Kata kunci Gas Compressor Aftercooler, manifold, PWM, RPM, kontroler PID, metode root-locus.

Transkripsi

1 PERANCANGAN MODEL MINIATUR GAS COMPRESSOR AFTERCOOLER PADA STASIUN KOMPRESOR PAGARDEWA PT.PGN AOSS BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA560 Muhamad Ameer Hakim, Pembimbing : Aziz Mulim, Pembimbing : Purwanto. Juruan Teknik Elektro Fakulta Teknik Univerita Brawijaya Jalan M.T Haryono No.67 Malang 6545 Indoneia muhameerhakim@gmail.com Abtrak Implementai metode redundant pada motor AC didalam item Ga Compreor Aftercooler pada Staiun Kompreor Pagardewa PT.PGN AOSS mempunyai dampak perbedaan jadwal maintenance kedua motor AC erta rentang kerja motor yang tidak peifik. Pada penelitian ini diimplementaikan motor DC dengan metode compact ebagai item kerja menggunakan Kontroler Proporional Integral Difrenial (PID) berbai mikrokontroler ATMEGA560. Pertimbangan penggunaan motor DC dan kontroler PID adalah dapat menyelarakan kecepatan rotai permenit (rpm) erta mempunyai rentang kerja yang peifik, ehingga diharapkan akan meningkatkan efiieni dan menyelarakan jadwal maintenance motor DC. Berdaarkan metode root-locu dengan pole =.78 didapatkan nilai parameter Kp = 4.9, Ki = 0, dan Kd =.59. Sitem dapat mencapai etpoint 5 o F dengan ettling time ebear 40 ekon pada temperatur ambient ebear 77 o F dan 44 ekon pada temperatur ambient ebear 95 o F. Sitem dapat menjaga temperatur pada rentang 5 o F hingga 35 o F dengan recovery time antara 63 dan 75 ekon ketika diberi gangguan berupa peningkatan temperatur ebear 5 o F. Kata kunci Ga Compreor Aftercooler, manifold, PWM, RPM, kontroler PID, metode root-locu. S I. PENDAHULUAN taiun Kompreor Pagardewa yang terletak di Provini Sumatera Selatan termauk dalam Unit Bini Strategi Tranmii Sumatera-Jawa (Strategic Buine Unit SBU TSJ) milik PT Peruahaan Ga Negara (Perero) Tbk. yang mempunyai kewajiban ebagai penyedia jaa layanan tranmii dan ditribui ga bumi dari umber yang berada di Provini Sumatera Selatan menuju konumen yang berada di Provini Banten melalui Staiun Penerima Ga Bojonegara dan Provini Jawa Barat melalui Staiun Penerima Ga Muara Bekai. Ga bumi yang dikomprei oleh Staiun Kompreor Pagardewa PT Peruahaan Ga Negara (Perero) Tbk. SBU TSJ diuplai oleh PT Pertamina E&P yang terletak di Mui Barat dan Merbau, Provini Sumatera Selatan, memiliki debit aliran (flow rate) terukur Million Million Standard Cubic Feet per Day (MMSCFD) dengan tekanan terukur 386 pig dan temperatur terukur 84 o F (9 o C) euai dengan yang tertera pada Compreor Unit Control Panel (CUCP). Ga Bumi dengan tekanan terukur terebut dinyatakan kurang dari tekanan minimal Tranmii Sumatera-Jawa yang ditetapkan ebear 900 pig, ehingga diperlukan proe peningkatan tekanan (komprei) upaya dapat ditranmiikan berama dengan ga bumi yang diuplai oleh Conoco Phillip dan Medco Energy melalui jalur Tranmii Sumatera Jawa yang dimiliki oleh PT Peruahaan Ga Negara (Perero) Tbk. SBU TSJ. Berdaarkan data pengukuran yang tertera pada panel Compreor Unit Control Panel (CUCP), ga bumi yang diuplai oleh PT Pertamina E&P memiliki tekanan terukur pada maukan (uction) kompreor ebear 386 pig dengan temperatur terukur 84 o F (9 o C) akan dikomprei menjadi ga bumi yang memiliki tekanan terukur pada output (dicharge) kompreor ebear 94 pig dengan temperatur terukur 98 o F-4 o F (9 o C- 07 o C). Temperatur ga terukur pada output (dicharge) kompreor akan meningkat karena euai dengan hukum komprei ga. Pada kondii optimal jaringan tranmii, ga bumi ditranmiikan dengan temperatur terukur ebear 5 o F-35 o F (5 o C-57 o C) euai dengan chedule pipa jaringan Tranmii Sumatera-Jawa (Final Vendor Document Part. Document No: A-RE ) ehingga diperlukan proe penurunan temperatur pada ga yang akan ditranmiikan, yaitu dengan metode item aftercooler yang diaplikaikan diantara bagian dicharge item kompreor dan unit ga metering. Pada perancangan miniatur item ga compreor aftercooler, penyuun menggunakan dua unit motor DC erta mengintegraikan item pendingin berupa thermoelectric cooler. Kelebihan penggunaan dua unit motor DC yang bekerja ecara haring ebagai penggerak kipa adalah kecepatan rotai permenit (rotation per minute) yang dapat menyeuaikan terhadap temperatur maukan (uction temperature) pada aftercooler ehingga menyeimbangkan beban kerja kedua motor penggerak kipa. Diamping demikian, jadwal perawatan berkala (maintenance) kedua kipa dapat dietarakan. Adapun penggunaan thermoelectric cooler berfungi ebagai penurun temperatur udara yang akan dihiap oleh kipa aftercooler, ehingga diharapkan dapat meringankan beban kerja dengan cara menurunkan kecepatan rotai kedua motor DC. II. IDENTIFIKASI SISTEM A. Aftercooler Kegunaan utama dari item aftercooler atau ering diebut juga heat exchanger adalah ebuah item yang berfungi untuk mendinginkan atau menurunkan temperatur uatu item. Aplikai dari item aftercooler pada umunya diterapkan pada indutri yang membutuhkan item penurun temperatur pada hail/produk eperti pada indutri petrokimia, kilang minyak, bahan kimia, dan pembangkit litrik. Sitem aftercooler ebagai penurun temperatur uatu item terdiri dari dua jeni, yaitu dengan cara menghembukan udara oleh kipa (forced draft aftercooler) atau

2 mengindukikan pana keluar dari item (induced draft aftercooler). Gambar. Aftercooler Pada SKP PT.PGN AOSS B. Motor DC Motor DC yang digunakan dalam penelitian ini adalah 4-wired bruhleh fan DC Delta AFCDE. Pertimbangan menggunakan 4-wired bruhleh fan DC adalah kekompakan akan ukuran erta mempunyai maukan untuk inyal PWM (pule width modulation) yang berguna untuk pengaturan kecepatan RPM (rotai per menit) melalui pengaturan tegangan dengan mengatur duty cycle dimana pembacaan rpm melalui tachometer yang menghailkan pula etiap perputaran. Membutuhkan catu daya VDC.60A, Delta AFCDE mempunyai nilai kecepatan rpm makimal ebear 400 rpm yang dapat menghailkan aliran udara ebear 93 CFM (Cubic Feet Minute). data digital, maka tidak terdapat degradai data ketika mengukur temperatur pada jarak yang jauh. DS8B0 menyediakan 9 hingga -bit (yang dapat dikonfigurai) data dan erial number yang independen, maka beberapa enor DS8B0 dapat dipaang dalam bu. Hal ini memungkinkan pembacaan temperatur dari berbagai tempat terpiah. Mekipun ecara dataheet enor DS8B0 ini dapat mengukur temperatur hingga 5 o C (57 F), namun dengan penutup kabel dari PVC diarankan untuk penggunaan tidak melebihi 00 o C ( F). Gambar 3. Senor Temperatur DS8B0 E. Manifold Definii manifold adalah percabangan dari atu pipa bear menuju beberapa pipa kecil yang lebar erta menuju atu pipa bear kembali. Kegunaan manifold dalam penelitian ini ebagai agen heat releaer atau pelepa pana yang dihailkan oleh hotjet. Penggunaan bahan tembaga ebagai pipa mengacu pada koefien hantar pana tembaga merupakan yang terbaik dari jeni logam. Gambar. 4-Wired Bruhle Fan DC C. Heated Air Compreor WA-5 Alat yang diebut ebagai hotjet pada dunia indutri ini digunakan untuk memodelkan ga compreor dari item aftercooler. Membutuhkan catu daya dengan rating 00-30V 8A, Hotjet WA-5 mempunyai kala dalam mengatur temperatur udara yang dihailkan agar euai dengan kebutuhan pengguna, yaitu 90 o F (kala ) hingga 740 o F (kala ) dengan tekanan udara ebear 5pig. Gambar 4. Manifold Tembaga F. Arduino MEGA 560 Arduino Mega 560 adalah board Arduino Mega veri terbaru, yang merupakan perbaikan dari board terdahulunya yaitu Arduino Mega 80. Arduino Mega 560 memiliki 54 pin digital input/output (dengan 4 pin yang dapat digunakan ebagai output PWM(Pule Width Modulation)), 6 pin input analog, 4 UART (Univeral Aynchronou Receiver/ Tranmitter), krital 6 MHz oilator, koneki USB, jack litrik, header ICSP (in-circuit erial programming ), dan tombol reet. Gambar 5. Arduino MEGA 560 Gambar. WA-5 Hotjet D. Senor Temperatur DS8B0 probe Senor temperatur DS8B0 digunakan untuk mengukur temperatur pada tempat yang baah atau lembab. Keluaran data enor temperatur ini merupakan G. LCD 0x4 LCD (liquid crytal diplay) yang digunakan adalah lcd yang memiliki reolui 0x4 dan dapat dikontrol dalam dua mode yaitu 4-bit dan 8-bit. LCD berguna untuk menampilkan nilai-nilai pembacaan dari enor DS8B0 yaitu temperatur item dalam derajat Fahrenheit dan

3 Celciu erta tachometer yang terdapat pada 4-wired bruhleh fan DC Delta AFCDE yang diperoleh untuk menampilkan kecepatan rotai per menit (RPM). Gambar 6. LCD 0x4 H. Sinyal Peudo Random Binary Sequence Pengujian Peudo Random Binary Sequence (PRBS) adalah inyal kotak yang termodulai pada lebarnya dan berlangung ecara ekuenial. Sinyal ini biaanya dibangkitkan menggunakan Linear Feedback Shift Regiter (LFSR). Pada LFSR memiliki parameter daar yang menentukan ifat ekuenial yang dihailkan, yaitu: panjang dari hift regiter dan uunan umpan balik. PRBS memiliki variai panjang ekuenialnya tergantung dari panjangnya hift regiter eperti ditunjukkan dalam Tabel. Panjang Regiter (N) Tabel. Tabel Variai Panjang Skuenial PRBS Panjang Sekuenial I = n 3 dan 3 7 dan dan dan dan dan , 3, 4, dan dan dan 0 Panjang dari hift regiter menentukan periode makimum yang dapat dihailkan dari ekuenial PRBS yang tidak berulang dan dapat dinyatakan dengan Peramaan: L PRBS= n - I. Kontroler PID Metode Root Locu Rancangan item kendali loop tertutup dengan metode root locu memungkinkan untuk mengatur ekurang-kurangnya dua letak pole item loop tertutup ehingga dapat diatur tanggapan tranient pada tingkat tertentu dan pengaruhnya terhadap tanggapan keadaan mantap. Proedur analiti perancangan kontroler PID menggunakan metode root locu dapat dilihat dalam gambar berikut. Gambar 7. Sitem Kendali Poii Tap Umpan Balik Untuk item terebut, peramaan karakteritik diberikan oleh + Gc()Gp() = 0 Mialkan diinginkan loku akar melalui =, maka Gc( )Gp( ) = j j e Gc( ) Gp( ) e = Fungi alih kontroler PID etelah ditranformai laplace dinyatakan oleh Gc() = Kp + Ki + Kd. Sehingga dari peramaan diata didapatkan atau Dengan Maka Kd Kd Gp Gc( ) = Kp Gp( ) Ki j e j( ) e e j( ) Gp jin Kp co jin Ki co co( ) j in( ) Menyamakan real dengan real dan imajiner dengan imajiner, didapat atau co( ) Ki co Kd Gp in Kp in( ) Gp co Kd Gp in Kp Gp in( ) co( ) Ki Dari peramaan diaata dapat dilihat bahwa untuk perancangan kontroler PID, atu dari tiga penguatan Kp. Ki, Kd, haru ditentukan dahulu. Sedangkan untuk perancangan PI atau PD, penguatan yang euai pada peramaan diata dibuat ama dengan nol. Untuk kau S adalah imajiner, peramaan diata akan menghailkan dua peramaan dalam Kp dan Kd erta bear Ki haru ditentukan terlebih dahulu. III. PERANCANGAN MODUL Perancangan ini meliputi pembuatan perangkat kera dan perangkat lunak, dimana perangkat kera meliputi perancangan model miniatur ga comreor aftercooler dan perancangan rangkaian elektri bagi Arduino Mega560, enor temperatur DS8B0, dan 4-wired bruhle fan DC. Perancangan perangkat lunak meliputi pembuatan program pada oftware Arduino v.0.8 untuk keperluan analii item yaitu dengan membangkitkan inyal PRBS dan program kontrol PWM 4-wired bruhle fan DC. Untuk mencari fungi alih aktuator digunakan oftwarre imulink Matlab R04b. 3

4 A. Perancangan Ga Compreor Aftercooler Pada penelitian ini, ga compreor aftercooler dirancang untuk mendinginkan udara yang bertekanan 7pig dan dengan temperatur 9 o C (98 o F) menjadi 54 o C (30 o F). Kontruki dari ga compreor aftercoller dengan deain endiri ditunjukan pada gambar 8. Gambar 8. Perancangan Ga Compreor Aftercooler B. Perancangan Elektri Perancangan elektri dari kirpi ini meliputi dari perancangan elektri 4-wired bruhle fan DC, enor temperatur DS8B0, tachometer Delta DC fan AFCDE, LCD 0x4 yang berguna untuk menampilkan hail pembacaan enor yang dihubungkan dengan Arduino Mega560 ebagai mikrokontroler, dan catu daya V. Gambar 9. Perancangan Elektri Sitem C. Perancangan Perangkat Lunak Perancangan perangkat lunak dimulai dengan menjalankan program PRBS pada oftware Arduino v.0.8, elanjutnya didapatkan fungi alih item dengan oftware Matlab R04b dengan input output hail dari program PRBS. Setelah didapatkan fungi alih item, maka langkah elanjutnya adalah mendapatkan parameter Kp, Ki, dan Kd, yang digunakan ebagai parameter kontroler PID pada pemrograman oftware Arduino v.0.8. IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA Pengujian ini meliputi pengujian perangkat kera, dalam hal ini pengujian enor DS8B0, pengujian 4-wired bruhle fan DC Delta AFCDE, pengujian Hotjet WA5. Pada pengujian 4-wired bruhle fan DC Delta AFCDE menggunakan inyal PRBS pada oftware Arduino v.0.8 didapatkan data input-output yang elanjutnya akan dianalia pada oftware Matlab R04b dengan failita ident erta imulink. A. Pengujian enor DS8B0 probe Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui error pengukuran temperatur enor DS8B0 dengan membandingkan hail pengukuran enor DS8B0 dengan hail pengukuran termometer digital. Tabel. Hail Pengujian Senor DS8B0 Termometer ( C) DS8B0 ( C) Error ( C) 5,00 5,374 0,374 30,00 30,45 0,45 35,00 35,56 0,56 40,00 40,4 0,4 45,00 45,36 0,36 50,00 50,36 0,36 55,00 55,5 0,5 60,00 60,30 0,30 65,00 65,386 0,386 70,00 70,348 0,348 75,00 75, 0, 80,00 80,086 0,086 85,00 84,684 0,36 90,00 89,758 0,4 95,00 94,8 0,87 Rata-rata 0,38 B. Pengujian Fan DC Delta AFCDE Pengujian 4-wired bruhle fan DC Delta AFCDE bertujuan untuk mengetahui karakteritik motor, diantaranya adalah pengujian driver, hubungan PWM dengan RPM, pengujian inyal PRBS, pencarian nilai bet fit, dan mendapatkan fungi alih. Tabel 3. Hail Pengujian Driver DeltaAFCDE No PWM Tegangan Tegangan Kontroler (mv) Driver (mv) , ,

5 Hail pengujian menunjukan bahwa keluaran tegangan yang dihailkan rangkaian driver euai dengan tegangan yang dibutuhkan oleh DC fan Delta AFCDE. Namun pada nilai PWM dibawah 40, driver mengatur agar motor DC tidak dalam kondii off, melainkan tetap bekerja dengan nilai tegangan kontan ebear 5.V. Pengujian ini dibuktikan dengan tabel hubungan PWM dengan kecepatan rotai per menit yang ditunjukan oleh tabel 4. mengunakan oftware Matlab R04b dengan failita ident yang dimilikinya. Data identifikai yang digunakan, PRBS ebagai input edangan kecepatan motor ebagai output. Struktur model yang digunakan adalah Auto Regreive with Exogenou input (ARX) dengan etimai parameter. Tabel 4.Hail pengujian PWM terhadap RPM No PWM Kecepatan (rpm) Hail pengujian motor DC fan Delta AFCDE menunjukkan bahwa emakin bear inyal PWM, maka putaran motor emakin cepat. Dengan data pengujian motor yang diperoleh dapat dilakukan pengujian elanjutnya menggunakan inyal PRBS. Hail pengujian menggunakan inyal PRBS ditunjukkan dalam Gambar 0. Gambar 0. Pengaruh inyal PRBS terhadap RPM Gambar. Identifikai Menggunakan Matlab R04b Dengan identifikai yang dilakukan diata, didapatkan nilai bet fit ebear 90.7 %, Gambar. Bet Fit Karakteritik Motor Dari hail pengujian motor DC dengan inyal PRBS didapat nilai fungi alih motor DC ebagai berikut: Y () = U () C. Pengujian Hotjet WA-5 Heated-air Compreor atau yang kerap diebut hotjet pada dunia indutri merupakan ebuah kompreor yang dilengkapi dengan pemana (heater), ehingga udara yang dihailkan mempunyai temperatur yang tinggi. Hotjet Winning WA-5 yang mempunyai kala yang dapat diatur dengan rentang temperatur udara ebear 9 o C o C. Pada penelitian ini digunakan kala, yang menghailkan udara dengan temperatur 9 o C. Pengujian dilakukan untuk mengetahui waktu untuk mencapai etpoint yaitu 9 o C. \ Identifikai item bertujuan didapatkannya fungi alih dari keeluruhan item. Pengujian dilakukan 5

6 Tabel 5. Pengujian hotjet WA-5 No Temperature (C 0 ) Waktu () , , , , , , , , , , , , , ,7 Gambar 4. Grafik Repon Sitem Tanpa PID elanjutnya dilakukan perhitungan untuk menetukan parameter PID yang euai dengan kriteria yang diinginkan, dalam hal ini menggunakan metode root locu yang diimplementaikan dalam oftware Matlab R04b. Dengan digunakannya ketiga parameter PID hail dari tuning maka didapatkan repon yang lebih baik dibandingkan dengan repon item tanpa parameter PID eperti pada gambar 5. D. Penentuan Parameter PID Untuk mendapatkan parameter PID yang yang diinginkan terlebih dahulu ditentukan pole yang dinginkan berdaarkan grafik root locu dari item. Dari grafik root locu dapat dilihat bahwa emua akar berada pada ii kiri bidang, dapat diimpulkan bahwa item tabil dalam nilai manapun, dalam penelitian ini dipilih pole = -.78 dengan gain ebear. Gambar 5. Grafik Repon Sitem Parameter PID Gambar 3. Root Locu Fungi Alih Sitem Dan Pemilihan Pole S Dari lima pilihan parameter PID yang dapat digunakan, maka dipilih parameter PID dengan nilai: Kp = 4.9 Ki = 0 Kd =.59 T S = 40 ekon Dari penelitian, diimpulkan bahwa parameter PID yang bernilai Kp = 4.9, Ki = 0, dan Kd =.59 yang paling tepat digunakan, karena euai dengan ettling time yang diingankan, yaitu 40 ekon, erta tidak membebani motor untuk bekerja dengan angat cepat. Grafik root locu dari fungi alih plant dengan diimplementaikan parameter PID yang telah didapat ditunjukan pada gambar 6. Dari gambar 4 dapat diketahui bahwa repon item tanpa menggunakan parameter kontroler PID tidam dapat mencapai etpoint yang telah ditentukan. Dengan digunakannya parameter kontroler PID hail tuning didapatkan repon yang mencapai etpoint erta lebih cepat dari repon tanpa menggunakan parameter kontroler PID. Gambar 6. Root Locu Sitem Keeluruhan 6

7 Pada oftware Matlab R04b terdapat aplikai imulink yang dapat menimulaikan item dengan parameter PID yang telah didapatkan ebelumnya. Dengan bantuan failita auto tune pada aplikai imulink, didapatkan bahwa item tidak membutuhkan parameter Kd yang ditunjukan pada gambar 7. DAFTAR PUSTAKA [] Gunteru, Fran Falafah Daar : Sitem Pengendalian Proe. Jakarta: Elex Media Komputindo. [] Amtrom, K. J., & Hagglund, Tore. 995 PID Controller: Theory, Deign and Tuning. Intrument Society of America: Reearch Triangle Park. [3] Ogata, K Teknik Kontrol Automatik Jilid. Jakarta. Penerbit Erlangga. [4] Atmel Corporation. 09. ATMEGA 560 Serie. [5] Ga Negara Final Vendor Document: Ga Compreor Aftercooler. Document No.: A-RE-90. Staiun Kompreor Pagardewa. [6] Arthur, J. K., William, R. P., & Daniel, G. M Fundamental Of Natural Ga Proceing. America: CRC Pre. Gambar 7. Auto Tune Pada Failita Simulink Parameter PID dari hail auto tune bernilai: Kp = Ki = 0.0 Kd = 0.8 T S =.8 ekon Parameter Kp dan Ki yang didapatkan pada failita auto tune pada aplikai imulink Matlab R04b tidak dapat digunakan pada plant item keeluruhan karena berdaarkan percobaan, hail implementai kedua parameter terebut tidak tabil erta motor DC akan overheat karena ettling time yang terlampau cepat. V. KESIMPULAN DAN PROSPEK Pengujian dari 4-wired bruhle DC fan Delta AFCDE pada oftware Matlab R04b menggunakan truktur model ARX (Auto Regreive with Exogenu Input) dengan nilai parameter [ ] memperoleh nilai bet fit ebear 90,77%. Pada perancangan parameter PID menggunakan metode root locu dengan nilai pole =.78 didapatkan nilai parameter PID yaitu Kp = 4.9, Ki = 0, dan Kd =.59 dengan pertimbangan repon yang cukup tabil dan tidak membebani motor diluar kemampuan kerja. Dengan etpoint temperatur ebear 5 o F, dibutuhkan time ettling ebear 40 ekon. Hail pengujian ini menunjukan bahwa dengan kontroler PID yang diterapkan pada motor DC dapat bekerja dengan range kerja motor yang lebih peifik dari metode ebelumnya, yaitu metode lead-lag. Namun keterbataan kemampuan motor DC yang digunakan pada penelitian ini mengakibatkan tekanan udara yang dapat diturunkan temperaturnya hanya dibawah 5pig. Penelitian ga compreor aftercooler dapat diaplikaikan pada taiun kompreor ga dengan kala kecil, contohnya pada jaringan ditribui ga pada kela rumah tangga. 7