1

AUTOMASI SWITCHING SISTEM PEMBAKARAN PADA BURNER BOILER

PG PADJARAKAN-PROBOLINGGO

(Kurniadhe Prawito, DR. Ir. Totok Soehartanto, DEA, Ir. Ronny Dwi Noriyati, M.kes)

Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih Sukolilo-Surabaya 60111

ABSTRAK Untuk menjaga temperatur output boiler PG pada nilai C350 - C400 perlu dilakukan switching sistem

pembakaran pada burner boiler PG Padjarakan, karena bahan bakar residue oil yang digunakan pada oil burner hanya digunakan jika diperlukan, yaitu pada saat bahan bakar bagasse tidak dapat memenuhi kebutuhan proses , Switching saat ini masih dilakukan secara manual oleh operator, dengan cara menekan tombol pada control panel. Ide dari tugas akhir ini adalah merancang switching sistem pembakaran burner boiler yang ter-automasi pada PG Padjarakan dengan cara menggunakan logic solver. Logic solver akan bekerja untuk menghidupkan oil burner jika temperatur lebih kecil dari C350 , dan akan mematikan aliran oli jika temperatur sudah lebih besar dari C350 . Dari simulasi yang dilakukan bila beban fluida 333.3 kg/menit, jika hanya menggunakan ampas tebu, ampas tebu yang digunakan sebanyak 156.06 kg/menit - 178.46kg/menit untuk mencapai range suhu C350 - C400 . Untuk pengaplikasian switching perlu ditambahkan kontroler dengan mode proportional yang parameternya didapat dengan melakukan uji trial and error, dengan nilai yang didapat kp = 7 saat supply bahan bakar bagasse hanya 76 kg/menit maupun penambahan beban sampai 373 kg/menit , sistem mampu mengembalikan suhu ke C350 dengan menambahkan kalor melalui pengaturan flow oil pada oil burner

Kata Kunci : Otomatisasi, Switching control, Bahan Bakar, Burner.

PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

Pada tugas akhir ini plant yang digunakan adalah burner boiler PG Padjarakan. Pada saat ini burner boiler pada PG Padjarakan menggunakan tiga jenis bahan bakar dalam sistem pembakarannya 3 jenis bahan bakar ini dikelompokan menjadi dua, yang pertama gas dan residue oil digunakan pada burner boiler dan yang kedua bagasse (ampas tebu) digunakan langsung pada furnace. Bahan bakar ampas tebu merupakan bahan bakar primer. Khusus untuk bahan bakar gas, bahan bakar gas hanya digunakan untuk menjadi pemantik bagi bahan bakar residue oil.

Ampas tebu atau lazimnya disebut bagas, adalah hasil samping dari proses ekstraksi (pemerahan) cairan tebu. Dari PG Padjarakan dihasilkan ampas tebu sekitar ± 30% dari berat tebu yang digiling (data PG Padjarakan 2008-2009). Pada umumnya, pabrik gula di Indonesia memanfaatkan ampas tebu sebagai bahan bakar bagi pabrik yang bersangkutan, setelah ampas tebu tersebut mengalami pengeringan,. Pengeringan ampas dilakukan dengan memanfaatkan energi panas dari gas buang cerobong ketel Ampas tebu ini mudah terbakar karena didalamnya terkandung air, gula, serat dan mikroba, sehingga bila tertumpuk akan terfermentasi dan melepaskan panas

Bahan bakar residue oil merupakan bahan bakar sekunder, bahan bakar residue oil hanya digunakan apabila mengalami kekurangan ampas

tebu (bahan bakar primer).Karena sifat residue oil yang memiliki viskositas tinggi, residue oil membutuhkan panas dari heater terlebih dahulu agar nilai viskositas mengecil sehingga setelah melewati atomizer kontaknya dengan udara dapat meluas.Tetapi pada PG Padjarakan proses ignition untuk bahan bakar residue oil mudah dilakukan, jarang sekali atau hampir tidak pernah dalam masa penggilingan ada kasus dimana diperlukan bahan bakar gas untuk memantik bahan bakar residue oil, karena bahan bakar yang dipakai terlebih dahulu adalah ampas tebu, hal ini menyebabkan ruang bakar sudah dalam kondisi yang baik untuk pembakaran dengan residue oil.

Adakalanya saat proses berlangsung, temperatur keluaran menurun hal ini ini bisa disebabkan karena kekurangan bahan bakar ampas (disebabkan ampas tebu belum siap untuk digunakan sebagai bahan bakar) atau penambahan beban yaitu penambahan jumblah air. Temperatur keluaran

boiler dijaga agar berkisar pada nilai C350 -

C400 , untuk menjaga temperatur operator

terkadang perlu melakukan switching yaitu menjalankan oil burner, sehingga proses menggunakan bahan bakar ampas ditambah bahan bakar oli, bahan bakar oli ini digunakan pada pada oil burner.

Sayangnya switching pembakaran pada burner PG Padjarakan masih dilakukan secara manual oleh operator, dengan cara menekan tombol pada control panel, menurut pengalaman operator dilapangan karena laju bahan bakar ampas tebu tidak

2

dikontrol , switching secara manual menjadi tidak efisien jika suatu saat pasokan ampas tebu sudah kembali ke keadan normal, untuk mengefisienkan akan dicoba dirancang switching sistem menggunakan Logic Solver.

2.Permasalahan Permasalahan yang ada pada tugas akhir ini

adalah :

Bagaimana merancang Switching sistem pembakaran burner boiler pada PG Padjarakan menggunakan logic solver.

Bagaimana mensimulasikan implementasi sistem kontrol berbasis logic solver untuk mengatur switching sistem pembakaran pada burner boiler PG padjarakan.

3.Batasan Masalah

Untuk mempersempit lingkup Tugas Akhir ini maka terdapat beberapa batasan permasalahan, yaitu :

Semua Parameter instrumen yang digunakan pada sistem pembakaran boiler burner PG Padjarakan sesuai dengan kondisi yang ada.

Logic solver yang digunakan untuk mengatur switching sistem pembakaran menggunakan pemrograman berdasarkan hasil monitoring temperatur pada boiler .

Hasil perancangan sistem switching pembakaran di burner boiler PG padjarakan mengasumsikan ketersedian bagasse dapat dijamin secara kontinu.

Hasil perancangan akan disimulasikan dengan memperguanakan SIMULINK untuk dianalisa kerjanya.

4. Tujuan

Akan dilakukan perancangan suatu kontrol berbasis logic solver untuk mengatur swiching sistem pembakaran pada burner boiler PG Padjarakan dan mensimulasikannya untuk dapat dianalisa kinerjanya.

TEORI PENUNJANG

Bahan bakar ampas tebu Ampas tebu atau lazimnya disebut bagasse,

adalah hasil samping dari proses ekstraksi (pemerahan) cairan tebu berdasarkan data PG Padjarakan 2008-2009 ampas tebu yang dihasilkan sebanyak ± 30% dari berat tebu giling Ampas tebu ini mudah terbakar karena didalamnya terkandung air, gula, serat dan mikroba. Untuk nilai HHV (Higher Heating Value) dapat dihitung dengan rumus seperti dibawah

merujuk pada data yang dimiliki PG Padjarakan nilai HHV(Higher Heating Value) untuk bahan bakar ampas tebu diberikan pada tabel (2.1):

Uraian 2008 2009

Ampas%Tebu 30.72 28.94

Kkal/Kg Ampas

1805 1824

Tabel 1. Nilai HHV(Higher Heating Value) Ampas Tebu,data PG padjarakan 2006-2009

Oil Burner Burner yang digunakan pada PG Padjarakan

adalah burner dengan bahan bakar oli (residue oil), pengaturan campuran udara dengan bahan bakar oli dilakukan secara manual dengan mengatur damper

. Untuk mencampur residue oil dengan udara digunakan air register dalam proses pembakaran. Gambar dibawah merupakan gambar oil burner pada PG Padjarakan

Gambar 1. Oil burner PG Padjarakan ]5[

Heat Release Secara umum persamaan matematis heat

release dapat dilihat pada persamaan 1:

xHHVmQ ]1[ (1)

Dimana:

)kg/kJ(ValueHeatingHigherHHV

)h/kg(bakarbahanmassalajum

)h/kJ(releaseHeatQ

Sehingga besarnya heat release adalah bergantung seberapa banyak konsumsi bahan bakar pada burner dan berapa nilai heating value pada bahan bakar.

Prinsip Konservasi Energi & Pemodelan Matematik

Pembangunan suatu model matematik didasarkan pada beberapa teori dasar dan hukum. Pada burner boiler dapat digunakan prinsip konservasi energi yang secara umum dapat dirumuskan dengan persamaan konservasi energi untuk volume atur (CV) selama berlangsung, yang diberikan oleh:

3

CVpadaenergi

perubahanJumblah

CV anmeninggalk

yang massa dari

energi Jumlah

CV masuk

yang massa dari

Energi Jumlah

kerja dan heat seperti

batas melintasi

yang energi Jumblah

[6]

Dengan menggunakan kesetimbangan energi, maka kesetimbangan energi yang terjadi pada proses pembakaran pada ruang bakar dapat ditunjukkan sebagai berikut:

Qterima=Qtersimpan +Qkeluar ]8[ (2)

Dimana Q terima adalah kalor yang berasal dari bahan bakar, Q tersimpan adalah perubahan energi yang tersimpan di dalam ruang bakar.dalam kasus untuk burner boiler Qkeluar adalah kalor yang diterima oleh fluida untuk proses dan yang terbuang melalui gas hasil pembakaran dan terserap oleh dinding ruang bakar, bila ditulis dalam persamaan matematikanya

Q terima = )HHVm( ]8[ (3)

Qtersimpan= )tcV(dt

d (4)

Qkeluar= Qlosstcfluidam (5)

Secara lengkap persamaan (3), (4) dan (5)ditunjukan pada persamaan (6)

Qlosstcfluidam

tcVdt

dHHVm )()(

]8[ (6)

Dimana:

Qloss= Qstack+Qwall ]8[

Qloss= 62% x )HHVm( ]8[

)kg/kJ(valueheatingHHV

)C(fluidakeluarantemperaturT

)Ckg/kJ(fluidajeniskalorc

)menit/kg(fluidalajum

)menit/kg(oilbakarbahanaliranlajum

)(m boiler volume V

out

fluida

3

karena proses pada boiler PG padjarakan menggunakan dua macam bahan bakar yaitu residue oil dan ampas tebu, maka Q terima =

)HHVm()HHVm( bboo . Dan dengan asumsi

Qloss = 62% x )HHVm( ]8[ , Maka

persamaan 2.7 menjadi :

tcfluidam

tcVdt

dHHVmHHVm bboo )()%(38)%(38 (7)

Pemodelan matematik ini diperlukan dalam mensimulasikan plant serta mendesain kontroler agar dapat mengendalikan temperatur fluida.

Mode Kontroller

Proportional Kontroller Proportional kontroller (kp) akan

memberikan efek mengurangi waktu naik, tetapi tidak menghapus kesalahan keadaan tunak. Persamaan (2.7) berikut memperlihatkan persamaan Proportional kontrol.

]3[)s(ExKp)s(U (8)

Mode kontrol proposional memiliki keluaran yang sebanding/proposional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya). Secara lebih sederhana dapat dikatakan, bahwa keluaran pengendali proporsional merupakan perkalian antara konstanta proporsional dengan masukannya. Perubahan pada sinyal masukan akan segera menyebabkan sistem secara langsung mengubah keluarannya sebesar konstanta pengalinya.

Gambar (2.2) menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara besaran setting, besaran aktual dengan besaran keluaran pengendali proporsional. Sinyal keasalahan (error) merupakan selisih antara besaran setting dengan besaran aktualmya. Selisih ini akan mempengaruhi pengendali, untuk mengeluarkan sinyal positip (mempercepat pencapaian harga setting) atau negatif (memperlambat tercapainya harga yang diinginkan).

Gambar 2 Diagram Blok Proportional Kontroller ]3[

4

Mode kontrol proporsional memiliki 2 parameter, pita proporsional (proportional band) dan konstanta proporsional. Daerah kerja pengendali efektif dicerminkan oleh Pita proporsional, sedangkan konstanta proporsional menunjukkan nilai faktor penguatan terhadap sinyal kesalahan, Kp. Hubungan antara pita proporsional (PB) dengan konstanta proporsional (Kp) ditunjukkan secara prosentasi oleh persamaan berikut:

]7[100XK

1PB (9)

Ciri-ciri mode kontrol proporsional harus diperhatikan ketika pengendali tersebut diterapkan pada suatu sistem. Secara eksperimen, pengguna pengendali proporsional harus memperhatikan ketentuan-ketentuan berikut ini:

1. Kalau nilai Kp kecil, pengendali proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat.

2. Kalau nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan mantabnya.

3. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berosilasi.

Dari keterangan diatas dapat disimpulkan bahwa pengendali Proporsional (Kp)menurunkan rise time tetapi meningkatkan overshoot serta mengurangi steady state error.

Control Valve Valve secara definisi bahasa Indonesia yaitu

katup, keran, atau klep, yang mempunyai fungsi sebagai pengatur laju aliran fluida yang melewatinya. Jika katup tersebut diinginkan dapat digerakkan secara otomatis sesuai dengan keinginan maka dibutuhkan katup yang dapat dikendalikan yang biasa disebut disebut control valve. Sedangkan aktuator, dalam bahasa Indonesia, mungkin bisa diartikan sebagai penggerak. Karena memang fungsi sebuah aktuator adalah menggerakkan control valve agar ia terbuka atau tertutup dan selalu ada pada posisi yang dikehendaki pengendalinya. sistem pengendalian dengan instrumentasi elektronik pun seringkali menggunakan control valve pneumatic. Untuk mengubah sinyal 4 20 mA menjadi sinyal pneumatic, umumnya dipakai sebuah pengalih sinyal yang disebut I/P converter.

Pada dasarnya, kerja sebuah aktuator sederhana sekali. Bagian upper diaphragm case dan dari sini sebuah control valve berfungsi layaknya sebuah balon karet yang kuat sekali. Tekanan sinyal pneumatic yang terakumulasi di dalam ruang itu menimbulkan gaya yang bekerja melawan pegas.

Kalau gaya yang timbul karena tekanan sinyal pneumatic itu lebih besar dari kekuatan pegas, bagian stem akan terdorong ke bawah. Gerak ini dapat berfungsi sebagai gerak membuka atau menutup katup. Control valve merupakan elemen pengendali akhir (Final Control Element) sebagai elemen pengambil keputusan berdasarkan informasi dari controller untuk menghasilkan output proses. Control valve atau katup secara garis besar terdiri dari dua bagian, yaitu aktuator dan badan (body) katup

Bagian dan fungsi Control Valve Bagian bagian utama dari control valve serta

fungsinya antara lain :

Diaphragm, mempunyai fungsi sebagai pengubah sinyal menjadi sinyal yang berupa gaya terhadap spring.

Spring, berfungsi mengubah gaya yang dihasilkan diaphragma menjadi gerakan membuka dan menutup penampang katup.

Positioner, berfungsi melakukan perubahan sinyal elektrik menjadi sinyal pneumatik, fungsi lainnya untuk melakukan monitoring bukaan katup sehingga katup dapat digunakan untuk mendeteksi jumlah fluida yang mengalir didalamnya.

Valve Stem, komponen yang berupa lengan ini berfungsi sebagai indikator atau petunjuk sejauh mana bukaan dan tutupan katup.

Trim, mempunyai fungsi sebagai pemodulasi aliran aliran fluida agar sesuai dengan yang dikehendaki.

Aksi Control Valve Berdasarkan prinsip kerjanya ada dua jenis

control valve yang umum digunakan di industri. Pemilihan control valve ATO atau ATC didasarkan atas pertimbangan keamanan proses suatu sistem, jika terjadi kegagalan atau fail pada proses pengendalian maka demi keamanan perlu dipilih control valve dari suatu sistem lebih aman dalam keadaan open atau close.

Air To Open (ATO) Merupakan control valve yang akan membuka jika ada penambahan udara. Aksi control valve tersebut juga dikenal dengan Normally Close (NC) yang artinya pada saat keadaan awal control valve akan menutup dengan demikian jika ada kegagalan dalam proses pengendalian maka control valve akan membuka.

Air To Close (ATC) Merupakan control valve yang akan menutup plug-nya jika ada penambahan udara. Aksi control valve tersebut juga dikenal dengan Normally Open (NO) yang artinya pada saat keadaan awal control valve akan membuka, dengan demikian jika terdapat kegagalan dalam sistem maka control valve akan membuka.

5

Gambar 3 Tipe Control Valve Berdasarkan

Prinsip Kerja ]3[

3.Model Matematis Control Valve Model matematis control valve dapat dilihat

pada persamaan 10 dibawah :

1vS

K

)s(U

)s(X]8[

(10)

Dengan :

)diafragmaaktuatoruntuk(3.0Rv

9.0v

6Tv

)Rvv(Tvv

valvecontrolgainK

(K) Gain contol valve adalah gabungan antara gain perubahan sinyal elemen dan gain perubahan dari

sinyal pneumatis standard ( actuatorK ) ke keluaran

tipe aliran pada kontrol valve ( PK ), actuatorK dan

PK ditunjukan pada persamaan (11) dan (12)

kontrolsinyalspan

pressurespanKactiuator

]8[ (11)

control input span

m)x(f

dx

dKp

max

]8[ (12)

Sehinga gain control valve totalnya adalah

K= ( actuatorK )x PK]8[

(13)

Untuk time constant control valve

)( RVVTVv]8[

(14)

Dimana:

piston) aktuator jenis 0.3(untukRV

diafragma) aktuator jenis (untuk 0.03 RV

stroketime

dengan inherent constanttimeanperbandingRV

valvecontrolperubahanfraksiV

sroketimeTV

Untuk grafik flow karakteristik control valve dapat dilihat dari gambar (2.9) dibawah.

Gambar 4 Flow Karakteristik Control Valve ]9[

Temperature Transmitter Temperature transmitter atau sensor suhu adalah

alat yang digunakan untuk merubah besaran panas menjadi besaran listrik. Banyak jenis sensor yang digunakan untuk melakukan pengukuran temperatur pada suatu proses, Salah satunya menggunakan sensor RTD (Resistance Temperatur Detector). Prinsip dari transmitter ini yaitu mengolah hasil pengukuran yang berupa tahanan yang sebanding dengan suhu yang diukur. keluaran ini kemudian diolah dengan rangkaian pengkondisi sinyal sehingga diperoleh keluaran berupa arus 4-20mA Ada 2 macam metode pengukuran temperatur:

Contact measurement Yaitu proses dimana pengukuran melalui persentuhan langsung antara sensor dengan variabel yang diukur

Non-contact Measurement Yaitu proses pengukuran yang dilakukan tanpa persentuhan langsung antara sensor dengan variabel yang diukur Untuk persamaan fungsi alih sensor temperatur

ditunjukkan persamaan 2.16 berikut:

]4[content

heat sensorof

change of rate

outflow

heat of rate

inflow

heatofrate (15)

Gambar 5 sensor temperatur didalam fluida ]4[

Pada gambar (2.12) jika diasumsikan T F > T, maka

rate of heat outflow sama dengan nol, dan rate of heat inflow(W) akan sebanding dengan perubahan

temperatur )TT( F

6

]4[F )watts()TT(UAW (16)

Dimana:

)m(areatransferheatEffectiveA

)Cm/w(coeficienttransferheatOverallU2

2

Jika diasumsikan M dan c adalah konstan dan increase of heat content adalah MC[T-T(0-)] dengan satuan joules maka rate of increase of sensor heat content diberikan pada persamaan (17) dibawah:

]4[)0(TTdt

dMC

contentheatsensor

ofincreaseofrate (17)

Dimana:

)Ckg/J(materialsensorofheatspecificC

)kg(massM

Jika T)0(TT dan )0(TTT FFF ,

dan MC/UA memiliki satuan waktu maka persamaan diferensialnya dalam orde-1 adalah:

]4[FTTdt

Td (18)

]4[F s1

1)s(

T

T (19)

Logic Solver Logic solver merupakan tipe kontroller yang

membaca sinyal dari sensor dan melakukan aksi kontrol yang sudah terprogram untuk mencegah bahaya atau meneruskan proses dengan perlakuan yang aman sesuai parameter yang telah ditetapkan. Ada banyak kesamaan antara logic solver dengan Progammable Logic Control (PLC) dan Distributed Control System (DCS) Memiliki persamaan dalam hal melakukan aksi dari fungsi logika dan juga memiliki masukan dari sensor dan keluaran menuju final control element. Perbedaannya logic solver di desain untuk memiliki toleransi terhadap kesalahan, memiliki internal redundansi, dan didesain untuk fail dengan dengan cara yang aman

PEMODELAN PLANT

Kondisi Real Plant

Gambar dibawah menunjukan kondisi real plant dimana kondisi pengontrolan masih dilakukan secara manual oleh operator melalui Control Panel.

Gambar 6 Gambaran Kondisi Real Plant

Adakalanya saat proses berlangsung, temperature keluaran menurun hal ini ini bisa disebabkan karena kekurangan bahan bakar ampas atau penambahan beban yaitu penambahan jumblah

air. Temperatur dijaga agar tetap pada nilai C350 ,

untuk menjaga temperatur operator terkadang perlu melakukan switching yaitu menjalankan oil burner, sehingga proses menggunakan bahan bakar ampas ditambah bahan bakar oli, bahan bakar oli ini digunakan pada pada oil burner. proses ini dilakukan secara manual oleh operator dengan menekan tombol pada control panel.

Pada bab 3 ini akan dirancang automasi untuk menjalankan oil burner jika oil burner dibutuhkan pada proses, sehingga proses switching tidak dilakukan oleh operator, melainkan dengan menggunakan logic solver.

Untuk merancang proses automasi diperlukan konsep awal dari automasi switching sistem pembakaran, setelah itu dilakukan pemodelan pada plant, pemodelan awal dilakukan secara matematik. Pemodelan matematik ini diperlukan dalam mensimulasikan plant pada software Simulink serta mendesain kontroler agar dapat mengendalikan temperatur fluida.

Konsep Automasi Switching Sistem Pembakaran

Pada PG Padjarakan serta pemodelan logic solver untuk automasi-nya gambar dibawah merupakan gambaran fokus untuk automasi.

7

HHVm fuel .

dt

tdcV ..

Gambar 7 Konsep Automasi Switching Sistem Pembakaran Logic solver digunakan sebagai peganti pengambil keputusan untuk menjalankan oil burner pada waktu dibutuhkan, yang pada saat ini dilakukan oleh operator

)(sTout)(smo

)(smb

Gambar 8 Diagram Blok Konsep Automasi Switching Pembakaran

Untuk melakukan pemodelan maka tiap-tiap komponen harus dimodelkan terlebih dahulu sehingga pemodelan meliputi:

Pemodelan Proses Plant

Pemodelan Control Valve

Pemodelan Temperature Transmiter

(Pemodelan) Pemograman Logic Solver

Pemodelan Matematis & SIMULINK Diagram

Bahan bakar yang dipakai pada PG padjarakan adalah residue oil dan baggasse, maka diagram blok untuk prosesnya dapat dilihat pada gambar 3.4

)(sTout

)(smo

)(smb

Gambar 9. Diagram Blok Proses

Bahan bakar oli digunakan sebagai bahan bakar sekunder, sehingga oil burner hanya digunakan jika proses mengalami kekurangan ampas tebu yang berakibat menurunya temperatur keluaran fluida. Dengan data yang didapat dari data PG Padjarakan, pada saat temperatur output sama dengan 400 derajat celcius, apabila hanya menggunakan oil burner , dengan nilai HHV oil = 9500 Kcal/kg laju yang dibutuhkan sebesar 1500 liter/hr, sedangkan apabila hanya menggunakan bahan bakar ampas tebu, maka laju ampas tebu yang dibutuhkan sebesar rata-rata 9 ton/hr. dengan fluida input adalah air maka massa

jenisnya 3/1000 mkg ,jika parameter-

parameter ini dimasukan kedalam persamaan (2.6), maka persamaan (2.6) dengan sedikit penyerdehana-an akan menjadi seperti persamaan dibawah

)%(38)%(38

))2.4(()(

)2.4()2.7()1000(

7869m39765m

tfluidamdt

td

bo

Untuk rangkaian simulasi plant pada SIMULINK sesuai dengan persamaan diatas dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 10 Rangkaian Simulasi Plant Pada SIMULINK

Pemodelan Control Valve

Untuk diagram blok kontrol valve dapat dilihat pada gambar 3.6

Gambar 11 Diagram Blok Control Valve

model matematis oil control valve dapat dimodelkan menggunakan persamaan dibawah sebagai berikut:

controlinput span

m

kontrolsinyalspan

max

actiuator

)x(fdx

dKp

pressurespanK

Dengan :

Span Pressure = 0.2- 1 psi Span Sinyal kontl = 4-20 mA

Maka :

mApsiK

K

actuator

actiuator

/05.0

4)mA-(20

0.2)psi-(1

8

Control valve yang digunakan adalah tipe linear trim, dan actuatornya jenis diaphragma

sehingga untuk tipe linear )(xfdx

d=1

dari data, kemampuan maksimum bahan bakar oli untuk burner adalah 2600 kg/jam atau 43.3 kg/menit

2.7

)(

65.21

1

v

RvvTvv

Kp

%50

kg/menit 43.3Kp

Dan fungsi alihnya menjadi seperti persamaan 20 :

12.7

65.21

)(

)(

sU

X

s

S (20)

Untuk rangkaian simulasi plant pada SIMULINK sesuai dengan persamaan (3.4) dapat digunakan Transfer Fcn block dilihat pada gambar dibawah:

Gambar 12 Transfer Fcn Block sebagai reprentasi Control valve pada SIMULINK

Pemodelan Temperature Transmitter

Berdasarkan parameter yang ada pada PG padjarakan, temperature transmitter memiliki input

sebesar C400

dan besar time constant menurut Peter Harriot, Process Control , untuk transmitter dengan keluaran elektrik dapat dipilih sebesar 0.2 detik dengan fungsi alih yang diberikan pada persamaan , maka temperature transmitter memliki fungsi alih seperti pada persamaan 3.5

1s2.0

03.0

T

T

ox

oy

Gambar 3.8 gambar rangkaian temperature transmiter pada SIMULINK

Pemodelan (Pemograman Logic Solver)

Logic solver dapat dimodelkan pada software SIMULINK dengan menggunakan State Flow, State Flow yang digunakan adalah berupa Truth Table, pemograman dilakukan dengan mengisi condition table, action table dan penentuan input output pada Ports and Data Manager Window, setelah itu hasil pemrograman dapat dilihat(di-cek) pada Embedded Matlab Editor.

Gambar 13 Truth Table Editor Pada SIMULINK

Setelah mengisi condition table dan action table maka akan ditentukan input dan ouput untuk logic solver pada ports and data manager window

Gambar 14 Ports and Data Manager Window

Dan setelah melakukan pengisian pada Truth Table Editor dan input-output pada Ports and Data Manager Window maka pemogroman langsung dapat dilihat pada Embedded Matlab Editor.

Gambar 15 Embedded Matlab Editor Window

ANALISA DAN PEMBAHASAN

Uji Pemodelan

Untuk melakukan analisa terhadap pemodelan yang telah yang telah dirancang, maka terlebih dahulu kita harus mengetahui respon dari pemodelan plant dari tiap-tiap komponen pendukung pada pengendalian dengan mensimulasikannya pada

9

software SIMULINK supaya didapatkan hasil pemodelan yang sesuai dengan kondisi pada real plant dan sesuai dengan kriteria pengendalian yang stabil.

Simulasi Control valve Berikut ini adalah pengujian untuk mengetahui

kemampuan dan parameter yang ada untuk control valve agar sesuai dengan kondisi input dan output pada real plant, rangkaian simulasi dapat dilihat dari gambar simulasi berikut ini :

Gambar 16 Rangkaian Simulasi control valve

Dari gambar diatas maka hasil simulasi pada simulink matlab didapatkan data untuk kinerja control valve dengan perubahan nilai input sebesar 4mA-20mA

Sinyal 4 mA Untuk skala sinyal sebesar 4 mA berikut ini ditunjukan pada gambar grafik 4.1 :

0 10 20 30 40 50 600

1

2

3

4

5

6

7

8

9

time(second)

flow

Gambar 17 Grafik nilai output control valve dengan sinyal input 4mA

Pada input yang diberikan pada control valve

yaitu 4 mA maka flow didapat sebesar 3.15 kg/menit.

Sinyal 20 mA Untuk skala sinyal sebesar 20 mA berikut ini ditunjukan pada gambar grafik 4.1

0 10 20 30 40 50 600

5

10

15

20

25

30

35

40

45

time(second)

flow

Gambar 18 Grafik nilai output control valve dengan sinyal input 20mA

Pada sinyal input yang diberikan pada control valve yaitu 20mA maka flow didapat sebesar 4.28 kg/menit.

Simulasi plant

Pengujian Open Loop

Dalam proses pengujian open loop maka parameter yang digunakan adalah rancangan dari model laju bahan bakar dan beban yang masuk ke dalam boiler kemudian disimulasikan ke dalam software Simulink dan berikut ini adalah bentuk simulasinya.

Gambar 19 Diagram rangkaian Simulasi Plant Pada SIMULINK

Untuk menaganalisa/menguji model pada gambar 4.5 akan diberi beberapa sinyal input constant :

Input bagasse 156 kg/menit & flow fluida(air) 333.3kg/menit :

0 10 20 30 40 50 600

50

100

150

200

250

300

350

time(second)

tempe

ratur (C

)

Gambar 20. Grafik nilai output temperatur dengan input bagasse 156kg/menit flow fluida(air)

333.3kg/menit Dengan masukan bagasse sebesar 156

kg.menit dan flow air sebesar 333.3 kg/menit maka temperatur yang dihasilkan berada di sekitar

C349 .

Jika beban air ditambahkan menjadi 350 kg/menit, berikut gambar 4.7 menunjukan respon dari proses:

0 10 20 30 40 50 600

50

100

150

200

250

300

350

time(second)

tem

pera

tur(c)

Gambar 21 Grafik nilai output temperatur dengan input bagasse 156kg/menit flow fluida(air) 350

kg/menit

20mA 4mA

350 kg/menit 333.3 kg/menit

10

Dari grafik dapat dilihat bahwa penambahan beban sebesar 350 kg/menit menyebabkan temperatur

turun berada pada sekitar C333 , pada saat temperatur turun inilah perlu ditambahkan bahan bakar untuk menstabilkan temperatur. Jika bahan bakar bagasse kurang maka operator akan menyalakan oil burner.

Simulasi Logic Solver

Simulasi logic solver dilakukan dengan memberi sinyal berupa pulse generator dengan harapan pada saat nilainya berada diatas

C350 ,output logic solver berupa nilai 0 yang berarti proses tidak memerlukan burner oil, jika input

bernilai dibawah C350 yang merupakan batas toleransi temperature keluaran, maka output logic solver akan bernilai 1, yang berarti sebagai perintah switch on pada kontroler untuk melanjutkan proses dengan menyalakan oil burner, berikut gambar dibawah menunjukkan diagram simulasi pada simulink

Gambar 22 Rangkaian Simulasi Logic Solver

Gambar 23 menunjukan respon dari logic solver

0 10 20 30 40 50 600

0.2

0.4

0.6

0.8

1

time

Logic Solve

r ou

tput

0 10 20 30 40 50 600

100

200

300

400

time

Tem

p

Gambar 23 Respon Logic Solver

Dari hasil simulasi logic solver merespon sesuai yang diharapkan

Simulasi Logic Solver Pada Simulator Plant Tujuan dari simulasi ini adalah untuk

mengetahui apakah logic solver bekerja jika ditambahkan pada simulasi plant, gambar dibawah menunjukkan diagram simulasinya :

Gambar 24 Diagram rangkaian Logic solver Pada simulink

model diatas akan diberi sinyal step sebagai input dari bagasse

agar temperature mencapai 350 bila fluida inputan berjumlblah 333.3 kg/menit diperlukan bagasse sebanyak 156 kg/menit, gambar dibawah menunjukan respon dari logic solver.

45 50 55 60 65 70-1

-0.5

0

0.5

1

0 10 20 30 40 50 60 700

50

100

150

200

250

300

350

400

Logic solver

temp

Gambar 25 Respon logic solver

Apabila temperature mencapai

C350 maka ouput logic solver akan benilai 0, dibawah merupakan respon logic solver apabila nilai

bagasse tidak mencukupi untuk mencapai C350

0 10 20 30 40 50 600

0.5

1

1.5

2

0 10 20 30 40 50 600

50

100

150

200

250

300

350

Logic Solver

temp

Gambar 26 Respon logic solver

Dari gambar 4.2 terlihat apabila temperature tidak

mencapai C350 maka ouput logic solver akan benilai 1

11

Pengujian closed loop

Untuk mengetahui kemampuan dari logic solver, yang diperlukan maka dilakukan pengujian dengan kondisi closed loop, gambar 27 menunjukan simulasi untuk pengujian closed loop:

Gambar 27 Simulasi Close loop Plant

Gambar 30 respon logic solver terhadap penurunan bagasse

Untuk penurunan bagasse senilai Bagasse : 158 kg/menit -100 kg/menit (gambar 30) logic solver mampu mengembalikan temperatur ke 350 derajat celcius

Gambar 31 Untuk penurunan bagasse senilai Bagasse : 158 kg/menit -50 kg/menit (gambar 31) logic solver tidak mampu mengembalikan temperatur ke 350 derajat celcius, oleh karena itu perlu ditambahkan kontroler, untuk kontroler yang ditambahkan adalah dengan mode proportional, berikut ini,

Gambar 32 dibawah menunjukan repon logic solver untuk penurunan Bagasse : 158 kg/menit - 50 kg/menit, dengan penambahan, kontroler proportional, denga nilai kp=2, (nilai ini dicari dengan cara trial and error)

.Gambar 32 dengan nilai yang didapat kp = 2, sistem

mampu, mengembalikan suhu ke C350 dengan

nilai tr= 40 detik dan ts 75 detik

BAB V KESIMPULAN

Dari penelitian yang dilakukan diperoleh beberapa kesimpulan bahwa telah dilakukan pemodelan / pemrograman logic solver untuk sistem pembakaran pada burner boiler PG Padjarakan . pada plant simulator untuk menjaga temperatur output pada boiler, dari hasil simulasi menunjukan Logic Solver mampu merespon perubahan temperatur jika ditambahkan kontroler dengan mode P agar dapat

mengembalikan suhu ke C350 , yang

parameternya didapat dengan melakukan uji trial dan error, dengan nilai yang didapat kp = 2, sistem

mampu, mengembalikan suhu ke C350 dengan

rata-rata nilai tr= 41 detik dan ts = 70 detik

DAFTAR PUSTAKA

[1] Charles E baukal., Industrial Burner Handbook,CRC Press 2003

[2] John P.Bentley, Principle of Measurement Systems ,1995

[3] Setiawan, Iwan., Kontrol PID Untuk Proses Industri , Elex Media Komputindo, Jakarta, 2008.

[4] www.sugartech.co.za.edu

[5] Volcano Company Ltd, Oil Burning Apparatus, Osaka, 1981

[6] Ilyas,Moch,.Ir, Modul Ajar Termodinamika , Jurusan Tenik Fisika,Institut Teknologi Sepuluh Nopember,Surabaya, 2002.

[7] Lecture Note, Process Control Fundamental , Yokogawa Hokushin Electric

[8] Nasrullah; Perancangan Sistem Pengendalian Temperatur Pada Furnace dengan Metode Two Degree of Freedom(DOF)Internal Model Control tahun 2008

[9] Bela G liptak, Process Control and Optimization , CRC Press, 2006.

0 20 40 60 80 100 1200

50

100

150

200

250

300

350

400

time

tem

p

0 20 40 60 80 100 1200

50

100

150

200

250

300

350

tem

p

time

0 20 40 60 80 100 1200

50

100

150

200

250

300

350

400

time

tem

p

12

Biodata Nama : Kurniadhe Prawito TTL : Lhokseumawe- 15/07/84 Alamat : PBI N1-33B, Malang

Riwayat Pendidikan: 2002-sekarang : S1 JurusanTeknik Fisika

ITS 1998-2002 : SMAN 1 Malang 1995-1998 : SMPS PT.PIM,

Lhokseumawe 1989-1995 : SDS PT.PIM,

Lhokseumawe