Burn Burn Burn !!!: Perancangan dan Implementasi Kontroller PI Menggunakan LabView 8.5 pada Plant Temperature Process Rig 38-002

Perancangan dan Implementasi Kontroller PI Menggunakan LabView 8.5 pada Plant Temperature Process Rig 38-002

I. Kondisi Awal Plant

Sistem pengendali suhu yang digunakan pada tugas akhir praktikum ini adalah Temperature Process Rig 38-002 yang memanfaatkan aliran air bersuhu panas dan normal yang digunakan sebagai pengatur suhu.

Gambar 1. 1 Plant Temperature Prosess Rig 38 – 002

Sistem ini terdapat dua loop sistem yakni loop primer dan loop sekunder yang mana pada kedua loop ini terpasang beberapa sensor suhu. Loop primer berfungsi untuk mengalirkan air panas, sedangkan loop sekunder berfungsi untuk mengalirkan air bersuhu normal. Pada temperature Process Rig 38-002 memiliki beberapa komponen utama.

I. 1 Heat Exchanger

Heat Exchanger merupakan komponen sistem yang berfungsi untuk proses pertukaran suhu antara dua aliran fluida dari loop primer dan sekunder. Pertukaran suhu tersebut dimanfaatkan untuk menghasilkan aliran fluida dengan suhu yang baru. Suhu dari fluida tersebut merupakan variable kontrol dari sistem ini.

I. 2 Thermocouple

Thermocouple merupakan sensor suhu yang berbasis pada dua buah logam yang apabila kedua ujungnya didekatkan oleh panas dengan suhu tertentu, maka akan menghasilkan beda potensial atau tegangan diantara kedua logam tersebut yang sebanding dengan perubahan suhu. keluaran thermocouple terhubung dengan sebuah sinyal kondisi agar keluaran sensor menjadi 4-20mA untuk suhu 0^oC -100^oC. Pada proses pengerjaan proyek akhir praktikum ini sensor suhu yang digunakan adalah thermocouple yang terpasang pada pipa keluaran dari heat exchanger ke pendingin yaitu T4.

Gambar 1. 2 Posisi T4 Pada Plant Temperature Prosess Rig 38 – 002

I. 3 Heater

Heater (pemanas) merupakan komponen pada sistem yang berfungsi sebagai pemanas air pada tangki (lihat gambar 1.1). Air panas ini dialirkan ke loop primer menuju ke heat exchanger. Pada sistem ini, heater diatur untuk memanaskan air pada tangki hingga suhu 60^oC.

I. 4 Servo Valve

Servo valve merupakan komponen dasar yang berfungsi untuk mengatur aliran fluida. Besar aliran fluida berpengaruh terhadap perubahan suhu pada heat exchanger. Servo valve yang digunakan pada sistem ini memiliki masukan sebesar 4-20mA.

Servo valve yang digunakan pada proyek akhir praktikum ini adalah servo valve yang berada pada secondary loop, karena terdapat kerusakan pada servo valve di primary loop yaitu servo valve tidak dapat membuka dan menutup dengan optimal.

I. 5 Pump

Merupakan pompa yang berfungsi memompa air dari heat exchanger ke tangki agar air yang berasal dari heat exchanger dapat dipanaskan oleh heater di tangki.

I. 6 Cooling Radiator

Cooling radiator adalah komponen atau alat yang digunakan untuk mendinginkan lingkungan kerja yang berada disekitarnya. Radiator menyerap panas lingkungan, lalu didinginkan dengan bantuan media plat atau air yang berada didalamnya. Cooling radiator pada sistem ini berfungsi sebagai pendingin fluida yang keluar dari heat exchanger, agar fluida yang masuk ke mesin pompa air tetap dalam keadaan dingin.

I. 7 Mesin Pompa Air

Mesin pompa air adalah alat yang digunakan untuk memompa air dari bawah agar dapat naik ketempat yang lebih tinggi.

Kondisi awal, mesin pompa air belum dapat bekerja dengan baik. Kipas pada mesin tidak dapat berputar sehingga air tidak dapat naik ke plant Temperature Process Rig 38-002, setelah dilakukan perbaikan mesin pompa air dapat memompa air sehingga proses pertukaran fluida di heat exchanger dapat terjadi.

Gambar 1. 3 Gambar Flow Control Pada Temperature Prosess Rig 002

Temperature Prosess Rig terdiri dari dua aliran, yaitu aliran primer dan aliran sekunder. Seperti terlihat pada gambar 3.1, aliran primer digambarkan oleh garis penuh dan aliran sekunder digambarkan oleh garis putus-putus.

Aliran primer berawal dari air yang berada di tangki, kemudian dipanaskan oleh heater. Aliran air yang menuju heat exchanger akan diatur oleh servo valve sesuai dengan nilai set point, bila set point bernilai tinggi maka servo valve akan membuka perlahan bila set point bernilai rendah maka servo valve akan menutup perlahan.

Aliran sekunder bermula dari bak penampungan air yang dipompa dengan mesin pompa air menuju heat exchanger yang kemudian didinginkan menggunakan cooling radiator dan kembali lagi menuju bak penampungan dalam keadaan dingin.

I. 8 Flow Sensor

Flow sensor adalah sensor yang berfungsi untuk mengukur kecepatan aliran fluida (dalam hal ini adalah air). Pada plant temperature proses rig 38-002 terdapat dua buah flow sensor yaitu satu ada di loop primer dan satu lagi ada di loop sekunder. Pada tugas akhir ini hasil pengukuran dari flow meter pada loop sekunder hanya di monitoring saja, hasil pengukurannya tidak digunakan untuk menentukan besar kecilnya bukaan valve.

II. Proses Pengerjaan

II. 1 Identifikasi Plant

Pada plant temperature ini terdapat lima buah sensor suhu, tapi pada tugas akhir ini hanya satu sensor yang akan di gunakan untuk mengontrol suhu pada sistem yaitu sensor T4, sensor ini terletak pada loop sekunder yaitu berada diantara output heat exchanger dan input radiator. Pada plant ini ada dua buah servo valve yang berfungsi sebagai aktuator, pada tugas akhir ini hanya di gunakan satu servo valve yang terletak pada loop sekunder yang mana berfungsi untuk mengatur input aliran air bersuhu normal dari bak penampung ke plant temperature. Pada proses identifikasi ini plant di berikan input set point berupa tegangan pada servo valve yaitu sebesar 3,75 Volt. Berikut adalah grafik hasil identifaksi sistem menggunakan sensor suhu T4 :

Gambar 2. 1 Grafik Hasil Identifikasi

Dari data yang di peroleh maka bisa di tentukan persamaan plant, dengan perhitungan sebagai berikut :

Gambar 2. 2 Grafik Respon Sistem Plant Temperature

Dari grafik diatas di ketahui bahwa Yss = 2.2 dan Xss = 3.75 maka dari data tersebut bisa di cari nilai K dan τ.

τ = 63.2% Yss = 0.632 x (2.2 – 1.8) = 0.2528

τ = 1.8 + 0.2528 = 2.0528

Dari perhitungan diperoleh τ = 2.0528 sedangkan pada data percobaan di ketahui bahwa ketika τ = 2.0528 maka waktunya adalah 1496, karena waktu sampling yang di gunakan ketika mengambil data dari plant adalah 100ms maka waktunya adalah 1496 x 100ms = 149.6 sekon.

Gambar 2. 3 Data Hasil Identifikasi

Dari data perhitungan yang di peroleh maka dapat di buat blok diagram simulasi menggunakan software matlab pada simulink, berikut adalah gambar blok diagram pada simulink :

Gambar 2. 4 Diagram Blok Hasil Data Perhitungan

Setelah dilakukan tuning nilai K dan τ maka di peroleh blok diagram yang baru yaitu :

Gambar 2. 5 Diagram Blok Hasil Tuning

Data hasil simulasi blok diagram diatas akan di bandingkan dengan data hasil identifikasi, berikut adalah grafik hasil perbandingannya:

Gambar 2. 6 Grafik Hasil Identifikasi dan Data Perhitungan

maka dari hasil perbandingan grafik di atas di peroleh persamaan matematika sebagai berikut :

II. 2 Perancangan Kontroler

Setelah model matematis dari plant diketahui, langkah selanjutnya adalah merancang suatu kontroler agar dihasilkan spesifikasi respon sistem sebagai berikut:

1. Memiliki respon orde satu (tanpa overshoot).

2. Error steady state adalah nol.

3. Karena respon waktu dari plant ini sangat lama maka time constant τ^* nilainya dibuat sama dengan dengan nilai τ.

Kontroler yang sesuai untuk spesifikasi diatas adalah kontroler PI karena kontroler ini dapat mempercepat atau memperlambat respon dan menghilangkan error steady state.

Dengan formula tuning analitis, parameter dari Kp dan τi dapat dihitung seperti dibawah ini.

K = 0.1 (gain error)

τ = 100.6 (time constant)

τ*= τ = 100.6

Pada perancangan kontroller PI di ambil τi = τ = 100.6, maka Persamaan matematik dari kontroller PI adalah :

Untuk mempermudah pembuatan diagram blok simulasi pada simulink maka dilakukan perhitungan sebagai berikut :

Berikut adalah gambar simulasi blok diagram pada simulink berdasarkan rumus

matematik kontroller PI yang telah di buat :

Gambar 2. 7 Blok Diagram Kontroler PI

Setelah di jalankan dengan input step yang memiliki parameter step time = 100,

initial value = 1.25 dan final value = 3.75 maka di dapat grafik sebagai berikut :

Gambar 2. 8 Grafik Respon Kontroler PI

III. Cara Kerja Alat

Pada proyek akhir praktikum yang menggunakan plant Temperature Prosess Rig 002, aliran yang digunakan adalah aliran sekunder. Seperti yang telah dibahas pada point I.3 bahwa dikarenakan adanya kerusakan servo valve pada aliran primer, yaitu servo valve tidak dapat membuka penuh saat plant diberi set point rendah sehingga air yang terukur pada thermocouple tetap bersuhu tinggi dan sulit untuk mencapai set point.

Pada plant ini, nilai set point tidak dapat di bawah 30^oC dan tidak dapat lebih dari 60^oC. Nilai set point diberikan melalui software LabView 8.5, besarnya nilai set point dapat dilakukan dengan cara memutar knob yang bertuliskan set point atau dengan cara menuliskan angka pada kotak yang berada di bawah knob. Setelah itu, tentukan dimana file hasil grafik akan disimpan dengan cara menekan gambar . Pada output range, masukkan angka 5 pada output high dan angka 0 pada output low. Untuk nilai PID gains, Kp diatur pada nilai 0.1, Ti diatur pada nilai 100.6 kemudian program dijalankan, hasil tegangan dan temperatur dari sistem akan ditunjukkan berupa grafik.

Gambar 3.1 Tampilan Pada LabView 8.5

Pada sistem, mula-mula air dari bak penampungan akan dipompa menggunakan mesin pompa air menuju heat exchanger. Besarnya aliran air yang menuju heat exchanger akan diatur oleh servo valve, bila sistem diberi set point rendah maka servo valve akan membuka perlahan begitu pula saat sistem diberi set point tinggi maka servo valve akan menutup perlahan. Pertukaran antara dua air ( panas dan dingin ) akan terjadi di heat exchanger, dan suhu air yang keluar dari heat exchanger akan diukur oleh T4. Bila suhu yang terukur pada T4 belum sesuai dengan nilai set point maka servo valve akan membuka atau menutup secara perlahan hingga mencapai nilai set point. Air yang keluar dari heat exchanger menuju bak penampungan akan didinginkan oleh cooling radiator. Namun, karena cooling radiator kurang berfungsi dengan baik maka air yang kembali ke bak penampungan tidak dingin ( hangat ).

IV. Hasil Akhir

Gambar 4.1 menunjukkan respon temperatur proses plant. Masukan pertama yang diberikan adalah sebesar 40⁰C. Pada setpoint tersebut respon hasil kontroler mengikuti setpoint yang diinginkan, setelah mencapai temperatur 40⁰C, kemudian setpoint diturunkan ke nilai 35⁰C, ternyata respon tidak mengikuti setpoint, padahal servo valve sudah buka penuh sebesar 100%. Hal ini disebabkan beberapa faktor, salah satu diantaranya karena air yang kembali ke bak penampungan tidak dalam keadaan dingin ( hangat ). Sehingga, walaupun servo valve sudah membuka penuh, air yang masuk ke heat exchanger yang kemudian bercampur dengan air panas dari heater akan menghasilkan suhu yang lebih panas dari suhu sebelumnya, sehingga suhu tidak turun bahkan cenderung naik.

Gambar 4.1. Grafik implementasi kontroler PI pada Temperatur Proses Plant Rig 38-002

Setelah setpoint dinaikkan kembali ke nilai 50⁰C ternyata respon mengikuti dan terus naik menuju ke nilai yang diinginkan. Namun setelah beberapa menit,kemudian ternyata respon mencapai titik dimana respon tidak dapat naik lagi yaitu saat mencapai nilai 47^oC, titik itulah yang dinamakan titik saturasi.

Beberapa saat kemudian nilai set point kembali diturunkan dari 50⁰C ke 42⁰C dan respon kembali turun. Waktu yang dibutuhkan respon sangat lama. Dari grafik dapat dilihat bahwa untuk turun dari temperatur dari 50⁰C ke 42⁰C dibutuhkan waktu ±500s. Karena batas suhu dari tangki heater hanya dapat memanaskan air hingga 60^oC, sehingga dari hasil implementasi digunakan nilai batas untuk set point plant temperatur proses adalah 30^oC - 47^oC.

V. Lampiran

V. 1 Blog Diagram Labview