Modul Sistem Pengaturan Suhu Mini Boiler Dengan Metode ...

JURNAL ELKOLIND, SEPTEMBER 2109, VOL.06, N0. 3

72

Abstrak - Perkembangan teknologi saat ini sangat pesat

dalam berbagai bidang terlebih di dunia industrialisasi.

Teknologi dalam bidang konversi energi saat ini telah

berkembang sangat pesat dalam memunculkan berbagai ide-

ide kreatif untuk dimanfaatkan dalam bidang industri. Salah

satunya boiler, boiler adalah bejana yang digunakan untuk

menghasilkan uap air (steam) yang akan digunakan sebagai

pemanas atau tenaga penggerak seperti turbin. Salah satu

perangkat kontrol modern yang dapat diterapkan dalam

berlangsungnya proses produksi di industri saat ini adalah

PLC (Programmable Logic Controller) sebagai kontroler dan

HMI (Human Machine Interface) sebagai alat untuk

memonitoring kinerja sistem secara real time. Dengan

berkembangnya sistem kontrol pada suatu industri, maka

modul miniplant boiler yang merupakan salah satu peralatan

yang ada di indistri ini dapat digunakan sebagai media

pembelajaran di laboraturium sebelum masuk ke dunia

industri yang sesungguhnya. Pengontrolan suhu pada mini

boiler merupakan suatu hal yang sangat penting karena suhu

merupakan parameter yang mudah berubah sehingga perlu

dilakukan pengontrolan agar suhu dapat tetap stabil pada nilai

tertentu terhadap berbagai gangguan sehingga tidak terjadi

kegagalan sistem akibat suhu yang terlalu tinggi. Untuk

mendapatkan respon sistem yang stabil, diterapkan metode

kontrol PID pada sistem. Pada skripsi ini digunakan miniplant

boiler dengan ukuran diameter tabung 15 cm dengan panjang

30 cm dan kapasitas 5 L. Suhu yang dikontrol pada tabung

adalah 100 °C dengan hasil nilai parameter PID menggunakan

metode Ziegler Nichols Sistem Orde 1 diperoleh nilai Kp =

20.03, Ti =120 dan Td = 4,2. Dan dari grafik respon sistem

diperoleh karakteristik %error steady state = 0,1 %, time rise

(Tr) = 2130 s, time delay (Td) = 900, dan settling time (Ts) =

2370 s. Dari nilai parameter kontrol PID tersebut,

menunjukkan respon sistem yang baik dan mampu menjaga

suhu sesuai dengan setpoint yang diberikan pada HMI untuk

kondisi sistem tanpa diberikan gangguan atau diberikan

gangguan

Kata Kunci : Boiler, Kontrol suhu ,PLC, HMI.PID.

Rizal Braman Setya adalah mahasiswa D4 Teknik Elektronika Politeknik

Negeri Malang

Muhammad Rifa’I dan Edi Sulistio Budi adalah dosen Jurusan Teknik

Elektro Politeknik Negeri Malang

I. PENDAHULUAN

erkembangan teknologis saat ini sangat pesat dalam

berbagai bidang terlebih di dunia industrialisasi.

Teknologi dalam bidang konversi energy saat ini telah

berkembang sangat pesat dalam memunculkan berbagai ide

ide kreatif untuk dimanfaatkan dalam bidang industry. Salah

satunya boiler, boiler adalah bejana yang digunakan untuk

menghasilkan uap air (steam) yang akan digunakan sebagai

pemanas atau tenaga penggerak. Pada industri proses,

biasanya terdapat boiler yang dapat menghasilkan steam untuk

digunakan mengalirkan panas ke suatu proses. Steam yang

dihasilkan oleh boiler ini berasal dari air yang diumpan pada

boiler dan kemudian dididihkan. Setelah didihkan dalam

temperatur tertentu uap siap dialirkan ke plant, seperti

pemanas atau turbin. Dalam proses mengubah air menjadi uap

sering terjadi kendala sehingga keluaran tidak sesuai dengan

yang dikehendaki, salah satunya temperatur yang terlalu

rendah atau terlalu tinggi dari setpoint.

Temperatur yang tidak sesuai dengan setpoint akan

menyebabkan banyak masalah seperti terjadinya overpressure

dan overheat yang menyababkan tekanan uap tidak sesuai

dengan spesifikasi yang diinginkan. Selain itu kegagalan

dalam proses pengontrolan juga dapat mengakibatkan

kegagalan sistem yang bisa berakibat fatal, seperti rusaknya

bejana karena temperature yang tidak dikontrol dengan baik

bahkan bisa menyebabkan terjadinya ledakan karena bejana

tidak kuat menahan tekanan yang dihasilkan.

Berawal dari kondisi diatas, skripsi ini bertujuan untuk

membuat sebuah modul miniplant boiler yang dapat

digunakan sebagai media pembelajaran di Laboratorium

Teknik Elektronika untuk mengimplementasikan cara

meminimalisir sistem failure dan menjaga kondisi sistem agar

tetap berada pada kondisi yang diinginkan dalam bentuk

sebuah miniplant boiler. Modul miniplant boiler ini

menggunakan PLC (Programmable Logic Controller) S7-200

CPU224 sebagai kontroler dan HMI (Human Machine

Interface) Omron NB7W-TW000B sebagai alat untuk

memonitoring kinerja sistem secara real time serta

menggunakan metode kontrol PID. Kontrol PID digunakan

karena kontrol PID merupakan jenis kontrol yang secara

umum banyak digunakan di industri dan memiliki

karakteristik respon yang cepat dan stabil sehingga dapat

digunkanan untuk mengontrol suhu agar tetap terjaga sesuai

dengan setpoint yang diinginkan [2]. Tujuan pada skripsi ini

adalah dapat menjaga suhu boiler tetap pada suhu 100 OC.

Modul Sistem Pengaturan Suhu Mini Boiler Dengan

Metode PID Menggunakan PLC dan HMI

Rizal Braman Setya , Muhammad Rifa’I, Edi Sulistio Budi

P


73

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Boiler

Boiler/ketel uap merupakan bejana tertutup dimana panas

pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk uap air panas

atau steam. Air adalah media yang berguna dan murah untuk

mengalirkan panas ke suatu proses. Air panas atau steam pada

tekanan dan suhu tertentu mempunyai nilai energi yang

kemudian digunakan untuk mengalirkan panas dalam bentuk

energi kalor ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi

steam, maka volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali,

menghasilkan tenaga yang besar dan mudah meledak,

sehingga sistem boiler merupakan peralatan yang harus

dikelola dan dijaga dengan sangat baik [6].

2.2 PLC Siemens S7-200

Berdasarkan namanya konsep PLC adalah

Programmable yang menunjukkan kemampuan dalam hal

memori untuk menyimpan program yang telah dibuat yang

dengan mudah diubah-ubah fungsi atau kegunaanya. Logic

yang menunjukkan kemampuan dalam memproses input

secara aritmatik dan logic (ALU), yang melakukan operasi

membandingkan, menjumlahkan, mengalikan, membagi,

mengurangi, negasi, AND, OR, dan lain sebagainya. Dan

Controller yang menunjukkan kemampuan dalam mengontrol

dan mengatur proses sehingga menghasilkan output yang

diinginkan [7]. Secara umum PLC adalah komputer elektronik

yang memiliki fungsi kendali untuk melakukan kontrol proses

yang berupa regulasi variabel secara berkesinambungan

seperti sistem analog atau hanya melibatkan kontrol dua

keadaan (on/off) [5].

PLC yang digunakan pada penelitian ini adalah PLC

Siemens S7-200. Siemens S7-200 merupakan PLC jenis

modular, dimana bagian-bagian PLC dibagi menjadi modul-

modul yang masing-masing memiliki fungsi berbeda. Pada

penelitian ini digunakan modul CPU 224 dengan tambahan

modul analog input EM231 dan modul analog output EM232.

Bentuk CPU 224 dapat dilihat pada Gambar 1. CPU 224 dan

modul analog I/O memiliki karakteristik umum:

a. Sumber tegangan DC 24 Volt.

b. 24 port input dan output digital, dengan 2 output PWM

c. 4 input analog dan 2 output analog

Gambar 1. PLC Siemens S7-200 CPU224 [3]

2.3 HMI Omron NB7W-TW000B

Human Machine Interface (HMI) merupakan suatu

perangkat elektronik yang berfungsi untuk menghubungkan

manusia dengan mesin sebagai alat pemantauan dan

pemberian kontrol kerja dari PLC. Tugas dari Human Machine

Interface (HMI) yaitu membuat visualisasi sistem secara nyata

sehingga mempermudah operator memonitor serta

mengendalikan langsung secara real time terhadap proses

yang sedang berlangsung. Selain itu, HMI dapat menunjukkan

kesalahan mesin, status mesin, dan memudahkan operator

dalam menjalankan atau menghentikan kerja mesin. Gambar 2

menunjukkan HMI Omron NB7W-TW000B yang digunakan

pada skripsi ini.

Gambar 2. HMI Omron NB7W-TW000B

2.4 Sensor Suhu PT100

PT100 merupakan salah satu jenis sensor suhu yang

termasuk golongan RTD (Resistance Temperature Detector)

dengan koefisien suhu positif, yang berarti nilai resistansinya

naik seiring dengan naiknya suhu. Disebut PT100 karena

sensor ini terbuat dari platinum “PT” dan dikalibrasi pada

suhu 0 °C pada nilai resistansi 100 Ω [8]. Bentuk fisik sensor

suhu PT100 dapat dilihat pada Gambar 3

Gambar 3. Sensor Suhu PT100

2.5 Heater

Heater atau Elemen pemanas merupakan piranti yang

mengubah energi listrik menjadi energi panas melalui proses

Joule Heating. Prinsip kerja elemen panas adalah dengan

memberikan sumber tegangan AC pada heater sehingga arus

listrik dapat mengalir pada elemen lilitan kawat kawat

(resistance wire) yang dilapisi pipa logam sehingga dapat

menghasilkan panas pada elemen. Bentuk fisik Heater dapat

dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Immersion Heater


74

2.6 Sensor Level

Sensor level yang digunakan adalah sensor pasif berupa

empat buah besi alumunium yang memiliki luas sama namun

dengan panjang berbeda yang akan dideteksi perubahan

resistansinya saat ada di dalam air oleh kontroler. Sehingga

perubahan resistansi akan menyebabkan perubahan tegangan

pada kontroler yang dapat dimanfaatkan untuk mendeteksi

ketinggian air pada tangki boiler. Gambar 5 menunjukkan

contoh sensor level elektroda yang digunakan pada skripsi ini.

Gambar 5 Contoh Sensor Level Elektroda

2.7 Pompa Air

Pompa air DC pada skripsi ini berfungsi untuk

memasukkan air kedalam tabung boiler dari tabung preheater

yang selanjutnya dipanaskan pada suhu tertentu sesuai dengan

setpoint yang ditentukan. Pompa air yang dipilih harus

memiliki torsi yang kuat karena air dialirkan menuju boiler

yang memiliki tekanan balik. Sehingga tekanan input pompa

harus lebih besar dari tekanan output pompa agar air tidak

kembali ke tangki penampungan. Bentuk fisik Pompa Air DC

dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Pompa Air DC

2.8 Kontrol PID (Proportional, Integral Derivative)

Sistem Kontrol PID (Proportional – Integral –

Derivative controller) merupakan kontroler untuk menentukan

presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya

umpan balik pada system tesebut (Feedback). Sistem control

PID terdiri dari tiga buah cara pengaturanya itu kontrol P

(Proportional), D (Derivative) dan I (Integral), dengan masing

– masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Dalam

implementasinya masing – masing cara dapat bekerja sendiri

maupun gabungan diantaranya. Dalam perancangan system

kontrol PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter

P, I atau D agar tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap

masukan tertentu sesuai dengan yang diinginkan . Perhitungan

kontrol PID seperti pada persamaan 1 berikut :

Dan penyetelan parameter PID menggunakan metode

Ziegler Nichols Orde 1 atau kurva reaksi ditunjukkan seperti

pada Tabel 1.

Tabel 1. Penyetelan Paramater PID dengan Metode Kurva Reaksi

III. METODOLOGI

3.1 Diagram Blok Sistem

Gambar 7. Diagram Blok Sistem

Berikut penjelasan fungsi dari masing-masing blok

diagram sistem pada gambar 7 :

1. Sensor Suhu PT-100, berfungsi untuk mendeteksi suhu

yang ada di dalam tabung boiler. Sensor suhu yang

digunakan adalah jenis RTD dengan tipe PT-100.

2. Pengkondisi sinyal, berfungsi sebagai penguat dan perubah

nilai resistansi yang dibaca sensor menjadi nilai tegangan

yang akan diproses pada analog input PLC.

3. PLC, berfungsi sebagai komponen utama pada miniplant

Boiler untuk mengolah data input menjadi output dengan

pengontrolan PID agar sistem bekerja dengan stabil

4. Expand I/O PLC, berfungsi sebagai input dan output

analog tambahan untuk membaca input analog berupa

sensor suhu.

5. HMI, berfungsi untuk menetapkan nilai setpoint boiler

yang diinginkan serta mengamati kinerja sistem secara

keseluruhan.

6. Driver Heater, berfungsi untuk mengatur waktu penyalaan

heater secara variabel.

7. Heater, berfungsi sebagai aktuator untuk mengatur besar

kecilnya pemanas agar dapat mencapai setpoint tertentu

8. Sensor Level, berfungsi untuk mendeteksi ketinggian air

pada tangki boiler.

9. Pompa Air, berfungsi untuk menyuplai air pada boiler agar

sistem dapat berjalan terus.


75

3.2 Desain Mekanik

Gambar P&ID alat secara keseluruhan dapat dilihat pada

Gambar 8 berikut.

Gambar 8. P&ID alat secara keseluruhan

Sedangkan gambar mekanik keseluruhan dan gambar

mekanik mini boiler dapat dilihat pada Gambar 9 dan 10

berikut.

Gambar 9. Mekanik alat secara keseluruhan

Gambar 10. Mekanik mini boiler

3.3 Spesifikasi Alat

Berikut spesifikasi alat yang akan digunakan dalam

penelitian skripsi ini :

1. Spesifikasi Mekanik

a. Dimensi Total

- Panjang : 150 cm

- Lebar : 100 cm

- Tinggi : 100 cm

b. Dimensi Tabung

- Diameter : 15 cm

- Panjang : 30 cm

- Tebal : 0.5 mm

- Kapasitas : 5 liter

- Bahan : Stainless Steel

c. Dimensi Rangka Boiler

- Tinggi : 15 cm

- Panjang : 30 cm

- Bahan : Besi

2. Spesifikasi Elektronik

a. PLC Siemens S7-200 CPU 224 DC/DC/DC

- Tegangan : 24 VDC

- Digital Input : 14

- Digital Output : 10

b. Expand PLC Siemens S7-200

- Tegangan : 24 VDC

- Analog Input : 4 x 12 Bit (EM231)

- Sinyal Input : 0-5 VDC / 0-10 VDC /

0-20 mA

- Analog Output : 2 x 12 Bit (EM232)

- Sinyal Output : ±10 VDC / 0-20 mA

c. HMI Omron NB7W-TW00B

- Tegangan : 24 VDC

- Ukuran : 7 inch

- Resolusi : Touch Screen, 800x480

pixel

d. Sensor RTD (PT100)

- Jenis Sensor : Wire Wound

- Range Suhu : -200 s/d 400

- Sensitifitas : 0,385 Ω/

e. Immersion Heater

- Tegangan : 220 V

- Watt : 1000 W

- Dimensi : 16 mm x 180 mm

f. Power Supply

- Tegangan : 24 V

- Arus : 2 A

3.4 Perancangan Rangkaian Sensor Suhu PT100

Rangkaian Sensor suhu PT100 terdiri dari rangkaian

pengkondisi sinyal yang berupa rangkaian jembatan

wheatstone, dan rangkaian penguat. Rangkaian sensor ini

bertujuan untuk menghasilkan output berupa tegangan antara

0-5V setiap perubahan suhu sehingga dapat diolah oleh analog

input PLC. Gambar 11 merupakan rangkaian pengkondisi

sinyal PT100.

Gambar 11 Rangkaian Pengkondisi Sinyal PT100


76

3.5 Perancangan Rangkaian Driver Heater

Rangkaian driver heater berfungsi untuk mengatur

penyalaan pada heater dengan cara mengatur waktu penyalaan

input driver heater dari PLC sehingga dapat diperoleh

pewaktu penyalaan heater yang bervariasi dengan skala antara

0-10s. Pada rangkaian driver heater menggunakan optocoupler

MOC3041 sebagai detektor gelombang sinus 220V saat

melewati titik nol dan TRIAC BT139 sebagai driver untuk

menyalakan heater. Gambar 12 merupakan rangkaian Driver

Heater

Gambar 12 Rangkaian Driver Heater

3.6 Perancangan Rangkaian Sensor Level Air

Rangkaian sensor level air yang digunakan pada tangki

boiler menggunakan 3 buah elektroda yang ditempatkan sesuai

dengan batas yang ditentukan sehingga dapat mendeteksi batas

low, normal dan high air pada tangki boiler. Rangkaian sensor

level air ini menggunakan transistor jenis PNP sebagai saklar

untuk mendeteksi ketinggian air pada tangki untuk memicu

penyalaan pompa air DC. Gambar 13 merupakan rangkaian

Sensor Level Air.

Gambar 13 Rangkaian Sensor Level Air

3.7 Perancangan PLC dan HMI

Perancangan PLC dan HMI dilakukan dengan melakukan

wiring terhadap rangkaian sensor suhu, sensor level air dan

driver heater ke masing-masing I/O PLC. Dan perancangan

program untuk PLC dan HMI dilakukan menggunakan

software Step-7 Microwin dan NB-Designer.

IV. HASIL DAN ANALISA

4.1 Pengujian Sensor Suhu PT100

Pengujian sensor suhu PT100 dilakukan dengan cara

membandingkan hasil pembacaan sensor suhu yang

ditampilkan pada HMI dengan hasil pembacaan dengan alat

ukur thermometer. Hal ini bertujuan untuk mengetahui

besarnya nilai error yang dibaca oleh sensor dengan alat ukur.

Pengujian dilakukan dengan melakukan perubahan nilai suhu

setiap kenaikan 10 °C seperti yang ditunjukkan pada tabel 2

berikut :

Tabel 2.Perbandingan Pembacaan Sensor Suhu

Hasil perbandingan nilai suhu yang diperoleh pada tabel

2 , dapat diolah dalam bentuk grafik seperti pada gambar 14

berikut :

Gambar 14. Grafik Pembacaan Sensor Suhu pada

Thermometer dan HMI

Dari hasil pengujian sensor suhu PT100 yang

ditunjukkan pada Tabel 2 diatas, diperoleh hasil yang cukup

akurat dan sesuai dengan pengukuran menggunakan

termometer. Hal ini dapat dilihat dari persentase nilai error

rata-rata sebesar 1.10%.


77

Selain pengujian dengan pembacaan suhu yang

ditampilkan pada HMI dengan termometer, juga dilakukan

pengujian sensor suhu dengan membandingkan hasil

pengukuran nilai resistansi dari sensor PT100 dengan nilai

yang ada pada datasheet untuk pengujian setiap perubahan

suhu sebesar 10 °C. Hasil dari perbandingan nilai resistansi

tersebut dapat dilihat pada tabel 3 berikut :

Tabel 3.Hasil Perbandingan nilai Resitansi Sensor PT100

Hasil perbandingan nilai resistansi dengan suhu yang

diperoleh pada tabel 3 diatas, dapat diolah dalam bentuk grafik

seperti pada gambar 15 berikut :

Gambar 15. Perbandingan nilai resistansi dari sensor PT100

dengan nilai pada Datasheet

Dari hasil perbandingan nilai resistansi sensor suhu

PT100 yang ditunjukkan pada Tabel 3 diatas, diperoleh hasil

yang cukup akurat dan sesuai dengan nilai yang ada pada

datasheet. Hal ini dapat dilihat dari persentase nilai error rata-

rata sebesar 0.351%. Nilai error rata-rata yang didapat tidak

lebih besar dari 5% sehingga dapat ditoleransi dan tidak

mengganggu kinerja sistem.

4.2 Pengujian Pengkondisi Sinyal Sensor Suhu PT100

Pengujian rangkaian pengkondisi sinyal sensor suhu

PT100 yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui nilai

output tegangan pada setiap perubahan nilai suhu. Pengujian

dilakukan dengan melakukan perbandingan hasil perhitungan

dengan hasil pengukuran output sensor sebelum penguatan

dan setelah penguatan oleh pengkondisi sinyal berdasarkan

perubahan suhu. Perbandingan hasil perhitungan dan

pengukuran output sensor tanpa penguatan dapat dilihat pada

tabel 4 berikut :

Tabel 4. Perbandingan Output Sensor PT100 Tanpa

Penguatan

Dari hasil perbandingan pada tabel 4 diatas, nilai

tegangan output perhitungan dan pengukuran pada jembatan

wheatstone diperoleh rata-rata sebesar 1.646%. Dari nilai

error yang didapat maka rangkaian jembatan wheatstone

mampu bekerja dengan baik dan akurat namun memiliki nilai

tegangan yang rendah. Sehingga dengan nilai output yang

hanya dalam orde mV, diperlukan penguatan pada

pengkondisi sinyal. Penguatan yang diberikan disesuaikan

dengan range input analog PLC yaitu sebesar 0-5V.

Pengujian selanjutnya dengan melakukan perbandingan

hasil perhitungan output dan pengukuran serta hasil yang

terbaca pada analog input PLC pada output pengkondisi sinyal

setelah penguatan. Data analog input diperoleh dengan

mengkonversikan tegangan yang terbaca pada analog input

menjadi nilai tegangan dalam bentuk word dan nilai suhu

dalam bentuk angka desimal menggunakan software.

Perbandingan perhitungan output dan pengukuran serta hasil

yang terbaca pada analog input PLC pada output sensor

setelah penguatan dapat dilihat pada tabel 5 berikut :

Tabel 5

Perbandingan Output Sensor PT100 Dengan Penguatan


78

Hasil perbandingan nilai tegangan dengan suhu yang

diperoleh pada tabel 5 diatas, dapat diolah dalam bentuk grafik

seperti pada gambar 16 berikut :

Gambar 16. Perbandingan nilai pengukuran dan perhitungan

tegangan pengkondisi sinyal sensor PT100

Dari hasil perbandingan yang ditunjukkan pada Tabel 5

diatas, diperoleh hasil yang cukup akurat dan sesuai dengan

hasil perhitungan. Hal ini dapat dilihat dari persentase nilai

error rata- sebesar 1,842%. Nilai error rata-rata yang didapat

tidak lebih besar dari 5% sehingga dapat ditoleransi dan tidak

mengganggu kinerja sistem.

Dan dari hasil penguatan tegangan output pengkondisi

sinyal sensor PT100 diperoleh range tegangan antara 1.2V –

4.9V, sehingga output pengondisi sinyal dapat memenuhi

kebutuhan analog input PLC dimana kebutuhan analog input

PLC disetting pada range 0-5V. Dengan demikian rangkaian

pengkondisi sinyal sensor suhu PT100 dapat bekerja dengan

cukup akurat dan optimal

4.3 Pengujian Rangkaian Driver Heater

Pengujian pada rangkaian driver heater bertujuan untuk

mengetahui kinerja dari opto triac MOC 3041 dan TRIAC

BT139. Rangkaian driver heater ini memiliki prinsip kerja

dengan cara mengatur waktu penyalaan input driver heater

dari PLC sehingga dapat diperoleh pewaktu penyalaan heater

yang bervariasi dengan skala antara 0-10s. Waktu penyalaan

driver heater yang bervariasi sesuai degan respon sistem dari

data PID dengan skala 0-100% akan menyebabkan heater

akan menyala mulai dari 0-10s. Kontrol pewaktu penyalaan

opto triac dikontrol melalui PLC dan pengujian dilakukan

dengan menggunakan rangkaian driver heater, dan avometer

digital untuk mengukur output tegangan driver heater.

Selanjutnya dilakukan pengukuran dengan mengukur

waktu input dan tegangan output driver heater yang hasilnya

dapat dilihat pada Tabel 6 berikut :

Tabel 6. Hasil Pengujian dan Pengukuran Rangkaian Driver

Heater

Dari tabel 6 diatas dapat disimpulkan bahwa semakin

besar input pewaktu yang diberikan maka semakin lama waktu

dari output TRIAC untuk aktif.

4.4 Pengujian Rangkaian Sensor Level

Pengujian rangkaian sensor level bertujuan untuk

mengetahui output tegangan dari elektroda yang akan

dijadikan sebagai input PLC. Pengujian dilakukan dengan

menggabungkan atau merendam elektroda referensi dengan

elektroda low, normal dan high secara bergantian. Apabila

elektroda low, normal atau high tidak bergabung dengan

elektroda referensi, maka tegangan output rangkaian sensor

level air akan bernilai 0 V, dan apabila elektroda referensi

bergabung dengan elektroda low, normal atau high maka

tegangan output rangkaian sensor level akan bernilai 24 V

untuk masing-masing output elektroda. Hasil pengujian dapat

dilihat pada tabel 7 berikut :

Tabel 7. Hasil Pengujian Sensor Level Air

Dari hasil pengujian pada Tabel 7 diatas dapat dilihat

bahwa sensor level air dapat bekerja dengan akurat untuk

pengukuran setiap level air yang dibutuhkan.

4.5 Pengujian Kontrol PID

Pengujian Kontrol PID dilakukan untuk membandingkan

nilai parameter antara sistem tanpa kontroler dengan sistem

dengan kontroler PID. Kontrol PID memiliki fungsi untuk

mengatur suhu dalam mini boiler dengan mengatur waktu

penyalaan heater. Pengujian ini dilakukan dengan cara

mengambil sample data dari pengujian respon suhu terhadap

waktu tanpa menggunakan kontroler PID. Pengujian kontrol

PID yang digunakan menggunakan metode Ziegler Nichols

dengan grafik respon kurva S.

Dari pengujian tanpa kontrol PID, pengambilan data

dilakukan dengan cara mengaktifkan heater secara manual

hingga tercapai setpoint 100 °C. Hasil dari respon sistem tanpa

kontroler PID dapat dilihat pada Gambar 17 berikut.

Gambar 17 Kurva Respon Karakteristik Sistem Tanpa

Kontroler


79

Berdasarkan grafik respon sistem tanpa kontroler pada

Gambar 17 diatas, diperoleh nilai L = 130 dan T = 2170.

Selanjutnya pengambilan data dilakukan dengan cara

memasukkan nilai Kp = 20.03, Ti = 260 dan Td = 65 terhadap

setpoint 100 °C. Hasil dari respon sistem dengan kontroler

PID dapat dilihat pada Gambar 18 berikut.

Gambar 18 Grafik Respon Menggunakan kontrol PID

Dari grafik respon sistem menggunakan kontrol PID

seperti yang ditunjukkan pada gambar 18 diatas, diperoleh

karakteristik respon sistem seperti ditunjukkan pada tabel 8

berikut.

Tabel 8. Karakteristik Respon menggunkan kontrol PID

Dari hasil pengujian sistem tanpa kontroler dan dengan

kontroler PID, dapat disimpulkan bahwa rise time

menggunakan kontrol PID lebih cepat dibandingkan tanpa

mennggunakan kontroler. Dan error steady state

menggunakan kontrol PID menunjukkan hasil yang lebih baik

dibanding tanpa kontrol dengan error sebesar 0.7 %.

4.5.1 Kontrol PID dengan Manual Tuning

Dari hasil tuning secara manual, diperoleh hasil respon

terbaik dengan nilai parameter Kp = 20.03, Ti =120 dan Td =

4.2. Hasil dari respon sistem dapat dilihat pada Gambar 19

berikut

Gambar 19 Grafik Respon kontrol PID dengan manual tuning

Dari grafik respon sistem menggunakan kontrol PID

dengan manual tuning seperti yang ditunjukkan pada gambar

19 diatas, diperoleh karakteristik respon sistem seperti

ditunjukkan pada tabel 9 berikut.

Tabel 9. Karakteristik Respon kontrol PID manual tuning

Dari hasil pengujian sistem dengan kontroler PID hasil

perhitungan dengan manual tuning, dapat disimpulkan bahwa

rise time menggunakan kontrol PID hasil manual tuning lebih

cepat dibandingkan dengan nilai kontroler PID hasil

perhitungan. Dan error steady state menggunakan kontrol PID

hasil tuning manual menunjukkan hasil yang lebih baik

dibanding nilai kontroler PID hasil perhitungan dengan error

sebesar 0.1 %.

4.5.2 Kontrol PID dengan Gangguan 25%

Menggunakan parameter PID dengan nilai Kp = 20.03, Ti

=120 dan Td = 4.2, saat sistem telah mencapai setpoint 100°C

sistem diberikan gangguan dengan cara membuka valve secara

maksimal dengan waktu selama 15 detik. Hasil dari respon

sistem dapat dilihat pada Gambar 20 berikut

Gambar 20 Grafik Respon kontrol PID dengan gangguan

25%

Dari grafik respon sistem kontrol PID dengan gangguan

sebesar 25% seperti yang ditunjukkan pada gambar 20 diatas,

dengan error steady state sebesar 1.5 °C saat diberikan

gangguan, waktu yang dibutuhkan sistem untuk kembali

menstabilkan suhu boiler pada suhu 100 °C adalah 480 s.

Waktu untuk kembali menstabilkan suhu ke setpoint tidak

terlalu lama dan perubahan suhu tergolong sangat cepat karena

hanya diberi gangguan sebesar 25%


Menggunakan parameter PID dengan nilai Kp = 20.03,

Ti =120 dan Td = 4.2, saat sistem telah mencapai setpoint

100°C sistem diberikan gangguan dengan dengan cara

membuka valve secara maksimal dengan waktu selama 30


80

detik. Hasil dari respon sistem dapat dilihat pada Gambar 21

berikut


25%








Waktu untuk kembali menstabilkan suhu ke setpoint tidak

terlalu lama dan perubahan suhu tergolong cepat karena diberi

gangguan sebesar 50%.


Menggunakan parameter PID dengan nilai Kp = 20.03,

Ti =120 dan Td = 4.2, saat sistem telah mencapai setpoint

100°C sistem diberikan gangguan dengan cara membuka valve

secara maksimal dengan waktu selama 60 detik. Hasil dari

respon sistem dapat dilihat pada Gambar 22 berikut


100%






Waktu untuk kembali menstabilkan suhu ke setpoint tergolong

lama dan perubahan suhu tergolong lama karena gangguan

yang diberikan sebesar 100%.

Sehingga dapat disimpulkan bahwa dengan memberikan

gangguan pada sistem sebesar 25%, 50%, dan 100% pada

pembukaan valve dengan waktu yang sama diperoleh hasil

yang memiliki karakteristik berbeda. Dimana semakin besar

gangguan yang diberikan kepada sistem, maka semakin lama

respon sistem untuk kembali menstabilkan sistem pada

setpoint yang telah dtentukan. Dan lambatnya respon dari

sistem bisa dikarenakan beberapa faktor antara lain yaitu

faktor spesifikasi pemanas dan elemen pemanas itu sendiri.

V. PENUTUP

5.1 Kesumpulan

Berdasarkan hasil pengujian dan analisa yang telah

dilakukan pada sistem pengaturan suhu mini boiler

menggunakan PLC dan HMI, maka dapat ditarik beberapa

kesimpulan sebagai berikut :

1. Pada pengujian sensor suhu, perbandingan antara

pembacaan sensor suhu pada tampilan HMI dengan

thermometer memiliki nilai error minimal sebesar 0%

dan error maksimal sebesar 3.33% dengan nilai error

rata-rata sebesar 1.10%. Dari nilai error tersebut

menunjukkan bahwa sensor suhu dapat menunjukkan

kinerja yang cukup akurat dan presisi. Dan pada

rangkaian pengkondisi sinyal PT100, tegangan output

yang dihasilkan mampu memberikan kinerja yang cukup

optimal dengan memiliki range output antara 1,21V –

4,92V sehingga dapat dioleh dengan baik oleh kontroler

PLC.

2. Pada pengujian kontrol PID menggunakan metode

Ziegler-Nichols, diperoleh paramater kontrol PID dengan

nilai dengan Kp = 20.03, Ti =120 dan Td = 4,2. Dan dari

greafik respon sistem diperoleh karakteristik % error

steady state = 0,1 %, time rise (Tr) = 2130 s, time delay

(Td) = 900, dan settling time (Ts) = 2370 s.

3. Pada pengujian kontrol PLC dan HMI, PLC mampu

memberikan kinerja yang baik dan akurat untuk setiap

perubahan sistem dan HMI dapat memberikan tampilan

visual yang real time dan presisi untuk setiap respon

input dan output dengan rata-rata interval waktu respon

sebesar 0.25 second.

4. Pada pengujian sistem, dengan kontrol PID diperoleh

respon sitem yang lebih cepat dan lebih stabil jika

dibandingkan dengan tanpa kontroler. Dan saat sistem

diberikan gangguan sebesar 25%, 50%, dan 100% pada

pembukaan valve dengan waktu yang sama yaitu 15s

diperoleh hasil dimana semakin besar gangguan yang

diberikan kepada sistem, maka semakin lama respon

sistem untuk kembali menstabilkan sistem pada setpoint

yang telah dtentukan.

5.2 Saran

Berdasarkan hasil pengujian dan analisa yang telah

dilakukan pada sistem pengaturan suhu mini boiler

menggunakan PLC dan HMI, maka saran dari penulis untuk

pengembangan penelitian tentang alat ini lebih lanjut adalah

sebagai berikut :

1. Untuk melakukan pengembangan alat sebaiknya

menggunakan metode kontrol yang berbeda seperti Fuzzy


81

Logic dan cascade control sebagai perbandingan respon

yang dihasilkan dari kontroler yang berbeda.

2. Pengembangan alat juga dapat dilakukan dengan

menggunakan komunikasi jarak jauh sperti DCS atau

SCADA sehingga lebih menyerupai implementasi pada

dunia industri

3. Pada mekanik, dapat ditambahkan cover sebagai

pengaman tangki agar panas tidak menyebar dan

membahayakan pengguna.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Effendi, Asnal. 2013. Perancangan Pengontrolan Pemanas Air

Menggunakan PLC Siemens S7-1200 dan Sensor Arus ACS712. Jurnal

Teknik Elektro Volume 2 No.3. Institut Teknologi Padang.

[2] Kurniawan, Iwan. 2014. Diktat Sensor dan Tranduser. Jambi :

Politeknik Jambi.

[3] Manual Book Siemens S7-200. 2003.

[4] Manual Book Omron NB7W-TW00B. 2007

[5] Chusnul Adib, Mohammad. 2016. Rancang Bangun Pengendalian Alat

Vacuum Pressure Impregnation Berbasis PLC Dan HMI Untuk

Gulungan Baru Mesin Listrik. JETri, Volume 14, Nomor 1. Jurusan

Teknik Elektro. Universitas Trisakti.

[6] Djokosetyardjo, H.J.1999. Ketel Uap. Pradnya Paramita. Jakarta

[7] Setiawan, Iwan. 2008. Kontrol PID Untuk Proses Industri. Jakarta :

Penerbit Elex Media Komputindo.

[8] Kurniawan, Iwan. 2014. Diktat Sensor dan Tranduser. Jambi :

Politeknik Jambi.

[9] https://www.amazon.com/AGPtek-Stainless-Thermistor-Sensor

Temperature/dp/B008YP1D04

[10] Lubis, Hasrin. 2016. Rancang Bangun Alat Penggongseng Kelapa

Untuk Pembuatan Bumbu Dapur Dengan Menggunakan Pemanas

Listrik Temperatur 800c Dengan Kapasitas 3 Kg. Jurnal Teknik Mesin.

Politeknik Negeri Lhoksumawe.

[11] Katsuhiko, Ogata. 1997. Modern Control Engineering Third Generation.

University Of Minnesota.

Modul Sistem Pengaturan Suhu Mini Boiler Dengan Metode ...

Documents