perancangan level switching control tangki timbun

1
PERANCANGAN LEVEL SWITCHING CONTROL TANGKI
TIMBUN PREMIUM TBBM PERTAMINA MANGGIS BALI
Tica Choirun Nisa., Ir. Ya’umar, MT
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Teknik Industri, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
Abstrak— Terminal transit BBM ( bahan bakar
minyak) merupakan fasilitas yang digunakan untuk
mendistribusikan bahan bakar dari kilang minyak kepada
truk tangki.Pada jalur distribusi premium menuju filling
shed, terjadi fenomena kavitasi pada pompa distribusi
filling shed. Fenomena kavitasi tersebut diakibatkan oleh
suplai bahan bakar dari tangki timbun menuju filling shed
tidak satu fasa, melainkan dua fasa yaitu fasa cair dan
gas. Hal ini dikarenakan suplai bahan bakar dari tangki
penimbunan berkurang tekanannya. Berdasarkan hal
tersebut, maka dirancang suatu sistem pengendalian level
tangki timbun bahan bakar premium di TBBM Pertamina
Manggis Bali. Pengendalian level tangki dilakukan dengan
cara mengatur MOV yang ada pada Tangki timbun
dengan metode switching control. Untuk melakukan
switching diperlukan kontrol berbasis logika. Berdasarkan
hasil simulasi penurunan level tangki untuk kondisi empat
pompa aktif membutuhkan waktu 3500 detik. Untuk
kondisi tiga pompa aktif membutuhkan waktu 4750 detik.
Untuk kondisi dua pompa aktif membutuhkan waktu 9300
detik. Untuk kondisi satu pompa aktif membutuhkan
waktu 37000 detik.
Kata kunci - Level, Tangki Timbun BBM, Switching
control, kontrol berbasis logika
I. PENDAHULUAN
TBBM (terminal bahan bakar minyak) adalah fasilitas milik
PERTAMINA yang digunakan untuk mendistribusikan BBM
dari tempat pengolahan BBM ke SPBU (stasiun pengisian
bahan bakar umum). Fasilitas pada TBBM antara lain jalur
unloading, jalur backloading, tangki timbun, rumah pompa,
dan filling shed. Diantara fasilitas – fasilitas tersebut, rumah
pompa dan filling shed merupakan fasilitas yang paling vital.
Hal ini dikarenakan rumah pompa dan filling shed digunakan
untuk mendistribusikan BBM dari tangki timbun ke truk
tangki. Pada rumah pompa, terdapat empat pompa yang
digunakan untuk proses distribusi premium menuju filling
shed dengan delapan filling shed. Masing – masing pompa
digunakan untuk mencukupi permintaan dari dua filling shed.
Pompa yang digunakan yaitu pompa sentrifugal. Pompa
sentrifugal beroperasi dengan meningkatkan tekanan yaitu
perputaran motor membuat fluida mengalir melewati impeler
yang berputar [1]. Pompa mendapatkan suplai dari tangki
timbun untuk mengalirkan bahan bakar menuju filling shed.
Akan tetapi dalam proses pendistribusian sering terjadi
kavitasi pada pompa atau yang lebih dikenal dengan istilah
“masuk angin”. Kavitasi pada pompa sentrifugal terjadi akibat
nilai NPSHA (Net Positive Suction Head Available) lebih
kecil dari nilai NPSHR (Net Positive Suction Head Required)
[2]
. Hal tersebut terjadi dikarenakan kesalahan pada operator
yang terlambat untuk menutup valve pada tangki yang kosong
dan membuka valve pada tangki lain yang masih tersedia
bahan bakar atau dapat dikatakan sistem yang ada belum
terdapat sistem kendali secara otomatis. Akibatnya, proses
pengisian bahan bakar pada filling shed menjadi tidak lancar.
Selain itu, kavitasi pompa dapat mengakibatkan performa dari
pompa menurun, vibrasi, noise atau bising, kerusakan pada
material pompa terutama pada impeler pompa, dan vapor lock
jika pressure drops penghisap pompa dibawah nilai ambang
batas [3]. Berdasarkan kondisi tersebut maka dirancang suatu
sistem yang dapat mengendalikan sistem aliran bahan bakar
menuju pompa secara otomatis dengan menggunakan
switching control agar suplai pada pompa tetap terjaga.
II. URAIAN PENELITIAN
Gambar 1 Flowchart Penelitian
2
A. Perancangan Level Switching Control
Pada desain level switching control ini akan dirancang sistem
kendali otomatis dari buka tutup valve keluaran tangki. Hal ini
bertujuan untuk menanggulangi fenomena kavitasi pada
pompa. Valve keluaran dari tangki akan membuka dan
menutup sesuai dengan perintah yang diberikan oleh logic
solver. Logic solver menerima informasi mengenai
ketersediaan bahan bakar pada tangki sehingga dapat
memberikan perintah kepada valve untuk terbuka atau
tertutup.
(1.b)
(1.c)
(1.d)
Karena ketinggian tangki konstan, maka persamaan menjadi:
(1.e)
Dengan menggunakan persamaan tersebut dan data yang telah
dikumpulkan dari plant, kemudian dilakukan plot pada
software matlab 2009a sebagai berikut:
Gambar 3 Simulasi Tangki Timbun
2. Motor Operated Valve (MOV)
MOV bertindak sebagai aktuator pada sistem ini. Terdapat
empat buah valve dengan tipe gate valve. Model dinamik dari
MOV didapatkan dari persamaan berikut [4] :
(2)
Dengan menggunakan persamaan tersebut, disusunlah dalam
simulasi seperti berikut :
Gambar 2 Desain Level Switching Control
Terdapat empat tangki timbun premium dengan masing –
masing satu valve keluaran tangki. Kondisi yang berlaku yaitu
valve pada tangki pertama terbuka terlebih dahulu hingga
volume pada tangki pertama mencapai dead stock. Dead stock
adalah keadaan dimana volume pada tangki mencapai level
minimum yang diperbolehkan. Ketika tangki pertama telah
mecapai dead stock, logic solver memerintahkan valve tangki
pertama untuk menutup dan valve tangki kedua untuk
membuka. Kondisi tersebut berlaku seterusnya untuk valve
tangki ketiga dan valve tangki keempat. Ketika sedang terjadi
proses truck loading, tangki tidak diperbolehkan dalam
keadaan unloading.
B. Model Dinamik Instrumen Penyusun Sistem
Sistem disusun atas beberapa instrumen – instrumen yaitu
tangki timbun, MOV, pompa, dan ATG. Masing – masing
dari instrumen tersebut memiliki model dinamik yang
kemudian digunakan untuk membuat simulasi. Berikut model
dinamik dari intrumen – instrumen tersebut :
Gambar 4 Simulasi MOV
3. Pompa
Model dinamik pompa didapatkan melalui melalui persamaan
berikut [1] :
(3)
Berdasarkan persamaan tersebut, kemudian disusun dalam
simulasi seperti gambar dibawah ini :
1. Tangki Timbun
Model dinamik dari tangki timbun didapatkan melalui
persamaan :
(1.a)
Gambar 5 Simulasi Pompa
3
4. Automatic Tank Gauging (ATG)
ATG yang digunakan merupakan ATG dari jenis yang
menggunakan motor servo. Motor bergerak berdasarkan level
dari fluida dalam tangki. Pergerakan gear motor tersebut
menggerakkan inch wheel yang terdapat code tracks. Code
tracks tersebut ditangkap oleh detektor yang kemudian
diterjemahkan dalam grey code yang berupa kode biner. Kode
biner dari grey code kemudian diterjemahkan berupa nilai
level fluida pada tangki.
Gambar 8 Condition Table pada Truth Table
Gambar 6 Layout sistem ATG [5]
Persamaan yang digunakan untuk menyusun simulasi pada
software matlab 2009a yaitu menggunakan persamaan umum
fungsi transfer sensor [6].
(4)
C. Perancangan Logika Switching Control
Switching control adalah salah satu metode yang digunakan
untuk mengontrol suatu proses dalam jumlah yang kecil
ataupun dalam jumlah yang besar dengan menggunakan
prinsip on-off. Pada Sistem level switching control terdapat
kondisi yaitu dimana tidak ada proses pengisian pada tangki
timbun dan kondisi ketika terjadi proses pengisian pada tangki
timbun.
Gambar 9 Action Table pada Truth Table
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah dilakukan langkah – langkah penyusun sistem mulai
dari pengabilan data plant, memodelkan instrumen –
instrumen penyusun sistem, dan membuat simulasi kemudian
didapatkan hasil dari simulasi sebagai berikut :
Gambar 7 Wiring Diagram Logic Solver
Dalam truth table disusun logika switching control yang
terdiri atas conditional table dan action table. Condition table
berisi deskripsi kondisi yang berlaku pada sistem sedangkan
action table berisi perintah pada aktuator sesuai dengan
deskripsi yang ada pada conditon table. Berikut tabel kondisi
dan tabel aksi pada logic solver :
A. Penurunan Level Tangki Timbun
Berdasarkan pemodelan, didapatkan bahwa terjadi penurunan
ketinggian level tangki. Pada plot simulink, penurunan level
tangki terjadi secara kontinyu atau terus menerus berdasarkan
permintaan pengisian pada filling shed. Jumlah permintaan
pengisian pada filling shed menentukan jumlah pompa yang
aktif. Jumlah pompa aktif mempengaruhi lama waktu yang
dibutuhkan oleh tangki hingga memcapai dead stock atau
level terrendah yang ditentukan pada setiap tangki.
Berikut grafik penurunan level tangki dengan kondisi
berdasarkan jumlah pompa yang aktif :
4
12
10
level (m)
8
6
4
2
0
0
500
1000
1500
2000
time (s)
2500
3000
3500
4000
Gambar 10 Grafik Penurunan Level Tangki Terhadap Waktu
dengan Empat Pompa Aktif
12
10
level (m)
8
6
4
2
0
3000
time (s)
2000
1000
0
6000
5000
4000
Gambar 9 menunjukkan grafik penurunan level tangki
terhadap waktu. Waktu yang diperlukan untuk tangki
mencapai dead stock atau level terendah yaitu 3840 detik atau
sekitar 1jam 4 menit. Waktu tersebut dicapai dalam kondisi
empat pompa aktif.
Berbeda dengan gambar 9, gambar 10 merupakan grafik
penurunan level tangki pada kondisi tiga pompa aktif. Pada
kondisi tersebut waktu yang diperlukan tangki mencapai dead
stockyaitu 5125 detik atau 1 jam 25 menit. Jika dibandingkan
dengan kondisi empat pompa aktif, waktu yang dihabiskan
pada kondisi kedua lebih lama.
Pada gambar 11 waktu yang diperlukan untuk tangki
mencapai dead stock yaitu 10000 detik atau 2 jam 47 menit.
Waktu tersebut didapatkan pada kondisi dua pompa aktif atau
terjadi pengisian di tiga atau empat filling shed.
Kondisi selanjutnya yaitu ketika hanya ada pengisian di satu
atau dua filling shed. Pada kondisi tersebut, hanya ada satu
pompa yang aktif. Waktu yang diperlukan untuk tangki
mencapai dead stock yaitu 34800 detik atau 9 jam 40 menit
seperti terlihat pada gambar 12.
Perbedaan waktu yang dihabiskan pada masing – masing
kondisi dikarenakan debit fluida yang keluar dari tangki
berbeda - beda. Semakin banyak pompa yang aktif, semakin
besar debit dari fluida yang keluar dari tangki sehingga waktu
yang diperlukan untuk tangki mencapai level terendahnya
semakin cepat.
10
Gambar 11 Grafik Penurunan Level Tangki Terhadap
Waktu dengan Tiga Pompa Aktif
8
level (m)
11
10
9
8
6
4
level (m)
7
6
2
5
4
3
0
2
1
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
time (s)
7000
8000
9000
10000
11000
Gambar 12 Grafik Penurunan Level Tangki Terhadap
Waktu dengan dua Pompa Aktif
11
10
9
8
level (m)
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
time (s)
2.5
3
3.5
4
4
x 10
Gambar 13 Grafik Penurunan Level Tangki Terhadap Waktu
dengan satu Pompa Aktif
0
2000
4000
6000
10000
8000
time (s)
12000
14000
16000
18000
Gambar 14 Respon Penurunan Level Tangki Sesuai dengan
Permintaan pada Filling Shed
Pada gambar 14 merupakan respon penurunan level tangki
timbun premium dengan variasi permintaan pengisian pada
filling shed. Gambar tersebut menunjukkan bahwa simulasi
dapat bekerja sesuai dengan keadaan real pada plant yaitu
permintaan pada plant tidak terjadi secara kontinyu atau terus
menerus akan tetapi permintaan terjadi apabila truk
pengangkut bahan bakar melakukan pengisian pada filling
shed. Garis mendatar pada grafik menunjukkan tidak adanya
aktifitas pada filling shed atau truk sedang tidak melakukan
pengisian. Garis menurun pada grafik menunjukkan adanya
aktifitas pada filling shed sehingga level bahan bakar pada
tangki timbun mengalami penurunan.
B. Pengujian Model ATG
Sesuai Pada pengujian ATG diberikan sinyal uji step untuk
mengetahui respon dari sensor ketika diberikan sinyal uji step.
Nilai yang diberikan yaitu nilai awal sebesar 10 dan nilai akhir
5
sebesar 0,5 sedangkan step timeyang digunakan adalah 5
detik. Pengujian dilakukan untuk mengetahui apakah sensor
mengeluarkan arus listrik sebesar X mA saat level bahan
bakar pada titik tertinggi maupun titik terendah [7].
Berikut respon ATG terhadap sinyal uji yang diberikan :
2.5
2
1.5
flow (m3/s)
11
10
9
1
8
level (m)
7
0.5
6
5
4
0
3
2
1
20
40
60
80
100
time (s)
120
140
160
180
200
4600
4700
4800
4900
5000
time (s)
5100
5200
5300
5400
5500
1.6
2
1
0
3
4
10
9
8
7
6
5
time (s)
Gambar 15 Grafik respon ATG terhadap sinyal uji step
Pada grafik respon diatas dapat dilihat bahwa ATG
memerlukan waktu untuk dapat membaca ketinggian
maksimal fluida dalam tangki selama 0,6 detik. Setelah
mencapai step time selama 5 detik, sensor dapat membaca
penurunan level dalam waktu 0,6 detik.
1.4
1.2
flow (m3/s)
0
0
1.8
1
0.8
0.6
0.4
C. Respon MOV
Respon MOV dapat dilihat dari grafik respon flow terhadap
waktu. Hal ini bertujuan untuk mengetahui waktu yang
diperlukan valve untuk membuka dan menutup sesuai dengan
perintah dari logic solver.
0.2
0
4500
Gambar 17 Grafik Uji Respon mov pada Saat Terbuka dan
Menutup dengan Tiga Pompa Aktif
3.5
1.4
3
1.2
2.5
flow (m3/s)
flow (m3/s)
1
2
1.5
0.8
0.6
1
0.4
0.5
0.2
0
0
20
40
60
80
100
time (s)
120
140
160
180
200
0
3
0
20
40
60
80
100
time (s)
120
140
160
180
200
0.9
2.5
0.8
0.7
0.6
1.5
flow (m3/s)
flow (m3/s)
2
1
0.5
0.4
0.3
0.5
0.2
0
3000
3100
3200
3300
3400
3500
time (s)
3600
3700
3800
3900
4000
Gambar 16 Grafik Uji Respon mov pada Saat Terbuka dan
menutup dengan Empat Pompa Aktif
0.1
0
0.9
0.95
1
1.05
1.1
time (s)
1.15
1.2
1.25
1.3
4
x 10
Gambar 18 Grafik Uji Respon mov pada Saat Terbuka dan
Menutup dengan Dua Pompa Aktif
6
0.35
5. Pada saat menutup, valve memiliki waktu yang berbeda
pada masing – masing kondisi. Pada saat keempat pompa aktif
MOV membutuhkan waktu 84 detik, saat tiga pompa aktif
membutuhkan waktu 95 detik, saat dua pompa aktif
membutuhkan waktu 1090 detik, dan saat satu pompa aktif
membutuhkan waktu 1160.
6. Valve pada keluaran masing – masing tangki dapat
membuka dan menutup sesuai dengan perintah logic solver.
0.3
flow (m3/s)
0.25
0.2
0.15
0.1
UCAPAN TERIMA KASIH
0.05
0
0
20
40
60
80
100
time (s)
120
140
160
180
200
0.25
Terima kasih pada Allah SWT, keluarga, para dosen, sahabat,
dan rekan – rekan mahasiswa yang selalu mendukeng dan
memberi semangat sehingga penulis dapat menyelesaikan
tugas akhir ini.
0.2
DAFTAR PUSTAKA
[1]
flow (m3/s)
0.15
[2]
0.1
[3]
0.05
[4]
0
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
4
time (s)
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4
x 10
Gambar 19 Grafik Uji Respon mov pada Saat Terbuka dan
Menutup dengan Satu Pompa Aktif
Pada saat valve mulai terbuka,,waktu yang dibutukan valve
untuk terbuka yaitu selama 102 detik pada setiap kondisi.
Akan tetapi pada saat valve tertutup waktu yang dibutuhkan
valve berbeda – beda. Pada kondisi keempat pompa aktif
memerlukan waktu 84 detik hingga valve menutup 100%.
Pada kondisi tiga pompa aktif memerlukan waktu 95 detik
untuk valve dapat menutup 100%. Pada kondisi dua pompa
aktif memerlukan waktu 1090 detik untuk valve dapat
menutup100%. Pada kondisi hanya satu pompa aktif valve
memerlukan waktu 1160 detik untuk dapat menutup 100%.
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang dilakukan, diperoleh kesimpulan
sebagai berikut :
1. Telah dirancang sistem level switching control pada tangki
timbun TBBM Pertamina Manggis Bali berbasis logika
kontrol.
2. Karakteristik level switching control yaitu level switching
control bekerja sesuai dengan logika pada logic solver.
3. Pada setiap kondisi pompa aktif, waktu yang dibutuhkan
oleh tangki hingga mencapai batas level terrendah berbeda –
beda. Untuk kondisi empat pompa aktif membutuhkan waktu
3500 detik. Untuk kondisi tiga pompa aktif membutuhkan
waktu 4750 detik. Untuk kondisi dua pompa aktif
membutuhkan waktu 9300 detik. Untuk kondisi satu pompa
aktif membutuhkan waktu 37000 detik.
4. Pada masing – masing kondisi, valve memiliki respon
waktu 102 detik untuk membuka hingga 100%.
[5]
[6]
[7]
Grundfos Research And Technology. The Centrifugal Pump.
Danish. Grundfos Management
Jensen, Jeremy and Dayton, Kenwood “Detecting Cavitation in
Centrifugal Pump”. Bently Rotor Dynamics Research Corporation.
Nevada. 2000
Visser, Frank C “Cavitation in Centrifugal Pumps and Prediction
Thereof´”. ASME Fluids Engineering Division Summer Conference.
Texas. 2005.
http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials
Schroeder, Jr, Donald W. 2001 .
Bella G Liptak : Instrument Engineers Handbook. 2003
Amir, Arjoni “Fungsi Transfer Sistem Kontro Temperatur Heat
Exchanger Menggunakan Model Umpan Balik Loop Tunggal”.
Prosiding pertemuan ilmiah nasional rekayasa perangkat nuklir.
Serpong.
Awaliyah, Nur Rahmah“Perancangan Automatic Backwash Pada
Tangki Sand Filter Di Ipa I Pdam Gresik”. Tugas akhir Jurusan
Teknik Fisika ITS. Surabaya. 2010
BIODATA PENULIS
Tica Choirun Nisa, lahir di Sidoarjo,
Jawa Timur, 4 Juni 1991. Anak
pertama dari tiga bersaudara.
Riwayat Pendidikan :
SDN Kranggan 1 Kota Mojokerto
SMPN 1 Kota Mojokerto
SMA 17 Agustus 1945 Surabaya
Teknik Fisika ITS Surabaya
Pada
tahun
2012
telah
menyelesaikan kerja praktek di
TBBM Pertamina Manggis Bali.