OTOMATISASI KENDALI TEMPERATUR PADA PRODUKSI BIOGAS DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) DENGAN MIKROKONTROLER ARDUINO MEGA 2560 SKRIPSI

Transkripsi

1 OTOMATISASI KENDALI TEMPERATUR PADA PRODUKSI BIOGAS DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) DENGAN MIKROKONTROLER ARDUINO MEGA 2560 SKRIPSI Oleh EKUINO SIMANUNGKALIT DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JULI 2016

2 OTOMATISASI KENDALI TEMPERATUR PADA PRODUKSI BIOGAS DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) DENGAN MIKROKONTROLER ARDUINO MEGA 2560 SKRIPSI Oleh EKUINO SIMANUNGKALIT SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JULI 2016

3

4

5 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmat dan karunia-nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul Otomatisasi Kendali Temperatur pada Produksi Biogas dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) dengan Mikrokontroler Arduino Mega 2560, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik. Hasil penelitian ini: Penelitian ini memberikan informasi mengenai sistem kendali temperatur untuk produksi biogas dari LCPKS dengan mikrokontroler Arduino Mega Penelitian ini memberikan informasi mengenai rancangan sistem kendali temperatur untuk produksi biogas dari LCPKS dengan mikrokontroler Arduino Mega Penelitian ini memberikan sumbangan ilmu pengetahuan mengenai pengendalian temperatur pada produksi biogas dari LCPKS. Selama melakukan penelitian hingga penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar - besarnya kepada: 1. Ir. Bambang Trisakti M.T selaku Dosen Pembimbing 2. Dr. Eng. Rondang Tambun, ST, MT selaku Dosen Penguji I 3. Dr. Eng. Ir. Irvan M.Si selaku Dosen Penguji II 4. Dr. T. Husaini S.T., M.Sc selaku Dosen Pembina 5. Ir. Renita Manurung M.T selaku Koordinator Skripsi 6. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia yang telah memberikan banyak ilmu yang berharga dan bantuan kepada penulis selama menjalankan perkuliahan. iii

6 7. Saudara penulis, Eka J. Simanungkalit dan Eko S. Simanungkalit, Amd. yang selalu memberikan dukungan spiritual dan materil. 8. Rekan penelitian Tri Putra R. Pasaribu dan rekan-rekan LPPM yaitu Bang Zoeliadi, Bang Basril Amirza Harahap, Bang Dedy Anwar, Bang Dwi Budi Prasetyo, Intan Afrilia, Yola Melida, Ramlan, Rio Agung Prakoso, M. Darul Nafis, Khairul Fahmi, Endah Hutabarat, Joko Pratama, Christianto Sitio, dan Muksalmina. 9. Teman sejawat, Alfarodo Silaban, M. Amri Prayogo, Edy Saputra, Dedy O.S. Siburian, Gerson Rico Harianja, Imam Bestari Harahap, Iqbal L.N., Pontius Pardede, Raja Nico Perez Samosir, Randy Sitorus, Tongam May Adrivan Sinaga, Yosef Carol H. Sianipar, Anita Manullang, Windi Monica Surbakti, Golda C.S., dan Rizka Rinda Pramasti yang telah banyak memberikan banyak dukungan, semangat, doa, pembelajaran hidup dan kenangan tak terlupakan kepada penulis. 10. Adik adik Teknik Kimia angkatan 2014 yang telah banyak memberikan banyak dukungan, semangat, dan kenangan tak terlupakan kepada penulis. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan. Medan, Juli 2016 Penulis Ekuino Simanungkalit iv

7 DEDIKASI Skripsi ini saya persembahkan untuk: Kedua orang tua penulis tercinta T. Simanungkalit, Dipl, ATP. dan Ng. A. Suyani Terimakasih Bapak dan Ibu atas pengorbanan dan cinta kasih yang diberikan selama ini untuk membesarkan, mendidik, memberi motivasi dan doa serta materil sehingga penulis mampu mendapatkan gelar sarjana v

8 RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama : Ekuino Simanungkalit NIM : Tempat, tgl lahir : Medan, 19 Desember 1992 Nama Orang Tua : T. Simanungkalit dan Ng. A. Suyani Alamat Orang Tua : Jalan Sei Bahbolon No 31 Medan Baru Asal Sekolah : SD Negeri Medan Sunggal tahun SMP Yayasan Pendidikan Raksana Medan tahun SMA Yayasan Pendidikan Raksana Medan tahun Pengalaman organisasi/kerja: 1. Anggota Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2014/ Kerja Praktek di PT. Perkebunan Nusantara IV (Persero) Unit Usaha: Pabatu (PAB) Indonesia tahun Koordinator Seksi Dana Panitia Natal Teknik Kimia FT USU tahun 2014 vi

9 ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan dan perakitan komponen-komponen berbasis mikrokontroler Arduino Mega 2560 serta mendapatkan sistem Human Machine Interface (HMI) yang digunakan untuk pengendalian proses konversi LCPKS menjadi biogas. Penelitian ini terdiri dari dua tahap, yakni: tahap perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Pada tahap perancangan perangkat keras akan menghubungkan mikrokontroler Arduino dengan tangki berpengaduk dan laptop/pc. Pada tahap perancangan perangkat lunak terdiri rancang bangun program Arduino serial MAX 6675, dan rancang bangun program LabVIEW. Hasil penelitian ini menunjukan bahwa komponenkomponen yang sesuai untuk pengendalian proses konversi LCPKS adalah Arduino Mega 2560, modul serial MAX 6675, sensor termokopel tipe K, TRIAC (Triode for Alternating Current), resistor dan Optoisolator MOC3021. Untuk sistem HMI sudah sesuai dengan kebutuhan dengan tampilan grafik dari kondisi tangki berpengaduk dan data logger sudah dapat tersimpan dalam aplikasi Microsoft Excel secara otomatis. Pada pengujian kalibrasi sensor termokopel atas, tengah dan bawah ditunjukan dengan persamaan karakteristik sensor masing-masing adalah y = 0,9614x + 2,4362; y = 0,9523x + 1,7447; dan y = 0,9638x + 1,605. Kemudian penelitian dijalankan menggunakan set point 55 o C dengan variasi hysteresis 1, 3, dan 5 o C. Serta hasil pengujian untuk perubahan termokopel terhadap respon kendali heater menunjukan bahwa temperatur dengan set point 55 C pada hysteresis 1 C lebih baik responnya dibandingkan dengan hysteresis 3 C maupun 5 C. Kata Kunci : Mikrokontroler, Data Logger Otomatisasi, Arduino Mega 2560, Labview vii

10 ABSTRACT The purpose of this research is to obtain and the assembly of the components of the Arduino Mega based microcontroller system and to obtain Human Machine Interface (HMI) which is used for POME conversion into biogas process control. This study is consisted of two stages, which is: the hardware design and software design. At the hardware design, the stirred tank and a laptop / PC will be connected to the Arduino microcontroller. The software design is consisted in to two steps, which is programing Arduino serial MAX 6675, and design a LabVIEW program. The results indicated that the components which is suitable for process control POME conversion were Arduino Mega 2560, MAX 6675 series modules, sensor thermocouple type K, TRIAC (Triode For Alternating Current), resistor and optoisolator MOC3021. The HMI systems was also suitable for the needs with graphic display of the conditions of the stirred tank and data logger was automatically stored in Microsoft Excel. In thermocouple sensor calibration testing the top, middle and bottom of the characteristic equation shown for each sensor is y = 0,9614x + 2,4362; y = 0,9523x + 1,7447; and y = 0,9638x + 1,605. Afterward, this study continued using a set point 55 C with a variation of hysteresis 1, 3, and 5 o C. And the results of testing for thermocouple changes to the heater control response with the temperature set point 55 C indicated that at 1 C hysteresis better response than the hysteresis 3 C and 5 o C. Keywords : Microcontroller, Data Logger, Otomatisation, Arduino Mega 2560, Labview viii

11 DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i PENGESAHAN ii PRAKATA iii DEDIKASI v RIWAYAT HIDUP PENULIS vi ABSTRAK vii ABSTRACT viii DAFTAR ISI ix DAFTAR GAMBAR xii DAFTAR TABEL xiv DAFTAR LAMPIRAN xv DAFTAR SINGKATAN xvi BAB I PENDAHULUAN LATAR BELAKANG PERUMUSAN MASALAH TUJUAN PENELITIAN MANFAAT PENELITIAN RUANG LINGKUP 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA PERKEMBANGAN KELAPA SAWIT DI INDONESIA LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) Sumber Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) Karakteristik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) Pemanfaatan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) sebagai Biogas MEKANISME PEMBENTUKAN BIOGAS Hidrolisis Asidogenesis Asetogenesis 10 ix

12 2.3.4 Metanogenesis PARAMETER FERMENTASI Alkalinitas Derajat Keasaman (ph) Kebutuhan Nutrisi Temperatur Operasi MIKROKONTROLLER Perangkat Keras (Hardware) Arduino Perangkat Sensor Temperatur Termokopel Perangkat Lunak (Software) 18 BAB III METODOLOGI PENELITIAN LOKASI PENELITIAN BAHAN DAN PERALATAN Bahan-Bahan Peralatan TAHAPAN PENELITIAN Perancangan Perangkat Keras (Hardware) Perancangan Perangkat Lunak (Software) Tahap Kalibrasi Alat Tahap Pengambilan Data Temperatur FLOWCHART PENELITIAN Flowchart Kalibrasi Alat Flowchart Pengambilan Data Temperatur 23 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN PERANCANGAN TANGKI BERPENGADUK PERANCANGAN PERANGKAT KERAS MIKROKONTROLER ARDUINO MEGA Penentuan Komponen Perancangan Perangkat Keras 28 x

13 4.3 PERANCANGAN PERANGKAT LUNAK SISTEM KENDALI MIKROKONTROLER BERBASIS ARDUINO MEGA Perancangan Program Arduino Serial MAX Perancangan Program LabVIEW ANALISIS HASIL PENGUJIAN SENSOR TERMOKOPEL PADA MODUL MAX Kalibrasi Sensor Termokopel Pengujian Sensor Termokopel Pengaruh Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 1 C Pengaruh Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 3 C Pengaruh Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 5 C 39 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN SARAN 42 DAFTAR PUTAKA 43 xi

14 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Diagram Alir Proses Ekstraksi Minyak Sawit dan Limbah yang Dihasilkan 7 Gambar 2.2 Hubungan Temperatur dengan Kecepatan Pertumbuhan Mikroorganisme 13 Gambar 2.3 Perangkat Keras Arduino Mega Gambar 2.4 Perangkat Sensor Temperatur 17 Gambar 3.1 Rangkaian Peralatan Arduino Mega Gambar 3.2 Peralatan Arduino Mega 2560 yang Terhubung dengan Prototype Tangki Berpengaduk 20 Gambar 3.3 Flowchart Prosedur Kalibrasi Arduino Mega Gambar 3.4 Flowchart Prosedur Pengambilan Data Temperatur dengan Menggunakan Perangkat Lunak LabVIEW Gambar 4.1 Gambar Teknikal 24 Gambar 4.2 Visual Tangki Berpengaduk 25 Gambar 4.3 Visual Arduino Mega Gambar 4.4 Visual Modul MAX Gambar 4.5 Visual Termokopel Tipe K 27 Gambar 4.6 Visual TRIAC BT12-600B 27 Gambar 4.7 Visual Resistor 28 Gambar 4.8 Visual dari Optocoupler atau Optoisolator MOC Gambar 4.9 Perancangan Sistem Kendali Temperatur 29 Gambar 4.10 Skema Rangkaian Sistem Kendali Temperatur 29 Gambar 4.11 Rangkaian Sistem Kendali Temperatur 30 Gambar 4.12 Program Arduino yang Digunakan Untuk Mengatur Modul Serial MAX Gambar 4.13 Simulasi Pemodelan Tangki Berpengaduk Menggunakan Mikrokontroler Arduino Mega Gambar 4.14 Program LabVIEW Untuk Sistem Kendali Temperatur pada Arduino Mega xii

15 Gambar 4.15 Simulasi Sistem Kendali Temperatur pada Arduino Mega Gambar 4.16 Grafik Kalibrasi Sensor Termokopel Bagian Atas terhadap Termometer Digital 35 Gambar 4.17 Grafik Kalibrasi Sensor Termokopel Bagian Tengah terhadap Termometer Digital 35 Gambar 4.18 Grafik Kalibrasi Sensor Termokopel Bagian Bawah terhadap Termometer Digital 36 Gambar 4.19 Grafik Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 1 C 37 Gambar 4.20 Grafik Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 3 C 38 Gambar 4.21 Grafik Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 5 C 40 Gambar C.1 Visual dari Tangki Berpengaduk 56 Gambar C.2 Visual dari Pengaduk yang Digunakan 56 Gambar C.3 Visual dari Baffle yang Digunakan 57 Gambar C.4 Visual Arduino Mega Gambar C.5 Visual Modul MAX Gambar C.6 Visual Termokopel Tipe K 58 Gambar C.7 Visual TRIAC BT12-600B 58 Gambar C.8 Visual Resistor 58 Gambar C.9 Visual dari Optocoupler atau Optoisolator MOC Gambar C.10 Perancangan Sistem Kendali Temperatur 59 Gambar C.11 Rangkaian Sistem Kendali Temperatur 59 Gambar D.1 Block Diagram Program LabVIEW Untuk Sistem Kendali Temperatur pada Arduino Mega xiii

16 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1.1 Rangkuman Hasil Penelitian Pembuatan Sensor Biogas yang Terdahulu 3 Tabel 2.1 Luas Areal Perkebunan Kelapa Sawit di Indonesia 6 Tabel 2.2 Produksi Minyak Kelapa Sawit Dunia, dalam Jutaan Ton 6 Tabel 2.3 Karakteristik LCPKS dari sampel Adolina 8 Tabel 2.4 Karakteristik Biogas 9 Tabel 2.5 Tipe-Tipe Platform Arduino 14 Tabel 2.6 Spesifikasi Perangkat Hardware Arduino Mega Tabel 2.7 Tipe-Tipe Termokopel 17 Tabel 4.1 Spesifikasi Tangki Berpengaduk 25 Tabel A.1 Data Hasil Kalibrasi Termokopel 47 Tabel A.2 Data Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 1 C 48 Tabel A.3 Data Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 3 C 49 Tabel A.4 Data Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 5 C 50 Tabel B.1 Data Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 1 C pada Jam ke-1 54 xiv

17 DAFTAR LAMPIRAN Halaman LAMPIRAN A DATA PENELITIAN 47 A.1 DATA HASIL KALIBRASI TERMOKOPEL 47 A.2 DATA PENGUJIAN SENSOR TERMOKOPEL 48 A.2.1 Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 1 C 48 A.2.2 Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 3 C 49 A.2.3 Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 5 C 50 LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN 51 B.1 PERHITUNGAN RANCANGAN TANGKI BERPENGADUK 51 B.1.1 Tangki Berpengaduk 51 B.1.2 Pengaduk 52 B Turbin Piringan Horizontal 52 B Paddle Berdayung 4 53 B.2 PERHITUNGAN STANDAR DEVIASI 54 LAMPIRAN C DOKUMENTASI 56 LAMPIRAN D PROGRAM KOMPUTER 60 D.1 PROGRAM ARDUINO MAX D.2 BLOCK DIAGRAM PROGRAM LABVIEW 63 xv

18 DAFTAR SINGKATAN POME LCPKS COD BOD HRT HMI LabVIEW NI VI PWM TRIAC PKS TBS TKKS CPO CPKO SRT IDE Palm Oil Mill Effluent Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Chemical Oxygen Demand Biological Oxygen Demand Hydraulic Retention Time Human Machine Interface Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench National Instrument Virtual Instrument Pulse Widht Modulation Triode for Alternating Current Pabrik Kelapa Sawit Tandan Buah Segar Tandan Kosong Kelapa Sawit Crude Palm Oil Crude Palm Kernel Oil Solid Retention Time Integrated Development Environment xvi