## Pembuatan Operator Training Simulator Unit Metanasi Pabrik Amonia Menggunakan DCS Centum CS3000 Yokogawa
Mutiara Maulida, Estiyanti Ekawati dan Agus Samsi Program Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung

## Abstrak
Operator  memegang  peranan  penting  dalam  pengawasan  suatu  sistem  kontrol  di  industri.  Seorang operator  yang  handal  harus  memahami  karakteristik  proses  dan  tanggap  dalam  mengendalikan sistem kontrol yang digunakannya. Untuk itu dibuatlah suatu Operator Training Simulator (OTS) yang dapat digunakan oleh operator dalam belajar secara cepat dan aman supaya dapat menjadi operator seperti yang diharapkan. OTS yang dibuat dalam penelitian ini dibangun dengan menggunakan DCS Centum CS3000 Yokogawa untuk unit metanasi pada pabrik amonia. Real plant dari unit metanasi dibuat  menjadi  suatu virtual  plant dengan  menggunakan  pemodelan  matematika.  Pemodelan  yang dilakukan adalah pemodelan untuk perubahan laju temperatur dan perubahan laju konsentrasi dari CO 2 terhadap  waktu.  Pemodelan  tersebut  diprogram  dalam  perangkat  lunak DCS  Centum  CS3000 dengan menggunakan fasilitas pemrograman Function Block . Human Machine Interface (HMI) atau tampilan dari DCS juga dibangun pada Control Drawing untuk memudahkan operator atau pengguna OTS dalam mengamati dinamika proses yang terjadi. Dari hasil simulasi didapat temperatur operasi adalah 318,8 0 C dan konsentrasi dari CO 2 setelah mengalami reaksi adalah 2, 3 mol/m 3 . Hasil ini didapat  dengan  melakukan  pengaturan  pada  variabel  masukan  sesuai  dengan  petunjuk  operasi pabrik. Operator Training Simulator yang telah dibangun kemudian diujicobakan kepada mahasiswa untuk dimintai pendapat mengenai performa dari Operator Training Simulator tersebut . Berdasarkan hasil  survei,  pengguna  simulator  dapat  memahami  proses  pada  unit  metanasi  dalam  waktu  yang cepat walaupun dengan latar belakang pengguna yang belum paham dengan industri proses.
Kata Kunci: DCS, Operator Training Simulator, Metanasi, HMI, Function Block.

## Abstract
The  operator  is  an  important  role  in  supervising  control  system  in  the  industry.  An  operator  should understand characteristic of the process and perceptive in supervising control system.  The operator training  system is a learning  tool that help operator  to understand control process characteristic of the plant. In this project, OTS was build using DCS Centum CS3000 Yokogawa for  a methanizer unit on ammonia plants. Virtual plant was built to resemble the real plant using mathematical modeling. The difference of temperature and velocity concentration of CO 2 respect to time was modeled in order to resemble ammonia production process. The model was built using Function Block of DCS Centum CS3000  Yokogawa.  Human  Machine  Interface  (HMI)  was  also  developed  using  Control  Drawing  to reserve  the  operator  in  observing  the  dynamic  process  of  the  plant.  Simulation  resulted  that temperature at operational mode is 318,8 0 C and the concentration of CO 2 after reaction process is 2,  3  mole/m 3 .  These  results  were  obtained  by  adjusting  input  variable  according  to  the  operation procedure of the plant. This Operator Training Simulator has been tested to university student in order to check the convenience of the system. As a result, most of them was quickly understood the system while they used, although they have no background of the system before.
Keyword: DCS, Operator Training Simulator, Methanizer, HMI, Function Block.
1 Pendahuluan

## 1.1 Latar Belakang
Pada  zaman  sekarang  ini  proses  yang  terjadi  dalam  industri  sudah  tidak  lagi  sederhana, sehingga  dibutuhkan  suatu  sistem  kontrol  yang  saling  terintegrasi  dan  dapat  mengatur instrumen-instrumen yang ada untuk keberlangsungan proses agar sesuai dengan kondisi yang  dibutuhkan.  Dalam  penelitian  ini  industri  yang  ditinjau  adalah  industri  pupuk, khususnya  pada  pabrik  amonia.  DCS  merupakan  salah  satu  sistem  kontrol  yang  biasa digunakan dalam industri. Pada pabrik amonia ini, DCS yang digunakan adalah Distributed Control  System (DCS)  Centum  CS3000  Yokogawa.  Dalam  pengoperasian  DCS  ini  tentu dibutuhkan  operator  yang  handal.  Operator  tersebut  harus  dapat  mengoperasikan  DCS yang  digunakan  dan  dapat  memahami  karakteristik  dari  proses  yang  dikontrolnya, sehingga  operator  tersebut  dapat  mengontrol  unit  proses  tersebut  dengan  baik  dan terutama dapat segera menyadari apabila terjadi keadaan darurat.
Untuk  menjadi  seorang  operator  yang  handal  maka  operator  tersebut  harus  belajar  dan berlatih.  Saat  ini  cara  seorang  operator  untuk  belajar  adalah  dengan  mempelajari  teori dasar dari karakteristik unit proses tersebut dan kemudian menjadi pengamat di lapangan. Cara belajar seperti ini membutuhkan waktu yang cukup lama dan tidak produktif, selain itu  kondisi  yang  dapat  diamati  cenderung  hanya  untuk  kondisi  normal  operasi.  Padahal kondisi lainnya, seperti startup , shutdown , dan kondisi darurat merupakan hal yang sangat penting  untuk  dipelajari  langsung  untuk  dapat  melatih  operator  supaya  lebih  tanggap. Solusi  dalam  masalah  ini  adalah  dengan  menggunakan Operator  training  simulator . Penelitian  ini  bertujuan  untuk  membuat  suatu operator  training  simulator yang  dapat dengan  mudah  digunakan  serta  dapat  merepresentasikan  proses  unit  metanasi  pada pabrik amonia dengan menggunakan DCS Centum CS3000 Yokogawa. Pada penelitian ini simulator  proses  yang  akan  dibuat  adalah  unit  metanasu  pada  pabrik  amonia  dengan asumsi  proses  metanasi  yang  disimulasikan  dalam  rekator  hanya  dipengaruhi  oleh senyawa CO 2 dan tekanan pada unit metansi diasumsikan tetap pada 20 kg/cm 2 G.

## 2 Konsep / Teori Dasar

## 2.1 Operator Training Simulator
Operator  training  simulator (OTS)  merupakan  aplikasi  berbasis  komputer  dalam mensimulasikan  suatu  proses  dalam  indutri  beserta  sistem  kontrolnya  untuk  keperluan pelatihan  operator  pabrik/industri. Plant dalam  suatu  OTS  merupakan  suatu plant  virtual yang  dibuat  berdasarkan  pemodelan  dari  dinamika  proses plant sebenarnya,  sehingga dapat  merepresentasikan  karaktersistik  dari plant tersebut.  Tampilan  simulator  tersebut juga  dibuat sedemikian  rupa  sehingga  mirip  dengan  tampilan  pada operator display yang ada di control room.

## 2.2 DCS Centum CS3000 Yokogawa
Distributed  Control  System (DCS) merupakan  komponen  sistem  kontrol  yang  biasa digunakan  pada  sistem  manufaktur  atau  proses-proses  dinamis  dimana  pengontrolnya tidak  terpusat,  namun  terdistribusikan  pada  setiap  sub-sistem.  Keseluruhan  sistem pengontrol  saling  terhubung  untuk  dapat  saling  berkomunikasi  sehingga  operator  lebih mudah dalam melakukan pengawasan. Dalam suatu DCS terdapat tiga komponen utama,
yaitu FCS ( Field Control Station ), HIS ( Human Interface Station ), dan field instrument yang saling terhubung satu sama lain.

## 2.3 Metanasi
Metanasi  merupakan  proses  untuk  mengkonversi  kandungan  CO  dan  CO 2 dengan mereaksikan CO dan CO 2 dengan hidrogen sehingga membentuk CH 4 .
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (1)
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (2)
Metanasi  merupakan  proses  dengan  reaksi  eksoterm.  Reaksi  kimia  yang  terjadi menghasilkan  kalor  yang  turut  menaikan  temperatur  dari  gas  dalam  reaktor.  Salah  satu faktor  yang  menentukan  proses  metanasi  adalah  keaktifan  katalis.  Semakin  tinggi temperatur  dalam  reaktor  maka  katalis  akan  semakin  aktif  bekerja,  namun  umur  dari katalis juga akan semakin cepat.

## 2.4 Skenario Proses Unit Metanasi
Gas masukan dari unit metanasi pertama kali dialirkan melewati heat exchanger gas-gas exchanger (1-E-311). Selanjutnya  gas ini akan  dipanaskan  kembali oleh trim heater (1-E- 211). Trim Heater merupakan heat exchanger yang berfungsi sebagai pemanas tambahan dan  pemanas  awal.  Apabila  temperatur  keluaran  dari gas-gas  exchanger belum  dapat mencapai  temperatur  yang  diharapkan  dari  temperatur  masukan  metanator  maka trim heater lah  yang akan  digunakan.  Selanjutnya  gas  keluaran  dari trim  heater dialirkan menuju  metanator.  Metanator  merupakan  reaktor  yang  berfungsi  sebagai  tempat berlangsungnya  reaksi  metanasi.  Reaksi  pembentukan  metana  yang  terjadi  merupakan reaksi  eksoterm,  sehingga  reaksi  ini  akan  menghasilkan  kalor  yang  akan  menaikan temperatur  gas.  Selanjutnya  gas  keluaran  dari  metanator  akan  dialirkan  menuju gas-gas exchanger (1-E-311)  kembali  untuk  didinginkan.  Gas  ini  kemudian  didinginkan  kembali dengan dialirkan pada heat exchanger final cooler.

## 3 Hasil dan Analisis
Simulator  proses  ini  telah  menampilkan  proses  yang  terjadi  pada  unit  metanasi  pabrik pembuatan amonia. Tampilan dari simulator unit metanasi ini ditampilkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Tampilan simulator proses unit metanasi
Variabel masukan yang dapat diubah pada simulator ini adalah temperatur masukan awal dari  unit  metanasi,  temperatur set  point untuk  setiap heat  exchanger ,  laju  aliran  gas masukan,  dan  konsentrasi  awal  CO 2 dari  gas  masukan.  Dengan  mengubah  variabel masukan sesuai  dengan  skenario  proses  maka  dapat  disimulasikan  kondisi startup dari unit metanasi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Grafik kenaikan temperatur reaktor saat startup
Pada  tahap  kondisi  operasi,  dilakukan  pengujian  karakteristik  respon  proses.  Pada pengujian  ini  respon  keluaran  yang  diamati  dalam  satu  waktu  hanya  berdasarkan  pada setiap  satu  perubahan  variabel  masukan  yang  mempengaruhi  kestabilan  temperatur keluaran serta konsentrasi keluaran CO 2 dari reaktor, yaitu laju aliran gas, konsentrasi CO 2 awal  dalam  gas,  serta  temperatur set  point  gas-gas  exchanger (temperatur  masukan reaktor).  Hasil  pengujian  ini  ditampilkan  dalam  bentuk  tabel,  pada  Tabel  1,  Tabel  2,  dan Tabel 3.
Tabel 1 Pengaruh pengubahan laju aliran gas masukan Laju Aliran Gas Masukan (m3/s) Temperatur Masukan (0C) Konsentrasi Masukan CO2 (mol/m3) Temperatur Keluaran (0C) Konsentrasi Keluaran CO2 (mol/m3) 2 290 4.5 339.7 0.6 6 290 4.5 318.8 2.3 15 290 4.5 299.3 3.8 25 290 4.5 295.1 4.1 40 290 4.5 293.1 4.3 49 290 4.5 292.5 4.3
Tabel 2 Pengaruh pengubahan konsentrasi CO 2 masukan
Laju Aliran Gas Masukan (m 3 /s) Temperatur Masukan ( 0 C) Konsentrasi Masukan CO 2 (mol/m 3 ) Temperatur Keluaran ( 0 C) Konsentrasi Keluaran CO 2 (mol/m 3 )
∆ Konsentrasi CO 2 (mol/m 3 ) 6 290 2.0 298.0 1.4 0.6 6 290 3.0 304.0 1.9 1.1 6 290 4.0 312.8 2.2 1.8 6 290 4.5 318.8 2.3 2.2 6 290 5.0 326.3 2.2 2.8 6 290 6.0 344.6 1.7 4.3 Tabel 3 Pengaruh pengubahan temperatur masukan reaktor Laju Aliran Gas Masukan (m3/s) Temperatur Masukan (0C) Konsentrasi Masukan CO2 (mol/m3) Temperatur Keluaran (0C) Konsentrasi Keluaran CO2 (mol/m3) 6 290 4.5 318.8 2.3 6 293 4.5 325.1 2.0 6 300 4.5 338.4 1.5 6 305 4.5 347.3 1.2 6 310 4.5 355.5 1.0 6 325 4.5 374.6 0.6
Dengan  mengetahui  karakteristik  respon  dari  proses  maka  operator  akan  lebih  tanggap saat  melakukan  pengaturan  sistem  kontrol  sebenarnya.  Operator  dapat  memahami variabel  apa  yang  harus  diubah  apabila  terjadi  kebutuhan  untuk  mengubah  variabel masukan.
Setelah  melakukan  uji  respon  dari  simulator,  simulator  diujicobakan  kepada  mahasiswa. Berdasarkan hasil survei yang dilakukan kepada 17 orang mahasiswa tingkat akhir jurusan Teknik Fisika  setelah  mencoba  menggunakan  simulator proses  unit metanasi ini, didapat hasil seperti yang ditampilkan pada Gambar 3.

## Gambar 3 Hasil survei penggunaan simulator

## 4 Kesimpulan
Operator  training  simulator  ini  telah  dapat  merepresentasikan  kondisi  startup,  kondisi normal  operasi,  dan  kondisi  shut  down  dari  unit  metanasi.  Simulator  ini  memberikan fasilitas pengubahan variabel masukan. Variabel masukan yang dapat diubah adalah laju aliran gas masukan, konsentrasi awal CO 2 , dan temperatur set point dari heat exchanger. Masing-masing variabel masukan memiliki nilai batasan maksimum dan minimum sebagai berikut :
1. F M = 1 m 3 /s – 49 m 3 /s
2. C Ai = 0 mol/m 3 – 6 mol/m 3 3. T st untuk gas-gas exchanger = 25 0 C – 325 0 C 4. T st untuk trim heater = 25 0 C – 290 0 C 5. T st untuk final cooler = 25 0 C – 450 0 C
Latar  belakang  dari  pengguna  simulator  juga  memberikan  pengaruh  terhadap  nilai  yang diberikan  untuk performa  simulator ini. Terlihat pada  pengguna  kelompok 1 dengan  latar belakang  yang  jarang  menggunakan  simulator  proses  memberikan  nilai  rata-rata  17.82. Kelompok  2  dengan  latar  belakang  cukup  sering  menggunakan  simulator  proses memberikan  nilai  rata-rata  19.63.  Sedangkan  kelompok  3  yang  memiliki  latar  belakang sangat sering menggunakan simulator proses memberikan nilai 21.75. Berdasarkan hasil survei,  76%  dari  pengguna  simulator  menyatakan  telah  memahami  proses  yang disimulasikan setelah menggunakan simulator unit metanasi ini. Hal ini dicapai walaupun dengan 64% pengguna memiliki latar belakang yang belum paham dengan industri proses dan  70%  pengguna  sangat  jarang  dalam  menggunakan  simulator.  Faktor-faktor  yang menyebabkan para pengguna dapat dengan mudah memahami proses yang disimulasikan adalah pemberian deskripsi simulator yang cukup memadai sebelum simulator digunakan, tampilan  dari simulator yang  cukup mudah dimengerti  dan user friendly sehingga  mudah digunakan, serta fleksibilitas yang cukup memadai dalam pengubahan variabel masukan.

## 5 Daftar Pustaka
[1] Irianto, B. N, dkk. (2002). “Petunjuk Operasi Pabrik Ammoniak Kaltim-4”. Bontang: PT Pupuk Kalimantan Timur
[2] Prasetya,  H.  (2010).  “Pembuatan  Operator Training  Simulator Unit Primary  Reformer
Pabrik  Amonia  Menggunakan  DCS  CENTUM  CS3000  YOKOGAWA”  Tugas  Akhir  S1, Institut Teknologi Bandung, Indonesia.
[3] Stephanopoulos, G. (1984). “ Chemical Process Control; An Introduction to Theory and Practice” . Prentice Hall. New Jersey
[4] Herwijnen,  T,  dkk.  (1973).  “ Kinetics  of  The  Methanation  of  CO  and  CO 2 on  a  Nickel Catalyst” . Journal of Catalyst 28, 391-412
[5] Khorsand, K, dkk. (2007). ” Modelling and Simulation of Methanation Catalytic Reactor in Ammonia Unit” . Petroleum & Coal 49, 46-53
[6] Coughanowr D. R. (1991). “ Proscess System Analysis and Control” . McGraw-Hill
[7] Doebelin,  E.  O.  (1990).  “ Measurement  Systems  Application  and  Design ”.  Ohio: McGraw-Hill
[8] McCabe,  W.  dkk.  (1995).  “ Unit  Operation  of  Chemical  Engineering  Fifth  Edition” . Singapura: McGraw-Hill
[9] Wibowo,  A.  (2007).  “Pembangunan  Simulator  Proses CO 2 Absorber Menggunakan Perangkat  Lunak DCS  CS1000  YOKOGAWA”  Tugas  Akhir  S1,  Institut  Teknologi Bandung, Bandung, Indonesia
[10] Yokogawa Electric Corporation.  (1998). “ User’s Manual  CS3000/CS1000 ”. Yokogawa Electric Corporation
[11] http:// www.lpik.itb.ac.id
[12] http://www.engineering-page.com