TUGAS SARJANA Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari Syarat-syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Industri. Oleh : DEVIRA ISWANDA NIM :

Transkripsi

1 PENENTUAN JUMLAH DAN KAPASITAS BURNER YANG DIBUTUHKAN PADA DRYER UNTUK MENJAGA KONDISI STEADY STATE PERPINDAHAN PANAS DENGAN METODE SIMULASI PADA PT. SANG HYANG SERI TUGAS SARJANA Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari Syarat-syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Industri Oleh : DEVIRA ISWANDA NIM : PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK INDUSTRI F A K U L T A S T E K N I K UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012 No. Dok.: FM-GKM-TI-TS-01-01B; Tgl. Efektif : 15 Juli 2011; Rev : 0; Halaman : 1 dari 1

2 No. Dok.: FM-GKM-TI-TS-01-01B; Tgl. Efektif : 15 Juli 2011; Rev : 0; Halaman : 1 dari 1

3

4

5 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas sarjana ini dengan baik. Tugas sarjana merupakan salah satu syarat akademis yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan studi di Departemen Teknik Industri, Fakultas Teknik,. Penulis melaksanakan penelitian pada PT. Sang Hyang Seri (Persero) Cabang Deli Serdang yaitu suatu perusahaan yang memproduksi benih pertanian. Pada laporan ini, penulis membahas permasalahan mengenai Penentuan Jumlah dan Kapasitas yang Dibutuhkan pada Dryer untuk Menjaga Kondisi Steady State Perpindahan Panas dengan Metode Simulasi pada PT. Sang Hyang Seri. Penulis menyadari bahwa laporan ini belum sepenuhnya sempurna dan masih terdapat kekurangan. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan laporan ini. Akhir kata penulis berharap agar laporan ini berguna bagi kita semua. Medan, Juli 2012 Devira Iswanda

6 UCAPAN TERIMA KASIH Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas sarjana ini dengan baik. Banyak pihak yang sudah memberi dukungan dan bimbingan kepada penulis, oleh karena itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih khususnya kepada kedua orang tua dan keluarga yang selalu memberi dukungan serta doa, sehingga semua kegiatan dan akitivitas yang dilakukan selama pengerjaan tugas sarjana ini berjalan dengan sangat baik. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Bapak Ir. Abadi Ginting SS, MSIE selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktunya tidak hanya untuk membimbing penulis, tetapi memberi semangat, motivasi, dan pandangan postif terhadap semua kejadian-kejadian yang dialami penulis selama mengerjakan tugas sarjana ini dan yang terpenting membuka wawasan penulis untuk dapat melakukan sesuatu yang terbaik. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh staf dan pegawai Fakultas Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan, khususnya Bapak Ir. Amran Rozan, MT yang sudah meluangkan waktunya untuk membimbing penulis selama mempelajari ilmu sistem kontrol khususnya ilmu mengenai PLC (Programmable Logic Control). Begitu juga untuk ketiga teman tim terbaikku yang telah bekerja sama dan saling membantu selama proses pengerjaan tugas sarjana ini, penulis ucapkan banyak terima kasih. Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada seluruh tim penguji tugas akhir yang penulis anggap sangat-sangat handal dalam bidangnya, sehingga

7 karya tugas akhir penulis dapat lebih baik dan layak untuk dipublikasikan. Penulis juga mengucapkan rasa terima kasih kepada seluruh elemen-elemen penting Departemen Teknik Industri dan Fakultas Teknik yang telah membantu penulis selama menjalani studi. Hanya ucapan terima kasih yang dapat penulis sampaikan, apabila selama melaksanakan studi mulai dari awal perkuliahan hingga selesainya tugas sarjana ini, penulis melakukan kesalahan baik melalui ucapan, etika, penampilan dan sebagainya, penulis memohon maaf yang sebesar-besarnya. Medan, Juli 2012 Devira Iswanda NIM

8 DAFTAR ISI BAB JUDUL... LEMBAR PENGESAHAN... LEMBAR EVALUASI TUGAS SARJANA... LEMBAR KEPUTUSAN SIDANG KOLOKIUM... KATA PENGANTAR... UCAPAN TERIMA KASIH... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN... ABSTRAK... i ii iii iv v vi viii xxi xix xxix xxx I PENDAHULUAN... I Latar Belakang... I Rumusan Permasalahan... I Tujuan dan Manfaat... I Tujuan... I Manfaat... I Batasan Masalh dan Asumsi... I Batasan Masalah... I-4

9 DAFTAR ISI (Lanjutan) BAB Asumsi-asumsi... I Sistematika Penulisan Tugas Sarjana... I-4 II GAMBARAN UMUM PERUSAHAAN... II Sejarah Perusahaan... II Struktur Organisasi Perusahaan... II Ruang Lingkup Bidang Usaha... II Lokasi Perusahaan... II Proses Produksi... II Standard Mutu Bahan/Produk.... II Bahan yang Digunakan (Bahan Baku, Bahan Penolong) II Bahan Baku Bahan Penolong.... II-7 II Uraian Proses Produksi.... II Persiapan Pengolahan Benih Penerimaan Calon Benih Pengeringan Pembersihan dan Sortasi Penyimpanan Benih Sementara Pengujian Benih Proses Sertifikasi Benih... II-9 II-9 II-10 II-11 II-13 II-13 II-14

10 DAFTAR ISI (Lanjutan) BAB Pengepakan.... II Mesin dan Peralatan... II Utilitas.... II Safety and Fire Protection... II Waste Treatment.... II Tenaga Kerja... II Fasilitas Perusahaan.... II Tata Letak Perusahaan... II-27 III TINJAUAN PUSTAKA... III Morfologi dan Anatomi Gabah Padi... III Pengeringan... III Prinsip Kerja Mesin Dryer... III Oil Burner... III Blower... III Thermostat... III Heat Transfer... III Konduksi... III Konduktivitas Termal Steady State Konduksi... III-14 III-15

11 DAFTAR ISI (Lanjutan) BAB Faktor Bentuk konduksi... III Konveksi... III Konveksi Paksa dalam Pipa dan Saluran secara Laminar... III Radiasi... III Akumulasi Temperatur Ruang... III Termodinamika... III Hukum-hukum Termodinamika... III Instrumentasi dan Alat Ukur... III Thermocuple... III Prinsip Kerja Thermocouple... III IN 1 Multi-Function Environment... III Lattice Sampling... III Simulasi... III Definisi Simulasi... III Tujuan Imitasi pada Simulasi... III Kelebihan Kemampuan Simulasi... III Konsep dan Prinsip Simulasi... III Konsep Simulasi Prinsip Dasar Simulasi... III-33 III-34

12 DAFTAR ISI (Lanjutan) BAB Jenis Simulasi... III Langkah-langkah Simulasi... III Validitas dan Sensitivitas Model... III Stat::Fit Version 2... III Powersim Studio... III Komponen Powersim... III PLC (Programable Logic Control)... III Pengertian PLC... III Konsep PLC... III Kelebihan PLC... III Struktur Dasar PLC... III Operasi Dasar PLC... III Relay... III Prinsip Kerja Relay Fungsi Relay... III-59 III Timer... III Software SYSWIN III-61

13 DAFTAR ISI (Lanjutan) BAB IV METODOLOGI PENELITIAN... IV Tempat dan Waktu Penelitian... IV Rancangan Penelitian... IV Objek Penelitian... IV Variabel Penelitian... IV Instrumen Penelitian... IV Pelaksanaan Penelitian... IV Pengolahan Data... IV Analisa Data... IV Kesimpulan dan Saran... IV-8 V PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA... V Pengumpulan Data... V Kapasitas Burner... V Energi Panas Burner... V Suhu dan Kelembaban Udara Shelter... V Dimensi Saluran Penghantar... V Suhu Dinding Saluran Penghantar... V Losses Panas... V Kelembaban Udara Ruang Plenum... V-7

14 DAFTAR ISI (Lanjutan) BAB Data Waktu Shutdown Burner... V Pengolahan Data... V Formulasi Masalah... V Membangun Model... V Fitting The Data... V Menerjemahkan Model... V Verifikasi... V Validasi... V Perencanaan (Planning) Taktis dan Strategis... V Trial and Error... V Kapasitas Pemakaian Bahan Bakar... V Repositioning Burner dengan Sistem Kerja Berbasis PLC... V Analisis Keseluruhan Hasil Simulasi... V Implementasi dan Dokumentasi... V-44 VI ANALISIS PEMECAHAN MASALAH... VI Analisis Langkah Formulasi Masalah... VI Analisis Langkah Membangun Model... VI Analisis Langkah Fitting The Data... VI-2

15 DAFTAR ISI (Lanjutan) BAB 6.4. Analisis Langkah Menerjemahkan Model... VI Analisis Langkah Verifikasi... VI Analisis Langkah Validasi... VI Analisis Langkah Perencanaan (Planning) Taktis dan Strategis VI Analisis Langkah Trial and Error... VI Analisis Kapasitas Pemakaian Bahan Bakar... VI Analisis Repositioning Burner dengan Sistem Kerja Berbasis PLC... VI Analisis Hasil Simulasi Secara Keseluruhan... VI Analisis Langkah Implementasi dan Dokumentasi... VI-14 VII KESIMPULAN DAN SARAN... VII Kesimpulan... VII Saran... VII-2 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

16 DAFTAR TABEL TABEL 2.1. Mesin-mesin yang Digunakan... II Peralatan yang Digunakan... II Jumlah Tenaga Kerja Berdasarkan Posisi Pada PT. Sang Hyang Seri Cabang Deli Serdang... II Konduktivitas Termal Berbagai Bahan pada 0 C... III Faktor Bentuk Konduksi untuk Berbagai Bentuk... III Nilai-Nilai Koefisien Perpindahan Panas Konveksi... III Perpindahan Kalor untuk Aliran Laminar Berkembang Penuh dalam Saluran Berbagai Penampang... III Batas Kritis untuk Setiap Metode Pengujian Kinerja Model... III Arti lampu Indikator PLC... III Lambang Ladder Diagram... III Stetement List (Mnemonic)... III Data Suhu dan Kelembaban Udara Shelter... V Data Suhu Dinding Saluran Penghantar... V Data Losses Panas... V Data Kelembaban Udara Ruang Plenum... V Time Table Hasil Simulasi Suhu Keluaran dari Blower... V Time Table Hasil Simulasi Suhu Udara pada Ujung Saluran Penghantar ke Ruang Plenum... V-23

17 DAFTAR TABEL (Lanjutan) TABEL 5.7. Time Table Hasil Simulasi Suhu Ruang Plenum, Panas yang Dibutuhkan Ruang Plenum, dan Rugi Kalor... V Time Table Hasil Simulasi Waktu untuk Menaikkan Suhu Ruang Plenum V Time Table Hasil Simulasi Lama Pengeringan... V Perbandingan Formulasi Beberapa Komponen secara Manual dengan Formulasi pada Powersim... V Time Table Suhu Keluaran dari Blower dan Suhu Udara pada Ujung Saluran Penghantar ke Ruang Plenum... V Time Table Suhu Ruang Plenum, Panas yang Dibutuhkan Ruang Plenum, dan Rugi Kalor... V Time Table Waktu untuk Menaikkan Suhu Ruang Plenum... V Time Table Lama Pengeringan... V Alamat Input dan Output... V Mnemonic Code Sistem Rangkaian Paralel Burner... V Time Table Hasil Simulasi Suhu Keluaran dari Blower... VI Time Table Hasil Simulasi Suhu Udara pada Ujung Saluran Penghantar ke Ruang Plenum... VI Time Table Hasil Simulasi Suhu Ruang Plenum, Panas yang Dibutuhkan Ruang Plenum, dan Rugi Kalor... VI Time Table Hasil Simulasi Waktu untuk Menaikkan Suhu Ruang Plenum VI-6

18 DAFTAR TABEL (Lanjutan) TABEL 6.5. Time Table Hasil Simulasi Lama Pengeringan... VI Hasil Uji Statistik AME, AVE, dan Kalman Filter Terhadap Data Suhu Keluaran dari Blower... VI Hasil Uji Validasi Model Terhadap Data Suhu Kleuaran dari Blower... VI Hasil Uji Statistik AME, AVE, dan Kalman Filter Terhadap Data Suhu Udara pada Ujung Saluran Penghantar ke Ruang Plenum... VI Hasil Uji Validasi Model Terhadap Data Suhu Udara pada Ujung Saluran Penghantar ke Ruang Plenum... VI-9

19 DAFTAR GAMBAR GAMBAR 2.1. PT. Sang Hyang Seri (Persero) Kantor Regional IV Sumatera Utara... II Proses Pengeringan Menggunakan Lantai Jemur... II Proses Pengeringan Menggunakan Box Dryer... II Proses Pembersihan dan Sortasi Menggunakan Mesin Seed Cleaner... II Penyimpanan Benih Sementara... II Pengujian Benih... II Label Benih Bersertifikasi... II Proses Pengepakan Benih Secara Manual dan Fully Automatic... II Struktur Gabah Tanaman Padi... III Skema Proses Pengeringan Mesin Dryer... III Komponen Burner Tampak pada Pandangan Samping... III Komponen Burner Tampak pada Pandangan Depan... III Skematik Diagram Tipikal Sistem Kontrol Elektrik... III Konstruksi Tipikal Elektrik Thermostat... III Panjang Masuk Kalor Hidrodinamik... III Heat Transfer secara Radiasi... III Proses Radiasi... III Thermocouple... III Rangkaian Dasar Termokopel... III IN 1 Multi-Function Environment Meter... III-30

20 DAFTAR GAMBAR (Lanjutan) GAMBAR Sistem Ril dan Sistem Imitasi... III Tampilan Awal Stat::Fit... III Tampilan Kotak Dialog Auto::Fit... III Tampilan Hasil Pengujian dengan Stat::Fit... III Ikon Powersim Contructor... III Tampilan Powersim Contructor... III Keterangan Tampilan Powersim Contructor... III Tools dalam Powersim Constructor... III Simbol Variabel Level... III Simbol Variabel Rate... III Simbol Variabel Auxiliary... III Simbol Variabel Constant... III Simbol Snapshot... III PLC OMRON CPM 1 A... III Struktur Dasar PLC... III Rangkaian Input PLC... III Rangkaian Output PLC... III Ladder Diagram... III Cara Membaca Ladder Diagram... III-54

21 DAFTAR GAMBAR (Lanjutan) GAMBAR Simbol Ladder LD dan LD NOT... III Simbol Ladder AND dan AND NOT... III Simbol Ladder OR dan OR NOT... III Simbol Ladder OUT... III Simbol Ladder AND LD... III Simbol Ladder OR LD... III Ladder Diagram... III Relay... III Skema Relay... III Tampilan Menu Utama SYSWIN... III Membuat Ladder Diagram Menggunakan SYSWIN... III Cara Mengakhiri Input Program SYSWIN... III Kerangka Konseptual Penelitian... IV Blok Diagram Pengolahan Data... IV Posisi Lapisan dan Titik Sampel Pengukuran... V Saluran Penghantar dan Titik Pengukuran... V Langkah Pertama Pembentukan Causal Loop Suhu Ruang Plenum... V Langkah Kedua Pembentukan Causal Loop Rugi Kalor... V Langkah Ketiga Pembentukan Causal Loop Faktor Bentuk Total Ruang Plenum... V-11

22 DAFTAR GAMBAR (Lanjutan) GAMBAR 5.6. Main Causal Loop... V Sub Model Suhu Ruang Plenum... V Main Model Simulasi Dinamis... V Blok Diagram Model... V Pengujian Data Suhu udara Shelter... V Pengujian Data Kelembaban Shelter... V Pengujian Data Suhu Dinding Saluran Penghantar... V Pengujian Data Losses Panas... V Pengujian Data Kelembaban Udara Ruang Plenum... V Nilai Rasio Kelembaban menggunakan Grafik Psikometrik... V Equation Window Powersim... V Time Graph Hasil Simulasi Suhu Keluaran Blower... V Time Graph Hasil Simulasi Suhu Udara pada Ujung Saluran Penghantar ke Ruang Plenum... V Time Graph Hasil Simulasi Suhu Ruang Plenum, Panas yang Dibutuhkan Ruang Plenum, dan Rugi Kalor... V Time Graph Hasil Simulasi Waktu untuk Menaikkan Suhu Ruang Plenum V Time Graph Hasil Simulasi Lama Pengeringan... V Time Graph Suhu Keluaran dari Blower dan Suhu Udara pada Ujung Saluran Penghantar ke Ruang Plenum... V-34

23 DAFTAR GAMBAR (Lanjutan) GAMBAR Time Graph Suhu Ruang Plenum, Panas yang Dibutuhkan Ruang Plenum, dan Rugi Kalor... V Time Graph Waktu untuk Menaikkan Suhu Ruang Plenum... V Time Graph Lama Pengeringan... V Diagram Blo Sistem Input-Output Rangkaian Burner... V Blok On Line Sitem Rangkaian Paralel Burner... V Ladder Diagram Sistem Rangkaian Paralel Burner... V Flowchart Pengoperasian Sistem Rangkaian Paralel Burner Berbasis PLC... VI-12

24 DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN 1. Data Suhu dan Kelembaban Udara Shelter... L-1 2. Psycometric Diagram... L-2 3. Analisis Kebutuhan Energi pada Proses Pengeringan... L-3 4. Hasil Program PLC Menggunakan Software SYSWIN... L-4 5. Tabel Kebenaran... L-5 6. Struktur Organisasi PT. Sang Hyang Seri Cabang Deli Serdang... L-6 7. Surat Keputusan... L-7

25 ABSTRAK PT. Sang Hyang Seri (Persero) merupakan Badan Usaha Milik Negara yang bergerak dalam bidang perbenihan. Proses produksi dilakukan dalam beberapa tahap yaitu pengeringan, pembersihan (inspeksi), penggudangan, dan pengepakan. Pengeringan merupakan tahap yang sangat penting karena tahapan ini merupakan pengaturan suhu dan kadar air gabah agar kualitas benih tidak rusak. Pada proses ini Gabah Kering Panen (GKP) dengan kadar air 25 % dan suhu 25 C (suhu kamar) direduksi menjadi Gabah Kering Kotor (GKK) dengan kadar air 12 % dan suhu 45 C. Pengontrolan kadar air dilakukan dengan pengambilan sampel untuk di uji setiap satu jam, sehingga apabila kadar air sudah tercapai 12 %, maka pengeringan dihentikan. Proses pengeringan terjadi pada box dryer dengan umpan GKP sebanyak 6 ton, dimana pengeringannya menggunakan mesin dryer yang bekerja secara konveksi yaitu dengan melalukan udara panas yang bersumber dari burner ke ruang plenum yang berfungsi sebagai penyimpan panas. Sedangkan perpindahan panas yang terjadi pada padi yaitu secara konduksi dan radiasi. Udara panas yang berada pada ruang plenum harus steady state pada 45 C. Karena apabila suhu lebih besar atau lebih kecil dari 45 C maka mengakibatkan embrio benih rusak dan terjadi case hardening dimana benih tidak kering secara merata. Berdasarkan hasil pengamatan, terjadi unsteady state dimana sering ditemukan suhu dibawah 45 C. Masalah lain yang ditemukan adalah overheating pada burner yang berakibat terhadap kerusakan nozzle. Sementara itu diketahui nozzle memiliki kelemahan yaitu ketahanan dalam beroperasi secara normal selama 3 hari, sehingga perlu dilakukan shutdown selama 3 jam yang berguna sebagai stagnasi panas. Shutdown yang terjadi selama 3 jam setiap 3 hari sangat mengganggu pengeringan karena proses pengeringan harus berhenti secara total. Untuk mendapatkan suhu yang diharapkan maka dilakukan teknik simulasi menggunakan software powersim, dimana langkah-langkah penyelesaian ditampilkan dengan causal loop yaitu dengan mengatur jumlah panas yang dimasukkan sesuai dengan panas yang dibutuhkan ruang plenum. Penambahan panas tersebut harus berbanding lurus dengan variabel rugi kalor yang merupakan tingkat kehilangan panas yang terjadi akibat adanya interaksi dengan lingkungan luar (shelter). Sementara, shutdown diatasi dengan teknik switching menggunakan sistem kerja berbasis PLC (Programmable Logic Control). Dari hasil simulasi diperoleh kondisi steady state dapat tercapai dan lamanya waktu pengeringan dapat dikurangi dari waktu awal selama 8 jam menjadi 4,04 6,11 jam. Masalah shutdown juga dapat diatasi dengan melakukan repositioning burner yakni penambahan 1 unit burner dengan kapasitas liter/jam yang dirancang secara paralel dengan merencanakan program kerja berbasis PLC, menggunakan timer on delay dengan waktu preset selama 3 jam dan sistem pemrograman timer bertingkat sehingga shutdown dapat terjadwal dan underheating serta preheating dapat dihilangkan. Perencanan program dinyatakan berhasil dengan adanya kesesuaian antara ladder diagram hasil dari software SYSWIN dan tabel kebenaran yang di uji dengan software PLC Simulator. Kata kunci : Pengeringan, Heat Transfer, Steady State Suhu Ruang Plenum, Simulasi, Powersim, Shutdown, Switching, PLC, SYSWIN, PLC Simulator.