SIMULASI MINI-PLANT PROSES DENGAN PENDEKATAN SISTEM DINAMIK MENGGUNAKAN POWERSIM

TUGAS KHUSUS TF-4102

Oleh Andrew Latana Febria Muastrha Hamdi W R 13302071 13303029 13304041

Pembimbing: Ir. Wisnu Hendrajit M.Sc.

PROGRAM STUDI TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

Di dunia ini, tidak ada apapun yang seperti ilmu. Seorang yang berilmu akan dihargai kemanapun ia pergi. Satu-satunya yang Aku inginkan adalah ilmu. Ilmu, seperti yang mereka katakan, tidak mengenal kasta atau keturunan. Kehausan akan pengetahuan telah membakarku. Aku akan pergi dan mencari pengetahuan. Aku akan pergi sekarang

Radheya Sutaputra Mahabharata

Untuk cinta yang tak pernah kucapai

ABSTRAK

Pengontrolan ketinggian fluida pada suatu plant merupakan faktor yang penting dalam dunia industri dan instrumentasi. Untuk mendukung kegiatan tersebut diperlukan suatu metoda pemodelan yang cepat, praktis, dan tidak mahal. Model yang mampu memprediksikan perilaku dari suatu sistem dinamik sangatlah penting. Hal tersebut bisa membantu banyak kegiatan dalam menentukan keputusan pada desain sistem yang nyata. Simulasi virtual menggunakan Powersim mampu mengenali karakteristik sistem dinamik pada suatu plant fluida dan menyederhanakannya sesuai kebutuhan.

Pengidentifikasian dinamika sistem pada Mini-plant proses banyak menggunakan asumsi umum berupa penurunan sifat dari persamaan neraca masa dan mekanika fluida. Fungsi keadaan tersebut akan memberikan karakteristik berupa Ordinary Differensial Equation (ODE) sebagai fungsi domain waktu. Keterlibatan persamaan-persamaan itu akan menjadi pengontrol yang dapat digunakan untuk mengatur ketinggian level, input dan output valve pada plant yang dimaksud.

Kata Kunci Sistem dinamik, Simulasi, kontrol, Powersim.

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan YME atas segala kemudahan yang diberikan-Nya kepada penulis dalam menyelesaikan laporan Tugas Khusus ini. Dalam tugas khusus ini dilakukan pemodelan sistem dinamik pada Mini-Plant Proses INDI dengan menggunakan piranti lunak Powersim Studio 2005. Dengan adanya buku laporan ini, diharapkan akan menambah wawasan segenap akademisi, khususnya, mahasiswa Teknik Fisika ITB.

Pada kesempatan ini kami ingin mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah banyak membantu kami baik selama mengerjakan dan menyelesaian Tugas Khusus maupun pada saat penulisan laporan dan pengumpulannya, yaitu:

Bapak Ir. Wisnu Hendrajit M.Sc. dan Dr. Ing. Ir. Parsaulian Siregar yang selalu membimbing Tugas Khusus kami Ibu Dr.Ir. Endang Juliastuti selaku penanggung jawab mata kuliah Tugas Khusus Seluruh staf CITA ITB dan Tata Usaha Departemen Teknik Fisika ITB atas kerjasamanya Kawan Agus yang telah berhasil memecahkan persamaan ODE pada Mini-Plant Proses Kawan Fuad, Asep, dan penghuni Lab. INDI yang telah banyak memberikan keterangan fisis tentang Mini-Plant Proses Kawan-kawan diskusi di http://kotak.tf.itb.ac.id

Semoga kasih dan cinta selalu menemani mereka yang senantiasa memberi kepada orang lain.

Bandung, Desember 2007

Penulis

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang

Metode sistem dinamik dikembangkan oleh J. W. Forrester dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) sejak tahun 1950-an sebagai alat untuk meneliti suatu permasalahan yang rumit (Angerhofer and Angelides, 2000, 342). Sesuai dengan namanya, metode ini berhubungan erat dengan pertanyaan tentang tendensi-tendensi dinamik suatu sistem yang kompleks, yaitu pola-pola tingkah laku yang dibangkitkan oleh suatu sistem dengan bertambahnya waktu. Penggunaan metodologi sistem dinamik lebih ditekankan kepada tujuan-tujuan peningkatan pemahaman mengenai bagaimana perilaku muncul dari struktur kebijakan dalam suatu sistem.

Asumsi utama dalam paradigma sistem dinamik adalah bahwa struktur fenomena proses pembuatan keputusan merupakan suatu kumpulan (assembly) struktur-struktur kausal yang melingkar dan tertutup. Unsur sebab mau pun akibat atau salah satu diantaranya harus merujuk keadaan yang terukur secara kualitatif atau kuantitatif. Keadaan yang diinginkan dan keadaan yang sebenarnya terjadi harus dibedakan di dalam model tetapi mampu bertahan dalam simulasi kondisi ekstrim. Akhirnya, parameter terukur yang ada harus mampu diperlihatkan oleh model dari berbagai jenis skenario kebijakan yang dibuat sehingga model yang diidentifikasi dapat dinyatakan cukup terpercaya (Sterman, 2000, 37).

Powersim adalah software simulasi untuk sistem dinamik dengan menggunakan metodologi pemodelan berbasis komputer (Powersim, 2005). Berbagai model sistem dari semua disiplin ilmu, termasuk biologi, fisika, dan ekonomi dapat disusun dan disimulasikan dengan Powersim. Simbol yang dipakai untuk mewakili parameter terukur Level, Reservoir, Auxiliary, dan Constant serta penghubung Flow Rate dan Link dapat dikaitkan satu sama lain untuk menjalin sebuah sistem yang terpadu. Hubungan sebab akibat, umpan balik (feedback), pengulangan (loop), dan penundaan

(delay) dapat diolah dan ditampilkan dalam bentuk yang mudah untuk dimengerti (Schecker, 1994, 2).

Studi sistem dinamik akan menghasilkan diagram kausalitas berulang (causal-loop) untuk pemetaan proses umpan balik dan penggambaran perilaku umum dari suatu sistem. Perilaku yang dihasilkan dari struktur tiruan tersebut akan ditampilkan oleh model sehingga asumsi-asumsi dan gagasan-gagasan yang ada dapat lebih mudah disimulasikan terhadap pertambahan waktu. Metoda pemodelan memang tidak bisa dipakai untuk menggantikan gagasan-gagasan kritis, tetapi dapat digunakan sebagai alat untuk meningkatkan kualitas intuisi dan pengambilan keputusan sehingga tercipta sistem yang sangat handal (Sterman, 2000, 39).

1.2

Rumusan Masalah

Ordinary Differential Equation (ODE) dapat digunakan untuk menggambarkan perilaku dari sistem mekanika fluida yang ditinjau dari satu dimensi saja misalnya ketinggian fluida sebagai fungsi dari waktu. Prinsip-prinsip dasar yang paling berguna adalah persamaan-persamaan neraca massa atau persamaan kontinuitas. Persamaan-persamaan diatas menggunakan variabel debit sebagai bentuk integral kecepatan aliran terhadap luas bidang (penampang) alir dan variabel gaya sebagai integral kerapatan terhadap volume (Kreyszig, 1999, 812). Perubahan ketinggian zat alir pada suatu tangki penyimpanan adalah akibat dari proses input-output yang nilainya berbeda dan berubah-ubah. Gaya yang bekerja pada sistem bergantung pada luas dasar tangki, tinggi, dan massa jenis zat cair didalamnya.

1.3

Batasan Masalah

Mini-Plant Proses yang akan dimodelkan adalah sebuah simulator terintegrasi dengan dua buah tangki reservoir (sumber) fluida dan dua buah tangki proses yang dihubungkan dengan pipa berdiameter 1 inchi. Kontrol loop sistem Mini-Plant adalah kontrol level, yaitu pengontrolan level ketinggian pada tangki proses. Laju aliran masuk (in flow) atau aliran keluaran (out flow) akan diatur melalui control valve LCV sehingga level ketinggian pada tangki proses dapat dijaga pada harga yang diinginkan.

1.4

Tujuan Penelitian

Ada pun tujuan penelitian tugas khusus ini adalah sebagai berikut: 1. 2. Mempelajari dan menguasai karakteristik dari sistem dinamik Mempelajari dan menguasai software Powersim untuk melakukan pemodelan sistem 3. Mengidentifikasi, menyelidiki, dan memodelkan dinamika level tangki zat alir menggunakan Powersim 4. Menganalisis dan menyimpulkan hasil pemodelan sistem level tangki zat alir yang telah dibangun

1.5

Metodologi Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini yaitu studi pustaka (semua bahan diperoleh dari buku-buku dan/atau jurnal), studi lapangan (data diambil langsung di lokasi penelitian di Laboratorium Instrumentasi Industri), dan gabungan (menggunakan gabungan kedua metode sebelumnya): 1. Studi literatur dan pustaka. Pada tahap ini dilakukan pengumpulan dan pembelajaran referensi mengenai teori-teori sistem dinamik, kontrol otomatik dan aplikasinya pada Mini-Plant Proses, fenomena transpor fluida, dan sotfware Powersim. 2. Pembuatan model level tangki sederhana menggunakan Powersim. Pada tahapan ini diturunkan persamaan-persamaan yang terkait dalam sistem tangki level zat alir yang sederhana. Fungsi-fungsi penting yang muncul dalam penurunan persamaan ini diidentifisikasikan dan diseleksi diantara properties yang akan dikontrol, yang mempengaruhi sistem, yang akan diasumsikan ideal dan konstan. Semua properties yang telah didefinisikan kemudian diinisialisasikan dalam program yang nantinya akan menjadi parameter-parameter berpengaruh dalam menentukan kualitas model pada Mini-Plant Proses. 3. Pengujian model Powersim yang telah dibangun. Pengujian dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui kehandalan program yang telah dikembangkan. Penyederhanaan persamaan matematika yang dipakai menyebabkan keterbatasan

untuk menentukan tingkat kualitas program sehingga perlu dilakukan beberapa jenis simulasi guna pengujian lebih lanjut. 4. Analisis validasi dan kehandalan model. Pada tahap ini akan dicoba beberapa skenario guna menganalisis kehandalan dan tingkat kepercayaan model pada Powersim.

1.6

Sistematika Penulisan

Tugas Khusus ini terdiri atas lima bab yang masing-masing berisi: 1. Bab 1 Pendahuluan, berisi uraian mengenai latar belakang topik Tugas Khusus, rumusan dan batasan masalah, tujuan, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan. 2. Bab 2 Landasan Teori, berisi tinjauan pustaka mengenai mekanika fluida, serta uraian singkat mengenai Mini-Plant Proses. 3. Bab 3 Perancangan dan Pembuatan simulasi model sistem terbuka dan sistem tertutup, berisi penjelasan mengenai rancangan sistem dan pembuatan virtual Mini-Plant Proses pada Powersim. 4. Bab 4 Analisis Data dan Pembahasan, berisi pembahasan dari pemodelan yang telah dilakukan, serta analisis terhadap hasil yang diperoleh. 5. Bab 5 Penutup, berisi kesimpulan dan saran mengenai Tugas Khusus ini.

BAB 2 LANDASAN TEORI

2.1 2.1.1

Mini-Plant Proses Model Dinamika Plant

Objek plant yang akan digunakan dalam perancangan ini adalah Mini-Plant yang terdapat di Laboratorium Sistem Instrumentasi Industri TF-ITB (INDI). Sistem Mini-Plant ini merupakan sebuah simulator terintegrasi dengan dua buah tangki. PFD (Process Flow Diagram) Mini-Plant Proses menunjukkan bahwa loop control yang ada pada sistem tersebut adalah kontrol level, yaitu pengontrolan level pada tangki proses 2 sehingga ada dua buah loop di Mini-Plant Proses.

Gambar 2.1 PFD Mini-Plant Proses

Parameter input dan output proses digolongkan dalam empat katagori yang berbeda. Pengolongan ini berdasarkan penggunaannya dalam pengontrolan proses: 1. Manipulated (MV) adalah input proses yang diatur untuk menjaga output proses tetap pada setpoint 2. 3. Controller (CV) adalah output proses yang ingin dijaga pada harga setpoint Disturbance (DV) adalah input proses yang memberi efek terhadap proses dan output variabel tertentu

4.

Constraint (AV) adalah output proses yang harus dijaga dalam suatu definisi batas jangkauan operasi yang berlawanan dengan setpoint

2.1.2

Perlengkapan dan Instrumentasi Plant

Ada beberapa instrumen dan perlengkapan yang digunakan oleh Mini-Plant Proses untuk melakukan pengontrolan level ketinggian fluida.

Gambar 2.2 Level control plant di Lab. INDI TF-ITB

1.

Transmitter Ada dua buah level transmitter yang digunakan, yaitu LT 1 yang dipasang di tangki proses 1 dan LT 2 yang dipasang pada tangki proses 2. Kedua transmitter tersebut bertipe differential pressure yang memanfaatkan perbedaan tekanan di dua titik untuk mengukur level cairan dalam suatu tangki. Tegangan sumber pada level transmitter adalah sebesar 24 V DC. Rentang (range) pengukuran kedua transmitter tersebut diatur pada harga 0 1000 mm H2O dan output-nya berupa arus sebesar 4 20 mA.

2.

Control Valve Ada dua buah control valve yang digunakan, yaitu LCV 1 dan LCV 2. Kedua control valve tersebut mempunyai body size sebesar 1 inchi (25.4 mm) dan juga dilengkapi dengan valve positioner. LCV 1 berada dalam kondisi normally close

dan LCV 2 berada dalam kondisi normally open. Masukan (Input) untuk kedua valve adalah udara bertekanan 3 15 psi (1 psi = 6,894.757 N m-2). 3. I/P Converter Fungsi I/P converter ini adalah untuk mengubah besaran arus menjadi besaran tekanan. I/P ini dibutuhkan karena untuk suatu loop kontrol biasanya keluaran dari pengontrol adalah arus (4 20 mA) atau juga bisa tegangan, sedangkan control valve sebagai final control element membutuhkan input tekanan udara. I/P converter 1 terpasang pada LCV 1, dan membutuhkan supply tekanan sebesar 20 psi. Arus input sebesar 4 20 mA akan diubah menjadi tekanan output sebesar 3 15 psi. Sedangkan I/P converter 2 terpasang pada LCV dan membutuhkan supply tekanan sebesar 1.4 kg cm-2. I/P converter 2 memiliki input arus sebesar 4 20 mA dan output-nya adalah tekanan sebesar 0.4 1.0 kg cm-2 (3 15 psi). 4. Pompa Air (water pump) Pompa air yang digunakan mempunyai kapasitas (debit) maksimal sebesar 23 liter/menit. Suction pipe berukuran inchi dan discharge pipe besarnya 1 inchi. 5. Compressor Compressor ini berfungsi untuk men-supply tekanan udara ke I/P converter dan valve positioner. Compressor ini dijalankan dengan inductive motor yang mendapatkan tegangan sebesar 127 V AC pada frekuensi 50 Hz. 6. Signal Conditioner dan Power Supply Signal conditioner ini berfungsi untuk mengubah besaran arus menjadi tegangan atau sebaliknya, dari tegangan menjadi arus. Sedangkan power supply berfungsi menyediakan tegangan sebesar 24 V DC untuk dua buah level transmitter.

2.2 2.2.1

Asumsi Pemodelan Simulasi Mini-Plant Proses

Dalam simulasi digunakan beberapa asumsi terhadap keadaan Mini-Plant Proses: 1. Tangki berbentuk silinder dengan alas berbentuk lingkaran, diameter alas 40 cm dan tinggi tangki 100 cm 2. Percepatan gravitasi 9.8 m s-2

3.

Aliran yang dikontrol adalah aliran input dan output dengan memakai control valve yang dapat diatur bukaannya antara 0 sampai 100%. Serta ketinggian level fluida pada interval 0