!"#$% $'()* + ,- ./0/
1-*$23$2#$2 %)%!-, '-24$5)
!"#"!
$%"&' )*+' ,-2##"2$'$2
1)4
,-.%*-!!"* 4$2
/+001 !-23, ,-.%*-!!"* 67538
%!"4) '$%"% 15!" / 9
..: ,; !-5"' <$5)'1$1$2
=>?@A !=2B *-4CC$ %$1"!*$ :D./.::E
4FG?H 1?IJKIJKHL . 1*=7M 4NM )NM %"5)%!)O=2=P 4-$ 2)1M .QR/:D/R.QST:..::.
4FG?H 1?IJKIJKHL / )55$ *)C)$2)C$ %M!MP ,M!M 2)1(M .::..E:/T
1*=#*$, %!"4) !-'2)' ,-%)2 O"*"%$2 !-'2=5=#) )24"%!*) 4$2 1*=%-% )2%!)!"! !-'2=5=#) '$5),$2!$2 /:.R
$)* 1$4$
LEMBAR PERSETUJUAN
Proposal Tugas Akhir dengan judul:
Level Air Pada Steam Drum “Perancangan Sistem Kendali Level Air Menggunakan PID Controller dan dan Fuzzy Logic Controller (FLC) Studi Kasus PLTU 2 X 110 MW Teluk Balikpapan ”
Disusun oleh:
Tony Redzza Saputra
03121005
Telah diperiksa dan disetujui oleh:
Dosen Pembimbing
Pembimbing 1
Pembimbing 2
Prof. Dr. Ir. Sulistijono, DEA
Illa Rizianiza S.T., M.T.
NIP.
196203261987011001 196203261987011001
NIPH. 100115027
i
LEMBAR PERSETUJUAN
Proposal Tugas Akhir dengan judul:
Level Air Pada Steam Drum “Perancangan Sistem Kendali Level Air Menggunakan PID Controller dan dan Fuzzy Logic Controller (FLC) Studi Kasus PLTU 2 X 110 MW Teluk Balikpapan ”
Disusun oleh:
Tony Redzza Saputra
03121005
Telah diperiksa dan disetujui oleh:
Dosen Pembimbing
Pembimbing 1
Pembimbing 2
Prof. Dr. Ir. Sulistijono, DEA
Illa Rizianiza S.T., M.T.
NIP.
196203261987011001 196203261987011001
NIPH. 100115027
i
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan proposal tugas akhir yang berjudul : “PERANCANGAN SISTEM KENDALI LEVEL LEVEL AIR PADA STEAM DRUM MENGGUNAKAN PID CONTROLLER CONTROLLER DAN FUZZY LOGIC CONTROLLER (FLC) STUDI KASUS PLTU 2 X 110 MW TELUK BALIKPAPAN” Laporan tugas akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh untuk menyelesaikan Program Sarjana di Program Studi Teknik Mesin, Jurusan Teknologi Industri dan Proses, Institut Teknologi Kalimantan (ITK) Balikpapan. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Sulistijono, DEA selaku Dosen Pembimbing Utama dan Ibu Illa Rizianiza, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Pendamping. 2. Ibu Illa Rizianiza S.T., M.T. selaku Koordinator Program Studi Teknik Mesin, Jurusan Teknologi Industri dan Proses ITK. 3. Bapak Alfian Djafar, S.T., M.T. , Bapak Hadhimas Dwi, S.T., M.Eng. dan Ibu Devy Setiorini Sa’adiyah, S.T., M.S. selaku Dosen dan Bapak Nugrogo selaku Tendik Tendik Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknologi Industri dan Proses ITK. 4. Serta semua pihak yang terlibat dalam penyusunan laporan tugas akhir ini. Penulis menyadari bahwa penyusunan laporan proposal tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, karena itu kami mengharapkan segala kritik dan saran yang membangun. Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Atas perhatianya penulis ucapkan terima kasih. Balikpapan, 30 September 2016
Penyusun
ii
ABSTRAK Steam drum adalah drum adalah bagian penting dari boiler , di dalamnya terjadi proses perubahan dari air menjadi uap berlangsung secara kontinyu. Level kontinyu. Level air air pada steam pada steam drum boiler harus dijaga pada NWL ( Normally Water Level ), ), level tidak boleh terlalu rendah atau tinggi dari NWL. Perubahan level air pada steam drum drum bisa terjadi akibat perubahan kebutuhan uap sebagai penggerak turbin. Sistem kendali dibutuhkan untuk mengatur laju alir air umpan dari economizer menuju steam drum. drum. Selama beberapa dekade terakhir, kontroler PID banyak digunakan dalam industri dikarenakan pemeliharaan dan pengoperasian kontroler PID yang mudah dan juga lebih kokoh (robust ( robust ). ). Pada proses kendali, lebih dari 95% sistem kendali menggunakan tipe PID (Qibing & Qie, 2013). Hal yang penting pada desain kontroler PID ialah menentukan parameter kontroler atau tuning . Pada penelitian ini akan dilakukan tuning PID dengan menggunakan metode konvensional dan metode kepakaran. Metode tuning PID PID konvensional yang dilakukan menggunakan metode Ziegler-Nichols kurva reaksi. Sedangkan untuk tuning PID kepakaran menggunakan metode fuzzy logic. logic. Kedua metode tuning tersebut tersebut akan dilakukan simulasi dengan Simulink Matlab dan dibandingkan dengan nilai parameter PID plant . Hasil simulasi yang menunjukkan performansi lebih baik akan digunakan sebagai parameter PID untuk diterapkan di PLTU Teluk Balikpapan dengan harapan dapat menjaga level air tetap stabil sesuai set point . Selain melakukan rancangan sistem kendali PID, dalam tugas akhir ini juga dilakukan rancangan sistem kendali menggunakan Fuzzy menggunakan Fuzzy Logic Controller (FLC). (FLC).
iii
ABSTRACT Steam drum is an essential part of the boiler, in which there is a process of change water into steam takes place continuously. The water level in the steam drum boiler must be maintained at NWL (Normally Water Level), level should not be too low or high of the NWL. Changes in the water level in the steam drum may occur due to changes in steam demand. The control sys tem is needed in the system to regulate the flow rate of feed water from economizer to the steam drum. Over the past several decades, PID controllers are widely used in industries since the maintenance and operation of PID controllers are easy and also they are robust. In process control, more than 95% of control loops are of the PID type (Qibing & Qie, 2013). It is important in PID controller design is to determine the parameters with tuning. This research will be conducted tuning PID using conventional method and expertise method. Conventional PID tuning method were performed using Ziegler-Nichols reaction curve method. As for tuning PID expertise method using fuzzy logic. Both methods of tuning will be simulated with matlab Simulink and compared with the value of plant PID parameter. Simulation results show better performance will be used as the PID parameters to be applied in the Balikpapan Bay power plant in hopes of keeping the steam drum water level remains stable according to set point. In addition to design of PID control system, in this final project was also carried out design control system using Fuzzy Logic Controller (FLC).
iv
DAFTAR ISI
COVER LEMBAR PERSETUJUAN ...................................................................................i KATA PENGANTAR . .......................................................................................... ii ABSTRAK ............................................................................................................ iii ABSTRACT ............................................................................................................iv DAFTAR ISI ..........................................................................................................v DAFTAR GAMBAR . .......................................................................................... vii DAFTAR TABEL .............................................................................................. viii BAB I PENDAHULUAN .......................................................................................1
1.1 Latar Belakang ...............................................................................................1 1.2 Rumusan Masalah ..........................................................................................3 1.3 Tujuan ............................................................................................................3 1.4 Batasan Masalah ............................................................................................4 1.5 Manfaat ..........................................................................................................4 1.6 Sistematika Laporan.......................................................................................5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...........................................................................6
2.1 Boiler ..............................................................................................................6 2.2 Klasifikasi Boiler ...........................................................................................6 2.2.1 Berdasarkan Fluida Yang Mengalir Dalam Pipa ....................................6 2.2.2 Berdasarkan Sirkulasi Aliran ..................................................................8 2.3 Steam Drum ...................................................................................................9 2.4 Pemodelan Matematis Steam Drum .............................................................10 2.5 Pemodelan Level Transmitter ......................................................................12 2.6 Pemodelan Control Valve ............................................................................13 2.7 Sistem Kendali .............................................................................................14 2.7.1 Istilah-istilah dalam Sistem Kendali .....................................................14 2.7.2 Parameter dan Elemen Sistem Kendali .................................................15
v
2.8 Proportional Integral Derivative (PID) ....................................................... 15 2.8.1 Pengendali Proportional .......................................................................16 2.8.2 Pengendali Integral ...............................................................................17 2.8.3 Pengendali Derivative ...........................................................................17 2.8.4 Pengendali PID .....................................................................................18 2.9 Tuning (Penalaan) Konstanta PID ...............................................................19 2.9.1 Metode Ziegler-Nichols (Z-N) ..............................................................19 2.9.1.1 Metode Kurva Reaksi .................................................................... 20 2.9.2 Metode Fuzzy Logic Gain Scheduling ..................................................21 2.10 Sistem Kendali Fuzzy Logic Controller (FLC) .......................................... 22 2.10.1 Logika dan Himpunan Fuzzy ..............................................................22 2.10.2 Proses Fuzzifikasi ( Fuzzyfication) ......................................................23 2.10.3 Rule Evaluation ...................................................................................24 2.10.4 Defuzzifikasi ( Defuzzyfication) .......................................................... 24 2.11 Penelitian Terdahulu ..................................................................................25 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ..........................................................28
3.1 Langkah Penyusunan Tugas Akhir .............................................................. 28 3.1.1 Penentuan Data .....................................................................................28 3.1.2 Perancangan Sistem Kendali PID .........................................................28 3.2 Diagram Alir Perancangan Sistem Kendali .................................................29 DAFTAR PUSTAKA ...........................................................................................32
vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Boiler pipa api ......................................................................................7 Gambar 2.2 Boiler sirkulasi alami ...........................................................................8 Gambar 2.3 Boiler sirkulasi paksa ...........................................................................9 Gambar 2.4 Bagian-bagian steam drum ................................................................. 10 Gambar 2.5 Blok diagram kontroler PID...............................................................18 Gambar 2.6 Respon input step ...............................................................................20 Gambar 2.7 Penentuan parameter L dan T ............................................................20 Gambar 2.8 Konfigurasi kendali logika fuzzy ........................................................23 Gambar 3.1 Diagram alir rancangan penelitian .....................................................30
vii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Penalaan parameter PID dengan metode kurva reaksi ...........................21 Tabel 2.2 Rangkuman penelitian sistem kendali sebelumnya ...............................25
viii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Proyeksi pertumbuhan ekonomi 6-7 % setahun, penambahan kapasitas listrik di dalam negeri membutuhkan sedikitnya 7.000 megawatt (MW) per tahun. Artinya, dalam lima tahun ke depan, penambahan kapasitas sebesar 35.000 MW menjadi suatu keharusan. Pemerintah telah berkomitmen untuk merealisasikan penyediaan listrik sebesar 35.000 MW dalam jangka waktu 5 tahun (2014-2019). Sepanjang 5 tahun ke depan, pemerintah bersama PLN dan swasta akan membangun 109 pembangkit (PLN, 2014). Salah satu pembangkit yang dibangun oleh PLN untuk memenuhi kebutuhan listrik 35.000 MW diseluruh Indonesia ada di kota Balikpapan yaitu PLTU Teluk Balikpapan 2 !110 MW. Pembangunan PLTU yang telah dimulai pada tahun 2014 itu kini telah mencapai tahap commissioning yaitu tahap pengujian sesuai dengan kondisi standard operasi. Pada PLTU menggunakan siklus rankine dalam pengoperasiannya. Boiler (ketel uap) adalah suatu alat yang digunakan untuk dapat menghasilkan uap bertekanan, dimana alat ini terdiri dari pipa-pipa berisi air yang menempel pada dindingnya. Air di dalam boiler dipanaskan hingga mendidih sampai menghasilkan uap, dan uap yang dihasilkan merupakan uap yang bertekanan. Uap bertekanan yang dihasilkan boiler akan menggerakkan turbin dan diteruskan ke generator untuk membangkitkan tenaga listrik. Steam drum merupakan bagian dari boiler yang berfungsi untuk memisahkan uap dari air setelah proses pemanasan yang terjadi dalam boiler yang didasarkan atas perbedaan berat jenis. Pada steam drum, level air merupakan faktor dominan untuk mendapatkan uap yang berkualitas. Level air dipertahankan pada ketinggian NWL ( Normally Water Level ), level air tidak boleh terlalu rendah atau terlalu tinggi dari NWL. Level air pada steam drum yang terlalu rendah bisa menyebabkan terjadinya panas berlebih (overheated ) pada boiler tubes sehingga tubes bisa menjadi rusak/bocor. Sebaliknya, bila level air pada steam drum terlalu tinggi akan menyebabkan pemisahan air dan uap dalam steam drum tidak sempurna sehingga
1
kualitas uap yang dihasilkan kurang (banyak mengandung air basah), hal ini dapat menyebabkan korosi pada turbin-turbin yang menggunakan uap sebagai penggeraknya. Pengendalian level air pada steam drum dapat dilakukan dengan mengatur laju alir air umpan yang masuk ke dalam steam drum. Untuk mengendalikan laju air umpan menuju steam drum digunakan control valve yang mendapat input kerja dari sensor level yang terdapat didalam steam drum. Pada sistem kendali terdapat beberapa macam aksi kendali, diataranya yaitu aksi kendali proporsional (P), aksi kendali integral (I) dan aksi kendali derivatif (D). Masing-masing aksi kendali ini memiliki keunggulan tertentu, dimana aksi kendali proporsional mempunyai keunggulan rise time yang cepat, aksi kendali integral mempunyai keunggulan untuk memperkecil error , dan aksi kendali derivatif mempunyai keunggulan untuk meredam overshoot . Maka dari itu ketiga aksi kendali ini digabungkan menjadi satu yaitu aksi kendali proporsional, integral dan derivatif (PID) (Yudianto, 2012). Kontroler PID merupakan bagian penting pada sistem kendali di industri sehingga setiap perbaikan dalam desain PID dan metodologi impelementasi memiliki potensi yang serius untuk meningkatkan performa suatu sistem di industri. Metode tuning parameter PID yang paling terkenal adalah metode yang diusulkan oleh Ziegler dan Nichols (Yucelen, Kaymakci, & Kurtulan, 2006). Kontroler PID merupakan sistem kendali yang secara luas digunakan di industri karena kemudahan dalam aplikasinya, kokoh (robust ) terhadap lingkungan dan hanya memerlukan tiga parameter tuning , namun ketika teknik tuning secara konvensional gagal maka teknik tuning fuzzy akan digunakan. Kelebihan tuning menggunakan metode fuzzy adalah sederhana dan perhitungan matematis yang sedikit dalam meranca ng sistem kendali (Patel & Kumar, 2015). Fuzzy Logic Controller (FLC) merupakan salah satu alternatif pengendali yang menggunakan sistem pakar (logika manusia) sebagai pengendali, sehingga tidak memerlukan pengetahuan tentang parameter parameter dari sistem. Kontroler PID fuzzy dapat melakukan tuning parameter dengan sendiri ( self-tune) dan dapat memiliki kapasitas adaptif terhadap diversifikasi parameter objek yang dikendalikan (Yuan, 2012). Logika fuzzy dapat digunakan untuk menala parameter-parameter kendali konvensional seperti kendali
2
PID. Dengan basis pengetahuan yang dimiliki, logika fuzzy menerapkan suatu sistem kendali kemampuan manusia untuk mengendalikan sesuatu, yaitu dalam bentuk aturan-aturan Jika-Maka ( If-Then Rules), sehingga proses pengendalian akan mengikuti pendekatan secara linguistik (Negnevitsky, 2002)
1.2 Rumusan Masalah Perumusan masalah dalam perancangan 2 sistem kendali yaitu sistem kendali Fuzzy Logic Controller (FLC) dan sistem kendali PID level air steam drum dengan menggunakan metode tuning konvensional Ziegler-Nichols dan metode tuning kepakaran fuzzy logic gain scheduling adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana memodelkan proses pada steam drum, control valve dan level transmitter ke persamaan matematis? 2. Bagaimana merancang sistem kendali PID yang dapat menjaga level air steam drum tetap stabil sesuai dengan set point yang diberikan ? 3. Bagaimana performansi hasil simulasi menggunakan Simulink Matlab nilai PID yang didapat menggunakan metode tuning konvensional dan kepakaran dengan nilai PID yang digunakan di PLTU Teluk Balikpapan? 4. Bagaimana performansi antara 2 sistem kendali terhadap kestabilan level air steam drum?
1.3 Tujuan Tujuan dari perancangan 2 sistem kendali yaitu sistem kendali Fuzzy Logic Controller (FLC) dan sistem kendali PID dengan menggunakan metode tuning konvensional Ziegler-Nichols dan metode tuning kepakaran fuzzy logic gain scheduling adalah sebagai berikut: 1. Memodelkan proses pada steam drum, control valve dan level transmitter ke persamaan matematis 2. Mendapatkan rancangan sistem kendali PID yang dapat menjaga level air steam drum tetap stabil sesuai dengan set point yang diberikan. 3. Mengetahui performansi sistem kendali PID hasil rancanagan dengan nilai PID plant yang digunakan di PLTU Teluk Balikpapan dengan simulasi menggunakan Simulink Matlab.
3
4. Mengetahui sistem kendali yang menunjukkan performansi terbaik dalam menjaga kestabilan level air steam drum.
1.4 Batasan Masalah Batasan masalah dari perancangan sistem kendali PID level air steam drum adalah sebagai berikut: 1. Tidak ada kerugian panas yang terjadi ke lingkungan karena steam drum bersifat isolated thermal . 2. Kondisi pipa boiler dalam keadaan baik tanpa adanya scaling dan kebocoran sehingga sistem bekerja dalam kondisi ideal tanpa adanya kehilangan (losses) dengan distribusi uap yang merata. 3. Proses pembakaran diasumsikan mampu menyediakan kebutuhan panas yang diinginkan oleh plant . 4. Simulasi menggunakan software Simulink Matlab
1.5 Manfaat 1. Bagi Instansi/Perusahaan a. Meningkatkan kestabilan produksi steam dengan menjaga level air steam drum berada pada NWL. b. Meningkatkan efisiensi proses pembangkitan tenaga listrik. c. Mencegah kerusakan alat akibat kegagalan sistem kendali menjaga kestabilan level air steam drum. 2. Bagi Mahasiswa a. Mahasiswa dapat menganalisis permasalahan yang ada di industri. b. Mampu menerapkan ilmu pengetahuan yang didapat semasa kuliah untuk memecahkan permasalahan di industri. c. Memahani proses sistem pembangkitan listrik tenaga uap. d. Mampu merancang sistem kendali PID level air steam drum yang dapat diaplikasikan pada PLTU Teluk Balikpapan e. Sebagai salah satu syarat kelulusan mahasiswa Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Kalimantan (ITK).
4
1.6 Sistematika Laporan Sistematika penulisan laporan proposal tugas akhir terdiri dari 3 bab yaitu: Bab I Pendahuluan terdiri dari Latar Belakang, Rumusan Masalah, Tujuan, Batasan Masalah, Manfaat, dan Sistematika Laporan. Bab II Tinjauan Pustaka terdiri dari tinjauan pustaka yang berasal dari penelitian sebelumnya yang berkaitan dengan penelitian yang dilakukan serta dasar teori yang berisi teori dan rumus yang mendukung penelitian. Bab III Metodologi Penelitian berisi langkah-langkah penelitian dan diagram alir penelitian.
5
2. BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Boiler Salah satu peralatan yang sangat penting di dalam suatu pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah Boiler (Steam Generator ) atau yang biasanya disebut ketel uap. Alat ini merupakan alat penukar kalor, dimana energi panas yang dihasilkan dari pembakaran diubah menjadi energi potensial yang berupa uap. Uap yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi inilah yang nantinya digunakan sebagai media penggerak utama Turbin Uap. Energi panas diperoleh dari proses pembakaran bahan bakar di ruang bakar. Panas yang dihasilkan dari proses pembakaran kemudian ditransfer ke wadah yang berisi air dan menyebabkan air terevaporasi. Selama tekanan di dalam boiler konstan, massa uap yang keluar menuju turbin akan sama dengan massa air yang di umpan ke dalam boiler . Jika uap meninggalkan boiler lebih cepat dibanding dengan air umpan yang masuk , tekanan di dalam boiler akan menurun. Sebaliknya jika air umpan yang masuk ke dalam boiler lebih cepat dibanding dengan uap yang keluar maka tekanan di dalam boiler akan meningkat.
2.2Klasifikasi Boiler Berbagai bentuk boiler telah berkembang mengikuti kemajuan teknologi dan evaluasi dari produk-produk boiler sebelumnya yang dipengaruhi oleh gas buang boiler yang mempengaruhi lingkungan dan produk steam seperti apa yang dihasilkan. Berikut adalah beberapa macam klasifikasi Boiler :
2.2.1 Berdasarkan Fluida Yang Mengalir Dalam Pipa a. Boiler Pipa Api ( Fire Tube Boiler ) Boiler pipa api biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan steam rendah dan menengah. Pada boiler pipa api seperti yang tampak pada gambar 2.1, gas panas mengalir dalam pipa sedangkan air/uap diluar pipa. Drum ( shell ) berfungsi untuk tempat air dan uap. Tujuan
6
pipa-pipa api ini adalah untuk memudahkan distribusi panas (kalor) kepada air di dalam boiler .
Gambar 2.1 Boiler pipa api (Teir & Kulla, 2002) Boiler pipa api pada saat ini tidak lagi digunakan untuk keperluan pembangkitan listrik dikarenakan kemapuannya dalam menghasilkan tekanan steam yang rendah (Tekanan steam 4 MPa dan sekitar 50 kg/s laju alir massa steam). Tekanan steam yang rendah berdasarkan kenyataan bahwa jika tekanan steam di dalam boiler meningkat, maka dibutuhkan pipa-pipa api dan ruang pembakaran yang lebih tebal sehingga biaya pembuatan boiler meningkat. b. Boiler Pipa Air (Water Tube Boiler ) Pada boiler pipa air yang mengalir di dalam pipa adalah air umpan, sedangkan gas-gas pemanasnya berada di luar pipa. Boiler tipe ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga listrik. Prinsip kerja boiler pipa air adalah proses pengapian terjadi diluar pipa. Panas yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan pipa yang berisi air. Air umpan yang masuk ke steam drum sebelumnya dipanaskan terlebih dahulu di economizer memanfaatkan gas panas buang untuk meningkatkan efisiensi. Steam yang dihasilkan kemudian dikumpulkan terlebih dahulu di dalam sebuah steam drum untuk dipisahkan kandungan air yang masih terdapat pada steam. Setelah melalui tahap secondary
7
superheater dan primary superheater , baru steam dialirkan ke pipa utama distribusi menuju turbin.
2.2.2 Berdasarkan Sirkulasi Aliran Berdasarkan klasifikasi sirkulasi alirannya, boiler pipa air dibagi menjadi 2 jenis yaitu sirkulasi alami (natural circulation) dan sirkulasi paksa ( forced circulation). a. Boiler Sirkulasi Alami ( Natural Circulation Boiler ) Air umpan yang telah mendapatkan panas awal setelah melewati economizer kemudian masuk ke dalam steam drum. Didalam steam drum, air umpan melalui pipa downcomer menuju ke mud drum (header ). Pipa downcomer terletak diluar ruang bakar dan di insulasi agar panas air umpan tetap terjaga. Air yang terdapat pada header kemudian menuju pipa riser dan kemudian terevaporasi menjadi steam. Pipa riser terletak pada dindingdinding boiler . Pipa riser merupakan bagian dari unit evaporator pada boiler . Setelah melewati pipa riser , campuran air/ steam kembali ke steam drum. Di dalam steam drum air dan steam dipisahkan, bagian air akan kembali menuju pipa downcomer dan uap jenuh akan meuju ke pipa superheater untuk peningkatan kualitas uap.
Gambar 2.2 Boiler sirkulasi alami (Teir & Kulla, 2002) Tipe sirkulasi ini dinamakan sirkulasi alami selama tidak ada sirkulasi air yang menggunakan bantuan pompa dalam siklus. Sirkulasi terjadi
8
dengan sendirinya akibat adanya perbedaan massa jenis air dan uap pada pipa downcomer dan pipa riser . b. Boiler Sirkulasi Paksa ( Forced Circulation Boiler ) Perbedaan antara boiler sirkulasi alami dengan boiler sirkulasi paksa terletak pada ada tidaknya pompa yang membantu untuk mengalirkan air umpan menuju pipa riser . Dengan adanya pompa sirkulasi, tekanan kerja boiler menjadi lebih tinggi dibanding dengan boiler sirkulasi alami. Pada boiler sirkulasi paksa kehilangan tekanan ( pressure losses) yang lebih besar dapat ditoleransi dan oleh karena itu pipa-pipa riser pada boiler sirkulasi paksa dapat dibuat dengan diameter yang lebih kecil dibanding dengan diameter pipa riser pada boiler sirkulasi alami sehingga biaya pembuatan boiler dapat lebih murah.
Gambar 2.3 Boiler sirkulasi paksa (Teir & Kulla, 2002)
2.3 Steam Drum Steam drum adalah bejana tempat menampung air yang datang dari economizer dan uap hasil penguapan dari riser tube. Pengaturan level di dalam steam drum dilakukan dengan mengatur besarnya pembukaan flow control valve. Apabila level air di dalam drum terlalu rendah akan menyebabkan terjadinya overheating pada pipa-pipa boiler , sedangkan bila level drum terlalu tinggi, kemungkinan butir-butir air terbawa ke turbin dan mengakibatkan kerusakan pada turbin. Untuk mengamankannya, pada steam drum dipasang alarm untuk level high dan level low serta trip untuk level very low dan very high.
9
Uap yang dihasilkan dari dalam pipa-pipa riser terkumpul di dalam steam drum. Uap akan mengalir kearah puncak steam drum melewati steam separator dan screen dryer lalu keluar dari drum menuju superheater dan akhirnya ke turbin. Sedangkan butir-butir air yang jatuh akan bersirkulasi kembali bersama air yang baru masuk.
Gambar 2.4 Bagian-bagian steam drum (Dewantara, 2010) 2.4 Pemodelan Matematis Steam Drum
Bagian-bagian yang terdapat pada suatu boiler secara keseluruhan terdiri dari bottom header, top header, riser, downcomer , dan drum. Pada bagian drum terjadi campuran antara air dan uap yang dihasilkan. Dinamika yang terjadi di dalamnya secara keseluruhan dapat dinyatakan dalam kesetimbangan massa dan energi. Dari kedua prinsip yang berlaku tersebut, maka akan dapat dinyatakan dalam bentuk model matematis. Hukum kesetimbangan energi yang terjadi pada steam drum boiler dapat dituliskan sebagai berikut:
()(*+' -.-!% !"#$#%!&' ()(*+' -.-!% ()(*+' 4!*' ()(*+' -.-!% ')1#.#-1#5#*)(* 0 2 3 /!"-# /!"-# /!"-# /!"-# Atau,
678 0 69: 2 6;<= 3 >
?@ABC
10
Dari persamaan diatas dapat dijabarkan lagi ke dalam bentuk berikut:
4 4-
D78 E F=;= E #78 0 $G E HG 2 $7 E H7 3 >
?@A@C
Keterangan :
F=;= 0 densitas total (kg/m3) D78 0 volume steam drum (m3) #78 0 energi internal (kJ/kg) $G 0 laju alir feedwater (kg/s) $7 0 laju alir steam (kg/s) H
0 entalpi (Kj/kg)
Karena energi internal # 0 H 2 I F, maka kesetimbangan energinya dapat dituliskan menjadi :
4 4-
D78 A F=;= A H=;= 2 IA D78 0 $G E HG 2 $7 E H7 3 >
D78 A F=;= A H=;= 2 D78
4 4-
0 $G E HG 2 $7 E H7 3 >
?@AJC
Bentuk transformasi Laplace dari persamaan (4) diatas dapat dituliskan se bagai berikut:
D78 A F=;= A H=;= 2 D78 A &I & 0 KG & A HG 2 K7 & A H7 3 >?&C K7 & 0 KG & A HG 3 D78 A & I & 3 >?&C 2
D78 A F=;= A H=;=
H7
?@ALC
Pada steam drum juga berlaku persamaan kesetimbangan massa sebagai berikut :
%!M# $!&&! %!M# $!&&! 4' 4!%!$ %!M# $!&&! 0 2 N((4/!-(* &-(!$ &-(!$ 4*#$
11
Fluida di dalam steam drum terdiri atas dua fase, yaitu cair dan gas. Sehingga massa di dalam steam drum dapat didekati dengan persamaan di bawah ini.
4K= 4-
0
4 4-
F7 D7= 3 FO DO= 0 $G 2 $7
?@APC
Keterangan : 4K= 4-
0 QRSSR TUTRV WXY SRTZR[ \R]TZ
$G
0 ^R_Z RV`YR[ R`Y WX[aZbWR[ ]a S
$7
0 ^R_Z RV`YR[ ZRW ]a S
FO
0 cXYRT _X[`S R`Y ]a bd
F7
0 cXYRT _X[`S ZRW ]a bd
DO= 0 eUVZbX R`Y bd D7=
0 eUVZbX ZRW bd
Untuk volume steam drum boiler didapatkan dengan persamaan berikut :
D.%=;=fg 0 D.%h;gf 3 D.%=fh<:i
?@AjC
2.5 Pemodelan Level Transmitter Untuk mengukur nilai variabel proses dalam hal ini adalah level air dalam steam drum serta mentransmisikan hasil konversi ke besaran elektrik 4 - 20 mA, maka dipasang Differnsial Pressure Transmitter . Fungsi alih dari level transmitter dapat diperoleh melalui persamaan 2.7 berikut:
KDkl & 0
mno pno & 3 B
?@AqC
Keterangan :
KDkl & = Measured Variable (mA) mno
= Gain level transmitter
pno
= Time constant dari transmitter (s)
12
r1!) .#-1# r1!) ')1#-
mno 0
?@AsC
2.6 Pemodelan Control Valve Untuk kebutuhan mengendalikan level dalam steam drum maka dibutuhkan control valve yang mengatur laju aliran fluida dari economizer menuju steam drum. Model matematis dari control valve adalah sebagai berikut :
K7 t
0
mu vwu 3 B
?@AxC
Keterangan :
mu = Gain control valve vwu = Time constant control valve Untuk mendapatkan gain control valve, dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan di bawah.
%!M# !%'*!) $!"&'$#$ y -("!)!) $!"!)
m0
?@ABzC
Sedangkan untuk gain I/P diperoleh dengan persamaan (2.11).
{w 0
&1!) .#-1# &1!) ')1#-
?@ABBC
Sehingga diperoleh gain total control valve,
mu 0 mA {w
?@AB@C
Time constant dari control valve dapat dicari dari persamaan berikut :
vwu 0 vu yD 3 |u
?@ABJC
Keterangan :
yD = Fraksi massa perubahan control valve |u = Perbandingan time constant inherent dengan time stroke = 0.03 (untuk jenis aktuator diafragma)
13
= 0.3 (untuk jenis aktuator piston)
vu = time stroke penuh (s) =2s
2.7 Sistem Kendali Sistem kendali merupakan usaha atau perlakuan terhadap suatu sistem dengan masukan tertentu guna mendapatkan keluaran sesuai dengan yang diinginkan. Selain itu, sistem kendali dapat didefinisikan pula sebagai hubungan timbal balik antara elemen-elemen yang membentuk suatu konfigurasi sistem yang memberikan suatu hasil berupa respon yang dikehendaki.
2.7.1 Istilah-istilah dalam Sistem Kendali Berikut ini beberapa istilah yang sering digunakan dalam sistem kendali : 1. Sistem ( system) adalah kombinasi dari elemen-elemen yang bekerja bersama-sama membentuk suatu objek tertentu. 2. Variabel terukur (measured variable) adalah suatu besaran (quantity) atau kondisi yang terukur oleh transmitter. 3. Set value/set point (SP) adalah besaran proses variabel yang dikehendaki dan digunakan sebagai acuan pada kegiatan pengendalian. 4. Variabel termanipulasi (manipulated variable) adalah suatu besaran atau kondisi yang divariasi oleh controller sehingga mempengaruhi nilai dari variabel terkontrol. 5. Error adalah merupakan selisih antara set point dengan variabel terukur. 6. Gangguan (disturbance) adalah sinyal yang tidak dikehendaki dan mempengaruhi nilai keluaran sistem. 7. Variabel terkontrol merupakan variabel hasil yang merupakan output proses. 8. Plant adalah suatu objek fisik yang dikontrol. 9. Aktuator (actuator ) adalah suatu peralatan atau kumpulan elemen yang menggerakkan plant.
14
2.7.2 Parameter dan Elemen Sistem Kendali Ada banyak parameter fisik yang harus dikendalikan di dalam suatu proses industri. Salah satu parameter fisik yang paling umum untuk dikendalikan adalah level permukaan cairan di dalam tangki. Suatu sistem kendali pada umumnya terdiri dari beberapa elemen yang menyusunnya. Elemen tersebut seperti : 1.
Sensing element atau sensor merupakan bagian paling awal dari suatu sistem pengukuran (measurement system), yang menerima variabel proses dan mentransmisikan ke transmitter .
2.
Transmitter adalah alat yang berfungsi untuk membaca sinyal yang dihasilkan dari sensor dan mengubahnya menjadi suatu sinyal standard yang dapat dimengerti oleh controller . Pada umumnya, sensing element dan transmitter sudah diintegrasikan menjadi satu dan tetap disebut sebagai transmitter .
3.
Controller bertugas mengatur jalannya proses agar suatu besaran proses tetap berada pada kondisi yang diinginkan ( set point ) dan akan memberikan koreksi apabila ada perbedaan besaran proses yang diatur dengan set point -nya sesuai dengan aksi dan mode kontrolnya.
4. Final control element merupakan elemen paling akhir dari suatu sistem pengendalian proses yang berfungsi untuk mengubah proses variabel dengan cara memanipulasi besarnya manipulated variabel berdasarkan perintah dari controller . Bekerja dengan mewujudkan signal output dari controller menjadi suatu gerakan valve membuka atau menutup aliran sehingga dapat mengembalikan variabel proses ke harga yang telah ditentukan.
2.8 Proportional Integral Derivative (PID) Didalam suatu sistem kendali dikenal adanya beberapa macam aksi kendali, diantaranya yaitu aksi kendali proportional , aksi kontrol integral dan aksi kendali derivative. Masing-masing aksi kendali ini mempunyai keunggulan-keunggulan tertentu, dimana aksi kendali proportional mempunyai keunggulan rise time yang
15
cepat, aksi kendali integral mempunyai keunggulan untuk memperkecil error , dan aksi kendali derivative mempunyai keunggulan untuk meredam overshoot/ undershoot . Untuk itu, agar dapat menghasilkan output dengan rise time yang cepat dan error yang kecil dapat digabungkan ketiga aksi kendali ini menjadi aksi kendali PID.
2.8.1 Pengendali Proportional Pengendali proportional memiliki keluaran yang sebanding atau proportional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya). Secara lebih sederhana dapat dikatakan bahwa keluaran pengendali proportional merupakan perkalian antara konstanta proportional dengan masukannya. Untuk kontroler proportional , hubungan antara keluaran kontroler M(t) dan sinyal kesalahan dinamis E(t) adalah :
$ - 0 m} A ( -
?@ABLC
K & 0 m} A 6 &
?@ABPC
K?&C 6?&C
0 m}
?@ABjC
dengan M(s) dan E(s) adalah transformasi Laplace dari m(t) dan e(t) secara berturut. K p merupakan konstanta proporsional pada pengendali proportional (P). Ciri-ciri pengendali proportional diantaranya adalah : 1. Jika nilai K p kecil, pengontrol proportional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat (rise time menjadi besar). 2. Jika nilai K p dinaikkan, respon/tanggapan sistem akan semakin cepat mencapai keadaan mantapnya (mengurangi rise time). 3. Namun jika nilai K p diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil atau respon sistem akan berosilasi.
16
2.8.2 Pengendali Integral Pengendali integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki kesalahan keadaan stabil nol ( steady state error ). Jika sebuah plant tidak memiliki unsur integrator (1/s), pengontrol proportional tidak akan mampu menjamin keluaran sistem dengan kesalahan keadaan stabil nol. Pengendali integral memiliki karakteristik seperti halnya sebuah integral . Keluaran sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal kesalahan. Keluaran pengendali ini merupakan penjumlahan yang terus menerus dari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan, keluaran akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Adapun persamaan matematis untuk pengendali integral adalah :
t - 0
B v9
=
mw
( - A 4-
?@ABqC
~ =
t - 0 m9
( - A 4-
?@ABsC
~
Keterangan :
t - 0 sinyal keluaran kendali v9
0 integral time
m}
0 gain controller
m9
0 konstanta pengendali integral
( - 0 error
2.8.3 Pengendali Derivative Sinyal kontrol yang dihasilkan oleh kendali derivative dapat dinyatakan sebagai berikut :
t - 0 v8 mw
4(?-C 4-
?@ABxC
17
Keterangan :
t - 0 sinyal keluaran kendali m}
0 gain controller
v8
0 derivative time
( - 0 error Dari persamaan di atas nampak bahwa sifat dari kendali derivative ini berada dalam konteks kecepatan atau rate dari error . Dengan sifat ini ia dapat digunakan untuk memperbaiki respon transien dengan memprediksi error yang terjadi. Kendali derivative hanya berubah saat ada perubahan error sehingga saat error statis kendali ini tidak akan bereaksi, hal ini pula yang menyebabkan kontroler derivative tidak dapat dipakai sendiri.
2.8.4 Pengendali PID Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing pengendali P, I dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara parallel menjadi pengendali PID. Elemen-elemen pengendali P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar.
Gambar 2.5 Blok diagram kontroler PID (Sighn, 2013)
18
Model matematis dari struktur parallel sistem kendali PID pada gambar 2.5 dapat dituliskan sebagai berikut :
B B { & 0 m} 3 m9 3 m8 & 0 m} B 3 3 v8 & & v9 &
?@A@zC
2.9 Tuning (Penalaan) Konstanta PID Untuk mendapatkan aksi kendali yang baik diperlukan langkah tuning untuk menentukan nilai K p, K i dan K d seperti yang diinginkan. Berikut adalah tahapan yang dapat dilakukan : 1. Memahami cara kerja sistem. 2. Mencari model sistem dinamik dalam persamaan differnsial. 3. Mendapatkan fungsi transfer sistem dengan transformasi laplace. 4. Menggabungkan fungsi transfer yang sudah didapatkan dengan jenis aksi pengontrolan. 5. Menentukan nilai konstanta K p, K i dan K d. 6. Menguji sistem dengan sinyal masukan seperti fungsi step dan ramp dalam fungsi transfer yang baru. 7. Mengetahui karakteristik tanggapan sistem dalam kawasan waktu. Tuning kendali PID bertujuan untuk menentukan parameter atau nilai dari kendali proporsional, integratif dan derivatif. Proses manual tuning PID ini dilakukan dengan cara trial and error hingga didapatkan hasil respon yang stabil dan sesuai dengan yang diinginkan. Dalam penggunaan kendali PID berarti mengolah suatu sinyal kesalahan atau error , yang nantinya dijadikan suatu sinyal kendali yang dilanjutkan ke aktuator dalam sistem closed loop. Ada beberapa cara manual tuning PID diantaranya adalah Ziegler Nichols tipe 1, tipe 2 dan Cohen Coon.
2.9.1 Metode Ziegler-Nichols (Z-N) Ziegler-Nichols pertama kali memperkenalkan metodenya pada tahun 1942. Metode ini memiliki dua cara, metode osilasi dan kurva reaksi. Kedua metode ditujukan untuk menghasilkan respon sistem dengan lonjakan maksimum sebesar 25%.
19
2.9.1.1 Metode Kurva Reaksi Metode ini didasarkan terhadap reaksi sistem terbuka (open loop). Plant yang dikendalikan diberi input step dan responnya akan dianalisa dengan metode Ziegler-Nichols kurva reaksi dimana perhitungannya akan menghasilkan parameter-parameter PID.
Gambar 2.6 Respon input step (Ogata, 2010) Nilai PID diperoleh dari hasil percobaan dengan masukan unit step, hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, seperti pada gambar 2.6. Kurva berbentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah konstanta, yaitu waktu tunda (L) dan waktu konstan (T).
Gambar 2.7 Penentuan parameter L dan T (Ogata, 2010) Kedua parameter tersebut diperoleh dengan menggambar garis tangensial pada titik infleksi kurva S, seperti pada gambar 2.7. Garis tangensial tersebut akan berpotongan dengan garis time axis dan garis c(t) = K. Penalaan parameter PID didasarkan perolehan kedua konstanta it u. Zeigler Nichols melakukan eksperimen dan menyarankan parameter pengaturan nilai Kp, Ti dan Td dengan didasarkan pada kedua parameter tersebut. Table 2.1 merupakan rumusan penalaan parameter PID berdasarkan cara kurva reaksi.
20
Tabel 2.1 Penalaan parameter PID dengan metode kurva reaksi (Ogata, 2010) Tipe Kontroler P
K p
v •
PI
zAx
PID
BA@
Ti
Td
€
0
v
v
•
zAJ
v •
2 L
0 0.5 L
2.9.2 Metode Fuzzy Logic Gain Scheduling Kontrol PID merupakan algoritma kendali yang banyak digunakan di industri proses karena bentuknya yang sederhana dan mudah diimplementasikan. Pada kondisi operasi tertentu, seperti terjadi gangguan pada proses atau parameter proses yang berubah-ubah parameter kendali ini harus sering di-tuned agar kinerjanya tetap baik. Salah satu teknik dalam sis tem kendali yang dilakukan untuk mengatasi permasalahan ini adalah dengan menggunakan metode Fuzzy PID Gain Scheduling , dimana parameter kendali diubah secara otomatis jika terjadi perubahan kondisi operasi yang menyebabkan kinerja kontroler menurun. Secara umum, diagram kendali fuzzy PID gain scheduling seperti yang terlihat pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 Blok diagram Fuzzy PID gain scheduling (Periyasamy, 2013)
21
Pada aplikasi ini, fuzzy berfungsi untuk menghitung parameter kendali PID (K p, Ti dan Td) berdasarkan kondisi signal error (E) dan perubahan error (DE).
2.10 Sistem Kendali Fuzzy Logic Controller (FLC) Fuzzy Logic (FL) diperkenalkan pada tahun 1965 oleh Lotfi A. Zadeh, seorang Profesor di bidang ilmu komputer, Universitas California, Berkeley. Kontrol logika fuzzy menggunakan basis pengetahuan dan ungkapan linguistik yang merepresentasikan cara kerja operator manusia. Dimana aturan kendali ini merupakan himpunan aturan-aturan kendali linguistik yang diturunkan berdasarkan keadaan proses dan pengalaman operator, sehingga tidak memerlukan model matematik proses. Dengan kata lain, kendali logika fuzzy merupakan suatu kontroler yang pada prinsipnya merubah strategi kendali linguistik ke dalam strategi kendali automatis.
2.10.1 Logika dan Himpunan Fuzzy Logika fuzzy pada dasarnya merupakan perluasan dari logika Boolean. Pada logika Boolean terdapat logika 1 dan 0 yang menyatakan benar dan salah, sedangkan pada logika fuzzy terdapat tingkat logika antara 0 dan 1 yang menyatakan tingkat kebenaran dan merupakan ciri fungsi keanggotaan dari himpunan fuzzy. Logika fuzzy digunakan untuk menerjemahkan suatu nilai yang diekspresikan menggunakan bahasa (linguistik ), misalnya besaran kecepatan laju kendaraan yang diekspresikan dengan pelan, agak cepat, cepat dan sangat cepat. Teori himpunan fuzzy memungkinkan derajat keanggotaan (degree of membership) objek suatu himpunan dinyatakan dalam interval antara “0” dan “1”. Himpunan fuzzy (F) dalam semesta X biasanya dinyatakan sebagai pasangan berurutan dari elemen x dan mempunyai derajat keanggotaan yang dapat dimodelkan dalam bentuk matematis sebagai berikut :
0
‚ƒ„?‚C ‚ … †
?@A@BC
Dimana : F = Himpunan fuzzy
‡ˆ = Derajat keanggotaan X = Semesta pembicara
22
Fungsi keanggotaan (membership function) dari himpunan fuzzy disajikan dalam bentuk gabungan derajat keanggotaan tiap-tiap elemen pada semesta pembicaraan dinyatakan dengan persamaan :
0
„?#9 C #9
?@A@@C
Untuk melakukan perancangan sistem pengendalian berbasis logika fuzzy diperlukan empat komponen utama yang membentuk struktur logika fuzzy seperti yang terlihat pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Konfigurasi kendali logika fuzzy (Ariyanto, 2011) Basis pengetahuan terdiri dari basis data dan basis kaidah atur. Basis data mendefinisikan himpunan fuzzy atas ruang-ruang masukan dan keluaran. Basis kaidah atur berisi kaidah-kaidah kendali.
2.10.2 Proses Fuzzifikasi (Fuzzyfication) Fuzzifikasi merupakan proses pemetaan nilai-nilai input (crisp input ) dari sistem kedalam himpunan fuzzy. Umumnya input yang dikendali (besaran non fuzzy) diubah kedalam himpunan fuzzy menurut fungsi keanggotaan. Untuk mengubah crisp input menjadi fuzzy input , terlebih dahulu harus menentukan membership function untuk tiap crisp input , kemudian proses fuzzifikasi akan mengambil crisp input dan membandingkan dengan membership function yang telah ada untuk menghasilkan harga fuzzy input .
23
Fungsi keanggotaan (membership function) adalah suatu kurva yang menunjukkan pemetaan titik-titik input data kedalam nilai keanggotaan atau derajat keanggotaan yang memiliki interval antara 0 dan 1. Cara untuk mendapatkan nilai keanggotaan adalah dengan melalui pendekatan fungsi. Ada beberapa fungsi yang dapat digunakan yaitu : representasi kurva segitiga, representasi kurva trapesium dan representasi kurva Gaussian.
2.10.3 Rule Evaluation Rule evaluation berfungsi untuk mencari suatu nilai fuzzy output dari fuzzy input dengan cara dimana suatu fuzzy input yang berasal dari fuzzyfication kemudian dimasukkan kedalam sebuah rule yang telah dibuat untuk dijadikan sebuah output . Basis aturan kendali fuzzy adalah kumpulan aturan-aturan kendali fuzzy yang dibuat berdasarkan pengetahuan manusia dalam pengendalian suatu sistem. Aturan yang ditetapkan digunakan untuk menghubungkan antara variabelvariabel masukan dan variabel-variabel keluaran. Aturan ini berbentuk “jika – maka” ( If – Then). Bentuk umum aturan fuzzy adalah sebagai berikut :
‰Š ‚ '& ‹ ŒŽ '& ‘ Dengan x dan y adalah skalar, sedangkan A dan B adalah variabel linguistik. Preposisi yang mengikuti If disebut sebagai antecedent , sedangkan preposisi yang mengikuti Then disebut consequent.
2.10.4 Defuzzifikasi ( Defuzzyfication) Defuzzifikasi merupakan proses pengubahan himpunan fuzzy yang diperoleh dari komposisi aturan fuzzy untuk mendapatkan kembali bentuk tegasnya (crisp). Perlu diingat, fuzzy output dari proses rule evaluation masih berupa variabel linguistik dan variabel linguistik ini perlu dikonversi ke variabel crisp melalui proses defuzzifikasi. Ada beberapa metode defuzzifikasi diantaranya adalah :
24
1. Metode Center of Gravity (COG) Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil titik pusat daerah fuzzy. Secara umum dirumuskan pada persamaan (2.23) dan (2.24) :
’“{ 0
” „?” C „?” C
?@A@JC
Jika ” merupakan variabel kontinyu maka persamaan (2.23) diatas menjadi:
’“{ 0
„?”C”4” „?”C4”
?@A@LC
2. Metode Mean of Maximum Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil nilai rata-rata domain yang memiliki nilai keanggotaan maksimal. 3. Metode Largest of Maximum Pada metode ini, solusi crisp diperoleh dengan cara mengambil nilai terbesar dari domain yang memiliki nilai keanggotaan maksimal.
2.11
Penelitian Terdahulu Dalam membantu perancangan sistem kendali PID level air pada steam drum,
berikut ini adalah beberapa penelitian perancangan sistem kendali yang telah dilakukan oleh peneliti lain. Metode dan hasil pada penelitian tersebut telah dirangkum pada tabel 2.2 di bawah ini. Tabel 2.2 Rangkuman penelitian sistem kendali sebelumnya No
1
Nama
Judul
Design of PID Controller for Plant Control (Bansal, 2012) and Comparison with Z-N PID Controller
Metode
Metode tuning PID Ziegler Nichols
Hasil Kontroler PID Z-N memberikan steady state error nol, prosentase overshoot dan rise time yang lebih kecil dibanding dengan kontroler PID trial&error .
25
2
3
4
(Ilyas, Jahan, & Ayyub, 2013)
(Ariyanto, 2011)
Tuning of Conventional Metode PID and Fuzzy tuning PID Logic konvensional Controller dan Fuzzy Using Logic Different Controller Defuzzification Techniques
Perancangan Sistem Pengendalian Level Dearator Menggunakan Fuzzy Gain Scheduling -PI Di PT. Petrowidada
Dengan menggunakan fuzzy logic controller nilai overshoot respon output berhasil dikurangi dan juga memperbaiki performa dengan berkurangnya rise time dan settling time.
Berdasarkan simulasi diketahui Metode bahwa fuzzy gain tuning PI scheduling memiliki konvensional respon output yang dan Fuzzy lebih baik Gain dibandingkan Scheduling-PI dengan pengdali PI konvensional.
Fuzzy logic algoritma meningkatkan performa kendali Metode siklus tertutup drum Boiler Tank Tuning PID level dibandingkan Level Control (Kumar, 2015) Fuzzy Logic dengan algoritma Using Fuzzy Gain PID konvensional. Logic Scheduling Hal ini menyebabkan meningkatnya efisiensi pembangkit. Persamaan tugas akhir ini terhadap penelitian diatas adalah menggunakan
metode tuning parameter PID yang sama yaitu dengan metode konvensional Ziegler-Nichols dan metode kepakaran fuzzy logic. Sedangkan perbedaannya, pada tugas akhir ini variabel yang akan dikendalikan adalah level air steam drum dengan output kestabilan level air terhadap set point yang diberikan. Pada tugas akhir terdapat 2 rancangan sistem kendali yaitu menggunakan PID dan Fuzzy Logic Controller (FLC). Rancangan sistem kendali fuzzy logic menggunakan 2 input variabel yaitu laju massa air umpan dan laju massa uap dengan 1 output berupa
26
level air steam drum. Sedangkan untuk rancangan sistem kendali PID, tuning parameter PID menggunakan metode konvensional Ziegler-Nichols kurva reaksi dan metode kepakaran fuzzy logic gain scheduling .
27
3. BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Langkah Penyusunan Tugas Akhir Pada bab ini, akan dibahas langkah-langkah dalam melakukan perancangan sistem kendali PID level air steam drum menggunakan metode konvensional Ziegler-Nichols dan metode kepakaran fuzzy logic. Langkah-langkah tersebut adalah sebagai berikut :
3.1.1 Penentuan Data Data yang digunakan sebagai acuan untuk merancang sistem kendali merupakan data sekunder yang diperoleh dari database dan data operasi PLTU Teluk Balikpapan. Data operasi yang dibutuhkan dalam perancangan sistem kendali meliputi laju alir air umpan, level air pada beban tertentu dan persen bukaan control valve. Sedangkan untuk data spesifikasi alat dan diagram P&ID diperoleh dari database PLTU Teluk Balikpapan. Data operasi digunakan adalah data rekaman mulai tanggal 24 Agustus 2016 – 26 Agustus 2016.
3.1.2 Perancangan Sistem Kendali PID Perancangan sistem kendali PID meliputi : a. Pemodelam matematis steam drum, level transmitter dan control valve. b. Validasi model matematis steam drum. c. Tuning parameter kontrol PID menggunakan metode Ziegler-Nichols. d. Perancangan diagram sistem tertutup (close loop). e. Tuning parameter kontrol PID menggunakan metode fuzzy logic f. Simulasi menggunakan Simulink/Matlab. g. Membandingkan nilai parameter PID yang diperoleh dari perancangan dengan nilai parameter PID plant . h. Analisa simulasi. i. Hasil simulasi rancangan harus memenuhi kriteria performansi.
28
3.2 Diagram Alir Perancangan Sistem Kendali Tahapan perancangan sistem kendali level air steam drum dapat dilihat pada gambar 3.1 yang merupakan diagram alir perancangan sistem kendali. Perancangan sistem kendali level air steam drum dilakukan dengan 2 tipe kontroler yaitu sistem kendali PID dan sistem kendali Fuzzy Logic Controller (FLC). Dari hasil rancangan sistem kendali akan dibandingkan antara kedua sistem kendali tersebut untuk mengetahui kriteria performansi yang terbaik.
29
Gambar 3.1 Diagram alir rancangan penelitian Pada gambar 3.1 langkah awal yang dilakukan dalam melakukan perancangan sistem kendali level air steam drum adalah studi literatur. Setelah melakukan studi literatur, langkah selanjutnya adalah mengumpulkan data-data yang dibutuhkan dalam melakukan rancangan sistem kendali baik berupa data operasi maupun data spesifikasi alat. Kemudian lakukan pemodelan matematis pada level transmitter , control valve dan steam drum menggunakan data yang dimiliki. Selanjutnya melakukan validasi terhadap model matematis steam drum. Jika model matematis steam drum telah merepresentasikan proses aktual yang terjadi, langkah selanjutnya adalah melakukan penalaan (tuning ) parameter PID menggunakan metode konvensional Z-N kurva reaksi dan metode kepakaran fuzzy logic. Dari proses penalaan tersebut didapatkan nilai K P, K i dan K d dari masingmasing metode. Selanjutnya nilai parameter PID dibandingkan dengan nilai PID plant dengan simulasi menggunakan Simulink Matlab. Dari hasil simulasi menggunakan Simulink Matlab akan didapatkan grafik respon dari masing-masing nilai parameter PID untuk setiap metode yang dibandingkan. Langkah selanjutnya adalah analisis respon grafik tiap metode terhadap kriteria performansi yang diharapkan.
30
Dalam mendesain suatu sistem kendali, hal terpenting adalah spesifikasi atau kriteria performansi yang ditampilkan. Berikut ini penjelasan dari beberapa komponen kriteria performansi : 1. Steady state error ialah nilai selisih antara nilai set point dengan nilai aktual plant pada kondisi mantap. Sistem yang baik jika nilai steady state error bernilai 0. 2. Rise time ialah waktu untuk respon naik dari 0% sampai 100%. Semakin kecil nilai rise time semakin baik. 3. Maximum overshoot adalah puncak lewatan maksimum respon transien, biasanya dinyatakan dalam bentuk prosentase selisih nilai set point dengan nilai aktual puncak. Besarnya persentase ini menunjukkan kestabilan relatif sistem. Sistem yang memiliki nilai persen overshoot yang kecil merupakan sistem yang lebih stabil. 4. Settling time ialah waktu untuk respon mencapai suatu nilai dan menetap pada fraksi harga akhir sebesar ± 2% - 5%. 5. Peak time, waktu yang diperlukan sistem untuk mencapai puncak pertama kali.
31
DAFTAR PUSTAKA Ariyanto.
(2011).
Perancangan
Sistem
Pengendalian
Level
Dearator
Menggunakan Fuzzy Gain Scheduling-PI Di PT PERTOWIDADA. Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Teknik Fisika. Surabaya: -. Bansal, R. (2012). Design of PID Controller for Plant Control and Comparison with Z-N PID Controller . International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering , 2 (4), 314. Dewantara, B. (2010). Perubahan Kinerja Steam Drum Di Boiler Akibat Blowdown Pada PLTU Unit 3 Dan 4 (Studi Kasus di PT PJB UP Gresik). ITSUndergraduate , 4. Ilyas, A., Jahan, S., & Ayyub, M. (2013, January). Tuning of Conventional PID and Fuzzy Logic Controller Using Different Defuzzification Techniques. International Journal Of Scientific & Technology , 142. Negnevitsky, M. (2002). Artificial Intelligence A Guide to Intelligent Systems (2nd Edition ed.). Harlow, England: Addison-Wesley. Ogata, K. (2010). Modern Control Engineering (5th Edition ed.). New Jersey, United States of America: Prentice Hall. Patel, R., & Kumar, V. (2015). Artificial Neuro Fuzzy Logic PID Controller based on BF-PSO Algorithm. Procedia Computer Science , 463. PLN, P. (2014, Agustus 2). PT. PLN (Persero). Retrieved September 19, 2016, from 35.000 MW Untuk Indonesia: http://www.pln.co.id/35000mw/id/ Qibing, J., & Qie, L. (2013). PID Controller Design Based on the Time Domain Information of Robust IMC Controller Using Maximum Sensitivity. Process System Engineering and Process Safety . Sighn, P. (2013). Design Of Tuning Methods Of PID Controller Using Fuzzy Logic. 5, 240. Teir, S., & Kulla, A. (2002). Steam/Water Circulation Design. Espoo: Energy Engineering and Enviromental Protection Publication.
32