TUGAS AKHIR - Pengendali tekanan uap pada sistem pemanas air berbasis rangkaian digital - USD Repository
TUGAS AKHIR
PENGENDALI TEKANAN UAP PADA SISTEM
PEMANAS AIR BERBASIS RANGKAIAN
DIGITAL
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Diajukan Oleh :
PETRUS DANI KURNIAWAN
NIM : 025114053
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
i
STEAM PRESSURE CONTROLLER OF WATER
HEATER SYSTEM BASED ON DIGITAL CIRCUIT
Presented as Partial Fulfillment of the Requirements
To Obtain the Sarjana Teknik Degree
In Electrical Engineering Study Program
By:
Name : Petrus Dani Kurniawan
Student Number : 025114053
ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING
FACULTY OF SAINS AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2007
ii
iii
iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
“Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini
tidak memuat karya atau bagian karya orang lain,
kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka,
sebagaimana layaknya karya ilmiah.”
Yogyakarta,….September 2007
Petrus Dani Kurniawan
v
Tugas akhir ini dipersembahkan untuk :
Tuhan Yang Maha Esa atas bimbingan dan karunia-Nya
Kedua orang tuaku tercinta, Kakak-Kakakku dan Andis yang
memberikan semangat,dorongan, dan doa.
vi
HALAMAN MOTTO
Hiduplah seolah kau akan mati besok, belajarlah seolah kau akan hidup
selamanya. (Mahatma Gandhi)
Jangan pernah putus asa, cobaan dan rintangan adalah hiasan
perjalanan hidup.
Kegagalan adalah sukses yang tertunda, maka tetaplah berusaha.
Semangatt!!!!!
vii
Pengendali Tekanan Uap Pada Sistem Pemanas Air
Berbasis Rangkaian Digital
Petrus Dani Kurniawan
NIM : 025114053
INTISARI
Dalam tugas akhir ini akan dipaparkan tentang pengendali tekanan uap pada
sistem pemanas air berbasis rangkaian digital, yang dapat mengatur batasan tekanan
uap pada suatu sistem pemanas air seperti yang diinginkan.
Pengendali Tekanan Uap Pada Sistem Pemanas Air Berbasis Rangkaian
Digital diimplementasikan dengan menggunakan sistem close loop. Masukan untuk
pengendali adalah hasil selisih antara set point dengan keluaran sensor, selisih
tersebut nantinya digunakan untuk mengendalikan pemanas agar menyala atau
padam. Pada implementasi ini dalam pemilihan set point digunakan 4 buah saklar
tougle yang tiap-tiap saklar memiliki nilai set point yang berbeda-beda yaitu 0,1 bar,
0,5 bar, 1 bar dan 1,5 bar.
Pengendali Tekanan Uap Pada Sistem Pemanas Air Berbasis Rangkaian
Digital telah berhasil diimplementasikan. Setelah dilakukan pengujian diperoleh hasil
yang memiliki nilai steady-state error, tetapi nilai tersebut masih dalam nilai toleransi
yang diijinkan.
Kata kunci : Tekanan uap, pemanas, digital, sistem close loop.
viii
ABSTRACT
In this final project will describes concerning steam pressure on water heater
system based on digital circuit. Steam pressure is a system used to arrange the
pressure from a heater such as wanted.
Steam pressure on water heater system based on digital circuit is implemented
by using system of close loop. Input for controller is result of difference among
setting point with output of sensor, the difference will be used to control the condition
of heater. In this implementation the selection of set point used 4 of tougle switch
which every switch have a difference set point value. They are 0.1 bar, 0.5 bar 1 bar
and 1.5 bar.
Steam pressure on water heater system based on digital circuit succesfully
implemanted. After finishing some operation test the system have a value of steadystate error, but the value still in permitted of tolerance value.
Keyword : Steam pressure, heater, digital, system of close loop
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas kasih dan karunia yang
telah diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik dan
lancar. Tugas akhir ini ditulis untuk memenuhi salah satu syarat dalam memperoleh
gelar sarjana teknik pada program studi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma.
Dalam proses penulisan tugas akhir ini ada begitu banyak pihak yang telah
memberikan perhatian dan bantuan. Oleh karena itu penulis ingin mengucapkan
terima kasih antara lain kepada :
1. Romo Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc., selaku dekan
fakultas teknik.
2. Bapak Bayu Primawan, S.T., M.Eng., selaku ketua jurusan teknik elektro.
3. Ibu B.Wuri Harini, S.T., M.T., selaku pembimbing, atas segala
bimbingan, kesabaran dan dorongan selama proses pengerjaan tugas akhir.
4. Seluruh dosen teknik elektro atas ilmu yang telah diberikan selama penulis
menimba ilmu di Universitas Sanata Dharma.
5. Papa, Mama dan Kakak-kakakku, atas semangat dan doa yang selalu
diberikan, dan juga atas dukungan baik secara moril maupun materiil.
6. Andis Permana Sari, yang telah ada disaat senang maupun susah, yang
telah memberikan semangat, perhatian, dorongan, dan senantiasa
menghibur penulis. Terima kasih cinta.
x
7. Dominicus “T-cuz” Yoga Kristawan, atas bimbingan TA-nya, kamu
memang pembimbing II ku.
8. Teman satu plant boiler: T-cuz dan Deni, atas kerja samanya.
9. Teman–teman bimbingan Bu Wuri : Hari, Dhanny Mikael, Deri, Sinung,
Widi, Andi W, Plentonk, Gepeng, Yoga, Ido, dan Clement.
10. Teman-teman elektro’02 : Robi, Andi S, Oscar, Pandu, Dhika, Nango,
Iyok , serta teman-teman angkatan ’02 lainnya yang selalu bersama dalam
kuliah.
11. Bapak Herman Yoseph Sudarman, yang telah membantu dalam
pembuatan boiler,terima kasih atas ilmu tentang boiler-nya.
12. Laboran teknik elektro : Mas Suryono, Mas Mardi dan Mas Broto.
13. Teman-teman kost ”rambutan” dan ”ex-rambutan”: Mas Weerj, Trimbil,
Baboon, Limin, Sahili, Erik, Bernard, dan Deni. Kalian telah membuat
hidupku penuh warna.
14. Teman-teman Gereja, Eko, Mas Iwan, Mas Leman, Mas Didit, Bonce,
Gembul, Dita, Felis, Konthos, Heru, Frater Dodik, Frater Sani, Frater
Dimaas, Heni dan Dek Uun ,yang selalu memberi keceriaan dan
kedamaian.
15. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, atas kebaikan dan
bantuannya kepada penulis.
Penulis sadar bahwa pada penulisan skripsi ini banyak terdapat kesalahan dan
kekurangannya, oleh sebab itu kritik dan saran dari berbagai pihak sangat diharapkan
xi
agar penulis dapat lebih maju dan lebih baik. Akhirnya penulis juga berharap semoga
karya tulis ini dapat bermanfaat bagi pembaca.
Yogyakarta, ….September 2007
Penulis,
Petrus Dani Kurniawan
xii
DAFTAR ISI
Halaman
Halaman Judul ................................................................................................. i
Halaman Persetujuan ....................................................................................... ii
Halaman Pengesahan ...................................................................................... iii
Pernyataan Keaslian Karya ............................................................................. iv
Halaman Persembahan .................................................................................... v
Intisari ............................................................................................................. vi
Abstract ........................................................................................................... vii
Kata Pengantar ................................................................................................ viii
Daftar Isi ......................................................................................................... xiii
Daftar Gambar ................................................................................................. xvii
Daftat Tabel ..................................................................................................... xx
BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1
1.1 Judul ............................................................................................ 1
1.2 Latar Belakang ............................................................................ 1
1.3 Perumusan Masalah ..................................................................... 2
1.4 Batasan Masalah .......................................................................... 2
1.5 Tujuan Penelitian ......................................................................... 3
1.6 Manfaat Penelitian ....................................................................... 3
xiii
1.7 Metodologi Penelitian ................................................................. 4
1.8 Sistematika Penulisan .................................................................. 5
BAB II DASAR TEORI ................................................................................ 7
2.1 Sistem Kontrol Otomatis ............................................................. 7
2.2 Sensor Tekanan Uap Air ............................................................. 8
2.3 Ketel Uap (Boiler) ....................................................................... 9
2.4 Set Point ...................................................................................... 10
2.5 Optoisolator ................................................................................. 11
2.6 Triac ............................................................................................. 12
2.7 ADC (Analog to Digital Converter) ............................................ 14
2.7.1 ADC Menggunakan IC ADC 0804 .................................. 15
2.8 Pembanding ................................................................................. 19
2.9 Pengkode BCD ke Tujuh Segmen ............................................... 22
2.10 Tujuh Segmen ............................................................................. 23
2.11 Rangkaian Pembagi Tegangan .................................................... 25
2.12 Sistem Digital .............................................................................. 26
2.12.1 Gerbang OR ..................................................................... 26
2.12.2 Gerbang AND ................................................................. 27
2.12.3 Gerbang NOT .................................................................. 28
2.13 Pengkode ..................................................................................... 28
2.14 Respon Transien .......................................................................... 29
BAB III PERANCANGAN .......................................................................... 32
xiv
3.1 Sistem Kendali ............................................................................ 32
3.2 Perancangan Plant ....................................................................... 33
3.3 Sensor .......................................................................................... 35
3.3.1 Pengubah Arus ke Tegangan ............................................. 35
3.4 ADC (Analog to Digital Converter) ............................................ 36
3.5 Pengendali (Controller) ............................................................... 42
3.6 Driver Pemanas ........................................................................... 42
3.7 BCD ke Tujuh Segmen ............................................................... 45
3.8 Rangkaian Set Point .................................................................... 46
3.9 Rangkaian Penyesuai ................................................................... 48
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...................................................... 52
4.1 Hasil Pengujian Sistem ................................................................ 52
4.1.1 Pengujian Set Point 0,1 Bar ............................................... 53
4.1.2 Pengujian Set Point 0,5 Bar ............................................... 56
4.1.3 Pengujian Set Point 1 Bar ................................................. 59
4.1.4 Pengujian Set Point 1,5 Bar .............................................. 63
4.1.5 Perbandingan Respon Hasil Pengujian ............................. 67
4.2 Pembahasan ................................................................................. 68
4.2.1 Rangkaian Set Point .......................................................... 68
4.2.2 Rangkaian ADC ................................................................ 70
4.2.3 Rangkaian Pengendali (Controller) .................................. 74
BAB V PENUTUP ......................................................................................... 76
xv
5.1 Kesimpulan .................................................................................. 76
5.2 Saran ............................................................................................ 77
Daftar Pustaka
Lampiran
xvi
DAFTAR TABEL
Halaman....
1. Tabel 2.1. Macam-macam MOC30XX......................................................
12
2. Tabel 2.2. Tabel kebenaran XOR dua masukan.........................................
20
3. Tabel 2.3. Tabel kebenaran 74LS85 ..........................................................
21
4. Tabel 2.4. Jalur segmen yang aktif.............................................................
23
5. Tabel 2.5. Tabel kebenaran gerbang OR....................................................
27
6. Tabel 2.6. Tabel kebenaran gerbang AND.................................................
27
7. Tabel 2.7. Tabel kebenaran gerbang NOT (INV) ......................................
28
8. Tabel 2.8. Tabel kebenaran IC 74LS147 ...................................................
29
9. Tabel 3.1. Tabel perbandingan tekanan dan tegangan hasil dari percobaan
36
10. Tabel 3.2. Tabel konversi data masukan analog dengan keluaran digital..
38
11. Tabel 3.3 Tabel tekanan dan keluaran digital ...........................................
46
12. Tabel 3.4 Tabel konversi keluaran IC 74LS147 dengan keluaran inverter
47
13. Tabel 3.5 Tabel kebenaran rangkaian penyesuai ......................................
48
14. Tabel 3.5 Tabel peta karnaugh ..................................................................
49
15. Tabel 4.1. Hasil pengambilan data untuk set point 0,1 bar ........................
53
16. Tabel 4.2. Hasil pengambilan data untuk set point 0,5 bar ........................
58
17. Tabel 4.3. Hasil pengambilan data untuk set point 1 bar ...........................
63
18. Tabel 4.4 Hasil pengambilan data untuk set point 1,5 bar .........................
68
xvii
19. Tabel 4.5. Data Delay Time, Rise Time, Waktu Puncak, Settling Time
dan Steady-state Error ..............................................................................
73
20. Tabel 4.6. Hasil pengujian rangkaian set point .........................................
75
21. Tabel 4.7. Hasil pengujian rangkaian ADC ..............................................
77
22. Tabel 4.8. Tabel data keluaran pembanding 74LS85.................................
81
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran I.
Rangkaian Set Point dan Penampil ............................................... L1
Lampiran II.
Rangkaian ADC dan Penampil ..................................................... L2
Lampiran III. Pembanding dan Driver Pemanas .................................................. L3
Lampiran IV. Rangkaian Keseluruhan ................................................................. L4
xix
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Judul
Pengendali Tekanan Uap pada Sistem Pemanas Air Berbasis Rangkaian
Digital.
1.2 Latar Belakang
Uap (vapor) yaitu gas yang timbul akibat perubahan fase cair menjadi
uap (gas) dengan cara pendidihan (boiling). Dalam industri, uap digunakan dalam
bermacam-macam proses yang memerlukan panas. Uap dihasilkan oleh ketel uap
atau boiler, yang kemudian akan disalurkan ke setiap terminal yang
membutuhkan panas. Pada dunia
industri proses penggunaan uap sebagai
penghantar panas misalnya pada bidang farmasi, pembangkit tenaga listrik,
perhotelan dan lain-lain.
Proses pendidihan air dengan boiler akan menyebabkan suhu dan
tekanan di dalam boiler akan meningkat. Tekanan tersebut harus terus dijaga agar
tidak melebihi dari kemampuan boiler itu sendiri karena bila tekanannya berlebih
maka boiler dapat meledak, dan juga karena kebutuhan dari suatu proses
pendidihan. Proses pendidihan memerlukan waktu yang cukup lama, sehingga
bila menggunakan pengendali otomatis akan mempermudah proses pendidihan.
1
2
Pengendali otomatis digunakan untuk mematikan atau mengatur sistem pemanas
bila telah mencapai tekanan yang diinginkan.
Ada banyak cara pengendali otomatis, mulai dari pemakaian pengendali
analog sampai pengendali digital yang dihubungkan dengan sistem kontrol untuk
men-set atau mendapatkan hasil tertentu sesuai keinginan. Guna mendapatkan
pengukuran dan pengendalian tekanan yang presisi, peralatan yang digunakan
harus baik dan efisien. Peralatan tersebut merupakan gabungan sistem pengukur
tekanan, penampil dan pengendali. Pengendali digital memiliki beberapa
kelebihan dibanding pengendali analog, antara lain :
1. Peralatan digital memberikan ketelitian hasil yang tinggi.
2. Kemudahan pembacaan pada penampil sehingga memudahkan pembacaan
dan set pengendalian yang diinginkan.
1.3 Perumusan Masalah
Dari Latar Belakang di atas, timbul permasalahan “Bagaimanakah cara
mengendalikan tekanan uap menggunakan rangkaian digital?”
1.4 Batasan Masalah
Dalam Tugas Akhir dengan judul Pengendali Tekanan Uap pada Sistem
Pemanas Air Berbasis Rangkaian Digital dibatasi pada masalah-masalah sebagai
berikut:
a. Bila telah mencapai keadaan yang diinginkan, pemanas akan mati.
3
b. Pengendali dirancang berdasarkan sensor yang digunakan yakni Pressure
Transmitter bertipe 8320 dari Burkert, dengan rentang tekanan 0 sampai
dengan 10 bar.
c. Tekanan yang terukur 0 – 1,5 bar.
d. Aktuator menggunakan kompor listrik 600 Watt.
e. Pengendali on-off dengan rangkaian digital.
f. Tampilan pada set point dan output.
g. Kompor atau pemanas akan dimatikan secara manual bila ketinggian air di
dalam tangki kurang dari batas minimal, yaitu 1/2 dari ketinggian tangki.
1.5 Tujuan Penelitian
Pembuatan Tugas Akhir ini adalah untuk membuat perangkat elektronik
pengendali dengan menggunakan rangkaian digital sebagai piranti pengendali
yang dapat digunakan untuk mengatur batasan tekanan uap pada suatu sistem
pemanas air seperti yang diinginkan.
1.6 Manfaat Penelitian
Dapat memanfaatkan dan menerapkan pengendali dengan rangkaian
digital pada pengendali tekanan uap, yang digunakan untuk mengendalikan
tekanan uap pada sistem pemanas air. Pengendali rangkaian digital pada kendali
tekanan uap ini juga dapat digunakan untuk meniadakan pekerjaan-pekerjaan
rutin yang dilakukan manusia, atau meniadakan kendali manual yang dilakukan
oleh manusia.
4
1.7 Metodologi Penelitian
Metode penelitian yang digunakan dalam penyusunan laporan tugas
akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Mencari referensi yang dibutuhkan untuk mendukung proses perancangan dan
pembuatan alat.
2. Membuat plant. Membuat perencanaan miniatur dari alat yang akan dibuat
yaitu ketel uap atau biasa disebut boiler, yang kemudian dibuat secara nyata.
3. Setelah plant selesai dibuat, pengambilan data dilakukan agar mengetahui
karakteristik dari sensor tekanan, kemampuan boiler dan waktu yang
dibutuhkan untuk mencapai tekanan maksimum.
4. Dengan adanya data dari plant yang sudah diperoleh, selanjutnya melakukan
penulisan proposal.
5. Perancangan kontrol pengendali dapat dilakukan karena plant sudah selesai
dan penulis sudah mengetahui karakteristik dari sensor tekanan, kemampuan
boiler, dan data-data lain yang diperlukan.
6. Implementasi kontrol pengendali dapat dilakukan dengan adanya rancangan
pengendali yang tepat dan akurat.
7. Pengujian alat. Dilakukan pengujian secara menyeluruh antara pengendali dan
plant, apakah sudah sesuai dengan rancangan atau belum. Selain itu kita juga
mengambil data dari pengendali dan plant yang telah dibuat.
8. Penulisan laporan dilakukan untuk koreksi apakah alat sudah sesuai dengan
kriteria alat yang baik dan apakah sudah sesuai dengan perancangan? Selain
5
itu juga untuk mencocokkan data antara teori dan data yang diperoleh dari
pengujian.
1.8 Sistematika Penulisan
Sistem pembahasan tidak jauh berbeda dengan metodologi yang
digunakan dan penulis membagi pembahasan menurut metodologinya seperti
berikut :
BAB I. Pendahuluan
Pada bab ini berisikan mengenai penjelasan latar belakang masalah,
maksud dan tujuan, batasan masalah, yang menjelaska tentang rancangan sistem
yang akan dibuat, serta menjelaskan sistematika pembahasan.
BAB II. Dasar Teori
Pada bab ini berisi tentang teori dan pemilihan komponen yang nantinya
digunakan dalam implementasi alat yang akan dikerjakan.
BAB III. Rancangan Penelitian
Pada bab ini berisikan mengenai bagaimana memperoleh nilai–nilai
komponen yang akan digunakan dan pertimbangan dari pemilihan komponen
tersebut.
BAB IV. Hasil Pengamatan dan Pembahasan
Berisi mengenai bagaimana hasil dari kerja alat yang dibuat dan
menganalisis data yang diperoleh.
6
BAB V. Kesimpulan dan Saran
Pada bab ini berisikan kesimpulan dari hasil perancangan dan
implementasinya serta saran agar baik kedepannya.
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Sistem Kontrol Otomatis
Sistem kontrol otomatis (close loop) dirancang untuk mengurangi peran
manusia dalam suatu proses, dengan demikian dapat diperoleh hasil yang lebih
akurat dibandingkan dengan sistem kontrol manual. Dalam sistem kontrol,
peralatan atau mesin-mesin yang digunakan secara bersama-sama untuk
melakukan suatu operasi disebut sebagai plant. Dengan kata lain plant juga dapat
disebut sebagai obyek yang akan dikendalikan dalam suatu sistem kontrol [1].
Sering kali dalam sistem kontrol muncul suatu sinyal yang dapat
mempengaruhi nilai keluaran sistem sehingga nilai keluaran tersebut tidak sesuai
dengan yang dikehendaki, sinyal tersebut disebut sebagai gangguan atau
disturbances. Apabila gangguan tersebut muncul dari dalam sistem disebut
sebagai gangguan internal, sedangkan apabila muncul dari luar sistem disebut
sebagai gangguan eksternal. Sistem kontrol dibagi menjadi dua jenis,yakni:
1. Sistem kontrol lup tertutup atau closed loop control system, sistem ini dapat
dikatakan sebagai sistem kontrol yang berumpan balik karena sistem kontrol
ini
sinyal keluarannya dihubungkan dengan pengendali sehingga sinyal
keluaran tersebut dapat mempengaruhi proses pengontrolan.
7
8
2. Sistem kontrol lup terbuka atau open loop control system merupakan suatu
sistem kontrol yang sinyal keluarannya tidak mempengaruhi proses
pengontrolan.
2.2 Sensor Tekanan Uap Air
Sensor yang digunakan yaitu Pressure Transmitter dengan tipe 8320 dari
Burkert, sensor tersebut khusus digunakan pada tekanan uap air. Rentang tekanan
yang dapat dicapai adalah 0 sampai dengan 10 bar. Keluaran yang dihasilkan dari
sensor berupa arus sebesar 4 mA sampai dengan 20 mA. Sensor dapat bekerja
pada suhu -400C sampai dengan +1000C. Akurasi dari sensor
PENGENDALI TEKANAN UAP PADA SISTEM
PEMANAS AIR BERBASIS RANGKAIAN
DIGITAL
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Diajukan Oleh :
PETRUS DANI KURNIAWAN
NIM : 025114053
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
i
STEAM PRESSURE CONTROLLER OF WATER
HEATER SYSTEM BASED ON DIGITAL CIRCUIT
Presented as Partial Fulfillment of the Requirements
To Obtain the Sarjana Teknik Degree
In Electrical Engineering Study Program
By:
Name : Petrus Dani Kurniawan
Student Number : 025114053
ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING
FACULTY OF SAINS AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2007
ii
iii
iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
“Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini
tidak memuat karya atau bagian karya orang lain,
kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka,
sebagaimana layaknya karya ilmiah.”
Yogyakarta,….September 2007
Petrus Dani Kurniawan
v
Tugas akhir ini dipersembahkan untuk :
Tuhan Yang Maha Esa atas bimbingan dan karunia-Nya
Kedua orang tuaku tercinta, Kakak-Kakakku dan Andis yang
memberikan semangat,dorongan, dan doa.
vi
HALAMAN MOTTO
Hiduplah seolah kau akan mati besok, belajarlah seolah kau akan hidup
selamanya. (Mahatma Gandhi)
Jangan pernah putus asa, cobaan dan rintangan adalah hiasan
perjalanan hidup.
Kegagalan adalah sukses yang tertunda, maka tetaplah berusaha.
Semangatt!!!!!
vii
Pengendali Tekanan Uap Pada Sistem Pemanas Air
Berbasis Rangkaian Digital
Petrus Dani Kurniawan
NIM : 025114053
INTISARI
Dalam tugas akhir ini akan dipaparkan tentang pengendali tekanan uap pada
sistem pemanas air berbasis rangkaian digital, yang dapat mengatur batasan tekanan
uap pada suatu sistem pemanas air seperti yang diinginkan.
Pengendali Tekanan Uap Pada Sistem Pemanas Air Berbasis Rangkaian
Digital diimplementasikan dengan menggunakan sistem close loop. Masukan untuk
pengendali adalah hasil selisih antara set point dengan keluaran sensor, selisih
tersebut nantinya digunakan untuk mengendalikan pemanas agar menyala atau
padam. Pada implementasi ini dalam pemilihan set point digunakan 4 buah saklar
tougle yang tiap-tiap saklar memiliki nilai set point yang berbeda-beda yaitu 0,1 bar,
0,5 bar, 1 bar dan 1,5 bar.
Pengendali Tekanan Uap Pada Sistem Pemanas Air Berbasis Rangkaian
Digital telah berhasil diimplementasikan. Setelah dilakukan pengujian diperoleh hasil
yang memiliki nilai steady-state error, tetapi nilai tersebut masih dalam nilai toleransi
yang diijinkan.
Kata kunci : Tekanan uap, pemanas, digital, sistem close loop.
viii
ABSTRACT
In this final project will describes concerning steam pressure on water heater
system based on digital circuit. Steam pressure is a system used to arrange the
pressure from a heater such as wanted.
Steam pressure on water heater system based on digital circuit is implemented
by using system of close loop. Input for controller is result of difference among
setting point with output of sensor, the difference will be used to control the condition
of heater. In this implementation the selection of set point used 4 of tougle switch
which every switch have a difference set point value. They are 0.1 bar, 0.5 bar 1 bar
and 1.5 bar.
Steam pressure on water heater system based on digital circuit succesfully
implemanted. After finishing some operation test the system have a value of steadystate error, but the value still in permitted of tolerance value.
Keyword : Steam pressure, heater, digital, system of close loop
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas kasih dan karunia yang
telah diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik dan
lancar. Tugas akhir ini ditulis untuk memenuhi salah satu syarat dalam memperoleh
gelar sarjana teknik pada program studi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma.
Dalam proses penulisan tugas akhir ini ada begitu banyak pihak yang telah
memberikan perhatian dan bantuan. Oleh karena itu penulis ingin mengucapkan
terima kasih antara lain kepada :
1. Romo Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc., selaku dekan
fakultas teknik.
2. Bapak Bayu Primawan, S.T., M.Eng., selaku ketua jurusan teknik elektro.
3. Ibu B.Wuri Harini, S.T., M.T., selaku pembimbing, atas segala
bimbingan, kesabaran dan dorongan selama proses pengerjaan tugas akhir.
4. Seluruh dosen teknik elektro atas ilmu yang telah diberikan selama penulis
menimba ilmu di Universitas Sanata Dharma.
5. Papa, Mama dan Kakak-kakakku, atas semangat dan doa yang selalu
diberikan, dan juga atas dukungan baik secara moril maupun materiil.
6. Andis Permana Sari, yang telah ada disaat senang maupun susah, yang
telah memberikan semangat, perhatian, dorongan, dan senantiasa
menghibur penulis. Terima kasih cinta.
x
7. Dominicus “T-cuz” Yoga Kristawan, atas bimbingan TA-nya, kamu
memang pembimbing II ku.
8. Teman satu plant boiler: T-cuz dan Deni, atas kerja samanya.
9. Teman–teman bimbingan Bu Wuri : Hari, Dhanny Mikael, Deri, Sinung,
Widi, Andi W, Plentonk, Gepeng, Yoga, Ido, dan Clement.
10. Teman-teman elektro’02 : Robi, Andi S, Oscar, Pandu, Dhika, Nango,
Iyok , serta teman-teman angkatan ’02 lainnya yang selalu bersama dalam
kuliah.
11. Bapak Herman Yoseph Sudarman, yang telah membantu dalam
pembuatan boiler,terima kasih atas ilmu tentang boiler-nya.
12. Laboran teknik elektro : Mas Suryono, Mas Mardi dan Mas Broto.
13. Teman-teman kost ”rambutan” dan ”ex-rambutan”: Mas Weerj, Trimbil,
Baboon, Limin, Sahili, Erik, Bernard, dan Deni. Kalian telah membuat
hidupku penuh warna.
14. Teman-teman Gereja, Eko, Mas Iwan, Mas Leman, Mas Didit, Bonce,
Gembul, Dita, Felis, Konthos, Heru, Frater Dodik, Frater Sani, Frater
Dimaas, Heni dan Dek Uun ,yang selalu memberi keceriaan dan
kedamaian.
15. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, atas kebaikan dan
bantuannya kepada penulis.
Penulis sadar bahwa pada penulisan skripsi ini banyak terdapat kesalahan dan
kekurangannya, oleh sebab itu kritik dan saran dari berbagai pihak sangat diharapkan
xi
agar penulis dapat lebih maju dan lebih baik. Akhirnya penulis juga berharap semoga
karya tulis ini dapat bermanfaat bagi pembaca.
Yogyakarta, ….September 2007
Penulis,
Petrus Dani Kurniawan
xii
DAFTAR ISI
Halaman
Halaman Judul ................................................................................................. i
Halaman Persetujuan ....................................................................................... ii
Halaman Pengesahan ...................................................................................... iii
Pernyataan Keaslian Karya ............................................................................. iv
Halaman Persembahan .................................................................................... v
Intisari ............................................................................................................. vi
Abstract ........................................................................................................... vii
Kata Pengantar ................................................................................................ viii
Daftar Isi ......................................................................................................... xiii
Daftar Gambar ................................................................................................. xvii
Daftat Tabel ..................................................................................................... xx
BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1
1.1 Judul ............................................................................................ 1
1.2 Latar Belakang ............................................................................ 1
1.3 Perumusan Masalah ..................................................................... 2
1.4 Batasan Masalah .......................................................................... 2
1.5 Tujuan Penelitian ......................................................................... 3
1.6 Manfaat Penelitian ....................................................................... 3
xiii
1.7 Metodologi Penelitian ................................................................. 4
1.8 Sistematika Penulisan .................................................................. 5
BAB II DASAR TEORI ................................................................................ 7
2.1 Sistem Kontrol Otomatis ............................................................. 7
2.2 Sensor Tekanan Uap Air ............................................................. 8
2.3 Ketel Uap (Boiler) ....................................................................... 9
2.4 Set Point ...................................................................................... 10
2.5 Optoisolator ................................................................................. 11
2.6 Triac ............................................................................................. 12
2.7 ADC (Analog to Digital Converter) ............................................ 14
2.7.1 ADC Menggunakan IC ADC 0804 .................................. 15
2.8 Pembanding ................................................................................. 19
2.9 Pengkode BCD ke Tujuh Segmen ............................................... 22
2.10 Tujuh Segmen ............................................................................. 23
2.11 Rangkaian Pembagi Tegangan .................................................... 25
2.12 Sistem Digital .............................................................................. 26
2.12.1 Gerbang OR ..................................................................... 26
2.12.2 Gerbang AND ................................................................. 27
2.12.3 Gerbang NOT .................................................................. 28
2.13 Pengkode ..................................................................................... 28
2.14 Respon Transien .......................................................................... 29
BAB III PERANCANGAN .......................................................................... 32
xiv
3.1 Sistem Kendali ............................................................................ 32
3.2 Perancangan Plant ....................................................................... 33
3.3 Sensor .......................................................................................... 35
3.3.1 Pengubah Arus ke Tegangan ............................................. 35
3.4 ADC (Analog to Digital Converter) ............................................ 36
3.5 Pengendali (Controller) ............................................................... 42
3.6 Driver Pemanas ........................................................................... 42
3.7 BCD ke Tujuh Segmen ............................................................... 45
3.8 Rangkaian Set Point .................................................................... 46
3.9 Rangkaian Penyesuai ................................................................... 48
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...................................................... 52
4.1 Hasil Pengujian Sistem ................................................................ 52
4.1.1 Pengujian Set Point 0,1 Bar ............................................... 53
4.1.2 Pengujian Set Point 0,5 Bar ............................................... 56
4.1.3 Pengujian Set Point 1 Bar ................................................. 59
4.1.4 Pengujian Set Point 1,5 Bar .............................................. 63
4.1.5 Perbandingan Respon Hasil Pengujian ............................. 67
4.2 Pembahasan ................................................................................. 68
4.2.1 Rangkaian Set Point .......................................................... 68
4.2.2 Rangkaian ADC ................................................................ 70
4.2.3 Rangkaian Pengendali (Controller) .................................. 74
BAB V PENUTUP ......................................................................................... 76
xv
5.1 Kesimpulan .................................................................................. 76
5.2 Saran ............................................................................................ 77
Daftar Pustaka
Lampiran
xvi
DAFTAR TABEL
Halaman....
1. Tabel 2.1. Macam-macam MOC30XX......................................................
12
2. Tabel 2.2. Tabel kebenaran XOR dua masukan.........................................
20
3. Tabel 2.3. Tabel kebenaran 74LS85 ..........................................................
21
4. Tabel 2.4. Jalur segmen yang aktif.............................................................
23
5. Tabel 2.5. Tabel kebenaran gerbang OR....................................................
27
6. Tabel 2.6. Tabel kebenaran gerbang AND.................................................
27
7. Tabel 2.7. Tabel kebenaran gerbang NOT (INV) ......................................
28
8. Tabel 2.8. Tabel kebenaran IC 74LS147 ...................................................
29
9. Tabel 3.1. Tabel perbandingan tekanan dan tegangan hasil dari percobaan
36
10. Tabel 3.2. Tabel konversi data masukan analog dengan keluaran digital..
38
11. Tabel 3.3 Tabel tekanan dan keluaran digital ...........................................
46
12. Tabel 3.4 Tabel konversi keluaran IC 74LS147 dengan keluaran inverter
47
13. Tabel 3.5 Tabel kebenaran rangkaian penyesuai ......................................
48
14. Tabel 3.5 Tabel peta karnaugh ..................................................................
49
15. Tabel 4.1. Hasil pengambilan data untuk set point 0,1 bar ........................
53
16. Tabel 4.2. Hasil pengambilan data untuk set point 0,5 bar ........................
58
17. Tabel 4.3. Hasil pengambilan data untuk set point 1 bar ...........................
63
18. Tabel 4.4 Hasil pengambilan data untuk set point 1,5 bar .........................
68
xvii
19. Tabel 4.5. Data Delay Time, Rise Time, Waktu Puncak, Settling Time
dan Steady-state Error ..............................................................................
73
20. Tabel 4.6. Hasil pengujian rangkaian set point .........................................
75
21. Tabel 4.7. Hasil pengujian rangkaian ADC ..............................................
77
22. Tabel 4.8. Tabel data keluaran pembanding 74LS85.................................
81
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran I.
Rangkaian Set Point dan Penampil ............................................... L1
Lampiran II.
Rangkaian ADC dan Penampil ..................................................... L2
Lampiran III. Pembanding dan Driver Pemanas .................................................. L3
Lampiran IV. Rangkaian Keseluruhan ................................................................. L4
xix
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Judul
Pengendali Tekanan Uap pada Sistem Pemanas Air Berbasis Rangkaian
Digital.
1.2 Latar Belakang
Uap (vapor) yaitu gas yang timbul akibat perubahan fase cair menjadi
uap (gas) dengan cara pendidihan (boiling). Dalam industri, uap digunakan dalam
bermacam-macam proses yang memerlukan panas. Uap dihasilkan oleh ketel uap
atau boiler, yang kemudian akan disalurkan ke setiap terminal yang
membutuhkan panas. Pada dunia
industri proses penggunaan uap sebagai
penghantar panas misalnya pada bidang farmasi, pembangkit tenaga listrik,
perhotelan dan lain-lain.
Proses pendidihan air dengan boiler akan menyebabkan suhu dan
tekanan di dalam boiler akan meningkat. Tekanan tersebut harus terus dijaga agar
tidak melebihi dari kemampuan boiler itu sendiri karena bila tekanannya berlebih
maka boiler dapat meledak, dan juga karena kebutuhan dari suatu proses
pendidihan. Proses pendidihan memerlukan waktu yang cukup lama, sehingga
bila menggunakan pengendali otomatis akan mempermudah proses pendidihan.
1
2
Pengendali otomatis digunakan untuk mematikan atau mengatur sistem pemanas
bila telah mencapai tekanan yang diinginkan.
Ada banyak cara pengendali otomatis, mulai dari pemakaian pengendali
analog sampai pengendali digital yang dihubungkan dengan sistem kontrol untuk
men-set atau mendapatkan hasil tertentu sesuai keinginan. Guna mendapatkan
pengukuran dan pengendalian tekanan yang presisi, peralatan yang digunakan
harus baik dan efisien. Peralatan tersebut merupakan gabungan sistem pengukur
tekanan, penampil dan pengendali. Pengendali digital memiliki beberapa
kelebihan dibanding pengendali analog, antara lain :
1. Peralatan digital memberikan ketelitian hasil yang tinggi.
2. Kemudahan pembacaan pada penampil sehingga memudahkan pembacaan
dan set pengendalian yang diinginkan.
1.3 Perumusan Masalah
Dari Latar Belakang di atas, timbul permasalahan “Bagaimanakah cara
mengendalikan tekanan uap menggunakan rangkaian digital?”
1.4 Batasan Masalah
Dalam Tugas Akhir dengan judul Pengendali Tekanan Uap pada Sistem
Pemanas Air Berbasis Rangkaian Digital dibatasi pada masalah-masalah sebagai
berikut:
a. Bila telah mencapai keadaan yang diinginkan, pemanas akan mati.
3
b. Pengendali dirancang berdasarkan sensor yang digunakan yakni Pressure
Transmitter bertipe 8320 dari Burkert, dengan rentang tekanan 0 sampai
dengan 10 bar.
c. Tekanan yang terukur 0 – 1,5 bar.
d. Aktuator menggunakan kompor listrik 600 Watt.
e. Pengendali on-off dengan rangkaian digital.
f. Tampilan pada set point dan output.
g. Kompor atau pemanas akan dimatikan secara manual bila ketinggian air di
dalam tangki kurang dari batas minimal, yaitu 1/2 dari ketinggian tangki.
1.5 Tujuan Penelitian
Pembuatan Tugas Akhir ini adalah untuk membuat perangkat elektronik
pengendali dengan menggunakan rangkaian digital sebagai piranti pengendali
yang dapat digunakan untuk mengatur batasan tekanan uap pada suatu sistem
pemanas air seperti yang diinginkan.
1.6 Manfaat Penelitian
Dapat memanfaatkan dan menerapkan pengendali dengan rangkaian
digital pada pengendali tekanan uap, yang digunakan untuk mengendalikan
tekanan uap pada sistem pemanas air. Pengendali rangkaian digital pada kendali
tekanan uap ini juga dapat digunakan untuk meniadakan pekerjaan-pekerjaan
rutin yang dilakukan manusia, atau meniadakan kendali manual yang dilakukan
oleh manusia.
4
1.7 Metodologi Penelitian
Metode penelitian yang digunakan dalam penyusunan laporan tugas
akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Mencari referensi yang dibutuhkan untuk mendukung proses perancangan dan
pembuatan alat.
2. Membuat plant. Membuat perencanaan miniatur dari alat yang akan dibuat
yaitu ketel uap atau biasa disebut boiler, yang kemudian dibuat secara nyata.
3. Setelah plant selesai dibuat, pengambilan data dilakukan agar mengetahui
karakteristik dari sensor tekanan, kemampuan boiler dan waktu yang
dibutuhkan untuk mencapai tekanan maksimum.
4. Dengan adanya data dari plant yang sudah diperoleh, selanjutnya melakukan
penulisan proposal.
5. Perancangan kontrol pengendali dapat dilakukan karena plant sudah selesai
dan penulis sudah mengetahui karakteristik dari sensor tekanan, kemampuan
boiler, dan data-data lain yang diperlukan.
6. Implementasi kontrol pengendali dapat dilakukan dengan adanya rancangan
pengendali yang tepat dan akurat.
7. Pengujian alat. Dilakukan pengujian secara menyeluruh antara pengendali dan
plant, apakah sudah sesuai dengan rancangan atau belum. Selain itu kita juga
mengambil data dari pengendali dan plant yang telah dibuat.
8. Penulisan laporan dilakukan untuk koreksi apakah alat sudah sesuai dengan
kriteria alat yang baik dan apakah sudah sesuai dengan perancangan? Selain
5
itu juga untuk mencocokkan data antara teori dan data yang diperoleh dari
pengujian.
1.8 Sistematika Penulisan
Sistem pembahasan tidak jauh berbeda dengan metodologi yang
digunakan dan penulis membagi pembahasan menurut metodologinya seperti
berikut :
BAB I. Pendahuluan
Pada bab ini berisikan mengenai penjelasan latar belakang masalah,
maksud dan tujuan, batasan masalah, yang menjelaska tentang rancangan sistem
yang akan dibuat, serta menjelaskan sistematika pembahasan.
BAB II. Dasar Teori
Pada bab ini berisi tentang teori dan pemilihan komponen yang nantinya
digunakan dalam implementasi alat yang akan dikerjakan.
BAB III. Rancangan Penelitian
Pada bab ini berisikan mengenai bagaimana memperoleh nilai–nilai
komponen yang akan digunakan dan pertimbangan dari pemilihan komponen
tersebut.
BAB IV. Hasil Pengamatan dan Pembahasan
Berisi mengenai bagaimana hasil dari kerja alat yang dibuat dan
menganalisis data yang diperoleh.
6
BAB V. Kesimpulan dan Saran
Pada bab ini berisikan kesimpulan dari hasil perancangan dan
implementasinya serta saran agar baik kedepannya.
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Sistem Kontrol Otomatis
Sistem kontrol otomatis (close loop) dirancang untuk mengurangi peran
manusia dalam suatu proses, dengan demikian dapat diperoleh hasil yang lebih
akurat dibandingkan dengan sistem kontrol manual. Dalam sistem kontrol,
peralatan atau mesin-mesin yang digunakan secara bersama-sama untuk
melakukan suatu operasi disebut sebagai plant. Dengan kata lain plant juga dapat
disebut sebagai obyek yang akan dikendalikan dalam suatu sistem kontrol [1].
Sering kali dalam sistem kontrol muncul suatu sinyal yang dapat
mempengaruhi nilai keluaran sistem sehingga nilai keluaran tersebut tidak sesuai
dengan yang dikehendaki, sinyal tersebut disebut sebagai gangguan atau
disturbances. Apabila gangguan tersebut muncul dari dalam sistem disebut
sebagai gangguan internal, sedangkan apabila muncul dari luar sistem disebut
sebagai gangguan eksternal. Sistem kontrol dibagi menjadi dua jenis,yakni:
1. Sistem kontrol lup tertutup atau closed loop control system, sistem ini dapat
dikatakan sebagai sistem kontrol yang berumpan balik karena sistem kontrol
ini
sinyal keluarannya dihubungkan dengan pengendali sehingga sinyal
keluaran tersebut dapat mempengaruhi proses pengontrolan.
7
8
2. Sistem kontrol lup terbuka atau open loop control system merupakan suatu
sistem kontrol yang sinyal keluarannya tidak mempengaruhi proses
pengontrolan.
2.2 Sensor Tekanan Uap Air
Sensor yang digunakan yaitu Pressure Transmitter dengan tipe 8320 dari
Burkert, sensor tersebut khusus digunakan pada tekanan uap air. Rentang tekanan
yang dapat dicapai adalah 0 sampai dengan 10 bar. Keluaran yang dihasilkan dari
sensor berupa arus sebesar 4 mA sampai dengan 20 mA. Sensor dapat bekerja
pada suhu -400C sampai dengan +1000C. Akurasi dari sensor