vol 3 no 2 tahun 3%283%29 boiler
DESCRIPTION
pemanasTRANSCRIPT
Jurnal Amplifier Vol. 3 No. 2, November 2013
12
Aplikasi Perbandingan Pengendali P, PI, Dan PID Pada ProsesPengendalian Suhu Dalam Sistem Mini Boiler
Bhakti Yudho S1*, Hera Hikmarika1, Suci Dwijayanti1, Purwanto1
1Jurusan Teknik Elektro Universitas Sriwijaya, *[email protected]
ABSTRACTNowadays, Industry use boilers in process of steamutilization. To obtain the optimum steam, controllingthe combustion temperature is required. In thisresearch, mini boiler is designed, it look like a tubewith a length of 80 cm and diameter of 40 cm. Thecombustion process uses gasses as fuel. Systemmodeling of a mini boiler will be used to get the blockdiagram of the system based on the function. Then,based on the block diagram, PID controller isdesigned to control the temperature of the mini boilercombustion air. Input variables consists oftemperature and error of the thermocouple readings.While, the output variable is the opening of thecontrol valve. MATLAB software is used to test andsimulate the process by designing the system with andwithout disturbances in the interval of 20 seconds.The result of a measurement and simulation withdisturbance as follows:, PI controllers generate thebest response, with settling time of 17.17 seconds, risetime of 10-90 % is 8.561 seconds, steady stateconditions of 125 oC is 37.72 seconds and no steadystate error. Meanwhile PID controller is better thanPI controller if there is no disturbance in the system.
Keywords: Mini Boiler, PID controller, settling time,rise time, PI Controller
1. PENDAHULUANTeknologi yang baik diperlukan manusia agar
dapat meningkatakan efisiensi kerjanya serta menjagakeselamatan sumber daya manusianya itu sendiri.Berbagai macam penemuan peralatan industri yanghingga kini masih menjadi kebutuhan pokok bagi duniaindustri seperti motor, generator, kompresor, heater,dan boiler terus dikembangkan dengan optimal agardapat lebih mempermudah tugas manusia di bidangindustri.
Penggunaan boiler dalam dunia industridiperlukan untuk proses-proses yang memerlukan uapdari boiler misalkan untuk pemanasan, proses memasakmaupun untuk pembangkit tenaga uap. Boilermengubah air sebagai masukan untuk diubah menjadiuap melalui proses pemanasan di dalam steam. Untukmendapatkan uap yang optimal diperlukan sistemkendali boiler yang mengatur besarnya suhu dantekanan yang dihasilkan di dalam steam tersebut. Salah
satu pengendali yang dapat digunakan pada boileradalah pengendali Proporsional-Integral-Diferensial(PID).
Penelitian tentang boiler banyak sekali telahdilakukan namun hampir semuanya dilakukan untukboiler dalam skala besar dan untuk pembangkit tenagalistrik, diantaranya oleh Hossein Reza Karampooriandan Reza Mohseni (2011) yang membahas tentangsistem multivariabel boiler dan turbin untukpembangkit listrik [1]. Penelitian lainnya dilakukanoleh F. P. de Mello dan Fellow (1991) yang menelititentang pemodelan boiler untuk sistem yang memilikiunjuk kerja dinamis seperti yang ada pada pembangkitlistrik[2].
Pada penelitian ini dirancang mini boiler yangdipergunakan pada industri kecil dengan steam yangsuhunya tidak terlalu tinggi namun membutuhkanpengendalian temperatur agar steam yang dialirkanmemiliki temperatur yang stabil karena permasalahanutama dari mini boiler ini yaitu kestabilan temperaturdan tekanan. Dengan demikian penggunaan pengendaliyang baik dan handal diharapkan dapat mengatasipermasalahan tersebut sehingga pemanfaatan steamtersebut untuk proses lebih lanjut juga lebih baik lagi.
2. KERANGKA TEORITIS
A. Boiler[3],[5]Boiler adalah suatu peralatan yang dioperasikan
agar memproduksi uap air sehingga dapat digunakansebagai sumber tenaga penggerak, alat pemanas,pembersih, penguap cairan dan kegunaan lainnya.
Sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistemsteam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpanmenyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuaidengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakanuntuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steammengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalamboiler. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diaturmenggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantautekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatanyang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untukmenghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yangdiperlukan pada sistem bahan bakar tergantung padajenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.
Air yang disuplai ke boiler untuk diubah menjadisteam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah
ISSN: 2089-2020
13
Kondensat yang merupakan hasil dari pengembunansteam dari proses sampingan dan Air makeup (air bakuyang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luarruang boiler dan plant proses. Agar mendapatkanefisiensi boiler yang lebih tinggi, economizer digunakanuntuk memanaskan awal air umpan tersebut.
B. Jenis-Jenis Boilera. Fire Tube Boiler
Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipadan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubahmenjadi steam. Fire tube boiler biasanya digunakanuntuk kapasitas steam yang relative kecil dengantekanan steam rendah sampai sedang. Sebagaipedoman, fire tube boiler kompetitif untuk kecepatansteam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai18 kg/cm2. Fire tube boiler dapat menggunakanbahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakarpadat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis,sebagian besar fire tube boiler dikonstruksi sebagaipaket (diproduksi oleh pabrik) boiler untuk semuabahan bakar.
Gambar 1. Fire Tube Boiler[3]
b. Water Tube BoilerPada water tube boiler, air umpan boiler mengalirmelalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yangtersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakarmembentuk steam pada daerah uap dalam drum.Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanansteam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untukpembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangatmodern dirancang dengan kapasitas steam antara4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi.Banyak water tube boiler yang dikonstruksi secarapaket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dangas. Untuk water tube boiler yang menggunakanbahan bakar padat, tidak umum dirancang secarapaket.Karakteristik water tube boiler sebagai berikut: Forced, induced dan balanced draft membantuuntuk meningkatkan efisiensi pembakaran Kurang toleran terhadap kualitas air yangdihasilkani plant pengolahan air.
Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panasyang lebih tinggi.
Gambar 2. Water Tube Boiler[3]
C. Kesetimbangan Energi dan MassaUntuk menetapkan karakteristik dan kelakuan
sistem proses, diperlukan:1. Himpunan fundamental dependent quality, yang
nilainya akan menjelaskan keadaan sistem : massadan energi
2. Himpunan persamaan dari fundamental variable pada(1) yang akan menjelaskan bagaimana keadaansistem berubah terhadap waktu.
Fundamental dependent variable sering kali tidakdaat diukur secara langsung. Sehingga perlu dipilihvariabel – variabel lain yang dapat diukur dengan baik,yang jika digabungkan dapat menghasilkan nilaifundamental variable yang dibutuhkan. Fundamentalvariable massa, energi, dan momentum dapat ditetapkandari densitas (), kensentrasi (C), tempperatur (T),tekanan (P), dan laju alir (F). Variabel – variabel yangmemberikan karakteristik suatu proses disebut sebagaistate variable, dan nilainya mendefinisikan keadaan darisistem proses.
Persamaan – persamaan yang menhubungkan statevariable dengan berbagai independent variable disebutpersamaan keadaan, yang dapat diturunkanmenggunakan prinsip kekekalan (conservation principle)terhadap fundamental quantities.[4]
wakturentangsistemdalam
dikonsumsiSjumlah
wakturentangsistemdalam
kandigenerasiSjumlah
wakturentangsistemkeluar
Saliran
wakturentangsistemkemasukSaliran
wakturentangsistemdalam
Sakumulasi
(1)
Dengan:TotalEnergiatauKomponenMassaatauTotalMassaS
Berdasarkan prinsip kekekalan, dapat disusunpersamaan– persamaan keadaan sebagai berikut :[4]Neraca Massa Total :
outletjjj
inletiii FF
dtVd
__ (2)
Jurnal Amplifier Vol. 3 No. 2, Nopember 2013
14
Dimana :V menyatakan volume (m3)F menyatakan laju aliran (kg/s) menyatakan densitas atau massa jenis (kg/m3)
Persamaan diatas menjelaskan bahwa perubahanmassa dalam suatu sistem tiap satuan waktu merupakanselisih dari jumlah perubahan aliran fluida yang masukke dalam sistem tersebut persatuan waktu dikurangjumlah perubahan aliran fluida yang keluar sistemtersebut persatuan waktu.
Neraca Energi Total :[4]
outletj
Sjjjinleti
iii WQhFhFdtdE
__ (3)
Dimana :V menyatakan volume (m3)F menyatakan laju aliran (kg/s) menyatakan densitas atau massa jenis (kg/m3)Q menyatakan perubahan panas dalam sistem (J/s)W menyatakan kerja yang dilakukan sistem (J/s)h menyatakan enthalpi (J/kg)Persamaan diatas menjelaskan bahwa perubahan
energi dalam suatu sistem tiap satuan waktu merupakanjumlah energi yang masuk ke dalam sistem tiap satuanwaktu dikurangi dengan jumlah energi yang keluarsistem tiap satuan waktu dan ditambahkan denganperubahan panas dalam sistem tersebut sertaditambahkan kerja yang dilakukan oleh sistem tersebut.D. Contol Valve
Valve secara definisi bahasa Indonesiayaitu katup, kran, atau klep, yang mempunyaifungsi sebagai pengatur laju aliran fluida yangmelewatinya. Jika katup tersebut diinginkandapat digerakkan secara otomatis sesuai dengankeinginan maka dibutuhkan katup yang dapatdikendalikan biasa disebut control valve.Umumnya pemodelan control valve sebagaiberikut :[8]
(4)
E. ThermocoupleThermocouple merupakan salah satu contoh sensor
temperatur yang sering digunakan. Secara umum, fungsialih thermocouple sebagai berikut[8] :
(5)
F. Pengendali [6]Pengendali PID adalah pengendali yang paling
banyak digunakan didalam industri. Pengendali PIDtelah bertahan sejak lama, dari era sistem analog hinggaera sistem digital komputer. Pada kenyataannya,perkembangan teknologi digital dan software telahmembuat perkembangan yang signifikan terhadappenelitian PID. Pengendali Proportional ( P )
Aksi pengendali proporsional memiliki responkeluaran yang sebanding dengan sinyal kesalahan (error)yang dihasilkan, hal ini sesuai dengan perumusandibawah ini :
)()( teKtCO p (6)
Dimana, proporsional respon dapat disesuaikandengan mengalikan sinyal error terhadap KP, atau yangdisebut dengan proporsional gain. Berikut gambar 3yang memperlihatkan diagram blok proportional.
Gambar 3. Diagram blok Pengendali Proportional
Pengendali Integral ( I )Pengendali intergal digunakan untuk
menghilangkan offset pada keadaan tunak. Offsetbiasannya terjadi pada plant yang tidak mempunyaifaktor integrasi (1/s). Berikut ini adalah perumusanpengendali integral :
dtteKtCO i )()( (7)
Disamping menghilangkan sinyal kesalahankeadaan tunak (offset), ada kemungkinan pengendaliintegral dapat menimbulkan respon yang berosilasidengan amplitudo yang mengecil secara perlahan ataubahkan amplitudo yang membesar. Berikut gambar 4diagram blok pengendali integral.
Gambar 4. Diagram blok Pengendali Integral
Pengendali Derivative ( D )Fungsi pengendali derivative adalah untuk
memprediksi nilai yang akan datang dari kendali sinyalkesalahan (error). Berikut ini perumusan pengendaliderivative :
dttdeKtCO D)()( (8)
ISSN: 2089-2020
15
Perumusan terdapat pada pengendali derivative inidihasilkan dari diffrensial atau turunan proses sinyalkesalahan (error) yang dijumlahkan dengan menentukankemiringan sinyal kesalahan dari waktu ke waktu danmengalikan laju perubahan dengan penguat (gain)derivative (KD). Berikut gambar 5 diagram blokpengendali derivative.
Gambar 5. Diagram blok Pengendali Derivative
3. METODE RISET
Mini boiler yang digunakan terdiri dari beberapabagian, yaitu steam drum, pipa ulir, dan pipa tegak.Steam drum dirancang menyerupai tabung denganpanjang 80 cm dan diameter 40 cm berbahan dasarstenlis dengan ketebalan 3 mm. Steam drum berfungsisebagai tempat penampungan uap yang dihasilkan dariproses pemanasan air. Di bawah steam drum terdapatpipa ulir dengan ketebalan 1 mm dan diameter lubang0,8 cm yang dibuat tiga tingkatan sebagai sebagai jalurinput aliran air yang akan dipanaskan. Di bawah steamdrum juga terdapat pipa tegak yang dibuat mengelilingipipa ulir dengan jumlah enam tiang sepanjang 15 cm.Pipa tegak ini dihubungkan oleh pipa mendatarberbentuk persegi panjang yang kemudian dihubungkandengan steam drum dan pipa ulir. Pipa tegak iniberfungsi sebagai penyuplai uap ke dalam steam drumdari proses pemanasan yang terjadi pada pipa ulir danjuga sebagai tempat pemisah antara air yang berasal dariproses pengembunan uap panas yang mengendap lamadalam steam drum yang selanjutnya dipanaskan kembalimenjadi uap.
Gambar 6. Perancangan Mini Boiler
Sistem pemanasan air pada mini boiler inimenggunakan tiga buah tungku api berbahan bakar gas.Sehingga secara umum sistem kerja mini boilerdikelompokkan menjadi dua subsistem, yaitu sistempemanasan air dan sistem penyimpanan uap panas
(steam). Proses dimulai dari sistem pemanasan air saatair yang berasal dari feedwater dialirkan melalui pompamenuju pipa ulir yang kemudian dipanaskan oleh apiyang dihasilkan dari gas elpiji hingga menjadi uap panas.Selanjutnya proses kerja berlanjut pada sistempenyimpanan uap panas setelah air mencapai titik didih100oC. Uap panas (steam) yang berasal dari pipa ulirakan naik menuju steam drum melalui pipa tegak yangmenembus badan steam drum. Kemudian uap panas iniakan dikumpulkan dalam tabung penampungan uappanas (steam drum) hingga menghasilkan tekanan yangdiinginkan yaitu sebesar 2 bar. Sebagian uap panas yangtelah lama mengendap dalam steam drum berubahmenjadi air kembali (yang disebut blowdown water)akan dikeluarkan melalui pipa pada bagian bawah steamdrum. Semua sistem di atas selalu bekerja salingberurutan dan kontinu, sehingga jika terdapat gangguanpada sebuah sistem, maka sistem lainnya akan menjaditerganggu pula.
Gambar 7. Skema Sistem Mini Boiler
Pemodelan sistem suatu plant dilakukanberdasarkan pada hukum kesetimbangan massa (massbalance) dan kesetimbangan energi (energi balance).Oleh karena itu, secara sederhana dapat ditentukanvariabel yang terdapat pada mini boiler, variabel –variabel tersebut digambarkan dalam diagram blokberikut :
Gambar 8. Variabel Pada Mini Boiler
Dimana : w1 menyatakan laju aliran feedwater (kg/s) w2 menyatakan laju aliran steam menuju steam drum
(kg/s) w3 menyatakan laju aliran steam output (kg/s) w4 menyatakan laju aliran blowdown water (kg/s) T1 menyatakan suhu feedwater (oC) T2 menyatakan suhu steam yang menuju steam drum
(oC) T3 menyatakan suhu steam output (oC)
ISSN: 2089-2020
15
Perumusan terdapat pada pengendali derivative inidihasilkan dari diffrensial atau turunan proses sinyalkesalahan (error) yang dijumlahkan dengan menentukankemiringan sinyal kesalahan dari waktu ke waktu danmengalikan laju perubahan dengan penguat (gain)derivative (KD). Berikut gambar 5 diagram blokpengendali derivative.
Gambar 5. Diagram blok Pengendali Derivative
3. METODE RISET
Mini boiler yang digunakan terdiri dari beberapabagian, yaitu steam drum, pipa ulir, dan pipa tegak.Steam drum dirancang menyerupai tabung denganpanjang 80 cm dan diameter 40 cm berbahan dasarstenlis dengan ketebalan 3 mm. Steam drum berfungsisebagai tempat penampungan uap yang dihasilkan dariproses pemanasan air. Di bawah steam drum terdapatpipa ulir dengan ketebalan 1 mm dan diameter lubang0,8 cm yang dibuat tiga tingkatan sebagai sebagai jalurinput aliran air yang akan dipanaskan. Di bawah steamdrum juga terdapat pipa tegak yang dibuat mengelilingipipa ulir dengan jumlah enam tiang sepanjang 15 cm.Pipa tegak ini dihubungkan oleh pipa mendatarberbentuk persegi panjang yang kemudian dihubungkandengan steam drum dan pipa ulir. Pipa tegak iniberfungsi sebagai penyuplai uap ke dalam steam drumdari proses pemanasan yang terjadi pada pipa ulir danjuga sebagai tempat pemisah antara air yang berasal dariproses pengembunan uap panas yang mengendap lamadalam steam drum yang selanjutnya dipanaskan kembalimenjadi uap.
Gambar 6. Perancangan Mini Boiler
Sistem pemanasan air pada mini boiler inimenggunakan tiga buah tungku api berbahan bakar gas.Sehingga secara umum sistem kerja mini boilerdikelompokkan menjadi dua subsistem, yaitu sistempemanasan air dan sistem penyimpanan uap panas
(steam). Proses dimulai dari sistem pemanasan air saatair yang berasal dari feedwater dialirkan melalui pompamenuju pipa ulir yang kemudian dipanaskan oleh apiyang dihasilkan dari gas elpiji hingga menjadi uap panas.Selanjutnya proses kerja berlanjut pada sistempenyimpanan uap panas setelah air mencapai titik didih100oC. Uap panas (steam) yang berasal dari pipa ulirakan naik menuju steam drum melalui pipa tegak yangmenembus badan steam drum. Kemudian uap panas iniakan dikumpulkan dalam tabung penampungan uappanas (steam drum) hingga menghasilkan tekanan yangdiinginkan yaitu sebesar 2 bar. Sebagian uap panas yangtelah lama mengendap dalam steam drum berubahmenjadi air kembali (yang disebut blowdown water)akan dikeluarkan melalui pipa pada bagian bawah steamdrum. Semua sistem di atas selalu bekerja salingberurutan dan kontinu, sehingga jika terdapat gangguanpada sebuah sistem, maka sistem lainnya akan menjaditerganggu pula.
Gambar 7. Skema Sistem Mini Boiler
Pemodelan sistem suatu plant dilakukanberdasarkan pada hukum kesetimbangan massa (massbalance) dan kesetimbangan energi (energi balance).Oleh karena itu, secara sederhana dapat ditentukanvariabel yang terdapat pada mini boiler, variabel –variabel tersebut digambarkan dalam diagram blokberikut :
Gambar 8. Variabel Pada Mini Boiler
Dimana : w1 menyatakan laju aliran feedwater (kg/s) w2 menyatakan laju aliran steam menuju steam drum
(kg/s) w3 menyatakan laju aliran steam output (kg/s) w4 menyatakan laju aliran blowdown water (kg/s) T1 menyatakan suhu feedwater (oC) T2 menyatakan suhu steam yang menuju steam drum
(oC) T3 menyatakan suhu steam output (oC)
ISSN: 2089-2020
15
Perumusan terdapat pada pengendali derivative inidihasilkan dari diffrensial atau turunan proses sinyalkesalahan (error) yang dijumlahkan dengan menentukankemiringan sinyal kesalahan dari waktu ke waktu danmengalikan laju perubahan dengan penguat (gain)derivative (KD). Berikut gambar 5 diagram blokpengendali derivative.
Gambar 5. Diagram blok Pengendali Derivative
3. METODE RISET
Mini boiler yang digunakan terdiri dari beberapabagian, yaitu steam drum, pipa ulir, dan pipa tegak.Steam drum dirancang menyerupai tabung denganpanjang 80 cm dan diameter 40 cm berbahan dasarstenlis dengan ketebalan 3 mm. Steam drum berfungsisebagai tempat penampungan uap yang dihasilkan dariproses pemanasan air. Di bawah steam drum terdapatpipa ulir dengan ketebalan 1 mm dan diameter lubang0,8 cm yang dibuat tiga tingkatan sebagai sebagai jalurinput aliran air yang akan dipanaskan. Di bawah steamdrum juga terdapat pipa tegak yang dibuat mengelilingipipa ulir dengan jumlah enam tiang sepanjang 15 cm.Pipa tegak ini dihubungkan oleh pipa mendatarberbentuk persegi panjang yang kemudian dihubungkandengan steam drum dan pipa ulir. Pipa tegak iniberfungsi sebagai penyuplai uap ke dalam steam drumdari proses pemanasan yang terjadi pada pipa ulir danjuga sebagai tempat pemisah antara air yang berasal dariproses pengembunan uap panas yang mengendap lamadalam steam drum yang selanjutnya dipanaskan kembalimenjadi uap.
Gambar 6. Perancangan Mini Boiler
Sistem pemanasan air pada mini boiler inimenggunakan tiga buah tungku api berbahan bakar gas.Sehingga secara umum sistem kerja mini boilerdikelompokkan menjadi dua subsistem, yaitu sistempemanasan air dan sistem penyimpanan uap panas
(steam). Proses dimulai dari sistem pemanasan air saatair yang berasal dari feedwater dialirkan melalui pompamenuju pipa ulir yang kemudian dipanaskan oleh apiyang dihasilkan dari gas elpiji hingga menjadi uap panas.Selanjutnya proses kerja berlanjut pada sistempenyimpanan uap panas setelah air mencapai titik didih100oC. Uap panas (steam) yang berasal dari pipa ulirakan naik menuju steam drum melalui pipa tegak yangmenembus badan steam drum. Kemudian uap panas iniakan dikumpulkan dalam tabung penampungan uappanas (steam drum) hingga menghasilkan tekanan yangdiinginkan yaitu sebesar 2 bar. Sebagian uap panas yangtelah lama mengendap dalam steam drum berubahmenjadi air kembali (yang disebut blowdown water)akan dikeluarkan melalui pipa pada bagian bawah steamdrum. Semua sistem di atas selalu bekerja salingberurutan dan kontinu, sehingga jika terdapat gangguanpada sebuah sistem, maka sistem lainnya akan menjaditerganggu pula.
Gambar 7. Skema Sistem Mini Boiler
Pemodelan sistem suatu plant dilakukanberdasarkan pada hukum kesetimbangan massa (massbalance) dan kesetimbangan energi (energi balance).Oleh karena itu, secara sederhana dapat ditentukanvariabel yang terdapat pada mini boiler, variabel –variabel tersebut digambarkan dalam diagram blokberikut :
Gambar 8. Variabel Pada Mini Boiler
Dimana : w1 menyatakan laju aliran feedwater (kg/s) w2 menyatakan laju aliran steam menuju steam drum
(kg/s) w3 menyatakan laju aliran steam output (kg/s) w4 menyatakan laju aliran blowdown water (kg/s) T1 menyatakan suhu feedwater (oC) T2 menyatakan suhu steam yang menuju steam drum
(oC) T3 menyatakan suhu steam output (oC)
Jurnal Amplifier Vol. 3 No. 2, Nopember 2013
16
T4 menyatakan suhu blowdown water (oC)
Berdasarkan model variabel di atas, maka dapatdiperoleh persamaan kesetimbangan massa dan energisistem :[2]
owiw
dtVd
(9)
431 wwwdt
Vd
(10)
4311 www
dtVd
(11)
Dimanawi menyatakan laju aliran yang masuk ke sistem (kg/s)wo menyatakan laju aliran yang keluar sistem (kg/s)V menyatakan volume steam dalam mini boiler (m3)w1 menyatakan laju aliran (flow rate) feedwater (kg/s)w3 menyatakan flow rate steam out (kg/s)w4 menyatakan flow rate blowdown water (kg/s) menyatakan massa jenis air (kg/m3)
Berdasarkan prinsip kekekalan energi (conservationprinciple) mengenai akumulasi zat dalam sistem,kesetimbangan energi total dalam sistem didefinisikansebagai selisih antara energi yang masuk ke sistem dankeluar sistem, ditambah dengan jumlah energi yangdihasilkan sistem, serta energi yang dikonsumsi olehsistem. Kesetimbangan energi dapat digambarkanmelalui persamaan berikut :
QrefTTCwrefTTCw
refTiTCwdt
refTTVdC
43
1
(12)
QCTwCTwCTwdtVCTd
4433113
(13)
CQTwTwTw
dtTd
VdtVdT
4433111
33
(14)
DimanaTi menyatakan suhu feed water (oC)T menyatakan suhu output (oC)C menyatakan kalor jenis air (J/kg.oC)w1 menyatakan laju aliran feedwater (kg/s)w3 menyatakan laju aliran steam out (kg/s)w4 menyatakan laju aliran blowdown water (kg/s)Q menyatakan perubahan energi panas yang terjadi pada
sistem (J/s)T1 menyatakan suhu feedwater (oC)T3 menyatakan suhu steam out (oC)T4 menyatakan suhu blowdown water (oC)
Dengan mensubtitusikan persamaan (11) ke dalampersamaan (14), maka diperoleh persamaan berikut :
CQTwTw
V
wwV
Tdt
dT
4411
1433
1
1
(15)
Persamaan (11) dan (15) mewakili karakteristiksistem pada mini boiler berdasarkan kesetimbanganmassa dan energi. Dengan menggunakan ekspansi derettaylor persamaan tersebut dapat dilinearisasikan menjadi
)('4)('3)('1
1)('twtwtw
dttdV
(16)
CsVtQtT
sVsw
tTsV
sw
twsV
sTsTtw
sVsTsT
tVsTsTsV
swsTsT
sV
sw
tTsV
swsw
dttdT
)(')('4.
,4)('1.,1
)('4,4,31)('1
,3,11
)(',3,42,4
,1,32,11
)('3,1,41)('3
(17)
Dalam penelitian ini pengendalian hanyadifokuskan pada pengendalian suhu dalam steam drumsaja, yaitu pada T3. Oleh karena itu, beberapa variabeldianggap konstan. Dalam pembatasan masalah, masukanair dianggap konstan ( T1 dan w1 konstan). Selain itu,untuk melakukan pengontrolan suhu dalam steam drum,maka volume dalam steam drum dianggap tetap, danblowdown water (T4 dan w4) dianggap sebagai gangguansistem. Sehingga persamaan (17) berubah menjadi :
)('4,41)('4
,4,31
)(')('3
,4,11)('3
tTsV
swtw
sVsTsT
CsVtQtT
sVswsw
dttdT
(18)
Dengan menggunakan transformasi laplace,persamaan diatas berubah menjadi :
sTswswssV
sw
swswswssV
sTsT
CswswCssVsQsT
'4
,4,1
,4
'4
,4,1
,4,3
,4,1
''3
(19)
ISSN: 2089-2020
17
Dalam penelitian ini, pengontrolan yang dilakukanmelalui control valve digunakan untuk mengontrolperubahan perpindahan panas yang terjadi pada sistempemanasan air. Fungsi alih control valve diatas hanyamembandingkan masukan bukaan valve dengan jumlahaliran gas elpiji yang digunakan sebagai bahan bakar.Oleh karena itu, diperlukan suatu blok yang digunakanuntuk menghubungkan plant dengan control valve yaituperbandingan jumlah aliran gas yang terbakar denganperubahan perpindahan panas yang terjadi pada sistempemanasan air dalam pipa ulir.
Pemodelan termokopel yang diperoleh dari datapenelitian, maka didapat fungsi alih sebagai berikut :
175.00411.0
1
ssTTK
oxToyT
(20)
TABEL 1KONSTANTA PENYUSUN SISTEM MINI BOILER
parameter nilai satuanVs 0,1005 m3
w1,s 0,3333 kg/sw4,s 0.0833 kg/sC 4,184 kJ/kgoC 1 kg/m3
T1,s 28 oCT3,s 125 oC
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan metode yang telah disebutkan padabab terdahulu, maka berikut ini merupakan pembahasandari hasil penelitian dan pengujian yang telah dilakukan.Pada gambar berikut ini ditampilkan hasil rancanganmini boiler yang telah dirancang.
Gambar 9. Hasil perancangan Mini Boiler
Mini boiler yang dibuat menggunakan gas elpijisebagai bahan bakar untuk sumber panas dan fluida yangdigunakan berupa air (H2O). Tangki penampungan padamini boiler berbahan stenlis dengan ketebalan 3 mm,ketebalan tangki dimaksudkan agar tangki sebagaitempat penampungan steam mampu menahan tekanan
steam yang besar. Steam drum berdimensi panjang 80cm dengan diameter 40 cm. Terdapat serangkaian pipaulir sebagai jalur air input yang akan dipanaskan. Pipaulir bertujuan mempercepat proses pemanasan air,sehingga air lebih cepat mendidih dan menjadi uap. Pipayang digunakan berbahan stenlis dengan ketebalan 1 mmdan diameter lubang 0,8 cm. Selain itu, terdapat pulapipa tegak yang mengelilingi pipa ulir. Pipa tegaktersebut berjumlah 6 tiang dihubungkan oleh pipamendatar berbentuk persegi panjang yang jugaterhubung dengan pipa ulir.
Berdasarkan fungsi alih sistem mini boiler,pemodelan control valve, dan pemodelan termokopelmaka didapatkan diagram blok sistem kendali miniboiler sebagai berikut :
Gambar 10. Diagram blok mini boiler
Berikut adalah hasil perbandingan respon sistemmini boiler dengan pengendali P, PI, dan PID:
Gambar 11. Perbandingan respon sistem
Dari gambar tersebut, respon sistem mini boilerdengan pengendali PID menghasilkan settling time, risetime, dan mencapai kondisi steady state lebih cepatdaripada pengendali PI. Akan tetapi, pengendali PIDmemiliki error steady state sebesar ± 0.1. Maka responsistem mini boiler yang paling baik adalah denganpengendali PI dengan settling time 17.17 detik, dan risetime 10-90 % sebesar 8.561 detik dengan kondisi steadystate 125 oC pada saat 37.72 detik. Kemudian perludidapatkan pula respon sistem dengan pengendali tesebutterhadap gangguan.
Pada gambar 12 berikut ini, pulse generator yangdigunakan sebagai masukan disturbance (gangguansistem) memiliki nilai parameter amplitude sebesar 25,pulse width(% of period) sebesar 0.5, phase delay(secs)
Jurnal Amplifier Vol. 3 No. 2, Nopember 2013
18
sebesar 1, dan period(secs) sebesar 20. Berikut adalahhasil perbandingan respon pengendali P, PI, dan PIDsistem mini boiler terhadap gangguan :
Gambar 12. Perbadingan respon sistem terhadap gangguanDari gambar tersebut, respon sistem mini boiler
dengan pengendali PID terhadap gangguanmenghasilkan settling time, rise time, dan mencapaikondisi steady state setelah mengalami overshoot lebihcepat daripada pengendali PI. Akan tetapi, pengendaliPID memiliki error steady state sebesar ± 0.1. Makarespon sistem mini boiler yang paling baik adalahdengan pengendali PI dengan settling time 17.29 detik,rise time 10-90 % sebesar 8.684 detik dan overshoot147.5 oC setiap 20 detik yang kembali mencapai keadaansteady state 125 oC setelah 17.2 detik setelah gangguantersebut.
6. PENUTUP
1. Respon sistem mini boiler dengan pengendali PIyang terbaik saat diberikan gangguan yaitu settling
time sebesar 17.29 detik, rise time 10-90 % sebesar8.684 detik dan overshoot 147.5 oC setiap 20 detikyang kembali mencapai keadaan steady state 125oC setelah 17.2 detik setelah gangguan.
2. Respon tanpa gangguan PID lebih baik karenamemiliki settling time, rise time, dan mencapaikondisi steady state lebih cepat daripada pengendaliPI.
3. Dari seluruh pengujian respon, pengendali P tidakdapat mencapai set point yang diinginkan.
7. REFERENSI
[1] Hossein R. K., et al. 2011. Generalized Model PredictiveControl for a Multivariable Boiler- Turbine Unit. 11th
International Conference on Control, Automation andSystems. Oct. 26-29,2011 in KINTEX, Gyeonggi-do,Korea. pp. 811-814.
[2] F. P. de Mello. et al. 1991. Boiler Models For SystemDynamic Performance Studies. IEEE TransactionS onPower Systems, Vo1.6, No.1, February 1991. pp. 66-74
[3] ______. Thermal Energy Equipment: Boilers & ThermicFluid Heaters. UNEP
[4] Stephanopoulos, G. 1984. Chemical Process Control AnIntroduction to Theory and Practice. Department ofChemical Engineering Massachusetts Insitute ofTechnology. New Jersey
[5] Gilman,G.F (Jerry). 2005. Boiler Control SystemsEngineering. Triangle Park: ISA
[6] Manurung, Robert._____. TK-352 Pengendalian Proses.Bandung: Penerbit ITB
[7] Yu, Cheng Ching. 2006. Autotuning Of PID Controllers.Springer Verlag. London
[8] Seeborg, D. E., Edgar, T. F., & Mellichamp, D. A. (1989).“Process Dynamics And Control”. Canada: John Wiley &Sons, Inc.