PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Disain dan PengujianMetering
Device untuk Unit Pemupuk Butiran Laju Variabel (Variable Rate Granular Fertilizer Applicator) adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. 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, Januari 2011
ABSTRACT
Abdul Azis S. Design and Testing of Metering Device for Variable Rate Granular Fertilizer Applicator). Supervised by RADITE P.A SETIAWAN and I DEWA MADE SUBRATA.
Uniform rate of fertilizer applicator (URA) practice is disregarding the productive potential of the various areas within the field. Thus, some area is less fertilized and other is over fertilized. It is also an important issue recently that nitrogen from fertilizers may be subjected to lost into atmosphere or enters streams through surface or subsurface drainage (leaching). The place with
over-fertilization will be a potential source of pollution in the form of ammonia (NH3),
nitrite (NO2) and nitrate (NO3) which may hazard people health. Therefore, a contemporary issue is how to give an effective dose at the accurate position and right time for optimum growth of crops while preserving the environment without causing economic losses. Variable rate of fertilizer applicator (VRA) is a solution to overcome the negative impact of URA. It can control the appropriate of fertilizer dosage and location of application in the field. The objective of this research is to design a metering device for variable rate granular fertilizer applicator. In this research, the metering device was equipped with two rotor, which could be operated as single rotor or double rotor. The dose of granular fertilizer could be controlled by the rotation of the rotor. The rotation of the rotor was controlled using digital PID algorithm. The result of variable rate fertilizer testing of the metering device using single rotor indicated that the rate of urea, SP-36 and NPK are 0.84, 0.96 and 1.2 g/rotation respectively. The testing using double rotor indicated that the rate of urea, SP-36 and NPK are 1.14, 2.22 and 2.1 g/rotation respectively. All results showed that the prototype of metering device can control fertilizer dose of urea, SP-36 and NPK fertilizer precisely.
xi RINGKASAN
ABDUL AZIS S. Disain dan Pengujian Metering Device untuk Unit Pemupuk
Butiran Laju Variabel (Variable Rate Granular Fertilizer Applicator).Dibimbing
oleh RADITE P. A SETIAWAN dan I DEWA MADE SUBRATA.
Teknologi perlakuan seragam atau URT (Uniform Rate Technology)
memberikan perlakuan yang sama terhadap lahan pertanian tanpa memperhatikan kondisi tanah baik sifat kimia maupun sifat fisik dan struktur tanah. Perlakuan seragam dalam kegiatan pemupukan meliputi perlakuan dosis, waktu dan lokasi. Perlakuan dosis pupuk seragam tidak memperhatikan produktivitas lahan. Sehingga menyebabkan respon penerimaaan dosis pupuk akan berbeda-beda. Akan terdapat tanaman yang menerima dosis pupuk kurang dari yang dibutuhkan dan terdapat pula tanaman yang akan menerima dosis melebihi dosis yang dibutuhkan.
Pemupukan yang kurang dari dosis yang dibutuhkan tanaman mengakibatkan pemenuhan kebutuhan tanaman akan unsur hara tidak tercapai sehingga pertumbuhan tanaman tidak akan optimal. Sedangkan kelebihan dosis akan berdampak buruk bagi lingkungan dan tanaman. Unsur nitrogen dari pupuk sebagian akan terlepas ke atmosfir dan sebagian lagi akan mengalir dipermukaan tanah atau dibawah permukaan tanah sehingga lahan yang overdosis akan berpotensi menjadi sumber polusi dalam bentuk amoniak (NH3), nitrit (NO2) dan
nitrat (NO3) yang berbahaya bagi kesehatan manusia (FAO, 2000 dalam Radite,
2001).
Salah satu teknologi yang dapat diterapkan untuk menggantikan teknologi URT khususnya pada perlakuan pemupukan adalah teknologi perlakuan tidak
seragam atau VRT(Variable-Rate Technology). VRT akan mampu menghasilkan
perlakuan yang tepat berdasarkan kebutuhan tanaman. Perlakuan yang tepat mencakup tepat waktu, tepat dosis dan tepat lokasi. Perlakuan tepat dosis
memerlukan peralatan VRA (Variable Rate Applicator) yang dapat mengontrol
dosis penggunaan pupuk dan pestisida. VRA memerlukan metering device yang
dapat mengontrol dosis pupuk yang digunakan.
Tujuan penelitian adalah untuk mendisain sebuah metering device yang
dapat mengontrol jumlah penjatahan pupuk granular yang dosisnya dapat
dikontrol secara elektronik, menguji respon kontrol dari prototipemetering device
dan menguji kinerja prototipe metering device dengan menggunakan 3 jenis
pupuk pada berbagai dosis pemupukan.
Prosedur penelitian mencakup; 1) Studi pustaka, 2) Inventarisasi alat dan bahan serta pembuatan rangkaian pendukung, 3) Perancangan dan pemrograman mikrokontroller, 4) Kalibrasi motor, 5) Identifikasi sistem, 6) Pengujian dengan stair-step response, 7) Pengujian dengan pupuk granular, 8) Pengolahan data.
Hasil kalibrasi kecepatan putar motor menunjukkan hubungan antara
tegangan input motor dengan kecepatan putar motor adalah linier dengan R2 =
0.999 dengan persamaan korelasi y = 162.9x – 95.48. Semakin besar tegangan
input yang diberikan, maka semakin besar kecepatan putar motor. Nilai K, T dan
d yang diperoleh dari pengeplotan menggunakan model ( ) 1 T(t d)
K e t
xii
t > d dan g(t) = 0 untuk t < d (Radite, 2010). Hasil pengeplotan menggunakan
metode least square diperoleh nilai K = 1.82, T = 0.075 dan d = 0.03. Hasil
pengujian dengan stair-step response menunjukkan bahwa pengujian dengan
kontrol PID memberikan respon yang cukup baik, dimana kecepatan putaran
motor mendekati nilaiset-pointyang dikehendaki
Pengujianmetering devicedengan satu rotor memberikan laju aliran pupuk
urea, SP-36 dan NPK untukset-point400, 800, 1200, 1600 dan 2000 rpm berturut
turut sebesar 5.546, 12.11, 17.84, 23.66 dan 29.64 g/s; 7.54, 15.2, 22.09, 28.91
dan 33.27 g/s; 8.4, 16.25, 24.62, 32.42 dan 40.5 g/s sedangkan pengujianmetering
devicedengan dua rotor memberikan laju aliran pupuk, SP-36 dan NPK untuk set-point 400, 800, 1200, 1600 dan 2000 rpm berturut-turut sebesar 7.846, 15.46, 23.04, 30.76 dan 39.92 g/s; 23.33, 39.24, 54.34, 68.92 dan 82.54 g/s; 22.92, 38.48, 51.34, 66.53 dan 78.80 g/s. Hasil pengujian tersebut menunjukkan bahwa kenaikan laju keluaran pupuk proporsional dengan kenaikan putaran rotor. Dengan demikian dosisi pupuk dapat dikontrol melalui pengontrolan putaran
rotor. Prototipe sistem Metering device yang dihasilkan dapat mengontrol
keluaran pupuk urea, SP-36 dan NPK secara presisi dengan variasi kecepatan motor antara 400 sampai 2000 rpm.
xiii
DISAIN DAN PENGUJIAN
METERING DEVICE
UNTUK UNIT
PEMUPUK BUTIRAN LAJU VARIABEL
(VARIABLE RATE
GRANULAR FERTILIZER APPLICATOR)
ABDUL AZIS S
Tesis
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
xiv
xv
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala
karunia-Nya sehingga karya ilmiah dengan judul Desain dan Pengujian Metering Device
untuk Unit Pemupuk Butiran Laju Variabel (Variable Rate Granular Fertilizer
Applicator) berhasil diselesaikan. Penelitian dilaksanakan mulai bulan Maret sampai dengan November 2010 di Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB, Bogor. Penelitian ini dibiayai dari program IM-HERE 2010.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir. Radite P.A Setiawan, M.Agr selaku pembimbing pertama atas segala bimbingan, arahan dan masukannya selama proses penelitian berlangsung hingga penulisan tesis ini selesai dan Bapak Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr selaku pembimbing kedua atas segala koreksi, bimbingan dan arahannya dalam menyusun tesis ini serta Bapak Dr. Ir. I Wayan Astika, MS sebagai dosen penguji luar komisi. Ucapan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Radite P.A Setiawan, M.Agr selaku ketua peneliti pada Program IM-HERE tahun 2010 atas kesempatan dan kepercayaan yang diberikan kepada penulis menjadi bagian dalam penelitian. Teman-teman TMP 2008 atas dukungan dan semangatnya. Staf, laboran dan teknisi laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian, Fateta IPB. Kedua orang tua Bapak H. Samaila HS dan Ibu Hj. Yasseng atas segala pengorbanan yang tak ternilai yang diberikan kepada penulis.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Januari 2011
xvi
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Pangkep pada tanggal 09 Desember 1982. Penulis merupakan anak keempat dari enam bersaudara, putra dari pasangan H. Samaila HS dan Hj. Yasseng.
Penulis menyelesaikan sekolah menengah di SMU Negeri 1 Pangkep dan lulus pada tahun 2001. Pada tahun yang sama lulus seleksi masuk Universitas Hasanuddin (UNHAS) melalui jalus Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB) pada Jurusan Teknologi Pertanian, Program Studi Teknik Pertanian dan lulus sebagai Sarjana Teknik Pertanian pada tahun 2006.
xvii DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI... xvii
DAFTAR GAMBAR... xix
DAFTAR LAMPIRAN... xxii
I. PENDAHULUAN...1
1.1 Latar belakang...1
1.2 Rumusan Masalah...3
1.3 Tujuan dan Kegunaan...3
1.3.1 Tujuan...3
1.3.2 Kegunaan...4
II. TINJAUAN PUSTAKA...5
2.1 Pupuk dan Pemupukan...5
2.1.1 Sifat Fisik dan Mekanis Pupuk Granular...5
2.1.2 Aplikasi Pupuk Granular...6
2.2 Pertanian presisi(Precision farming)...9
2.3Metering DevicedanHopper...11
2.4 Motor DC dan Motor Servo...14
2.5Rotary Encoder...16
2.6MikrokontrollerdanSmart Peripheral Controller(SPC)...16
2.7 EMS 30AH-Bridge...19
2.8 Pengendalian Kecepatan Motor...21
2.9 Proporsional Integral Derivatif (PID)...22
2.9.1 Kontrol Proporsional(Proportional Control)...22
2.9.2 Kontrol Proporsional Integral(Proportional Integral Control)...23
2.9.3 Kontrol PID(Proportional Integral Derivative Control)...24
III.METODOLOGI PENELITIAN...26
3.1 Waktu dan Tempat...26
3.2 Alat dan Bahan...26
3.3 Tahapan Penelitian...26
3.3.1 Studi Pustaka...27
xviii
3.3.3 Pendekatan Disain Fungsional...28
3.3.4 Pendekatan Disain Struktural...29
3.3.5 Perancangan dan Pemrograman Mikrokontroller...32
3.3.6 Kalibrasi Kecepatan Motor dengan PWM...33
3.3.7 Pengujian denganLoopTerbuka...33
3.3.8 Pengujian denganStair-Step Response...35
3.3.9 Pengujian dengan Pupuk Granular...36
3.4 Persamaan-Persamaan Kontrol...37
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN...39
4.1 Hasil RancanganMetering Device...39
4.1.1 Rotor...39
4.1.2 Casing Rotor...40
4.1.3 Hopper...41
4.2 Kalibrasi Motor DC Servo...42
4.3 Pengujian Karakteristik Pupuk Granular...44
4.4 Identifikasi Sistem...44
4.5 Pengujian denganStair-Step Response...45
4.5.1 PengujianStair-Step Responsetanpa Kontrol PID...45
4.5.2 PenalaanStair-Step Responsedengan Kontrol PID...46
4.6 Pengujian dengan Pupuk Granular...49
4.6.1 Pengujian dengan Kontrol PID...50
4.6.2 Pengujian Tanpa Kontrol...56
4.6.3 Dosis Pemupukan...60
V. KESIMPULAN DAN SARAN...61
5.1 Kesimpulan...61
5.2 Saran...61
DAFTAR PUSTAKA...62
xix
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1 (a)Metering devicetipeaugerdan (b). Mekanisme penyaluran bahan...12
Gambar 2 Metering devicetipeedge-cell ...12
Gambar 3 Metering devicetipebelt...12
Gambar 4 Metering devicetipepositif feed fluted roll...13
Gambar 5 Bentuk dari sebuahmetering device...14
Gambar 6 Prinsip kerjarotary encoder...16
Gambar 7 SPCmotor controlllerdan mikrokontroller DT-51minimum system...19
Gambar 8 EMS 30AH-Bridge...20
Gambar 9 Bentuk tegangan PWM dan tegangan ekivalen liniernya...22
Gambar 10 Diagram blok kontrol proporsional (kontrol P)...22
Gambar 11 Diagram blok kontrol Integral (kontrol I)...23
Gambar 12 Diagram blok kontrol proporsional-integral (P-I)...24
Gambar 13 Diagram blok konrol PID...24
Gambar 14 Bagan alir tahapan penelitian...27
Gambar 15 Gambarmetering deviceakhir...30
Gambar 16 Dimensi dan ukuranhopper...31
Gambar 17 Sistem pengendalian motor DC dengan loop terbuka...34
Gambar 18 Grafik penentuan nilai K, T dan d...34
Gambar 19 Diagram skematik pengontrolan motor DC dengan control PID...36
Gambar 20 Hasil rancanganrotor...39
Gambar 21 Hasil rancanganmetering device...40
Gambar 22 Hasil rancangancasing rotor...40
Gambar 23 Lubang masukan pupuk kerotor...41
Gambar 24 Pemasanganrotorpadacasing rotor...41
Gambar 25 Hasil rancanganhopper...42
Gambar 26 Metering devicedanhopper...42
Gambar 27 Grafik hubungan antara tegangan input motor (volt) dengan kecepatan putar (RPM)...43
Gambar 28 Grafik hubungan nilai PWM dengan tegangan input motor (volt)...43
Gambar 29 Grafik pengujian identifikasi sistem...45
Gambar 30 Grafik pengujianstair-step responsetanpa kontrol PID...46
Gambar 31 Grafik penalaanStair-step responsedengan konstantaZeigler-Nichols...46
Gambar 32 Grafik hasil penalaan PID dengan konstanta PID masing-masing 800; 10,000 dan 30,000...48
Gambar 33 Grafik hasil penalaan PID dengan konstanta PID masing-masing 400; 5,000 dan 15,000...48
xx
Gambar 35 Grafik hasil penalaan konstanta PID masing-masing 500; 15,000 dan 20,000 ...49 Gambar 36 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk (kanan)...51 Gambar 37 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk SP-36 (kanan)...52 Gambar 38 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk NPK (kanan)...53 Gambar 39 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk urea(kanan)...55 Gambar 40 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk SP-36 (kanan)...55 Gambar 41 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk NPK (kanan)...55 Gambar 42 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk urea (kanan)...57 Gambar 43 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk SP-36 (kanan)...57 Gambar 44 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk NPK (kanan)...58 Gambar 45 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea (kiri), grafik hubungan
putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk urea (kanan)...59 Gambar 46 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 (kiri), grafik
hubungan putaran motor dengan kecepatan aliran pupuk SP-36 (kanan)...59 Gambar 47 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK (kiri), grafik hubungan
xxi
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1 Karakteristik pupuk Amonium Sulfat ((NH4)2SO4)...5
Tabel 2 Karakteristik fisik pupuk NPK...6
Tabel 3 Karakteristik fisik dan kimia pupuk TSP...6
Tabel 4 Rekomendasi umum pemupukan nitrogen pada tanaman padi sawah...7
Tabel 5 Rekomendasi pemupukan P pada tanaman padi sawah...7
Tabel 6 Rekomendasi pemupukan P pada tanaman padi sawah...8
Tabel 7 Anjuran pemupukan berimbang spesifik lokasi dengan menggunakan pupuk tunggal...9
Tabel 8 Tabel kebenaran dari modulH-Bridge...21
Tabel 9 Kriteria Zeighler dan Nichols...34
xxii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1 Perhitungan volumemetering deviceteoritis...64
Lampiran 2 Perhitungan dosis pemupukan urea...66
Lampiran 3 Perhitungan dosis pemupukan SP-36...67
Lampiran 4 Perhitungan dosis pemupukan NPK...68
Lampiran 5 Bagan alir sistem pengontrolan...69
Lampiran 6 Tabel hasil kalibrasi kecepatan motor DC...71
Lampiran 7 Tabel kombinasi konstanta P, I dan D untuk penalaan PID...72
Lampiran 8 Tabel hasil pengujian distribusi ukuran pupuk NPK , SP-36 dan urea...73
Lampiran 9 Tabel hasil pengukuran massa dan volume pupuk granular...74
Lampiran 10 Tabel hasil identifikasi sistem...75
Lampiran 11 Tabel hasil pengujianmetering devicedengan saturotor....77
Lampiran 12 Tabel hasil pengujianmetering devicedengan duarotor....78
Lampiran 13 Bahasa program kontrol dengan PID...79
1
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Sistem pertanian di Indonesia masih menerapkan teknologi perlakuan
seragam atau URT (Uniform Rate Technology). Teknologi ini memberikan
perlakuan yang sama terhadap lahan pertanian tanpa memperhatikan kondisi tanah
baik sifat kimia seperti kandungan hara/nutrisi dan pH tanah maupun sifat fisik
seperti tekstur dan struktur tanah. Perlakuan budidaya pertanian meliputi
pengolahan tanah, penanaman dan pemeliharaan (pemupukan dan pengendalian
hama). Teknologi ini banyak digunakan karena murah dan mudah dilakukan
bahkan relatif tidak memerlukan aplikasi peralatan tertentu. Teknologi perlakuan
seragam dalam kegiatan pemupukan meliputi dosis, waktu dan lokasi. Perlakuan
dosis pupuk seragam tidak memperhatikan produktivitas lahan. Sehingga
menyebabkan respon penerimaaan dosis pupuk akan berbeda-beda. Akan terdapat
tanaman yang menerima dosis pupuk kurang dari yang dibutuhkan dan terdapat
pula tanaman yang akan menerima dosis melebihi dosis yang dibutuhkan.
Pemupukan yang kurang dari dosis yang dibutuhkan tanaman
mengakibatkan pemenuhan kebutuhan tanaman akan unsur hara tidak tercapai
sehingga pertumbuhan tanaman tidak akan optimal. Perlakuan ini tentunya tidak
akan berhasil untuk mencapai tingkat produksi yang optimal. Sedangkan
kelebihan dosis akan berdampak buruk bagi lingkungan dan tanaman. Unsur
nitrogen dari pupuk sebagian akan terlepas ke atmosfir dan sebagian lagi akan
mengalir dipermukaan tanah atau dibawah permukaan tanah sehingga lahan yang
overdosis akan berpotensi menjadi sumber polusi dalam bentuk amoniak (NH3),
nitrit (NO2) dan nitrat (NO3) yang berbahaya bagi kesehatan manusia (FAO, 2000
dalam Radite, 2001).
Menurut Reijntjes at al.(1992) penggunaan pupuk kimia yang berlebihan
dapat menggangu kehidupan dan keseimbangan tanah, meningkatkan dekomposisi
bahan organik sehingga menyebabakan degradasi struktur tanah, kerentanan yang
lebih tinggi terhadap kekeringan dan keefektifan yang lebih rendah dalam
menghasilkan panen. Aplikasi yang tidak seimbang dari pupuk mineral Nitrogen
2
penggunaan pupuk buatan di negara maju dan negara berkembang memberikan
andil pada resiko global yang muncul dari pelepasan nitrogen oksida pada
atmosfer dan lapisan di atasnya. Pada lapisan stratosfer, N2O akan menipiskan
lapisan ozon dengan menyerap gelombang sinar infra merah tertentu,
meningkatkan suhu global (efek rumah kaca) dan mengganggu kestabilan iklim.
Menurut Sutedjo (2008), akibat yang dapat ditimbulkan dari pemupukan
dengan dosis yang berlebihan antara lain kematian tanaman yang dibudidayakan,
timbulnya gejala-gejala penyakit pada tanaman yang masih muda, kerusakan fisik
tanah dan tidak ekonomis. Sedangkan menurut Tan Kim (1994), penggunaan
unsur P yang berlebihan akan sangat berbahaya bagi tanah dan lingkungan, karena
sebagian besar akan terlarut ke dalam sungai atau danau. Jika akumulasi unsur P
dan ion nitrat sangat besar pada danau akan menyebabkan pertumbuhan tanaman
air yang tidak diinginkan menjadi tidak terkendali. Proses ini sering disebut
dengan proseseutrophication.
Salah satu teknologi yang dapat diterapkan untuk menggantikan teknologi
URT adalah teknologi perlakuan tidak seragam atau VRT (Variable Rate
Technology). Teknologi ini merupakan salah satu bagian dari sistem pertanian
presisi (precision farming) yang sekarang ini menjadi sistem pertanian yang
banyak dikembangkan di negara maju. Tekonolgi VRT akan mampu
menghasilkan perlakuan yang tepat berdasarkan kebutuhan tanaman. Perlakuan
yang tepat mencakup tiga hal penting, yaitu memberikan aplikasi yang tepat
waktu, tepat dosis dan tepat lokasi. Aplikasi tepat waktu memerlukan analisi tanah
dan tanaman dalam menentukan jenis dan kadar unsur hara yang terkandung
dalam tanaman serta jenis dan kadar unsur hara yang terkandung dalam tanah
yang masih mampu diserap oleh tanaman sehingga kedua data ini dapat menjadi
dasar penentuan dosis yang harus diberikan. Aplikasi tepat lokasi memerlukan
teknologi DGPS (Differential Global Position System) dan GIS (Geographic
Information Sistem) yang berfungsi sebagai navigator dalam menentukan posisi
mesin saat bekerja di atas lahan dan memetakan lahan berdasarkan hasil uji
kandungan hara. Sedangkan tepat dosis memerlukan peralatan VRA (Variable
3
Dalam penelitian ini, teknologi VRT akan diterapkan dalam kasus
pemupukan dan akan didesain untuk aplikasi pengontrolan dosis pupuk granular
(Variable Rate Granular Fertilizer Applicator). Untuk itu, diperlukan sebuah
metering device yang dapat digunakan untuk mengatur keluaran pupuk granular
yang digunakan.
1.2 Rumusan Masalah
Penggunaan sistem pertanian URT terutama dalam pemupukan tidak
mampu memberikan aplikasi pemupukan yang tepat berdasarkan waktu, dosis dan
lokasi sehingga hasil pemupukan tidak akan memberikan hasil yang optimal dan
dapat menimbulkan dampak negatif bagi tanaman, lingkungan dan manusia.
Pemupukan dengan dosis berlebihan atau overdosis dapat menyebabkan
terjadinya pencemaran air tanah, meracuni mikroorganisme tanah, dan
memberikan andil pada resiko pemanasan global (global warming) yang muncul
dari pelepasan nitrogen oksida pada atmosfer dan lapisan di atasnya. Selain itu,
menyebabkan pemupukan tidak efektif dan efisien.
Sistem VRT merupakan salah satu pilihan teknologi untuk menggantikan
sistem URT. Teknologi VRT dalam aplikasi pemupukan harus dilengkapi dengan
DGPS dan VRA. VRA memerlukan komponen yang dapat mengontrol dosis
pupuk yang digunakan. salah satu komponen yang dapat digunakan adalah
metering device. Oleh karena itu. Penelitian ini penting dilakukan untuk
memperoleh sebuah metering device yang dapat dikontrol secara elektronik dan
dapat diaplikasikan untuk mengontrol dosis pupuk granular.
1.3 Tujuan dan Kegunaan
1.3.1 Tujuan
Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk:
1. Mendesain sebuahmetering device yang dapat mengontrol jumlah penjatahan
pupuk granular yang dosisnya dapat dikontrol secara elektronik
2. Menguji respon kontrol dari prototipemetering device
3. Menguji kinerja prototipe metering device dengan menggunakan 3 jenis
4 1.3.2 Kegunaan
Metering device ini dapat dikembangkan lebih lanjut menjadi Variable
Rate Granular Applicatorsetelah dilengkapi peralatan pendeteksi posisi di lahan
(DGPS) dan sensor pendeteksi kandungan unsur hara tanah dan tanaman serta
merupakan peralatan yang penting bagi aplikasi pertanian presisi (Precision
5
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pupuk dan Pemupukan
2.1.1 Sifat Fisik dan Mekanis Pupuk Granular
2.1.1.1 Pupuk Urea
Pupuk urea terbuat dari gas amoniak dan gas asam arang. Persenyawaan
kedua zat ini melahirkan pupuk urea dengan kandungan N hingga mencapai 46%.
Urea termasuk pupuk yang higroskopis (mudah menarik uap air). Pada
(Marsono dan Pinus Lingga, 2008).
Karakteristik pupuk Amonium Sulfat ((NH4)2SO4) menurut Honeywell
International Inc (2008) seperti ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1 Karakteristik pupuk Amonium Sulfat ((NH4)2SO4)
Kandungan kimia %
Angle of repose 35o
2.1.1.2 Pupuk NPK
Pupuk NPK merupakan salah satu pupuk majemuk yang mengandung
unsur Nitrogen (N), Posfor (P) dan Kalium (K) dengan kadar yang beragam. Jenis
dan kadar unsur yang dikandungnya berdasarkan negara asalnya. Seperti
amafoska I (12-24-12) dari Amerika Serikat, nitrofoska I (17.5-13-22) dari
6
dari Belanda (Lingga Pinus dan Marsono, 2008). Beberapa sifat fisik dari pupuk
NPK seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2 Karakteristik fisik pupuk NPK Karakteristik fisik
Bulk density Kg/m3 850 - 1000
Angle of repose Degree 32o
color Red/pink
Sumber :Zakłady Chemiczne „Police” SA
2.1.1.3 Pupuk TSP
Pupuk TSP (triplesuperfosfat) merupakan pengganti DS saat hubungan
Indonesia dengan Belanda kurang baik. TSP didatangkan dari Amerika Serikat.
Kadar P2O546–48% dan umumnya berwarna abu-abu. Bentuknya berupa butiran
(granulated) dan memiliki sifat larut dalam air serta reaksi fisiologinya netral
(Lingga Pinus dan Marsono, 2008). Karakteristik fisik dan kimia pupuk TSP
seperti ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3 Karakteristik fisik dan kimia pupuk TSP
Sifat kimia %
Bulk density 1100 kg/m3
Indeks keseragaman 55
Angle of repose 31o–33o
2.1.2 Aplikasi Pupuk Granular
Perhitungan kebutuhan pupuk urea seperti ditunjukkan pada Tabel 4
didasarkan pada tingkat produktivitas padi sawah. Pada tingkat produktivitas
rendah (<5 t/ha) dibutuhkan urea 200 kg/ha. Pada tingkat produktivitas sedang
(5-6 t/ha) dibutuhkan urea 250-300 kg/ha. Sedangkan pada tingkat produktivitas
7
produktivitas padi dengan perlakuan tanpa pemupukan N, kebutuhan pupuk urea
dapat dihitung dengan menggunakan Tabel 1. Misalnya, apabila tanaman padi di
suatu lokasi menghasilkan gabah sebanyak 3 t/ha tanpa pemupukan N, sedangkan
target hasil adalah 6 t/ha, maka tambahan pupuk urea yang diperlukan adalah
sekitar 325 kg tanpa penggunaan bagan warna daun (BWD) dan 250 kg dengan
BWD (Deptan, 2007).
Status P dan K tanah dikelompokkan menjadi tiga kelas, yaitu rendah,
sedang, dan tinggi. Dari masing-masing kelas status P dan K tanah sawah telah
dibuatkan rekomendasi pemupukan P (dalam bentuk SP-36) dan K (dalam bentuk
KCl). Tabel 5 dan 6 memuat rekomendasi umum pemupukan P dan K berdasarkan
status hara tanah (Deptan, 2007).
Tabel 4 Rekomendasi umum pemupukan nitrogen pada tanaman padi sawah
Target kenaikan rekomendasi
Menggunakan BWD 90 200
Menggunakan BWD +
2 t pupuk kandang/ha 75 175
3,0 t/ha
Konvensional 145 325
Menggunakan BWD 112 250
Menggunakan BWD +
2 t pupuk kandang/ha 100 225
3,5 t/ha
Konvensional 170 375
Menggunakan BWD 135 300
Menggunakan BWD +
2 t pupuk kandang/ha 125 275
Tabel 5 Rekomendasi pemupukan P pada tanaman padi sawah
Kelas status hara P tanah
8
Tabel 6 Rekomendasi pemupukan P pada tanaman padi sawah
Kelas status hara K tanah
Kadar hara K tanah terekstrak HCl 25%
Hasil penelitian dari PT Pusri menunjukkan bahwa tanah dengan tanaman
padi yang kadar hara fosfatnya (P) rendah harus dipupuk 100 kg SP-36 per ha,
yang kadar hara P-nya sedang dipupuk 75 kg SP-36 per ha dan yang P-nya tinggi
dipupuk dengan 50 kg SP-36 per ha. jadi dosis SP-36 untuk lahan sawah
berbeda-beda, tergantung kandungan hara P dalam tanah. Tanah yang kadar hara
kaliumnya (K) rendah, dipupuk 100 kg KCl per ha, sedang kadar K-nya sedang
sampai tinggi, cukup dipupuk 50 kg KCl per ha.
Table 7 menunjukkan dosis anjuran pupuk SP-36 dan KCl untuk padi
sawah berdasarkan status hara fosfat (P) dan kalium (K) pada lahan sawah. Untuk
hara N tidak dilakukan pembuatan peta status hara N karena umumnya kadar N
tanah di Indonesian rendah, sehingga secara umum harus dipupuk 250-300 kg
urea per ha.
Hara N, P dan K yang ditambahkan ke dalam tanah harus dalam jumlah
yang tepat. Jenis tanah, tingkat ketersediaan hara dalam tanah, kondisi iklim,
varietas padi sawah yang ditanam dan cara pemberian pupuk akan sangat
menentukan ketetapan jenis dan dosis pupuk yang harus ditambahkan. Untuk
menghasilkan padi sawah sebanyak 3 t/ha, dibutuhkan hara sekitar 54 kg N, 60 kg
P2O5 dan 55 kg K2O/ha/musim (Djaenuddin et al. 2000 dalam BPPT-Sulbar,
2009). Sebagai pembanding, hasil penelitian Idris et al. (2002) dalam
BPPT-Sulbar (2009) menunjukkan bahwa pemupukan 90 kg N, 72 kg P2O5 dan 50 kg
K2O/ha/musim menghasilkan gabah kering giling (GKG) 5.4 t/ha/musim.
Kelebihan atau kekurangan hara tersebut akan mempengaruhi efisiensi hara akibat
9
Tabel 7 Anjuran pemupukan berimbang spesifik lokasi dengan menggunakan pupuk tunggal.
Kelas status hara tanah Anjuran pemupukan berimbang spesifik lokasi
P K Urea SP-36 KCl
2.2 Pertanian presisi(Precision farming)
Menurut Searcy (1997) pertanian presisi (precision farming) merupakan
salah satu cara penggunaan informasi lahan untuk mengatur input produksi secara
tepat. Cara ini digunakan untuk mengetahui karakteristik tanah dan tanaman dan
untuk mengoptimalkan input produksi sampai pada porsi yang terkecil. Filosopi
dari pertanian presisi adalah bahwa input produksi seperti pupuk, pestisida dan
lainnya harus diaplikasikan sesuai dengan kebutuhan tanaman dan sesuai dengan
lokasi yang membutuhkan. Menurut Arnholt,et al.(2001) bahwa pertanian presisi
merupakan sistem pertanian yang didesain untuk memberikan data dan informasi
bagi petani sehingga dapat membantu dalam membuat suatu keputusan-keputusan
pengolahan tanah berdasarkan lokasi. Dengan informasi ini, pertanian dapat
menjadi lebih efisien, memungkinkan penggunaan biaya yang lebih kecil dan
lebih menguntungkan.
Terdapat dua metode untuk mengaplikasikan pertanian presisi atau
pertanian yang berorientasi lokasi (site-specific farming). Masing-masing metode
mempunyai kelebihan dan dapat digunakan untuk saling melengkapi atau dapat
dikombinasikan (Morgan, 1999 dalam Radite, 2001). Metode pertama,map-based
mencakup beberapa tahap: pembuatan grid sampling sebuah lahan, analisis
laboratorium terhadap sampel tanah, penentuan peta berdasarkan lokasi pada
peralatan dan terakhir penggunaan peta yang telah dibuat untuk mengontrol
variable-rate applicator. Pembuatan sampel dan penentuan posisi menggunakan
10
menentukan lokasi pemupukan. Metode kedua adalahsensor-based. Sensor yang
digunakan adalah yang bersifat real-time dan menggunakan kontrol berumpan
balik untuk mengukur kandungan hara. Signal kandungan hara tanah atau
karaktristik pemanenan digunakan untuk mengontrol variable-rate aplicator.
Metode kedua tidak memerlukan sebuah GPS.
Pertanian presisi telah mejadi perhatian akhir-akhir ini karena berpotensi
untuk meningkatkan hasil panen dan mengurangi input produksi. Pengurangan
input seperti nitrat tidak hanya mengurangi biaya produksi tetapi juga
meminimalisir pengaruh buruk terhadap lingkungan seperti kandungan nitrat
dalam air tanah (Ehsani et al. 1999). Tetapi, pertanian presisi memerlukan data
tentang tanah dan hasil panen sangat banyak sehingga memerlukan biaya yang
mahal, waktu yang lama dan membosankan. Kenyataannya, dengan menggunakan
sensor, data tanah dan tanaman secara cepat dan murah dapat diperoleh dan
pengetahuan tentang hubungan antara parameter jenis tanah, tanaman, lingkungan
dan panen yang menjadi faktor utama di dalam penerapan teknik pertanian presisi.
Ehsani et al. (1999) dan Upadyaya (1993) menyimpulkan bahwa teknik
optik adalah sangat mungkin untuk menentukan kandungan nitrat dalam tanah
dengan cepat. Penelitian Ehsani et al. (1999) mempelajari kemungkinan
penggunaan spektrum near-infrared untuk menentukan kandungan nitrat dalam
tanah. Pengujian dilakukan di laboratorium dan di lahan menggunakan dua jenis
tanah untuk mendemonstrasikan spectrum NIR yang sesuai untuk mengukur
kandungan nitrat dalam tanah. Hasilnya menunjukkan bahwa pengukuran
kandungan nitrat tanah bisa dilakukan dengan menggunakan spektrum NIR pada
selang 1800–2300 nm, tetapi kalibrasisite-specificdiperlukan untuk memetakan
variasi nitrat pada daerah yang luas.
Variable-rate technology (VRT) dan sistem aplikasi yang terintegrasi
memberikan pengertian bahwa aplikasi pemupukan diberikan hanya dalam jumlah
atau dosis tertentu berdasarkan lokasi yang membutuhkan. Secara argonomi,
sistemvariable-rate memberikan pengertian bahwa terget pemupukan didasarkan
atas hasil pengujian tanah dan berhubungan dengan sistem informasi kandungan
hara tanah. Secara ekonomi, sistemvariable rateberhubungan dengan biaya yang
11
lingkungan, sistem varible-rate membantu untuk mencegah pemupukan yang
berlebihan yang dapat menyebabkan terjadinya masalah lingkungan
(Wollenhaupt,et al,1993 dalam Radite, 2001)
Menurut survei yang dilakukan oleh Arnholt, et al. (2001) di Ohio
menunjukkan bahwa penerapan pertanian presisi (precision farming) merupakan
faktor yang sangat penting untuk meningkatkan keuntungan petani. Komponen
sistem pertanian presisi yang banyak diterapkan adalah grid soil sampling dan
VRT. Aplikasi VRT untuk pupuk Phospor (P) dan Potasium (K) digunakan lebih
dari 60% kelompok tani, sedangkan hanya sekitar 15% kelompok tani yang
menggunakan VRT untuk pupuk Nitrogen (N) dan hanya sedikit petani yang
menggunakannya untuk pupuk mikro. Tidak ada petani yang menggunakan VRT
untuk pestisida dan penanaman biji-bijian.
2.3 Metering DevicedanHopper
Terdapat banyak jenis metering device yang telah dikembangkan untuk
memperoleh aksi pengukuran (metering) yang konsisten dan seragam. Alat-alat
tersebut umumnya dijalankan oleh ground wheel. Metering akan berhenti ketika
ground wheel berhenti atau terangkat dari permukaan tanah. Metering device
secara umum digolongkan kedalam dua jenis, yaitu aliran positif (positive flow)
dan aliran grafitasi(gravity flow).
Auger-type metering deviceseperti pada Gambar 1a memiliki sebuah pipa
close-fitting auger danauger(ulir) memiliki perpindahan per putaran yang relatif
besar. Loose-fitting atau floating-auger seperti ditunjukkan pada Gambar 1b
secara luas digunakan dalam penanganan hasil pertanian. Diameter dalam dari
tabung adalah sekitar 12.5 mm lebih besar dibandingkan dengan diameter ulir
(auger). Daerah diantara dua ulir digunakan untuk memindahkan bahan ke ujung
hopper, dimana ujunghopperberada pada ujung tabung atau menjatuhkan melalui
pembukaoutlet.
Edge-cell metering deviceditunjukkan pada Gambar 2 . Jarak pemasangan
roda metering diharapkan berada disepanjang hopper dan digerakkan dengan
sebuah poros. Lebar rotor berkisar antara 6 mm – 32 mm dan bekerja dengan
kisaran kecepatan berbeda. Laju pengeluaran dari rotor dikendalikan dengan
15
Berdasarkan cara merangkainya, motor DC dengan koil medan dapat
dibedakan menjadi 3 jenis, yaitu jenis seri, jenisshuntdan jenis gabungan. Motor
DC jenis seri yang terbuat dari sedikit lilitan kawat besar yang dihubungkan seri
dengan jangkar. Jenis motor DC ini mempunyai karakteristik torsi awal dan
variasi kecepatan yang tinggi. Ini berarti bahwa motor dapat memulai
menggerakkan beban yang sangat berat, tetapi kecepatan akan bertambah bila
beban turun. Motor DC dapat membangkit torsi awal yang besar karena arus yang
sama melewati jangkar juga melewati medan. Jadi jangkar membutuhkan arus
yang lebih banyak (untuk membangkitkan torsi lebih besar) dan arus ini juga
melewati medan (untuk menambah kekuatan medan). Oleh karena itu motor DC
berputar cepat dengan beban ringan dan berputar lambat pada saat beban
ditambahkan. Sifat istimewa dari motor DC seri adalah kemampuannya untuk
memulai pergerakan pada beban yang berat.
Motor DC jenis shunt, kumparan medan shunt dibuat dengan banyak
lilitan kawat kecil, sehingga akan memiliki tahanan yang tinggi. Motor shunt
memiliki rangkaian jangkar dan medan yang dihubungkan secara paralel yang
akan memberikan kekuatan medan dan kecepatan motor yang sangat konstan.
Motorshuntdigunakan pada suatu sistem yang memerlukan pengaturan kecepatan
yang baik (konstan). Dengan menambah rheostat yang dipasang seri dengan
rangkaian medan shunt, kecepatan motor dapat dikontrol di atas kecepatan dasar.
Kecepatan motor akan berbanding terbalik dengan arus medan. Ini berarti motor
shunt akan berputar cepat dengan arus medan rendah, dan bertambah pada saat
arus ditambahkan.
Motor DC jenis gabungan(compound)menggunakan lilitan seri dan lilitan
shunt yang umumnya dihubungkan dengan medan-medannya. Hubungan dua
lilitan ini menghasilkan karakteristik pada motor medan shunt dan motor medan
seri. Kecepatan motor tersebut bervariasi lebih sedikit dibandingakn motorshunt,
tetapi tidak sebanyak motor seri. Motor seri jenis gabungan juga mempunyai torsi
yang agak besar, jauh lebih besar jika dibandingkan dengan motor shunt, tetapi
sedikit lebih kecil dibandingkan dengan motor seri. Keistimewaan dari cara
penggabungan ini membuat motor jenis ini akan memberikan variasi penggunaan
2.5 Rotary Encoder
Untuk pengukuran
rotary/shaft encoder. Sec
ilustrasikan seperti pada G
Channel B/ B) pendeteksi
menentukan arah gerakan,
arah jarum jam(counter cl
B) dapat dihitung (mengg
ditempuh. Dengan demikia
olehrotary encoder(Pitow
G
Biasanya encoder i
box, sendi atau bagian be
berlubang (hollow shaft
langsung ke poros obyek y
2.6 MikrokontrollerdanS
DT-51 merupakan d
yaitu perangkat keras dan
DT51 ialah mikrokontrole
MCS-51 Intel dan telah
mikrokontroler, DT51 dil
DT51 bekerja dalam mode
komponen-komponen terse
lain : timer, counter, RS
(PPI), serta LCD port. Pera
Debugger DT51D. Downl
PC (Portable Computer)
16
an posisi putaran yang lebih presisi dapat men
Secara umum prinsip kerja rotay encoder
a Gambar 6. Dua buah sensor optis (Channel
ksi “hitam dan putih” digunakan sebagai acu
an, searah jarum jam (clock-wise, CW) atau be
r clock-wise, CCW).Sedangkan jumlah pulsa (ba
ggunakan prinsip counter) sebagai banyak lang
kian arah gerakan dan posisi dapat dideteksi de
owarno Endra, 2006).
Gambar 6 Prinsip kerjarotary encoder
er ini dipasang segaris dengan poros (shaft) mo
berputar lainnya. Bebarapa tipe encoder memi
aft encoder) yang didesain untuk sistem sa
yang dideteksi.
nSmart Peripheral Controller(SPC)
n development tools yang terdiri dari 2 bagian te
an perangkat lunak. Komponen utama perang
oler 89C51 yang merupakan salah satu turunan
ah menjadi salah satu standar industri duni
dilengkapi pula dengan EEPROM yang memu
mode stand-alone (bekerja sendiri tanpa kompute
rsebut masih banyak fungsi-fungsi lain pada DT
RS-232 serial port, Programmable peripheral
erangkat lunak DT51 terdiri dari Downloader DT
nloader berfungsi untuk mentransfer user prog
17
untuk melacak kesalahan program. Mikrokontroler 89C51 adalah komponen
utama dari DT51. Instruksi dan pin out 89C51 kompatibel dengan standar industri
MCS-51. 89C51 mempunyai spesifikasi standar sebagai berikut :
o CPU 8 bit yang dioptimasi untuk aplikasi kontrol
o 4 Kbytesflash programmableanderasable read only memory(PEROM)
o 128 bytes internal RAM
o 2 buah 16 bit Timer / Counter
o Serial Port yang dapat diprogram
o 5 sumber interupt dengan 2 level prioritas
o On-chip oscillator
o 32 jalur input output yang dapat diprogram
o 64K program memori
o 64K data memori
Smart peripheral motor controller / SPC motor controller merupakan
sebuah modul pengendali motor DC dan motor stepper yang mampu digunakan
untuk mengendalikan kecepatan dan arah putaran 4 buah motor DC atau 2 buah
motor stepper. Modul ini dilengkapi dengan pengendali PID (proportional
integral differential) untuk kendali motor DC yang bisa diatur (tuning) sendiri
oleh pengguna. Selain itu modul SPCmotor controllerini juga dilengkapi dengan
kemampuan microstepping untuk motor stepper sehingga gerakan motor stepper
dapat lebih mulus dan tidak patah-patah tanpa mengurangi kemampuan torsi
motor stepper.
Spesifikasi SPCmotor controllersebagai berikut :
o Daya diperoleh dari sumber catu daya dengan tegangan 9–12 Volt.
o Mampu digunakan untuk mengendalikan kecepatan dan arah putaran 4 motor
DC atau 2 buah motor stepper.
o Umpan balikspeed encoder(frekuensi maksimum 10 kHz).
o Mampu mendeteksi perubahan kecepatan dengan ketelitian hingga 0,1RPS
(rotation per second) atau 6 RPM (rotation per minute).
o Kendali motor DC dapat dilakukan secaraclose loopPID maupunopen loop.
18
o Mendukung tipe step (untuk motor stepper): fullstep, halfstep, microstep4,
microstep8, microstep16, dan microstep32.
o Kecepatan motor stepper sampai dengan 255 PPS (pulse per second).
o Gerak motor stepper dengan ketelitian sampai dengan 0,1º (tergantung tipe
stepdan ketelitian motor stepper).
o Tersedia antarmuka UART RS232/TTL, I2C, dan Lebar Pulsa.
o Pin input/output kompatibel dengan level tegangan TTL dan CMOS.
o Kompatibel dengan modul-modul EMS H-Bridge.
o Terdapat 4 set output PWM (pulse width modulation) 8-bit dengan frekuensi
600 Hz.
o Terdapat 4 kanal ADC 8-bit dengan tegangan referensi 5 Volt dan sampling
ratemaksimum 25 kHz.
o Terdapat 4 pingeneral purpose input/output(GP I/O).
Jika modul SPC motor controller digunakan untuk mengendalikan motor
DC, selain antarmuka UART dan IC, terdapat antarmuka lebar pulsa yang dapat
digunakan untuk mengendalikan kecepatan dan arah putaran motor DC. Pada
modul SPC motor controller terdapat 4 jalur input lebar pulsa, dimana tiap jalur
dapat mengendalikan 1 motor DC. Tiap jalur dapat menerima pulsa (pulsa positif /
logika High) dengan lebar 2 ms – 22 ms, dengan frekuensi maksimum 40 Hz.
Motor akan berhenti jika pulsa yang diberikan memiliki lebar 12 ms. Jika pulsa
yang diberikan (misal: pada jalur 1) memiliki lebar 2 ms, maka motor DC (yang
terhubung pada output ke-1) akan dikendalikan agar berputar pada kecepatan
maksimumnya searah dengan jarum jam (dengan kendali PID). Sebaliknya, jika
pulsa yang diberikan memiliki lebar 22 ms, maka motor DC (yang terhubung pada
output ke-1) akan dikendalikan agar berputar pada kecepatan maksimumnya
berlawanan arah dengan jarum jam.
Mulai lebar pulsa 2 ms sampai dengan 12 ms, setpoint kecepatan akan
berubah secara linier mulai dari kecepatan maksimum sampai dengan berhenti
total. Demikian juga, mulai lebar pulsa 12 ms sampai dengan 22 ms, setpoint
kecepatan akan berubah secara linier mulai dari berhenti total sampai dengan
kecepatan maksimum, tetapi pada arah putaran motor sebaliknya. Kecepatan
Gambar 9 Bentuk t
Terdapat banyak
mengontrol kecepatan mo
modulasi lebar pulsa (P
digunakan dengan berba
gelombang persegi denga
divariasi antara 0–100%. (
2.9 Proporsional Integra
2.9.1 Kontrol Proporsion
Kontrol proporsi
membandingkan nilai k
proporsional. Artinya, el
menerima sebuah sinyal ya
(Bolton W, 2004)
Gambar 10 Di
Gambar 10 menunj
sinyal keluaran kontroller
sebagai gain (penguat) sa
kontroler. Jika dinyatakan d
e
k tegangan PWM dan tegangan ekivalen linierny
k jenis driver/kontrol yang dapat digunaka
motor DC seperti resistive type, transistor
(PWM) dan sebagainya. Tetapi PWM lebih
rsional merupakan metode pengontrolan ya
keluaran kontrol dengan nilai kesalahan
elemen pengoreksi dari sebuah sistem kon
yang proporsional dengan nilai koreksi yang dik
Diagram blok kontrol proporsional (kontrol P)
unjukkan bahwa r adalah input, e adalah error,
ller dan Kp adalah konstanta proporsional. Kp
) saja tanpa memberian efek dinamik kepad
n dalam suatu persamaan, maka diperoleh:
23
Menurut Pitowarno Endra (2006), penggunaan kontrol P memiliki
berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang tidak dinamik. Walaupun dalam
aplikasi dasar sederhana, kontrol P mampu untuk mencapai konvergensi meskipun
error keadaan tenangnya(steady-state error)relatif besar.
2.9.2 Kontrol Proporsional Integral(Proportional Integral Control)
Menurut Bolton W (2004), kontrol integral merupakan kecepatan
perubahan keluaran kontrol I yang proporsional dengan kesalahan masukan dari
sinyale.menurut Pitowarno Endra (2006) bahwa kontrol integral berfungsi untuk
menurunkan steady-state error yang dihasilkan oleh kontrol proporsional,
sehingga kontrolIselalu dikombinasikan dengan kontrolP.
( ) = ∫ ( ) …......(4)
Kiadalah konstanta Integral, sehingga,
( ) = ………...(5)
Jika e(T) mendekati konstan maka u(t) akan menjadi sangat besar sehingga
diharapkan dapat memperbaiki kesalahan, jika e(t) mendekati nol maka efek
kontrol I semakin kecil.
Kontrol I dapat memperbaiki respon steady-state, namun pemilihan Ki
yang tidak tepat dapat menyeabkan respon transien yang tinggi sehingga dapat
menyebabkan ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki yang sangat tinggi dapat
menyebabkan keluaran akan berosilasi (Pitowarno Endra, 2006)
Gambar 11 Diagram blok kontrol Integral (kontrol I)
Dengan sifat dasar kontrol P yang cenderung konvergen dan I yang dapat
memperbaiki respon steady-state maka kombinasi P-I dapat memberikan hasil
yang lebih baik. Dalam diagram blok dapat dinyatakan seperti pada Gambar 12,
Sehingga persamaan keluaran ontrolnya dapat dinyatakan dalam,
= . ( ) + ∫ ………(6)
Ki/s H(s)
r + e
24
Gambar 12 Diagram blok kontrol proporsional-integral (P-I)
2.9.3 Kontrol PID(Proportional Integral Derivative Control)
Menurut Pitowarno Endra (2006), kontrol PID merupakan kombinasi dari
kontrolproporsional (P), integral (I) dan Derivative (D)sehingga akan diperoleh
kontrol yang dapat menghasilkan respon yang terbaik.
Gambar 13 Diagram blok konrol PID
Sistem umpan balik (feedback) didesain untuk menghasilkan sebuah
kemampuan untuk melakukan koreksi terhadap proses yang dikontrol sehingga
diperoleh sebuah variable proses (output)yang terukur (c) mendekati sebuah nilai
yang diinginkan (r) atau nilaiset-point seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.
Hampir semua keluaran kontrol berumpan balik ditentukan oleh nilaierrorantara
set-point dan nilai variabel proses yang terukur. Error terjadi ketika terjadi
perubahan pada set-point secara sengaja atau ketika terjadi perubahan variabel
proses akibat terjadinya perubahan beban proses secara tiba-tiba.
Error e(t) adalah perbedaan antara set-point SP(t) dan hasil pengkuran
PV(t) dan dapat dituliskane(t) = SP(t) – PV(t). Algoritma PID digunakan untuk
sistem kontrol loop tertutup dan juga menjadi dasar untuk banyak algoritma
kontrol tingkat lanjut. PID di dalam kontroller digunakan untuk mengatur
beberapa variabel proses sehingga mendekati nilaiset-point. Secara teori, keluaran
kontrolC(t)dapat ditulis sebagai berikut:
25
Bentuk khusus algoritma PID dikenel dengan istilah ‘posisional’ PID kontrol
karena signal kontrol dihitung berdasarkan referensi dari data sebelumnya (Co).
jika variabel proses berubah-ubah secara cepat terhadap waktu seperti yang sering
terjadi pada metering granular fertilizer, persamaan 7 tidak dapat digunakan
karena derivative error (de(t)/dt) akan menjadi variabel yang kacau dan
menyebabkan performa sistem menjadi buruk. Oleh karena itu, dalam aplikasi
biasanya lebih sering menggunakan penurunan variabel proses PV(t) daripada
error e(t),sehingga dapat dituliskan dalam persamaan
( ) = ( ) + ∫ ( ) − ( )+ ………..(8)
Dalam persamaan 8 melibatkan tiga konstanta yang dapat diatur nilainya dan
ditambahkan secara bersamaan untuk menghasilkan keluaran kontrol C(t). dalam
persamaan ini,Kpadalah konstanta proporsional,KI adalah konstanta integral dan
KD adalah konstanta derivative. Jika error yang dihasilkan besar atau error
berubah-ubah secara cepat maka kontroller akan berusaha untuk membuat koreksi
dengan menghasilkan sebuah nilai keluaran yang besar. Sebaliknya jika variabel
proses sudah sama dengan set-point untuk beberapa waktu maka kontroller akan
berhenti dengan sendirinya. JikaTSadalah interval sampel, maka persamaan PID
untuk kecepatan kontrol dapat di tulis dalam bentuk persamaan 9 (Tham, 1999
dalam Radite P.A.S, 2001):
26
III. METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
Penelitian dilakukan pada bulan Maret sampai November 2010 di
Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan
Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
3.2 Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini dikelompokkan antara lain:
1. Hardware :
o laptop
o DT-51minimum system
o Smart Peripheral Motor Controller(SPCmotor controller)
o EMC 30 AH-Bridge
o Motor DC servo
o Optic rotary encoder
o Kabel USB to RS232
o Timbangan digital
2. Software:
o MicroC-51
o DT-51windows downloader
3. Prototipe:
o Metering device
o Hopper
4. Alat bantu:
o Wadah
o Rangkaian elektronika pendukung
o Stop watch
3.3 Tahapan Penelitian
Secara umum, prosedur yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari
empat tahapan, yaitu pemrograman mikrokontroller, pengujian awal, desain
27
Gambar 14 Bagan alir tahapan penelitian
3.3.1 Studi Pustaka
Pada tahap ini dilakukan pengumpulan berbagai informasi baik cetak
maupun elektronik yang berhubungan dengan lingkup penelitian yang akan
dilakukan, seperti:
Karakteristik pupuk granular dan cara pengaplikasiannya
Jenis dan mekanisme sistemmetering devicedanhopper
Jenis dan komponen-komponen sistem pengendalian
Studi pustaka
Inventarisasi peralatan dan pembuatan rangkaian pendukung
Perancangan dan pemrograman mikrokontrol
Pengujian tanpa beban: 1. Pengujian dengan loop tertutup
2. Tuning:Kp, Ki, Kd
3. Pengujian denganstair-step
response
Identifikasi sistem: K, T, d
Pengujian dengan beban:
1. Pengujian modul padametering device
2. Pengujian dengan pupuk granular tanpa kontrol dan dengan kontrol
Pengujian dengan loop terbuka
Menentukan konstanta PID Kp, Ki, Kd
Disainmetering devicedan
hopper
Pengolahan data
Mulai
28
3.3.2 Inventarisasi Peralatan dan Pembuatan Rangkaian Pendukung
Peralatan yang akan digunakan terdiri dari peralatan utama dan peralatan
pendukung. Peralatan utama seperti modul SPC motor controller, modul DT-51
minimum system, modul EMS 30A H-Bridge. Sedangkan peralatan pendukung
seperti power supply dan peralatan bengkel. Pembuatan rangkaian pendukung
antara lain rangkaianoptic rotary encoderdan sistem pensaklaran.
3.3.3 Pendekatan Disain Fungsional
Pengembangan perancangan sistem pengendalian pemupukan diawali
dengan melakukan pendekatan disain fungsional. Prototipe alat yang akan dibuat
diharapkan mampu melakukan pengendalian keluaran pupuk sesuai yang
dikehendaki dan harus dapat diaplikasikan untuk pupuk granular seperti urea,
SP-36 dan NPK.
Untuk memperoleh sistem yang dapat melakukan kerja seperti di atas,
maka diperlukan tiga unit komponen utama, yaitu 1) Unit penjatah pupuk
granular, 2) Unit pengendalian dan 3) Unit pemrosesan data
Unit penjatah pupuk granular.Unit penjatah pupuk granular berfungsi untuk menjatah pupuk granular sesuai dengan kebutuhan. Komponen-komponen
yang digunakan antara lain:
Motor DC jenis servo berfungsi untuk menggerakkanmetering device
Metering device berfungsi untuk mengatur penjatahan pupuk granular sesuai
dengan kebutuhan. Fungsi ini diperoleh dengan mengatur kecepatan putaran
motor DC
Hopper berfungsi untuk menampung pupuk granular sebelum masuk ke
metering device
Unit pengendalian. Unit pengendalian berfungsi untuk mengendalikan sistem sesuai dengan tujuan pengendalian yang dikehendaki, unit ini terdiri dari:
DT-51 minimum system merupakan development tools yang terdiri dari 2
bagian terintegrasi yaitu perangkat keras dan perangkat lunak yang berfungsi
untuk mengontrol arah dan putaran motor DC
Modul SPCmotor controller merupakan sebuah modul pengendali motor DC
29
dan arah putaran 4 buah motor DC atau 2 buah motor stepper. Modul ini
dilengkapi dengan pengendali PID (Proportional Integral Differential) untuk
kendali motor DC yang bisa diatur (tuning) sendiri oleh pengguna
EMS 30A H-Bridge merupakan driver H-Bridge berbasis VNH3SP30 yang
berfungsi sebagaidrivermotor DC.
RangkaianRotary encoderberfungsi untuk mengukur kecepatan putar (RPM)
motor DC
Unit pemrosesan data. Unit pemrosesan data yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebuah laptop yang berfungsi untuk mengirim program ke
modul microkontroller DT-51 minsys, menerima, memproses dan menampilkan
data kecepatan putar motor dari hasil pengujian.
3.3.4 Pendekatan Disain Struktural
Pendekatan disain struktural digunakan untuk menentukan bentuk dan
dimensi dari metering device dan hopper yang akan dibuat. Metering device dan
hopperharus terbuat dari bahan yang kuat dan tidak mudah berkarat karena akan
diaplikasikan dengan pupuk granular yang memiliki keasaman yang tinggi. Oleh
karena itu, bahan yang digunakan untuk membuat metering device dan hopper
adalah akrilik.
3.3.3.1 Rotor
Rotordirancang dengan menggunakan bahan akrilik setebal 5 mm. Panjangrotor
yang dirancang adalah 20 mm yang diperoleh dari empat susunan akrilik. Rotor
memiliki 6 alur pupuk. Dimensi dan ukuran rancangan rotor ditunjukkan pada
Gambar 15. Ukuran diameter luarrotor5.8 cm dan diameter dalam 3.26 cm.rotor
yang dirancang sebanyak dua buah dengan bentuk dan ukuran yang sama. Kedua
rotor tidak dipasang dalam satu garis tetapi bergeser sekitar setengah dari sudut
rotor, sehingga mempunyai fase tunda sekitar 30o. Hal ini bertujuan untuk
mengurangi puncak torsi dari motor dan fluktuasi keluaran pupuk ketika kedua
rotor dioperasikan bersamaan. Dalam pengujian dapat dilakukan dengan
menggunakan satu rotor dan dua rotor sekaligus dengan cara menutup atau
N ) D W S (10 = Q
m S
32
prioritas, On-chip oscillator, 32 jalur input output yang dapat diprogram, 64K
memori program, 64K memori data.
SPC motor controller memiliki spesifikasi Mampu digunakan untuk
mengendalikan kecepatan dan arah putaran 4 motor DC atau 2 buah motor
stepper, umpan balik speed encoder (frekuensi maksimum 10 kHz), mampu
mendeteksi perubahan kecepatan dengan ketelitian hingga 0,1 RPS (rotation per
second) atau 6 RPM (rotation per minute), kendali motor DC dapat dilakukan
secaraclose loopPID maupunopen loop, parameter PID, toleransi kesalahan, dan
waktu sampling dapat diatur, tersedia antarmuka UART RS232/TTL, I2C, dan
lebar pulsa, pin Input/Output kompatibel dengan level tegangan TTL dan CMOS,
kompatibel dengan modul-modul EMS H-Bridge, terdapat 4 set output PWM
(Pulse Width Modulation) 8-bit dengan frekuensi 600 Hz, terdapat 4 kanal ADC
8-bit dengan tegangan referensi 5 Volt dan sampling rate maksimum 25 kHz,
terdapat 4 pinGeneral Purpose Input/Output(GP I/O).
Spesifikasi dari EMS 30 A H-Bridge adalah terdiri dari 1 driver full
H-Bridge, mampu melewatkan arus kontinyu 30 A, range tegangan output untuk
beban: 5,5 V sampai 36 V (IC VNH2SP30 hanya sampai 16 V), input kompatibel
dengan level tegangan TTL dan CMOS, jalur catu daya input (VCC) terpisah dari
jalur catu daya untuk beban (V Mot), frekuensi PWM sampai dengan 20 KHz,
kompatibel dengan SPC Gamepad Interface serta mendukung sistem
mikrokontroler.
3.3.5 Perancangan dan Pemrograman Mikrokontroller
Perancangan dan pemrograman mikrokontroller meliputi pemilihan
bahasa pemrograman, penulisan, kompilasi dan proses download program ke
modul mikrokontroller. Bahasa pemrograman yang akan digunakan adalah bahasa
C. Pemilihan bahasa C didasarkan oleh beberapa keunggulan yang dimiliki,
diantaranya merupakan bahasa yang powerful, fleksibel dan portable sehingga
dapat dijalankan dibeberapa sistem operasi yang berbeda (Joni I. M dan Raharjo.
B, 2006). Algoritma program seperti ditunjukkan pada lampiran 5. Kode-kode
bahasa C ditulis dalam sebuah editor dalam program notepad. Program yang
dihasilkan pada tahap ini masih berekstensi .c. dan dinamakan source code.
33
object codedengan ekstensi.obj. Hasil kerjacompilerakan dilanjutkan ke sebuah linker dan menghasilkan file dengan ekstensi .binatau .hex. Kedua file ini yang
selanjutnya dapat didownloadkan ke modul mikrokontroller.
3.3.6 Kalibrasi Kecepatan Motor dengan PWM
Kalibrasi kecepatan motor dilakukan tanpa beban untuk melihat
hubungan antara nilai PWM dengan putaran motor dan hubungan antara tegangan
input motor dengan putaran motor. Kalibrasi dilakukan dengan menggunakan
perintah PWM. Nilai PWM yang digunakan berkisar antara 0% sampai 100% atau
PWM 0 sampai 255 dengan interval 10 satuan PWM. Tegangan catu daya yang
digunakan adalah 14.64 volt. Tegangan input motor adalah tegangan yang keluar
dari pin V-mot EMS 30A H-Bridge. Mula-mula motor dijalankan dengan PWM
10, kemudian tegangan V-mot dari EMS 30 H-Bridge diukur dengan
menggunakan voltmeter digital sedangkan putaran motor diukur dengan
menggunakan tachometer. Prosedur ini dilakukan untuk nilai PWM 20 sampai
PWM 255. Hasil kalibrasi kemudian diplotkan kedalam suatu grafik hubungan
antara PWM dengan putaran motor dan tegangan input motor dengan putaran
motor. Kemudian dilakukan analisis regresi.
3.3.7 Pengujian denganLoopTerbuka
Setelah pembuatan program selesai, kemudian dilakukan pengujian
sistem kontrol dengan menggunakan motor DC. Pengujian awal dilakukan tanpa
beban untuk menguji kinerja sistem kontrol yang telah dibuat. Pengujian awal
dilakukan dengan menggunakan pengendalian sistem loop terbuka, skema sistem
pengendalian dengan loop terbuka ditunjukkan pada Gambar 17. Kecepatan
putaran motor DC dikendalikan dengan menggunakan set-point PWM (Pulse
Width Modulation). Nilai PWM yang digunakan adalah 50, 100, 150, 200 dan
250. Hasil pengujian merupakan sebuah sinyal tangga dengan ukuran yang
dinyatakan sebagai persentase perubahan K. Selanjutnya diamati respon keluaran
yang dikontrol yaitu kecepatan putaran motor, sebagai persentase terhadap
jangkauan skala penuh terhadap masukan. Grafik yang menggambarkan relasi
antara variabel terhadap waktu diplotkan seperti ditunjukkan pada Gambar 18.
34
yang diGambarkan. Waktu antara titik mulainya sinyal uji dan titik dimana garis
tangen ini memotong sumbu waktu disebut sebagai jeda/ketertinggalan (d). Nilai
dari gradien maksimum adalah T, yang dinyatakan sebagai persentase perubahan
nilai variabel yang ditentukan per menit. Data pengujian yang diperoleh
selanjutnya digunakan untuk menentukan atau mengidentifikasi
parameter-parameter sistem yaitu gain (K), time constant (T) dan dead time (d). ketiga
parameter ini selanjutnya digunakan untuk menentukan konstanta PID awal yang
akan digunakan.
Gambar 17 Sistem pengendalian motor DC dengan loop terbuka
Gambar 18 Grafik penentuan nilai K, T dan d
Penentuan nilai konstanta PID awal dilakukan dengan menggunakan
metode Zeighler dan Nichols. Nilai konstanta K, T dan d yang diperoleh dari
pengujian loop terbuka akan digunakan untuk menentukan nilai Kp, Ki dan Kd
dengan memasukkan kepersamaan Zeighler dan Nichols pada tabel 6.
Tabel 9 Kriteria Zeighler dan Nichols
Tipe pengontrol Kp Ki Kd
P
Sumber: Bolton W, 2004
35 3.3.8 Pengujian denganStair-Step Response
Pengujian dengan stair-step response dilakukan untuk melihat performa
dan respon sistem dalam mengikuti step set-point yang diberikan, baik step naik
maupun turun. Pengujianstair-step responsedilakukan tanpa menggunakan beban
pupuk. Pengujian dilakukan dengan menggunakan dua perlakuan, yaitu pengujian
tanpa kontrol PID dan pengujian dengan kontrol PID.
3.3.8.1 Pengujian tanpa Kontrol PID
Pengujian tanpa kontrol PID dilakukan dengan menggunakan kontrol
loop terbuka (open loop control). Artinya tidak ada umpan balik (feedback)
keluaran terhadap masukan sehingga tidak ada koreksi terhadap kesalahan(error)
yang terjadi. Pengujian dialakukan dengan menggunakan set-point kecepatan
putar motor, yaitu; 400, 800, 1200, 1600, 2000, 0, 2000, 1600, 1200, 800, 400 dan
0 rpm. Putaran motor diukur oleh optic speed encoder yang selanjutnya dibaca
oleh SPCmotor controller. Hasil pembacaan putaran motor kemudian dikirim ke
laptop melalui jalur komunikasi serial RS232 kemudian ditampilkan melalui
programhyperterminal,
3.3.8.2 Pengujian dengan Kontrol PID
Pengujian dengan kontrol PID dilakukan sebagai proses penalaan
(tuning.) Penalaan digunakan untuk menggambarkan metode-metode yang
digunakan serta untuk memilih pengaturan pengontrol terbaik untuk mendapatkan
unjuk kerja tertentu (Bolton, W. 2004). Penalaan dilakukan melalui pengujian
sistem dengan loop tertutup seperti pada Gambar 20, periode sampling diatur 60
ms dan frekuensi sampling 16.7 Hz. Pengujian dilakukan dengan menggunakan
11 nilai set-point masing-masing 400, 800, 1200, 1600, 2000, 0, 2000, 1600,
1200, 800, 400 rpm, kemudian dilakukan pengujian sistem dengan beberapa
kombinasi nilai P, I dan D tiap kombinasi PID dilakukan pengulangan sebanyak
tiga kali. Kecepatan putar motor diukur dengan menggunakanoptic speed encoder
kemudian dibaca oleh SPC motor kontroller hasil pembacaan putaran motor
ditampilkan menggunakan program hyperterminal melalui komunikasi serial
