BAB III PERANCANGAN
3.2 Perancangan Perangkat Keras
Perancangan perangkat keras yang digunakan dalam proses pasteurisai cairan dapat dilihat pada Gambar 3.3. Dalam perancangan akan digunakan tiga buah tangki yang terdiri dari tangki tempat penyimpanan susu segar sementara, tangki pasteurisasi susu,
tangki pendinginan susu, serta satu buah pipa perantara dingin. Sensor suhu pendeteksi panas akan diletakkan di dalam tangki pasteurisasi dan sensor suhu pendeteksi dingin akan diletakkan di dalam tangki pendingin. Kedua sensor tersebut mempunyai fungsi yang sama yaitu untuk memberitahukan kondisi suhu pada masing-masing tangki.
Sensor pendeteksi ketinggian cairan berupa limit switch digunakan untuk mengetahui ketinggian cairan di dalam tangki pasteurisasi dan tangki pendingin. Limit switch atas 1 digunakan untuk pendeteksi batas atas cairan pada tangki pasteurisasi. Limit switch atas 2 digunakan untuk pendeteksi batas atas cairan pada tangki pendingin.
Bagian output yang dikendalikan oleh PLC 2 meliputi pompa air, kipas heatsink, mixer 1, mixer 2, heater 1, heater 2, termoelektrik 1 dan 2, termoelektrik 3 dan 4 serta
valve 1. Pompa air yang digunakan untuk mengirimkan susu dari tangki tempat penyimpanan susu segar sementara ke tangki pasteurisasi. Mixer 1 dan mixer 2 yang dihubungkan dengan motor DC digunakan sebagai pengaduk susu di dalam tangki pasteurisasi dan tangki pendingin agar diperoleh panas dan dingin yang merata pada masing-masing tangki. Komponen heater berfungsi sebagai media pamanas bagi tangki pasteurisasi. Komponen termoelektrik berfungsi sebagai media pendingin bagi tangki pendingin. Kipas heatsink dibutuhkan untuk pembuangan panas yang tidak diinginkan pada komponen termoelektrik. Semakin baik pembuangan panas, maka semakin baik penyerapan dingin pada tangki pendingin dan semakin optimal kerja komponen termoelektrik tersebut. Valve I digunakan sebagai pengontrol aliran susu antara tangki pasteurisasi dan tangki pendingin. Selain itu, PLC 2 juga akan dikontrol dan dimonitor dengan komputer untuk setiap prosesnya. Pengontrolan dan proses monitoring tersebut dinamakan SCADA.
Gambar 3.3 Perancangan keseluruhan alat proses pasteurisasi cairan Keterangan Gambar 3.3 :
1. Tangki tempat penyimpanan 12. Heater 1
susu segar sementara 13. Heater 2 2. Tangki pasteurisasi susu segar 14. Valve 1
3. Tangki pendingin susu pasteurisasi 15. Termoelektrik 1, 2 4. Pipa perantara dingin 16. Termoelektrik 3, 4 5. Pompa air 17. Kipas heatsink
6. Limit switch atas 1 7. Limit switch atas 2
8. Mixer 1 9. Mixer 2
10. Sensor panas 11. Sensor dingin
3.2.1 Perancangan Sensor Pendeteksi Level Ketinggian Cairan Susu
pada Tangki Pasteurisasi dan Tangki Pendingin
Sensor yang digunakan untuk mendeteksi level ketinggian cairan pada tangki pasteurisasi dan tangki pendingin berupa limit switch. Sensor limit switch berfungsi seperti hanya saklar. Piranti tambahan berupa penekan limit switch dibutuhkan untuk mengaktifkan sensor, sedangkan pelampung dibutuhkan untuk mengangkat penekan limit switch. Pelampung berada di dasar tangki saat tangki pasteurisasi maupun tangki pendingin dalam keadaan kosong. Ketika tangki mulai terisi caian susu, pelampung akan mulai terangkat ke atas hingga penekan limit switch mengaktifkan sensor. Aktifnya sensor
limit switch menandakan bahwa tangki telah terisi penuh oleh cairan susu. Perancangan mekanik dari sensor pendeteksi level ketinggian cairan susu dapat dilihat pada Gambar 3.3.
3.2.2 Perancangan Proses Konversi Suhu Panas-Dingin dalam Tangki
Pasteurisasi dan Tangi Pendingin
Konversi suhu panas dan dingin pada masing- masing tangki memiliki urutan dan proses yang sama. Urutan proses tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.4.
Suhu panas dan dingin pada tangki pasteurisasi dan tangki pendingin akan dideteksi oleh sensor LM 35. Rangkaian pengkondisi sinyal digunakan untuk
mendapatkan tegangan referensi pada CPM1A-MAD01. Data-data analog akan dikonversi menjadi data digital oleh CPM1A-MAD01. Urutan proses konversi suhu panas dan dingin pada Gambar 3.4 akan dibahas lebih lanjut di dalam sub-bab selanjutnya.
3.2.2.1 Perancangan Rangkaian Pengkondisi Sinyal
Rangkaian pengkondisi sinyal dibutuhkan untuk memperoleh tegangan referensi pada CPM1A-MAD01 karena tegangan output dari sensor suhu LM 35 kecil. Rangkaian pengkondisi sinyal berisi tentang rangkaian penguat non inverting dengan besarnya penguatan disesuaikan dengan karakteristik dari CPM1A-MAD01. Perancangan rangkaian pengkondisi sinyal selengkapnya adalah sebagai berikut.
Diketahui : Vin (max) = 800 mV
Permasalahan : Diinginkan tegangan referensi pada CPM1A-MAD01 sebesar 10 V
Penyelesaian : Diperlukan rangkaian pengkondisi sinyal yang dapat menghasilkan tegangan keluaran (Vout) sebesar 10 V
Rangkaian penguat tegangan sebesar 12,5 kali dibutuhkan untuk mendapatkan Vout sebesar 10 V. Rangkaian pengkondisi sinyal selengkapnya dapat dilihat pada Gambar 3.5. -+ LM741 3 6 2 Rs1 S LM35 MAD01-CPM1A Rf1
A B
Berdasarkan Gambar 3.5, terlihat bahwa rangkaian pengkondisi sinyal terbagi menjadi dua bagian yaitu bagian A dan B. Penjelasan dari tiap bagian adalah sebagai berikut.
Bagian (A)
Bagian A merupakan bagian input dari rangkaian pengkondisi sinyal. Bagian
input tersebut berasal dari panas/dingin yang dideteksi oleh sensor suhu LM 35. Sensor LM 35 merupakan sensor suhu yang linier terhadap satuan derajat Celcius. Kenaikan suhu 1 ºC sebanding dengan 10,0 mV, sehingga untuk suhu 80 ºC, tegangan yang dihasilkan adalah 800 mV. Catu daya yang digunakan pada sensor ini adalah 12 V.
Bagian (B)
Bagian B merupakan rangkaian penguat non inverting dengan penguatan 12,5 kali. Input rangkaian ini berasal dari output sensor suhu LM 35 bagian (A), sehingga
rangeinput tegangan adalah antara 0 s/d 800 mV.Besar Rs1 dan Rf1 dari rangkaian dapat dicari berdasarkan perhitungan berikut.
Diketahui : Vin (max) = 800 x10−3V
Vout = 12,5 x Vin = 12,5 x 800 x 10−3V = 10 V Permasalahan : Nilai Rs1 dan Rf1
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = 1 1 1 Rs Rf Vin Vout Penyelesaian : ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = − 1 1 1 10 800 10 3 Rs Rf V x 1 1 1 5 , 12 Rs Rf = − 11,5 = 1 1 Rs Rf Rs1 = 5 , 11 1 Rf
Dari perhitungan diperoleh perbandingan Rf 1 dengan Rs1 sebesar 11,5 : 1. Jadi jika ditentukan besar Rf1 = 11,5 kΩ, maka besar Rs1 adalah :
Rs1 = = 1 kΩ 5 , 11 5 , 11 k
Hasil tegangan output maksimum (Vout maks) dari rangkaian pengkondisi sinyal akan diumpankan ke CPM1A-MAD01. Hasil tegangan output maksimum (Vout maks) di atas masih lebih kecil daripada catu dayanya yaitu 12 V, oleh karenanya hal ini masih diperbolehkan.
3.2.2.2 Perancangan ADC (Analog to Digital Converter)
ADC (Analog to Digital Converter) merupakan komponen pengubah data analog menjadi data digital. Dalam perancangan ini, ADC yang dipakai adalah CPM1A-MAD01 produksi OMRON. CPM1A-CPM1A-MAD01 ini memiliki empat jenis input yaitu V1, I1, V2, I2 dan dua output Vout dan Iout, dengan data digital sebanyak 8 bit.
Dalam perancangan ini CPM1A-MAD01 difungsikan untuk dua input tegangan dan output 8 bit data. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.6.
V in I V in II Ke PLC CPM1A- MAD01 DATA OUTPUT 8 BIT
Gambar 3.6 ADC (Analog to Digital Converter)
Vin pada ADC adalah Vout pada rangkaian pengkondisi sinyal yaitu antara 0 s/d 10 V. Oleh karena itu, set range ADC yang dipakai adalah FF00. Hasil output dari ADC adalah antara 0000 0000 s/d 1111 1111 (bin) atau 00 s/d FF (hex), sedangkan range
suhu dari 0 ºC s/d 80 ºC. Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap proses konversi data analog ke data digital ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap proses konversi data analog ke data digital
Pengaruh perubahan suhu
terhadap tegangan (V/ºC) 10 mV/ ºC Pengaruh perubahan tegangan
terhadap data digital output
ADC (V/2nbit)
0,0392 V/bit atau 1 bit = 39 mV Pengaruh perubahan suhu
terhadap data digital output
ADC (ºC/ nbit) 2
0,3137 ºC /bit atau 1 bit = 0,3137 ºC
Tabel 3.1 digunakan sebagai acuan untuk memperhitungkan proses perubahan data analog ke digital setiap bit antara suhu 00 ºC s/d 80 ºC. Ilustrasi konversi data analog ke data digital dapat dilihat pada Gambar 3.7.
Konversi suhu ke tegangan ADC (CPM1A-MAD01) Tegangan disesuaikan dengan ADC Data digital
Gambar 3.7 Ilustrasi konversi data analog ke data digital melalui ADC (CPM1A-MAD01)
Ilustrasi konversi suhu ke ADC (CPM1A-MAD01) pada Gambar 3.7 merupakan urutan-urutan dari proses pengkonversian data analog menjadi data digital. Penampil suhu dari hasil pengkonversian data analog ke data digital diatur di bagian SCADA. SCADA dapat mengkopi data suhu yang telah tersimpan pada Data Memory (DM) di dalam PLC 2 sehingga data-data suhu tersebut dapat dipantau melalui komputer. Perhitungan konversi data analog ke data digital disajikan pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Perhitungan konversi data analog ke data digital melalui ADC (CPM1A-MAD01)
Suhu pada sensor LM 35
(ºC)
Tegangan output rangkaian pengondisi sinyal (V) Output ADC CPM1A-MAD01 (Hexa) 0 0 0 5 0,625 10 10 1,25 20 15 1,875 30 20 2,5 40 25 3,125 50 30 3,75 60 35 4,375 70 40 5 80 45 5,625 90 50 6,25 A0 55 6,875 B0 60 7,5 C0 65 8,125 D0 70 8,75 E0 75 9,375 F0 80 10 FF
Perhitungan konversi data analog ke data digital melaui ADC (CPM1A-MAD01) yang ditunjukkan dalam Tabel 3.2 merupakan data-data yang ideal. Data tegangan output
pada rangkaian pengkondisi sinyal sangatlah mungkin memiliki error. Error yang terjadi disebabkan oleh tidak tersedianya komponen-komponen pendukung yang ideal. Error
pada rangkaian pengkondisi sinyal juga dapat mempengaruhi data-data analog yang akan dikonversi menjadi data-data digital.
3.2.3 Perancangan Proses Pengisian Susu Segar ke Tangki Pasteurisasi
Susu segar yang dikirimkan ke dalam tangki pasteurisasi berasal dari tangki penyimpanan susu segar sementara. Komponen pompa air berfungsi untuk mengirimkan susu segar tersebut. Komponen pompa air diletakkan di dalam tangki tempat penyimpanan susu segar sementara seperti yang terlihat pada Gambar 3.3.
Komponen pompa air akan mulai mengirimkan susu segar dari tangki penyimpanan susu segar sementara ke dalam tangki pasteurisasi ketika mendapat instruksi ON dari program lader diagram yang akan dibuat. Daya hisap maksimum dari komponen pompa ini adalah setinggi 1,2 meter sesuai dengan karakteristik dari pompa tersebut.
3.2.4 Perancangan Alat Pengaduk pada Tangki Pasteurisasi dan
Tangki Pendingin
Proses pengadukan pada tangki pasteurisasi dan tangki pendingin menggunakan piranti berupa mixer yang dihubungkan dengan motor DC 12 V. Perancangan mekanik dari proses pengadukan tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Dari Gambar 3.3 terlihat bahwa mixer diletakkan pada tangki pasteurisasi maupun tangki pendingin bagian dalam, sedangkan karet kopel dan motor DC berada pada bagian atas tangki. Proses pengadukan dibutuhkan agar suhu pada tangki pasteurisasi dan tangki pendingin merata.
3.2.5 Perancangan Proses Pemanasan dalam Tangki Pasteurisasi
Proses pasteurisasi susu segar di dalam tangki pasteurisasi tidak bisa dilakukan secara langsung, namun dengan cara induksi panas. Jika proses tersebut dilakukan secara langsung maka akan berakibat rusaknya nutrisi serta berkurangnya kadar protein dalam susu.
Komponen heater dibutuhkan untuk proses induksi panas di dalam tangki pasteurisasi. Komponen heater diletakkan pada kedua sisi bagian bawah dari tangki pasteurisasi seperti yang tampak pada Gambar 3.3. Komponen heater akan memanaskan
air dalam tangki pasteurisasi bagian luar sehingga akan menginduksi panas yang digunakan untuk proses pasteurisasi pada tangki pasteurisasi bagian dalam.
3.2.6 Perancangan Proses Pendinginan dalam Tangki Pendingin
Seperti halnya proses pasteurisasi, proses pendinginan susu pasteurisasi di dalam tangki pendingin tidak bisa dilakukan secara langsung. Proses pendinginan susu pasteurisasi dilakukan dengan cara induksi dingin. Jika proses tersebut dilakukan secara langsung, maka akan berakibat rusaknya nutrisi, berkurangnya kadar protein serta tidak terjaganya tingkat kesterilan susu tersebut.
Komponen termoelektrik dibutuhkan untuk proses induksi dingin di dalam tangki pendingin. Komponen termoelektrik memiliki dua sisi yaitu sisi panas dan sisi dingin. Dalam perancangan ini, komponen termoelektrik yang digunakan adalah komponen termoelektrik dengan sisi dingin, sehingga komponen termoelektrik dengan sisi panas harus dibuang. Pembuangan panas komponen termoelektrik sisi panas dilakukan dengan piranti heatsink dan kipas. Semakin baik pembuangan panasnya, penyerapan dingin dari komponen termoelektrik akan semakin maksimum. Komponen termoelektrik, heatsink
serta kipas diletakkan pada bagian bawah dari tangki pendingin seperti yang tampak pada Gambar 3.3. Komponen termoelektrik akan mendinginkan tangki pendingin dengan cara penyaluran dingin pada tangki pendingin bagian dalam. Isolator dingin dipasangkan pada tangki pendingin bagian luar dengan tujuan mempertahankan kondisi dingin dan mengurangi pengaruh suhu ruangan dari luar tangki. Komponen termoelektrik yang dibutuhkan untuk mendinginkan susu pasteurisasi sebanyak empat buah. Komponen termoelektrik dipasangkan secara paralel dengan terminal tegangan DC.
3.2.7 Pengkabelan serta Penentuan Alamat-Alamat Input ke PLC
Seperti yang telah dituliskan dalam diagram blok pada Gambar 3.2, konfigurasi masukan ke PLC terdiri dari dua macam sensor, yaitu sensor suhu dan sensor ketinggian cairan. Sensor suhu terdiri dari sensor deteksi panas dan sensor deteksi dingin. Sensor pendeteksi level ketinggian cairan susu terdiri dari sensor limit switch atas 1 dan sensor
limit switch atas 2.
Pengkabelan dari sensor pendeteksi level ketinggian cairan susu dapat dilakukan secara langsung ke PLC dengan sumber tegangan sebesar 24 V. Sumber tegangan 24 V diambil dari tegangan output dari PLC. Sensor limit switch atas 1 diletakkan pada alamat
input 0.00, sedangkan sensor limit switch atas 2 diletakkan pada alamat input 0.01. Pengkabelan sensor suhu panas dan dingin tidak dapat dilakukan secara langsung ke PLC karena harus melewati rangkaian pengkondisi sinyal dan CPM1A-MAD01 sebagai ADC. Sensor suhu panas dan dingin memerlukan sumber tegangan sebesar 12 V. Pengkabelan komponen-komponen input ke PLC ditunjukkan pada Gambar 3.8.
3.2.8 Pengkabelan serta Penentuan alamat-alamat Output dari PLC
Seperti yang telah dituliskan dalam diagram blok pada Gambar 3.2, konfigurasi
output dari PLC terdiri dari sembilan macam beban yang diatur. Sembilan macam beban yang tersebut adalah pompa air, mixer 1, heater 1, heater 2, valve 1, mixer 2, termoelektrik (1 dan 2), termoelektrik (3 dan 4), kipas heatsink. Pengkabelan dari semua jenis beban output dapat dilakukan secara langsung dari PLC dengan dua jenis sumber tegangan yaitu 12 V dan 220 V. Sumber tegangan 12 V digunakan untuk mencatu beban
mixer 1, mixer 2, kipas heatsink, dan termoelektrik. Pengkabelan komponen-komponen
output dari PLC ditunjukkan pada Gambar 3.9.
Beban termolektrik memiliki kekhususan tersendiri karena menggunakan sumber tegangan 12 V dari catu daya komputer, sedangkan beban lainnya menggunakan catu daya yang telah disediakan oleh DC kontrol drive dalam PLC 1. Alasan digunakannya catu daya komputer pada beban termoelektrik disebabkan oleh kebutuhan arus yang besar dari beban termoelektrik tersebut.
Sumber tegangan 220 V digunakan untuk mencatu beban pompa air, heater, dan
valve 1. Beban mixer 1 diletakkan pada alamat output 10.00, beban mixer 2 diletakkan pada alamat output 10.01, beban termoelektrik (1 dan 2) diletakkan pada alamat output
10.02, beban termoelektrik (3 dan 4) diletakkan pada alamat output 10.03, beban pompa air diletakkan pada alamat output 10.04, beban valve 1 diletakkan pada alamat output
10.05, beban heater 1 diletakkan pada alamat output 10.06, beban heater 2 diletakkan pada alamat output 10.07, dan beban kipas heatsink diletakkan pada alamat output 11.00.