JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 1 Perancangan Sistem Pengendalian Tekanan dan Laju Aliran Untuk Kebutuhan Refueling System Pada DPPU Juanda-Surabaya Arya Dwi Prayoga, Fitri Adi Iskandarianto, dan Ya umar Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: fiskandarianto@ep.its.ac.id Abstrak Salah Satu tugas utama dari DPPU Juanda yaitu melakukan penerimaan, penimbunan dan pengisian bahan bakar pesawat (Avtur). Pada unit pengisian bahan bakar, digunakan 4 pompa aktif dan 1 pompa cadangan untuk memenuhi permintaan bahan bakar dari apron. Tekanan discharge PCV dijaga konstan pada nilai 11 kg/cm 2 dan flow pada jalur refluks dijaga tidak melebihi 68 m 3 /h. Penambahan kerja pompa terjadi saat permintaan pengisian semakin banyak. Saat terjadi pengurangan jumlah pompa yang bekerja, bahan bakar dialirkan pada jalur refluks. Pada saat starting awal pengisian respon dari control valve PCV211dan FCV yang ada di DPPU Juanda Surabaya terlalu lambat sehingga dapat memungkinkan terjadinya overflow pada jalur header line. Tujuan dari tugas akhir ini adalah merancang suatu sistem pengendalian tekanan dan flow yang mampu mengurangi resiko terjadinya overflow. Untuk membuat suatu sistem pengendalian, terlebih dahulu dilakukan pemodelan pada plant, kemudian untuk mnentukan parameter kontrol dilakukan dengan metode tuning PID. Metode tuning yang digunakan antara lain metode Ziegler-Nichols, Cohen-Coon dan Chien-Hrones-. Dari ketiga metode tersebut, pada sistem pengendalian tekanan, parameter kontrol yang terbaik saat menggunakan metode Cohen-Coon yang menghasilkan nilai Kp = 0.0002134 dan Ti = 0.3383. Sedangkan pada pengendalian flow, paramter kontrol terbaik dihasilkan saat menggunakan metode Chien-Hrones- yang memiliki nilai Kp = 0.407 dan Ti = 0.7824. Dari parameter kontrol tersebut, dihasilkan respon yang memiliki nilai settling time lebih kecil dibandingkan dengan parameter kontrol yang sebelumnya. Dengan kecilnya nilai settling time, maka respon proses menjadi lebih cepat dan dapat mengurangi terjadinya overflow. Kata Kunci Overflow, parameter kontrol, tuning PID, settling time I. PENDAHULUAN ecara umum, dalam sistem pengisian bahan bakar pesawat Sterbang (refueling system) sangat berkaitan erat dengan suatu sistem pengendalian tekanan (pressure) dan sistem pengendalian laju ailran (flow). Untuk menjaga tekanan agar sesuai dengan set point dilakukan pengendalian pada bukaan control valve. Jika tekanan discharge yang terukur tidak sesuai dengan set point yang diharapkan, maka controller akan memberikan perintah pada control valve untuk mengatur bukaan. Dalam refueling system, jika laju aliran (flow) yang mengalir semakin besar maka tekanan yang dihasilkan akan semakin menurun, dengan kata lain akan terjadi pressure drop. Pada DPPU Juanda Surabaya, sistem pengendalian yang ada menggunakan controller berupa DCS (Distributed Control System). Dengan sistem pengendalian yang digunakan masih terdapat masalah-masalah pada refueling system pada DPPU Juanda-Surabaya. Salah satu contohnya adalah terjadinya pressure drop saat dilakukan penambahan beban pengisian dan berpotensi terjadinya overflow pada aliran pipa distirbusi. Selain itu, pada saat terjadi penambahan beban pengisian, terjadi penambahan kerja pompa yang awalnya 1 pompa yang bekerja, menjadi 2 pompa atau lebih bergantung pada banyaknya permintaan pengisian. Untuk penambahan pompa, pompa akan melakukan kerja yang sangat berat untuk melawan laju aliran bahan bakar yang telah mengalir sebelumnya. Dengan kerja yang sangat berat tersebut, kebanyakan pompa dan control valve akan mengalami masalah pada saat pompa dimatikan atau saat pompa mulai bekerja. Oleh karena hal-hal tersebut, dalam tugas akhir ini akan dilakukan penalaan ulang (tuning) pada sistem pengendalian tekanan dan laju aliran untuk mengurangi dan bahkan menghindari terjadinya overflow dan diharapkan mampu memenuhi kebutuhan refueling system pada DPPU Juanda Surabaya. II. URAIAN PENELITIAN A. Depo Pengisian Bahan Bakar (DPPU) Juanda Surabaya Salah satu tugas utama dari DPPU Juanda yaitu melakukan penerimaan, penimbunan dan pengisian bahan bakar pesawat (avtur). Proses penerimaan bahan bakar dimulai dari unloading mobil-mobil pengangkut bahan bakar dari Perak pada terminal unloading. Pada terminal ini, dilakukan pengecekan densitas dari bahan bakar untuk kelayakan pengunaan bahan bakar pada pesawat. Setelah proses unloading, bahan bakar dialirkan menuju collector tanks. Pada collector tanks hanya dilakukan penimbunan bahan bakar sementara sebelum dialirkan menuju tangki penimbun. Bahan bakar yang dialirkan menuju tangki penimbun, sebelumnya dilewatkan pada filter water separator untuk dilakukan penyaringan pada bahan bakar. Penyaringan ini dilakukan untuk menghilangkan kadar air pada bahan bakar sehingga tidak merusak mesin pesawat. Tangki penimbun yang digunakan pada DPPU Juanda berjumlah 4 tangki, yaitu tangki T-01, T-02, T-03 dan T-04. Untuk pengisian bahan bakar pada tangki penimbun, dikendalikan dengan menggunakan Motor Operating Valve (MOV). Pengendalian ini dilakukan untuk mengatur tangki penimbun yang sedang melakukan pengisian dan tangki penimbun yang sedang melakukan pemompaan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 2 bahan bakar sehingga hanya ada satu kemungkinan yang terjadi pada tangki penimbun, yaitu tangki tersebut sedang melakukan penerimaan bahan bakar dari collector tanks atau tangki sedang melakukan pendistribusian bahan bakar. Bahan bakar yang ada pada tangki penimbun, akan didistibusikan keapron dengan menggunakan pompa. Pompa yang digunakan pada DPPU Juanda terdiri dari 5 pompa, yaitu P-201A, P- 201B, P-201C, P-201D, dan P-201E. Dari kelima pompa tersebut, hanya 4 pompa yang aktif bekerja sedangkan 1 pompa hanya digunakan sebagai redundance. Pengaktifan pompa bergantung pada laju aliran permintaan bahan bakar. Proses penyaluran avtur diperlukan pengendalian tekanan sepanjang header line untuk mencegah terjadinya kerusakan pada hydrant pit valve dan valve pada tangki pesawat (Swasta Adithya,2011). Tekanan pada header line dijaga tetap pada nilai 11 kg / cm2. Sistem pengendalian tekanan pada header line menggunakan elemen pengendali akhir berupa control valve PCV211. PCV211 digunakan untuk memanipulasi laju aliran pada header line sehingga tekanannya dapat dijaga konstan pada nilai yang telah ditentukan. C. Metodologi Penelitian Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini dijabarkan melalui diagram alir (flowchart) seperti gambar dibawah ini B. Basic Process Control System Pada DPPU Juanda Sebagaimana proses di industri pada umumnya, walaupun sebagaian besar proses pada DPPU Juanda hanya distribusi bahan bakar tetapi tetap di bawah pengawasan BPCS. Fungsi utama dari BPCS adalah menjaga nilai process variable tetap pada nilai set point yang telah ditentukan. Pada DPPU Juanda, variabel yang dikendalikan adalah tekanan dan laju aliran fluida pada pipa. Berikut adalah gambar P&ID serta diagram blok pengendalian pada DPPU Juanda serta instrumentinstrument BPCS. Gambar. 3. Flowchart peneliian Gambar. 1. P&ID dari sistem pengendalian tekanan pada DPPU Juanda Sesuai dengan diagram alir diatas, langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini dimulai dari pengkajian terhadap sistem yang telah ada hingga membuat model simulasi dan melakukan analisa terhadap hasil yang diperoleh dari simulasi yang telah dilakukan. Gambar. 2. P&ID dari sistem pengendalian laju aliran pada DPPU Juanda Seperti pada gambar 1, pada pengendalian tekanan, tekanan discharge tetap dijaga pada angka 11.5 kg/cm 2. Smaa halnya pengendalian tekanan, pada pengendalian laju aliran, laju aliran pada jalur refluks dijaga agar tidak melebihi 68 m 3 /h. Untuk melakukan hal tersebut, maka diperlukan suatu controller yang dapat memanipulasi variabel yang terukur. D. Instrument-instrumen BPCS Berdasarkan dari tinjauan proses melalui P&ID, instrumen-instrumen yang digunakan pada BPCS, baik itu pada pengendalian laju aliran ataupun pengendalian tekanan, yang digunakan adalah pressure transmitter, flow transmitter dan control valve. Untuk pengendalian tekanan digunakan PCV sedangkan untuk pengendalian laju aliran digunakan FCV. Sesuai dengan gambar 1 dan gambar 2, sistem pengendalian berupa feedback control.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 3 E. Pressure Transmitter Pada umumnya, model dari transmitter dapat didekati dengan sistem orde 1 seperti pada persamaan dibawah ini. Output keluaran dari transmiter memiliki range 4-20 ma serta span input pada pressure transmitter adalah sebesar 0.75 100 Kpa, maka diperoleh gain dari transmitter sebagai berikut.. = (20 4) (100000 750) = 0.0000145 Dengan mengacu pada perhitungan diatas, diperoleh fungsi transfer pada flow transmitter sebagai berikut = 0.0186 0.5688 + 1 Berdasarkan fungsi transfer yang telah diperoleh, kemudian dapat dibuat model dari flow transmitter sebagai berikut. Sedangkan untuk time konstan bernilai, = 63.2 0.9 = 0.5688 100 Dengan mengacu pada perhitungan diatas, diperoleh fungsi transfer pada pressure transmitter sebagai berikut = 0.0000145 0.5688 + 1 Berdasarkan fungsi alih yang telah dibuat diatas, kemudian diperoleh model seperti gambar Gambar. 4. Model pressure transmitter pada software simulasi komputasi F. Flow Transmitter Sama halnya pada pressure transmitter, untuk dapat memperoleh model dari flow transmitter juga dapat didekati dengan sistem orde 1 seperti pada persamaan dibawah ini. Output keluaran dari transmiter memiliki range 4-20 ma serta span input pada flow transmitter adalah sebesar 1000 140 m 3 /h, maka diperoleh gain dari transmitter sebagai berikut. = (20 4) (1000 140) = 0.0186 Sedangkan untuk time konstan bernilai, = 63.2 0.9 = 0.5688 100 Gambar. 5. Model pressure transmitter pada software simulasi komputasi G. Metode Tuning PID Dalam penelitian ini, dilakukan beberapa percobaan terhadap metode tuning yang digunakan. Hal ini dilakukan untuk mencapai hasil terbaik sesuai yang diinginkan. Beberapa metode yang digunakan sebagai perbandingan adalah metode Ziegler-Nichols, Cohen-Coon dan CHR (Chien-Hrones-). Dari ketiga metode tersebut akan diperoleh nilai-nilai parameter kontrol yang kemudian dari parameter tersebut akan menghasilkan grafik respon. Untuk menentukan nilai-nilai parameter kontrol, yang dilakukan terlebih dahulu adalah mengubah close-loop sistem menjadi open-loop. Untuk melakukan tuning, model plant dapat didekati dengan model FOPDT (First Order Plus Dead Time). Dari Gain open-loop telah diperoleh, kemudian dicari nilai gain K, L dan T dari model FOPDT (First Order Plus Dead Time). Nilai K adalah nilai gain konstan dari model, nilai L adalah dead time, dan T adalah nilai time constant. ( ) = 1 + Untuk pengendalian tekanan, fungsi transfer open-loop bernilai 21845.49 + 38541.79 = 0.943 + 2.2307 + 1.5589 Sedangkan untuk pengendalian laju aliran, fungsi transfer open-loop bernilai 5.3325 + 9.375 = 0.539 + 1.516 + 1.1743 Setelah diturunkan berdasarkan model FOPDT dan diperoleh nilai K, L dan T, maka nilai parameter tersebut dimasukkan kedalam tabel tuning formula pada tiap-tiap metode. Pada masing-masing metode, selalu memiliki nilai parameter PID yang berbeda-beda dikarenakan faktor pengali pada masing-masing metode berbeda-beda pula. Tabel tuning formula dapat dilihat pada tabel berikut.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 4 Tabel 1. Tuning formula untuk metode Ziegler-Nichols Tabel 2. Tuning formula untuk metode Cohen-Coon Dari gambar grafik tersebut, dapat dilihat bahwa pada sistem pengendalian flow dan tekanan menghasilkan respon yang memiliki nilai settling time yang relatif lama. Nilai settling time tersebut mengartikan waktu untuk mencapai kondisi steady.. Apabila nilai settling time dari suatu proses sangat lama, maka proses tersebut akan lama mencapai kondisi steady.. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 7 dan gambar 8, nilai settling time yang dihasilkan dari proses tersebut terlampau lama. Dengan waktu yang lama tersebut, control valve yang bekerja juga membutuhkan waktu yang lama untuk merespon perubahan yang terjadi. Sehingga dengan waktu untuk merespon perubahan tersebut yang cukup lama, a, dapat mengakibatkan overflow. Untuk mengurangi terjadinya overflow tersebut, salah satu hal yang dapat dilakukan adalah melakukan penalaan ulang pada parameter kendali yang ada pada controller. Tabel 3. Tuning formula untuk metode Chien-Hrones- III. HASIL DAN DISKUSI A. Hasil Analisa Grafik Respon Terhadap Terjadinya Overflow Berdasarkan dari tujuan penelitian ini, yaitu mengurangi terjadinya overflow langkah awal yang dilakukan adalah menganalisa terjadinya overflow melalui grafik respon output sistem. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh grafik respon seperti pada gambar 7 dan gambar 8 berikut. B. Perbandingan parameter kontrol hasil tuning Dari penelitian yang telah dilakukan, dengan melakukan tuning PID menggunakan metode Cohen-Coon diperoleh parameter Kp (propotional) dan Ti (integral) yang baru. Dengan parameter-parameter yang telah diperbarui tersebut dilakukan pengujian close-loop seperti halnya dilakukan pada pengujian sebelumnya. Dari pengujian yang telah dilakukan kemudian dilakukan perbandingan hasil respon output dari parameter yang telah ditetapkan pada real plant dengan parameter hasil tuning. Gambar. 9. Grafik respon output sistem pengendalian tekanan pada saat digunakan parameter kontrol real plant (existing) Gambar. 7. Grafik respon output sistem pengendalian flow pada saat digunakan parameter kontrol real plant Gambar. 10. Grafik respon output sistem pengendalian tekanan pada saat digunakan parameter kontrol hasil tuning Z-N Gambar. 8. Grafik respon output sistem pengendalian tekanan pada saat digunakan parameter kontrol real plant
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 5 Sedangkan untuk sistem pengendalian flow, juga diperoleh grafik respon seperti berikut Gambar. 11. Grafik respon output sistem pengendalian tekanan pada saat digunakan parameter kontrol hasil tuning Cohen-Coon. Gambar. 13. Grafik respon output sistem pengendalian flow pada saat digunakan parameter kontrol real plant (existing) Gambar. 12. Grafik respon output sistem pengendalian tekanan pada saat digunakan parameter kontrol hasil tuning Chien- Hrones_. Tabel 4. Parameter kontrol untuk pengendalian tekanan Kp (Proportional) Ti (Integral) Existing 0.000216 0.53465 Ziegler-Nichols 0.0001798 0.4365 Cohen-Coon 0.0002134 0.3383 Chien-Hrones- 0.0000699 0.86244 Tabel 5. Perbandingan hasil respon output untuk pengendalian tekanan Existing Ziegler- Nichols Cohen- Coon Chien- Hrones- Gambar. 14. Grafik respon output sistem pengendalian flow pada saat digunakan parameter kontrol hasil tuning Z-N. Gambar. 15. Grafik respon output sistem pengendalian flow pada saat digunakan parameter kontrol hasil tuning Cohen-Coon. Maksimum Overshoot (%) Settling Time (s) Error Steady State (%) 80 65.45 47.273 35 40 30 0.0273 0.009 0.009 129 80 0.363 Dari gambar respon dan tabel hasil perbandingan diatas terlihat bahwa parameter PI dari real plant yang telah ada memiliki nilai settling time yang lebih besar daripada nilai settling time saat menggunakan parameter hasil tuning. Dan hasil tuning yang terbaik dengan menggnakan metode Cohen- Coon. Dari hasil tuning dengan menggunakan metode Cohen- Coon, diperoleh nilai settling time yang singkat dibandingkan dengan real plant sehingga dengan nilai settling time yang kecil dapat memungkinkan respon yang sangat cepat dan meminimalisasi terjadinya overflow. Gambar. 16. Grafik respon output sistem pengendalian flow pada saat digunakan parameter kontrol hasil tuning Chien-Hrones- Berdasarkan grafik respon yang didapatkan dan hasil perbandingan pada tabel 5 dapat dilihat bahwa saat sistem menggunakan parameter kontrol existing diperoleh settling time yang relatif lama yaitu 250 s. Dengan waktu yang relatif lama tersebut, dapat menyebabkan resiko terjadinya overflow.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 6 Dan setelah dilakukan penalaan ulang, diperoleh nilai settling time yang tercepat pada saat menggunakan metode Chien- Hrones- dengan nilai settling time sebesar 50 s. Tabel 6. Parameter kontrol untuk pengendalian flow Kp (Proportional) Ti (Integral) Existing 0.7 0.2 Ziegler-Nichols 1.047 0.2106 Cohen-Coon 1.15 0.189 Chien-Hrones- 0.407 0.7824 Tabel 7. Perbandingan parameter kontrol untuk pengendalian flow Maksimum Overshoot (%) Existing Ziegler- Nichols Cohen- Coon 0 0 0 Settling Time (s) 250 210 220 Error Steady State (%) 0.0013 0.013 0.03 Chien- Hrones- 0 50 0.0067 Dengan waktu untuk mencapai kondisi steady yang relatif cepat maka control valve juga memiliki respon yang sangat cepat pada saat terjadi perubahan. Seperti pada saat pompa menyala dan mulai memompa bahan bakar, control valve PCV dan FCV juga akan merespon dengan waktu yang relatif singkat. Sehingga kemungkinan terjadinya overflow juga akan berkurang. Hal ini tidak hanya terjadi pada saat 1 pompa bekerja, melainkan juga saat kondisi maksimum flow yang mengalir, yaitu saat 4 pompa bekerja. dihasilkan dari sistem pengendalian yang telah dibuat dapat mempengaruhi terjadinya overflow. Apabila respon yang diihasilkan lambat, nilai settling time yang relatif besar, maka kemungkinan terjadinya overflow semakin besar. Dan apabila respon yang dihasilkan cepat, memiliki nilai settling time yang kecil, maka kemungkinan terjadi overflow juga akan semakin kecil. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Fitri Adi Iskandarianto, ST. MT dan bapak Ir. Ya umar, MT selaku dosen pembimbing, pihak DPPU Juanda-Surabaya atas dukungan dan kerja sama yang telah diberikan, serta beberapa pihak atas dukungannya dan namanya tidak sempat dituliskan pada makalah ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Adhitya, Swasta, Analisis Sistem Perpipaan Untuk Pengisian Avtur Pada Header Line Dppu Ngurah Rai Denpasar-Bali (Tugas akhir), Jurusan Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (2011). [2] Gunterus, Frans, Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses, Jakarta: PT. Elex Media Komputindo (1994). [3] (Handbook style) Control Valve Handbook, 4th ed., Emerson Process Management., Fisher, USA (2005). [4] Ridwan. Mekanika Fluida. Available: http:// ridwan.staff.gunadarma.ac.id/.../karakteristik+aliran+fluida1.pdf [5] Massey, B. S, Mechanics Of Fluids Sixth Edition, London: Chapman & Hall (1989). [6] Dingyu Xue, YangQuan Chen, and Atherthon, P. Derek, Linear Feedback Control, Society for Industrial and Applied Mathematics (2007). Available: http://www.siam.org/catalog IV. KESIMPULAN DAN RINGKASAN Berdasarkan simulasi dan pengujian yang telah dilakukan maka didapatkan kesimpulan yaitu dari penelititan yang telah dilakukan dengan melakukan penalaan ulang (tuning), pada sistem pengendalian tekanan diperoleh nilai parameter kontrol yang menghasilkan respon paling baik dengan menggunakan metode Cohen-Coon yang menghasilkan nilai parameter kontrol Kp = 0.0002134 dan Ti = 0.3383. Sedangkan pada sistem pengendalian flow diperoleh nilai parameter kontrol yang menghasilkan respon paling baik dengan menggunakan metode Chien-Hrones- yang menghasilkan nilai parameter Kp = 0.407 dan Ti = 0.7824. Hal tersebut ditunjukkan dengan grafik respon hasil pengujian dengan software simulasi komputasi yang tampak pada grafik tersebut nilai settling time, maksimum overshoot dan error steady state. Dengan nilai settling time hasil tuning yang lebih kecil dibandingkan dengan kondisi real plant, dapat dikatakan bahwa semakin kecil nilai settling time semakin cepat respon menuju kondisi steady. Cepat lambatnya respon yang