DESAIN SISTEM KENDALI SUHU DAN RH BERBASIS LOGIKA FUZZY PADA PENGERINGAN BIJI PALA (Myristica sp.) ERK HYBRID

Transkripsi

1 Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 214 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 guyup.mahardhian@yahoo.co.id 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 4 o C set point produces average temperature of 4.75 o C with deviation 2.66 o C, 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 319 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 4 o C menghasilkan suhu rata-rata 4,77 o C dengan deviasi 2,66, sedangkan untuk set point RH 45 % menghasilkan RH ratarata 45,67 % dengan deviasi 4,19. Pengeringan berlangsung selama 7 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, 27) 13

2 Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 214 Pengeringan buatan ERK hybrid adalah metode pengeringan yang dalam operasi pengeringannya menggunakan bantuan alat pengering dengan cahaya dan biomassa sebagai sumber panasnya (Nelwan, 25). 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, 28). 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, 27). 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 5 cm x 5 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 3 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, I 2 C ADDA berfungsi untuk mengubah sinyal analog menjadi digital, SPC DC motor 14

3 derror derror Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 214 berfungsi sebagai driver kipas AC dan EMS 3 A H-Bridge berfungsi untuk memperkuat arus menuju beban. Algoritma Fuzzy Basis aturan berisi aturan-aturan fuzzy yang digunakan untuk pengendalian sistem. Aturan ini berbentuk JIKA MAKA atau IF- THEN (Ardiansyah, 2). 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 o -25 o o 25 o Gambar 3. fungsi keanggotaan suhu -6% -3% % Gambar 4. fungsi keanggotaan RH Tabel 1. Matrik pengambilan keputusan kendali suhu Error E/dE 5 o suhu 3% 6% E/dE NB Z Z Z NB NS NS Z Z NB NS PS Z NB NB NS PS PS PS NB NS PS PB PB PB NS PS PB PB PB Tabel 2. Matrik pengambilan keputusan kendali RH RH Error HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Awal 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 23 menghasilkan suhu ruang rata-rata o C selama 55 menit sedangkan putaran kipas dengan nilai PWM 2 menghasilkan suhu ruang rata-rata o C selama 5 menit. Hasil dari dua kecepatan putar tersebut maka pada pengujian dengan sistem kendali akan digunakan putaran kipas minimum dengan nilai PWM 23 karena dengan nilai PWM 23 waktu yang diperlukan bahan bakar biomassa habis terbakar lebih lama dibandingkan dengan nilai PWM 2. Pengujian selanjutnya menggunakan variasi putaran kipas dengan nilai PWM 15 dan putaran kipas dengan nilai PWM 1. Putaran kipas dengan nilai PWM 15 menghasilkan suhu ruang rata-rata o C selama 3 menit sedangkan putaran kipas dengan nilai PWM 1 menghasilkan suhu ruang rata-rata 37.5 o C selama 2 menit. Berdasarkan data pengujian tersebut maka pada pengujian dengan sistem kendali digunakan putaran kipas maksimum dengan nilai PWM 15 karena menghasilkan suhu yang lebih tinggi dan memiliki waktu yang lebih lama saat bahan bakar biomassa habis terbakar dari putaran kipas dengan nilai PWM 1. NB PB PB PB PS NS NS PB PB PS NS NB Z PS PS NS NB NB PS PS NS NB Z Z PB NS NB Z Z Z 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

4 Suhu (oc) RH (%) Suhu (oc) Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 214 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 Menit ke- 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 5 o C. Dari pengujian dengan menggunakan kipas 1 dapat menurunkan suhu rata-rata o C dari o C. Pengujian Kontrol Tanpa Beban Pengujian tanpa beban dilakukan dengan melihat pergerakan suhu udara pengering. Pengujian berlangsung dari pukul 11. WIB hingga pukul 22. WIB dengan set point 45 o C. 6 KS_out KS_in KHE_out pengering. Suhu terendah yang dicapai adalah 38.3 o C dan suhu yang tertinnggi adalah o C. pada peneliian ini suhu dijaga agar tidak lebih dari 55 o C 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 o C dengan deviasi 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 5 o C 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 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 1 5 RH ruang RH lingk Menit ke Menit kesuhu ruang 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 Gambar 7. Sebaran RH pada ruang pengering 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

5 Kadar air bahan (% bb) Suhu (oc) RH (%) Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 214 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 Pengujian Kontrol dengan Beban Pengujian pengeringan dengan logika fuzzy dilakukan pada beban biji pala dengan berat 75 kg dengan kadar air awal rata-rata 8%bb dan akan dikeringkan hingga kadar air akhir 1% bb. Pengujian dimulai pada pukul 14. WIB dan berlangsung selama 7 jam dengan set point suhu 4 o C. Sebaran suhu selama pengeringan berlangsung dapat dlihat pada Gambar 8 berikut Jam Kelayer bawah layer tengah 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 4.49 o C, layer tengah memiliki rata-rata suhu 4.84 o C dan layer atas memiliki rata-rata suhu sebesar 4.93 o C. Ketiga layer jika dirata-ratakan akan memiliki nilai rata-rata suhu ruang pengering sebesar 4.75 o C dengan deviasi Suhu maksimum yang dicapai sebesar o C dan suhu minmum sebesar o C. Suhu yang berkisar 4.75 o C dapat dikatakan telah mendekati set point yang di set pada 4 o C. Respon awal logika fuzzy pada pengendalian ini tidak dapat terlihat karena pengujian dimulai pada pukul 14. WIB dimana suhu pada saat itu tinggi sehingga respon awal logika fuzzy untuk mencapai set point tidak terlihat. Kontrol RH dengan bahan menghasilkan nilai yang lebih berfluktuatif daripada kontrol suhu seperti dapat dilihat pada Gambar Jam Ke- Layer Bawah Layer Atas Gambar 9. Sebaran Suhu Ruang Pengering Tiap Layer 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 7.25%, 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-5 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 jam ke- 1 layer bawah layer tengah layer atas Gambar 1. Penurunan kadar air biji pala pada tiap layer 17

6 konsumsi listrik (Watt.jam) konsumsi listrik (Watt.jam) Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 214 Gambar 1 menunjukkan pola penurunan kadar air dimana kadar air awal bahan adalah berkisar 77.72%bb dan dikeringkan dengan suhu konstan rata-rata 4.77 o C. Hasil dari pengeringan tersebut selama 7 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 4 o C, begitu pula dengan uap air dalam biji akan sulit keluar karena terhalang tempurung. Tebal nya tempurung menyebabkan kadar air biji pala sulit untuk mencapai 1%bb sehingga pada percobaan ini pengeringan dihentikan pada kadar air 14.46%bb karena sudah dianggap tidak efisien dari segi waktu dan biaya. 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 Jumlah (MJ) Porsi (%) Surya Biomassa Listrik Total Penelitian Tahir, 29 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 2.6 kg/jam. Energi terbesar setelah biomassa berasal dari energi surya 14.35%. Konsumsi energi terkecil pada pengujian ini adalah energi listrik sebesar.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 7 jam fuzzy Jam ke- (a) tanpa fuzzy Jam kefuzzy 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 588 watt.jam atau 32.3% 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 4 o C menghasilkan suhu udara pengering rata-rata 4.75 o C dengan deviasi Sedangkan parameter kelembaban dengan set point 45% menghasilkan RH udara pengering rata-rata 45.67% dengan deviasi Penggunaan kontrol dapat menghemat penggunaan energi listrik dimana konsumsi energi listrik dengan fuzzy sebanyak

7 Jurnal Ilmiah Rekayasa Pertanian dan Biosistem, Vol.2, No. 1 Maret 214 watt.jam sedangkan jika tanpa fuzzy sebesar 588 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 7 jam dengan rata-rata laju pengeringan yaitu 4.6%/bk/jam sebagai indikator efektifitas pengeringan. DAFTAR PUSTAKA Ardiansyah. 2. Desain Sistem Kontrol Suhu Untuk Pemingsanan Udang Windu (Penaeus monodon Fab.) Secara Bertahap Dengan Logika Fuzzy. Skripsi. Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor Darjat. 28. Sistem Pengendalian Suhu dan Kelembaban pada Mesin Pengering Kertas. Jurnal Teknik Elektro, Jilid 1, Nomor 2, Juni 28, hlmn Drazat. 27. Meraup Laba Dari Biji Pala. PT Agomedia Pustaka. Jakarta Nelwan LO. 25. Study On Solar-Assisted Dryer with Rotating Rack for Cocoa Beans, Dissertation, The Graduate School-Bogor Agricultural University Bogor. Purwaningrum N. 27. Aplikasi Fuzzy Logic Untuk Pengendali Penerangan Ruangan Berbasis Mikrokontroler ATmega8535. Skripsi. Jurusan Teknik elektro, Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang. Semarang Tahir Muh. 29. 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