Makalah Seminar Kerja Praktek Analisa Sistem Kontrol Pressure pada Reheating Furnace Wire Rod Mill PT. Krakatau Steel (Persero) Tbk Kevin Adelin (L2F009059) Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang Jln. Prof. Soedharto, Tembalang, Semarang, Jawa Tengah, Indonesia e-mail:
[email protected] Abstrak Reheating Furnace merupakan tempat untuk memanaskan billet dengan temperature yang tinggi agar billet menjadi bersih dari kerak dan kotoran serta mudah untuk direduksi menjadi bentuk batang kawat. Pada proses pemanasan billet, dibutuhkan tekanan yang sesuai dan temperatur yang tinggi pada furnace. Temperatur yang terjadi pada furnace selalu tinggi karena billet harus direduksi sedangkan untuk tekanan yang masuk berubah-ubah bergantung pada tekanan gas. Oleh karena itu, damper yang dikendalikan oleh PIC 912. Tekanan yang dideteksi oleh sensor diterima transmitter kemudian dikirimkan ke PIC 912 untuk dibandingkan tekanannya dengan set point sehingga didapat pengaturan bukaan damper. Kata kunci: control valve, sistem kontrol, tekanan
I. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Dalam kehidupan sehari-hari, kita tak pernah lepas dari penggunaan baja seperti kaleng makanan dan minuman, pipa, rangka rangka dan komponen otomotif, rangka dan komponen kapal, perlengkapan rumah tangga, dan sebagainya. Baja banyak digunakan dalam industri kecil, menengah, maupun industri besar untuk memenuhi kebutuhan manusia yang semakin meningkat. Salah satu industri besar yang membuat baja adalah PT. Krakatau Steel. PT. Krakatau Steel Cilegon merupakan perusahaan yang bergerak di bidang pengolahan besi baja di Indonesia. Dalam perkembangannya, PT Krakatau Steel Cilegon terus berusaha meningkatkan produktivitas, efiensi serta kinerja perusahaan dengan mengutamakan faktor keamanan dan keselamatan kerja bagi karyawan dalam proses kegiatannya. PT. Krakatau Steel juga telah memanfaatkan dan mengembangkan sistem kontrol otomatis (automatic control system) dalam proses produksinya. 1.2 Tujuan Tujuan penulis melakukan Kerja Praktek ini adalah : 1. Mempelajari proses produksi baja secara umum dari proses awal hingga produk akhir berupa batang kawat.
2. Mengenal alat dengan sistem otomatisasi modern yang dipakai di PT. Krakatau Steel Divisi Wire Rod Mill Cilegon. 3. Mengetahui sistem Reheating Furnace yang digunakan di PT. Krakatau Steel Divisi Wire Rod Mill Cilegon 4. Mempelajari serta memahami pengontrolan tekanan yang terjadi pada Furnace. 1.3 Pembatasan Masalah Dalam melakukan penyusunan laporan kerja praktek ini, agar pembahasan menjadi terarah dan tidak meluas maka penulis membatasi permasalahan yang dibahas. Adapun pembatasan masalahnya yaitu laporan ini hanya membahas sistem kontrol
pressure pada Reheating Furnace Wire Rod Mill. Adapun hal yang tidak dibahas seperti pemodelan sistem secara matematis, program logika untuk pengontrolan serta proses kimia yang terjadi. II. DASAR TEORI 2.1 Sistem Instrumentasi Di PT. Krakatau Steel Cilegon parameter utama yang selalu diukur antara lain: suhu (temperature), aliran (flow), tekanan (pressure), tinggi permukaan (level). Gabungan serta kerja alatalat pengendalian otomatis ini dinamakan sistem pengendalian, sedangkan semua peralatan yang membentuk sistem pengendalian disebut instrumentasi sistem kendali. Fungsi instrumentasi
1
pada suatu proses industri dapat diklasifikasikan ke dalam 4 bagian yaitu : 1. Sebagai Alat Ukur Instrument mendeteksi dan memberikan informasi tentang besarnya nilai proses variabel yang diukur dari suatu proses industri sehingga dapat dipahami (mempunyai informasi) oleh pengamat. 2. Sebagai Alat Kontrol/Pengendali Instrument berfungsi untuk mengendalikan jalannya operasi agar variabel proses yang diukur dapat diatur dan dikendalikan, tetap pada nilai yang ditentukan (set point). 3. Sebagai Alat Safety Instrument memberikan tanda bahaya atau tanda gangguan apabila terjadi trouble atau kondisi tidak normal yang diakibatkan tidak berfungsinya suatu peralatan pada proses, serta berfungsi untuk mentripkan suatu proses apabila gangguan tersebut tidak teratasi dalam jangka waktu tertentu. 4. Sebagai Alat Analisa Instrument berfungsi sebagai alat untuk menganalisa produk yang dikelola, apakah sudah memenuhi spesifikasi yang diinginkan sesuai dengan standar mengetahui polusi dari hasil buangan sisa produksi yang diproses agar tidak membahayakan dan merusak lingkungan. 2.2
Instrumentasi Pengukuran Transmitter adalah individual instrument yang berfungsi mengukur nilai flow, level, pressure untuk selanjutnya mengubah sinyal pengukuran standar yang sebanding dengan arus listrik searah 420 mA, tegangan 1-5 V atau sinyal pneumatic 3-15 psi atau 0,2-1 kg/cm².
pengukur tekanan dapat dianggap sama dengan tekanan atmosfir sebagai referensi. 2.3
Kontrol Valve Valve adalah suatu peralatan mekanis yang melaksanakan suatu aksi untuk mengontrol atau memberikan efek terhadap suatu aliran fluida di dalam suatu sistem perpipaan atau peralatan. Fungsi valve dapat dibedakan menjadi : 1. Mengalirkan atau menghentikan aliran (on-off) 2. Mengatur variasi kecepatan aliran (regulating) 3. Mengatur aliran hanya pada suatu aliran saja (checking) 4. Merubah/memindahkan aliran pada line pipa yang berbeda (switching) 5. Melepas aliran dari system ke atmosfer (discharging) Control valve adalah jenis final control element yang paling umum dipakai untuk sistem pengendalian proses, sehingga orang cenderung mengartikan final control element sebagai control valve. Aksi kontrol pada control valve ini dibedakan menjadi 2, yaitu : Air To Close / ATC: apabila mendapat signal input, maka control valve akan menutup. Semakin besar signalinput yang diterima maka semakin besar pula gerakan stem kebawah. Air To Open / ATO: apabila mendapat signal input, maka controlvalve akan membuka. Semakin besar signal input yang diterima maka semakin besar pula gerakan stem keatas.
Gambar 2.2 Gambar 2.1 Pressure Transmitter Yamatake ST 3000
(a) (b) (a) Control Valve aksi ATO (b) Control Valve aksi ATC
Smart Tranmitter
Kontrol valve yang digunakan adalah tipe butterfly valve.
Transmiter yang digunakan adalah Pressure Transmitter Yamatake ST 3000 Smart Tranmitter. Prinsip kerjanya yaitu perbedaan nilai antara beberapa nilai tekanan dan beberapa tekanan referensi. Dalam artian tekanan absolut dapat dianggap sebagai tekanan differensial dengan vakum atau zero absolut sebagai referensi. Jadi
Gambar 2.3 Butterfly Valve
.
2
Sesuai dengan namanya, valve tipe ini cara kerjanya adalah dengan memutar piringan (disk) pada sumbu utamanya untuk membuka atau menutup jalan fluida. Gerakan memutar ini mirip dengan gerakan mengepak pada kupu-kupu, sehingga dinamakan butterfly valve, atau katup tipe kupukupu. Butterfly valve banyak dipakai dalam prosesproses yang membutuhkan flow yang besar serta fluida-fluida yang banyak mengandung partikel. Cara kerjanya : Gerakannya berputar membentuk sudut 0o sampai 90o
dalam furnace. Selain itu, aliran laju kalor dalam reheating furnace tipe walking beam lebih baik dibanding tipe lain. 3.2
Analisa Sistem Kontrol Pressure pada Reheating furnace
Pada kontrol tekanan Reheating furnace, digunakan konfigurasi kontrol single control. Single control adalah loop instrumen yang terdiri dari satu transmitter, satu controller, dan sebuah final control element. Tujuannya adalah untuk mendapatkan stabilitas dari output proses yang dikontrol. Contohnya pada furnace seperti digambarkan di bawah ini:
Gambar 2.4 Gerakan putaran butterfly valve
Kontrol valve yang digunakan bertipe ATO (Air To Open). Ketika kontrol valve ini mendapatkan sinyal kontrol maka valve akan membuka dan jika tidak ada sinyal kontrol maka valve akan menutup III. ANALISA DAN PEMBAHASAN
3.1 Pengenalan Umum Reheating Furnace Gambar 3.2 Furnace Pressure Control Flow Sheet
Gambar 3.1 Reheating furnace tipe walking beam
Reheating Furnace merupakan tempat untuk memanaskan billet dengan temperature yang tinggi agar billet menjadi bersih dari kerak dan kotoran serta mudah untuk direduksi menjadi bentuk batang kawat. Divisi Wire Rod Mill menggunakan Reheating Furnace bertipe walking beam. Karakteristik reheating furnace tipe walking beam yaitu stok (billet) diposisikan pada daerah stasioner. Walking beam kemudian akan menaikkan stok dari bawah untuk digerakkan maju. Setelah bergerak maju, walking beam akan menurunkan kembali stok pada daerah stasioner untuk kemudian dikeluarkan dari furnace. Kelebihan reheating furnace tipe walking beam yaitu dapat memecahkan permasalahan yang terdapat pada reheating furnace tipe pusher seperti skid mark dan penumpukan stok
Pada pengukuran tekanan dilakukan oleh pressure transmitter (PT), selnjutnya output PT dikirim ke pressure indicator controller (PIC) sebagai measured variable. Harga tekanan yang dikehendaki dinyatakan sebagai set point pada kontroler PIC. Dari perbandingan kedua harga tersebut, PIC mengeluarkan sinyal output untuk mengatur bukaan damper sehingga didapatkan tekanan yang diinginkan. Dari gambar 3.2 dapat diamati bahwa damper yang terletak pada pipa dan digerakkan oleh motor listrik. Motor listrik inilah yang mengatur bukaan damper. Kontrol motor ini didasarkan pada pembacaan sebuah sensor tekanan di dalam furnace pada zona soaking yaitu DP transmitter. Sinyal transmisi akan dikirim ke PIC sebagai kontroler tekanan yang akan mengatur daya motor listrik sehingga damper akan bergerak untuk membuka atau menutup. Pengontrolan pressure pada Reheating furnace memiliki masukan dari feed gas yang berasal dari natural gas. Pada sisi inlet furnace, feed gas ini akan dibaca nilai tekanannya. Hasil pembacaan tekanan yang dilakukan oleh pressure transmitter (PT 912) akan memberikan sinyal hasil pembacaan pressure yang kemudian di ubah oleh 3
transducer menjadi sinyal elektrik. Sinyal elektrik ini menjadi inputan dari controller PIC 912. Kontroler PIC 912 ini kemudian diteruskan ke transducer untuk diubah menjadi sinyal pneumatic. Sinyal pneumatic inilah yang berfungsi untuk mengatur perubahan bukaan damper. Misalnya tekanan pada reheating furnace kurang dari set point yang telah ditentukan maka PT 912 akan memberikan sinyal turun yang sebelumnya sinyal akan diubah dari sinyal fisis menjadi sinyal elektrik. Damper yang digunakan bertipe ATO (Air To Open), sehingga proses yang dikontrol memiliki sifat reverse (semakin kecil sinyal kontrol, bukaan valve output semakin kecil sehingga tekanan pada furnace naik mendekati set point). Karena proses yang dikontrol memiliki sifat reverse, maka mode aksi kontroler yang digunakan adalah mode direct ( e = PV- SP ). Dengan aksi kontrol direct pada transmitter, jika transmitter memberi sinyal turun (PV) maka output dari PIC 912 akan turun. Perubahan output akan merubah bukaan damper, sehingga bukaan akan menjadi lebih kecil dari posisi normal dan tekanan menjadi lebih besar. Di bawah ini merupakan diagram blok sistem kontrol tekanan pada reheating furnace.
3.3 Tampilan Human Machine Interface (HMI) Di bawah ini adalah tampilan Human Machine Interface (HMI) pada Reheating furnace:
Gambar 3.4 Tampilan HMI
Gambar 3.3 Diagram Blok Sistem Kontrol Pressure pada Reheating furnace
Keterangan : PI : metode kontrol yang digunakan pada kontroler (PIC 1101) Transmitter : transmitter yang digunakan (PT 1101) CO : output dari kontroler PV : output dari proses Pada intinya kontrol pressure ini bertujuan
Pada gambar 5.8 terlihat gambar Reheating furnace dan Damper. Pada Reheating furnace, terdapat 2 input yaitu gas dengan jalur berwarna kuning, combustion dengan jalur berwarna biru. Output Reheating furnace yaitu Combustion Air. Pada tampilan HMI terdapat berbagai alat instrumen, namun alat untuk pengontrolan pressure Reheating furnace yaitu PIC 912 pada gas Reheating furnace dan damper pada stack. Pada sistem ini, metode kontrol yang digunakan adalah metode kontrol PID. Hal ini dikarenakan tuning parameter pada metode kontrol PID lebih mudah dibandingkan dengan metode kontrol yang lain. Pada kontrol PID, yang harus disetting adalah nilai Kp, Ki, dan Kd.
untuk menjaga tekanan dalam Reheating furnace yang sesuai dengan set point yang diinginkan.
Gambar 3.5 Tampilan HMI kontrol damper PIC 912
4
Dari gambar 3.5, terlihat bahwa unit kontrol PID yang digunakan hanyalah unit Proposional dan Integral. Hal ini ditunjukan pada pengisian Tuning, yaitu unit Proposional yang ditunjukan dengan pengisian nilai Gain dan unit Time Integral yang ditunjukan dengan pengisian nilai Reset. Sedangkan nilai unit Time Derivative yang ditunjukan oleh pengisian Rate di isi nilai nol. Hal ini menunjukan bahwa kontrol yang dipakai dalam PIC 912 adalah kontrol Proposional dan Integral (PI). Sedangkan untuk unit Derivative tidak digunakan karena jika dipakai dalam proses produksi maka akan menimbulkan derau. Derau yang terjadi ini sangat berbahaya dalam proses produksi Pengendali PI merupakan gabungan dua unit kontrol yaitu P dan I. Sehingga semua kelebihan dan kekurangan yang ada pada pengendali P dan I juga ada padanya. Sifat pengendali P yang selalu meninggalkan offset dapat ditutupi oleh kelebihan pengendali I, sedangkan sifat pengendali I yang lambat dapat ditutupi oleh kelebihan pengendali P. Sehingga pengendali PI memiliki response yang lebih cepat dari pengendali I tetapi mampu menghilangkan offset yang ditinggalkan pengendali P. Berikut adalah rumus nya :
1 O Gc e e.dt Ti dimana O adalah output, e adalah error (input dari unit kontrol), Ti adalah integral time (waktu integral) dan Gc atau biasanya disebut Kp adalah gain controller (penguatan proporsional).
proporsional integral atau lebih sering disebut kontrol PI. Pada HMI, range PIC 912 antara -5 sampai +5 mmH20 sedangkan untuk kontrol damper rangenya antara 7% - 90%. Set point untuk PIC 912 yaitu 2.0 mmH20. Berikut ini adalah tampilan mengenai pengaturan set point pada PIC 912 yaitu :
Gambar 3.7 Tampilan HMI pengaturan set point
Berdasarkan gambar 3.7, pada suatu keadaan pressure adalah 1.8 mmH20, maka persentase sinyal kontrol dampernya adalah 52% dan pengaturan untuk kontrol dampernya menggunakan mode auto. Setelah tuning PID dan menentukan set point, grafik respon dari sistem akan terlihat. Berikut ini adalah tampilan grafik mengenai pressure pada furnace dan persentase sinyal damper pada HMI pada hari senin, 23 Juli 2012 pukul 11.47.
Gambar 3.8 Grafik press damper
Keterangan: Garis merah Garis hijau
: output tekanan (bukaan damper) : measured value
Gambar 3.6 Performansi Pengontrol P vs PI
Dari gambar di atas terlihat bahwa kontrol PI lebih baik daripada kontrol Proporsional. Pada pengontrolan temperatur diperlukan kontrol
Berdasarkan gambar diatas, dapat dilihat bahwa set point tekanan damper furnace pada 2.0 mmH20. Tekanan damper furnace yang terukur berubah-ubah besarnya bahkan bisa di atas set point dan juga bisa dibawah set point. Hal ini disebabkan karena adanya aktifitas pada combustion air dan gas. 5
Ketika tekanan gas berada diatas set point, maka sinyal control akan naik dan damper akan terbuka lebih besar. Begitu juga sebaliknya. Namun, ada suatu keadaan ketika tekanan furnace turun dan sinyal kontrol damper naik. Hal ini terjadi karena ada lag process sehingga kontrol damper telat mengubah kondisinya. Lag process ini terjadi karena instrumen pengukur dan akuatornya yaitu kontrol damper diletakkan berjauhan sehingga terjadi delay dalam sistem.
IV. Kesimpulan 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Reheating Furnace yang digunakan pada pabrik batang kawat PT. Krakatau Steel bertipe walking beam. Semua proses yang berjalan dapat dikontrol oleh HMI dan hasil proses juga dapat dilihat pada HMI. Kontrol tekanan pada furnace mempunyai satu loop pengontrolan yaitu pengontrolan damper dengan cara mengatur besar kecilnya buka tutup damper pada outlet dari furnace. Pada pengontrolan tekanan di furnace memiliki sifat reverse dengan mode aksi kontrollernya adalah direct. Jika tekanan meningkat, damper dikontrol untuk mengurangi combustion air dan gas karena mempengaruhi besarnya pengapian pada furnace. Jika tekanan menurun, damper dikontrol untuk menutup dan valve dikontrol untuk menambah gas agar pengapian pada furnace diperbesar. Nilai pressure pada furnace yang harus dicapai adalah sebesar -5 hingga +5mmH2O.
BIOGRAFI Kevin Adelin - L2F009059, dilahirkan di Jakarta, 30 Januari 1991. Jenjang edukasi ditempuh dari SDN 2 Mranggen, SMP Negeri 1 Mranggen, SMA Negeri 2 Semarang dan sekarang sedang menempuh studi S1 di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Konsentrasi Kontrol dan Instrumentasi.
Semarang, September 2012 Mengetahui dan mengesahkan, Dosen Pembimbing
Dr. Aris Triwiyatno, ST, MT NIP. 197509081999031002
6
