Penerapan Pengendalian Level Liquid Pada Knock Out Flare Stack B-501 Di Pertamina Hulu Energi NSB
Rusli 1 , Aidi Finawan 2 , Riska Yunda 3
1,2,3 Prodi Teknologi Rekayasa Instrumentasi dan Kontrol
1 rusli@pnl.ac.id( (coresspondace email)
2 aidifinawan@gmail.com
3 riskayunda098@gmail.com
Abstrak-  PT  Pertamina  Hulu  Energi  NSB  dalam  kegiatan  produksinya  banyak  menggunakan  peralatan-peralatan instrument  dan  lain-lain.  Peralatan  tersebut  memegang  peranan  yang  sangat  penting  guna  untuk  mendukung  proses pengendalian. Salah satu pengendalian yang dilakukan pada PT PHE NSB adalah pengendalian level liquid pada knock out drum flare stack area. Knock out drum flare stack merupakan tangki yang menggunakan prinsip kerja gaya gravitasi. Ketinggian  level yang  ada  pada  tangki  tersebut  harus  dijaga  kestabilannya  sesuai  dengan  setpoint  yaitu  25%.  Apabila liquid yang ada pada tangki melebihi dari nilai setpoint yang telah ditentukan, maka akan terjadi penguapan liquid yang menyebabkan kerusakan pada peralatan instrument lainnya. Untuk mengatasi masalah tersebut, dilakukan pemodelan matematis pada plant untuk mendapatkan fungsi alih menggunakan pengendali P, PI, PID dan dengan metode Ziegler- Nichols, Shinskey, Tyreus-Luyben. Hasil pengujian dari beberapa pengendali dan metode yang cocok digunakan untuk mengendalikan level pada knock out drum yaitu pengendali PI menggunakan metode Tyreus-Luyben dengan nilai Kp = 63,33  dan  Ki  =  11,52.  Setting  time  (t s )  yang  dibutuhkan  untuk  mencapai  nilai  setpoint  yaitu  selama  2  menit  dan  tidak adanya overshoot maksimum.
Kata kunci : Pertamina Hulu Energi NSB, Knock Out Drum, Level, Ziegler-Nichols, Shinskey, Tyreus-Luyben. .
Abstract- PT Pertamina Hulu Energi NSB in its production activities uses a lot of instruments and other equipment. The equipment plays a very important role to support the control process. One of the controls carried out at PT PHE NSB is controlling the liquid level on the knock-out drum flare stack area. A Knock-out drum flare stack is a tank that uses the working principle of gravity. The height of the level in the tank must be kept stable by the setpoint of 25%. If the liquid in  the  tank  exceeds  the  specified  setpoint  value,  there  will  be  liquid  evaporation  which  causes  damage  to  other instrument  equipment.  To  overcome  this  problem,  mathematical  modeling  was  carried  out  on  the  plant  to  obtain  the transfer function using P, PI, PID controllers, and the Ziegler-Nichols, Shinskey, and Tyreus-Luyben methods. The test results from several controllers and methods that are suitable for controlling the level on the knock-out drum are the PI controller using the Tyreus-Luyben method with Kp = 63.33 and Ki = 11.52. The setting time (ts) required to reach the setpoint value is 2 minutes and there is no maximum overshoot.
Keyword : Pertamina Hulu Energi NSB, Knock Out Drum, Level, Ziegler-Nichols, Shinskey, Tyreus-Luyben.

## I. P ENDAHULUAN
PT Pertamina Hulu Energi
NSB dalam kegiatanproduksinya  banyak menggunakan  banyak  peralatan- peralatan  instrument  dan  lain-lain.  Peralatan  tersebut memegang  peranan  yang  sangat  penting  guna  untuk mendukung  pengoperasiannya.  Peralatan  instrumentasi  antara lain berfungsi sebagai alat pengukur dan pengendali. Adapun variabel proses yang diukur dalam dunia minyak dan gas yaitu tekanan, level , aliran dan suhu. Salah satu pengendalian yang dilakukan pada PT PHE NSB adalah pengendalian level liquid pada flare  stack  area. Pengendalian level  liquid pada flare stack sangat  berpengaruh  dalam  keberlangsungan  proses produksi  pada  PT  Pertamina  Hulu  Energi  NSB.  Hal  ini dikarenakan liquid yang  berada  pada knock  out  drum tidak sempat penuh sehingga tidak merusak alat-alat lainnya karena pengaruh liquid. Pada pengendalian level liquid ini knock out drum  digunakan  sebagai  pemisah  liquid  dan  gas.  Dimana, cairan berat berjatuhan kebawah sedangkan fasa uap melewati atasnya untuk proses selanjutnya yang akan dioperasikan dari flare  stack.  Flare  stack  adalah  menara  atau  cerobong  terakhir dari  suatu  proses  pengolahan  minyak  dan  gas  pada  sektor upstream,  dimana  semua  gas  yang  telah  dipisahkan  dari
minyak  akan  dialirkan  ke  flare  stack  tersebut  untuk  dibakar. Level  liquid  didalam  knock  out  drum  B-501  harus dipertahankan  ketinggian  liquid  level  nya,  karena  akan berdampak  buruk  apabila  level  pada  knock  out  drum  tidak terjaga  dengan  baik.  Salah  satu  dampak  yang  akan  terjadi apabila  liquid  nya  meluap  yaitu  terjadinya  pencemaran lingkungan.
Pada  penelitian  ini,  penulis  berupaya  untuk  membuat simulasi  suatu  sistem  pengendalian  level  liquid  pada  knock out  drum  B-501  untuk  mempermudah  proses  produksi  pada setiap  industri  minyak  dan  gas.  Seiring  berkembangnya teknologi  di  Indonesia,  sangat  memungkinkan  jika  sistem pengendalian  level  liquid  pada  knock  out  drum  di  setiap industri  menganut  sistem  otomasi  yang  menggunakan software DCS (Distribution Control System).

## II. M ETODOLOGI P ENELITIAN

## A. Distributed Control System (DCS)
DCS  (Distributed  Control  System)  merupakan  suatu pengembangan  sistem  kontrol  dengan  mengunakan  komputer dan alat elektronik lainnya agar didapat suatu pengontrol loop sistem  lebih  terpadu  dan  dapat  dilakukan  oleh  semua  orang dengan cepat dan mudah[1].
DCS  adalah  sebuah  sistem  kontrol  yang  biasanya digunakan  pada  sistem  manufacture  atau  proses,  dimana elemen  controller  tidak  terpusat  pada  central  system  (sistem pusat), tetapi tersebar di sistem dengan komponen sub sistem di  bawah  kendali  satu  atau  lebih  perangkat  kontrol[2].  DCS digunakan untuk mengendalikan berbagai variabel proses dan unit operasi proses menjadi suatu pengendalian yang terpusat pada suatu control room dengan berbagai fungsi pengendalian, monitoring dan optimasi[5].

## Gambar 2.1 Dasar Perangkat Penyusun DCS[2]

## B. FCS (Field Control Station)
FCS merupakan otak utama dari sistem DCS, pada unit ini terjadi  proses  pengumpulan,  penyimpanan,  pengolahan  dan pengiriman  data  pada  V  net/IP.  Tiap  vendor  DCS  memiliki modul  yang  berbeda-beda,  pada  vendor  YOKOGAWA  FCS secara  dasar  tersusun  atas  CPU  (Central  Processor  Unit), power  supply  (power  supply  dan  battery),  perangkat komunikasi  (bus  coupler  dan  Vnet/IP)  dan  modul  I/O[6]. Detail  Single  FCS  (Field  Control  System)  dapat  dilihat  pada Gambar 2.3..

## Gambar 2.3 Detail Single FCS[3]
C. Control Valve Control valve adalah  suatu  alat  yang  digunakan  untuk mengendalikan  aliran,  tekanan,  suhu  dan level cairan  dengan cara  mengubah  pembukaan  atau  penutupan  dari  katup  sesuai dengan  set  point  yang  ditentukan.  Pada  suatu loop proses hanya  ada  resistansi variable yang  dikontrol,  sedangkan resistansi  berubah-ubah  karena  perubahan  aliran  pada  sistem atau  karena  lapisan  pipa  dan  permukaan  dinding  peralatan. Variasi resistansi ini tidak diinginkan dan harus dikompensasi dengan menggunakan control valve [4] .
Gambar 2.2 Globe Valve[4]
III. PERANCANGAN SISTEM
A. Diagram Blok Pengendalian Otomatis
Diagram  blok  untuk  pengendalian  otomatis  ditunjukkan pada gambar 2. 4.
Gambar 2.4 Diagram Blok Pengendalian Otomatis

## B. Pemodelan Matematis Sistem
Pengendalian  level  liquid  pada  knock  out  drum  B-501 harus  dijaga  kestabilannya  sesuai  dengan  nilai  yang  telah ditentukan.  Untuk  memodelkan  knock  out  drum  digunakan Hukum keseimbangan massa. Hukum ini menyatakan bahwa. “jumlah massa yang masuk kedalam sistem sebanding dengan jumlah  massa  yang  keluar  dari  sistem  serta  massa  yang terakumulasi dalam sistem itu sendiri”. Masukan untuk knock out drum adalah aliran liquid dan keluaran dari proses adalah aliran liquid bertekanan rendah.
Karena  laju  perubahan  massa  dalam  tangki  dibagi  menjadi  2 fase yaitu liquid dan vapor, maka persamaannya menjadi:
+ = m l - m v ................................................(1)
Keterangan:
= Laju perubahan massa liquid = Laju perubahan massa vapor m l = Laju massa liquid masuk m v = Laju massa vapor keluar = Massa jenis liquid = Massa jenis vapor Pada pearancangan
Software , simulasi ini menggunakan  program  DCS  CENTUM  CS  3000  yang memang dikhususkan untuk mengendalikan sistem pengendalian  level  pada  knock  out  drum  secara real  time . Pada software DCS  ini  prinsip  kerjanya  adalah  adanya pengaturan  variable  ,  tipe  data,  kontrol  program,  fungsi instumen  dan  beberapa  fungsi  logika  kontrol.  Untuk mensimulasikan  sistem  pengendalian  level  pada  knock  out drum  cukup  menekan  tombol running  FCS pada  taskbar software  centum.  Adapun  tampilan  pengendalian  level  pada
knock  out  drum yang  telah  dirancang  dapat  dilihat  pada gambar2. 5.
Gambar 2. 5 Tampilan Pengendalian Level Pada Knock Out
Drum yang telah dirancang

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Dalam  pembuatan  proyek  akhir  ini,  penulis  melakukan pengujian  dan  analisa  sistem  yang  telah  dirancang  dengan menggunakan software CENTUM  CS  3000.  Pengujian dilakukan untuk mengetahui apakah sistem hasil perancangan dapat  berfungsi  dengan  baik  dan  sesuai  dengan  spesifikasi plant  yang  akan  direncanakan.  Pengujian  dilakukan  dengan cara  memberikan  perubahan  pada  masukan  SV  ( Setpoint value )  dan  mengamati  respon  sistem  yang  muncul.  Dari  data yang  diperoleh  nantinya  akan  dianalisis  untuk  dijadikan contoh dalam proses pengambilan kesimpulan.

## A. Pengujian Sistem Pada Software
Pengujian  sistem  pada software merupakan  proses penyajian  data  yang  akan  terjadi  pada  saat  sistem  merespon perubahan  SV ( Setpoint  value )  dan  MV  ( Manipulated  Value ) pada saat diberikan manipulasi data yang berbeda. Serta dapat mengontrol perubahan pada sistem dengan mudah dan secara realtime, sehingga  mempermudah  operator  lapangan  dalam menganalisa dan mengontrol level pada knock out drum yang akan dihasilkan.

## B. Pengujian PID Pada Pengendalian Level
Diagram  blok  untuk  pengendalian  otomatis  ditunjukkan pada gambar 3.1.

## Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Pengendalian Level

## C. Pengujian Sistem Menggunakan Parameter Kendali P

## 1) Tuning Pengendali P Ziegler-Nichols
Pengujian  parameter  pengendali  bertujuan  untuk  melihat tanggapan  respon  system.  Ketepatan  parameter  kendali
merupakan  suatu  hal  yang  sangat  berguna  pada  sistem,  baik dalam  kecepatan  respon  sistem,  mengurangi  error  sistem, maupun  kecepatan  dalam  hal  menangani  error.  Sebelum dilakukan  simulasi  terlebih  dahulu  dilakukan  tuning  PID dengan memberikan nilai P = 104,5425.
Gambar 3.2 Respon LIC 41603 menggunakan parameter pengendali P dengan metode Ziegler-Nichols

## 2) Tuning Pengendali P Shinskey
Sebelum  dilakukannya  simulasi  terlebih  dahulu  dilakukan tuning PID dengan memberikan nilai P = 104,5425. Sehingga diperoleh respon sistem seperti pada Gambar 3.3
Gambar 3.3 Respon LIC 41603 menggunakan parameter pengendali P dengan metode Shinskey

## 3) Tuning Pengendali P Tyreus-Luyben
Untuk  mensimulasikan  sistem,  maka  terlebih  dahulu dilakukan tuning PID dengan memberikan nilai P = 104,5425. Sehingga diperoleh respon sistem seperti pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Respon LIC 41603 menggunakan parameter pengendali P dengan metode Tyreus-Luyben

## D. Pengujian Sistem Menggunakan Parameter Kendali PI

## 1) Tuning Pengendali PI Ziegler-Nichols
Pengujian  menggunakan  pengendali  PI  dengan  metode Ziegler-Nichols  dapat  disimulasikan  dengan  menginput  nilai parameter kendali Kp = 94,08 dan Ki = 47,40 sehingga respon sistem yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Respon LIC 41603 menggunakan parameter pengendali PI dengan metode Ziegler-Nichols

## 2) Tuning Pengendali PI Shinskey
Parameter  kendali  PI  menggunakan  metode  Shinskey  dengan nilai  Kp  =  104,54  dan  Ki  =  89,14.  Sehingga  hasil  respon sistem yang diperoleh dapat dilihat pada Gambar 3.6.

## 3) Tuning Pengendali PI Tyreus-Luyben
Pada metode ini, nilai parameter yang diperoleh yaitu Kp = 63,33  dan  Ki  =  11,51  sehingga  respon  sistem  yang  diperoleh dapat dilihat pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Respon LIC 41603 menggunakan parameter pengendali PI dengan metode Tyreus-Luyben

## E. Pengujian Sistem Menggunakan Parameter Kendali PID 1) Tuning Pengendali PID Ziegler-Nichols
Pengujian  parameter  kendali  ini  diperoleh  dengan  dengan menginput  nilai  kendali  yaitu  Kp  =  125.45,  Ki  =  165.24  dan Kd = 0,18 sehingga respon sistem yang diperoleh dapat dilihat pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Respon LIC 41603 menggunakan parameter pengendali PID dengan metode Ziegler-Nichols

## 2) Tuning Pengendali PID Shinskey
Untuk  melakukan  tuning  pada  pengendali  ini,  nilai parameter yang diinput yaitu Kp = 52.27, Ki = 75.73 dan Kd = 0.18 sehingga respon sistem yang diperoleh dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Respon LIC 41603 menggunakan parameter pengendali PID dengan metode Shinskey

## 3) Tuning Pengendali PID Tyreus-Luyben
Dengan  menginput  nilai  parameter  kendali  Kp  =  95.03, Ki=  28.44  dan  Kd  =  0.24  respon  sistem  dapat  dilihat  seperti pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Respon LIC 41603 menggunakan parameter pengendali PID dengan metode Tyreus-Luyben
Berdasarkan hasil pengujian simulasi pengendalian level LIC41603  menggunakan  pengendali  P,  PI  dan  PID  dengan metode Ziegler-Nichols,  Shinskey dan Tyreus-Luyben. Hasil yang  diperoleh  dengan  menggunakan  pengendali  P  tidak cocok  diterapkan  untuk  mengendalikan  level  LIC41603 karena  hasil  performansi  yang  diperoleh  terjadinya  osilasi seperti yang terlihat pada Gambar 8 diatas.
Hasil performansi yang diperoleh dengan menggunakan  pengendali  PI  lebih  baik  dibandingkan  dengan pengendali  P  karena  tidak  adanya  lewatan  maksimum  atau maksimum  overshoot.  Pada  pengendali  PI  dengan  metode Ziegler-Nichols waktu  yang  dibutuhkan  untuk  mencapai  nilai setpoint atau setting time (t s ) selama 6 menit, metode Shinskey diperlukan  setting  time  (t s )  selama  10  menit  untuk  mencapai nilai setpoint, sedangkan dengan metode Tyreus-Luyben hasil performansi yang diperoleh untuk mencapai nilai setpoint atau setting time (t s ) selama 2 menit. Pada pengendali PI ini, tidak ada  nya  osilasi  dan error  steady  state yang  diperoleh  hanya saja  waktu  untuk  mencapai  nilai  setpoint  bervariasi  setiap metodenya.  Berikut  adalah  tabel  hasil  pengujian  tipe pengendali PI :

## TABEL 1 PENGUJIAN TIPE PENGENDALI PI
Hasil  performansi  yang  diperoleh  dengan  pengendali PID  menggunakan  metode  Ziegler-Nichols  setting  time  (t s ) yang  diperoleh  yaitu  selama  22  menit,  metode  Shinskey diperoleh  hasil  performansi  osilasi  karena  nilai  parameter  Ki yang  terlalu  besar  sehingga  sistem  tidak  dapat  stabil. Kemudian,  pada  metode  Tyreus-Luyben  setting  time  (t s ) selama  3  menit  untuk  mecapai  nilai  setpoint.  Ketiga  kategori diatas  sesuai  dengan  aturan  definisi  kestabilan  yang  telah diuraikan  pada  bahasan  teori  analisa  kestabilan.  Berikut adalah tabel hasil pengujian tipe pengendali PID :

## TABEL 2 PENGUJIAN TIPE PENGENDALI PID
Respon  sistem  yang  paling  cocok  setelah  dilakukannya pengujian  yaitu  menggunakan  pengendali  PI  dengan  metode Tyreus-Luyben. Dimana,  hasil  performansi  sistem  diketahui tidak terjadi lewatan maksimum atau maksimal overshoot dan waktu  yang  dibutuhkan  untuk  mencapai  nilai  setpoint  atau setting time (t s ) selama 2 menit. Dari beberapa pengendali dan metode yang digunakan, hanya pengendali PI dengan metode Tyreus-Luyben yang  memperoleh  hasil  performansi  yang sangat  cepat.  Ketiga  kategori  diatas  sesuai  dengan  aturan definisi  kestabilan  yang  telah  diuraikan  pada  bahasan  teori analisa kestabilan.

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengujian dan analisa pada simulasi pengendalian  level  pada  knock  out  drum  di  PT  Pertamina Hulu  Energi  NSB  menggunakan  DCS  CENTUM  CS  3000, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Tipe  pengendali  yang  tepat  untuk  mengendalikan  l evel knock  out  drum LIC41603  yaitu  pengendali  PI  dengan metode  Tyreus-Luyben  dengan  settling  time  (t s )  yang dibutuhkan selama 2 menit.
2. Error  steady  state yang  terjadi  pada  saat  sistem  sudah stabil  adalah  nol  atau  sistem  pengendalian  level  memiliki hasil yang sesuai dengan set point yang diberikan.
3. Hasil yang diperoleh tidak adanya lewatan maksimum atau maksimal overshoot.

## R EFERENSI
[1] Rismawan,  Agung  (2015).  “Konsep  Sistem  Loop  Terbuka  dan Tertutup”.
[2] Dharmawijaya, (2017). “Distributed Control System” (Online).
[3] Ogata, K. 1995. Teknik Kontrol Automatik. Terjemahan : Edi Laksono Ir. Jakarta : Penerbit Erlangga
[4] Arita, (2019). “Pengertian Valve Tipe Globe” (Online). Tersedia :
[5] https://alvindocs.com › news-events › read › cara-kerja-control-valve
[6] Ali,  Muhammad.  (2013).  “Fungsi  dan  Cara  Kerja  DCS”  Modul  Ajar Sistem  Kendali  Terdistribusi  Jurusan  Teknik  Elektro  Universitas Negeri Yogyakarta.
[7] Ogata, Katsuhiko. 1997. Teknik Kontrol automatic (sistem pengaturan). Jilid I,  Terjemahan Edi Laksono. Bandung : Erlangga