PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN...

1

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN TEMPERATURE PADA SUPERHEATER DENGAN METODE

FUZZY LOGIC DI PLTU UNIT II PT.PJB UNIT PEMBANGKITAN GRESIK

( Angga Setyawan , Bambang Lelono, Purwadi Agus Darwinto)

Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya

Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111

Telp : +6231-5947188 Fax : +6231-5923626

E-mail : [email protected]

Abstrak Superheater merupakan salah satu komponen yang terdapat pada boiler, fungsinya adalah sebagai element

pemanas kedua setelah boiler. Steam yang dihasilkan oleh boiler masih memiliki kandungan air sehingga perlu

dipanaskan lagi hingga steam yang dihasilkan benar-benar uap kering, oleh karena itu superheater sangat berperan untuk

menghasilkan uap kering yang akan dilewatkan ke turbin. Akan tetapi steam yang dihasilkan oleh superheater seringkali

memiliki temperature diatas standart yang ditetapkan yaitu 510o

C. Saat ini superheater spray yang terdapat pada PLTU

Unit II sangat lambat untuk mengantisipasi perubahan temperatur, karena itu metode fuzzy logic perlu diterapkan karena

salah satu kelebihan metode fuzzy logic adalah respons yang cepat. Dari uji tracking setpoint respon terlihat bahwa ketika

diberi input setpoint 150, initial value 450, dan final value 550 respon selalu dapat mencapai setpoint. Uji respon

dilakukan semala 10 kali percobaan dan hasilnya setpoint selalu dapat dicapai.Setelah uji respon, control fuzzy logic

dibandingkan dengan control PI yang saat ini digunakan dilapangan dan hasilnya grafik control dengan fuzzy logic lebih

cepat dalam pencapaian setpoint dan grafiknya lebih stabil.

Kata kunci: Boiler, Superheater, Pengendalian Temperature, Fuzzy Logic

1. Pendahuluan Pada proses pembangkit listrik

tenaga uap (PLTU) terdapat beberapa kompenen

utama, seperti boiler, turbin, dan generator. Boiler

merupakan komponen yang berfungsi menghasilkan

uap yang nantinya akan digunakan untuk memutar

turbin, salah satu bagian dari boiler adalah

superheater. Dimana superheater berfungsi sebagai

second heater setelah burner, superheater akan

memanaskan uap basah hingga menjadi uap kering

yang mencapai suhu hingga 510 oC. Temperatur

steam pada ruang bakar sering sekali mengalami

perubahan suhu, hal ini dikarenakan penggunaan

bahan bakar yang berlebih sehingga akan sangat

berpengaruh terhadap tempearatur steam tersebut.

Temperatur yang berlebih tersebut akan

diseimbangkan dengan desuperhetaer spray agar

temperatur steam tetap pada set point yang

dikehendaki.Jika desupehrheater tidak bekerja,

maka superheater akan mengalami pemecahan

metal dan mengganggu proses operasi dari boiler.

Semua proses dari boiler akan melalui

system control yaitu DCS (Distribute Control

Sistem) ABB MOD 300 yang menggunakan PI

(Propotional Integral) controller untuk mengatur

masukan temperatur yang akan diproses oleh

superheater. DCS juga akan memonitoring keluaran

temperatur dari superheater, sehingga dapat

mengetahui performansi superheater tersebut

melebihi set point atau tidak.

2. Teori Penunjang

2.1 Boiler

Boiler adalah bejana tertutup yang terdiri

atas sistem air umpan, sistem steam dan sistem

bahan bakar. Panas pembakaran dari sistem bahan

bakar dialirkan ke air sampai terbentuk air panas

hingga air menghasilkan uap air atau steam. Uap air

atau steam pada tekanan tertentu kemudian

digunakan untuk mengalirkan steam ke suatu proses

lainnya. Air adalah media yang digunakan oleh

boiler untuk melakukan proses penguapan

disamping itu harganya juga murah dan steam dari

boiler dapat digunakan pada proses yang lain. Oleh

sebab itu boiler merupakan peralatan yang harus

dikelola dan harus dijaga dengan baik agar tetap

menghasilkan tenaga yang dibutuhkan. Bagian –

bagian dari Boiler adalah Feed Water Pump,

Economizer, Steam drum, Wall tube dan Super

heater.

2.2 Superheater

Superheater merupakan salah satu

komponen pada boiler, dimana superheater

memiliki fungsi sebagai pemanas kedua setelah

2

tungku boiler. Proses ini berawal dari air laut yang

dipanaskan oleh burner di dalam tungku boiler,

setelah air dirubah dari fasa cair ke fasa gas. Uap

tersebut ditampung dalam wadah yang bernama

steam drum, uap yang berada pada steam drum

masih berupa uap basah. Oleh sebab itu uap tersebut

dipanaskan kembali di superheater hingga menjadi

uap kering.

Pada umumnya uap kering berada pada suhu

sekitar 500oC, oleh sebab itu set point temperatur

yang diberikan oleh Pembangkit Listrik Tenaga Uap

(PLTU) adalah 510 o

C. Pada proses di superheater

sendiri terdapat 2 kali proses pemanasan, yang

pertama pada primary superheater dan yang kedua

pada secondary superheater. Primary superheater

memiliki satu alat kontrol temperatur, supaya

temperatur steam yang dihasilkan tidak melebihi set

point. Kontrol tersebut mengendalikan suatu

aktuator yang berupa kontrol valve, yang berfungsi

untuk menginjeksikan pendingin pada steam di

primary superheater. Sistem pendingin tersebut

disebut desuperheater atau superheater spray,

desuperheater berfungsi untuk menurunkan

temperature steam dari primary superheater ke

secondary superheater. Pada superheater juga

terdapat sensor yang berfungsi untuk mengukur

temperature, sensor tersebut adalah thermocouple

yang mengubah inputan yang berupa temperature

menjadi tegangan.

Pada superheater yang terdapat di lapangan

terdapat 2 buah aktuator yang meninjeksikan spray

pendingin karena superheater mempunyai 2 jalur.

Temperatur yang dikendalikan adalah temperatur

dari first superheater yang akan menuju secondary

superheater, aktuator yang berupa control valve

akan menembakkan spray pendingin ketika

temperatur dari superheater melebihi set point yang

bernilai 510 oC.

c

Gambar 2.1 Diagram Blok Sistem Pengendalian

pada Superheater

Gambar 2.1 di atas adalah gambar diagram

blok sistem pengendalian temperature pada

superheater. Yang terdiri dari PI (Propotional

Integral) yang bertindak sebagai controller dengan

Kp = 40.6, Ti = 3, untuk pembanding antara set

point dengan feedback agar temperatur sesuai

dengan set point. Setelah itu temperatur yang masuk

akan melalui control valve yang bertindak sebagai

actuator yang berfungsi untuk mengatur laju aliran

dari temperatur yang masuk. Setelah itu diporoses

oleh superheater yang bertindak sebagai plan atau

tempat pemrosesan, sebelum temperatur dari

superheater tersebut dikeluarkan untuk pemutaran

steam turbin diproses kembali oleh sensor atau

transmitter yang berfungsi sebagai feedback dimana

temperature tersebut akan diproses kembali sesuai

dengan set point yang dibutuhkan jika belum sesuai

dengan set point yang dibutuhkan untuk pemutaran

turbin dari generator, maka akan diproses kembali

sehingga sesuai dengan set point.

Gambar 2.2 P & ID Superheater

Dapat dilihat pada gambar 2.2 yaitu P & ID

dari superheater. Pada gambar tersebut terdapat

desuperheater yang digunakan untuk menjaga agar

temperatur dari superheater tidak melebihi set point

dan tetap stabil dengan temperatur 5100C atau 998

0F yaitu dengan menyemprotkan air atau spray dari

sistem feedwater. Untuk penyemprotan air atau

spray tepat mengenai sasaran maka digunakan

nozzle. Nozzle akan menyemprotkan spray pada

superheater dengan kekuatan tinggi jika temperatur

tersebut melebihi set point, Desuperheater berada

diantara 2 superheater yaitu primary superheter

dan secondary superheater. Superheater tidak

pernah mengalami trip, superheater hanya bisa

3

mengalami pemecahan metal jika terjadi

penambahan temperatur steam yang begitu besar.

Untuk mengatur agar temperatur steam tetap stabil

dan sesuai dengan set point maka main steam

temperatur harus selalu dikontrol, kondisi

pembakaran harus sesuai dengan kebutuhannya,

thermocouple keluaran harus selalu di control dan

gas temperatur masuk daerah superheater harus

dibatasi selama startup sampai kondisi unit normal

operasi Jika cara menjaga kesetabilan tersebut tidak

bisa diatasi dengan cara tersebut maka seluruh

boiler akan dinonaktifkan. Dan akan diperbaiki

kembali.

1.3 ABC (AUTOMATIC BOILER CONTROL)

Automatic boiler control adalah suatu

sistem yang mengontrol kinerja boiler saat sedang

melakukan operas ABC (Automatic Boiler Control)

sistem ini berada di dalam MOD 300 Distributed

Control System (DCS) yang diperkenalkan pada

tahun 1984 dengan fitur seperti Integrated Control

Bahasa CCF dan TCL, Redundant Komunikasi

Network (DCN), Redundant Controller, Sejarah dan

Laporan, dan Bulk Data I / O. Pada tahun 1988

MOD 300 itu ditingkatkan dengan penambahan

Controller SC, Taylor Ladder Logic (TLL) dan

TRIO. Pada tahun 1992, MOD 300 sistem mulai itu

evolusi untuk OCS advant memperkenalkan

pengendali kapasitas tinggi dan I / O dengan skema

redundansi diperbaiki. Juga termasuk yang modern

UNIX workstation, dan pada tahun 1996 S800 I / O

telah ditambahkan menyediakan modular

fleksibel remot I/O.ABC (Automatic Boiler Control)

sistem merupakan controller yang menggunakan

sistem digital yang didalamnya mempunyai 7

peralatan yang digunakan untuk menjalankan

prosesnya yang terdapat sebuah PCU (Process

Control Unit). Sistem ABC (Automatic Boiler

Control) memiliki tingkat keandalan yang tinggi

dan mudah dalam perawatan modul kontrolnya

yang berbasis mikroprosessor dan peralatan lainnya.

ABC (Automatic Boiler Control) ini alat yang

dipasang di work station Pada control room di

pasang control station untuk operasi

manual/auto.setiap pemindahan seperti set point.

Proses variable dapat dilihat pasa indicator. Di

dalam setiap sistem control utama terdapat load

control (pengatur beban / daya) yang bekerja secara

proporsional sesuai dengan lingkupnya masing-

masing.

1.4 Desuperheater

Desuperheaterisasi adalah proses menurunkan

suhu uap dengan cara menginjeksikan air pendingin

ke dalamnya. Proses ini terjadi dalam sebuah wadah

yang disebut desuperheater. Ini bertujuan agar suhu

steam yang akan masuk ke turbin sesuai dengan

temperatur desainnya yaitu sebesar 510 ◦C. Air

pendingin memiliki karakteristik tetap yaitu

tekanannya sebesar 192.77 bar dengan temperatur

171.93 ◦C sedangkan uap keluaran memiliki

karakteristik tetap yaitu tekanan sebesar 182.10 bar

dengan temperatur 425◦C untuk desuperheater first

stage dan temperatur 458 ◦C untuk desuperheater

second stage. Proses desuperheater sangat fluktuatif

dengan tekanan dan suhu steam yang masuk

desuperheater. Pengambilan data dilakukan di PT

PJB UP Gersik unit 2 yang terdiri atas data

tekanan(Pw) dan temperatur(tw) air pendingin

(cooling water), data tekanan (Ps) dan

temperatur(ts) uap yang masuk ke desuperheater

dan temperatur uap yang keluar dari desuperheater

(td). Dari hasil analisa diperoleh hubungan bahwa

semakin tinggi besar fluktuasi tekanan dan

temperaturnya maka jumlah pendingin yang

diinjeksikan juga akan semakin tinggi. Demikian

pun sebaliknya jika tekanan dan temperaturnya

semakin kecil maka jumlah air pendingin (cw) yang

diinjeksikan semakin kecil. Sedangkan suhu

merupakan fungsi tekanan, semakin tinggi

tekanannya maka suhunya juga akan naik

demikianpun sebaliknya.

1.5 Konveksi

Konveksi adalah proses berpindahnya kalor

dengan gerakan partikel yang telah dipanaskan, bila

perpindahannya dikarenakan perbedaan kerapatan

disebut konveksi alami (natural convection) dan bila

didorong, misal dengan fan atau pompa disebut

konveksi paksa (forced convection).

Konveksi adalah salah satu modus utama

perpindahan panas dan perpindahan massa Panas

konvektif dan transfer massa terjadi baik melalui

difusi acak gerak Brown dari partikel individu

dalam cairan - dan adveksi , di mana materi atau

panas diangkut oleh gerakan besar-besaran arus

dalam cairan. Dalam konteks panas dan

perpindahan massa, istilah "konveksi" digunakan

untuk merujuk pada jumlah transfer advective dan

difusif. Perhatikan bahwa penggunaan umum dari

konveksi merujuk secara khusus untuk perpindahan

4

panas secara konveksi, sebagai lawan konveksi

pada umumnya.

Besarnya konveksi tergantung pada :

a. Luas permukaan benda yang bersinggungan

dengan fluida (A).

b. Perbedaan suhu antara permukaan benda

dengan fluida (∆T).

c. koefisien konveksi (h), yang tergantung pada:

# viscositas fluida

# kecepatan fluida

# perbedaan temperatur antara permukaan dan

fluida

# kapasitas panas fluida

# rapat massa fluida

# bentuk permukaan kontak

Konveksi : H = h x A x ∆T

Gambar 2.3 Perpindahan Panas Secara

Konveksi

Ada suatu perbedaan antara kalor (heat) dan

energi dalam dari suatu bahan. Kalor hanya

digunakan bila menjelaskan perpindahan energi dari

satu tempat ke yang lain. Kalor adalah energi yang

dipindahkan akibat adanya perbedaan temperatur..

Sedangkan energi dalam (termis) adalah energi

karena temperaturnya. Satuan kalor adalah kalori

dimana, 1 kalori adalah kalor yang diperlukan untuk

menaikkan temperatur 1 gr air dari 14,5 C menjadi

15,5 C. Dalam sistem British, 1 Btu (British

Thermal Unit) adalah kalor untuk menaikkan

temperatur 1 lb air dari 63 F menjadi 64 F.

1 kal = 4,186 J = 3,968 x 10-3

Btu

1 J = 0,2389 kal = 9,478 x 10-4

Btu

Btu = 1055 J = 252,0 kal

1.6 Fuzzy Logic

Logika fuzzy (logika samar) itu sendiri

merupakan logika yang berhadapan dengan konsep

kebenaran sebagian, dimana logika klasik

menyatakan bahwa segala hal dapat di ekspresikan

dalam istilah binary (0 atau 1). Logika fuzzy

memungkinkan nilai keanggotaan antara 0 dan 1.

Berbagai teori didalam perkembangan logika fuzzy

menunjukkan bahwa pada dasarnya logika fuzzy

dapat digunakan untuk memodelkan berbagai

sistem. 2 Logika fuzzy dianggap mampu untuk

memetakan suatu input kedalam suatu output tanpa

mengabaikan faktor–faktor yang ada. Logika fuzzy

diyakini dapat sangat fleksibel dan memiliki

toleransi terhadap data-data yang ada. Dengan

berdasarkan logika fuzzy, akan dihasilkan suatu

model dari suatu sistem yang mampu

memperkirakan jumlah produksi. Faktor–faktor

yang mempengaruhi dalam menen-tukan jumlah

produksi dengan logika fuzzy antara lain jumlah

permintaan dan jumlah persediaan.

2.7 Sistem Inferensi Fuzzy Metode Mamdani Metode mamdani sering juga dikenal dengan

nama metode min–max. Metode ini diperkenalkan

oleh Ebrahim Mamdani pada tahun 1975. Untuk

mendapatkan output diperlukan 4 tahapan,

diantaranya : 1. Pembentukan himpunan fuzzy

Pada metode mamdani baik variabel input

maupun variabel output dibagi menjadi satu

atau lebih himpunan fuzzy. 2. Aplikasi fungsi implikasi

Pada Metode Mamdani, fungsi implikasi yang

digunakan adalah min.

Pada himpunan tegas (crisp), nilai

keanggotaan suatu item x dalam suatu himpunan A,

yang sering ditulis dengan A [x], memiliki 2

kemungkinan, yaitu ( Kusumadewi, 2003: 156 ) : a. Satu (1) yang berarti bahwa suatu item menjadi

anggota dalam suatu himpunan. b. Nol (0) yang berarti bahwa suatu item tidak

menjadi anggota dalam suatu himpunan.

Pada himpunan crisp, nilai keanggotaan ada 2

kemungkinan, yaitu 0 atau 1. Sedangkan pada

himpunan fuzzy nilai keanggotaan terletak pada

rentang 0 sampai 1. Semesta pembicaraan adalah keseluruhan

nilai yang diperbolehkan untuk dioperasikan dalam

suatu variabel fuzzy. Semesta pembicaraan

merupakan himpunan bilangan real yang senantiasa

naik (bertambah) secara monoton dari kiri ke

kanan. Nilai semesta pembicaraan dapat berupa bilangan positif maupun negative.

Domain himpunan fuzzy adalah keseluruhan

nilai yang diijinkan dalam semesta pembicaraan

dan boleh dioperasikan dalam suatu himpunan

fuzzy.

5

2.8 Sistem Pengendalian Temperature

Superheater

steam yang berfungsi untuk menggerakkan

turbin dihasilkan oleh boiler dengan ditunjang oleh

economizer sebagai tempat untuk memanaskan air

sebelum air masuk ke dalam ruang bakar, steam

yang didapat dari boiler masih berupa uap basah,

uap basah tersebut kemudian dialirkan menuju

Superheater untuk dikeringkan tetapi sebelum

menuju Superheater temperaturenya dikendalikan

dengan disemprotkan air sampai suhu optimal pada

saat kerja normal atau terjadi kenaikan beban,

setelah itu melalui Superheater agar dihasilkan uap

kering agar bisa menjalankan Turbin dengan baik.

Gambar 2.4 Sistem Pengendalian Temperatur

Superheater Steam

Pada gambar 2.4 suhu dikendalikan dengan

memanipulasi variable tersebut dengan cara

memasang spray tipe direct contact attemperatori

penurunan temperature sebelum masuk heater. Hal

ini bertujuan agar tidak terjadi overheating pada

blade turbin, oleh karena itu suhu sebelum

dipanaskan oleh superheater dengan panas konstan

dari furnace harus diturunkan terlebih dahulu

dengan memindahkan superheater spray setelah

superheater, maka dikhawatirkan akan

membahayakan blade turbin karena air yang berasal

dari nozzle spray tidak sempat menjadi steam

sepenuhnya dan dengan specific. Volume yang

besar, air akan menghantam blade turbin yang

mengakibatkan keretakan bahkan terlebih lagi.

2.9.1 Pengendali Proporsional Integral (PI)

Pengendali ini menambahkan sisi integral

dengan mengintegrasikan error yang terjadi setiap

saat dalam melakukan aksi pengendalian, yaitu :

(Pers 2.1)

Pengendali proposal akan menghasilkan nilai

steady state baru sesuai dengan nilai setpoint-nya.

Tetapi kerugian model pengendali ini yaitu

responnya lebih berosilasi.

2.9.2 Pengendali Proporsional Integral Derivatif

(PID)

Sistem pengendalian PID merupakan sistem

yang menggunakan pengendali analog PID yang

salah satu fungsi transfernya seperti berikut ini :

Kp + + KD S =

• Kp = proportional gain

• Ki = integral gain

• Kd = derivatif gain

Untuk menguji validitas dan keterandalan dari hasil

perancangan sistem pengendalian temperature

dengan menggunakan metode Fuzzy dilakukan

dengan prosedur simulasi. Kontroller yang

dirancang adalah kontroler Fuzzy untuk pengendali

temperature. Prosedur pengujian sistem dengan

simulasi merupakan tahap yang paling penting

sebelum menerapkan hasil perancangan tersebut

secara real time. Pada sistem terdapat beberapa

parameter untuk menunjukkan nilai dari

performansi sistem tersebut secara kualitatif.

Beberapa parameter kualitatif dari sistem tersebut

adalah sebagai berikut :

• Persen Maksimum Overshoot (Mp)

Overshoot maksimum yang dicapai oleh

sistem yaitu prosentase nilai puncak dari

tanggapan terhadap nilai set point

• Settling Time (Ts)

Adalah waktu turun yaitu waktu yang

diperlukan untuk respon agar tetap berada

dalam kisaran nilai set point yang

disederhanakan dengan prosentase mutlak

harga set point (2% atau 5%).

• Error Steady Steate (Ess)

Merupakan kesalahan keadaan tunak yang

didefinisikan sebagai selisih antara nilai set

point dan nilai actual pada keadaan tunak.

• Integrated Absolute Error (IAE)

3.1 Diagram Blok Sistem

Diagram blok sistem untuk pengendalian

temperature steam pada superheater boiler dapat

ditunjukkan pada gambar berikut ini:

6

Gambar 3.2 Diagram blok sistem pengendalian

dengan fuzzy

3.3 Pemodelan Sistem Dinamik Plant

Pada dasarnya temperature pada superheater

harus dijaga supaya selalu mencapai setpoint, jika

temperature melebihi setpoint maka sistem akan

menstabilkan temperatur superheater sehingga

mencapai suhu yang diinginkan. Ketika cold steam

dari tungku pemanas masuk ke superheater maka

coldsteam akan dinaikan temperaturnya hingga

menjadi hot steam pd temperature 510oC, jika

temperatur dari primary superheater diatas setpoint

maka desuperheater (superheater spray) akan

mengeluarkan air yang berfungsi untuk menurunkan

suhu hot steam hingga mencapai setpoint. Supply

air tersebut diatur oleh aksi dari control valve,

control valve akan membuka dan menutup sesuai

dengan kebutuhan dari plant superheater sehingga

selalu mencapai setpoint.

3.3.1 Pemodelan Matematis Superheater

Pada Proses ini terjadi pencampuran antara

gas (steam Superheater) denag fluida (water spray)

atau yang biasa disebut Desuperheater. Pada proses

ini terjadi pencampuran temperature dari steam dan

water spray, dalam proses untuk mendapatkan

model matematis dan sistem pengendalian

desuperheater digunakan persamaan Hukum

Kesetimbangan Energi. Pemodelan matematisnya

dirumuskan sebagai berikut :

Hukum Kesetimbangan Energi :

E in + E generate = E out + E storage 3.1

Pada desuperheater tidak ada energi yang

dibangkitkan, sehingga persamaan 3.1 menjadi :

E in = E out + E storage 3.2

Hukum kesetimbangan massa persamaan diatas

adalah :

3.3

Dimana :

q = Laju perpindahan panas ke fluida (kJ/s)

ώin = Jumlah energi panas yang masuk (kJ)

ώout = Jumlah energi panas yang keluar (kJ)

C = Panas pada volume konstant (kJ/kg K)

0 = Temperature awal (oC)

in = Temperature yang masuk (oC)

out = Temperature yang keluar (oC)

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

V = Kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)

Pada keadaan steady steate, dT out / dt = 0, maka

persamaan menjadi :

3.4

Dimana subscrit s digunakan untuk menunjukkan

proses dalam keadaan steady state.

Substitusi persamaan 3.4 ke 3.3, maka :

3.5

Asumsi ώin = ώout = ώ dan To = 0

Menjadi persamaan 3.5 menjadi :

3.6 Linearisasi variable yang berubah terhadap waktu

dilakukan dengan pendekatan ekspansi Taylor.

Variable deviasi taylor :

Ti = Ti - Tis 3.7

-Q = -(Ti – Tis) 3.8

T = T - Ts 3.9

Dimana :

Maka persamaan 3.6 menjadi

3.10

Persamaan 3.10 ditransformasikan Laplace

sehingga menjadi :

3.11

3.12

3.13

Jika perubahan terjadi pada T in (t), maka Q(t) = 0,

sehingga hubungan antara T out(s) dan Q (s) adalah

sebagai fungsi transfer load T in (s).

3.14

7

Jika perubahan terjadi pada Q(t) saja, maka T in (t)

= 0, sehingga hubungan antara T out(s) dan Q (s)

adalah sebagai fungsi transfer plant.

3.15

Dimana :

Q(s) = m spray (s) CP water (Tspray – T0),

Sehingga persamaan 3.15 menjadi :

3.16

Dari data plant didapatkan nilai transfer function

sebagai berikut :

3.17

3.3.2 Model Matematik Control Valve Pada

Superheater

Sistem kerja dari desuperheater adalah

penginjeksian spray pendingin ke dalam proses

pemanasan di superheater, jadi ketika temperature

pada superheater diatas setpoint maka desuperheater

akan memberikan pendingin ke hot steam yang ada

pada pipa-pipa superheater. Sehingga temperatur

yang sebelumnya diatas setpoint dapat di stabilkan

kembali ke angka 510oC, aktuator desuperheater

berupa control valve yang katubnya membuka

ketika temperatur diatas setpoint dan menutup

ketika temperature telah mencapai setpoint.

Gambar 3.3 Sistem Kerja Desuperheater

Control Valve yang digunakan pada

desuperheater atau yang biasa disebut superheater

spray adalah control valve dengan tipe ball cage,

control valve ini akan menginjeksikan cairan

pendingin untuk menurunkan temperature pada

supeheater. Control valve juga disebut elemen

pengendali akhir yang merupakan bagian akhir

sistem pengendalian yang berfungsi mengubah

variable yang dimanipulasi sehingga diperoleh

kondisi yang dikehendaki. Ada bermacam-macam

elemen pengendali akhir selain control valve.

Adapun yang harus diketahui dalam menentukan

control valve adalah :

Gambar 3.4 Control Valve Desuperheater

Fungsi transfer dari control valve dapat

dinyatakan dalam orde satu sebagai berikut :

3.18

Dengan,

Ktot = KrKs

Tev = Tv ( ∆ V + Rv)

Dimana :

m = Pergeseran valve (%)

ρ = Tekanan sinyal

Ktot = Gain control valve

Kr = Gain Tranduser (I/P)

τs = Konstanta waktu control valve

Tv = Time stroke

∆v = Fraksi perubahan posisi

Untuk itu didapatkan :

Kv 3.19

Gain tranduser (I/P) diperoleh dengan persamaan :

Kr = 3.20

3.21

Dengan demikian :

Ktot = Kr . Ks = (6,9375) . (0,05) = 0,35

Sedangkan fraksi perubahan steamnya adalah :

3.22

Data dari plant diperoleh,

Tv = 8 detik dan Rv = 0,03 (diafragma): 3.23

Tcv = Tv (∆ V + Rv) = 8 . (0,69 + 0,03)

= 5,76

Untuk itu fungsi transfer katub pengendali (control

valve) adalah :

3.24

Simulasi pada control valve digunakan

untuk mengetahui nilai control valve yang

digunakan pada plant, supaya respon control valve

8

yang ada pada plant sama seperti yang ada pada

simulink control valve. Untuk simulasi diberikan

display untuk membuktikan nilai output control

valve apakah sesuai dengan yang ada pada plant

sesungguhnya.

Gambar 3.5 Simulink Control Valve

Seperti pada gambar 3.5 dapat dilihat pada

display nilai yang tampak 20.00 yang merupakan

besarnya sinyal output control valve dalam mA,

yang berarti bahwa nilai tersebut adalah batas

maksimal nilai control valve. Setelah nilai keluaran

control valve memenuhi standart output control

valve (4-20mA), simulink control valve akan

dipasangkan pada simulink plant superheater untuk

proses pengujian sistem.

3.3.3Model Matematik TemperatureTransmitter

Superheater

Gambar 3.6 Temperature Transmitter

Pada plant superheater menggunakan transmitter

fisher dimana transmitter ini mengubah besaran

skalar ke besaran fisis, trasmitter ini akan

menginformasikan hasil dari plant kembali ke

setpoint. Untuk mengukur tinggi temperature pada

superheater digunakan suatu sensor yang disebut

temperature transmitter, yang mengukur tingkat

tingginya temperature dalam domain waktu dan

mentransmisikan dalam bentuk sinyal elektrik yang

besarnya 4-20mA.

Gambar 3.7 Diagram blok temperature transmitter

Min Temperature +500 oC

Max Temperature +520 oC

Min Span 10 oC

Span input adalah nilai kesalahan dari

setting temperature yang digunakan transmitter ini

pada superheater sebesar 0,04 oC. Karena output

dari transmitter adalah 4-20 mA dan inputnya

adalah 500 – 520 oC, maka gain temperature

transmitter dapat diperoleh dengan persamaan 3. 23

sebagai berikut :

Elemen ukur yang digunakan untuk mensensor

temperature yang terjadi adalah elemen sensor

thermocouple, dimana besar Gain untuk transmitter

temperature adalah :

K = 3.25

Secara umum transmisi sinyal arus listrik

dari temperatur transmitter ke kontroller relatif jauh,

maka besarnya time constant (τTT ) yang digunakan

adalah 0,76 detik sehingga persamaan transfer

function temperature transmitter dengan

menggunakan persamaan 3.24 adalah

3.26

Maka jika dimodelkan dalam bentuk

simulink akan didapatkan model simulink seperti

gambar 3.8 dibawah ini :

Gambar 3.8 Simulink Transmitter

Seperti pada control valve nilai yang

dikeluarkan transfer mencapai nilai 20.00 sehingga

transmitter yang digunakan dapat menjalankan

fungsi secara optimal.

3.4 Sistem Fuzzy Logic Pada Pengendalian

Temperatur

Pada sistem didalam fuzzy logic terdapat

beberapa rule base yang telah ditentukan, rule-rule

tersebut digunakan untuk mengontrol dan

menentukan jalannya proses pada simulasi plant

superheater. Pada rule-rule yang telah dibuat

terdapat 2 input dan 1 output, 2 input merupakan

nilai dari temperature superheater dan volume dari

superheater spray flow. Sedangkan outputnya

9

berupa kecepatan pada actuator dalam menginjeksi

pendingin pada proses pemanasan di superheater,

kecepatan actuator dalam bekerja sangat bergantung

pada tingginya temperature dan banyaknya volume

pendingin yang disupply pada plant superheater.

Ketika temperatur tidak terlalu tinggi aktuator akan

akan membuka dan menutup dalam range waktu

yang singkat, sedangkan ketika temperatur sangat

tinggi aktuator akan membuka dan menginjeksi

spray pendingin lebih lama agar temperature cepat

kembali mencapai setpoint.

Input 1 (Temperature SH):

VL (Very Low)

L (Low)

N (Normal)

H (High)

VH (Very High)

Input 2 (SH Spray Flow):

VS (Very Slightly)

S (Slightly)

Egh (Enough)

M (Much)

VM (Very Much)

Output (Kecepatan Respon Aktuator):

Slw (Slow)

Nrm (Normal)

Fst (Fst)

Tabel 3.1 Rule Base Pada Fuzzy Logic

3.4.1 Sistem Control Logika Fuzzy

Berdasarkan input dan output plant maka

pada fuzzy yang dibuat dengan metode mamdani

dibuat dengan 1 input berupa temperature,

sedangkan output yang ingin di dapatkan adalah

reaksi pengendalian aktuator untuk memberikan

injeksi spray pendingin pada steam di superheater,

setiap temperature yang melebihi setpoint maka

aktuator akan bekerja. Nilai data temperature yang

diberikan pada kolom input berdasarkan dari rule-

rule yang telah dibuat, kemudian nilai dari rule –

rule tersebut diplot kan pada membership function.

Pada pengendalian temperature pada superheater

dengan control fuzzy mengambil metode mamdani,

dimana metode ini menggunakan pendekatan dari

model matematik plant superheater itu sendiri.

Sehingga untuk dapat membuat simulasi control

dibutuhkan model matematik dari plant, control

valve, hingga transmitter. Hal ini dilakukan untuk

mendapatkan hasil simulasi yang sesuai dengan

plant asli, sehingga dapat dibuktikan bahwa control

fuzzy pada plant superheater lebih baik daripada

control PI yang saat ini masih digunakan pada plant

superheater di PJB Gresik.

Gambar 3.9 Fuzzyfikasi

3.4.2 Input Membership Function Input pada membership function merupakan

nilai dari data temperatur yang didapat, kemudian

dibuat suatu rule-rule yang berfungsi untuk

memberi memberi aturan pada sistem fuzzy logic.

Input temperature pada membersip function akan

dibagi 5 yaitu, sangat dingin, dingin, sedang, panas,

sangat panas. Aturan tersebut diberikan sesuai

dengan tingkat tingginya temperature pada

superheater, set point superheater sendiri terdapat

pada batas sedang 509-511oC. Input membership

function terlihat pada gambar 3.10. Lima rule yang

diberikan pada input memiliki nilai minimum

temperature 500 oC, sedangkan nilai maksimum

temperature adalah 520 o

C. Setelah input dan

batasan-batasan diberikan pada input, maka rule

base dapat dibuat dengan memasangkan nilai input

dengan output sehingga dapat membentuk suatu

rule base.

10

Gambar 3.10 Membership Function Pada

temperature

3.4.3 Output Membership Function

Output membership function dari kontrol

fuzzy ini adalah respon dari aktuator yang berupa

kontrol valve, dimana kontrol valve akan membuka

dan menutup sesuai dengan kebutuhan agar

temperature superheater yang mengalami overshoot

kembali pada keadaan steady state sebesar 510oC.

Output pada membeship function ini diberi 3 rule

yaitu cepat, sedang, dan lama. Dimana ketika

temperature sedikit diatas setpoint maka control

valve akan membuka dalam waktu yang singkat,

begitu juga sebaliknya ketika temperature

superheater berada jauh diatas setpoint maka control

valve akan membuka dalam waktu yang lama agar

injeksi spray pendingin yang diberikan pada plant

superheater menjadi lebih banyak.

Gambar 3.11 Membership Function Pada Flow

3.4.4 Simulasi Sistem Pengendalian Superheater

Dengan Fuzzy Logic

Setelah dilakukan pengujian model

matematik dari sensor, control valve, dan

transmitter maka dapat dibuat suatu desain plant

pengendalian temperature pada superheater dengan

metode fuzzy logic. Setelah desain plant

pengendalian dibuat maka desain plant tersebut

akan diuji dengan menggunakan mathlab 2009

untuk dapat mengetahui respons dari sistem

pengendalian yang telah dibuat, desain plant

pengendalian dapat dilihat pada gambar 3.12

Gambar 3.12 Simulink Sistem Pengendalian Pada

Superheater

4. Simulasi dan Analisa Data

4.1 Simulasi Open Loop

Simulasi pada open loop ini dilakukan untuk

menguji sejauh mana performansi sistem tanpa

pengendali. Uji open loop dilakukan dengan

memberikan inputan berupa step. Adapun grafik

open loop pada simulink yang digunakan dalam

tugas akhir ini ditunjukkan gambar 4.1.

Gambar 4.1 Grafik Respon Open Loop

Gambar grafik respon diatas menunjukkan

bahwa uji open loop tanpa adanya pengendali,

temperature pada output superheater berada pada

440 oC. Padahal setpoint yang diinginkan adalah

510 oC, oleh sebab itu diperlukan sebuah sistem

pengendali untuk menjaga temperature output

superheater steam sesuai dengan temperature yang

diharapkan.

4.2 Uji Tracking Setpoint

Pada proses pengujian setpoint akan

dilakukan beberapa hal, yaitu uji tracking akan

dimulai ketika proses superheater dan desuperheater

baru diaktifkan. Hal ini dilakukan agar mengetahui

11

seberapa cepat respon dari kontroler untuk

mencapai setpoint, maka pada pengujian akan

dimulai pada suhu temperature 0oC dimana saat itu

superheater dan desuperheater belum diaktifkan

atau dalam keadaan tidak aktif. Proses pengujian

dilakukan dengan memberi nilai setpoint yang

nantinya akan diubah-ubah agar dapat terlihat

respon dari kontrol temperature superheater, selain

itu akan ditentukan juga waktu dimana nilai setpoint

akan diubah agar tampak perbedaan proses

pencapaian setpoint dan didapatkan suatu

perbandingan hasil kontrol.

� Respons uji tracking setpoint dengan stop

time 300

Waktu Perubahan Setpoint 80

Setpoint Temperature 300

Perubahan Setpoint Temperature 500

Grafik 4.2 Hasil Uji Setpoint control PI pada plant

Grafik 4.3 Hasil Uji Setpoint Dengan Fuzzy Logic

Pada grafik uji setpoint dengan nilai setpoint

temperature 300, waktu perubahan setpoint 500

serta perubahan waktu setpoint sebesar 80. Hasil

perbandingan kontrol PI pada PLTU dan control

fuzzy terlihat bahwa proses pencapaian setpoint

kontrol PI lebih lama dari pada ketika menggunakan

control fuzzy, terlebih lagi overshoot dan

undershoot control PI lebih besar dibandingkan

dengan hasil kontrol fuzzy.


time 300




Grafik 4.4 Hasil Uji Setpoint controller PI pada

plant

Grafik 4.5 Hasil uji setpoint dengan Fuzzy Logic

Terlihat pada gambar 4.4 dan 4.5 grafik uji

setpoint dengan nilai setpoint temperature 300,

waktu perubahan setpoint 500 serta perubahan

waktu setpoint sebesar 100. Hasil perbandingan

kontrol PI pada PLTU dan control fuzzy terlihat

overshoot dan undershoot control PI lebih besar dari

grafik kontrol fuzzy, kontrol dengan menggunakan

fuzzy logic grafik lebih cepat dalam mencapai

setpoint, selain itu undershoot dan overshootnya

relatif lebih kecil.


time 300




12


Grafik 4.7 Hasil Uji Setpoint PJB Gersik

Pada grafik uji setpoint dengan nilai setpoint

temperature 400, waktu perubahan setpoint 550

serta perubahan waktu setpoint sebesar 120. Hasil

perbandingan kontrol PI pada PLTU yang tampak

pada grafik 4.6 dan 4.7 terlihat bahwa grafik control

fuzzy lebih cepat dalam mencapai setpoint

dibandingkan dengan kontrol PI yang terlihat lebih

lama dari pada ketika menggunakan control fuzzy,

dan walaupun nilai setpoint temperature diubah

grafik kontrol fuzzy tetap lebih cepat mencapai

setpoint tanpa ada overshoot.


time 300





Grafik 4.9 Hasil Uji Setpoint PJB Gersik

Pada gambar grafik 4.8 dan 4.9 terlihat hasil

dari uji setpoint dengan nilai setpoint temperature

450, waktu perubahan setpoint 550 serta perubahan

waktu setpoint sebesar 150. Terlihat bahwa grafik

control fuzzy hanya sedikit mengalami sedikit

overshoot dan undershoot, dan walaupun setpoint

temperature diubah fuzzy logic dapat mengikuti

kenaikan tanpa ada overshoot. Sedangkan pada

kontrol PI overshoot dan undershootnya masih lebih

besar dari kontrol fuzzy, selain itu ketika setpoint

temperature diubah kontrol PI tampak tidak stabil

dalam pencapaian setpoint.

5. Kesimpulan dan Saran

5.1 Kesimpulan

Dari hasil simulasi dan analisa data pada

penelitian Tugas Akhir ini, dapat disimpulkan

sebagai berikut :

1. Dari hasil uji coba open loop didapatkan hasil

dimana sistem tidak mampu memenuhi nilai

dari setpoint tersebut yang nilainya sebesar

510 oC, sehinga dibutuhkan pengendali yang

mampu menjaga proses variable agar cepat

mencapai setpoint yang diinginkan.

2. Hasil dari desain plant dengan menggunakan

control fuzzy logic, didapatkan performansi

kontrol temperatur yang lebih baik dari pada

kontrol PI yang saat ini masih digunakan di

PT. PJB UP Gresik dalam hal kecepatan

respon proses pencapaian setpoint.

3. Dari hasil uji tracking setpoint dengan

menggunakan sistem control fuzzy yang telah

dibuat, dengan memberikan nilai Settling time

150, Initial Value 400, Final value 550, dan

stop time 300. Didapatkan suatu hasil respon

yang lebih baik ketika menggunakan control

fuzzy logic dari pada control PID yang sampai

sekarang masih digunakan di PT.PJB UP

Gersik.

13

5.2 Saran

Beberapa saran yang perlu disampaikan

dalam laporan ini dalam rangka pengembangan

penelitian ini antara lain adalah sebagai berikut :

1. Jika menginginkan hasil respon desuperheater

yang responsif, maka control fuzzy logic

sebagai pengendali temperature pada

superheater di lakukan secara real time untuk

melihat performansi sesungguhnya.

2. Mengubah jenis control valve linear yang saat

ini digunakan di lapangan dengan control

valve quick yang dapat menunjang kecepatan

respon aktuator sehingga setpoint yang

diinginkan dapat dicapai lebih cepat lagi

DAFTAR PUSTAKA [1] Ardiansyah, Bagus, “Integrasi Fieldbus Pada Distributed Control

System Centum CS3000 Yokogawa”, Surabaya, 2007.

[2] Gunterus, Frans,”Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses”,

Elex Media Komputindo, Jakarta.,1994

[3] Incropera, Frank,”Fundamental of Heat and Mass Transfer 3nd

Edition”, John Wiley & Son.Inc,1990

[4] Joko Indarto, “Rancang Bangun Local Control Unit (LCU) Level

pada Distributed Control System (DCS)”, Surabaya 2007.

[5] Kurnia, Dedi Nazara, “Penentuan Safety Integrity Level dengan

Fault Tree Analysis untuk mengetahui Waktu keamanan proses pada

Boiler Steam Drum PT. Indonesia Power UBP Suralaya”, Surabaya,

2008.

[6] Ogata, Katshuiko, “Teknik Kontrol Automatik I’’, Prentice Hall

Inc, 1996.

[7] Ogata, Katshuiko, “Teknik Kontrol Automatik II’’, Prentice Hall

Inc, 1996.

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN...

Documents

Transcript of PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN...