STUDI IMPLEMENTASI SISTEM KENDALI ON-OFF PADA IN STORE DRYER (ISD) UNTUK KOMODITAS JAGUNG DENI HENDARTO

STUDI IMPLEMENTASI SISTEM KENDALI ON-OFF PADA

IN STORE DRYER (ISD) UNTUK KOMODITAS JAGUNG

DENI HENDARTO

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2008

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Studi Implementasi Sistem Kendali On-Off

Pada In Store Dryer(ISD) Untuk Komoditas Jagung 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, Agustus 2008

Deni Hendarto

ABSTRACT

DENI HENDARTO. Study on Implementation of On-Off Control System on In-Store Dryer (ISD) for Corn Drying. Under direction of LEOPOLD OSCAR NELWAN, I DEWA MADE SUBRATA, and RAFFI PARAMAWATI.

In Store Drying is a drying method that uses ambient air as the drying medium and usually applied for grain. In Indonesia, although the humidity is relatively high, this drying method can still be applied by using an appropriate control system. In this research, a control system algorithm had been developed based on comparing the potential of ambient air with the air condition inside the ISD. The control system hardware was constructed based on the algorithm and then was tested for two different ambient air conditions. Corn was used as the material being dried. Simulation based on heat and mass balance was also performed in order to obtain the performed of the control system.

The control system constructed in this research included a power supply, a control circuit, a parallel port circuit with IC74244, and circuit for sensor SHT75. The control system selected the ambient air used for drying of grain in store dryer.

The performance test showed that with the average ambient air temperature of 32,8oC and relative humidity of 51,93%, the system could dry 1201,2 kg of shelled corn from the initial moisture content of 17,61% to 12,37%d.b. within 50 hours while the system could dry 915,0 kg from the initial moisture content of 18,02% to 12,25%d.b. within 40 hours when the average temperature was 31,14oC and relative humidity was 54,16%. The simulation performed showed that by using on-off control system, an amount of 350 kg/m2 shelled corn can be dried from moisture content of 18% to 15%d.b. within 33 hours with energy consumption 175MJ. Without the control system the same amount of the shelled corn the drying time was 68 hours and then the energy consumption was 360MJ.

RINGKASAN

DENI HENDARTO. Studi Implementasi Sistem Kendali On-Off Pada In Store Dryer (ISD) untuk Komoditas Jagung. Dibimbing oleh LEOPOLD OSCAR NELWAN, I DEWA MADE SUBRATA, dan RAFFI PARAMAWATI.

Sistem pengeringan dalam penyimpanan In Store Dryer (ISD) adalah metode pengeringan dalam penyimpan menggunakan udara lingkungan yang dihembuskan melalui tumpukan biji-bijian yang akan dikeringkan. Udara lingkungan harus lebih kering daripada udara dalam ISD, sehingga kandungan air dalam biji akan bergerak ke luar. Sebagai negara tropis, kondisi udara lingkungan di Indonesia pada umumnya memiliki RH yang tinggi, akan tetapi pada siang hari suhu rata-rata dapat lebih tinggi dari 30oC dengan kelembaban lebih rendah dari 70%. Udara dengan kondisi demikian cukup potensial untuk digunakan sebagai media pengeringan jagung, mengingat kadar air keseimbangan jagung pada kondisi tersebut dapat mencapai kurang dari 14%. Untuk itu dibutuhkan sistem kendali yang dapat mengendalikan pengaliran udara pada saat yang tepat. Pada penelitian ini, sistem kendali diterapkan dengan cara mengalirkan udara ketika suhu udara lingkungan relatif tinggi dan kelembaban rendah. Diharapkan dengan sistem kendali pada ISD ini, maka konsumsi energi dapat dihemat dan kualitas dapat dipertahankan, sehingga biaya produksi menjadi lebih murah.

Metode yang digunakan dalam penelitian ini mencakup rancang bangun sistem kendali on-off berdasarkan algoritma sistem kendali yang membandingkan kondisi udara lingkungan dan di dalam ISD, rancang bangun hardware sistem kendali on-off pada ISD, mengkalibrasi sensor suhu dan kelembaban, validasi metode perhitungan kadar air, serta menguji performansi sistem kendali on-off pada ISD. Untuk keperluan pengembangan sistem dilakukan simulasi ISD dengan dan tanpa kendali yang didasarkan pada keseimbangan termal.

Sistem kendali pada ISD yang telah dibuat terdiri atas rangkaian catu daya, rangkaian kendali, rangkaian port paralel dengan IC74244, dan rangkaian untuk sensor SHT75. Berdasarkan hasil kalibrasi sensor suhu dan RH yang digunakan dalam penelitian ini telah bekerja dengan baik dan memberikan keluaran yang linier terhadap perubahan suhu dan RH dengan R2=0,9959 untuk suhu dan R2=0,9974 untuk RH. Sedangkan validasi metode penentuan kadar air memberikan R2 sebesar 0,9892. Dengan suhu lingkungan rata-rata 32,8oC dan RH rata-rata 51,93%, pengeringan pada ISD dengan beban 1201,2kg mampu menurunkan kadar air dari sekitar 17,61% hingga 12,37%b.k. selama pengeringan 50 jam. Sedangkan pengeringan dengan beban 915kg mampu menurunkan kadar air dari sekitar 18,02% menjadi 12,25%b.k. dengan suhu lingkungan rata-rata 31,14oC dan RH lingkungan rata-rata 54,16% selama 40jam. Hasil simulasi pada rata-rata suhu lingkungan 31,62oC dan kelembaban 0,022 kg/kg udara kering menunjukkan bahwa dengan menggunakan sistem kendali on-off pengeringan jagung dari kadar air 18% menjadi 15%b.k. membutuhkan waktu 33 jam dan konsumsi energi sebesar 175MJ, sedangkan tanpa sistem kendali memerlukan waktu 68 jam dan energi yang dibutuhkan sebesar 360MJ. Setelah dilakukan pengeringan selama 50 jam hingga mencapai kadar air 12,37% dan penyimpanan selama 30 hari dalam ISD, diketahui bahwa kontaminasi aflatoksin dalam jagung hasil pengujian kualitas adalah 21,1ppb. Nilai ini masih memenuhi persyaratan mutu SNI yaitu 50ppb.

@ Hak Cipta milik IPB, tahun 2008 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber

a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah

b. pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB

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

STUDI IMPLEMENTASI SISTEM KENDALI ON-OFF PADA

IN STORE DRYER (ISD) UNTUK KOMODITAS JAGUNG

DENI HENDARTO

Tesis

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada

Departemen Teknik Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2008

i

Judul Penelitian : Studi Implementasi Sistem Kendali On-Off Pada In Store Dryer(ISD) Untuk Komoditas Jagung

Nama : Deni Hendarto NRP : F151060031

Disetujui Komisi Pembimbing

Dr. Leopold Oscar Nelwan, S.TP., M.Si. Ketua

Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr. Anggota

Dr. Ir. Raffi Paramawati, M.Si. Anggota

Mengetahui, Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan

Pertanian

Dekan Sekolah Pascasarjana

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr. Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S.

ii

PRAKATA

Assalamu’alaikum wr. wb.

Alhamdulillahi robbilalamin. Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karuniaNya sehingga Tesis ini dapat diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian ini ialah sistem kendali (control system) dengan judul “Studi Implementasi Sistem Kendali On-Off Pada In Store Dryer (ISD) untuk Komoditas Jagung”. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan September 2007 hingga Mei 2008. Selanjutnya shalawat serta salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW beserta keluarganya, para sahabat, para pemimpin yang adil dan pada ummat islam hingga akhir zaman.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr. Leopold O. Nelwan, S.TP., M.Si. selaku ketua komisi pembimbing serta Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr. dan Dr. Ir. Raffi Paramawati, M.Si. selaku anggota komisi pembimbing yang telah memberikan saran, bimbingan dan arahan dalam penyusunan tesis ini. Selanjutnya ucapan terima kasih disampaikan kepada Prof. Dr. Ir. Kudang B. Seminar yang telah bersedia sebagai penguji luar komisi pada ujian tesis ini.

Rasa terima kasih penulis sampaikan kepada Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr. selaku Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian yang telah memberikan arahan dalam penelitian ini, Pof. Dr. Ir. Prawoto, M.SAe. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor yang telah memberikan izin, rekomendasi dan motivasi. Rasa terima kasih juga disampaikan kepada Departemen Pendidikan Nasional, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi melalui BPPS yang telah memberikan beasiswa dalam menempuh pendidikan S2 di IPB, serta Departemen Pertanian melalui program penelitian bidang KKP3T dengan Nomor Kontrak: 1632/LB.620/J.1/5/2007 yang telah membiayai penelitian ini.

Ungkapan terima kasih yang tak terhingga penulis sampaikan kepada isteriku Efrina Bakhtiar, juga anak-anakku tercinta Defin Akbar Fajari dan Defira Nur Fatimah, ayah dan ibuku yang mulia, serta seluruh kakak dan adikku beserta keluarganya yang telah memberikan segala kasih sayang, dukungan, moral, material, dan doanya. Rasa terima kasih juga disampaikan kepada rekan-rekan penelitian Mas Lilik Tri Mulyantara, Sdri. Tamaria Panggabean, dan Sdr. Diswandi Nurba, serta teman-teman Angkatan Tahun 2006,

iii Mas Susanto, Mas Warji, Sdr. Surya, Sdri. Riswanti, Mas Wahyu dan Mas Farry atas kerja sama, dukungan, dan bantuannya selama studi dan penelitian.

Selanjutnya ungkapan terima kasih yang setulus-tulusnya disampaikan kepada Sdr. Renato Saksanni, Sdr. Syahrudin, dan Sdri. N. Nurpatia atas bantuan teknis dan non teknis yang telah diberikan. Demikian juga kepada Bapak Harto, Kang Firman, dan Kang Darma selaku pegawai Laboratorium Energi dan Elektrikfikasi Pertanian yang telah membantu dalam pengambilan data serta rekan-rekan dosen dan karyawan Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor atas dukungan dan bantuannya yang telah diberikan.

Akhirnya dengan panjatan doa, semoga Allah SWT membalas segala kebaikan dan amal soleh mereka dengan yang lebih baik dan semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Wassalamu’alaikum wr. wb.

Bogor, Agustus 2008

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 4 Oktober 1974 dari ayah M. Hartono dan ibu Lilik Suginem. Penulis merupakan putra ketiga dari enam bersaudara.

Tahun 1993 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Jambi dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk Universitas Ibn Khaldun Bogor. Penulis memilih Program Studi Teknik Elektro dan Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik.

Kemudian pada tahun 2000 penulis diterima sebagai tenaga pengajar di Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor.

iv

DAFTAR ISI

Halaman DAFTAR TABEL ... vi DAFTAR GAMBAR...vii DAFTAR LAMPIRAN ... ix BAB 1. PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penelitian... 3 1.3 Manfaat Penelitian... 3

1.4 Ruang Lingkup Penelitian ... 3

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA... 4

2.1 Karakteristik Pengeringan ... 4

2.2 Kadar Air Keseimbangan dan Kualitas. ... 5

2.2.1 Kadar air keseimbangan (Me) ... 5

2.2.2 Konstanta pengeringan (k) ... 6

2.2.3 Persamaan lapisan tipis... 6

2.3 Pengeringan dan Penyimpanan... 7

2.4 Sistem Pengeringan ... 8

2.4.1 Pengeringan dengan udara panas... 8

2.4.2 Pengeringan dengan udara alami... 8

2.5 Sistem Kendali dalam Pengeringan... 9

2.6 Penerapan Sistem Kendali Menggunakan Komputer (PC) ... 11

2.6.1 Konfigurasi port paralel... 12

2.6.2 Pengaksesan dan pengalamatan port paralel ... 13

2.7 Sensor suhu dan kelembaban tipe SHT75 ... 14

2.8 Transmisi Data... 15

2.9 Pascapanen dan Kualitas Jagung Berdasarkan SNI... 16

BAB 3. METODE PENELITIAN... 18

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 18

3.2 Alat dan Bahan ... 18

v

3.4 Sistem Kendali pada ISD Menggunakan Personal Computer (PC) ... 19

3.4.1 Skema ISD... 19

3.4.2 Skema sistem kendali dan pembuatan modul (subprogram) ... 19

3.4.4 Perancangan Hardware... 22

3.4.5 Interfacing komputer ... 23

3.4.6 Kalibrasi output SHT75 dan kadar air... 24

3.4.7 Sensor suhu dan kelembaban... 25

3.4.8 Validasi metode pendugaan kadar air... 25

3.5 Pengujian Sistem Kendali... 26

3.6 Konsumsi Energi Listrik... 27

3.7 Analisis Kualitas Jagung Hasil Pengeringan Berdasarkan SNI... 27

3.8 Pemodelan dan Simulasi... 28

BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN... 31

4.1 Hardware Sistem Kendali Pada ISD... 31

4.1.1 Bagian-bagian luar perangkat sistem kendali... 31

4.1.2 Bagian-bagian dalam perangkat sistem kendali ... 32

4.2 Kalibrasi Sensor SHT75 pada Sistem Kendali ISD... 35

4.3 Uji Kinerja Penerapan Sistem Kendali pada ISD... 38

4.3.1 Perubahan suhu dan RH ... 38

4.3.2 Penurunan kadar air... 41

4.3.3 Konsumsi energi listrik... 44

4.3.4 Simulasi pengeringan ... 45

4.3.5 Pengamatan kualitas sebelum dan setelah pengeringan dalam ISD ... 51

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN... 53

5.1 Kesimpulan... 53

5.2 Saran ... 53

DAFTAR PUSTAKA... 54

vi

DAFTAR TABEL

Halaman

1. Aliran udara minimum yang direkomendaikan untuk pengeringan jagung pipilan dengan udara tanpa pemanasan (Hall, 1993)... 10 2. Nama port dan alamat register... 14 3. Persyaratan mutu standar jagung sebagai bahan baku pakan berdasarkan SNI

01-4483-1998... 17 4. Pin dan nama register pada DB25 yang digunakan untuk sistem kendali... 24 5. Konsumsi energi spesifik (KES) pada pengujian 1 dan pengujian 2 ... 44 6. Hasil perbandingan parameter kualitas jagung saat dimasukkan ke ISD, setelah

pengeringan dan penyimpanan 30 hari dalam ISD dan persyaratan SNI jagung pakan... 51

vii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

1. Port parallel (DB25) pada personal computer (PC) tampak depan... 12

2. Port-port dalam Port Paralel ... 12

3. Susunan pin eksternal soket DB25 female pada port paralel PC ... 13

4. Sensor temperature dan kelembaban (SHT75)... 15

5. Rangkaian Sensor Suhu dan Kelembaban Relatif SHT75... 15

6. Port Paralel (DB25) dan Port Serial (DB9) ... 16

7. Skema sistem kendali pada ISD ... 20

8. Diagram alir pengendalian... 22

9. Skema validasi metode pendugaan kadar air... 26

10. Elemen tumpukan... 28

11. Perangkat sistem kendali tampak depan... 31

12. Perangkat sistem kendali tampak belakang... 32

13. Perangkat sistem kendali tampak atas ... 32

14. Perangkat sistem kendali tampak samping... 33

15. Sistem catu daya dan relay ... 33

16. Rangkaian sistem proteksi terhadap arus dan tegangan lebih. ... 34

17. Panel alat ukur voltmeter dan Amperemeter ... 34

18. Perangkat sistem kendali menggunakan PC saat dioperasikan ... 34

19. Hasil kalibrasi suhu sensor SHT75 dengan termometer standar ... 35

20. Nilai hasil kalibrasi RH sensor SHT75 dengan alat pengering ... 36

21. Hasil kalibrasi nilai kadar air pendugaan dengan pengukuran (oven)... 37

22. Fluktuasi suhu selama pengeringan pada pengujian 1... 38

23. Fluktuasi suhu selama pengeringan pada pengujian 2... 39

24. Fluktuasi RH selama pengeringan pada pengujian 1... 40

25. Fluktuasi RH selama pengeringan pada pengujian 2... 40

26. Nilai KA jagung (lingkungan) dan KA jagung (ISD) pengujian 1... 41

27. Nilai Kadar air lingkungan dan ISD hasil pendugaan pengujian 2 ... 42

viii

29. Perbandingan KA hasil pendugaan dan pengukuran pengujian 2 ... 43

30. Perbandingan penurunan KA hasil simulasi dengan pengukuran ... 46

31. Penurunan kadar air hasil simulasi dengan mengubah laju aliran massa udara ... 47

32. Penurunan kadar air hasil simulasi dengan mengubah tebal tumpukan ... 48

33. Data fluktuasi suhu lingkungan dan humidity yang digunakan pada simulasi... 49

34. Penurunan kadar air hasil simulasi tanpa sistem kendali ... 50

ix

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

1. Sistem Pengering ERK-Hybrid dan In-Store Dryer Terintegrasi... 58

2. Programme Listing Sistem Kendali Pada ISD ... 59

3. Skema diagram sistem kendali menggunakan komputer ... 71

4. Rangkaian catu daya, rangkaian relay, dan magnet kontaktor ... 72

5. Tabel nama pin pada konektor port parallel (DB25)... 73

6. Data hasil penerapan dan pengujian 1 sistem kendali pada ISD ... 74

7. Data hasil penerapan dan pengujian 2 sistem kendali pada ISD ... 75

x

DAFTAR SIMBOL

Cpa : panas jenis udara kering (J/kgoK)

Cpg : panas jenis bijian (J/kgoK

Cpl : panas jenis air pada bijian (J/kgoK)

Cpw : panas jenis uap air (J/kgoK)

Ga : laju aliran udara (kg/m2s)

H : Kelembaban (kg/kg)

hcv : coeffisien panas volumetric air (kJ/mnt-m3-K)

I : arus (A)

k : konstanta pengeringan (dalam mnt-1)

La : panas laten penguapan air (kJ/kg)

Lg : panas laten penguapan dari bijian (kJ/kg)

M : kadar air akhir bijian basis kering (% b.k)

Me : kadar air keseimbangan (% b.k)

M0 : kadar air awal (% b.k)

Mw : kadar air bijian basis basah (% b.b)

Patm : tekanan atmosfer (kPa)

Ps : tekanan jenuh air (kPa)

Pv : tekanan uap (kPa)

Pw : daya listrik (Watt)

RH : kelembaban nisbi (%)

SORH : keluaran sensor untuk RH (dalam desimal)

SOT : keluaran sensor untuk suhu (dalam desimal)

t : waktu (detik)

T : suhu mutlak (o_C) Ta : suhu udara (oC)

V : tegangan (V)

ρd : massa jenis bijian (kg/m3)