan mendoakan terselesainya skripsi
ini.
4. M. Aziz Muslim, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas
Brawijaya.
5. Hadi Suyono, S.T., M.T., Ph.D. selaku Sekretaris Jurusan Teknik Elektro Universitas
Brawijaya.
6. Ali Mustofa, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Jurusan Teknik Elektro
Universitas Brawijaya.
7. Ir. Purwanto, M.T. selaku Ketua Kelompok Dosen Keahlian Elektronika Jurusan
Teknik Elektro Universitas Brawijaya.
8. Ir. Dipl. -Ing M. Rusli dan Goegoes Dwi Nusantoro, ST., MT. selaku Dosen
Pembimbing I dan Dosen Pembimbing II yang telah memberikan bimbingan sehingga
skripsi ini dapat terelesaikan.
9. Teman-teman Spectrum 2013 yang selalu memberikan dorongan semangat kepada
penulis.
10. Teman-teman Kontrol 2013 yang selalu memberikan dorongan semangat kepada
penulis.
11. Semua pihak yang telah memberikan bantuan serta dukungan baik secara langsung
maupun tidak langsung atas penyusunan skripsi ini.
vi
Dalam penyusunan skripsi ini, penulis menyadari bahwa skripsi ini belumlah sempurna,
karena keterbatasan ilmu dan kendala kendala lain yang terjadi selama pengerjaan skripsi
ini. Oleh karena itu, penulis berharap kritik dan saran untuk penyempurnaan tulisan di masa
yang akan datang. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat dan dapat digunakan untuk
pengembangan lebih lanjut.
Malang, Juli 2016
Penulis
vii
DAFTAR ISI
RINGKASAN ........................................................................................................................ i
SUMMARY ......................................................................................................................... iii
PENGANTAR ...................................................................................................................... v
DAFTAR ISI ...................................................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ............................................................................................................... xi
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ........................................................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ................................................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah ..................................................................................................... 2
1.4 Tujuan ..................................................................................................................... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................................... 3
2.1 Boiler....................................................................................................................... 3
2.2 Kontroler ................................................................................................................. 5
2.2.1 Kontroler Proporsional (P) .............................................................................. 6
2.2.2 Kontroler Integral (I) ....................................................................................... 6
2.2.3 Kontroler Proporsional Integral (PI)................................................................ 7
2.2.4 Kontroler Proporsional Integral Diferensial (PID) .......................................... 7
2.3 Sistem Kontrol Rasio .............................................................................................. 8
2.4 Proses Pembakaran ................................................................................................. 9
BAB III METODE PENELITIAN .................................................................................. 11
3.1 Perancangan Diagram Sistem ............................................................................... 11
3.2 Spesifikasi Desain ................................................................................................. 12
3.3 Pemodelan Matematis Sistem ............................................................................... 12
3.3.1 Fungsi Alih dan Blok Diagram Boiler ........................................................... 13
3.3.2 Fungsi Alih Katub Pengendali (Control Valve)............................................. 14
3.3.3 Fungsi Alih Transduser (Temperature Arus).............................................. 16
3.3.4 Fungsi Alih Flow Transmitter ....................................................................... 16
3.3.5 AFR (Air Fuel Ratio) ..................................................................................... 17
3.3.6 Model Matematis Sistem Secara Keseluruhan .............................................. 17
3.3.7 Parameter Kontroler PID ............................................................................... 18
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS SIMULASI SISTEM ................................... 21
viii
4.1 Respon Sistem Dengan Setpoint 140 oC................................................................21
4.2 Respon Sistem Dengan Setpoint 160 oC................................................................22
4.3 Respon Sistem Dengan Gangguan Pada Setpoint 140oC ......................................24
4.4 Respon Sistem Dengan Gangguan Pada Setpoint 160oC ......................................26
BAB V PENUTUP .............................................................................................................29 5.1 Kesimpulan ............................................................................................................29
5.2 Saran ......................................................................................................................30
DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................................31
........................................................................................................................33
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram sederhana boiler................................................................................. 3 Gambar 2.2 Diagram blok kontroler proposional (P) .......................................................... 6 Gambar 2.3 Diagram blok kontroler integral (I) .................................................................. 7 Gambar 2.4 Diagram blok kontroler proporsional integral (PI) .......................................... 7 Gambar 2.5 Diagram blok kontroler proporsional integral diferensial (PID)...................... 8 Gambar 3.1 Diagram proses sistem kontrol rasio pada pembakaran boiler ...................... 11 Gambar 3.2 Diagram blok sistem kontrol rasio pada pembakaran boiler.......................... 12 Gambar 3.3 Diagram blok boiler ....................................................................................... 14 Gambar 3.4 Diagram blok control valve bahan bakar ....................................................... 16 Gambar 3.5 Diagram blok control valve udara .................................................................. 16 Gambar 3.6 Diagram blok Transduser ............................................................................... 16 Gambar 3.7 Diagram blok flow transmitter ....................................................................... 17 Gambar 3.8 Diagram blok sistem keseluruhan .................................................................. 17 Gambar 3.9 Respon flow bahan bakar dengan masukan unit step ..................................... 18 Gambar 3.10 Respon flow udara dengan masukan unit step.............................................. 19 Gambar 3.11 Respon temperatur dengan masukan unit step ............................................. 19 Gambar 4.1 Respon temperatur dengan setpoint 140 oC ................................................... 21 Gambar 4.2 Respon flow bahan bakar ............................................................................... 21 Gambar 4.3 Respon flow udara.......................................................................................... 22 Gambar 4.4 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 140 oC ....................................... 22 Gambar 4.5 Respon temperatur dengan setpoint 160 oC ................................................... 23 Gambar 4.6 Respon flow bahan bakar ............................................................................... 23 Gambar 4.7 Respon flow udara.......................................................................................... 24 Gambar 4.8 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 160 oC ....................................... 24 Gambar 4.9 Respon temperatur setpoint 140 oC dengan gangguan ................................... 25 Gambar 4.10 Respon flow bahan bakar ............................................................................. 25 Gambar 4.11 Respon flow udara........................................................................................ 26 Gambar 4.12 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 140 oC dengan gangguan ........ 26 Gambar 4.13 Respon temperatur setpoint 160 oC dengan gangguan ................................. 27 Gambar 4.14 Respon flow bahan bakar ............................................................................. 27 Gambar 4.15 Respon flow udara........................................................................................ 28 Gambar 4.16 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 160 oC dengan gangguan ........ 28 Gambar 5.1 Blok diagram sistem kontrol rasio udara dan bahan bakar ............................ 29
x
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Prosentase Excess Air Pada Variasi Bahan Bakar ................................................ 9 Tabel 3.1 Persamaan Penentuan Parameter PID Metode Ziegler-Nicols............................ 18
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Boiler merupakan salah satu peralatan penting yang digunakan di industri sebagai
pemanas air untuk memproduksi steam (uap) yang dapat digunakan untuk proses/kebutuhan
selanjutnya. Di PPSDM Migas Cepu uap yang dihasilkan boiler digunakan sebagai
penggerak turbin yang akan menghasilkan energi listrik, proses pengolahan crude oil, dan
membersihkan pipa dari minyak yang masih tersisa dan menempel di dinding pipa
(Sugiharto, 2016).
Proses pembakaran di boiler membutuhkan udara berlebih (excess air) pada jumlah
tertentu untuk menjamin agar bahan bakar dapat habis terbakar. Semakin banyak excess
udara maka banyak energi yang terbuang sehingga tidak ekonomis, sebaliknya sedikit excess
udara akan menyebabkan sebagian bahan bakar tidak terbakar yang bisa membahayakan.
Oleh karena itu menjaga excess udara pada nilai tertentu sangat diperlukan dengan
menggunakan air/fuel ratio control (kontrol rasio antara udara/bahan bakar). Sistem tersebut
memiliki peranan yang sangat penting dalam meningkatkan efisiensi dari boiler serta
berfungsi menjaga komposisi udara dan bahan bakar yang tepat sehingga tarjadi proses
pembakaran sempurna (Taplin, 1991).
Proses pembakaran dan proses pengendalian temperatur uap pada boiler wanson di
PPSDM Migas Cepu masih dilakukan secara manual oleh operator dengan memutar valve
secara perlahan untuk pengaturan flow bahan bakar, memutar switch pada blower untuk
pengaturan flow udara, dan memperhatikan asap yang keluar dari cerobong (flue gas) yang
mengindikasikan sempurna atau tidaknya proses pembakaran. Jika asap yang keluar
berwarna hitam, bahan bakar yang dialirkan pada proses pembakaran terlalu banyak atau
udara yang dialirkan pada proses pembakaran terlalu sedikit. Jika asap yang keluar berwarna
putih, udara yang dialirkan pada proses pembakaran terlalu banyak atau bahan bakar yang
dialirkan pada proses pembakaran terlalu sedikit. Hal ini mengindikasikan bahwa proses
pengendalian temperatur uap dan flow udara dan bahan bakar yang sesuai dengan nilai rasio
di PPSDM Migas Cepu masih belum optimal (Babcock Wanson, 1974).
Pada skripsi ini akan membahas tentang perancangan sistem kontrol rasio udara dan
bahan bakar pada pembakaran di boiler di PPSDM Migas Cepu serta pengendalian
temperatur. Pengendali yang digunakan yaitu PID yang mana masing-masing keseluruhan
bertujuan untuk mempercepat respon sebuah sistem, menghilangkan error steady state, dan
2
menghasilkan perubahan awal yang besar (Ogata, 2011). Pada skripsi ini, diharapkan sistem
dapat memiliki respon yang memiliki spesifikasi desain yang diinginkan.
1.2 Rumusan Masalah
Mengacu pada permasalahan yang telah diuraikan pada latar belakang, maka rumusan
masalah dapat ditekankan pada poin berikut:
1. Bagaimana merancang sistem kontrol rasio udara dan bahan bakar pada pembakaran
di boiller wanson di PPSDM Migas Cepu dengan pengendali PID?
2. Bagaimana respon sistem dengan diterapkannya sistem kontrol rasio udara dan bahan
bakar pada boiler wanson di PPSDM Migas Cepu dengan pengendali PID pada
simulasi?
1.3 Batasan Masalah
Mengacu pada permasalahan pada skripsi ini, maka akan dibatasi pada:
1. Dititikberatkan pada pengendalian temperatur uap serta flow bahan bakar dan udara
agar sesuai rasionya pada pembakaran boiler wanson untuk menjaga udara berlebih
(excess air) pada nilai tertentu di PPSDM Migas Cepu.
2. Tidak membahas reaksi kimia pada proses pembakaran.
3. Model matematis plant bersifat linear dan time invariant (parameter sistem dianggap
konstan terhadap waktu).
4. Pemodelan metematis plant boiler mengacu pada data-data literatur yang membahas
obyek penulisan skripsi ini.
5. Menggunakan pengendali PID untuk menjaga temperatur uap pada nilai tertentu
serta menjaga rasio udara dan bahan bakar.
6. Sistem disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB R2015a.
1.4 Tujuan
Tujuan yang ingin dicapai dalam skripsi ini adalah diperolehnya pembakaran yang
efisien dengan mengoptimalkan penggunaan bahan bakar serta udara yang sesuai dengan
rasio pada pembakaran di boiler dengan menerapkan sistem kontrol rasio udara dan bahan
bakar.
3
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Boiler
Boiler adalah suatu unit pesawat yang bisa dipakai untuk merubah air sampai menjadi
uap yang bertekanan tertentu di dalam dapur (furnace). Energi panas dari bahan bakar
diberikan kepada air melalui bagian pendidih sehingga terbentuk uap. Untuk menghasi lkan
uap bertekanan pada boiler diperlukan panas yang berasal dari proses pembakaran bahan
bakar yang terjadi di ruang bakar. Uap yang dihasilkan boiler dipergunakan untuk
menggerakkan turbin penggerak generator listrik, turbin penggerak penggilingan, dan
penggerak cane cutter (Santoso M.H, Handi., Nazaruddin,Yul Y., Muchtadi, Farida
I,Martin., 2007).
Secara umum boiler dapat digambarkan seperti Gambar 2.1.
Proses boiler secara sederhana dapat digambarkan seperti proses memasak air, dimana
dalam pemasakan air dibutuhkan sumber energi panas. Pemanasan diperoleh dari pemanasan
bahan bakar padat, cair, gas, ataupun dari tenaga listrik dan tenaga-tenaga lainnya.
Proses pada boier dilaksanakan dengan 3 tahap ssebagai berikut:
1. Proses pemanasan sehingga air menjadi uap basah (wet steam).
2. Proses pemanasan sehingga uap basah menjadi uap jenuh (saturated steam).
3. Proses pemanasan sehingga uap jenuh menjadi uap panas lanjut (superheated steam).
Gambar 2.1 Diagram sederhana boiler Sumber: Santoso M.H, Handi., Nazaruddin,Yul Y., Muchtadi, Farida I,Martin., 2007.
4
Fungsi boiler sebagai penghasil uap ini di PPSDM Migas Cepu digunakan untuk
(Sugiharto, 2016):
1. Proses pengolahan minyak.
2. Pemanasan minyak berat.
3. Penggerak turbin uap, kompresor dan pompa torak.
4. Proses pengeringan kayu yang masih mengandung kadar air.
5. Proses pengeringan tambahan sebagai pengganti matahari.
6. Membersihkan pipa dari minyak yang masih tersisa dalam pipa.
Peralatan-peralatan yang terdapat pada boiler terdiri dari:
1. Drum
Drum berfungsi sebagai penampung air umpan yang merupakan bahan baku serta
tempat steam terbentuk. Selain itu, juga sebagai bagian utama dari boiler.
2. Lorong api
Lorong api berbentuk gelombang untuk memperluas pemanasan sehingga
mempercepat pembentukan steam dan agar tidak mudah retak jika terjadi pemuaian
dan pengerutan.
3. Pipa api (tube)
Pipa api (tube) berfungsi ebagai tempat halauan api atau gas panas dari ruang bakar.
4. Superheater tube
Superheater tube berbentuk melingkar dan mendapatkan panas dari gas-gas panas
yang akan menuju cerobong asap yaitu diantara fase kedua dan ketiga (di dalam
boiler ada 3 fase pemanasan: lorong api, pipa api (tube) bawah, dan pipa api (tube)
atas).
5. Burner
Burner merupakan alat pengabut bahan bakar dimana bahan bakar dibentuk menjadi
partikel-partikel kecil dan bercampur dengan udara sehingga mudah terbakar
(flammable).
6. Blower fan
Blower fan berfungsi menyediakan udara untuk proses pembakaran di ruang bakar.
7. Cerobong asap
Cerobong asap berfungsi untuk mengeluarkan gas sisa pembakaran yang telah keluar
dari pipa api (tube) fase ketiga.
8. Water level indicator
5
Water level indicator berfungsi untuk mengetahui permukaan air dalam boiler agar
level air dapat dikontrol.
9. Safety valve
Safety valve merupakan alat yang digunakan untuk mencegah terjadinya ledakan
yang disebabkan adanya tekanan uap pada boiler yang berlebihan.
10. Manometer
Manometer berfungsi untuk mengetahui tekanan uap yang dihasilkan boiler sehingga
tidak terjadi over pressure. Konstruksi manometer terdiri dari pipa kecil yang
berbentuk lingkaran dengan penampang bulat yang ujungnya tertutup, dan ujung
satunya terbuka dihubungkan dengan ruang uap melalui saluran manometer.
11. Peluit bahaya
Peluit bahaya berfungsi untuk memberi tanda atau peringatan kepada operator boiler
pada saat permukaan air boiler turun sampai pada batas minimum serta pada saat
nilai tekanan uap yang dihasilkan boiler di bawah nilai minimum ataupun
maksimum.
2.2 Kontroler
Kontroler adalah suatu sistem dinamis yang sengaja ditambahkan untuk mendapatkan
karakteristik sistem keseluruhan yang diinginkan (Ogata, 2011). Fungsi kontroler pada
umumnya adalah sebagai berikut:
1. Membandingkan nilai input dan output sistem secara keseluruhan (plant).
2. Menentukan penyimpangan (error).
3. Menghasilkan sinyal kontrol (mengurangi penyimpangan (error) menjadi nilai nol/
nilai yang kecil).
Adapun tujuan kontrol secara khusus adalah sebagai berikut:
1) Meminimumkan error steady state.
2) Meminimumkan settling time.
3) Mencapai spesifikasi transien yang lain, misalnya meminimumkan maximum
overshoot.
Cara bagaimana kontroler menghasilkan sinyal kontrol disebut dengan aksi kontrol.
Aksi kontrol dasar yang sering digunakan dalam kontroler adalah
1. Kontroler proporsional (P)
2. Kontroler integral (I)
3. Kontroler proporsional integral (PI)
4. Kontroler proporsional integral diferensial (PID)
6
2.2.1 Kontroler Proporsional (P)
Kontroler proporsional adalah sebuah kontroler yang memiliki karakteristik
mempercepat output. Hubungan antara output kontroler u(t) dan sinyal error e(t)
ditunjukkan dalam persamaan berikut:
u(t)=Kp e(t)
atau, dalam fungsi alih
dimana Kp adalah penguatan.
Diagram blok kontroler proporsional (P) ditunjukkan dalam Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Diagram blok kontroler proposional (P)
Sumber: Ogata, 2011.
Apapun wujud mekanisme yang sebenarnya dan apapun bentuk daya penggeraknya,
kontroler proporsional pada dasarnya merupakan penguat dengan penguatan yang dapat
diatur (Ogata, 2011).
2.2.2 Kontroler Integral (I)
Kontroler integral (I) memiliki kemampuan untuk mengurangi offset yang diakibatkan
oleh kontroler proporsional. Output kontroler u(t) diubah dengan laju yang sebanding
dengan error e(t). Persamaan kontroler integral (I) ditunjukkan dalam persamaan berikut
(Ogata, 2011)
s
e
e
i
t
0i
i
KE(s)U(s)
dt (t)Ku(t)
(t) Kdt
du(t)
yang merupakan fungsi alih kontroler integral (I), dengan Ki adalah konstanta integral yang
dapat diubah nilainya. Jika e(t) bernilai nol, maka nilai m(t) tetap konstan. Aksi kontrol
integral biasa disebut dengan kontrol reset. Gambar 2.3 menunjukkan diagram blok kontroler
integral (I).
U(s) E(s)
-
+
7
Gambar 2.3 Diagram blok kontroler integral (I)
Sumber: Ogata, 2011.
2.2.3 Kontroler Proporsional Integral (PI)
Kontroler proporsional integral (PI) memiliki kemampuan untuk mempercepat output
dan mengurangi offset. Persamaan kontroler proporsional integral (PI) adalah t
0i
pp dt e(t)
TK
e(t) Ku(t)
Adapun fungsi alihnya adalah
s Ts) T (1 K
s T11 K
E(s)U(s)
i
ip
ip
dengan Kp penguatan proporsional dan Ti disebut waktu integral, yang keduanya dapat
ditentukan. Waktu integral mengatur aksi kontrol internal sedangkan perubahan nilai Kp
berakibat pada pada bagian aksi kontrol proporsional maupun integral. Gambar 2.4
menunjukkan diagram blok kontroler proporsional integral (PI).
2.2.4 Kontroler Proporsional Integral Diferensial (PID)
Gabungan aksi kontrol proporsional, integral, dan differensial mempunyai keunggulan
dibandingkan dengan masing-masing dari tiga aksi kontrol tersebut. Masing masing
kontroler P, I, maupun D berfungsi untuk mempercepat output sistem, menghilangkan offset,
dan mendapatkan energi ekstra ketika terjadi perubahan beban (mempercepat settling time).
Aksi kontroler proporsional integral diferensial (PID) didefinisikan dengan persamaan
U(s) E(s)
-
+
U(s) E(s)
-
+
Gambar 2.4 Diagram blok kontroler proporsional integral (PI) Sumber: Ogata, 2011.
8
dtde(t)TKdt e(t)
TK
e(t)Ku(t) dp
t
0i
pp
Sedangkan fungsi alihnya adalah
s T)s T Ts T(1
K
s) TsT
1(1 KE(s)U(s)
i
2dii
p
di
p
dimana Kp adalah penguatan proporsional, Ti adalah waktu integral dan Td adalah waktu
diferensial. Gambar 2.12 menunjukkan diagram blok kontroler proporsional integra l
diferensial (PID).
Gambar 2.5 Diagram blok kontroler proporsional integral diferensial (PID)
Sumber: Ogata, 2011.
Kombinasi ini mempunyai keuntungan dibandingkan masing-masing kontroler,
biasanya dengan kontroler ini didapatkan overshoot yang rendah, cepat mencapai steady
state (keadaan mantap) dan error steady state (kesalahan keadaan mantap) yang kecil
bahkan nol. Pada perancangan sistem kontrol, seringkali kita harus melakukan trial and
error. Contohnya pada desain PID, kita harus melakukan trial and error kepada 3 variabel
yang berbeda (P, I, dan D).
2.3 Sistem Kontrol Rasio
Sistem kontrol rasio digunakan untuk menjaga hubungan antara dua variabel untuk
mengontrol variabel ketiga. Sistem kontrol rasio sebenarnya adalah bentuk paling dasar
pengendalian feedforward. Beban sistem disebut aliran liar (wild variable) yang tidak
mungkin terkendali, dikontrol secara independen atau dikendalikan oleh kontroler lain yang
merespon variabel tekanan, level, temperature, dan aliran (flow) (Holland, 2004). Contoh
kontrol rasio yang sering digunakan dalam kontrol industri adalah
1. Burner air/fuel ratio yaitu mengatur perbandingan aliran udara dan bahan bakar pada
burner
2. Mixing and blending two liquids yaitu mencampur dua cairan sesuai dengan
perbandingannya
U(s) E(s)
-
+ U(s)
9
Fuel Type of Furnace or Burners Excess Air (%)Completely water-cooled furnace for slag-tap or dry-ash removal 15-20
Partially water-cooled furnace for dry-ash removal 15-40Spreader stoker 30-60
Water-cooler vibrating-grate stokers 30-60Chain-grate and traveling-gate stokers 15-50
underfeed stoker 20-50Oil burners, register type 15-20
Multi-fuel burners and flat-flame 20-30Natural gas High pressure burner 05-Jul
Wood Dutch over (10-23% through grates) and hofft type 20-25Bagasse All furnaces 25-35
Black lipuor Recovery furnaces for draft and soda-pulping processes 30-40
Pulverised coal
Coal
Fuel oil
Tabel 2.1 Prosentase Excess Air Pada Variasi Bahan Bakar Sumber: Thomas, 2010.
2.4 Proses Pembakaran
Dalam sistem pembakaran, perbandingan antara jumlah udara dan bahan bakar pada
memerankan peranan yang penting dalam kualitas pembakaran. Jumlah udara yang terlalu
sedikit, akan menyebabkan terlalu sedikit oksigen yang digunakan untuk mengubah bahan
bakar hidrokarbon menjadi Karbon Dioksida (CO2), air (H2O), dan Sulfur Dioksida (SO2).
Selain itu jumlah udara yang terlalu banyak (excess air melebihi nilai yang ditetapkan pada
seperti Tabel 2.1) juga akan menyebabkan pembakaran tidak sempurna. Hal ini disebabkan
karena kelebihan oksigen dan nitrogen akan menyebabkan terserapnya energi dalam
pembakaran terbawa sisa gas buang yang akan dibuang melewati flue gas, sehingga sebagian
energi yang dihasilkan akan terbuang (Sugiharto, 2016).
Kondisi pembakaran yang sempurna dapat ditinjau dari prosentase excess air pada gas
sisa pembakarn. Pada tabel 2.1 menunjukan data pembakaran dan prosentase excess air
untuk variasi bahan bakar yang dibutuhkan pada pembakaran.
Excess air adalah prosentase jumlah udara berlebih yang dibutuhkan untuk pembakaran
dibandingkan udara pada kondisi ideal (udara teoritis) (Thomas, 2010).
EA = x100 %.........................................................................................................(2-1)
Wa = jumlah udara aktual (kg)
Wt = jumlah udara teoritis (kg)
Semakin besar nilai excess air (tidak melebihi nilai kisaran yang ditetapkan), maka hal ini
merupakan indikasi pembakaran yang sempurna. Sebaliknya, jika nilai excess air rendah
maka hal ini mengindikasikan proses pembakaran yang kurang sempurna. Dan untuk
mengatasinya suplai udara untuk proses pembakaran perlu ditambah debitnya
11
Gambar 3.1 Diagram proses sistem kontrol rasio pada pembakaran boiler Sumber: Perancangan
BAB III
METODE PENELITIAN
Metode penelitian pada dasarnya merupakan cara ilmiah untuk mendapatkan informas i
dengan tujuan dan manfaat tertentu. Dalam menyelesaikan rumusan masalah dan
merealisasikan tujuan penelitian yang terdapat di bab pendahuluan maka diperlukan
langkah-langkah untuk menyelesaikan masalah tersebut. Metode penelitian pada skripsi ini
meliputi:
1. Perancangan diagram sistem
2. Spesifikasi desain
3. Pemodelan sistem
3.1 Perancangan Diagram Sistem
Perancangan diagram sistem menjelaskan sistem yang direncanakan secara garis besar
dan diharapkan sistem dapat menunjukkan hasil yang lebih baik. Perancangan diagram
proses sistem dan diagram blok sistem dapat dilihat pada Gambar 3. 1 dan Gambar 3. 2.
12
Gambar 3.2 Diagram blok sistem kontrol rasio pada pembakaran boiler Sumber: Perancangan.
Keterangan :
FIC : Flow Indicator Controller FT : Flow Transmitter
CVF : Control Valve Fuel CVA : Control Valve Air
TIC : Temperature Indicator Controller TT : Temperature Transducer
Tset : Temperature Setpoint T : Temperature Output
3.2 Spesifikasi Desain
Spesifikasi desain yang diinginkan pada perancangan dan simulasi sistem yaitu:
1. Error steady state < 2%, karena sistem yang baik memiliki respon dengan batas
nilai akhir 2% dari setpoint.
2. Maximum overshoot = 0%, karena jika terdapat overshoot pada pengendalian
temperatur bisa membahayakan sistem secara keseluruhan
3. Settling time < 60 detik, karena settling time diharapkan lebih cepat daripada
sebelum diberi kontroler yaitu < 180 detik (Siswanto & Hadi, 2013).
3.3 Pemodelan Matematis Sistem
Pemodelan (modelling) merupakan deskripsi dari prediksi kelakuan system atau
komponen. Model matematis sistem diperlukan untuk simulasi yang bertujuan untuk
mendapatkan respon dinamik sistem.
Jika model matematis sistem telah diketahui, maka grafik tanggapan sistem dapat
diketahui pula dengan jalan melakukan simulasi terhadap model sistem tersebut. Kemudian
langkah berikutnya adalah proses validasi. Pada proses ini data hasil simulasi tersebut
dibandingkan dengan data yang berasal dari proses yang sebenarnya. Jika model tersebut
telah cocok (valid), proses dapat dilanjutkan ke arah desain dan prototype.
13
Dalam proses penurunan model matematis sistem, terdapat tiga macam cara pendekatan
yang dapat dipergunakan. Yang pertama adalah menyajikan model matematis sistem dengan
menggunakan persamaan diferensial. Yang kedua adalah dengan menggunakan pendekatan
fungsi alih (transfer function). Yang ketiga adalah pendekatan ruang keadaan (state space).
Dalam masalah kendali PID, akan lebih menguntungkan jika menggunakan pendekatan
fungsi alih.
3.3.1 Fungsi Alih dan Blok Diagram Boiler
Proses pengendalian temperatur dalam boiler dapat dinyatakan dalam persamaan
hukum kesetimbangan energi, dimana laju energi panas yang masuk dikurangi laju energi
panas yang keluar sama dengan laju energi yang terakumulasi. (Coughanowr & LeBlanc,
1991:106)
Qin - Qout = Qac........................................................................................................................... .................................(3-1)
mb CbTb + muCuTu maCa(T Ta) = MaCa .........................................................(3-2)
mb (t)CbTb + mu(t)CuTu maCa(T(t) Ta(t)) = MaCa
mb (t)CbTb + mu(t)CuTu + maCaTa(t) = MaCa + maCaT(t)
dengan : Qin = energi panas masuk (kcal/s)
Qout = energi panas keluar (kcal/s)
Qac = energi panas terakumulasi (kcal/s)
mb = laju bahan bakar (kg/s)
Cb = kalor jenis bahan bakar (kcal/kgoC)
Tb = temperatur bahan bakar (oC)
mu = laju udara (kg/s)
Cu = kalor jenis udara (kcal/kgoC)
Tu = temperatur udara (oC)
ma = laju air masuk (kg/s)
Ca = kalor jenis air (kcal/kgoC)
Ta = temperatur air masuk (oC)
Ma = massa air terakumulasi (kg/s)
T = temperatur yang diinginkan (oC)
Berdasarkan data teknis yang diperoleh di PPSDM Migas Cepu, nilai-nilai dari
konstanta pada persamaan (3-2) adalah
Cb = 0,51 kcal/kgoC Tb = 70 oC
Cu = 0,24 kcal/kgoC Tu = 30 oC
14
Gambar 3.3 Diagram blok boiler
ma = 5 kg/s Ca = 1,008 kcal/kgoC
Ta = 55 oC Ma = 12000 kg/jam
Dengan memasukkan nilai konstanta pada persamaan (3-2), maka diperoleh persamaan
35,7mb (t) + 7,2mu(t) + 5,04Ta(t) = 3,36 + 5,04T(t)
7,083mb (t) + 1,428mu(t) + Ta(t) = 0,67 + T(t).............................................(3-3)
Jika persamaan (3-3) ditransformasi Laplace dengan kondisi awal semua keadaan sama
dengan nol, maka diperoleh parsamaan
7,083mb (s) + 1,428mu(s) + Ta(s) = 0,67sT(s) + T(s)...........................................(3-4)
Sehingga diperoleh fungsi alih boiler sebagai berikut
T(s) = .................................(3-5)
3.3.2 Fungsi Alih Katub Pengendali (Control Valve)
Karakteristik katub pengendali adalah hubungan antara laju aliran (flow) dan prosentasi
terbukanya katub, dimana bukaan katub bervariasi antara 0 100 % setara dengan tekanan
3 15 psi. Hubungan antara sinyal penggerak dengan laju aliran adalah sebagai berikut
(Coughanowr & LeBlanc, 1991:190):
= ..........................................................................................................(3-6)
dengan : F(s) = laju aliran (kg/s)
U(s) = sinyal kendali elektrik (mA)
G = gain total dari valve
Tcv = konstanta waktu valve
Kontstanta waktu valve dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut:
............................................................................................(3-7)
dengan : Tv = stroke time (s)
Rv = 0,3 (aktuator piston) atau 0,03 (aktuator diafragma)
= fraksi perubahan posisi valve
15
=
=
= 1
Karena sinyal kendali berupa sinyal elektrik, sedangkan katup kendali hanya menerima
sinyal pneumatik, sehingga untuk menjalankan valve tersebut sinyal keluaran kontroler
harus melalui I/P transduser yang mengubah besaran arus 4 20 mA menjadi besaran
tekanan 3 15 psi. Maka gain I/P transduser adalah sebagai berikut:
KT = = = 0,75 psi/mA
Penguatan valve untuk karakteristik linear adalah :
= = 0,65 kg/s psi-1
Sehingga gain total valve
G = KT.Kv = 0,75 x 0,65 = 0,4875 kg/s mA-1
Dan konstanta waktu valve adalah :
= 3,8(1 + 0,03) = 3,194
Maka fungsi alih valve adalah
= = kg/s mA-1............................................................................................................(3-8)
Terdapatnya jarak antara control valve dan ruang pembakaran akan menyebabkan
munculnya waktu tunda (delay time), yaitu waktu yang dibutuhkan bahan bakar dan udara
untuk mengalir dari keluaran control valve sampai ruang pembakaran. Waktu tunda (delay
time) dapat diperoleh dengan persamaan berikut (Coughanowr & LeBlanc, 1991:154):
=
dengan : = waktu tunda (s)
A = luas pipa (m2)
L = panjang pipa (m)
q = debit (m3/s)
Berdasarkan data teknis yang diperoleh di PPSDM Migas Cepu, diperoleh nilai-ni la i
sebagai berikut:
Abahan bakar = 28,26 x 10-4 m2 Audara = 3,14 m2
Lbahan bakar = 5 m Ludara = 1 m
qbahan bakar = 10 x 10-3 m3/s qudara = 105 m3/s
Maka nilai waktu tunda (delay time) pada flow bahan bakar dan udara adalah sebagai berikut:
16
Gambar 3.5 Diagram blok control valve udara
Gambar 3.6 Diagram blok Transduser
bahan bakar = = 1,413 s
udara = = 0,029 s
3.3.3 Fungsi Alih Transduser (Temperature Arus)
Transduser adalah suatu elemen yang langsung mengadakan kontak dengan variabel
yang diukur dan mampu menerima sinyal dalam bentuk suatu besaran dan mengubahnya
menjadi besaran lain (Coughanowr & LeBlanc, 1991:211). Gain penguatan transduser
didefinisikan sebagai
................................................................................................................(3-9)
Dari data teknis yang diperoleh bahwa adalah bahwan 0 350 oC memberi
kesetaraan arus listrik 4 20 mA. Sehingga penguatan Transduser adalah
0,0457 mA/oC
3.3.4 Fungsi Alih Flow Transmitter
Gain penguatan sensor-transmitter didefinisikan sebagai . Dari data
teknis yang diperoleh bahwa adalah bahwan 0 1,52 kg/s memberi kesetaraan
arus listrik 4 20 mA (Coughanowr & LeBlanc, 1991:210). Sehingga penguatan flow
transmitter adalah
mA.kg-1.s
Gambar 3.4 Diagram blok control valve bahan bakar
17
Gambar 3.7 Diagram blok flow transmitter
Gambar 3.8 Diagram blok sistem keseluruhan
3.3.5 AFR (Air Fuel Ratio)
AFR (Air Fuel Ratio) adalah perbandingan komposisi udara dan komposisi bahan bakar
dengan satuan massa pada suatu pembakaran. Berdasarkan data teknis yang diperoleh
bahawa nilai AFR ideal bahan bakar residu adalah 14,13 : 1, yang mana 1 kg bahan bakar
membutuhkan udara 14,13 untuk proses pembakaran.
Untuk memastikan pembakaran terjadi secara sempurna maka dibutuhkan udara
berlebih (excess air). Excess air yang dibutuhkan untuk pembakaran yang menggunakan fuel
oil yaitu 15-20 %.
Maka jumlah udara yang dibutuhkan pada pembakaran 1 kg bahan bakar dengan excess
air 15 % dengan menggunakan persamaan (2-1) diperoleh:
EA = x100 %
15 % = x 100 %
Wa = 16,24 kg
Artinya nilai AFR dengan excess air 15 % adalah 16,24 : 1.
3.3.6 Model Matematis Sistem Secara Keseluruhan
Dari pemodelan pada masing-masing perangkat pada subbab sebelumnya dapat disusun
ke dalam blok diagram sistem secara keseluruhan
18
Gambar 3.9 Respon flow bahan bakar dengan masukan unit step
3.3.7 Parameter Kontroler PID
Penentuan parameter kontroler PID pada sistem pengendali flow bahan bakar,
pengendali flow udara dan pengendali temperatur menggunakan metode Ziegler-Nicholes.
Dengan memberikan masukan unit step pada sistem pengendali flow bahan bakar
diperoleh grafik kurva-S sebagai berikut:
Dari Gambar 3.9 diperoleh nilai L = 1,413 dan nilai T = 3,656. Untuk menentukan
parameter PID menggunakan persamaan pada tabel berikut: Tabel 3.1 Persamaan Penentuan Parameter PID Metode Ziegler-Nicols
Sumber: Ogata, 2011:570 Tipe Kontroler Kp Ti Td
P T/L ~ 0
PI 0.9 T/L L/0.3 0
PID 1.2 T/L 2L 0.5 L
Dari Tabel 3.1, diperoleh parameter PID untuk pengendalian flow bahan bakar dengan
nilai Kp = 3,104, Ti = 2,826, dan Td = 0,7065.
Dengan memberikan masukan unit step pada sistem pengendali flow udara diperoleh
grafik kurva-S sebagai berikut:
19
Gambar 3.10 Respon flow udara dengan masukan unit step
Gambar 3.11 Respon temperatur dengan masukan unit step
Dari Gambar 3.10 diperoleh nilai L = 1,715 dan nilai T = 5,393. Dengan menggunakan
persamaan yang terdapat pada Tabel 3.1, diperoleh parameter PID dengan Kp = 3,773, Ti =
3.43, dan Td = 0,8575.
Dengan memberikan masukan unit step pada sistem pengendali temperatur diperoleh
grafik kurva-S sebagai berikut:
Dari Gambar 3.11 diperoleh nilai L = 1,427 dan nilai T = 4,068. Dengan menggunakan
persamaan yang terdapat pada Tabel 3.1, diperoleh parameter PID dengan Kp = 3,42, Ti =
2,854, dan Td = 0,7135.
21
Gambar 4.1 Respon temperatur dengan setpoint 140 oC
Gambar 4.2 Respon flow bahan bakar
BAB IV
PENGUJIAN DAN ANALISIS SIMULASI SISTEM
Pada bab ini akan dibahas mengenai pengujian dan analisis dari hasil simulasi sistem
dari diagram blok sistem secara keseluruhan. Simulasi dilakukan dengan program Matlab
R2015a. Simulasi ini dilakukan untuk mengamati respon sistem yang terjadi.
4.1 Respon Sistem Dengan Setpoint 140 oC
Simulasi dilakukan dengan Setpoint 140 oC dengan parameter PID sesuai dengan nila i
pada pembahasan sebelumnya.
Gambar 4.1 merupakan respon sistem pengendalian temperatur dengan settling time 52
sekon dan error steady state 0,059%.
22
Gambar 4.3 Respon flow udara
Gambar 4.4 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 140 oC
Gambar 4.2 merupakan respon sistem pengendalian flow bahan bakar dengan settling
time 48 sekon dan error steady state 0,181%.
Gambar 4.3 merupakan respon sistem pengendalian flow udara dengan settling time 49
sekon dan error steady state 0,28%.
Gambar 4.4 merupakan grafik rasio flow udara dan flow bahan bakar pada setpoint
140oC dengan nilai rasio 16,24.
4.2 Respon Sistem Dengan Setpoint 160 oC
Simulasi dilakukan dengan Setpoint 160 oC dengan parameter PID sesuai dengan nila i
pada pembahasan sebelumnya.
23
Gambar 4.5 Respon temperatur dengan setpoint 160 oC
Gambar 4.6 Respon flow bahan bakar
Gambar 4.5 merupakan respon sistem pengendalian temperatur dengan settling time 54
sekon dan error steady state 0,062%.
Gambar 4.6 merupakan respon sistem pengendalian flow bahan bakar dengan settling
time 52 sekon dan error steady state 0,085%.
24
Gambar 4.7 Respon flow udara
Gambar 4.8 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 160 oC
Gambar 4.7 merupakan respon sistem pengendalian flow udara dengan settling time 53
sekon dan error steady state 0,11%.
Gambar 4.8 merupakan grafik rasio flow udara dan flow bahan bakar pada setpoint
160oC dengan nilai rasio 16,24.
4.3 Respon Sistem Dengan Gangguan Pada Setpoint 140oC
Simulasi dilakukan dengan memberikan gangguan berupa penurunan suplai baha n
bakar dan udara yang menyebabkan turunnya flow bahan bakar sebesar 2 kg/s dan turunnya
flow udara sebesar 10 kg/s dengan setpoint temperatur140 oC.
25
Gambar 4.9 Respon temperatur setpoint 140 oC dengan gangguan
Gambar 4.10 Respon flow bahan bakar
Gambar 4.9 merupakan respon sistem pengendalian temperatur dengan settling time 56
sekon dan error steady state 0,31%.
Gambar 4.10 merupakan respon sistem pengendalian flow bahan bakar dengan settling
time 51 sekon dan error steady state 0,16%.
26
Gambar 4.11 Respon flow udara
Gambar 4.12 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 140 oC dengan gangguan
Gambar 4.11 merupakan respon sistem pengendalian flow udara dengan settling time 52
sekon dan error steady state 0,11%.
Gambar 4.12 merupakan grafik rasio flow udara dan flow bahan bakar pada setpoint
140oC dan gangguan dengan nilai rasio 16,24.
4.4 Respon Sistem Dengan Gangguan Pada Setpoint 160oC
Simulasi dilakukan dengan memberikan gangguan berupa penurunan suplai bahan
bakar dan udara yang menyebabkan turunnya flow bahan bakar sebesar 2 kg/s dan turunnya
flow udara sebesar 10 kg/s dengan setpoint temperatur160 oC.
27
Gambar 4.13 Respon temperatur setpoint 160 oC dengan gangguan
Gambar 4.14 Respon flow bahan bakar
Gambar 4.13 merupakan respon sistem pengendalian temperatur dengan settling time
58 sekon dan error steady state 0,031%.
Gambar 4.14 merupakan respon sistem pengendalian flow bahan bakar dengan settling
time 55 sekon dan error steady state 0,11%.
28
Gambar 4.15 Respon flow udara
Gambar 4.16 Rasio udara dan bahan bakar pada setpoint 160 oC dengan gangguan
Gambar 4.15 merupakan respon sistem pengendalian flow udara dengan settling time 56
seko dan error steady state 0,069%.
Gambar 4.16 merupakan grafik rasio flow udara dan flow bahan bakar pada setpoint
160oC dan gangguan dengan nilai rasio 16,24.
29
Gambar 5.1 Blok diagram sistem kontrol rasio udara dan bahan bakar
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Perancangan sistem kontrol rasio udara dan bahan bakar pada pembakaran boiler wanson dapat disusun seperti pada blok diagram berikut:
Hasil simulasi pada sistem kontrol rasio dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Dengan setpoint 140 oC, diperoleh respon sistem temperature dengan settling time
52 sekon dan error steady state 0,059%, respon flow bahan bakar dengan settling
time 48 sekon dan error steady state 0,181%, respon sistem flow udara dengan
settling time 49 sekon dan error steady state 0,28%.
2. Dengan setpoint 140 oC dan gangguan penurunan suplai bahan bakar dan udara,
diperoleh respon sistem temperature dengan settling time 56 sekon dan error steady
state 0,31%, respon flow bahan bakar dengan settling time 51 sekon dan error steady
state 0,16%, respon sistem flow udara dengan settling time 52 sekon dan error steady
state 0,11%.
3. Dengan setpoint 160 oC, diperoleh respon sistem temperature dengan settling time
54 sekon dan error steady state 0,062%, respon flow bahan bakar dengan settling
time 52 sekon dan error steady state 0,085%, respon sistem flow udara dengan
settling time 53 sekon dan error steady state 0,11%.
4. Dengan setpoint 160 oC dan gangguan penurunan suplai bahan bakar dan udara,
diperoleh respon sistem temperature dengan settling time 58 sekon dan error steady
state 0,031%, respon flow bahan bakar dengan settling time 55 sekon dan error steady
30
state 0,11%, respon sistem flow udara dengan settling time 56 sekon dan error steady
state 0,069%.
5.2 Saran
1. Perlu dipelajari metode optimasi seperti Linear Quadratic Regulator (LQR) atau Linear
Quadratic Gaussian (LQG) ataupun metode optimasi lainnya untuk didapatkan respon
yang lebih baik.
2. Diterapkannya sistem pengendali adaptif yang dapat menentukan parameter PID secara
otomatis.
31
DAFTAR PUSTAKA
Babcock Wanson. 1974. Steambloc: Instruction Manual. France.
Dodik Suprayogi & Rifdya Hellen Vesadana. (2016). Pengendalian Temperatur dan
Tekanan Secara Cascade Menggunakan PLC Allen Bradley Control Logic 5000
pada Boiler di Pusdiklat Migas Cepu. Tidak dipublikasikan. Malang: Laporan
Praktek Kerja Lapangan Teknik Elektronika Politeknik Negeri Malang.
Coughanowr, DR & LeBlanc, SE. (2009). Process Systems Analysis and Control. New York:
The McGraw-Hill Companies, Inc.
Holland, Arthur. 2004. Ratio Control. Ontario: Holland Technical Skills.
Ogata, Katshuhiko. 2011. Modern Control Engineering. 5th Edition. New Jersey: Pearson
Education.
Santoso M.H, Handi., Nazaruddin,Yul Y., Muchtadi, Farida I,Martin. 2007. Boiler
Performance Optimization Using Fuzzy Logic Controller. Teknik Fisika Institut
Teknologi Bandung (ITB).
Siswanto, Eko & Hadi, Safwanul. (2013). Analisa Efisiensi Boiler Wanson Secara Langsung
dan Tidak Langsung pada Unit Kilang Pusat Pendidikan dan Pelatihan Minyak dan
Gas Bumi (Pusdiklat Migas) Cepu. Tidak dipublikasikan. Semarang: Laporan Kerja
Praktek Teknik Mesin Universitas Diponegoro.
Sugiharto, Agus. 2016. Tinjauan Teknis Pengoperasian Dan Pemeliharaan Boiler. Forum
Teknologi. Vol: 06 No: 02.
Taplin, Harry. 1991. Combustion Efficiency Tables. Georgia: The Fairmont Press, Inc.
Thomas, Varkie C. 2010. Boiler. http://energy-models.com/boilers. (diakses 6 Maret 2017).