OTOMATISASI KENDALI TEMPERATUR PADA PRODUKSI BIOGAS DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) DENGAN MIKROKONTROLER ARDUINO MEGA 2560 SKRIPSI

(1)

OTOMATISASI KENDALI TEMPERATUR PADA

PRODUKSI BIOGAS DARI LIMBAH CAIR PABRIK

KELAPA SAWIT (LCPKS) DENGAN

MIKROKONTROLER ARDUINO MEGA 2560

SKRIPSI

Oleh

EKUINO SIMANUNGKALIT

110405124

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

JULI 2016

(2)

OTOMATISASI KENDALI TEMPERATUR PADA

PRODUKSI BIOGAS DARI LIMBAH CAIR PABRIK

KELAPA SAWIT (LCPKS) DENGAN

MIKROKONTROLER ARDUINO MEGA 2560

SKRIPSI

Oleh

EKUINO SIMANUNGKALIT

110405124

SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN

PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

JULI 2016

(3)

(4)

(5)

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul “Otomatisasi Kendali Temperatur pada Produksi Biogas dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) dengan Mikrokontroler Arduino Mega 2560”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik.

Hasil penelitian ini:

 Penelitian ini memberikan informasi mengenai sistem kendali temperatur untuk produksi biogas dari LCPKS dengan mikrokontroler Arduino Mega 2560.

 Penelitian ini memberikan informasi mengenai rancangan sistem kendali temperatur untuk produksi biogas dari LCPKS dengan mikrokontroler Arduino Mega 2560.

 Penelitian ini memberikan sumbangan ilmu pengetahuan mengenai pengendalian temperatur pada produksi biogas dari LCPKS.

Selama melakukan penelitian hingga penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar - besarnya kepada:

1. Ir. Bambang Trisakti M.T selaku Dosen Pembimbing

2. Dr. Eng. Rondang Tambun, ST, MT selaku Dosen Penguji I 3. Dr. Eng . Ir. Irvan M.Si selaku Dosen Penguji II

4. Dr. T. Husaini S.T., M.Sc selaku Dosen Pembina 5. Ir. Renita Manurung M.T selaku Koordinator Skripsi

6. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia yang telah memberikan banyak ilmu yang berharga dan bantuan kepada penulis selama menjalankan perkuliahan.

(6)

iv

7. Saudara penulis, Eka J. Simanungkalit dan Eko S. Simanungkalit, Amd. yang selalu memberikan dukungan spiritual dan materil.

8. Rekan penelitian Tri Putra R. Pasaribu dan rekan-rekan LPPM yaitu Bang Zoeliadi, Bang Basril Amirza Harahap, Bang Dedy Anwar, Bang Dwi Budi Prasetyo, Intan Afrilia, Yola Melida, Ramlan, Rio Agung Prakoso, M. Darul Nafis, Khairul Fahmi, Endah Hutabarat, Joko Pratama, Christianto Sitio, dan Muksalmina.

9. Teman sejawat, Alfarodo Silaban, M. Amri Prayogo, Edy Saputra, Dedy O.S. Siburian, Gerson Rico Harianja, Imam Bestari Harahap, Iqbal L.N., Pontius Pardede, Raja Nico Perez Samosir, Randy Sitorus, Tongam May Adrivan Sinaga, Yosef Carol H. Sianipar, Anita Manullang, Windi Monica Surbakti, Golda C.S., dan Rizka Rinda Pramasti yang telah banyak memberikan banyak dukungan, semangat, doa, pembelajaran hidup dan kenangan tak terlupakan kepada penulis.

10. Adik – adik Teknik Kimia angkatan 2014 yang telah banyak memberikan banyak dukungan, semangat, dan kenangan tak terlupakan kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Medan, Juli 2016

Penulis

(7)

DEDIKASI

Skripsi ini saya persembahkan untuk:

Kedua orang tua penulis tercinta

T. Simanungkalit, Dipl, ATP. dan Ng. A. Suyani

Terimakasih Bapak dan Ibu atas pengorbanan dan cinta kasih yang

diberikan selama ini untuk membesarkan, mendidik,

memberi motivasi dan doa serta materil sehingga

penulis mampu mendapatkan gelar sarjana

(8)

vi

RIWAYAT HIDUP PENULIS

Nama : Ekuino Simanungkalit NIM : 110405124

Tempat, tgl lahir : Medan, 19 Desember 1992 Nama Orang Tua : T. Simanungkalit dan Ng. A.

Suyani Alamat Orang Tua :

Jalan Sei Bahbolon No 31 Medan Baru

Asal Sekolah :

 SD Negeri 060888 Medan Sunggal tahun 1998 – 2004

 SMP Yayasan Pendidikan Raksana Medan tahun 2004 – 2007

 SMA Yayasan Pendidikan Raksana Medan tahun 2007 – 2010 Pengalaman organisasi/kerja:

1. Anggota Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2014/2015

2. Kerja Praktek di PT. Perkebunan Nusantara IV (Persero) Unit Usaha: Pabatu (PAB) Indonesia tahun 2015

3. Koordinator Seksi Dana Panitia Natal Teknik Kimia FT USU tahun 2014

(9)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan dan perakitan komponen-komponen berbasis mikrokontroler Arduino Mega 2560 serta mendapatkan sistem Human

Machine Interface (HMI) yang digunakan untuk pengendalian proses konversi

LCPKS menjadi biogas. Penelitian ini terdiri dari dua tahap, yakni: tahap perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Pada tahap perancangan perangkat keras akan menghubungkan mikrokontroler Arduino dengan tangki berpengaduk dan laptop/PC. Pada tahap perancangan perangkat lunak terdiri rancang bangun program Arduino serial MAX 6675, dan rancang bangun program LabVIEW. Hasil penelitian ini menunjukan bahwa komponen-komponen yang sesuai untuk pengendalian proses konversi LCPKS adalah Arduino Mega 2560, modul serial MAX 6675, sensor termokopel tipe K, TRIAC (Triode

for Alternating Current), resistor dan Optoisolator MOC3021. Untuk sistem HMI

sudah sesuai dengan kebutuhan dengan tampilan grafik dari kondisi tangki berpengaduk dan data logger sudah dapat tersimpan dalam aplikasi Microsoft Excel secara otomatis. Pada pengujian kalibrasi sensor termokopel atas, tengah dan bawah ditunjukan dengan persamaan karakteristik sensor masing-masing adalah 𝑦 = 0,9614𝑥 + 2,4362; 𝑦 = 0,9523𝑥 + 1,7447; dan 𝑦 = 0,9638𝑥 + 1,605. Kemudian penelitian dijalankan menggunakan set point 55oC dengan variasi

hysteresis 1, 3, dan 5oC. Serta hasil pengujian untuk perubahan termokopel terhadap respon kendali heater menunjukan bahwa temperatur dengan set point 55°C pada

hysteresis 1°C lebih baik responnya dibandingkan dengan hysteresis 3°C maupun

5°C.

Kata Kunci : Mikrokontroler, Data Logger Otomatisasi, Arduino Mega 2560,

(10)

viii

ABSTRACT

The purpose of this research is to obtain and the assembly of the components of the Arduino Mega 2560 - based microcontroller system and to obtain Human Machine Interface (HMI) which is used for POME conversion into biogas process control. This study is consisted of two stages, which is: the hardware design and software design. At the hardware design, the stirred tank and a laptop / PC will be connected to the Arduino microcontroller. The software design is consisted in to two steps, which is programing Arduino serial MAX 6675, and design a LabVIEW program. The results indicated that the components which is suitable for process control POME conversion were Arduino Mega 2560, MAX 6675 series modules, sensor thermocouple type K, TRIAC (Triode For Alternating Current), resistor and optoisolator MOC3021. The HMI systems was also suitable for the needs with graphic display of the conditions of the stirred tank and data logger was automatically stored in Microsoft Excel. In thermocouple sensor calibration testing the top, middle and bottom of the characteristic equation shown for each sensor is y = 0,9614x + 2,4362; y = 0,9523x + 1,7447; and y = 0,9638x + 1,605. Afterward, this study continued using a set point 55°C with a variation of hysteresis 1, 3, and 5oC. And the results of testing for thermocouple changes to the heater control response with the temperature set point 55°C indicated that at 1°C hysteresis better response than the hysteresis 3°C and 5oC.

Keywords : Microcontroller, Data Logger, Otomatisation, Arduino Mega 2560, Labview

(11)

DAFTAR ISI

Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i

PENGESAHAN ii

PRAKATA iii

DEDIKASI v

RIWAYAT HIDUP PENULIS vi

ABSTRAK vii

ABSTRACT viii

DAFTAR ISI ix

DAFTAR GAMBAR xii

DAFTAR TABEL xiv

DAFTAR LAMPIRAN xv

DAFTAR SINGKATAN xvi

BAB I PENDAHULUAN 1 1.1 LATAR BELAKANG 1 1.2 PERUMUSAN MASALAH 4 1.3 TUJUAN PENELITIAN 4 1.4 MANFAAT PENELITIAN 4 1.5 RUANG LINGKUP 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6

2.1 PERKEMBANGAN KELAPA SAWIT DI INDONESIA 6 2.2 LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT (LCPKS) 7 2.2.1 Sumber Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) 7 2.2.2 Karakteristik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) 8 2.2.3 Pemanfaatan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit (LCPKS) sebagai

Biogas 8

2.3 MEKANISME PEMBENTUKAN BIOGAS 9

2.3.1 Hidrolisis 9

2.3.2 Asidogenesis 10

(12)

x 2.3.4 Metanogenesis 11 2.4 PARAMETER FERMENTASI 11 2.4.1 Alkalinitas 11 2.4.2 Derajat Keasaman (pH) 11 2.4.3 Kebutuhan Nutrisi 12 2.4.4 Temperatur Operasi 12 2.5 MIKROKONTROLLER 13

2.5.1 Perangkat Keras (Hardware) 13

2.5.1.1 Arduino 13

2.5.1.2 Perangkat Sensor Temperatur 16

2.5.1.3 Termokopel 17

2.5.2 Perangkat Lunak (Software) 18 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 19

3.1 LOKASI PENELITIAN 19

3.2 BAHAN DAN PERALATAN 19

3.2.1 Bahan-Bahan 19

3.2.2 Peralatan 19

3.3 TAHAPAN PENELITIAN 19

3.3.1 Perancangan Perangkat Keras (Hardware) 20 3.3.2 Perancangan Perangkat Lunak (Software) 21

3.3.2.1 Tahap Kalibrasi Alat 21

3.3.2.2 Tahap Pengambilan Data Temperatur 21

3.4 FLOWCHART PENELITIAN 22 3.4.1 Flowchart Kalibrasi Alat 22 3.4.2 Flowchart Pengambilan Data Temperatur 23 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 24 4.1 PERANCANGAN TANGKI BERPENGADUK 24 4.2 PERANCANGAN PERANGKAT KERAS MIKROKONTROLER

ARDUINO MEGA 2560 26

4.2.1 Penentuan Komponen 26 4.2.2 Perancangan Perangkat Keras 28

(13)

4.3 PERANCANGAN PERANGKAT LUNAK SISTEM KENDALI

MIKROKONTROLER BERBASIS ARDUINO MEGA 2560 30 4.3.1 Perancangan Program Arduino Serial MAX-6675 30 4.3.2 Perancangan Program LabVIEW 31 4.4 ANALISIS HASIL PENGUJIAN SENSOR TERMOKOPEL PADA

MODUL MAX 6675 34

4.4.1 Kalibrasi Sensor Termokopel 34 4.4.2 Pengujian Sensor Termokopel 36

4.4.2.1 Pengaruh Perubahan Temperatur Termokopel terhadap

Heater dengan Hysteresis 1°C 36

Heater dengan Hysteresis 3 °C 38

Heater dengan Hysteresis 5 °C 39

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 42

5.1 KESIMPULAN 42

5.2 SARAN 42

(14)

xii

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 Diagram Alir Proses Ekstraksi Minyak Sawit dan Limbah yang

Dihasilkan 7

Gambar 2.2 Hubungan Temperatur dengan Kecepatan Pertumbuhan

Mikroorganisme 13

Gambar 2.3 Perangkat Keras Arduino Mega 2560 16 Gambar 2.4 Perangkat Sensor Temperatur 17 Gambar 3.1 Rangkaian Peralatan Arduino Mega 2560 20 Gambar 3.2 Peralatan Arduino Mega 2560 yang Terhubung dengan

Prototype Tangki Berpengaduk 20 Gambar 3.3 Flowchart Prosedur Kalibrasi Arduino Mega 2560 22 Gambar 3.4 Flowchart Prosedur Pengambilan Data Temperatur dengan

Menggunakan Perangkat Lunak LabVIEW 2014 23 Gambar 4.1 Gambar Teknikal 24 Gambar 4.2 Visual Tangki Berpengaduk 25 Gambar 4.3 Visual Arduino Mega 2560 26 Gambar 4.4 Visual Modul MAX 6675 26 Gambar 4.5 Visual Termokopel Tipe K 27 Gambar 4.6 Visual TRIAC BT12-600B 27 Gambar 4.7 Visual Resistor 28 Gambar 4.8 Visual dari Optocoupler atau Optoisolator MOC3021 28 Gambar 4.9 Perancangan Sistem Kendali Temperatur 29 Gambar 4.10 Skema Rangkaian Sistem Kendali Temperatur 29 Gambar 4.11 Rangkaian Sistem Kendali Temperatur 30 Gambar 4.12 Program Arduino yang Digunakan Untuk Mengatur Modul

Serial MAX 6675 31

Gambar 4.13 Simulasi Pemodelan Tangki Berpengaduk Menggunakan

Mikrokontroler Arduino Mega 2560 32 Gambar 4.14 Program LabVIEW Untuk Sistem Kendali Temperatur pada

(15)

Gambar 4.15 Simulasi Sistem Kendali Temperatur pada Arduino Mega 2560 34 Gambar 4.16 Grafik Kalibrasi Sensor Termokopel Bagian Atas terhadap

Termometer Digital 35

Gambar 4.17 Grafik Kalibrasi Sensor Termokopel Bagian Tengah terhadap

Gambar 4.18 Grafik Kalibrasi Sensor Termokopel Bagian Bawah terhadap

Gambar 4.19 Grafik Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan Hysteresis 1°C 37 Gambar 4.20 Grafik Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater

dengan Hysteresis 3°C 38 Gambar 4.21 Grafik Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater

dengan Hysteresis 5°C 40 Gambar C.1 Visual dari Tangki Berpengaduk 56 Gambar C.2 Visual dari Pengaduk yang Digunakan 56 Gambar C.3 Visual dari Baffle yang Digunakan 57 Gambar C.4 Visual Arduino Mega 2560 57 Gambar C.5 Visual Modul MAX 6675 57 Gambar C.6 Visual Termokopel Tipe K 58 Gambar C.7 Visual TRIAC BT12-600B 58 Gambar C.8 Visual Resistor 58 Gambar C.9 Visual dari Optocoupler atau Optoisolator MOC3021 59 Gambar C.10 Perancangan Sistem Kendali Temperatur 59 Gambar C.11 Rangkaian Sistem Kendali Temperatur 59 Gambar D.1 Block Diagram Program LabVIEW Untuk Sistem Kendali

(16)

xiv

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1.1 Rangkuman Hasil Penelitian Pembuatan Sensor Biogas yang

Terdahulu 3

Tabel 2.1 Luas Areal Perkebunan Kelapa Sawit di Indonesia 6 Tabel 2.2 Produksi Minyak Kelapa Sawit Dunia, dalam Jutaan Ton 6 Tabel 2.3 Karakteristik LCPKS dari sampel Adolina 8 Tabel 2.4 Karakteristik Biogas 9 Tabel 2.5 Tipe-Tipe Platform Arduino 14 Tabel 2.6 Spesifikasi Perangkat Hardware Arduino Mega 2560 16 Tabel 2.7 Tipe-Tipe Termokopel 17 Tabel 4.1 Spesifikasi Tangki Berpengaduk 25 Tabel A.1 Data Hasil Kalibrasi Termokopel 47 Tabel A.2 Data Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan

Hysteresis 1°C 48

Tabel A.3 Data Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan

Tabel A.4 Data Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan

Tabel B.1 Data Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan

(17)

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman LAMPIRAN A DATA PENELITIAN 47 A.1 DATA HASIL KALIBRASI TERMOKOPEL 47 A.2 DATA PENGUJIAN SENSOR TERMOKOPEL 48

A.2.1 Perubahan Temperatur Termokopel terhadap Heater dengan

LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN 51 B.1 PERHITUNGAN RANCANGAN TANGKI

BERPENGADUK 51

B.1.1 Tangki Berpengaduk 51

B.1.2 Pengaduk 52

B.1.2.1 Turbin Piringan Horizontal 52

B.1.2.2 Paddle Berdayung 4 53

B.2 PERHITUNGAN STANDAR DEVIASI 54

LAMPIRAN C DOKUMENTASI 56

LAMPIRAN D PROGRAM KOMPUTER 60 D.1 PROGRAM ARDUINO MAX 6675 60 D.2 BLOCK DIAGRAM PROGRAM LABVIEW 63

(18)

xvi

DAFTAR SINGKATAN

POME Palm Oil Mill Effluent

LCPKS Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit

COD Chemical Oxygen Demand

BOD Biological Oxygen Demand

HRT Hydraulic Retention Time

HMI Human Machine Interface

LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench

NI National Instrument

VI Virtual Instrument

PWM Pulse Widht Modulation

TRIAC Triode for Alternating Current

PKS Pabrik Kelapa Sawit TBS Tandan Buah Segar

TKKS Tandan Kosong Kelapa Sawit

CPO Crude Palm Oil

CPKO Crude Palm Kernel Oil

SRT Solid Retention Time