Simulasi Numerik Kontrol Dinamik Kerja Pompa Pengisian LPG di Konsorsium CPO Tanjung Mas Semarang berdasarkan flowrate di filling shed Oleh : Aldian Surya P Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan ITS, Sukolilo, Surabaya, 60111 Abstrak Kontrol dinamik adalah sistem kontrol yang disusun berdasarkan kedinamisan dari sistem dengan memberikan feedback kepada kontroler sebagai input dari kedinamisan sistem kontrol. Pada terminal LPG Konsorsium CPO ini susunan peralatannya sesuai dengan diagram blok dari sistem kontrol peralatan industri pada umumnya yang terdiri dari komponen actuator, plant, dan sensor. Pada sistem kontrol kerja pompa ini yang menjadi actuator adalah pompa, plant adalah control valve dan perpipaannya, sedangkan sensornya berupa sinyal arus dari flowmeter. Keuntungan dari kontrol dinamik ini adalah untuk membuat kerja sistem menjadi lebih efektif karena pengaruh gangguan (disturbances) diambil langsung dari sensing aliran dalam perpipaan yang diubah menjadi arus listrik. Dari disturbances ini bisa diketahui secara numerik berapa aliran yang ada di dalam perpipaan sehingga flowmeter bisa langsung merubahnya menjadi sinyal arus. Dengan begitu, feedback berupa sinyal arus ini dapat dijadikan sebagai input yang diolah oleh kontroler menjadi input arus ke driver pompa. Hasilnya nanti akan disimulasikan dalam bentuk diagram alir dan perhitungan dari kerja pompa berupa putaran motor, arus di kontroler, kapasitas aliran, dan daya motor dalam software visual basic. Dari perhitungan ini nanti akan didapat pengaruh dari flowrate discharge pompa terhadap kerja pompa dalam kaitannya dengan daya yang dibebankan kepada driver pompa. Keywords : Kontrol dinamik, simulasi, aliran, pompa
Pendahuluan Kontrol statik ini didefinisikan dengan kontrol kerja pompa berdasarkan filling shed yang menggunakan kontroler yang dirancang secara independen yaitu menggunakan potensiometer sebagai variabel kontrol dari fungsi arus dan range pengoperasian kerja pompa antara 0 – 100%. Pompa yang dimiliki berjumlah 4 buah dengan 2 pompa yang running pada saat dilakukan proses pengisian LPG ke truck dan dipasang secara paralel dengan jumlah 5 filling shed. Kerja pompa disini didasarkan pada jumlah filling shed yang dioperasikan, jika hanya 3 filling shed yang dioperasikan maka 2 pompa bekerja 50 %. Jika 5 filling shed yang dioperasikan maka 2 pompa bekerja 100%. Sehingga dalam pengoperasiannya pompa jika 2 pompa sudah running selama 8 jam maka akan dilakukan switching 2 pompa yang lainnya dengan tujuan untuk memperpanjang running hour dari tiap pompa. Bentuk proses kontrol dari pompa ini bisa dilihat dari diagram di bawah :
Gambar 1. Skematik Kontrol Kerja Pompa
Permasalahan yang muncul dari kontrol statik ini adalah menimbulkan umur pompa menjadi lebih pendek karena jika filling shed beroperasi semuanya maka kerja pompa akan 100% secara terus menerus. Kemudian flow rate LPG pada masing – masing filling shed tidak sama dan tidak bisa disesuaikan dengan kapasitas aliran yang berjalan di perpipaan karena kontrolernya diatur berdasarkan variabel kontrol yaitu potensiometer dan
1
potensiometer tidak berhubungan langsung dengan sistem perpipaan sehingga waktu pengisian LPG ke tangki truk tidak dapat diperkirakan dan berdampak pada operasional yang maksimum secara terus menerus pada Terminal LPG. Penelitian ini dilakukan untuk merubah kontrol kerja pompa dari kontrol statik menjadi kontrol dinamik berdasarkan flowrate pada tiap filling shed. Banyak permasalahan yang muncul dari penerapan kontrol statis pada kinerja pompa LPG tersebut. Maka dari itu dibuatlah beberapa rumusan masalah yang terdiri dari cara penyusunan kontrol dinamik kerja pompa, hubungan antara flowrate dengan kerja pompa, dan pengaruh dari flowrate terhadap kerja pompa. Dari beberapa permasalahan yang disebutkan di atas, maka diharapkan penyusunan skripsi ini dapat memberikan manfaat yaitu dapat mengontrol kerja pompa secara dinamik, dapat memodelkan kontrol dinamik kerja pompa dan dapat mengetahui pengaruh flowrate discharge pompa terhadap kinerja pompa.
Landasan Teori Pompa dinamik juga dikarakteristikkan oleh cara pompa tersebut beroperasi: impeler yang berputar mengubah energi kinetik menjadi tekanan atau kecepatan yang diperlukan untuk memompa fluida. Terdapat dua jenis pompa dinamik:
Pompa sentrifugal merupakan pompa yang sangat umum digunakan untuk pemompaan air dalam berbagai penggunaan industri. Biasanya lebih dari 75% pompa yang dipasang di sebuah industri adalah pompa sentrifugal. Untuk alasan ini, pompa ini dijelaskan dibawah lebih lanjut. Pompa dengan efek khusus terutama digunakan untuk kondisi khusus di lokasi industri.
Kerja yang ditampilkan oleh sebuah pompa merupakan fungsi dari head total dan berat cairan yang dipompa dalam jangka waktu yang diberikan. Daya batang torak pompa (Ps) adalah daya Hp yang
dikirimkan ke batang torak pompa, dan dapat dihitung sebagai berikut: … (1)
Ps (Daya batang torak pompa) = =
... (2)
Keluaran pompa, daya Hp air atau daya Hp hidrolik (hp) adalah daya Hp cairan yang dikirimkan oleh pompa, dan dapat dihitung sebagai berikut: DayaHidrolik= … (3) Dimana: Q Hd Hs ρ g
= debit aliran = head discharge = head suction = massa jenis fluida = percepatan gravitasi
Peluang – Peluang Efisiensi Energi Bagian ini meliputi area utama untuk memperbaiki pompa dan sistim pemompaan. Area utama bagi penghematan energi meliputi:
Mengendalikan debit aliran dengan variasi kecepatan
Menjelaskan pengaruh kecepatan Perputaran impeler pompa sentrifugal menghasilkan head. Kecepatan keliling impeler berhubungan langsung dengan kecepatan perputaran batang torak. Oleh karena itu variasi kecepatan putaran berpengaruh langsung pada kinerja pompa. Parameter kinerja pompa (debit alir, head, daya) akan berubah dengan bervariasinya kecepatan putaran. Oleh karena itu, untuk mengendalikan kecepatan yang aman pada kecepatan yang berbedabeda maka penting untuk mengerti hubungan antara keduanya. Persamaan yang menjelaskan hubungan tersebut dikenal dengan “ Hukum Afinitas” :
Debit aliran (Q) berbanding lurus dengan kecepatan putaran (N)
2
Head (H) berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan putaran (N) Daya (P) berbanding lurus dengan kubik kecepatan putaran (N) QαN Hα
… (4) … (5)
Pα … (6) Sistem Pengendalian Sistem seperti mungkin mekanik, listrik, elektronik, hidrolik atau pneumatik. Dalam prakteknya, sistem kontrol banyak mengalami kombinasi dan disebut sistem hibrida. Secara teori, sebuah sinyal input yang dihasilkan dalam menanggapi perintah program diinput. Ini menghasilkan sinyal output yang menggerakkan motor, yang kemudian menggerakkan mesin. Salah satu perbedaan penting yang harus dibuat sehubungan dengan sistem kontrol adalah antara loop terbuka dan loop tertutup. Kontrol Loop Terbuka Dalam sistem kontrol, ketika kuantitas output tidak berpengaruh pada kuantitas input sistem ini disebut sistem kontrol loop terbuka. Penerapan kontrol loop terbuka memerlukan pertimbangan yang sangat hati-hati karena setiap perubahan kondisi eksternal dapat menyebabkan output dari sistem untuk berfluktuasi, atau drift. Skema kontrol loop terbuka memiliki kelebihan yaitu simpel dan menghabiskan biaya rendah. Sebuah mikroprosesor berbasis khas loop terbuka sistem kontrol motor ditunjukkan dalam Gambar 2. Seperti yang terlihat pada Gambar 2, fase sinyal digital kontrol yang dihasilkan oleh mikroprosesor dan diperkuat oleh rangkaian drive sebelum diterapkan ke motor.
karena itu penting bahwa motor merespon dengan benar untuk setiap perubahan eksitasi. Jika perubahan eksitasi yang dibuat terlalu cepat, maka motor tidak dapat memindahkan beban ke posisi baru sehingga ada kesalahan permanen dalam posisi beban yang sebenarnya dibandingkan dengan yang diharapkan. Juga penting diperhatikan bahwa dalam aplikasi di mana beban cenderung berfluktuasi, timing harus diatur untuk kondisi terburuk, yaitu beban terbesar, dan skema kontrol ini kemudian tidak optimal untuk semua beban lainnya. Karena tidak ada umpan balik dalam jenis kontrol ini, kebutuhan untuk perangkat sensor yang mahal dan umpan balik seperti encoder optik dapat dieliminasi. Kontrol Loop Tertutup Ketika sebuah loop umpan balik diperkenalkan ke dalam sistem kontrol, kuantitas output berpengaruh pada jumlah input. Sistem kontrol dikelompokkan sebagai sistem kontrol loop tertutup. Sebuah sistem loop tertutup dapat mengatasi kesulitan ketika bertemu dengan sebuah sistem kontrol loop terbuka yang menggunakan umpan balik Sebuah diagram blok menggambarkan skema loop tertutup kontrol motor ditunjukkan dalam Gambar 3. Dengan kontrol loop tertutup, orang tidak hanya menentukan posisi yang tepat pada saat beban masuk, tetapi dapat mencapai kecepatan yang lebih tinggi dan lebih stabil. Setiap perintah dikeluarkan hanya ketika motor telah menanggapi perintah sebelumnya sehingga tidak ada kemungkinan kehilangan sinkronisme motor. Sistem loop tertutup membutuhkan bagian komponen yang lebih, dan sirkuit kontrol yang ekstra, agar mereka dapat melakukan fungsi umpan balik, dan akibatnya lebih kompleks daripada loop terbuka. Hal ini berarti membutuhkan biaya yang lebih tinggi untuk desain dan implementasi sistem loop tertutup pada peralatan mesin CNC.
Gambar 2. Model Mikroprosesor Kontrol Loop Terbuka Dalam sebuah sistem loop terbuka tidak ada umpan balik dari posisi beban ke controller dan oleh
3
Gambar 3. Diagram Blok Kontrol Loop Tertutup dari Motor Langkah Aksi Kontrol Dasar Dalam bagian ini kita akan membicarakan secara rinci aksi kontrol dasar yang digunakan dalam kontroler analog industri. Kita akan memulai dengan klasifikasi kontroler analog industri. Kontroler analog industri dapat diklasifikasikan sesuai dengan aksi pengontrolannya sebagai berikut : 1. Kontroller dua posisi atau on-off 2. Kontroller proporsional 3. Kontroler integral 4. Kontroler proporsional ditambah integral 5. Kontroler proporsional ditambah turunan 6. Kontroler proporsional ditambah turunan ditambah integral Sebagian besar kontroler di industri menggunakan listrik atau fluida-tekan seperti minyak atau udara sebagai sumber daya. Kontroler otomatis juga dapat diklasifikasikan sesuai dengan jenis daya yang digunakan dalam operasi, seperti kontroler pneumatik, kontroler hidrolika, atau kontroler elektronik. Jenis apa yang harus digunakan diputuskan berdasarkan sifat ‘plant’ dan kondisi kerja, mencakup beberapa pertimbangan seperti keamanan, biaya, ketersediaan, keandalan, ketelitian, berat, dan ukuran. Gambar 4 adalah diagram blok dari sistem kontrol industri, yang terdiri dari kontroler otomatis, aktuator, “plant”, dan sensor (elemen pengukur). Kontroler mendeteksi sinyal kesalahan aktuasi, yang biasanya mempunyai tingkat daya sangat rendah, dan memperkuatnya menjadi tingkat yang tingginya mencukupi. Jadi kontroler otomatis terdiri dari detektor kesalahan dan penguat atau amplifier. Seringkali rangkaian umpan balik yang sesuai, bersama dengan penguat, digunakan untuk mengubah sinyal kesalahan aktuasi dengan memperkuat dan kadang – kadang dengan diferensiasi dan atau integrasi untuk menghasilkan sinyal kontrol yang lebih baik. Aktuator adalah alat daya yang menghasilkan masukan ke plant sesuai dengan sinyal kontrol sedemikian sehingga sinyal umpan balik akan berkaitan dengan sinyal masukan acuan. Keluaran dari kontroler otomatis dimasukkan ke aktuator, seperti misalnya motor atau katup pneumatik, motor hidrolika, atau motor listrik. Sensor atau elemen pengukur adalah alat yang mengubah variabel keluaran menjadi variabel yang sesuai, seperti perpindahan, tekanan, atau
tegangan, yang dapat digunakan untuk membandingkan keluaran dengan sinyal masukan acuan. Elemen ini berada pada jalur umpan balik dari sistem loop tertutup. Titik “set”dari kontroler harus diubah ke masukan acuan dengan unit yang sama dengan sinyal umpan balik dari sensor atau elemen pengukur.
Gambar 4. Diagram blok sistem kontrol industri Kebanyakan kontroler otomatis industri, dipisahkan unit per unit sebagai elemen pengukur dan aktuator. Dalam kasus yang sederhana seperti kontroler beroperasi otomatis maka elemen – elemennya disusun dalam satu unit. Suatu kontroler beroperasi sendiri lebih banyak digunakan untuk kontrol tekanan air maupun gas. Aplikasi logika fuzzy Tiga operasi utama yang diterapkan dalam pengambilan keputusan proses logika fuzzy: pemilihan input fuzzy dan output, pembentukan aturan fuzzy, dan keputusan fuzzy. Sebuah pendekatan trial and error digunakan untuk mengembangkan fungsi keanggotaan. Meskipun fungsi segitiga dan trapesium digunakan dalam membangun fungsi keanggotaan untuk menganalisa cacat dan warna, fungsi eksponensial dengan basis e bilangan irasional digunakan untuk mensimulasikan kecenderungan dari ahli manusia dalam penilaian apel(buah) dan dalam hal ukuran apel (buah)
Gambar 5. Fungsi keanggotaan untuk analisa cacat
4
Gambar 6 Fungsi keanggotaan untuk analisa warna
ukuran yang terbentuk dengan baik (yang diinginkan), S2 ini mendefinisikan ukuran yang dibentuk cukup (sedang), S3 adalah mendefinisikan ukuran yang dibentuk buruk (buruk). Akhirnya D1 merupakan jumlah terendah dari cacat (yang diinginkan), D2 dan D 3 masing – masing mewakili moderat (menengah) dan tinggi (buruk) jumlah cacatnya. Untuk kelompok kualitas, sedangkan 2 dan 3 berdiri untuk kelompok moderat dan kualitas buruk, masing-masing. Subskrip kedua Q menunjukkan jumlah aturan untuk kelompok kualitas tertentu, yang berkisar mulai dari 1 sampai 17 untuk kelompok kualitas buruk. Jika warnanya kuning murni (masak), maka ada banyak cacat, dan itu adalah ukuran bentuk apel yang buruk (kecil), maka kualitasnya buruk (aturan Q 3, 17) Sebuah himpunan fuzzy ditentukan oleh ekspresi di bawah ini D = {X.µo(x)| xЄ X} µo(x)
Gambar 7 Fungsi keanggotaan untuk analisa ukuran Aturan Fuzzy Pada tahap ini, ekspresi linguistik manusia terlibat dalam aturan fuzzy. Aturan yang digunakan dalam evaluasi kualitas apel diberikan dalam tabel. Dua dari aturan yang digunakan untuk mengevaluasi kualitas apel emas yang lezat diberikan di bawah ini
Gambar 8 Tabulasi aturan fuzzy
[0 1]
Dimana X mewakili set universal, D adalah himpunan fuzzy dalam X dan µD (x) adalah fungsi keanggotaan himpunan fuzzy gelar D. keanggotaan untuk setiap set berkisar dari 0 ke 1. Nilai 1,0 merupakan anggota 100% sementara nilai 0 berarti keanggotaan 0%. Jika ada tiga bagian grup ukuran, maka tiga keanggotaan ini diperlukan untuk mengekspresikan nilai-nilai ukuran dalam aturan fuzzy. Tiga operasi himpunan utama dalam logika fuzzy adalah AND, OR, dan pelengkap (komplemen), yang diberikan sebagai berikut AND
: µ C ^ µ D = min {µ C, µD}
OR
: µ C U µD = (µ C ^ µD) =max {µC, µ D}
Complement
: 1 - µD
Jika warna kehijauan, tidak ada cacat, dan ini adalah sebuah apel besar yang terbentuk dengan ukuran baik, maka kualitasnya sangat baik (aturan Q1,1)
Dimana, C1 adalah kualitas warna kehijauan (yang diinginkan), C2 adalah warna kualitas warna kuning kehijauan (sedang), dan C3 adalah kualitas warna kuning (buruk); S1, di sisi lain, adalah mendefinisikan
5
Metode Penelitian
Pemodelan digunakan dengan menggunakan software microsoft visual basic 6 untuk mengetahui cara kerja sistem kontrol dan penerapannya secara efektif.
Analisa & Pembahasan Parameter Perhitungan
Flowrate yang bekerja pada Pompa LPG berkisar 300 kg/min – 500 kg/min Specific Gravity dari Propan dan Butan menurut standar NFPA 58 yaitu 0.504 dan 0.582 LPG merupakan campuran dari Propan dengan Butan dengan komposisi 50:50, sehingga diperoleh specific gravity untuk LPG = = 0.543 kg/L
Konversi Satuan dari Mass Flow Rate ke Volumetric Flow Rate 1 kg/min = 0.1105 m3/hr pada specific gravity 0.543 kg/L = 543 kg/m3
Gambar 6. Flowchart Pengerjaan
Rumus Perhitungan
1.
Sesuai hukum afinitas bahwa :
2.
3.
4.
5.
Studi Literatur Pengumpulan dasar teori penunjang yang terkait dengan sistem pengendalian dan karakteristik kerja pompa Pengumpulan Datasheet equipment pompa dan inverter Pengumpulan data-data yang diperlukan untuk menganalisa sistem kerja pompa dan inverter berkaitan dengan manual book dan minimum requirement kerja peralatan penunjang sistem kerja pompa. Perencanaan Sistem Pengendalian Perencanaan ini berkaitan dengan pemilihan sistem pengendalian yang cocok untuk diterapkan pada tugas akhir ini (sistem loop terbuka atau sistem loop tertutup) Block Diagram Setelah menentukan bentuk sistem pengendalian, kita buat block diagram sebagai implementasi dari penyusunan equipment dan sistem pengendalian yang digunakan Pemodelan dan Simulasi Sistem
Debit aliran (Q) berbanding lurus dengan kecepatan putaran (N) atau Q α N Daya (P) berbanding lurus dengan kubik kecepatan putaran (N) Berdasarkan rumus perhitungan atau P α kapasitas dan daya pompa spesifik yang digunakan terminal LPG Semarang Konsorsium CPO yaitu : Qspesifik =
xQ
Dimana : Q
: Debit aliran (m3/hr)
Qspesifik
: Debit aliran (m3/hr)
N spesifik
: Kecepatan putaran spesifik (rpm)
N
: Kecepatan putaran (rpm)
Pspesifik =
x Pp x
6
Dimana : N spesifik
: Kecepatan putaran spesifik (rpm)
N
: Kecepatan putaran (rpm)
Pp (kW)
: Daya pompa yang dibutuhkan
p2
: Densitas propan (kg/m³)
p1
: Densitas butan (kg/m³)
Detail Perhitungan Q
= 110 m3/h
N
= 2970 rpm
Tabel 1. Hubungan Flowrate dengan prosentase kerja pompa (lanjutan)
Pp
= 75 kW
Perhitungan Arus pada Motor
p2
= 504 kg/m3
Rumus Daya
p1
= 582 kg/m³
P= Dimana : P
: Daya spesifik pada flow rate tertentu (kW)
V
: Tegangan motor (volt) = 380 volt
I
: Arus (A)
PF : Faktor daya dalam desimal, untuk motor 3 phase ini = 0.9 Persamaan Setpoint arus kontroler dan sinyal arus feedback Arus
Sinyal arus
109.49 A
20mA
0.11 A
4mA
Tabel 1. Hubungan Flowrate dengan prosentase kerja pompa
7
= 16 (x – 0.11)
= 109.49 (y – 4)
16x – 1.76
= 109.49y – 437.96
109.49y
= 16x + 436.2
y
= 0.146x + 3.984
Dengan y
: Arus dalam A
x
: Sinyal arus dalam mA
Tabel 2. Flowrate vs Sinyal arus (lanjutan) Sistem Kontrol dengan menggunakan logikafuzzy Gambaran umum
Tabel 2. Flowrate vs Sinyal arus
Ada 2 pompa sentrifugal dengan kapasitas maksimal 995 kg/min dan kerja pompa disini disusun secara parallel untuk memenuhi kebutuhan aliran di filling shed. Jumlah filling shed ada 5 dengan laju kapasitas aliran maksimum pada filling shed berkisar 300 – 600 kg/min. Dari ilustrasi di atas kita dapat membuat rulebasenya sebagai berikut. 1 pompa dapat menghandle maksimal 1 & 2 filling shed 2 pompa dapat menghandle maksimal 3, 4 dan 5 filling shed
8
Input data pada sistem kontrol ini terdiri dari 2 jenis, yaitu berupa flow output pada masing – masing filling, dan jumlah filling shed. Berikut ini adalah skenario perancangan input dan range yang dipakai Tabel 3. Skenario perancangan input membership function No Jumlah Filling Range Flowrate (kg/min) 1
1
0 – 650
2
2
350 – 1000
3
3
650 – 1300
4
4
1000 – 1650
5
5
1300 – 1950
Perancangan selanjutnya adalah perancangan output dari sistem kontrol yaitu jumlah pompa yang digunakan . Berikut ini adalah perancangan output dan range flow untuk penggunaan 1 pompa. Tabel 4. Skenario perancangan output membership function No Jumlah Pompa Range Flowrate (kg/min) 1
1
0 – 1000
2
2
1000 – 2000
Kesimpulan Dari pembahasan mengenai simulasi dan analisa perhitungan dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Sistem kontrol dinamik kerja pompa menggunakan logika fuzzy dengan input membership function berupa flow output dan jumlah filling shed sedangkan output membership function berupa jumlah pompa. 2.
Pemodelan sistem kontrol kerja pompa dengan analisa perhitungan parameter kerja pompa ini menggunakan software microsoft visual basic.
3.
Sesuai hukum afinitas, bahwa pengaruh flowrate atau laju aliran terhadap kerja pompa dalam hal ini adalah daya pompa adalah berbanding lurus dengan perbandingan daya pompa sama dengan kubik dari laju aliran
Daftar Pustaka OGATA, K. LEKSONO, E. 1985 : Teknik Kontrol Automatik. 197 – 203, Erlangga, Jakarta KASAP , O. 2005. Thesis For Degree of Master of Science in Electrical and Electronics Engineering: Development of a PC Numerical Control System for High Voltage Sphere Gap Control. 7 – 10 www.energyefficiencyasia.org. Peralatan Energi Listrik : Pompa dan Sistem Pemompaan
9
