Pembuatan Operator Training Simulator Unit Smelter pada Pabrik Pemurnian Tembaga Menggunakan Fasilitas Pemrograman Function Block Distributed Control System
Widya Prapti Pratiwi, Estiyanti Ekawati dan Augie Widyotriatmo
Program Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung

## Abstrak
Operator  Training  Simulator merupakan  media  yang  tepat  untuk  melatih  para  operator  baru mengenai  proses  lapangan  agar  para  operator  dapat  menjadi  handal  dan  tanggap  dalam menghadapi  kondisi  lapangan  tanpa  harus  mempelajari  langsung  ke  pabrik  sehingga  dapat menghemat  waktu  dan  biaya.  Pada  penelitian  ini,  dibangun  simulator  proses  berdasarkan  kondisi sebenarnya  pada  unit smelter (tanur  S,  tanur  CL,  dan  tanur  C)  di  pabrik  pemurnian  tembaga. Simulator  dibangun  menggunakan  fasilitas  simulasi  DCS  Centum  CS3000  Yokogawa  dengan  dasar persamaan  kesetimbangan  energi  dan  massa  yang  menghasilkan  persamaan  dinamika  perubahan temperatur  dan  massa.  Persamaan  dinamik  sistem  ini  kemudian  diolah  dan  ditampilkan  dalam bentuk  gambar  skema,  grafik  dan  angka  yang  dapat  memudahkan  operator  dalam  mempelajari proses.  Berdasarkan  simulasi  dan  validasi  yang  dilakukan  berdasarkan  data  lapangan,  didapatkan bahwa  untuk  kondisi  tunak  lelehan  tanur  S  memiliki  error  2,  68%  dan blister tanur  CL  memiliki kesalahan  5,  83%  terhadap  sistem  lapangan.  Sedangkan  untuk  kondisi startup lelehan,  tanur  S memiliki kesalahan 18, 83%, tanur CL memiliki kesalahan 17, 59%, dan tanur C memiliki kesalahan 20,  09%  terhadap  kondisi  lapangan.  Nilai  kesalahan  ini  disebabkan  oleh  kekurangakuratan pendekatan  model  pada  sistem  lapangan  akibat  data  lapangan  yang  terlalu  sedikit  dan  tidak mencapai  kondisi  tunak.  Selain  itu,  kondisi startup lapangan  yang  tidak  ideal  juga  mempengaruhi keakuratan validasi.
Kata kunci: Operator Training Simulator, smelter, pemurnian tembaga, massa, energi, DCS

## Abstract
Operator Training Simulator (OTS) is a training simulator for operator to learn actual process without disrupting  normal  operation  of  plant.  In  this  study,  OTS  was  developed  for  copper  smelter  unit (furnace S,  CL  and  C).  Simulation  was  performed  using  DCS  Centum  CS  3000  Yokogawa  based  on mass  and  energy  conservation  law.  As  a  result,  dynamic  equation  of  temperature  and  mass  were analyzed and displayed in the form of graphic,number, and figure in order to simplify learning process. Simulation  result  has  been  validated  to  actual  data.  At  Steady  state  condition,  error  for  furnace  S product  and  blister  furnace  CL  are  2,  68%  and  5,  83%.  Meanwhile,  error  at  startup  condition  for furnace S, CL and C are 18.83%, 17.59% and 20.09%, respectively.
Keyword: Operator Training Simulator, smelter, mass, energy, DCS

## 1 Pendahuluan
Indonesia memiliki 4, 1% cadangan tembaga dunia [1]. Namun demikian, hanya terdapat satu  pabrik  pemurnian  tembaga  di  Indonesia,  yaitu  PT  Smelting  di  Gresik,  Jawa  Timur, sehingga  banyak  bijih  tembaga  yang  tidak  dapat  melalui  proses  pemurnian.  Untuk menambah  kuantitas  tembaga  yang  dimurnikan  dapat  dilakukan  dengan  cara  membuka pabrik  baru,  menambah  kapasitas  pabrik  yang  sudah  ada,  ataupun  dengan  optimasi proses.  Beberapa  cara  peningkatan  kuantitas  di  atas  membutuhkan  tambahan  operator yang memerlukan pengenalan serta pelatihan terhadap lingkungan pabrik dan proses tidak hanya  pada  saat  proses  normal  operasi  tetapi  juga  pada  saat  kondisi  khusus  seperti startup, shut down, dan kondisi darurat yang jarang terjadi pada aktivitas pabrik sehari-hari
sehingga  operator  pun  jarang  dapat  mengamatinya.  Jika  operator  belajar  langsung  di lapangan,  maka  operasi  yang  berlangsung  di  pabrik  dapat  terganggu.  Oleh  karena  itu, dibutuhkan  perangkat  yang  dapat  digunakan  sebagai  media  belajar  operator  atas  segala kondisi  proses  yang  terjadi  di  pabrik  tanpa  perlu  mengganggu  proses  sebenarnya  yang sedang berlangsung. Kebutuhan ini dapat dipenuhi oleh operator training simulator [2][3]. Operator  training  simulator dibuat  dengan  menggunakan  fasilitas  pemrograman function block pada  DCS  Centum  CS3000  Yokogawa  untuk  mensimulasikan  proses  pada  kondisi tunak  dan start  up pada  unit  smelter  (tanur  S,  tanur  CL,  tanur  C)  di  pabrik  pemurnian tembaga.  Hasil  simulasi  pada  simulator  divalidasi  dengan  data  lapangan  menggunakan Simulink pada MATLAB.

## 2 Konsep / Teori Dasar

## 2.1 Operator Training Simulator [4]
Operator Training Simulator (OTS) merupakan suatu perangkat simulasi proses dan sistem kontrol yang dibuat berdasarkan pemodelan dinamika sistem proses sebenarnya. Tampilan OTS dibuat menyerupai tampilan proses yang berada dalam ruang kontrol pabrik sehingga para  operator  dapat  mempelajari  OTS  seolah-olah  sedang  menghadapi  tampilan  DCS sebenarnya  di  pabrik  tanpa  harus  langsung  belajar  di  lapangan.  OTS  dapat  melakukan simulasi  pada  berbagai  kondisi  operasi  selain  kondisi  normal  yaitu  kondisi startup , shut down ,  dan  kondisi  darurat  serta  memulai  simulasi  pada  kondisi  mula  tertentu  yang diinginkan.

## 2.2 DCS Centum CS3000 Yokogawa [5]
Distributed Control Sistem (DCS) merupakan sistem kontrol terdistribusi berbasis komputer yang  mampu  mengakuisisi  data  lapangan  dan  memutuskan  perlakuan  yang  akan dilakukan  terhadap  data-data  tersebut.  Terdapat  tiga  komponen  utama  dari  sebuah  DCS yaitu Human Interface Station (HIS), Field Control Station (FCS), dan instrument lapangan yang  terdiri  atas  sensor  dan  aktuator.  FCS  dan  HIS  dihubungkan  oleh  suatu  sistem komunikasi yang disebut VL Net.
Operator  Training  Simulator pada  penelitian  ini  dibuat  menggunakan  fasilitas pemrograman function  block pada  DCS  Centum  CS3000  Yokogawa  untuk  menyesuaikan dengan  perangkat  yang  digunakan  pada  ruang  kontrol  di  pabrik  sehingga  operator  tidak mengalami kesulitan untuk beradaptasi dan mempelajari OTS.

## 2.3 Proses Pemurnian Tembaga Unit Smelter Menggunakan Teknik Mitsubishi [6]
Untuk membangun simulator diperlukan pemodelan sistem yang menggambarkan kondisi proses  sebenarnya  di  lapangan.  Oleh  karena  itu,  pengetahuan  mengenai  proses  perlu dipelajari  terlebih  dahulu.  Proses  yang  akan  dimodelkan  adalah  proses  pemurnian tembaga  dengan  teknik  Mitsubishi  yang  merupakan  proses  berkelanjutan.  Aliran konsentrat tembaga yang akan dimurnikan mengalir terus menerus dari satu unit ke unit lainnya. Secara umum proses pemurnian tembaga dapat dibagi menjadi tiga: unit smelter , tanur anoda, dan proses elektrolisis. Proses pembakaran terjadi di dalam unit smelter dan tanur anoda kemudian tembaga dimurnikan dengan cara elektrolisis pada unit elektrolisis [8].  Penelitian  ini  hanya  akan  membahas  dan  mensimulasikan  dinamika  proses  yang terjadi pada unit smelter : Tanur S, tanur CL, dan tanur C.
Konsentrat  yang  telah  dikeringkan  dicampur  dengan  pasir  silika  kemudian  dialirkan  ke dalam tanur S untuk mengalami proses oksidasi menggunakan udara yang telah diperkaya dengan  oksigen.  Proses  oksidasi  ini  bertujuan  menghilangkan  pengotor  pada  konsentrat yaitu  besi  dan  sulfur.  Keluaran  tanur  S  berupa  lelehan  campuran  matte  dan  terak  akan dialirkan  menuju  tanur  CL  untuk  melalui  proses  pemisahan  matte  dan  terak.  Terak keluaran  tanur  CL  akan  digunakan  sebagai  bahan  baku  pada  industri  semen  sedangkan matte tanur CL, dengan kadar tembaga 65%, akan dialirkan menuju tanur berikutnya yaitu tanur  C.  Matte  akan  mengalami  proses  oksidasi  kembali  di  dalam  tanur  C  untuk menghilangkan sisa pengotor di dalam matte. Keluaran tanur C berupa tembaga cair atau blister  memiliki  kadar  tembaga  sebesar  98,  5%  dan  terak. Blister ini  kemudian  akan dialirkan menuju tanur anoda untuk mengalami proses pemurnian lebih lanjut sedangkan terak C akan dialirkan kembali ke tanur S dan tanur C untuk mengalami proses pengolahan kembali ( recycle ).

## 3 Pembangunan Simulator
Tahapan  awal  pembangunan  simulator  adalah  studi  literatur  dan  penelitian  lapangan mengenai  proses  pemurnian  tembaga  dan  DCS.  Setelah  itu  dapat  ditentukan  parameter- parameter berdasarkan persamaan kesetimbangan massa dan kesetimbangan energi yang digunakan  untuk  pemodelan  sistem  dan  nilainya.  Sejalan  dengan  proses  penentuan parameter,  dapat  dilakukan  pembuatan function  block dan Human  Machine  Interface (HMI) pada DCS kemudian dilakukan simulasi. Hasil simulasi tersebut kemudian divalidasi terhadap data-data yang didapatkan berdasarkan data literatur dan data lapangan.

## 4 Hasil dan Analisis
Simulator  proses  ini  telah  menampilkan  proses  sintesis  yang  terjadi  di  pabrik  pemurnian tembaga khususnya unit smelter. Tampilan dari simulator unit smelter ini ditampilkan pada Gambar 1.
Gambar 1 HMI simulator unit smelter
Simulator  dijalankan  mulai  kondisi startup hingga  kondisi  normal  operasi  seperti ditampilkan  pada  Gambar  2.  Hasil  simulasi  seperti  pada  Gambar  2  kemudian  akan divalidasi terhadap data lapangan dan data literatur. Untuk validasi kondisi startup hanya dilakukan pada besaran massa keluaran tanur S, tanur CL, dan tanur C berdasarkan data level  lelehan  dalam  tanur  saat  kondisi startup yang  telah  dikonversi  menjadi  massa keluaran  tanur.  Sedangkan  validasi  pada  kondisi  normal  dilakukan  pada  besaran  massa dan  temperatur  keluaran  tanur  S,  tanur  CL,  dan  tanur C  berdasarkan  data  lapangan  dan literatur.
Gambar 2 Grafik proses saat kondisi startup hingga tunak untuk besaran massa (kiri) dan temperatur (kanan)
Validasi  dilakukan  menggunakan  fasilitas  pemrograman  pada  Simulink  MATLAB  seperti pada Gambar 3.
Gambar 3 Hasil validasi simulasi OTS saat kondisi startup terhadap kondisi lapangan untuk tanur S (kiri), tanur CL (tengah), dan tanur C (kanan)
Dari hasi validasi,diperoleh persen kesalahan sesuai Tabel 1, Tabel 2 dan Tabel 3.
Tabel 1 Tabel validasi massa keluaran tanur S, tanur CL, dan tanur C pada kondisi
tunak Massa Keluaran Tanur (ton/jam) % error Simulasi OTS Kondisi Lapangan Tanur S 93,72 96,3 2,68 Tanur CL 53,02 50,1 5,83 Tanur C 62,18 - -
Tabel 2 Tabel validasi temperatur keluaran tanur S, tanur CL, dan tanur C pada kondisi
tunak Temperatur Keluaran Tanur (K) % error Simulasi OTS Kondisi Lapangan Tanur S 1514,46 1514,46 0 Tanur CL 1483 1483 0 Tanur C 1493 1493 0
Tabel 3 Tabel persen kesalahan massa keluaran tanur S, tanur CL, dan tanur C pada
kondisi startup % Kesalahan Tanur S 4,72 Tanur CL 3,30 Tanur C 1,28
Kesalahan  yang  terjadi  terbentuk  karena  beberapa  faktor  yaitu  perhitungan  stoikiometri hanya melibatkan bahan masukan yang mengalami reaksi kimia, asumsi bahwa SiO 2 pada tanur S bereaksi seluruhnya, kekurangakuratan pendekatan model pada sistem lapangan akibat  data startup level  yang  terlalu  sedikit  dan  tidak  mencapai  kondisi  tunak,  asumsi pada rincian tahapan masukan konsentrat, serta akumulasi kesalahan pada tanur CL dan tanur C.

## 5 Kesimpulan
Operator  Training  Simulator yang  dibuat  dapat  menggambarkan  proses  dalam  kondisi tunak dan kondisi startup dari unit smelter (tanur S, tanur CL, dan tanur C) untuk besaran massa  dan  temperatur  pada  pabrik  pemurnian  tembaga  dengan  kesalahan  maksimum terjadi  pada  kondisi startup lelehan  tanur  S  yaitu  4,72%.  Kesalahan  ini  disebabkan  oleh kekurangakuratan  pendekatan  model  pada  sistem  lapangan.  Sedangkan  kesalahan minimum  terjadi  pada  kondisi startup blister tanur  C  yaitu  1,28%  yang  disebabkan  oleh kekurangakuratan pendekatan model pada sistem lapangan akibat data startup level yang terlalu sedikit.

## 6 Daftar Pustaka
[1] http://www.djmbp.esdm.go.id/modules/news/index.php?_act=detail&sub=news_mi nerbapabum&news_id=3042 (31 Januari 2012).
[2] van der Wal, G. et all. 1996. Minimising Investment with Dynamic Simulation . Dicetak ulang dari Petroleum Technology Quarterly.
[3] Maulida,  M.  2011. Pembuatan  Operator  Training  Simulator  Unit  Methanasi  Pabrik Amonia  Menggunakan  DCS  CENTUM  CS3000  YOKOGAWA .  Tugas  Akhir  S1,  Institut Teknologi Bandung, Indonesia: tidak diterbitkan.
[4] http://lpik.itb.ac.id/index.php?option=com_content&task=view&id=52&Itemid=45 (9 Mei 2012).
[5] Yokogawa  Electric  Corporation.  1998. User’s  Manual  CS3000/CS1000 .  Yokogawa Electric Corporation
[6] Buklet Pengenalan PT Smelting Gresik. 2010. Indonesia.
[7] Stephanopoulos,  G.  1984. Chemical  Process  Control  :  an  Introduction  to  Theory  and Practice . Michigan : Prentice-Hall, 59-63.