Disain Kendali Laju Aliran Udara dan Sistem Pengumpan Bahan bakar Biomassa berbasis Fuzzy pada Pengering Jagung ERK Hybrid

DISAIN KENDALI LAJU ALIRAN UDARA DAN SISTEM

PENGUMPAN BAHAN-BAKAR BIOMASSA BERBASIS

FUZZY PADA PENGERING JAGUNG ERK-HYBRID

MUH. TAHIR

SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR 2009

PERNYATAAN MENGENAI TESIS

DAN SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Disain Kendali Laju Aliran Udara dan Sistem Pengumpan Bahan-bakar Biomassa berbasis Fuzzy pada Pengering Jagung ERK-Hybrid adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, Agustus 2009

Muh. Tahir

ABSTRACT

Muh. Tahir. Design of the Air Flow Rate and Feeder System of Biomass Fuel Controller base on Fuzzy for Hybrid Greenhouse Effect Corn Dryer. Under direction of I Dewa Made Subrata and Y. Aris Purwanto

Spesifically, the term of this drying refers to the removal of relatively small amount of moisture from an agriculture commodities by evaporation. Therefore, drying involves both heat (energy) and mass transfer operations simultaneously. The optimum condition of air (hot, dry and moves) used in this drying could be gained through controlling methods, one of them is Fuzzy Logic Controller (FLC). The FLC has been arranged of four inputs namely temperature error, RH error and each error change. The process of fuzzy yield two outputs and used to control the air flow rate and feeder system of biomass fuel in Hybrid Greenhouse Effect Corn Dryer. Devices such as biomass stove, AC motor driver, DC motor driver feeding for mechanism and microcontroller base measurement system have been designed under this research. The testing of the FLC on Hybrid-Greenhouse Effect dryier with 1526 kg of corn yields average drying air of 46.8 oC with deviation of 3.6 oC to the desired temperature. The average relative humidity of 41,8 % provides deviation of 6.1 % to the desired RH and both parameter needs 10 menit rising time to each desired value (47 oC and 45 %RH). The fuzzy controlling yields air flow rate of 1.25 m/sec and rotation speed of feeder 0.95 RPM. Biomass energy had the greater portion; 85.2% of the total energy consumption and 12.3 kg/hour rate of feeding. Solar and electrical energy consumption had portion of 9.6% and 5.2% respectively. The specific energy consumption (SEC) of this drying was 13.7 MJ/kg with drying efficiency 2.87%. The air drying condition which resulted by fuzzy controlling could increase the drying rate of 1.30 %db/hour as indicator of the drying effectiveness.

Keywords: fuzzy logic controller, biomass stove, hybrid-greenhouse effect, dryer, corn.

RINGKASAN

Muh.Tahir. Disain Kendali Laju Aliran Udara dan Sistem Pengumpan Bahan-bakar Biomassa berbasis Fuzzy pada Pengering Jagung ERK-Hybrid. Dibimbing oleh I Dewa Made Subrata dan Y. Aris Purwanto.

Secara khusus pengeringan diartikan sebagai proses pemindahan air dari komoditas hasil pertanian melalui proses penguapan. Pengeringan mencakup proses pindah panas (energi) dan pindah massa dalam operasi yang kontinyu. Kondisi udara pengering yang optimum dapat diperoleh melalui metode pengendalian, salah satu metode pengendalian yang dapat digunakan adalah kendali logika fuzzy (KLF). Kendali logika fuzzy disusun dari empat buah input yaitu error suhu, error RH dan laju errornya masing-masing. Proses fuzzynya menghasilkan dua buah keluaran yang digunakan untuk mengendalikan laju aliran udara dan sistem pengumpan bahan-bakar biomassa pada pengering jagung Efek Rumah Kaca (ERK)-Hybrid. Peralatan yang didisain meliputi tungku biomassa, driver motor AC, driver motor DC pengumpan tongkol dan mikrokontroler untuk sistem pengukuran. Pengujian sistem kendali logika fuzzy pada pengeringan dengan beban menghasilkan suhu rata-rata udara pengering 46,8 oC dengan simpangan 3,6 oC dan RH rata-rata udara pengering 41,8 % dengan simpangan 6,1 % serta waktu 10 menit untuk mencapai nilai masing-masing set point. Pengendalian pada nilai masing-masing set point menghasilkan rata-rata laju aliran udara 1,25 m/detik dan rata-rata putaran motor pengumpan 0,95 RPM. Bahan bakar biomassa merupakan konsumsi energi terbesar yakni 85,2% dari total konsumsi energi dengan laju pengumpanan 12,3 kg/jam. Konsumsi energi surya dan listrik masing-masing sebesar 9,6% dan 5,2%. Konsumsi energi spesifik (KES) sebesar 13,7 MJ/kg dengan nilai efisiensi pengeringan sebesar 2,87%. Kondisi udara pengering yang terbentuk melalui pengendalian logika fuzzy mampu meningkatkan laju penurunan kadar air bahan sebesar 1,30 %bk/jam yang merupakan indikator efektifitas pengeringan.

Kata kunci: kendali logika fuzzy, tungku biomassa, efek rumah kaca-hybrid, pengering, jagung.

© Hak Cipta milik IPB, tahun 2009 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang

Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB

Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

DISAIN KENDALI LAJU ALIRAN UDARA DAN SISTEM

PENGUMPAN BAHAN-BAKAR BIOMASSA BERBASIS

FUZZY PADA PENGERING JAGUNG ERK-HYBRID

MUH. TAHIR

Tesis

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada

Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR 2009

Judul Tesis : Disain Kendali Laju Aliran Udara dan Sistem Pengumpan Bahan-bakar Biomassa berbasis Fuzzy pada Pengering Jagung ERK-Hybrid.

Nama : Muh. Tahir NRP : F151070011

Disetujui Komisi Pembimbing

Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Sc

Ketua Anggota

Diketahui

Ketua Mayor Teknik Mesin Dekan Sekolah Pascasarjana Pertanian dan Pangan (TMP)

Dr. Ir. Radite P.A. Setiawan, M.Agr Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S

PRAKATA

Dengan segala kerendahan hati, penulis memanjatkan puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan tesis ini. Tulisan ini menyajikan kegiatan dengan judul ”Disain Kendali Suhu dan Kelembaban Relatif Udara berbasis Logika Fuzzy pada Pengering ERK-Hybrid”.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Leopold Oscar Nelwan, M.Si selaku ketua peneliti pada proyek penelitian KKP3T atas bimbingannya yang sangat berharga bagi penulis selama pendidikan dan penelitian, Bapak Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, MAgr selaku ketua komisi pembimbing atas segala koreksi, bimbingan dan motivasinya, Bapak Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Sc sebagai anggota komisi pembimbing, yang telah meluangkan waktu, pemikiran dan masukan-masukan dalam penyelesaian tesis, Bapak Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M.Sc selaku dosen penguji luar komisi pembimbing pada ujian tesis, atas segala masukan dan saran bagi penulisan tesis ini serta Bapak Dr. Ir. Radite Praeko Agus Setiawan, M.Agr selaku ketua mayor atas segala masukan dan arahan pada ujian tesis.

Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian, Departemen Pertanian RI melalui Proyek Penelitian KKP3T Tahap II Tahun 2008 yang telah membantu pembiayaan penelitian ini. Tak lupa ungkapan terima kasih disampaikan kepada teman-teman TEP angkatan tahun 2007 dan teknisi serta laboran Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Fateta IPB yang telah banyak membantu selama penelitian berlangsung. Pihak lain yang tidak disebutkan satu per satu.

”Semoga karya ilmiah ini bermanfaat”

Demikian sekelumit pengantar untuk penelitian ini dan sebelumnya saya ucapkan terima kasih.

Bogor, Agustus 2009

RIWAYAT HIDUP

Muh. Tahir dilahirkan di Distamar Kanjira pada tanggal 14 Nopember 1972, adalah putra bungsu dari tujuh bersaudara dari Bapak Purn (Alm) Zainuddin Rala dan Ibu Siti Bentoeng.

Penulis lulus di SMA Negeri I Takalar, Sulawesi Selatan pada tahun 1993 dan melanjutkan pendidikan ke program sarjana IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) 1993. Menyelesaikan pendidikan sarjana pada Program Studi Teknik Pertanian di laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian pada tahun 1998. Penulis mengikuti beberapa pelatihan program penjaringan sosial pada rentang tahun 1998 – 2000. Penulis memperoleh kesempatan mengikuti program magang (kensyuusei) di Pusat Koperasi Pertanian dan Hortikultura Ibaraki Jepang tahun 2000 – 2001. Setelah kembali dari Jepang penulis bekerja dalam bidang hortikultura di dataran tinggi Malino Kabupaten Gowa tahun 2001-2004. Pada tahun 2005 sampai sekarang, penulis bekerja sebagai dosen di program studi Teknologi Pengolahan Hasil Perkebunan, Universitas Negeri Gorontalo. Pertengahan Agustus 2007 penulis melanjutkan pendidikan pada program studi Ilmu Keteknikan Pertanian, Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan di Sekolah Pascasarjana IPB dengan sponsor BPPS Ditjen Dikti.

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ... v

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR LAMPIRAN... viii

1. PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 4

1.3.1 Tujuan Umum ... 4

1.3.2 Tujuan Khusus ... 4

1.4 Manfaat Penelitian ... 4

1.5 Lingkup Penelitian ... 4

2. TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Jagung ... 5

2.2 Sistem Pengeringan ... 6

2.3 Logika Fuzzy ... 9

2.4 Inferensi Fuzzy ... 10

2.4.1 Penentuan gugus fuzzy ... 10

2.4.2 Penerapan aturan if-then atau Fuzzy Rules ... 11

2.4.3 Penegasan (Defuzzy) ... 12

2.5 Sensor Suhu dan Kelembaban ... 12

2.6 Pengubah Digital ke Analog (Digital Analog Converter, DAC) ... 14

2.6.1 DAC Penjumlahan Resistor ... 15

2.6.2 DAC Jaringan R-2R Ladder ... 15

2.7 Driver Motor AC ... 17

2.8 Tungku Pembakaran ... 18

2.9 Pindah Panas ... 18

2.10 Perpindahan Gerak ... 19

3. METODOLOGI PENELITIAN ... 21

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 21

3.2 Alat dan Bahan ... 21

3.3 Prosedur Penelitian ... 21

3.4 Metode Pengendalian ... 22

3.5 Deskripsi Sistem Pengeringan dan Pengendalian ... 24

3.6 Parameter ukur ... 25

3.7 Perhitungan Performansi Teknis ... 26

4. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 30

4.1 Disain Tungku dan Pengumpan Tongkol Jagung ... 30

4.3 Disain Driver Motor DC dengan DAC0808 ... 32

4.4 Disain Driver Motor AC ... 33

4.5 Hasil Disain Sistem Kendali Logika Fuzzy ... 34

4.5.1 Perangkat Keras ... 34

4.5.2 Perangkat Lunak ... 39

4.6 Skema Disain Kendali Logika Fuzzy pada Pengering ERK-Hybrid ... 41

4.7 Uji Kinerja Tungku ... 43

4.8 Uji dan Kalibrasi Sensor SHT75 ... 43

4.9 Uji Fungsi Keypad, LCD dan Akuisisi Data... 44

4.10 Uji Fungsi Driver Motor DC ... 46

4.11 Uji Fungsi Driver Motor AC ... 47

4.12 Uji Sistem Kendali Logika Fuzzy pada Pengering ERK-Hybrid ... 48

4.12.1 Uji sistem kendali logika fuzzy tanpa beban pengeringan ... 48

4.12.2 Uji sistem kendali logika fuzzy dengan beban pengeringan ... 50

5. SIMPULAN DAN SARAN ... 59

5.1 Simpulan ... 59

5.2 Saran ... 60

DAFTAR PUSTAKA ... 61

DAFTAR TABEL

Halaman

1. Nilai koefisien konversi RH ... 14

2. Koefisien konversi temperatur berdasarkan SOT ... 14

3. Koefisien konversi temperatur berdasarkan VDD ... 14

4. Konfigurasi pin LMB162A ... 36

5. Perubahan suhu outlet dan inlet air dalam bak... 43

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1. Fungsi keanggotaan fuzzy; triangular dan trapesium ... 11

2. Proses Fuzzifikasi ... 11

3. Proses Evaluasi Aturan ... 12

4. Proses Penegasan ... 12

5. Sensor SHT11(a) dan SHT75(b) dan rangkaiannya ... 13

6. DAC Penjumlahan Resistor 4 bit biner ... 15

7. DAC R-2R Ladder 4 bit biner ... 15

8. Skema DAC 0808 (MC1408) ... 16

9. Rangkaian output dengan impedansi input yang rendah ... 17

10. Pin LM 339 ... 17

11. Rangkaian triac optocoupler ... 18

12. Perpindahan titik P, A dan B ... 20

13. Translasi gerak P2 dan P4 ... 20

14. Algoritma pengendalian dengan logika fuzzy ... 22

15. Tungku pembakaran tongkol jagung ... 30

16. Disain mekanisme pengumpan tungku ... 31

17. Unit Tungku dengan Pengumpanan Kincir ... 32

18. Rangkaian khas DAC 0808 dengan Op-Amp ... 33

19. Rangkaian driver motor AC untuk kipas ... 33

20. Skema teknik delay bentuk gelombang tegangan AC ... 34

21. Konfigurasi sensor SHT75 pada DT51 Petrafuz ... 35

22. Konfigurasi LCD pada DT51 Petrafuz ... 36

23. Konfigurasi Keypad pada DT51 Petrafuz ... 37

24. Konfigurasi driver motor DC pada DT51 Petrafuz ... 37

25. Regulator tegangan 2N3055 dengan pendingin ... 37

26. Rangkaian Zero Crossing Detector tegangan AC ... 38

27. Akuisisi Data DT51 Petrafuz dengan Personal Komputer ... 38

29. Skema Disain Kendali Logika Fuzzy pada Pengering ERK-Hybrid ... 42

30. Perbandingan suhu udara ... 44

31. Perbandingan RH udara ... 44

32. Tampilan mode suhu dan RH dua buah sensor ... 45

33. Tampilan mode input set point suhu dan RH ... 45

34. Tampilan suhu, RH dan set point pada disain antar muka ... 45

35. Hubungan nilai digital dengan tegangan DC keluaran ... 46

36. Hubungan suhu udara & putaran motor DC ... 46

37. Hubungan nilai digital dengan tegangan AC keluaran ... 47

38. Hubungan RH udara dan kecepatan aliran udara ... 48

39. Pola dan sebaran suhu udara pengering tanpa beban ... 48

40. Pola putaran motor pengumpan pada pengeringan tanpa beban ... 49

41. Pola dan sebaran RH udara pengering tanpa beban ... 49

42. Pola laju udara keluar pada pengeringan tanpa beban ... 50

43. Pola dan sebaran suhu udara pengering dengan beban ... 51

44. Pola pengendalian putaran motor pada pengeringan dengan beban ... 51

45. Pola dan sebaran RH udara pengering dengan beban ... 52

46. Pola pengendalian laju aliran udara pada pengeringan dengan beban ... 53

47. Pola dan sebaran suhu maupun RH udara ruang pengering ... 54

48. Penurunan kadar air pada beberapa titik pengukuran ... 54

49. Komposisi penggunaan jenis energi pada pengeringan ... 55

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

1. Perhitungan performansi teknis ... 65

2. Perintah dalam bahasa Assembly ... 68

3. Perintah dalam bahasa Delphi 7.0 ... 84

4. Perintah Assembly Driver motor AC ... 98

5. Skema titik pengukuran tampak samping ... 100

6. Skema titik pengukuran tampak atas ... 101

1.

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Jagung merupakan tanaman pangan penting selain padi dan gandum. Beberapa daerah di Indonesia menggunakan jagung sebagai makanan pokok dan atau substitusi. Selain digunakan sebagai bahan makanan karena mempunyai kandungan karbohidrat yang tinggi, tanaman jagung juga digunakan sebagai pakan ternak (hijauan atau biji), diambil minyaknya (dari biji), dibuat tepung (dari biji, dikenal istilah tepung jagung atau maizena), bahan baku industri (dari tepung biji dan tepung tongkolnya). Pengembangan hasil tanaman jagung sebagai komoditas perdagangan dan industri menyebabkan pentingnya aspek pengeringan sebagai pra pengolahan pada tahap pasca panen menuju pengolahan industri. Rachman (2002) didalam Mulyantara (2008) menyebutkan bahwa kebutuhan jagung cenderung meningkat dengan laju 0,34% per tahun seiring dengan pesatnya permintaan jagung sebagai bahan baku industri pakan ternak yang membutuhkan kontinuitas pasokan.

Pengembangan peralatan pengering berlangsung seiring dengan tuntutan tingkat performansi alat yang tinggi dengan berbagai faktor pembatas seperti ketersediaan sumber energi, material, dan teknologi yang dibutuhkan. Oleh karena itu jenis pengering akan sangat bervariasi dan sifatnya khusus terutama dalam kaitannya dengan jenis komoditas atau produk yang akan dikeringkan. Lebih dari 400 jenis pengering telah dilaporkan pada literatur dan lebih dari 100 jenis telah tersedia di pasaran umum (Mujumdar et al., 2001).

Jenis alat pengering yang banyak dikembangkan adalah pengering efek rumah kaca (ERK) yang memadukan kolektor panas surya sebagai pembangkit panas udara dengan ruang pengering untuk mengurangi biaya konstruksi (Abdullah, 1993, 2007). ERK dapat dibangun dalam berbagai konfigurasi tergantung pada jenis komoditas yang dikeringkan, luas lahan tersedia, intensitas dan lama penyinaran surya. Sumber pembangkitan panas udara dapat dikombinasikan dengan sumber energi lain sehingga disebut dengan pengering ERK-Hybrid.

Pengeringan yang efektif dapat terjadi jika kondisi udara pengering ideal terpenuhi yakni panas, kering dan bergerak. Ketiga kondisi udara tersebut saling

berkaitan secara erat dan sangat perlu untuk menjaga masing-masing faktor berada pada kondisi yang tepat. Istilah untuk tingkat kekeringan udara adalah kelembaban, semakin rendah tingkat kelembaban berarti semakin kering udara tersebut. Kelembaban relatif (Relative Humidity, RH) udara merupakan istilah yang paling sering digunakan yang menyatakan rasio antara uap air dalam udara dengan kondisi udara yang jenuh dengan air. Penerapan ketiga kondisi udara yang tepat secara terus-menerus pada proses pengeringan menyebabkan waktu tempuh untuk mencapai suatu tingkat kandungan air bahan yang dikeringkan menjadi lebih singkat. Perbandingan antara perubahan kandungan air bahan dengan waktu yang dibutuhkan disebut dengan istilah laju penurunan kandungan air bahan. Semakin besar nilai laju penurunan kandungan air bahan menunjukkan proses pengeringan yang efektif dan semakin kecil nilai laju pengeringan bahan menunjukkan proses pengeringan yang kurang efektif. Dengan demikian maka laju penurunan kadar (kandungan) air bahan atau disebut juga laju pengeringan merupakan faktor yang dijadikan indikator efektifitas pengeringan.

Pengeringan merupakan proses yang dinamis menyangkut penggunaan energi dan kondisi udara yang akan memindahkan sejumlah tertentu kadar air bahan. Penggunaan energi sangat intensif sebagai akibat dari panas laten penguapan yang tinggi dan ketidakefisienan penggunaan udara panas sebagai media pengering (paling umum). Berbagai kajian melaporkan bahwa konsumsi energi nasional untuk operasi pengeringan di industri berkisar dari 10-15% untuk Amerika Serikat, Kanada, Prancis, Inggris dan hingga 20-25% untuk Denmark dan Jerman. Konsumsi energi dalam pengeringan berkisar dari nilai terendah di bawah 5% untuk industri proses kimiawi dan hingga 35% untuk operasi pembuatan kertas, (Mujumdar et al., 2001).

Tungku biomassa dalam pengeringan ditujukan untuk menyediakan panas baik ketika intensitas penyinaran surya berkurang atau tidak tersedia sama sekali. Pemanfaatan biomassa sebagai sumber energi dimaksudkan untuk memanfaatkan bahan bakar yang tersedia secara lokal dan berpotensi sebagai limbah sehingga biaya operasional pengeringan dapat ditekan serendah mungkin. Berbagai sumber yang berpotensi sebagai energi biomassa adalah limbah pertanian (tongkol jagung, sekam, dll.), limbah perkebunan (kayu, sabut & tempurung kelapa, dll), limbah peternakan (kotoran ternak sebagai biogas, dll.) dan limbah beberapa jenis industri, (Abdullah dkk., 1998).

Mulyantara (2008) menguji tungku biomassa model silinder dengan tipe pengumpan sistem auger (screw conveyor) pada pengering ERK-Hybrid. Pengumpanan kontinyu secara mekanis masih sulit dilakukan dan digantikan dengan cara manual karena rancangannya yang belum sempurna.

Konsumsi energi pada pengering ERK-Hybrid selama proses pengeringan berasal dari energi radiasi surya, biomassa dan listrik. Pengeringan kakao dengan rak berputar membutuhkan konsumsi energi spesifik sebesar 7,9 – 9,9 MJ/kg (Nelwan, 2005). Sedangkan Mulyantara (2008) melaporkan pengeringan jagung pipilan dengan silinder berputar membutuhkan konsumsi energi spesifik sebesar 6,03 – 8,01 MJ/kg. Konsumsi energi surya akan sangat tergantung pada kondisi cuaca dan iklim setempat. Persentase konsumsi energi surya pada kedua percobaan pengeringan berlainan komoditas tersebut masing-masing berkisar 10,7 – 16,4% dan 13,78 – 15,01%. Persentase energi biomassa dan listrik oleh Mulyantara (2008) masing-masing berkisar 76,59 – 79,36% dan 6,87 – 8,39%. Serta laju penggunaan tongkol jagung rata-rata sebesar 5,57 kg/jam. Diduga konsumsi energi spesifik masih bisa diperkecil apabila pemasukan energi tambahan (biomassa) dilakukan dengan sistem kendali sesuai kebutuhan.

Penggunaan energi pada pengering ERK-Hybrid yang dilakukan tanpa pengendalian dapat mengakibatkan ketidakoptimalan penggunaan energi. Sehingga dipandang perlu menerapkan suatu sistem kendali yang secara pintar dapat mengatur penggunaan energi biomassa dan energi listrik sesuai dengan tingkat kebutuhan proses pengeringan.

1.2 Perumusan Masalah

Kondisi udara pengering yang optimum pada sistem pengeringan ERK-Hybrid dapat diperoleh dengan cara:

- mengendalikan pengumpanan bahan bakar biomassa (tongkol jagung) pada sistem tungku sesuai dengan tingkat suhu udara pengeringan yang diharapkan.

- mengendalikan laju aliran udara yang menyebabkan kondisi RH ruang pengering rendah sehingga proses pengeringan berlangsung efektif.

- menerapkan metode pengendalian logika fuzzy untuk mengakomodasi kedua point cara memperoleh kondisi udara pengering ideal tersebut secara kontinyu. Studi

pustaka menunjukkan bahwa metode binary tidak dapat diterapkan karena memiliki pola pengendalian yang tidak kontinyu. Sementara metode Proporsional-Integral-Derivatif (PID) sebagai penyempurnaan metode binary (On/Off) untuk kasus kontinyu membutuhkan data respon transien pada metode binary sebagai dasar perhitungan konstanta PID.

1.3 Tujuan Penelitian 1.3.1 Tujuan Umum

Melakukan rancangan dan pengujian sistem kendali logika fuzzy untuk pengeringan jagung pipilan pada pengering jagung ERK-Hybrid.

1.3.2 Tujuan Khusus

o Merancang unit tungku dan sistem pengumpanan tongkol jagung secara mekanis. o Merancang perangkat keras kendali laju aliran udara keluar dan sistem

pengumpanan bahan bakar biomassa (tongkol jagung).

o Merancang perangkat lunak sistem kendali dengan logika fuzzy berbasis komputer

dan mikrokontroler.

o Melakukan uji performansi sistem pengering secara keseluruhan.

1.4 Manfaat Penelitian

o Tersedianya rancangan sistem pengumpan tongkol jagung secara mekanis dan

terkendali pada suatu unit tungku.

o Proses pengeringan yang lebih efektif dari segi waktu pada pengering jagung

ERK-Hybrid dengan adanya kondisi udara pengering yang optimum.

o Tersedianya rancangan pengendalian algoritma fuzzy pada pengering ERK-Hybrid

skala lapangan.

1.5 Lingkup Penelitian

Penelitian mencakup perangkat keras meliputi disain tungku dan sistem pengumpan tongkol jagung, disain sistem mikrokontroler, disain sistem akuisisi data dan perangkat lunak meliputi disain antar muka akuisisi data, pemrograman logika fuzzy, pembacaan sensor, LCD dan keypad. Serta pengujian sistem kendali logika fuzzy pada pengering jagung ERK-Hybrid.

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Jagung

Jagung (Zea mays L) merupakan tanaman semusim yang termasuk famili rumput-rumputan. Selain jagung, tanaman lain yang termasuk dalam famili yang sama adalah gandum, barley, gandum hitam, dan sorgum (Wallace et al., 1949).

Jagung memiliki bunga jantan dan bunga betina yang terpisah dalam satu tanaman. Bunga jantan tumbuh dibagian puncak tanaman, berupa karangan bunga

(inflorescene) dengan serbuk sari berwarna kuning dan beraroma khas. Sedangkan

bunga betina tersusun dalam tongkol yang tumbuh dari ruas/buku diantara batang dan pelepah daun. Pada umumnya, satu tanaman hanya dapat menghasilkan satu tongkol produktif meskipun memiliki sejumlah bunga betina. Beberapa varietas unggul dapat menghasilkan lebih dari satu tongkol produktif dan disebut sebagai varietas profilik. Biji jagung kaya akan karbohidrat, yang sebagian besar terdapat pada endospermium. Kandungan karbohidrat dapat mencapai 80 % dari seluruh bahan kering biji. Karbohidrat dalam bentuk pati umumnya berupa campuran amilosa dan amilopektin (Estiningrum, 2007).

Kondisi pengeringan biji jagung yang direkomendasikan (Chakraverty & Singh, 2001) diantaranya pemanasan maksimum suhu udara pengering yang akan mengenai bahan untuk benih 43 oC, pangan 54 oC dan pakan 82 oC. Kedalaman bak jagung untuk model pengeringan statis dengan udara yang dipanaskan adalah 40-60 cm. Laju aliran udara minimum yang dibutuhkan pada kadar air 20-30% adalah 2,4-4,0 m3/menit. Serta kadar air jagung saat pemanenan untuk pengeringan jemur sebesar 25% dan untuk pengeringan dengan udara yang dipanaskan sebesar 35%.

Dari aspek persyaratan mutu biji jagung untuk pedagangan menurut Standar Nasional Indonesia (SNI), dikelompokkan menjadi dua bagian, yaitu persyaratan kualitatif dan persyaratan kuantitatif (Sulikah, 2007). Persyaratan kulitatif jagung meliputi: produk harus terbebas dari hama dan penyakit, produk terbebas dari bau busuk maupun zat kimia lainnya (berupa asam), produk harus terbebas dari bahan dan sisa-sisa pupuk maupun pestisida, memiliki suhu normal. Sedangkan persyaratan kuantitatif diantaranya kadar air untuk mutu I dan II sebesar 14% , mutu III sebesar 15% dan mutu IV sebesar 17%.

2.2 Sistem Pengeringan

Terdapat banyak jenis mesin pengering yang sering digunakan dalam proses pengeringan untuk berbagai kriteria diantaranya dari aspek modus operasi, jenis masukan panas, keadaan bahan dalam mesin pengering, tekanan operasi, media pengeringan (konveksi), suhu pengeringan, jumlah tahapan dan lainnya. Pengelompokan mesin pengering berdasarkan mode masukan energi panas dibedakan atas mesin pengering langsung dan mesin pengering tak-langsung (Mujumdar et al., 2001).

Pengering yang banyak dikaji akhir-akhir ini adalah sistem pengeringan yang memanfaatkan efek rumah kaca (ERK) yang menggunakan sumber energi terpadu dari jenis surya, listrik dan biomassa (Hybrid). Pada sistem pengeringan ini, Nelwan (2005) melakukan simulasi penggunaan energi untuk parameter suhu dan kelembaban udara pengering dengan kendali logika fuzzy pada pengering yang perbesar (scale up) hingga kapasitas 500 kg. Skenario yang dihasilkan terdiri atas tiga pilihan yakni (1) pada skenario VI: suhu udara pengeringan 55 oC dan RH 35 %, (2) skenario VII: suhu udara pengeringan 45 oC dan RH 50 % dan (3) skenario VIII: suhu udara pengeringan 40 oC dan RH 70 %. Hasil masing-masing skenario menyebabkan perubahan laju pembakaran tungku dan laju udara pengeringan yang bervariasi. Lama pengeringan untuk skenario VI; 16,5 jam, skenario VII; 26 jam dan skenario VIII; 39 jam. Laju pembakaran untuk skenario VI, VII dan VIII adalah 12, 7 dan 3 kg/jam.

Kondisi suhu dan RH udara lingkungan dan ruang pengeringan dalam penelitian Mulyantara (2008) memberikan kisaran suhu lingkungan antara 28,7 – 38,7°C dengan rata-rata suhu sebesar 33,5°C, pengujian II mempunyai suhu antara 31,3 – 37,9°C dengan rata-rata suhu 34,7°C, dan pada pengujian III suhu berlangsung antara 30,7 – 37,4°C, dengan rata-rata suhu adalah 34,9°C. Kelembaban relatif (RH) lingkungan pengujian I berkisar antara 62,1 – 98,1%, pengujian II mempunyai kisaran 65,9 – 82,5% dan pengujian III antara 58,7 – 80,3% dengan rata-rata RH masing-masing berturut-turut adalah 79,4%, 76,1%, dan 69,7% .

Omid et al., (2006) melakukan pengeringan gabah dengan model lapisan tipis pada sebuah pengering dengan teknik kontrol suhu dan kelembaban udara. Dengan menggunakan sensor suhu LM35 dan sensor kelembaban kapasitif yang ditempatkan

setelah rak bahan, sistem pengontrolan mampu mempertahankan suhu pada tingkat yang digunakan; 30, 40, 50, 60 dan 70 oC. Bahan dengan kadar air awal 27%bk dan tingkat suhu yang digunakan 50, 60, 70 oC, pengeringan berlangsung dalam waktu 100 – 160 menit. Kecepatan udara yang digunakan pada tingkat yang berbeda yakni 0,25, 0,5, 0,75 dan 1 m/detik. Kecepatan udara optimum yang diperoleh pada tingkat 0,75 m/detik menunjukkan korelasi yang kuat antara suhu dengan laju pengeringan.

Hendarto (2008) melakukan pengeringan biji jagung pada Instore Drying (ISD) dengan teknik kontrol on/off beralgoritma PID pada blower penghembus udara keluar bin. Kondisi blower on pada saat kadar air kesetimbangan biji jagung (Me) dalam bin yang diasumsikan besarannya sama dengan perhitungan suhu dan kelembaban udara yang terdeteksi melalui sensor SHT75; lebih besar dari kadar air kesetimbangan udara lingkungan. Dengan memanfaatkan udara lingkungan bersuhu rata-rata 32,8 oC, jagung dari kadar air 17,6 % dapat dikeringkan hingga kadar air 12,4 % dalam waktu

49 jam.

Harital (1999) melakukan kajian pengembangan sistem pengontrolan suhu dengan algoritma PID pada sistem pemeraman buatan (artificial ripening). Terdapat empat tahapan penyusunan program PID sebelum digunakan untuk proses pemeraman yakni program kalibrasi sensor, program respon transien, program pengujian parameter PID dan program pemeraman akhir. Program respon transien disusun berdasarkan data sistem kontrol On/Off sehingga diperoleh data keluaran berupa konstanta (K), waktu integral (Ti), dan waktu diferensial (Td) sebagaimana terlihat pada persamaan dasar aksi kontrol PID berikut.

⎥ ⎦ ⎤ ⎢

⎣ ⎡

+ +

=

∫

dt t de T dt t e T t e K t

u _d

i

) ( )

( 1 ) ( )

(

dimana u adalah variabel keluaran kontrol, e adalah nilai error parameter kontrol (Set Point-Aktual). Keluaran kontrol sebanding dengan penjumlahan tiga bagian yakni: P (sebanding dengan error), I (sebanding dengan integral error) dan D (sebanding dengan diferensial error).

Nizar J.E. (1997) melakukan pengendalian suhu dalam ruang pengering model dengan dan tanpa beban (skala laboratorium). Teknik kontrol logika fuzzy dengan

matriks keputusan 3x3, 7x7 dan 11x11 untuk pengeringan tanpa beban menunjukkan bahwa matriks unjuk kerja 11x11 memiliki keluaran yang lebih baik dan halus. Pemberian set point suhu yang berbeda; 45 oC, 50 oC dan 55 oC pada matriks unjuk kerja 11x11 menunjukkan bahwa kenaikan suhu tiap derajat Celcius pada nilai set point yang lebih tinggi menjadi lebih cepat. Perlakuan beban pengeringan berupa irisan wortel menyebabkan waktu pencapain suhu set point menjadi lebih lama dibandingkan dengan tanpa beban.

Senjaya I. (1998) menerapkan sistem kontrol fuzzy untuk mengatur suhu pada ruang pengering model rumah kaca berukuran panjang 36 cm, lebar 36 cm dan tinggi 27 cm. Pengujian dilakukan dengan set point suhu yang berbeda; 40 oC, 50 oC dan 60

o

C serta menghitung RH udara melalui persamaan psychrometric. Hasil menunjukkan bahwa dari ketiga set point suhu, pengontrolan pada nilai 40 oC memberikan waktu pencapaian yang lebih cepat serta simpangan yang lebih kecil. Kelembaban udara ruang pada set point suhu 40 oC berkisar 58 – 59 %RH, pada suhu 50 oC berkisar 39 – 42 %RH dan pada suhu 60 oC berkisar 30 – 33 %RH.

Stawczyk dan Czapnik (2004) mengembangkan sistem kontrol pada pengeringan tipe semprot (spray drying). Sistem kontrol logika fuzzy digunakan sebagai cara praktis untuk mengatasi permasalahan dalam bidang rekayasa khususnya model non linier dan model kompleks tak konsisten (ambiguity). Logika fuzzy mampu memberi solusi pada data diskrit (discrepancies) dan semu (polysemy) ketika pengolahan data real. Logika fuzzy dipandang sebagai suatu metode/alat untuk optimasi parameter operasi pada proses pengeringan.

Mansor H., et al., (2008) menerapkan pengontrolan logika fuzzy pada proses pengeringan biji-bijian. Proyek pengering biji-bijian tersebut sebelumnya sulit untuk dikontrol karena panjangnya proses waktu tunda dan karakteristiknya yang non linier. Pengontrolan terdiri atas dua input; error antara kadar air biji-bijian dan set point dan laju perubahan errornya serta satu output fuzzy digunakan untuk menggerakkan laju aliran biji-bijian. Seluruh pengujian menunjukkan hasil yang baik dan kontrol logika fuzzy stabil dan kuat terhadap gangguan (noise) serta respon yang sangat cepat mendekati nilai set point.

Lu C., et a.l. (2006) merancang sistem kontrol fuzzy pada alat pengering cepat

(microwave) untuk tanaman obat-obatan China. Sistem kontrol juga menggunakan

chip prosessor tunggal 8051 dan sensor temperatur model NJL9103. Dengan menerapkan teknik kontrol fuzzy, sistem pengeringan memiliki karakter pintar

(intellectualized) dan hanya membutuhkan daya atau energi kecil.

Darjat (2008) menerapkan sistem pengendalian suhu dan kelembaban pada mesin pengering kertas dengan logika fuzzy. Sistem kontrol memanfaatkan mikrokontroller Atmega 8535 dengan sensor suhu dan kelembaban SHT11 digunakan untuk memperoleh hasil pengeringan berupa kertas kering ideal dengan suhu 33-35 oC dan kelembaban 41 %. Dengan pengujian 3 nilai set point yang berbeda; 40 oC, 45 oC dan 50 oC, Set point 50 oC memberikan hasil yang bersesuaian dengan suhu kertas 38

o

C dan kelembaban 40,9 %. Sedangkan set point 40 oC dan 45 oC masing-masing menghasilkan suhu kertas 34,7 oC dan 36,1 oC serta kelembaban 49,2 % dan 43,5 %.

2.3 Logika Fuzzy

Sistem fuzzy yang diperkenalkan oleh Prof. L.A. Zadeh di Barkeley pada tahun 1965 adalah teori yang memasukkan seluruh anggota himpunan semesta menjadi anggota suatu himpunan tertentu berdasarkan nilai atau derajat keanggotaan. Berbeda dengan konsep himpunan yang sejak dahulu banyak digunakan, yaitu himpunan crisp yang memiliki batasan yang jelas, himpunan fuzzy tidak memiliki batasan yang jelas (kabur).

Himpunan fuzzy (fuzzy sets) merupakan media komunikasi yang berbicara mengenai logika alami dan kompleksitas di antara manusia dan pengetahuan sosial (Marimin, 2002 didalam Nugroho, 2007). Himpunan fuzzy dan fungsi keanggotaannya didefenisikan sebagai berikut: “Jika x adalah koleksi dari objek-objek yang dinotasikan sebagai X, maka suatu himpunan fuzzy A dalam x adalah himpunan dari pasangan nilai:

A = {(x, µA(x)}|x Є X},

dimana µA(x) disebut sebagai fungsi keanggotaan untuk himpunan fuzzy A. Fungsi keanggotaan tersebut memetakan setiap elemen dari x ke sebuah derajat keanggotaan dengan nilai antara 0 dan 1” (Jang et al., 1997 didalam Nugroho, 2007).

Logika fuzzy merupakan bagian dari logika boolean, yang digunakan untuk menangani konsep derajat keanggotaan, misalnya derajat keanggotaan bilangan diantara selang 0 dan 1. Logika fuzzy sering menggunakan informasi linguistik dan verbal yang disebut label. Dalam logika fuzzy terdapat beberapa proses (inferensi fuzzy), yaitu penentuan gugus fuzzy, penerapan aturan if-then, dan penegasan

(defuzzy).

2.4 Inferensi fuzzy

Sistem inferensi fuzzy merupakan penduga numerik yang terstruktur dan dinamik. Sistem ini mempunyai kemampuan untuk mengembangkan sistem intelijen dalam lingkungan yang tidak pasti dan tidak tepat. Sistem ini menduga suatu fungsi dengan logika fuzzy (Marimin, 2002 didalam Nugroho, 2007).

Inferensi fuzzy adalah suatu proses perumusan model untuk mendapatkan sebuah keluaran menggunakan logika fuzzy dari suatu masukan. Model yang ada dapat dijadikan suatu dasar untuk pengambilan keputusan atau pembedaan pola.

Sistem inferensi fuzzy telah berhasil diterapkan pada beberapa bidang seperti kontrol automatis, klasifikasi data, analisis keputusan, sistem pakar dan computer vision. Karena itu, sistem inferensi fuzzy biasa dikenal dengan nama fuzzy-rule-based

system, fuzzy expert system, fuzzy modeling, fuzzy associative memory, dan fuzzy logic

controllers ([Math works] 2004 didalam Nugroho, 2007).

2.4.1. Penentuan gugus fuzzy

Penentuan gugus atau keanggotaan fuzzy melalui suatu fungsi yang memetakan tiap elemen himpunan ke suatu nilai keanggotaan yang besarnya antara 0 dan 1. Beberapa jenis fungsi keanggotaan fuzzy adalah trapezoidal, triangular, gaussian dan sigmoidal. Jenis trapezoidal adalah fungsi keanggotaan yang berbentuk trapesium, dan triangular adalah fungsi keanggotaan yang berbentuk segitiga. Keduanya adalah fungsi keanggotaan yang paling sederhana karena hanya tersusun dari beberapa garis lurus. Contoh himpunan dan keanggotaan fuzzy; sebuah sistem fuzzy untuk mengukur suhu mempunyai 5 buah membership function dengan label sangat dingin, dingin, hangat, panas dan sangat panas. Nilai yang diperoleh dari crisp input adalah 47 oC maka penentuan gugus fuzzy (fuzzy inputnya) seperti gambar 1 berikut.

Gambar 1. Fungsi keanggotaan fuzzy; triangular dan trapesium

Dua buah fuzzy input masing-masing adalah dingin (x2) dan hangat (x1) dapat dicari melalui persamaan garis. Kedua nilai berupa x2 dan x1 selanjutnya menjadi fuzzy input bagi proses evaluasi aturan fuzzy atau fuzzy rules.

Input Fuzzy Input Crisp Input Fungsi

Keanggotaan Fussifikasi

Gambar 2. Proses Fuzzifikasi

2.4.2. Penerapan aturan if-then atau Fuzzy Rules

Fuzzy rules atau banyak dikenal dengan fuzzy if-then rules berbentuk: if ξ is

A and ψ is B then γ is C, dimana A, B dan C adalah nilai linguistik yang didefenisikan oleh himpunan fuzzy. “ξ is A” dan “ψ is B” sering disebut sebagai

antecendent atau premise, sedangkan “γ is C “ disebut sebagai consequence atau

conclusion ([Math Works] 2004 didalam Nugroho, 2007).

Proses ini berfungsi untuk mencari suatu nilai fuzzy output dari fuzzy input. Operator yang digunakan dalam penyusunan fuzzy rules dapat berupa AND, OR dan NOT. Operator OR memproses nilai input terbesar dan NOT untuk nilai kebalikan (1- x). Jika operator yang digunakan adalah AND maka input yang diproses adalah input terkecil, misalnya:

o If suhu1 is hangat (x1) and suhu2 is dingin (x2) then pengumpan is cepat.

Nilai fuzzy output dari pernyataan tersebut adalah x2 karena x2 < x1 pada gambar 1. Ilustrasi proses evaluasi aturan seperti pada gambar 3 berikut ini.

Output Fuzzy Input Fuzzy

Aturan _{Evaluasi Aturan}

Gambar 3. Proses Evaluasi Aturan

2.4.3. Penegasan (Defuzzy)

Penegasan atau defuzzy merupakan suatu proses pengubahan output fuzzy ke

output yang bernilai tunggal (crisp). Terdapat beberapa metode defuzzifikasi,

namun yang paling sering digunakan adalah metode centroid dan maksimum (Marimin, 2002 didalam Nugroho, 2007). Ilustrasi penegasan atau defuzzy terlihat pada gambar 4.

Output Crisp Fuzzy Output Output Fungsi

Keanggotaan Defuzzifikasi

Gambar 4. Proses Penegasan Rumus yang digunakan dalam proses ini adalah:

∑

∑

=

i i

i i i

) output (

) axis on x position (singleton

x ) output (fuzzy (Y)

Output

fuzzy

Crisp ... (1)

2.5 Sensor Suhu dan Kelembaban

Sensor yang digunakan adalah SHT11 dan SHT75 yang terdiri atas sensor suhu dan kelembaban yang menyatu dalam satu bentuk fisik (two in one). Sensor SHT11 dan SHT75 adalah sensor digital untuk temperatur sekaligus kelembaban pertama di dunia diproduksi oleh pabrik pembuatnya, Sensirion Corp. Kedua sensor dirancang dengan 2 wire serial antarmuka, output digital dan terkalibrasi penuh.

ƒ Sensor SHT11

SHT11 adalah salah satu sensor temperatur dan kelembaban yang dikemas dalam satu chip prosessor dengan spesifikasi sebagai berikut:

− Sensor RH dengan selang: 0 – 100% RH, resolusi 0,03%RH, akurasi ± 3,5%RH

− Sensor suhu dengan selang: -40 s.d. 123,8oC, resolusi 0,01oC, akurasi ±0,5oC

ƒ Sensor SHT75

SHT75 merupakan sensor temperatur dan kelembaban khusus untuk memperoleh kualitas pengukuran yang baik dengan presisi tinggi. Adapun spesifikasi SHT75 ini adalah sebagai berikut:

− Sensor RH dengan selang: 0 – 100% RH, resolusi 0,03%RH, akurasi ± 2,0%RH

− Sensor suhu dengan selang: -40 s.d. 123,8oC, resolusi 0,01oC, akurasi ±0,4oC Sensor SHT11 dan SHT75 adalah sensor yang terdiri atas 4 pin yakni pin SCK, pin Data, pin VDD dan pin Ground. Pada modul SHT11 pin SCK berada pada jalur 3, pin Data pada jalur 1, pin VDD pada jalur 8 dan pin Ground pada jalur 4. Sedangkan pada SHT75, Pin SCK berada pada jalur 1, pin Data pada jalur 4, pin VDD pada jalur 2 dan pin Ground pada jalur 3. Pin SCK digunakan untuk serial clock input yang diberi tegangan 5 volt DC yang dihubung seri dengan resistor 10 kΩ. Hal ini sama untuk pin DATA yang merupakan serial data bidirectional. Sedangkan pin VDD dan Ground masing-masing digunakan untuk sumber tegangan dan ground. Secara lengkap modul dan rangkaian untuk SHT11 & SHT75 ditunjukkan pada Gambar 5.

Untuk mengkonversi nilai output sensor SHT11 dan SHT75 ke nilai RH menggunakan persamaan sebagai berikut, (Sensirion.Corp. 2008):

RHlinear = C1 + C2 x SORH + C3 x SORH2 ... (2)

(a) (b)

Koefisien konversi yang digunakan untuk mengubah nilai output sensor ke nilai RH terdiri atas C1, C2, dan C3. Sedangkan SORH yang digunakan adalah 12 bit seperti

terdapat pada tabel 1.

Tabel 1. Nilai koefisien konversi RH, (Sensirion.Corp. 2008).

SORH c1 c2 c3

12 bit -4 0,0405 -2,8 * 10-6

8 bit -4 0,648 -7,2 * 10-4

Sedangkan persamaan yang digunakan untuk mengkonversi nilai suhu dari keluaran pembacaan sensor SHT11 dan SHT75 yang berupa digital adalah sebagai berikut:

Suhu = d1 + d2 x SOT ... (3)

Koefisien konversi yang digunakan untuk mengubah nilai output sensor ke nilai temperatur terdiri atas d1 dan d2, tabel 3, sedangkan nilai. SOT yang digunakan adalah

12 bit dengan tegangan catu (VDD) adalah 5 Volt seperti pada tabel 2.

Tabel 2. Koefisien konversi temperatur berdasarkan SOT, (Sensirion.Corp. 2008) SOT d2 (oC) d2 (oF)

14 bit 0,01 0,018

12 bit 0,04 0,072

Tabel 3. Koefisien konversi temperatur berdasarkan VDD, (Sensirion.Corp. 2008) VDD d1 (oC) d1 (oF)

5V -40,00 -40,00

4V -39,75 -39,50

3,5V -39,66 -39,35

3V -39,60 -39,28

2,5V -39,66 -39,35

2.6 Pengubah Digital ke Analog (Digital Analog Converter, DAC)

Pada sistem kendali dan pengaturan secara digital, data hasil olahan biasanya harus diubah menjadi besaran analog agar dapat menggerakkan peralatan analog seperti motor listrik. Oleh karena itu diperlukan piranti pengubah digital ke analog yang berdasarkan metode konversinya (Dailey, 1989) dapat dibedakan menjadi dua yakni DAC metode penjumlahan resistor dan DAC metode jaringan R-2R Ladder.

2.6.1DAC Penjumlahan Resistor

DAC jenis ini menghasilkan sinyal analog berdasarkan penjumlahan nilai resistor (R) secara paralel pada jalur masukan penguat. Ilustrasi rangkaian untuk 4 bit seperti gambar 6 dan tegangan outputnya mengikuti persamaan:

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + = n F n F F R R D R R D R R D

Vo -V ....

2 2 1

1

REF ... (4)

Gambar 6. DAC Penjumlahan Resistor 4 bit (Dailey, 1989) 2.6.2DAC Jaringan R-2R Ladder

DAC jenis ini paling sering digunakan karena hanya membutuhkan dua nilai resistor untuk berbagai masukan biner. Ilustrasi rangkaian seperti gambar 7 berikut.

Gambar 7. DAC R-2R Ladder 4 bit (Dailey, 1989)

Persamaan tegangan output (Vo) dari rangkaian pada gambar 7 untuk 4 bit biner adalah: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{+ + +} ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +

= ₄1

3 2 2 3 1 4 1 REF 2 2 2 2 1 )

(V D D D D

R R

Vo F _{... (5)}

Dimana : R = Resistor dalam Ω D = bit biner

DAC 0808 adalah jenis pengubah digital ke analog jenis R-2R Ladder yakni pemasangan nilai resistor pada jalur inputnya dengan pola R-2R; R = 10 KΩ maka 2R-nya = 20 KΩ. Pemasangan nilai resistor seperti itu dimaksudkan untuk mendapatkan Vout yang linier (kenaikan per step nya tetap). Gambar skema dan tampak atas DAC 0808 terlihat pada gambar 8 berikut ini.

Current switches

R2-R Ladder Bias currrent

Reverence Current amplifier

NPN Current Source pair Vref (+)

Vref (-)

Compen Vcc Gnd

IO

(a.) Diagram blok DAC 0808 (b) Tampak atas

Gambar 8. Skema DAC 0808 (MC1408), (National Semiconductor, 2008) Keluaran arus (Io) dari DAC 0808 (Dailey, 1989) dinyatakan dalam persamaan :

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣

⎡ _{+ + +}

= ₈1

2 7 1 8 Re

2 .... 2 2

A A

A R V

I_O f ... (6) Pengubah digital ke analog DAC 0808 mengubah data 8-bit arus berkecepatan tinggi menjadi data analog. Dengan menambahkan sebuah rangkaian penguat (Op-amp) ke pin 4 sebagai arus output, keluaran analog dengan impedansi input rendah dapat diperoleh. Hubungan antara arus output (Io) dengan rangkaian variabel untuk keluaran penguatan yang positif mengikuti persamaan berikut ini (Basak, 1991).

FS O

O I I

mA

x

R

V

I

REF REF FS

256

255

−

≈

... (8) Dimana : IFS : arus pada skala (beban) penuh, Amp

VREF : Tegangan referensi, Volt RREF : Tahanan resefernsi, Ω

Gambar 9. Rangkaian output dengan impedansi input yang rendah (Basak, 1991)

2.7 Driver Motor AC

Driver motor AC adalah rangkaian yang terdiri atas pembanding tegangan

(voltage comparator), triac optoisolator dan mikrokontroler. Rangkaian pembanding

tegangan menggunakan LM339 dan rangkaian triac optocoupler dengan BTA41 dan MOC3021.

LM339 terdiri atas empat pembanding tegangan akurat dan independen dengan spesifikasi tegangan offset rendah sebesar maksimum 2 mV untuk semua komparator. Hal ini dirancang untuk dapat berfungsi pada sumber tegangan tunggal dengan suatu selang tertentu (2 – 36 VDC).

1 2 3 4 5 6 7

8 9

10 11

12 13

14

Gambar 10. Pin LM 339 (National Semiconductor, 2009)

Rangkaian ini ditujukan untuk mendeteksi tegangan nol pada arus yang mengalir (zero crossing detection) sehingga dapat dilakukan teknik kontrol delay.

Teknik kontrol (switch) fase tegangan selanjutnya menggunakan triac (BTA/BTB41) yang dirangkai dengan optocoupler (MOC3021) sebagai suplai tegangan bagi motor AC sehingga putarannya dapat divariasikan.

Gambar 11. Rangkaian triac optocoupler (Fairchild Semiconductor Corp. 2003) Jalur ’HOT’ pada rangkaian adalah jalur tegangan yang dikontrol dan beban dihubungkan dengan ’ground’. Tahanan 39 Ω dan kapasitor 0,01 µF sebagai ’snubber’ triac dan tahanan 360 Ω dan kapasitor 0,05 µF sebagai ’snubber’ optocoupler.

2.8 Tungku Pembakaran

Tungku dimaksudkan sebagai tempat pembakaran bahan agar energi panas yang dihasilkan dapat dimanfaatkan secara optimum. Rancangan tungku sangat menentukan sempurna tidaknya proses pembakaran berlangsung dan menetukan laju pembakaran bahan. Proses pembakaran sempurna terjadi dari rancangan tungku yang memungkinkan jumlah oksigen tersedia dan kontak dengan partikel karbon pada bahan bakar. Demikian pula pembuangan gas dan sisa hasil pembakaran harus lancar terbuang keluar sistem. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah bahan tungku dalam kaitannya dengan proses pindah panas baik kedalam sistem yang dikehendaki maupun keluar sistem (lingkungan) yang tidak dikehendaki (Abdullah dkk., 1998).

2.9 Pindah Panas

Salah satu aspek penting termodinamika adalah menyangkut kuantitas pindah panas dari sebuah sistem yang berlangsung dalam suatu keadaan setimbang ke keadaan setimbang lainnya. Pertimbangan yang lebih penting dalam fenomena ini adalah laju berlangsungnya pindah panas dalam merancang mesin atau peralatan dimana panas harus dipertukarkan dengan sekitarnya, ukuran peralatan pindah-panas, material konstruksinya dan perlatan tambahan yang dibutuhkan dalam pengoperasiannya.

Evaluasi-evaluasi yang sering dilakukan meliputi kuantitatif laju-laju dan kuantitas-kuantitas dari panas tersebut dengan tiga mekanisme dasar transfer panas yakni konduksi, konveksi dan radiasi. Analisis hukum pertama termodinamika pada suatu fluida yang mengalami pindah panas akan menghasilkan (Welty et al., 2004):

T Cp

q= Δ

Δ (m• ) ... (9) dimana Δq : laju perpindahan kalor dalam Joule/detik

m : laju massa dalam kg/detik Cp : panas jenis fluida dalam J/kgoC

ΔT : perbedaan suhu dalam Celcius

Laju pembentukan kalor dari sebuah materi yang mengandung nilai kalor tertentu mengikuti persamaan:

Nk q

•

=

Δ m ... (10) dimana: Nk : Nilai kalor materi dalam J/kg

Pembakaran adalah cara yang dikenal paling sederhana dalam proses pemecahan panas (termal) dan merupakan sumber panas secara langsung. Berbagai jenis materi yang dapat melangsungkan proses tersebut dengan cara pembakaran diantaranya biomassa. Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan dari proses fotositesis baik berupa produk, buangan dan hasil ekskresi. Sebagai sumber energi, biomassa tersedia cukup melimpah dan berkelanjutan terutama pada sektor pertanian, perkebunan dan kehutanan.

2.10 Perpindahan Gerak

Kecepatan sudut dari suatu bagian mesin seringkali dinyatakan dalam putaran/menit (disingkat RPM) dan ditulis dengan n. Mengingat setiap putaran sama dengan 2π rad maka,

n 2π

=

ω ... (11) Karena pergeseran sudut dan kecepatan sudut suatu titik P dalam gambar 12 memenuhi persamaan:

t

av _Δ

θ Δ =

ω ... (12) Dengan bentuk akhir substitusi limitnya adalah

ω =R

Gambar 12. Perpindahan titik P, A dan B (Martin, 1985).

Maka diperoleh persamaan yang menyatakan hubungan antara kecepatan sudut dengan kecepatan linier sebagai berikut (Martin, 1985):

Rn 2π

=

V ... (14) Dimana V : kecepatan linier (m/detik)

R : Jari-jari dalam (m) n : kecepatan sudut (RPM)

Mengingat jari-jari dari putaran untuk semua titik dalam sebuah benda yang berputar mempunyai kecepatan sudut yang sama ω, dan dari persamaan 14 bahwa besar dari kecepatan liniernya adalah berbanding langsung dengan jari-jarinya maka titik A dan B memiliki hubungan:

B A B A

R R V V

= ... (15) Rasio kecepatan sudut yang konstan terbentuk pada kasus perpindahan gerak (transmisi) dari suatu peralatan dengan jari-jari yang berbeda. Kasus pada gambar 13 berikut memberikan persamaan (Martin, 1985):

2 4 4 2

R R

= ω ω

... (16)

3. METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian dilakukan di Lab. EEP dan Ergotronika, Departemen Teknik Pertanian IPB, Bogor dan Desa Cijulang Kec. Cikembar Kab. Sukabumi sebagai lokasi pengujian. Waktu penelitian dimulai pada bulan Agustus 2008 sampai dengan Mei 2009.

3.2 Alat dan Bahan

Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian mencakup:

1. Pengering ERK hybrid karya Nelwan dkk (2007) yang dimodifikasi tahun 2008. 2. Bahan uji jagung pipilan diperoleh dari Koperasi BAGUS di Cijangkar Sukabumi. 3. Bahan bakar berupa tongkol jagung dan minyak bakar pemantik.

4. Peralatan untuk aplikasi sistem kendali logika fuzzy meliputi: a. Personal Computer (PC) dengan prosesor Intel Pentium IV b. Mikrokontroler DT-51 MinSys PetraFuz ver 3.3

c. Rangkaian zero crossing detecor dan triac optocoupler

d. Rangkaian driver motor DC dengan DAC 0808 e Sensor SHT11 dan SHT75

f. Keypad 4x4 dan LCD 16x2 g. Gear Motor 5A, 24 Volt DC.

h. Kipas/blower dengan daya 250 Watt, AC 220V, 50Hz 5. Peralatan untuk pengambilan data meliputi:

a. Sistem akuisisi dengan alat kendali on/off sensor SHT11 dan SHT75 g. Chino Recorder dan termokopel tipe CC dan CA

d. Timbangan digital AND Model EK-1200A e. Anemomaster Kanomax Model 6011 f. Tongkat sampel jagung

g. Moisture Tester

h. Pyranometer, Klamp meter dan AVO meter

3.3 Prosedur Penelitian

Prosedur yang digunakan dalam pelaksanaan penelitian adalah:

1. Merancang unit tungku dan sistem pengumpan tongkol jagung secara mekanis. 2. Merancang sistem kendali yang terdiri atas perangkat keras dan perangkat lunak. 3. Merancang sistem akuisisi data dan simulasi pemrograman logika fuzzy dalam

4. Pengujian sistem kendali, akuisisi data dan mekanisme drivernya. 5. Kalibrasi sensor SHT11 dan SHT75

6. Penyiapan tongkol jagung sebagai bahan bakar tungku biomassa.

7. Ujicoba sistem kendali logika fuzzy pada ERK-hybrid dan unit tungku biomassa tanpa beban pengeringan.

8. Penyiapan tongkol jagung sebagai bahan bakar dan jagung pipilan sebagai beban uji pengeringan.

9. Ujicoba sistem kendali logika fuzzy pada ERK-hybrid dan unit tungku biomassa dengan beban pengeringan.

3.4 Metode Pengendalian

Algoritma pengendalian dan akuisisi data pada sistem kendali logika fuzzy dijabarkan dalam bentuk diagram seperti pada gambar 14.

Set Point T, RH

Baca & rekam T, RH

Hitung:

Error T & dError T Error RH & dError RH

Mulai

Fuzzifikasi (anggota): μ (Error T & dError T)

μ (Error RH & dError RH)

φ (matriks T & RH)

Aturan Fuzzy:

if ξ is A and ψ is B then γ is C

Defuzzifikasi (Bobot): γ (matriks T & RH) dari μ Output Fuzzy T & RH

Penyesuaian Nilai:

Output Fuzzy dengan

Input Peralatan Analog. _Jagung Kadar Air _{≤ 15%bb}

Aksi Kontrol:

Blower & Motor

Simpan Data:

T, RH, Step Aksi

Selesai

Ya

Tidak

Gambar 14. Algoritma pengendalian dengan logika fuzzy - Error dan dError suhu/RH

Error_Suhu/RH = Data_Suhu/RH – Set_point Suhu/RH ... (17) dError_Suhu/RH = Error_Suhu/RH(1) – Error_Suhu/RH(0) ... (18)

- Fuzzifikasi Suhu/RH (Penentuan derajat keanggotaan)

Proses ini dilakukan dengan memetakan input suhu dan RH pada selang nilai yang dapat terjadi secara ril (dapat mengacu ke data penelitian sebelumnya tentang selang nilai suhu dan RH udara). Pada rancangan ini universe of discourse nilai suhu yang digunakan adalah 20 – 100 oC dan nilai RH sebesar 15 – 90 %. Sedangkan selang nilai derajat keanggotaan (degree of membership) secara umum ditetapkan sebesar 0 – 1. Keterangan (label) yang digunakan adalah Negatif Besar (NBE), Negatif Sedang (NSE), Negatif Kecil (NKE), Zero (ZE), Positif Kecil (PKE), Positif Sedang (PSE) dan Positif Besar (PBE) yang menggambarkan kondisi suhu dan kelembaban dari kriteria rendah ke kriteria tinggi secara proporsional. Sedangkan bangun yang digunakan untuk merepresentasikan batas scope/domain adalah bentuk segitiga dan trapesium. Bangun trapesium terjadi pada batas bawah dan batas atas domain sedangkan bangun segitiga terjadi diantara kedua bangun trapesium tersebut. Nilai analog (Crisp input) yang digunakan untuk mencari derajat keanggotaan adalah NBE = -0,75 , NSE = -0,50 , NKE = -0,25 , ZE = 0 , PKE = 0,25 , PSE = 0,5 dan PBE = 0,75. Scope domain dalam konsep ini adalah bangun yang dibatasi oleh masing-masing crisp input yakni bangun trapesium pada nilai <= -0,75 atau bangun segitiga pada nilai 0 – 0,25.

- Defuzzy (Penegasan)

Proses penegasan dilakukan untuk memperoleh nilai analog dari konsep penerapan aturan if then (fuzzy rules) terhadap penentuan derajat keanggotaan dari Error suhu/RH dan dError suhu/RH. Penerapan aturan if then (fuzzy rules) tidak terpisah sebagai sebuah tahapan melainkan digunakan baik pada proses penentuan derajat keanggotaan, penegasan maupun penyesuaian nilai keluaran fuzzy pada input peralatan analog. Penegasan menggunakan metode pembobotan Center of Gravity yakni dengan menggunakan persamaan 1.

- Adjusting (Penyesuaian Nilai)

Proses ini dimaksudkan untuk menyesuaikan kecenderungan keluaran fuzzy yang dihasilkan dengan kecenderungan pengendalian yang diinginkan. Nilai keluaran yang diatur terdiri atas tegangan digital motor DC dan tegangan digital blower. Tegangan digital motor DC dari kondisi diam hingga kecepatan putar maksimum rancangan pengumpan diperoleh pada nilai 40 – 85 Volt. Dengan demikian untuk

memperoleh empat mode kecepatan motor DC maka selang nilai tegangan tersebut dibagi menjadi nilai 40-53 Volt untuk kondisi diam hingga motor DC mulai berputar, 65 Volt untuk kecepatan lambat, 75 Volt untuk kecepatan sedang dan 85 Volt untuk kecepatan penuh. Hubungan antara tegangan digital dengan kecepatan putar motor DC memiliki korelasi yang positif. Sedangkan tegangan digital blower untuk kondisi kecepatan lambat, sedang dan kecepatan putar penuh sesuai rancangan diperoleh pada nilai 152 – 0 Volt. Nilai tegangan 152 Volt untuk kecepatan putar lambat, 76 Volt untuk kecepatan putar sedang dan 0 Volt untuk kecepatan putar penuh. Hal ini terjadi mengingat hubungan antara tegangan digital dengan kecepatan putar blower memiliki korelasi yang negatif.

3.5 Deskripsi Sistem Pengeringan dan Pengendalian

Pengeringan berlangsung dengan memindahkan kandungan air jagung pipilan ke udara dalam ruangan yang dibatasi oleh dinding transparan dengan lingkungan. Perpindahan air dari jagung ke udara dalam sistem ini menyebabkan kelembaban udara relatif (RH) meningkat disamping menyebabkan efek pendinginan udara. Jika kondisi ini terjadi secara terus-menerus maka udara dalam ruangan berubah ke kondisi jenuh sehingga proses penguapan air selanjutnya akan terganggu.

Pada kondisi inilah mekanisme pengendalian diterapkan yakni dengan mengatur laju aliran udara keluar ruangan melalui blower. Kecepatan putar blower yang akan mengalirkan udara keluar ruangan diatur sesuai dengan tingkat kelembaban udara ruang pengering. Jika kondisi kelembaban udara pengering tinggi (meningkat) maka kecepatan putar blower akan bertambah cepat dan sebaliknya jika kelembaban udara pengering rendah (menurun) maka kecepatan putar blower akan berkurang. Dengan demikian aksi kecepatan putar blower akan berubah sesuai dengan besarnya uap air yang pindah dari jagung ke udara dalam ruangan (sistem).

Perpindahan uap air ke udara disamping meningkatkan kelembaban relatif udara juga menyebabkan efek pendinginan udara. Oleh karena itu pengendalian suhu udara juga dilakukan dengan mengatur banyaknya tongkol jagung yang akan terbakar melalui sistem pengumpan kincir yang digerakkan oleh motor DC. Putaran motor DC pengumpan yang cepat akan menyuplai tongkol jagung ke tungku untuk selanjutnya terbakar dan menghasilkan panas yang akan dipindahkan oleh air ke udara melalui penukar panas. Demikian sebaliknya jika suhu udara dalam ruangan sudah memadai

maka kecepatan putar motor DC akan pelan atau bahkan berhenti sehingga tidak terjadi pengumpanan bahan bakar. Pada konteks ini kecepatan konversi kalor bahan bakar menjadi panas sehingga suhu udara pengering meningkat akan diatur melalui mekanisme kecepatan putar motor DC. Kondisi suhu udara pengering yang tinggi dan kelembaban udara yang rendah menjadi faktor yang mempercepat proses penguapan air bahan (pengeringan).

3.6 Parameter Ukur

Parameter yang akan diukur pada sistem pengeringan ini meliputi: 1. Suhu udara

Titik pengukuran suhu meliputi suhu tungku, suhu udara pengering, suhu bahan pada 2 titik yakni awal mengenai bahan dan saat meninggalkan bahan pada silinder sirkulasi udara baik pada bahan untuk hembusan udara ruas kiri maupun kanan (skema pada lampiran 3 dan 4). Suhu udara bola basah dan kering pada blower udara buangan dan suhu udara bola basah dan kering pada lingkungan. Pengukuran dilakukan dengan termokopel tipe C dan K, sensor SHT11, SHT75 dan termometer alkohol.

2. Kelembaban udara

Pengukuran kelembaban udara dilakukan pada titik sebelum masuk ke silinder sirkulasi dan mengenai bahan baik pada hembusan udara ruas kiri maupun kanan (skema pada lampiran 3 dan 4). Kelembaban udara pada blower udara buangan dan kelembaban udara lingkungan. Pengukuran dilakukan dengan sensor SHT11, SHT75, termokopel tipe C dan termometer alkohol untuk bola basah dan bola kering.

3. Kadar air bahan

Pengukuran kadar air bahan dilakukan sebelum pengeringan, saat pengeringan dengan interval waktu 30 menit hingga mencapai kadar air akhir yang diinginkan yakni 19 %bk atau 16 %bb. Pengukuran kadar air dilakukan dengan alat moisture tester dan penimbangan berat untuk metode Oven Drying.

4. Massa dan kadar air tongkol jagung

Pengukuran massa tongkol jagung sebagai bahan bakar dilakukan sepanjang pengumpanan pada unit tungku dengan pengukuran berat menggunakan timbangan

analog berkapasitas 100 kg. Pengukuran kadar air tongkol jagung dilakukan untuk melihat pengaruhnya terhadap proses pembakaran pada unit tungku.

5. Tegangan dan arus

Pengukuran tegangan dan arus pada motor baik yang menggerakkan blower maupun pengumpan tongkol dengan menggunakan alat Klamp Meter.

6. Kecepatan Udara

Kecepatan udara diukur dengan menggunakan anemomaster. Titik pengukuran adalah udara keluar bangunan yakni pada blower udara buangan yang akan dikendalikan dengan logika fuzzy (skema pada lampiran 4 dan 5).

7. Iradiasi Surya

Pengukuran data iradiasi surya dilakukan pada lingkungan sekitar alat pengering dengan menggunakan pyranometer. Keluaran dari pyranometer berupa tegangan (mV). Tegangan keluaran dari piranometer sebesar 1 mV setara dengan 1000/7 watt/m2, maka akan diperoleh iradiasi sesaat.

3.7 Perhitungan Performansi Teknis

1. Energi Total Pengeringan

Energi total pengeringan merupakan energi yang digunakan dalam penguapan sejumlah massa air dari udara panas selama proses pengeringan.

t x h h v q

Q u

TP = ( 3 − 1) 3600 ... (19) QTP = energi total pengeringan (kJ)

qu = Debit udara (m/s)

v = volume jenis udara (m3/kg) h3 = entalpi akhir (kJ/kg)

h1 = entalpi awal (kJ/kg)

t = lama pengeringan (jam) 2. Energi Total Sistem

Energi yang dibutuhkan dalam sistem pengeringan merupakan penjumlahan dari energi biomassa (tongkol jagung), energi surya dan energi listrik dalam persamaan berikut ini:

L S B

TS Q Q Q

Q = + + ... (20) QTS = energi total sistem (kJ)

QS = energi surya (kJ)

QL = energi listrik (kJ)

a. Energi Biomassa (tongkol jagung)

Energi biomassa (QB) berupa tongkol jagung merupakan sumber panas utama bagi pengeringan jagung yang diperoleh melalui proses pembakaran pada unit tungku. Besarannya dihitung melalui jumlah massa yang terbakar dikali nilai kalor bahan.

Nkb

mb

Q

_B

=

.

... (21) Mb = massa tongkol jagung yang digunakan selama pengeringan (kg)

Nkb = Nilai kalor bahan (kJ/kg) b. Energi Surya

Energi surya dihitung melalui iradiasi sesaat yang dikalikan dengan jumlah jam penyinaran selama proses pengeringan.

t A I

QS =3.6 h p(σα) ... (22)

Ih = total iradiasi surya harian (Wh/m2)

Ap = Luas permukaan pengering (m2)

σα = transmisivitas dan absorbsivitas dinding transparan t = lamanya penyinaran surya (jam)

Total iradiasi surya harian (Ih) dihitung secara matematis dengan menggunakan

metode Simpson (Purcell et al., 1990) didalam Mulyantara (2008).

[

+

_∑

+

_∑

+

]

Δ

= i gl gp f

h I It It I

t

I 4 2

3 ... (23) Dimana ;

Δt = selang pengukuran (jam)

Igl = iradiasi selang pengukuran ganjil (W/m2)

Igp = iradiasi selang pengukuran genap (W/m2)

Ii = iradiasi awal (W/m2)

If = iradiasi akhir (W/m2)

c. Energi Listrik

Energi listrik merupakan sumber penggerak motor baik yang digunakan oleh blower penghembus udara maupun motor pompa air dan pengumpan tongkol jagung. Motor listrik dapat berupa motor satu fase (24) maupun tiga fase (25).

t i V

QL =3.6. .. ... (24) 3

cos . . .it φ V

QL = ... (25)

i = arus rata-rata nominal alat (Amp) t = lama penggunaan alat (jam) 3. Energi Berguna

Energi berguna merupakan energi atau panas yang terlibat langsung dalam memanaskan suhu bahan, menguapkan air bahan dan panas yang pindah ke udara pengering.

a. Panas yang diterima udara pengering

t T

T C v q

Q _{pu r l}

u u

Ud = ( − ).3600 ... (26)

Cpu = panas jenis udara (kJ/kgoC) Tr = Suhu udara ruang pengering (oC) Tl = Suhu udara lingkungan (oC) b. Panas untuk menaikkan suhu bahan

)

( r j

pj Oj

Sp m C T T

Q = − ... (27) Moj = massa awal jagung (kg)

Cpj = panas jenis jagung (kJ/kgoC) Tr = suhu udara ruang pengering (oC) Tj = suhu bahan/jagung (oC)

c. Panas untuk menguapkan air bahan )

( Sp Ud

TP

Uap Q Q Q

Q = − + ... (28) d. Panas untuk menaikkan dan menguapkan air bahan

Uap Sp

SpUap Q Q

Q = + ... (29) 4. Efisiensi Penggunaan Energi

Efisiensi termal bangunan merupakan perbandingan antara energi panas yang masuk dalam sistem yang digunakan untuk memanaskan udara pengering (Nelwan, 1997).

% 100

x Q Q

Q B S

TS

T = ₊

η ... (30) Parameter lain berupa Komsumsi Energi Spesifik (KES) merupakan jumlah energi yang diterima dibandingkan dengan satu satuan massa air bahan yang diuapkan.

uap TS m

Q

muap = massa air yang diuapkan selama pengeringan (kg).

5. Kadar Air Bahan

Perhitungan kadar air bahan (Brooker et al., 1992) dalam kategori basis basah dan basis kering menggunakan persamaan berikut.

% 100 W W (%bb) Air

o w _x

Kadar = ... (32)

% 100 W W (%bk) Air

d w

x

Kadar = ... (33)

6. Efektifitas Proses Pengeringan

Laju penurunan kadar air bahan yang menunjukkan efektifitas proses pengeringan menggunakan persamaan berikut.

t M M d

d Laju

Δ −

= 1 2

t M : bahan air kadar

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Disain Tungku dan Pengumpan Tongkol Jagung

Unit tungku ditujukan untuk memanaskan air yang akan dimanfaatkan panasnya melalui penukar panas. Bahan bakar yang digunakan adalah tongkol jagung sebagai material limbah pada usaha produksi jagung pipilan. Unit tungku dirancang agar dapat melangsungkan pembakaran tongkol jagung sesuai dengan tingkat suhu udara yang diharapkan terbentuk pada ruang pengering. Bak berisi air yang akan dipanaskan berbentuk silinder (drum) dengan diameter 0,92 meter dan posisinya duduk di atas tungku. Agar nyala api selalu berada pada pusat diameter bak maka ruang pembakaran tongkol jagung didisain mengerucut ke bawah seperti pada gambar 15 berikut ini.

0.92 m

Gambar 15. Tungku pembakaran tongkol jagung

Tongkol jagung yang terbakar pada ruang tungku memiliki besar volume yang diatur melalui pengumpan yang digerakkan dengan motor DC 5A 24 Volt dan 150 RPM. Motor dilengkapi dengan reduksi gear box 1 : 24 sehingga keluarannya menjadi 6,25 RPM. Untuk memperoleh putaran kincir maksimum pengumpan sebesar 2 RPM maka digunakan sistem sproket dan rantai dengan bantuan persamaan 16:

1 2 1 2 2 1

n n R R

= = ω ω

Dimana: R, n = jari-jari sproket, atau jumlah gigi sproket ke-1 dan ke-2.

ω = kecepatan sudut dalam RPM sproket ke-1 dan ke-2.

Gerak putar motor pengumpan selanjutnya diformulasikan dalam kendali logika fuzzy dengan menu umpan kecepatan penuh, umpan kecepatan sedang, umpan kecepatan lambat dan tidak mengumpan (diam). Menu kecepatan ini akan

berhubungan dengan tingkat suhu udara ruang pengering yang terdeteksi sensor dan

set point suhu yang ditetapkan. Kecepatan penuh jika suhu udara pengering berbeda

jauh dengan suhu set point dan motor diam jika suhunya mendekati atau sama dengan suhu set point.

Disain pengumpan berupa kincir dengan 8 buah sudu-sudu yang berfungsi sebagai pengatur jumlah tongkol yang akan jatuh ke ruang tungku dengan sudut luncur 40o. Putaran motor diatur agar memutar kincir ke arah sisi/bidang yang dapat terdorong dan tarik dengan mekanisme engsel dan per. Rancangan ini dimaksudkan untuk menghindari gaya tolak dinding pada tongkol yang digerakkan oleh kincir sehingga putaran motor tidak berhenti. Skema disain mekanisme pengumpan seperti pada gambar 16 berikut.

Gambar 16. Disain mekanisme pengumpan tungku

Untuk menampung sejumlah tongkol yang akan diumpan maka wadah berbentuk silinder dipasang pada bagian atas rumah kincir dengan ukuran tertentu agar pengisian hanya dilakukan sebanyak 2 hingga 3 kali selama 1 batch proses pengeringan. Dimensi tinggi silinder adalah 1,1 meter dan diameter 0,8 meter.

4.2 Hasil Disain Tungku dan Pengumpan Biomassa

Unit tungku biomassa didisain untuk proses pembakaran tongkol jagung sehingga menghasilkan panas yang akan dimanfaatkan oleh sistem pengeringan melalui penukar panas tipe fluida. Bak berisi air yang akan dipanaskan ditempatkan diatas tungku dan dihubungkan ke penukar panas melalui selang air dengan sistem pompa bertenaga listrik.

Bagian lain dari tungku dan bak air adalah silinder penampung tongkol jagung kering yang dilengkapi dengan kincir pengumpan tongkol ke ruang pembakaran. Kincir pengumpan ini digerakkan dengan motor DC yang selanjutnya dikontrol putarannya melalui driver motor DC yang merupakan bagian dari sistem kontrol beralgoritma fuzzy.

a. b. c.

Gambar 17. Unit Tungku dengan Pengumpanan Kincir

Pola tongkol jagung pada kincir dapat merupakan tumpukan yang padat (c) sehingga secara relatif dapat memberikan beban berat pada motor penggerak akibat gesekan yang timbul antara kincir yang berputar (bagian dinamis) dengan rumah kincir (bagian statis). Hal ini diatasi dengan menciptakan salah satu sisi dinding rumah kincir yang fleksibel sehingga dapat terdorong keluar dan tertarik masuk oleh per.

4.3 Disain Driver Motor DC dengan DAC 0808

Sumber gerak yang digunakan untuk proses pengumpanan bahan bakar tongkol jagung adalah Motor DC 24 volt, 5 amp. Spesifikasi motor ini memungkinkan terjadinya gerak putar yang beragam kecepatannya pada variasi nilai tegangan antara 0 hingga 24 volt. Proses pengontrolan kecepatan gerak putar motor tersebut dilakukan dengan rangkaian driver yang menggunakan DAC0808 (MC1408) dan Op-Amp LF 353N serta transistor 2N3055. Arus keluar (Iout) selanjutnya dikonversi ke tegangan dengan beban resistif atau Op-Amp yang terisolasi (rf dari Vout ke V- dan V+ ke ground).

Dua buah transistor 2N3055 yang disusun paralel dimaksudkan sebagai rangkaian saklar atau regulator tegangan output dari Op-Amp yang bervariasi sebelum diumpankan ke motor DC. Komponen ini digunakan karena disamping memiliki

karakteristik kepekaan terhadap penguatan yang tinggi juga memiliki tingkat suhu operasi yang tinggi yakni hingga 200 oC. Untuk meredam panas yang timbul maka dua buah transistor ini diletakkan pada plat dan kipas pendingin.

Gambar 18. Rangkaian khas DAC0808 dengan Op-Amp

4.4 Disain Driver Motor AC

Driver motor AC terdiri atas mikrokontroler AT89C51, rangkaian Comparator

LM339 yang difungsikan sebagai zero crossing detector dan rangkaian triac

optocoupler sebagai teknik kontroltegangan keluaran yang bervariasi.

3

12 5 4

1K 10 K

1K

LM 339

1K

5

Gambar 19. Rangkaian driver motor AC untuk kipas

Rangkaian pembanding tegangan LM339 sebagai pengubah gelombang sinus menjadi gelombang segiempat selanjutnya dibaca oleh mikrokontroler AT89C51 untuk menentukan waktu zero crossing. Setelah zero crossing terdeteksi, maka

AT89C51 akan menonaktifkan triac selama 0 – 49 mdetik berdasarkan keluaran fuzzy. Hal ini akan menghentikan aliran arus ke motor sehingga putaran motor akan berkurang. Dengan demikian variasi besaran nilai tunda setelah triac di ”trigger” akan menyebabkan perubahan kecepatan putar pada motor.

Gambar 20. Skema teknik delay bentuk gelombang tegangan AC

Pada gambar 20 diberikan bentuk gelombang untuk dua buah kondisi yakni waktu tunda (delay) 20 ms dan 40 ms. Pada kondisi pertama yakni waktu tunda 20 ms siklus positif keluaran tegangan AC adalah 60 % dari input sehingga hanya 60 % arus yang diteruskan ke beban (garis putus-putus pada bentuk gelombang sinus menunjukkan gelombang tegangan AC yang telah dipotong). Gelombang kotak merupakan tegangan keluaran mikrokontroler yang berfungsi sebagai driver dan gelombang sinus merupakan tegangan keluaran rangkaian triac yang sampai ke beban.

Pada kondisi kedua yakni waktu tunda (delay) 40 ms, siklus keluaran sebesar 20 % dari input sehingga hanya 20 % arus yang diteruskan ke beban/motor. Perubahan persentase arus inilah yang menyebabkan perubahan putaran pada motor AC.

4.5 Hasil Disain Sistem Kendali Logika Fuzzy 4.5.1. Perangkat Keras

Sistem kendali fuzzy didisain dalam satu papan akrilik berukuran 32 x 27 cm dengan 4 buah trafo sebagai sumber catu daya. Trafo 2 Amp sebagai sumber catu daya untuk DT51 Petrafuz ver 3.3, AT89C51 dan modul lain seperti LCD, Keypad dan

sensor SHT75. Trafo 5 Amp sebagai sumber catu daya kopel untuk driver motor DC (DAC0808) dan kipas pendingin komponen khususnya regulator tegangan DC. Trafo CT 1 Amp sebagai sumber catu daya yang akan dicacah untuk keperluan motor AC dan trafo CT 10 Amp sebagai sumber catu daya untuk motor DC.

Pada sistem ini terdapat DT51 PetraFuz ver 3.3 yang bertindak sebagai mikrokontroler utama dan AT89C51 sebagai mikrokontroler pendamping. Mikrokontroler utama berfungsi sebagai unit distributor data, penulisan dan pembacaan sensor SHT75 secara digital melalui port Control, pembacaan input keypad melalui port C dan peragaan LCD melalui port LCD serta sistem akuisisi data ke komputer personal melalui port serial. Mikrokontroler pendamping berfungsi sebagai driver motor AC yang akan menerima keluaran fuzzy dari parameter kelembaban melalui port 2. Mekanisme ini dirancang untuk menjaga kontinyuitas keluaran AT89C51 ke rangkaian triac melalui optocoupler sambil menunggu update

data keluaran fuzzy dalam selang waktu tertentu dari port A DT51 Petrafuz. Keluaran fuzzy dari parameter suhu selanjutnya diubah ke besaran analog oleh DAC0808 melalui port B untuk menggerakkan motor DC. Konfigurasi masing-masing modul pada DT51 Petrafuz diilustrasikan dengan gambar berikut.

a. Modul SHT75.

Sebuah chip SHT75 memiliki 4 buah pin yakni pin 1: SCK, pin 2: VDD, pin 3: GND dan pin 4: DATA. Pin 1 dan 4 selanjutnya dihubungkan masing-masing dengan port 3.2, 3.4 dan port 3.3, 3.5 DT51 Petrafuz sedangkan pin 2 dan 3 dengan catu daya.

b. Modul LCD

LCD memiliki port tersendiri pada DT51 Petrafuz sehingga pemasangan dapat dilakukan dengan kabel pelangi 10 pin yang ujungnya dilekatkan pada ampenol LCD dan konektor port pada ujung lainnya. Jenis LCD yang digunakan memiliki maksimum 16 karakter dan 2 baris

Gambar 22. Konfigurasi LCD pada DT51 Petrafuz

Sebuah LCD tipe LMB162A memiliki konfigurasi 16 pin dengan spesifikasi masing-masing seperti pada tabel 4.

Tabel 4. Konfigurasi pin LMB162A Pin No Symbol Details

1 GND Ground

2 Vcc Supply Voltage +5V

3 Vo Contrast adjustment

4 RS 0->Control input, 1-> Data input

5 R/W Read/ Write

6 E Enable

7 to 14 D0 to D7 Data

15 VB1 Backlight +5V

16 VB0 Backlight ground

c. Modul Keypad

Keypad 4x4 dihubungkan dengan kabel pelangi 8 pin ke port C DT51 Petrafuz. Kedua ujung kabel terlebih dahulu dilengkapi dengan konektor ke keypad dan konektor ke port DT51 Petrafuz. Sebuah konektor melayani 2 port yang terdiri atas 16 pin. Pemanfaatan hanya sebuah port yang terdiri atas 8 pin adalah dengan memisahkan atau memotong separuh dari kabel pelangi 16 pin.

Gambar 23. Konfigurasi Keypad pada DT51 Petrafuz d. Modul Driver Motor DC

Driver motor DC dihubungkan dengan kabel pelangi 8 pin ke DT51 Petrafuz melalui port B. Sedangkan pada modul driver motor DC dihubungkan ke jalur data DAC0808. Keluaran DAC0808 berupa besaran tegangan analog selanjutnya melalui rangkaian penguat Op-Amp LF353N dan rangkaian regulator tegangan atau

switching.

AT89C51 Driver

Motor AC Driver Motor DC

Gambar 24. Konfigurasi driver motor DC pada DT51 Petrafuz

e. Modul Driver Motor AC

Seperti halnya driver motor DC, driver motor AC juga dihubungkan dengan kabel pelangi 8 pin ke DT51 Petrafuz melalui port A. Dengan demikian port A dan port B menggunakan sebuah konektor kabel 16 pin yang akan terbagi 2 menjadi 8 pin ke driver motor DC (DAC0808) dan 8 pin ke driver motor AC yakni pin data pada mikrokontroler kedua (AT89C51), (Gambar 24).

Zero crossing tegangan disusun dalam mikrokontroler kedua (AT89C51) yang

berhubungan dengan rangkaian komparator LM339 dan triac optocoupler untuk selanjutnya menggerakkan motor AC berupa blower.

Gambar 26. Rangkaian Triac dan Zero Crossing Detector tegangan AC

f. Akuisisi Data

Proses akuisisi data dilakukan dengan menghubungkan DT51 Petrafuz ke personal komputer melalui port serial. DT51 Petrafuz sebagaimana DT51 Minsys lainnya hanya menyediakan jalur data tipe serial untuk keperluan komunikasi dua arah (bidirectional). Pengujian sistem kendali algoritma fuzzy berdasarkan personal komputer dilakukan melalui jalur data ini.

4.5.2. Perangkat Lunak a. Assembler

Pengaktifan beberapa modul seperti pembacaan sensor SHT75 sebagai sumber data, keypad sebagai sumber data set point, peragaan LCD dan jalur data dua arah pada serial port oleh DT51 Petrafuz dilakukan dengan menyusun perintah dalam bahasa assembler 8051. Perintah disusun dalam file text editor kemudian dikonversi ke file hex melalui assembler 8051.

Pemrograman didahului dengan perintah pengaktifan DT51 Petrafuz, pembacaan dua buah sensor SHT75 pada setiap selang waktu 5 detik untuk diolah dan dikirim ke menu tampilan suhu dan RH serta pengiriman data ke serial port. Program pembacaan dan penulisan pada LCD 16x2 serta pembacaan tombol keypad 4x4. Disamping itu terdapat perintah pembacaan output fuzzy dari serial port untuk dilanjutkan ke driver motor DC dan AC. Pada mikrokontroler kedua yakni AT89C51 juga terdapat program assembler khusus untuk driver motor AC yang terdiri atas Zero

Crossing Detector dan triac firing.

Perintah keseluruhan modul tercantum pada lampiran 1 yang merupakan perintah utuh assembler untuk perangkat keras sistem kendali ini.

b. Simulasi Logika Fuzzy

Program simulasi dikembangkan untuk memperoleh sebuah algoritma fuzzy yang secara spesifik sesuai dengan disain kendali yang diinginkan sebelum algoritma tersebut dijalankan pada sistem yang sebenarnya. Simulasi ini dilakukan pada sebuah disain antar muka menggunakan program bahasa Delphi 7.0.

Disain antar muka mencakup input set point suhu dan kelembaban, tampilan grafik dan tampilan pergerakan suhu, RH dan output fuzzy. Dalam simulasi ini dibangkitkan data yang meniru sensor SHT75 menghasilkan data suhu dan RH yang kemudian diolah melalui algoritma fuzzy. Data hasil pengolahan selanjutnya ditampilkan dalam bentuk pergerakan data dan grafik sehingga memungkinkan untuk dianalisa sesuai dengan sistem pengendalian yang didisain.

Pembangkitan data dilakukan dengan memanfaatkan timer dan generator data pada Delphi 7.0 serta selang suhu dan RH mengikuti kondisi ekstrim yang mungkin terjadi secara ril. Disamping itu pula dimungkinkan terjadinya data suhu dan RH yang

if (lama>=600) and (lama<750) then edit9.Text:=' 4:'; if lama = 750 then

begin

memo.lines.savetofile('Fuzzy5.xls'); end;

if (lama>=750) and (lama<900) then edit9.Text:=' 5:'; if lama = 900 then

begin

memo.lines.savetofile('Fuzzy6.xls'); memo.clear;

edit9.Text:=' 6:'; end;

if lama = 900 then lama:=0; edit4.Text:=floattostr(sutruerat); edit6.Text:=floattostr(RHrat); edit7.Text:=inttostr(lama); end;

end;

procedure TForm1.Bt_LoadClick(Sender: TObject); begin

ComPort.LoadSettings(stRegistry, 'HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Dejan'); end;

procedure TForm1.Bt_StoreClick(Sender: TObject); begin

ComPort.StoreSettings(stRegistry, 'HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Dejan'); end;

procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject); begin

ComPort.close; kmode:=100; penuh:=100;

Memo.Lines.add(DateToStr(Date));

Memo.Lines.Add('Waktu'+#9+'SP-T'+#9+'Tr_1(oC)'+#9+'Tr_2(oC)'+#9+'SP-RH'+#9+'RH_1(%)'+#9+'RH_2(%)'+#9+'Vmotor'+#9+'Vblower');

end;

procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject);/////// begin

memo.Clear; end;

procedure TForm1.Button30Click(Sender: TObject); //////// var

begin Str := 'M';

ComPort.Writestr(Str); Str := 'J';

ComPort.Writestr(Str);

ComPort.Write((ScrollBar1.Position),2); end;

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject); var

Nama : string; begin

if SaveDialog1.Execute then Nama:= SaveDialog1.Filename; Memo.Lines.SaveToFile(Nama+'.xls'); end;

procedure TForm1.ScrollBar1Change(Sender: TObject); begin

edit3.Text := inttostr(ScrollBar1.Position); end;

procedure TForm1.ScrollBar6Change(Sender: TObject); begin

edit8.Text := inttostr(ScrollBar6.Position); end;

procedure TForm1.Button4Click(Sender: TObject); begin

kmode:=200;

button30.Enabled:=false; end;

procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject); begin

kmode:=100;

button30.Enabled:=True; end;

Lampiran 4. Perintah Assembly Driver Motor AC

output_triac equ p3.6 input_zero_cross equ p1.5 tombol_up equ p1.4

status_transisi equ 40h byk_step equ 60h cacah_step equ 61h

org 0h

jmp init_awal org 1bh

jmp Lay_int1 ; vektor interupsi timer1 org 60h

init_awal:

mov tmod,#00010000 ; timer1 mode 16bit setb ea ; aktifkan interupsi global setb status_transisi ; tandai status transisi awal setb et1 ; aktifkan interupsi timer1 mov byk_step,#50 ; default setting step mov cacah_step,byk_step

mov th1,#high(-30) ; isi ulang timer mov tl1,#low(-30)

program_utama:

mov byk_step,p2 ; baca masukan port mov a,byk_step ; cek step maksimal mov b,#200

clr c subb a,b jnc non_aktif mov a,byk_step

cjne a,#0, status_0_1 ; cek step minimal aktif_full:

clr output_triac clr tr1

jmp program_utama non_aktif:

status_1_0:

jb status_transisi, status_0_1 jb input_zero_cross,status_1_0 setb output_triac

setb status_transisi setb tr1

jmp program_utama

;================== ; layanan interupsi timer1 ;--- Lay_int1:

clr tr1 clr tf1

djnz cacah_step,ke_reti_end ; apa waktu tunda telah terpenuhi mov cacah_step,byk_step ; perbaharuhi waktu tunda

clr output_triac ; aktifkan triac call tunda_50us

mov th1,#high(-30) ; isi ulang timer mov tl1,#low(-30)

reti ke_reti_end: setb tr1

mov th1,#high(-30) ; isi ulang timer mov tl1,#low(-30)

reti

;======= ; subrutin ;--- tunda_50us: loop2:

mov r6,#50 loop1:

djnz r6,$ ret

Lampiran 5. Skema titik pengukuran tampak samping

Irad

T1

T7,8

T9, 10, 11, 12

T13, …14

M2, 3

M8, 9

M1

RH3, 4

Blower udara keluar

Sensor SHT75

Vud1

M4, 5 , 6, 7

T5,6

Sensor SHT11 RH1, 2

T2,,3,4

Motor Pengumpan Vud2

T15, 16

Keterangan :

T : Suhu / Temperature

T1 = Suhu tungku

T2,3,4 = Suhu air masuk dan keluar penukar panas T5,6 = Suhu udara sebelum masuk penukar panas T7,8 = Suhu udara pengering pada kedua ruas

T9,10,11,12 = Suhu udara bahan (awal & akhir) pada kedua ruas T13,14 = Suhu udara keluar bahan (bola basah dan bola kering) T15,16 = Suhu udara lingkungan (bola basah dan bola kering)

M : Massa dan Kadar air bahan

M1 = Massa dan kadar air tongkol jagung

M2,3 = Massa dan kadar air jagung pada posisi udara masuk untuk kedua ruas

M4,5,6,7 = Massa dan kadar air jagung pada posisi udara masuk dan keluar bahan pada kedua ruas

Lampiran 6. Skema titik pengukuran tampak atas

Motor Pengumpan

M1

T7,RH3 T8,RH4

M3

M8 M9

T9, 10 T11, 12

Vud1

Vud2

T1

HE1 HE2

T2,3,4

Ruas 1 Ruas 2

Blower udara keluar

T6 RH2

T5 RH1 Sensor SHT75

M2

M4,5 M6,7

T13, 14

T15, 16

Sensor SHT75

Sensor SHT11

Sensor SHT11 F_L

C

Keterangan:

FLC : Alat Kendali Logika Fuzzy HE : Penukar panas