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