Perancangan Sistem Pengendalian Rasio Aliran Udara

dan Bahan Bakar Pada Boiler Di Unit Utilitas PT. Trans

Pacific Petrochemical Indotama (TPPI) Tuban Dengan

Menggunakan Sistem Pengendali PID - Fuzzy

OLEH :OLEH :

DONY PRASETYA (2406 100 030)

DOSEN PEMBIMBING :

Ir.Muchammad Ilyas Hs

LATAR BELAKANG

-Kadar gas O2 yang keluar melewati stack masih

mencapai diatas 3% hingga 10%.

-Pembakaran Sempurna --� Penghematan Bahan

Bakar.

- Sistem Pengendalian ---� Perubahan Dinamika

Proses -� PID fuzzy Gain Scedulling.

PERMASALAHAN

• Bagaimana merancang sebuah sistem pengendalian rasio menggunakan

pengendali PID fuzzy gain scedulling yang mampu mengatasi

permasalahan yang terjadi pada proses pembakaran yaitu dengan

mengendalikan laju aliran udara dan bahan bakar yang masuk ke ruang

bakar (furnace) dan menjaga perbandingan antara udara dan bahan bakar

agar selalu dalam kondisi yang optimum sehingga dapat menghasilkan

panas pembakaran yang maksimal.panas pembakaran yang maksimal.

TUJUAN

• Untuk memodelkan sistem pembakaran yang terjadi pada ruang bakar

guna memperoleh hasil pembakaran yang sempurna berdasarkan rasio

antara udara dan bahan bakar dan mendesain sistem pengendalian yang

optimal pada sistem pembakaran dengan menggunakan PID fuzzy gain

scedulling.

BATASAN MASALAH

• pemodelan matematis plant secara linier disimulasikan denganmempergunakan Matlab versi R2009a.

. Asumsi properties dan sifat thermodinamika fluida, adalahkonstan.

Flow Chart Penelitihan

DASAR TEORI

Boiler Water Tube

Fire Tube

Tungku atau furnace yang berfungsi

menghasilkan panas melalui pembakaran

Gambaran sistem boiler sederhana

menghasilkan panas melalui pembakaran

bahan bakar

Dua sistem

yang terpisahBoiler atau ketel uap, yang berfungsi

untuk mengubah air menjadi uap

melalui panas yang dihasilkan oleh

furnace

Proses Pembakaran Pada Ruang Bakar

Proses pembakaran

yang terjadi di

dalam ruang bakar

Reaksi Eksotermik

membebaskan energy berupa panas dan

nyala api (flame)

Kesempurnan proses pembakaran ini dapat dipengaruhi dari tiga Kesempurnan proses pembakaran ini dapat dipengaruhi dari tiga

hal, yaitu :

- Jenis bahan bakar.

- Kandungan O2, Temperatur pada gas buang

- Konsentrasi O2 dan CO2 pada kandungan bahan bakar.

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN RASIO (RATIO CONTROL)

Gb. Piping and instrumentation diagram sistem AFRC

Proses pembakaran sempurna dapat didekati menurut

persamaan kimia berikut ini :

Untuk mengkondisikan agar proses pembakaran terjadi

secara sempurna, maka perhitungan stochiometrisecara sempurna, maka perhitungan stochiometri

kebutuhan udara digunakan persamaan dibawah ini.

Sehingga diketahui kebutuhan udara dalam satuan mol,

sebagai berikut :

Apabila kandungan bahan bakar dinyatakan dalam persen, yaitu persen C

(carbon), H2 (hydrogen) ,S (sulfur), dan persen kandungan O2.

Dengan :

C = % massa karbon dalam 1kg bahan bakar

H = % massa hydrogen dalam 1 kg bahan bakar

S = % massa sulphur dalam 1 kg bahan bakar

O = % kandungan Oksigen dalam 1 kg bahan bakarO = % kandungan Oksigen dalam 1 kg bahan bakar

Pada kenyataannya proses pembakaran sempurna ini tidak pernah terjadi.

Untuk mengkondisikan agar proses pembakaran terjadi lebih sempurna, maka

proses pembakaran dibuat dengan kondisi kelebihan udara. Jumlah udara

berlebih yang dibutuhkan untuk proses pembakaran ini disebut dengan excess

air Dengan k=konstanta pembakaran

k=0,9 untuk gas alam, k=0,94 untuk fuel oil, dan k=0,97 untuk

batubara

Pengendali PID

Proporsional (P)

Integral (I)

Derivative (D)

mempercepat rise time agar respon sistem lebih

cepat mencapai setpoint, namun dia masih

memiliki kekurangan yaitu meninggalkan offset

mampu menghilangkan offset dan juga

mengurangi terjadinya maximum overshoot

yang terlalu besar. Tetapi mode I

menyebabkan lambatnya respon sistem

Derivative (D)

Fungsi alih pengendali PID adalah sebagai berikut

U(t) = Kp.e + 1/Ti.Kp.∫e(t)dt + Kp.Td. de(t)/dt

Fuzzy Logic Controller

Fungsi dari bagian-bagian di atas adalah sebagai berikut:

FuzzifikasiBerfungsi untuk mentransformasikan sinyal masukan yang bersifat crisp ( bukan fuzzy ) ke

himpunan fuzzy dengan menggunakan operator fuzzifikasi.

Basis Pengetahuan

Pada dasarnya struktur logika fuzzy dapat digambarkan seperti berikut :

Basis Pengetahuan Berisi basis data dan aturan dasar yang mendefinisikan himpunan fuzzy atas daerah –

daerah masukan dan keluaran dan menyusunnya dalam perangkat aturan kontrol.

Logika Pengambil Keputusanmerupakan inti dari Logika Fuzzy yang mempunyai kemampuan seperti manusia dalam

mengambil keputusan. Aksi atur fuzzy disimpulkan dengan menggunakan implikasi fuzzy

dan mekanisme inferensi fuzzy.

Defuzzifikasiberfungsi untuk mentransformasikan kesimpulan tentang aksi atur yang bersifat fuzzy

menjadi sinyal sebenarnya yang bersifat crisp dengan menggunakan operator defuzzifikasi

Sering kali dinamika proses suatu sistem berubah sejalan dengan

kondisi operasi proses. Keadaan demikian dapat diatasi melalui perubahan

parameter-parameter dari pengendali dengan memonitor kondisi

operasi proses. Penalaan gain atau parameter pengendali tersebut, lebih

dikenal dengan istilah gain scheduling.

Pengendali PID fuzzy gain scedulling

Struktur dasar fuzzy gain scheduling PID controller

Gambar struktur dasar fuzzy gain scheduling PID controller

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN RASIO (RATIO CONTROL)

Gambar. Piping and instrumentation diagram sistem AFRC

Gambar Diagram Blok sistem AFRC

Perhitungan Untuk Sistem rasio aliran udara dan bahan bakar

Apabila Rata-rata properties minyak yang digunakan adalah 85% mengandung C, H2=11%,

O�2=0.5%, dan Sulphur 3.5%, sehingga :

Gt = [(11,47* (85) + 34.4 * [(11) – 0.5/8) + 4.3*(3.5)]]*1/100

Untuk mendapatkan hasil pembakaran yang optimum, maka kebutuhan udara dapat

dihitung dengan menggunakan hukum kesetimbangan massa, stoikiometri untuk

persamaan pembakaran sempurna, serta kebutuhan udara berlebih diketahui

menurut persamaan

Gt = [974.95 +376,25+15.5] *1/100

Sehingga kebutuhan udara teoritis sebesar :

Gt = 13.67 kg udara/kg bahan bakar

Menentukan excess air dari kandungan oksigen terukur

Dengan k untuk bahan bakar oil=0,94

Menentukan kebutuhan udara aktual atau AFR untuk target kandungan

oksigen 2%

Pada boiler, pembakaran memiliki peranan yang sangat penting. Untuk menjaga agar proses pembakaran tetap berlangsung secara op

- Model Matematis Transmitter AliranBentuk umum model matematis transmitter aliran adalah :

didapatkan fugsi alih sebagai berikut :

- Model Matematik Control valveBentuk umum model matematis pada control valve adalah Bentuk umum model matematis pada control valve adalah

sebagai berikut:

didapatkan fungsi alih control valve sebagai berikut :

Perancangan Fuzzy logic Controller (FLC)

Gambar . Membership function untuk inputGambar . Membership function output Ti,Td

Gambar . Membership function output KpGambar . Rule base fuzzy

ANALISA HASIL SIMULASI

Gambar. Grafik Simulasi open loop keluaran sinyal 4 ampere

UJI OPEN LOOP

CONTROL VALVE

Gambar. Grafik Simulasi open loop keluaran sinyal 20 ampere

Simulasi Open loop control Valve ini

dimaksudkan untuk mengetahui, apakah

model yang telah dibuat dapat bekerja

sesuai, yaitu menutup ketika diberikan

sinyal 4 mA, dan membuka 100% ketika

diberikan sinyal 20mA. Simulasi

dilakukan dengan memberikan masukan

sinyal 4 dan 20 mA.

Uji Respon Sinyal Step

Gambar Grafik respon pada PID konvensionalGambar Grafik respon pada PID redesign

Kp = 0.5

Ti = 2

Td = 1.5 Kp = 0.75

Ti = 1

Td = 1

Gambar Grafik respon pada PID FGS

Uji Load Bahan Bakar

Gambar Grafik respon pada PID Gambar Grafik respon pada PID FGS

Uji Beban kandungan karbon bahan bakar

Gambar Grafik respon pada PID Gambar Grafik respon pada PID FGSGambar Grafik respon pada PID Gambar Grafik respon pada PID FGS

Uji Beban pada Kandungan Karbon Bahan Bakar pada O2 Estimator Model

Gambar. Hasil Proses berupa kandungan O2

pada gas buang setelah mendapat gangguan

konsentrasi karbon naik pada bahan bakarkonsentrasi karbon naik pada bahan bakar

Gambar. Hasil Proses berupa kandungan O2

pada gas buang setelah mendapat gangguan

konsentrasi karbon turun pada bahan bakar

Kesimpulan

- Untuk mengoptimalkan kandungan oksigen gas buang dapat dilakukan dengan menerapkan hukum

kesetimbangan massa (Lavoisier), dengan mempertimbangkan komponen penyusun bahan bakar.

Telah didesain dan disimulasikan sistem AFRC dengan menggunakan Pengendali PID Fuzzy gain scedulling dan

pengendali PID konvensional redesign.

- Secara kualitatif, sistem AFRC dengan menggunakan pengendali PID Fuzzy gain scedulling pada pengujian

sinyal step memiliki Mp sebesar 2.05%, Ts sebesar 28.5 sekon, pada redesign PID memiliki Mp sebesar 7.69%, Ts

sebesar 36.25 sekon. Sedangkan pada PID konvensional memiliki Mp sebesar 14.75%, Ts sebesar 40 sekon. Pada

pengujian perubahan beban bahan bakar pengendali PID Fuzzy gain scedulling pada pengujian sinyal step

memiliki Ts sebesar 20 sekon, pada redesign PID memiliki Mp sebesar 2.24%, Ts sebesar 30 sekon. Pada

pengujian beban perubahan bahan bakar pengendali PID Fuzzy gain scedulling pada pengujian sinyal step pengujian beban perubahan bahan bakar pengendali PID Fuzzy gain scedulling pada pengujian sinyal step

memiliki Mp sebesar 2.47%, Ts sebesar 28 sekon, pada redesign PID memiliki Mp sebesar 8.4%, Ts sebesar

40sekon. sehingga dapat disimpulkan bahwa pengendali PID Fuzzy gain scedulling y untuk respon sistemnya

lebih baik dibandingkan PID konvensional

TERIMA KASIH