Simulasi Numerik Kontrol Dinamik Kerja Pompa

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