Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 2014
DESAIN SISTEM KENDALI SUHU DAN RH BERBASIS LOGIKA FUZZY PADA PENGERINGAN BIJI PALA (Myristica sp.) ERK HYBRID Design of Temperature and RH Control System Based on Fuzzy Logic In Nutmeg Seed Drying (Myristica SP) Hybrid ERK (Greenhouse Effect) Guyup Mahardhian Dwi Putra 1, Sumarjan 2 1
Program Studi Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pangan dan Agroindustri Universitas Mataram 2 Fakultas Pertanian, Universitas Mataram E-mail:
[email protected] ABSTRACT
ERK (Greenhouse Effect) Hybrid dryer is a drying machine which uses solar energy and biomass as heat source. The main problem of this type of dryer is in fluctuation of drying air temperature and humidity. This fluctuation may cause the ineffectiveness in energy consumption as well as the quality degradation. These problems can be solved through an appropiate controlling method. One of controlling method which can be used is fuzzy logic control. In this research fuzzy logic control is arranged from four inputs, i.e temperature error, RH error, and error rate of each. Action of the controlling system is fan rotation to control temperature and RH. The control system designed in this research has component involving microcontroller, SHT11 censor, LM 35 censor, and DC driver motor. Testing of fuzzy controlling system performed at 40oC set point produces average temperature of 40.75oC with deviation 2.66 oC, whereas for set point of 45% RH gains average RH of 45.67% with deviation 8.15 %. The controling can also save the electrical energy consumption up to 3109 Wh or 32% of without the controlling system. Keyword : Drying, fuzzy logic control, Green House Effect (ERK) hybrid, microcontroller ABSTRAK Pengering ERK Hybrid merupakan tipe mesin pengering yang memanfaatkan energi surya dan biomassa sebagai sumber panasnya. Kendala ERK hybrid adalah tidak efektifnya penggunaan energi mencakup energi listrik dan energi biomassa selama proses pengeringan serta keadaan cuaca yang berfluktuatif. Permasalahan tersebut dapat diselesaikan melalui metode pengendalian, salah satu metode pengendalian yang dapat digunakan adalah kendali logika fuzzy. Kendali logika fuzzy disusun dari empat buah input yaitu error suhu, error RH dan laju errornya masing-masing. Proses Fuzzy akan menghasilkan keluaran berupa putaran kipas untuk mengendalikan suhu dan RH. Peralatan yang digunakan adalah mikrokontroler, Sensor SHT11, sensor LM35 dan driver motor DC. Pengujian sistem kendali fuzzy dengan beban pada set point suhu 40 oC menghasilkan suhu rata-rata 40,77 oC dengan deviasi 2,66, sedangkan untuk set point RH 45 % menghasilkan RH ratarata 45,67 % dengan deviasi 4,19. Pengeringan berlangsung selama 70 jam dengan konsumsi listrik 13,2 W/jam dan efisiensi pengeringan 5%. Keyword : Pengeringan, kendali logika fuzzy, ERK hybrid, mikrokontroler.
PENDAHULUAN Pala (Myristica sp.) merupakan salah satu komoditi pertanian yang memiliki nilai ekonomis tinggi. Pala dipanen dalam bentuk biji, fuli, dan daging buahnya. Sebelum
dipasarkan, biji pala dijemur hingga kering setelah dipisah dari fulinya. Tujuan dari pengeringan ini adalah untuk mengurangi kadar air dalam bahan yang dapat merusak mutu dari biji pala tersebut sehingga dapat memperpanjang umur simpan (Drazat, 2007) 13
Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 2014 Pengeringan buatan ERK hybrid adalah metode pengeringan yang dalam operasi pengeringannya menggunakan bantuan alat pengering dengan cahaya dan biomassa sebagai sumber panasnya (Nelwan, 2005). Pengeringan biji pala dengan alat pengering ERK hybrid diharapkan dapat mempercepat proses pengeringan dan mendapatkan hasil yang lebih baik daripada pengeringan langsung dibawah sinar matahari. Dewasa ini kendala ERK hybrid adalah tidak efektifnya penggunaan energi mencakup energi listrik dan energi biomassa selama proses pengeringan serta kemungkinan penurunan kualitas bahan ketika suhu udara tidak berpotensi. Kendala lain adalah karakter energi surya yang berfluktuatif dan pengumpanan biomassa. Upaya untuk menjawab permasalahan tersebut diterapkan sistem kendali dengan basis logika fuzzy. Sistem kendali dengan basis logika fuzzy merupakan salah satu alternatif sistem kendali yang sederhana, dimana pada sistem kendali logika fuzzy tidak memerlukan pengetahuan tentang parameter-parameter numerik dari sistem (Darjat, 2008). Pengendalian berbasis logika fuzzy juga dapat diterapkan untuk mengurangi konsumsi listrik karena logika fuzzy dapat menerapkan prinsip-prinsip pengaturan tegangan masukan, pengaturan arus, atau pengaturan sudut fase. Adanya pengaturan tersebut dimungkinkan penghematan energi listrik (Purwaningrum, 2007). Tujuan umum penelitian ini adalah untuk melakukan perancangan dan pengujian sistem kendali udara pengering didalam pengering ERK hybrid. Tujuan khususnya; (1) Merancang perangkat keras kendali suhu dan RH udara pengering, (2) Merancang perangkat lunak sistem kendali dengan logika fuzzy berbasis mikrokontroler, (3) Melakukan uji sistem kendali yang telah dibangun melalui uji performansi sistem pengering secara keseluruhan. METODOLOGI PENELITIAN Perancangan Alat Blok diagram perancangan perangkat keras secara keseluruhan adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Perangkat keras dirancang untuk membentuk sistem pengaturan temperatur dan pendeteksian tingkat
kelembaban pada alat pengering biji pala dengan menggunakan kendali logika fuzzy. Titik pengendalian dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 1. Rancangan sistem kontrol suhu dan RH
Gambar 2. Titik Pengendalian Sistem kendali fuzzy didisain dalam satu papan akrilik berukuran 50 cm x 50 cm dengan menggunakan 3 buah trafo sebagai sumber catu daya. Trafo 2 A digunakan sebagai sumber catu daya untuk DT51 Petrafuz ver 3.3, DT51 Low Cost Micro Sistem ver 2.2 dan modul lain seperti LCD, keypad, sensor SHT 11, sensor LM35 DZ, modul I2C ADDA, modul SPC DC motor dan modul EMS 30 A H-bridge. Trafo 5 A digunakan sebagai sumber catu daya untuk kipas DC. Fungsi dari Mikrokontroler DT51 petrauzz dan Low cost adalah untuk menulis bahasa program yang akan mnegendalikan modul-modul yang lain, LCD berfungsi untuk menampilkan pembacaan sensor SHT11, I2C ADDA berfungsi untuk mengubah sinyal analog menjadi digital, SPC DC motor 14
Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 2014 berfungsi sebagai driver kipas AC dan EMS 30 A H-Bridge berfungsi untuk memperkuat arus menuju beban.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Awal
Algoritma Fuzzy Basis aturan berisi aturan-aturan fuzzy yang digunakan untuk pengendalian sistem. Aturan ini berbentuk ‘JIKA–MAKA’ atau IFTHEN (Ardiansyah, 2000). Aturan yang digunakan dalam penelitian ini berjumlah 25 aturan. Fungsi keanggotaan suhu dan RH dapat dilihat pada Gambar 3 dan Gambar 4, sedangkan aturan kendali logika fuzzy dalam bentuk matrik pengambilan keputusan dapat dilihat pada Tabel 1 dan Tabel 2. NB
Z
NS
PS
PB
25
o
1 E/dE 0
-50
o
-25
o
0
o
o
50
suhu
Gambar 3. fungsi keanggotaan suhu NB
NS
Z
PS
PB
1 E/dE 0 -60%
-30%
0 %
30%
60%
RH
Gambar 4. fungsi keanggotaan RH
dError
Tabel 1. Matrik pengambilan keputusan kendali suhu
NB
NS
NB
Z
Z
NS
Z
Z
NB
PS PB
Error Z
PS
PB
Z
NB
NS
Z
NB
NS
PS
NB
NS
PS
PS
NB
NS
PS
PB
PB
NS
PS
PB
PB
PB
dError
Tabel 2. Matrik pengambilan keputusan kendali RH NB
NS
Error Z
PS
PB
NB
PB
PB
PB
PS
NS
NS
PB
PB
PS
NS
NB
Z PS
PS PS
PS NS
NS NB
NB Z
NB Z
PB
NS
NB
Z
Z
Z
Sebelum pengujian dengan sistem kendali dilakukan perlu dilakukan pengujian awal untuk memperoleh performansi sistem kendali yang paling baik. Pengujian awal ini berupa pengaturan kecepatan kipas 2 (tungku) dan pengaturan kipas 1 (heat exchanger). Hubungan Kecepatan Putar Kipas 2 dengan Suhu Ruang Kipas 2 berfungsi untuk menaikkan suhu dalam ruang pengering. Jika suhu ruang pengering terlalu rendah dibawah set point maka putaran kipas akan semakin cepat. Namun, jika putaran kipas terlalu cepat berakibat turunnya suhu dalam ruang pengering. Hasil dari pengujian pada putaran kipas dengan nilai PWN 230 menghasilkan suhu ruang rata-rata 37.95 oC selama 55 menit sedangkan putaran kipas dengan nilai PWM 200 menghasilkan suhu ruang rata-rata 38.12 o C selama 50 menit. Hasil dari dua kecepatan putar tersebut maka pada pengujian dengan sistem kendali akan digunakan putaran kipas minimum dengan nilai PWM 230 karena dengan nilai PWM 230 waktu yang diperlukan bahan bakar biomassa habis terbakar lebih lama dibandingkan dengan nilai PWM 200. Pengujian selanjutnya menggunakan variasi putaran kipas dengan nilai PWM 150 dan putaran kipas dengan nilai PWM 100. Putaran kipas dengan nilai PWM 150 menghasilkan suhu ruang rata-rata 39.92 oC selama 30 menit sedangkan putaran kipas dengan nilai PWM 100 menghasilkan suhu ruang rata-rata 37.05 o C selama 20 menit. Berdasarkan data pengujian tersebut maka pada pengujian dengan sistem kendali digunakan putaran kipas maksimum dengan nilai PWM 150 karena menghasilkan suhu yang lebih tinggi dan memiliki waktu yang lebih lama saat bahan bakar biomassa habis terbakar dari putaran kipas dengan nilai PWM 100. Hubungan Kecepatan Putar Kipas 4 (outlet) dan Kipas 1 (heat exchanger) dengan Suhu Ruang Suhu udara pada siang hari cenderung tinggi jika cuaca cerah. Hal ini disebabkan adanya radiasi matahari. Semakin tinggi radiasi 15
Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 2014 matahari maka akan semakin tinggi pula suhu lingkungan yang akan mengakibatkan suhu udara dalam ruang pengering akan lebih tinggi dari suhu lingkungan. Cara untuk menurunkan suhu pada ruang pengering adalah dengan menambah kipas 1 pada heat exchanger seperti pada Gambar 5 berikut.
40
KS_out
20 0
20
KS_in 40 Menit ke-
KHE_out 60
80
Keterangan : KS_out = putaran kipas 4 ke lingkungan KS_in = putaran kipas 4 ke ruang pengering KHE_out = putaran kipas 1 ke lingkungan Gambar 5. Hubungan kecepatan putaran kipas dengan suhu ruang Kipas ini akan beroperasi pada siang hari guna menurunkan suhu jika suhu dalam ruang pengering mencapai diatas 50 oC. Dari pengujian dengan menggunakan kipas 1 dapat menurunkan suhu rata-rata 36.35 oC dari 49.34 o C. Pengujian Kontrol Tanpa Beban
100
Pengujian tanpa beban dilakukan dengan melihat pergerakan suhu udara pengering. Pengujian berlangsung dari pukul 11.00 WIB hingga pukul 22.00 WIB dengan set point 45 o C.
50
RH ruang
0 0
60 Suhu (oC)
RH (%)
Suhu (oC)
60
pengering. Suhu terendah yang dicapai adalah 38.3 oC dan suhu yang tertinnggi adalah 54.67 o C. pada peneliian ini suhu dijaga agar tidak lebih dari 55 oC karena suhu yang terlalu tinggi akan menyebabkan minyak atsiri dalam biji pala akan menguap. Suhu rata-rata ruang yang dicapai pada pengujian kosong dengan kontrol adalah 43.89 oC dengan deviasi 2.57. Algoritma fuzzy yang diterapkan dalam pengujian ini mampu menurunkan suhu mendekati set point, namun suhu tidak pernah dibawah set point siang hari, hal ini diduga adanya radiasi matahari yang membantu meningkatkan suhu hingga diatas 50 oC ditambah konsumsi biomassa sebagai bahan bakar tambahan untuk meningkatkan suhu. Algoritma fuzzy pada malam hari dapat dikatakan lebih mendekati set point, hal ini dikarenakan sumber panas hanya berasal dari bahan bakar biomassa sehingga suhu yang dicapai tidak terlalu tinggi. Seiring dengan peningkatan suhu udara maka secara alamiah kelembaban udara relatif akan menurun dan mancapai puncaknya pada jam yang sama dengan nilai RH terendah 32.2% dan rata-rata RH dalam ruang pengering 43.43% dengan deviasi 5.42. Secara umum kondisi udara yang panas dan kering menyebabkan nilai RH udara lebih rendah dari acuan (set point) sebesar 45 % sebagaimana terlihat pada Gambar 7 berikut
200
400 Menit ke-
RH lingk 600
800
.
Gambar 7. Sebaran RH pada ruang pengering
40 20 0
200
400 Menit kesuhu ruang
600
800
suhu lingk
Gambar 6. sebaran suhu pada ruang pengering Gambar 6. menunjukkan grafik perubahan suhu dari siang hingga malam. Suhu pada siang hari cenderung lebih tinggi daripada suhu pada malam hari. Hal ini disebabkan karena ada energi tambahan yaitu radiasi matahari yang membantu menaikkan suhu pada ruang
Sistem kendali logika fuzzy dalam kasus kondisi RH yang rendah ini akan menyebabkan putaran kipas penghembus udara keluar ruangan berputar dengan lambat. Pengujian ini tidak menitikberatkan pada kondisi RH yang mendekati set point, jika nilai RH lebih rendah dari set point akan semakin baik dalam proses pengeringan tidak perlu ada upaya untuk meningkatkan nilai RH mendekati set point, namun jika RH berada diatas set point maka perlu ada upaya untuk menurunkan nilai RH hingga mendekati nilai set point. 16
Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 2014
Suhu (oC)
50
25 layer bawah
40 Jam Kelayer tengah
60
50 0 0
20
40 Jam Ke-
Layer Bawah
60
80
Layer Atas
80 layer atas
.
Gambar 8. Sebaran Suhu Ruang Pengering Tiap Layer Gambar 8 menunjukkan sebaran suhu tiap layer dalam ruang pengering dimana layer bawah memiliki rata-rata suhu 40.49 oC, layer tengah memiliki rata-rata suhu 40.84 oC dan layer atas memiliki rata-rata suhu sebesar 40.93 oC. Ketiga layer jika dirata-ratakan akan memiliki nilai rata-rata suhu ruang pengering sebesar 40.75 oC dengan deviasi 2.66. Suhu maksimum yang dicapai sebesar 48.25 oC dan suhu minmum sebesar 32.93 oC. Suhu yang berkisar 40.75 oC dapat dikatakan telah mendekati set point yang di set pada 40 oC. Respon awal logika fuzzy pada pengendalian ini tidak dapat terlihat karena pengujian dimulai pada pukul 14.00 WIB dimana suhu pada saat itu tinggi sehingga respon awal logika fuzzy untuk mencapai set point tidak terlihat.
Sebaran nilai RH pada pengujian biji pala dengan kontrol sangat berfluktuatif dari awal pengujian hingga akhir pengujian dengan set point 45 %. Hal ini disebabkan karena pengujian yang dilakukan adalah mengkondisikan nilai RH agar tidak terlalu tinggi, semakin rendah RH dalam ruang pengering maka akan semakin baik sehingga tidak ada proses untuk menaikkan nilai RH dalam ruang pengering. Rata-rata RH dalam ruang pengering berkisar 45.67%. Pada awal pengujian dapat dilihat nilai RH sangat tinggi mencapai 70.25%, tingginya nilai RH ini disebabkan pada awal pengujian nilai kadar air biji pala masih sangat tinggi berkisar 79%bb. Namun, semakin lama nilai RH menunjukkan pola menurun dalam ruang pengering yang berarti kadar air dalam bahan semakin berkurang dan pada jam ke-50 nilai RH cenderung untuk mendekati set point. Penurunan Kadar Air Biji Pala Bahan yang dikeringkan dalam percobaan ini adalah biji pala dengan tempurung berjumlah 75 kg berumur ± 4 bulan sejak mulai berbunga, disebar ke dalam 36 rak dengan beban masing-masing 2 kg. Sampel penurunan kadar air diukur setiap nilai waktu 1 jam. 100
Kadar air bahan (% bb)
Pengujian pengeringan dengan logika fuzzy dilakukan pada beban biji pala dengan berat 75 kg dengan kadar air awal rata-rata 80%bb dan akan dikeringkan hingga kadar air akhir 10% bb. Pengujian dimulai pada pukul 14.00 WIB dan berlangsung selama 70 jam dengan set point suhu 40 oC. Sebaran suhu selama pengeringan berlangsung dapat dlihat pada Gambar 8 berikut
20
100
Gambar 9. Sebaran Suhu Ruang Pengering Tiap Layer
Pengujian Kontrol dengan Beban
0
Kontrol RH dengan bahan menghasilkan nilai yang lebih berfluktuatif daripada kontrol suhu seperti dapat dilihat pada Gambar 9. RH (%)
Pergerakan RH udara hanya akan meningkat jika terjadi kondisi dimana pemanasan udara tidak cukup (suhu udara turun maka RH akan naik). Kondisi lain yang akan menyebabkan nilai RH udara meningkat adalah adanya obyek yang menyumbang uap air ke udara dalam ruang pengering. Kondisi ini akan terjadi jika ada bahan yang dikeringkan sehingga kandungan air bahan akan pindah ke udara sebagaimana konsepsi pengeringan itu
70 40 10 0 layer bawah
50 jam kelayer tengah
100 layer atas
Gambar 10. Penurunan kadar air biji pala pada tiap layer 17
Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 2014
Konsumsi Energi Selama Pengeringan Konsumsi dan porsi masing-masing jenis energi berupa listrik, biomassa dan surya pada pengeringan ini disajikan pada Tabel 3. Tabel 3. Konsumsi energi selama pengujian Sumber energi Surya Biomassa Listrik Total
Jumlah (MJ) 393.21 2342.78 9.98 2745.96
Porsi (%) 14.32 85.32 0.36 100
Penelitian Tahir, 2009 memperlihatkan penggunaan energi terbesar pada biomassa yaitu sebesar 85.2 %. Pada penelitian ini juga menunjukkan energi biomassa berupa bahan bakar biomassa menempati porsi terbesar yaitu 85.51% dengan laju bahan bakar 2.06 kg/jam. Energi terbesar setelah biomassa berasal dari energi surya 14.35%. Konsumsi energi terkecil pada pengujian ini adalah energi listrik sebesar 0.14%. Energi listrik ini dibutuhkan untuk menggerakkan kipas. Sistem kendali logika fuzzy memberikan peran penting dalam penghematan penggunaan energi listrik. Gambar 11 menunjukkan pola konsumsi energi listrik selama proses pengeringan berlangsung dengan kendali logika fuzzy selama 70 jam.
konsumsi listrik (Watt.jam)
50 25 fuzzy
tanpa fuzzy
0 0
20
40 Jam ke-
60
80
60
80
(a) konsumsi listrik (Watt.jam)
Gambar 10 menunjukkan pola penurunan kadar air dimana kadar air awal bahan adalah berkisar 77.72%bb dan dikeringkan dengan suhu konstan rata-rata 40.77 oC. Hasil dari pengeringan tersebut selama 70 jam adalah kadar air bahan menjadi berkisar 14.46%bb atau dengan kata lain penurunan kadar air berlangsung 3.84%bk/jam. Lambatnya laju pengeringan yang berlangsung disebabkan karena biji pala yang dikeringkan memiliki tempurung yang lebih tebal sehingga biji pala dalam tempurung sulit untuk dikeringkan pada suhu set point 40 oC, begitu pula dengan uap air dalam biji akan sulit keluar karena terhalang tempurung. Tebal nya tempurung menyebabkan kadar air biji pala sulit untuk mencapai 10%bb sehingga pada percobaan ini pengeringan dihentikan pada kadar air 14.46%bb karena sudah dianggap tidak efisien dari segi waktu dan biaya.
60 40 20 0 0
20 fuzzy
40 Jam ke-
tanpa fuzzy
(b) Gambar 11. Penggunaan energi listrik kipas suhu (a) dan kipas RH (b). Hasil dari pengujian dengan sistem kendali logika fuzzy menunjukkan adanya penghematan penggunaan energi. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 4.7 dimana kipas suhu dan kipas RH menunjukkan konsumsi energi listrik yang lebih sedikit dibandingkan dengan tanpa sistem kendali fuzzy. Pola konsumsi energi listrik pada kipas RH semakin menurun, hal ini disebabkan kadar air bahan semakin berkurang seiring waktu. Penggunaan sistem kendali logika fuzzy membutuhkan energi listrik total 2771 watt.jam sedangkan apabila tidak ada pengendalian logika fuzzy akan membutuhkan energi listrik sebesar 5880 watt.jam atau 32.03% lebih banyak dari pengendalian logika fuzzy. KESIMPULAN 1. Pengujian sistem kendali logika fuzzy pada mode stand alone pengering ERK hybrid untuk parameter suhu dengan set point 40 o C menghasilkan suhu udara pengering rata-rata 40.75 oC dengan deviasi 2.66. Sedangkan parameter kelembaban dengan set point 45% menghasilkan RH udara pengering rata-rata 45.67% dengan deviasi 8.15. 2. Penggunaan kontrol dapat menghemat penggunaan energi listrik dimana konsumsi energi listrik dengan fuzzy sebanyak 2771 18
Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 2014 watt.jam sedangkan jika tanpa fuzzy sebesar 5880 watt.jam. Lama pengeringan yang digunakan untuk mengeringkan biji pala dari kadar air awal 77.72%bb hingga 14.46%bb pada pengujian ini adalah 70 jam dengan rata-rata laju pengeringan yaitu 4.6%/bk/jam sebagai indikator efektifitas pengeringan. DAFTAR PUSTAKA Ardiansyah. 2000. Desain Sistem Kontrol Suhu Untuk Pemingsanan Udang Windu (Penaeus monodon Fab.) Secara Bertahap Dengan Logika Fuzzy. Skripsi. Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor Darjat. 2008. Sistem Pengendalian Suhu dan Kelembaban pada Mesin Pengering Kertas. Jurnal Teknik Elektro, Jilid 10, Nomor 2, Juni 2008, hlmn 82-88.
Drazat. 2007. Meraup Laba Dari Biji Pala. PT Agomedia Pustaka. Jakarta Nelwan LO. 2005. Study On Solar-Assisted Dryer with Rotating Rack for Cocoa Beans, Dissertation, The Graduate School-Bogor Agricultural University Bogor. Purwaningrum N. 2007. Aplikasi Fuzzy Logic Untuk Pengendali Penerangan Ruangan Berbasis Mikrokontroler ATmega8535. Skripsi. Jurusan Teknik elektro, Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang. Semarang Tahir Muh. 2009. Disain Kendali Laju Aliran Udara dan Sistem Pengumpanan Bahan Bakar Biomassa Berbasis Fuzzy pada Pengering Jagung ERK-Hybrid. Tesis. Program Pascasarjana. Institut Pertanian Bogor.
19
