DESAIN PENGEMBANGAN PERANGKAT KERAS SISTEM

KENDALI ALAT PENGOLAH AIR GAMBUT

Bambang Herlambang1, Sutrisno Salomo Hutagalung2, Imamul Muchlis2

1Pusat Penelitian Metrologi – LIPI

Kompleks PUSPIPTEK Gedung 420, Setu, Tangerang Selatan, 15314

2 Pusat Penelitian Sistem Mutu dan Teknologi Pengujian – LIPI

Kompleks PUSPIPTEK Gedung 417, Setu, Tangerang Selatan, 15314

INTISARIDalam penelitian ini dilakukan pengembangan desain sistem kendali untuk sistem pengolah air gambut. Pengendalian sistem menggunakan PLC dengan pertimbangan fleksibilitas dan kemudahan dalam pemrograman dan instalasi. Ada empat hal yang menjadi parameter dalam pengontrolan ini yaitu debit aliran, pH, konduktivitas dan tinggi permukaan. Hal tersebut dilakukan dengan mengendalikan saklar, katup dan pompa. PLC dapat melakukan konversi sinyal-analog ke engineering unit, pengendalian variabel dengan metoda PID (Proportional, Integral, Derivative) dan TPO (Time Proportional Output). Komputer HMI (human machine interface) digunakan untuk mengoperasikan sistem proses, terdiri dari program interaktif; animasi proses, setup parameter, diagnosa sistem proses, trending/loging. Komputer notebook sebagai EWS (Engineer Work Station) berfungsi sebagai pengembangan program PLC dan diagnostik program. Hasil simulasi menunjukkan bahwa desain sistem kendali berfungsi dengan baik dan pengukuran parameter fisis dapat ditampilkan pada layar HMI.

Kata Kunci : Sistem kendali, PLC, PID, TPO, HMI, air gambut.

ABSTRACTIn this research, the development of control system design for water treatment systems peat has been done. The control system uses PLC by considerations of flexibility and ease of programming and installation. There are four things that the parameters in this control that flow, pH, conductivity and level. This is done by controlling the switches, valves and pumps. PLC can convert analog signals to engineering units, with variable control method PID (Proportional, Integral, Derivative) and TPO (Time Proportional Output). Computer HMI (Human Machine Interface) is used to operate the system process, consists of interactive programs; the animation process, setup parameters, system diagnostics process, trending / logging. Notebook computer as EWS (Engineer Work Station) serves as a PLC program development and diagnostic programs. The simulation results showed that the design of the control system is functioning properly and measurement of physical parameters can be displayed on the HMI screen.

Keywords : control systems, PLC, PID, TPO, HMI, peat water.

1. PENDAHULUAN

Sistem pengolah air gambut merupakan suatu alat yang digunakan untuk

mengolah air gambut menjadi air bersih. Sistem ini mampu mengurangi kadar kimia dan

sifat fisik dalam air gambut yang melewati nilai ambang batas sehingga sesuai dengan

standar air bersih yang ditetapkan dalam Permenkes 2010 No

492/MENKES/PER/IV/2010[1]. Seperti diketahui air gambut merupakan jenis air

permukaan dari tanah bergambut dengan ciri yang sangat mencolok dan tidak layak

dikonsumsi karena warnanya merah kecoklatan (124 - 850 unit PtCo), mengandung zat

organik tinggi (138 – 1560 mg/lt KMnO4 ) serta zat besi yang cukup tinggi, rasa asam,

pH 3-5 dan tingkat kesadahan rendah [2].

Dalam kegiatan penelitian Riset Kompetitif LIPI 2012 tahap I telah berhasil

dibuat sistem pengolah air gambut dengan metoda oksidasi lanjut[3,4]. Metoda oksidasi

lanjut merupakan metoda penguraian senyawa polutan dalam air dengan cara oksidasi

oleh radikal hidroksil (OH) menjadi senyawa yang tidak berbahaya. Dalam penelitian ini

oksidasi lanjut yang digunakan adalah kombinasi dari ozon dan UV (ultra violet). Ozon

dimasukkan ke dalam air gambut akan terurai menjadi radikal OH bila disinari dengan

UV. Radikal OH yang terbentuk akan bereaksi dengan senyawa polutan dalam air

menjadi senyawa lain yang tidak berbahaya.

Sistem tahap I telah berhasil diujicobakan dan memberikan hasil yang baik dari

segi kinerja dan kualitas air yang dihasilkan. Namun sistem tersebut masih memiliki

kekurangan yaitu pengoperasiannya masih dilakukan secara manual sehingga kurang

praktis untuk diterapkan di lapangan. Oleh karena itu diperlukan solusi untuk mengatasi

kekurangan ini sehingga sistem dapat dioperasikan secara lebih mudah dan terkontrol.

Untuk meningkatkan faktor ketepatan, keamanan, kemudahan dalam

pengoperasian di lapangan dan kualitas air olahan, maka pada penelitian tahap II ini

dilakukan pengembangan sistem tahap I dengan penambahan teknologi instrumentasi,

sistem pengendalian otomatis dan sistem osmosa balik. Teknologi instrumentasi

digunakan untuk mendeteksi parameter fisis yang ingin diketahui seperti pH, aliran, level

dan sebagainya. Sistem pengendalian otomatis digunakan untuk melakukan aksi terhadap

masukan yang ada seperti menjalankan pompa, membuka kran, menyalakan suatu alat

dan sebagainya. Sedangkan sistem osmosa balik merupakan sistem filtrasi untuk

menyaring partikel padatan berukuran micron untuk meningkatkan kualitas air olahan[5].

Tulisan ini membahas studi awal desain perangkat keras pengembangan sistem

pengolah air gambut tahap I. Desain perangkat keras sistem control didasarkan pada

skema dan cara kerja sistem tahap II hasil pengembangan sistem tahap I. Dalam

perancangan sistem kendali ini perlu diketahui parameter fisis yang ingin diketahui dan

aksi yang diinginkan berdasarkan input yang masuk ke pengontrol. Pada pengontrol perlu

dimasukkan program aplikasi untuk melakukan pengukuran dan pengendalian sistem.

Untuk memudahkan proses pengendalian maka perlu dibuat perangkat lunak aplikasi

yang menggambarkan proses pengendalian pada computer. Program aplikasi tersebut

merupakan penghubung antara operator dan mesin yang disebut dengan Human Machine

Interface (HMI).

2. DASAR TEORI

Sistem Kontrol Otomatis

Pengontrolan otomatis adalah pengontrolan suatu besaran proses apabila terjadi

penyimpangan atau deviasi maka akan terjadi suatu usaha perbaikan secara otomatis

sehingga dapat membatasi penyimpangan atau deviasi tersebut dari nilai yang

dikehendaki [6]. Di dalam pengontrolan otomatis peran operator di dalam pengontrolan

manual digantikan oleh suatu alat yang disebut controller. Tugas membuka atau menutup

valve tidak lagi dikerjakan oleh operator tetapi atas perintah dari controller. Operator

hanya perlu menentukan besarnya set point dari controller dan pada akhirnya semua

bekerja secara otomatis. Untuk keperluan pengontrolan otomatis, valve harus dilengkapi

dengan alat yang disebut dengan actuator sehingga unit valve sekarang menjadi unit yang

disebut control valve. Semua peralatan pengendalian ini disebut sebagai instrumentasi

pengendalian proses.

Sistem pengendalian otomatis memegang peranan yang penting dalam

pengoperasian plant pengolahan air yang aman dan handal dalam penyediaan air

bersih/air minum. Sistem pengendalian otomatis menyediakan semua interlocks untuk

mengendalikan pompa, saklar dan katup untuk menyediakan operasi yang aman dan

handal. Dalam beberapa aplikasi, sistem pengendalian otomatis dirancang untuk

menyesuaikan dosis dan laju aliran berdasarkan kebutuhan parameter yang diinginkan.

Sistem pengendalian otomatis dapat melakukan pemrosesan sinyal dan menyediakan data

persediaan air yang digunakan dalam plant, juga dapat mengendalikan dan merekam data

waktu kontak dengan baik yang diperlukan dalam optimalisasi sistem. Selain itu sistem

otomatisasi memiliki kemampuan untuk melakukan perhitungan secara berulang-ulang

dan menyimpan hasilnya dalam format database yang berguna untuk pengawasan.

Ada dua macam sistem pengontrolan yaitu pengontrolan loop terbuka dan

tertutup. Pengontrolan loop terbuka adalah sistem kontrol yang keluarannya tidak

mempengaruhi proses pengontrolan. Jadi pada sistem kontrol loop terbuka, sinyal

keluaran (output) tidak diumpan balikan untuk dibandingkan ke sinyal masukan (input).

Pengaturan loop terbuka didasarkan atas suatu perkiraan dan usaha yang

diperlukan untuk memperoleh hasil yang diinginkan. Pada dasarnya pengaturan ini

berdasarkan hasil dari suatu identifikasi terhadap sebuah sistem. Dari hasil parameter-

parameter yang didapatkan, maka dibuatlah suatu program yang dapat memberikan suatu

keluaran yang diinginkan dengan masukan tertentu. Ketelitian sistem tergantung pada

proses kalibrasi yang dilakukan pada sistem kontrol loop terbuka ini. Skema sistem

control loop terbuka diperlihatkan pada gambar 1.

Gambar 1. Sistem control loop terbuka

Pada pengontrolan loop tertutup dengan feedback, aksi pengontrolan ini keluaran

sangat mempengaruhi proses pengontrolan sistem. Keluaran yang dihasilkan sangat

tergantung pada keluaran pada aksi pengontrolan sebelumnya. Keluaran yang terjadi

selalu diumpan balikkan sebagi pembanding untuk keluaran selanjutnya. Apabila terjadi

penyimpangan, maka controller akan melakukan penyesuaian sendiri untuk

meminimalisir penyimpangan tersebut. Skema sistem control loop tertutup dapat dilihat

pada gambar 2.

Gambar 2. Sistem control loop tertutup

Sistem Kontrol PLC

Definisi Programmable Logic Controller (PLC) menurut National Electrical

Manufactures Association (NEMA) adalah suatu alat elektronika digital yang

menggunakan memori yang dapat diprogram untuk menyimpan instruksi- instruksi dari

suatu fungsi tertentu seperti logika, sekuensial, pewaktu dan aritmatika untuk

mengendalikan suatu proses [7]. Dengan pengertian lain PLC adalah suatu alat kendali

elektronika yang dapat diprogram dengan menggunakan fungsi logika.

Bagian utama PLC yaitu Central Processing Unit (CPU), Memory dan Modul

input/output serta port komunikasi untuk keperluan pemrograman yang dapat dilakukan

dengan menggunakan alat (programming unit). Pada beberapa jenis PLC untuk keperluan

pemrograman juga disediakan keypad dan screen. Selain itu untuk keperluan operasinya

PLC juga memiliki sumber catu daya (power supply unit - PSU) yang akan mengubah

tegangan AC menjadi tegangan yang sesuai dengan yang dibutuhkan oleh komponen

PLC. Skema PLC diperlihatkan pada gambar 3.

Gambar 3. Skema PLC

Kontrol PID

PID controller (Proportional–Integral–Derivative Controller) merupakan

kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik

adanya umpan balik pada sistem tesebut [6]. Komponen kontrol PID ini terdiri dari tiga

jenis yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif. Ketiganya dapat dipakai bersamaan

maupun sendiri-sendiri tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plant.

Kontrol Proporsional

Kontrol proporsional berfungsi untuk memperkuat sinyal kesalahan penggerak

(sinyal error), sehingga akan mempercepat keluaran sistem mencapai titik referensi.

Hubungan antara input kontroler u(t) dengan sinyal error e(t) terlihat pada persamaan 1.

u(t) = Kp. e(t) 1

Dengan Kp adalah konstanta proporsional. Diagram blok kontrol proporsional

ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. diagram blok kontrol proporsional

Kontrol Integral

Kontrol integral pada prinsipnya bertujuan untuk menghilangkan kesalahan

keadaan tunak (offset) yang biasanya dihasilkan oleh kontrol proporsional. Hubungan

antara output kontrol integral u(t) dengan sinyal error e(t) terlihat pada persamaan 2.

0

( ) ( )t

iu t K e d2

Ki adalah konstanta integral. Diagram blok kontrol integral ditunjukkan pada gambar 5.

Gambar 5. diagram blok kontrol integral

Kontrol Derivatif (Turunan)

Kontrol derivatif dapat disebut pengendali laju, karena output kontroler sebanding

dengan laju perubahan sinyal error. Hubungan antara output kontrol derivatif u(t) dengan

sinyal error e(t) terlihat pada persamaan 3.

( )( ) d

de tu t K

dt

3

Dengan Kd adalah konstanta derivative.

Kontrol derivatif tidak akan pernah digunakan sendirian, karena kontroler ini

hanya akan aktif pada periode peralihan. Pada periode peralihan, kontrol derivatif

menyebabkan adanya redaman pada sistem sehingga lebih memperkecil lonjakan. Seperti

pada kontrol proporsional, kontrol derivatif juga tidak dapat menghilangkan offset. Blok

kontrol derivatif ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6. diagram blok kontrol derivatif

Kontrol PID

Gabungan dari ketiga kontroler tersebut menjadi kontrol PID. Diagram Blok dari

kontrol PID ditunjukan pada gambar 7.

Gambar 7. diagram blok kontrol PID

Sehingga persamaan untuk kontrol PID adalah:

t

p i d

0

de(t)u(t) = K e(t) + K e(

dt

4

atau

t

p d

i 0

1 de(t)u(t) = K e(t) + e(

T dt

5

dengan:

u(t) = sinyal output pengendali PID

Kp = konstanta proporsional

Ti = waktu integral

Td = waktu derivatif

Ki

Kd = konstanta derivatif (Kp.Td )

e(t) = sinyal error = referensi – keluaran plant = set point – nilai sensor

Untuk persamaan PID no. (4) merupakan PID bentuk independent dan persamaan

no. (5) merupakan PID bentuk dependent. Istilah tersebut mengacu kepada

ketergantungan setiap suku persamaan terhadap nilai Kp. Untuk persamaan no (4), jika

kita melakukan perubahan nilai pada konstanta proporsional (Kp) maka tidak akan

mempengaruhi konstanta parameter lainnya. Sedangkan untuk persamaan no. (5), dengan

merubah nilai Kp maka akan merubah nilai dari parameter-parameter lainnya. Jika ingin

menggunakan persamaan dependent, maka tinggal memasukan nilai dari Ki = Kp/Ti dan

Kd = Kp.Td.

3. DIAGRAM ALIR PENELITIAN

Tahapan desain sistem kendali dalam penelitian ini meliputi deskripsi masalah,

penentuan input output, desain, analisa dan kesimpulan. Skema tahapan penelitian

ditunjukkan pada diagram alir seperti yang dapat dilihat pada gambar 8.

Gambar 8. Diagram alir penelitian

Penjelasan dari tahapan pada diagram alir diatas adalah sebagai berikut :

Tahapan deskripsi masalah merupakan tahapan untuk mengetahui skema sistem tahap

II dan cara kerjanya.

Tahapan penentuan input dan output merupakan tahapan untuk menentukan parameter

fisis yang ingin diketahui dan aksi yang akan dilakukan berdasarkan masukan pada

pengontrol.

Tahapan desain merupakan langkah untuk merancang sistem control berdasarkan

input dan output yang telah ditentukan.

Tahapan analisa merupakan tahapan untuk melakukan kajian terhadap sistem control

yang telah dibuat. Bila terdapat kelemahan dalam desain yang dibuat maka dapat

dilakukan perbaikan.

Tahapan kesimpulan merupakan langkah untuk mengambil hasil pemikiran dari

analisa sistem control.

3.1.Deskripsi Masalah

Dalam kegiatan penelitian tahap II Riset Kompetitif LIPI 2013, dilakukan

pengembangan sistem AOP yang telah berhasil dibuat pada tahap I tahun 2012. Sebagai

perbandingan skema desain perangkat keras sistem AOP tahap I tahun 2012 dan tahap II

tahun 2013 dapat dilihat pada gambar 9. Sistem AOP tahap II mengalami beberapa

perubahan dibandingkan sistem AOP tahap I yaitu :

a. Sistem Osmosa Balik (RO)

Penggunaan sistem osmosa balik bertujuan untuk mengurangi padatan yang terlarut

dalam air. Sistem osmosa balik diletakkan setelah proses filtrasi karbon aktif.

b. Sistem Kendali PLC (Programmable Logic Controller)

Sistem kendali dibutuhkan pada sistem AOP agar operasional alat menjadi lebih

mudah dan terkendali. Dalam sistem kendali tersebut terdapat Human Machine

Interface (HMI) sebagai penghubung operator dan sistem dimana data proses

pengolahan dapat ditampilkan dan disimpan untuk keperluan analisis dan pelaporan

[8]. Disamping itu dengan adanya sistem pengendalian maka dapat dilakukan

diagnose sistem dan pengaturan parameter.

c. Electronic Control Valve (ECV)

Valve ini berfungsi untuk mengendalikan aliran fluida berdasarkan masukan dari

parameter yang diukur. Ada dua ECV yang digunakan dalam desain pengembangan

sistem AOPRO yaitu pertama untuk mengendalikan aliran air gambut yang masuk ke

tangki ozonasi dan kedua untuk mengenalikan aliran cairan tawas untuk

mengendalikan kadar pH.

d. Tangki Sedimen

Untuk menampung air hasil olahan setelah melalui proses oksidasi dalam tangki

ozonasi.

e. Static mixer

Komponen ini berguna untuk meningkatkan homogenisasi kelarutan ozon dalam air

sehingga proses oksidasi unsur-unsur dalam air gambut dapat terjadi lebih sempurna.

f. Reservoir 1 dan 2

Komponen sistem AOPRO yang berguna untuk menampung air hasil olahan.

g. Tangki Tawas

Tangki yang berfungsi untuk tempat penyimpanan cairan tawas yang digunakan untuk

menaikkan pH air.

Perbandingan spesifikasi peralatan instrumentasi yang digunakan dalam pada

skema sistem AOPRO tahap 1 dan 2 ditampilkan pada tabel 1.

Tabel 1. Perbandingan spesifikasi sistem AOP tahap 1 dan 2

Peralatan Tahap 1 Tahap 2

Unit AOP 100 ltr/jam. 100 ltr/jam.

Unit filter CA 1 ltr 1 ltr

Unit PLC - CJ2M-CPU31

Ozone generator maks 10 gr/hr maks 10 gr/hr

Oxygen (tabung) 7 m3 7 m3

Cairan kimia H2O2 Konsentrasi 50% dari 1 liter -

Pada tahap 1 digunakan cairan kimia H2O2 dengan konsentrasi 50% dari 1 liter. Namun

pada tahap 2 tidak digunakan cairan kimia H2O2 dengan pertimbangan beberapa hal yaitu

mengurangi penggunaan bahan kimia, meningkatkan keselamatan operasi, kemudahan

operasional, harganya relatif mahal dan sulit diperoleh di pasaran.

(a)

(b)

Gambar 9. Skema sistem instalasi AOPRO (a) skema sistem tahap I [3] (b) desain pengembangan sistem (tahap II)

Cara kerja alat ini adalah sebagai berikut : mula-mula ozon generator dinyalakan

dan air gambut dipompa ke dalam tangki ozonasi. Gas ozon bercampur dengan air

gambut melalui injector ozon. Campuran air gambut dan ozon dialirkan melalui static

mixer agar homogenitas campuran meningkat[9]. Ozon dan air gambut yang telah

bercampur kemudian mengalir ke tangki ozonasi yang dilengkapi dengan lampu UV.

Dengan bantuan penyinaran lampu UV, ozon dan air akan terurai menjadi radikal OH

yang akan menguraikan senyawa polutan dengan reaksi oksidasi. Air olahan bisa

disirkulasikan ke dalam tangki ozonasi untuk dioksidasi kembali sehingga proses oksidasi

semakin sempurna dan kualitas air olahan meningkat.

Setelah mengalami oksidasi maka air olahan mengalir ke tangki sedimentasi untuk

mengendapkan gumpalan dan kotoran yang terjadi. Air olahan dari tangki sedimentasi

bisa disirkulasikan kembali ke tangki ozonasi untuk meningkatkan kualitas air olahan. Air

dari tangki sedmentasi mengalir ke reservoir 1.

Setelah dari reservoir 1 air mengalir ke filter karbon aktif. Disini terjadi

penyaringan terhadap partikel berukuran besar. Disamping itu juga filter dengan karbon

aktif untuk menghilangkan bau, rasa dan warna air olahan sehingga menjadi air bersih[10].

Air hasil filtrasi karbon aktif kemudian dialirkan ke reservoir 2. Pada air

ditambahkan tawas untuk menaikkan pH air. Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa air

gambut memiliki pH dibawah 7.

Setelah mengalami filtrasi dengan karbon aktif dan penambahan tawas, air olahan

disaring dengan sistem osmosa balik. Penyaringan ini bertujuan untuk menghilangkan

partikel berukuran kecil yang masih terdapat dalam air. Air yang dihasilkan merupakan

air yang bersih untuk digunakan sehari-hari. Permasalahan dalam penelitian ini adalah

bagaimana membuat sistem kontrol sehingga proses diatas dapat berjalan secara otomatis

sehingga pengoperasian alat menjadi lebih mudah dan terkontrol. Dalam sistem control

tersebut juga dapat ditampilkan hasil pengukuran, penyimpanan data, diagnose sistem,

dan seting parameter.

4. PENENTUAN INPUT DAN OUTPUT

Dalam penelitian ini pengontrol yang digunakan adalah Programmable Logic

Controller (PLC) dengan pertimbangan PLC memiliki fleksibilitas dalam pemrograman

dan kemudahan dalam instalasi[7]. Selain itu PLC juga banyak tersedia di pasaran dan

mudah dalam implementasi di lapangan.

Ada beberapa hal yang menjadi parameter dalam pengukuran ini yaitu debit aliran

oksigen, debit aliran air, tinggi permukaan cairan, pH, konduktivitas, dan turbiditas.

Untuk itu diperlukan sensor yang sesuai untuk dapat melakukan pengukuran parameter

tersebut. Pemilihan sensor didasarkan pada kemudahan dalam penggunaan, durabilitasnya

dalam penggunaan di lapangan dan harganya yang ekonomis.

Tombol dan saklar merupakan input manual yang dilakukan operator dan cairan

untuk menjalankan suatu sistem. Ada dua macam tombol yang digunakan yaitu tombol

Auto dan Manual. Sedangkan saklar digunakan untuk mendeteksi ketinggian cairan dalam

tangki yang akan menggerakkan pompa bila mencapai ketinggian tertentu.

Proses pengendalian dilakukan setelah menerima input berupa hasil pengukuran,

tombol atau saklar. Hal ini dilakukan dengan cara mengendalikan ozon, katup, pompa,

lampu UV dan sistem osmosa balik.

Tabel 2. Sensor sistem control PLC pada sistem pengolah air gambut

No

Jenis sensor Fungsi Posisi Penempatan

1 pH Mengukur pH air Tangki tawas

2 Flow Mengukur debit aliran Setelah RO

3 Level Mengukur tinggi air Tangki ozonasi dan sedimen

4 Konduktivitas Mengukur konduktivitas

air

Tangki tawas

5 Turbiditas Mengukur kekeruhan air Tangki tawas

6 Saklar Mengaktifkan pompa Tangki ozonasi dan sedimen

7 Tombol Menjalankan mesin

manual atau otomatis

Panel utama dan HMI

Tabel 3. Aktuator sistem control PLC pada sistem pengolah air gambut

No Jenis Aktuator Fungsi Posisi Penempatan

1 Ozon generator Menghasilkan ozon Sebelum tangki ozonasi

2 ECV Membuka atau menutup

aliran

Setelah pompa air gambut dan

tabung tawas

3 Pompa Mengalirkan air Setelah tangki dan reservoir

4 UV Menguraikan ozon Tangki ozonasi

5 RO Menyaring air Setelah filtrasi karbon aktif

Untuk menggunakan PLC sebagai pengontrol sistem pengolah air gambut, maka perlu

ditentukan komponen input dan output bagi PLC. Komponen input adalah komponen

yang akan memberikan masukan kepada PLC. Biasanya berupa sensor, tombol atau

saklar. Sedangkan komponen output merupakan komponen yang akan menerima perintah

dari pengontrol untuk melakukan suatu tindakan tertentu akibat masukan dari komponen

input (biasanya berupa pompa, lampu atau katup). Komponen input dan output sistem

control PLC pada sistem pengolah air gambut ditunjukkan pada tabel 2 dan 3[11].

5. DESAIN SISTEM KONTROL PLC

5.1.Perangkat Keras

Sistem control pada sistem pengolah air gambut dirancang berdasarkan skema

PLC. Pada bagian input dan output PLC dipasang sensor dan actuator seperti yang

ditampilkan pada tabel 1 dan 2. Skema sistem kendali yang dirancang diperlihatkan pada

gambar 11 [7,8.11-13].

Input Interface

ProsesorOutput

Interface

Power Supply

Program & Data Memory

Communication Interface

Fast Ethernet

LaptopServer

Ozon Generator

UV

Pompa

RO

ECV

pH

Level

Flow

Konduktivitas

Switch

Button

Turbiditas

PC

HMI

Gambar 10. Skema sistem kendali dengan PLC pada sistem pengolah air gambut

Spesifikasi perangkat keras PLC yang dibutuhkan untuk sistem AOP tahap 2 adalah

sebagai berikut [12-13]:

Control Processing Unit tipe CJ1M-CPU11-ETNUC, 160 E/S max., 100 Base-TX.

Port Ethernet + Port RS-232C

Power Supply tipe CJ1W-PA202 100~240 Vac, 50/60 Hz, 50 VA

Digital Input tipe CJ1W-ID211/16 point, 24 Vdc / 7 mA

Digital Ouput tipe CJ1W-OD211/16 point, 24 Vdc / 500 mA

Analog Input dan Analog Ouput tipe CJ1W-DA041/4 Chann., 4~20 mA / 1 ~ 5 Vdc

PLC terdiri dari modul PSU (Power Supply Unit), modul CPU (Central

Processing Unit), modul input/output digital dan modul input/output analog. Digital-input

berfungsi untuk mendeteksi status kontak-saklar dan digital-ouput digunakan untuk

komando On/Off motor pompa, unit generator oksigen, unit RO. Input-analog berfungsi

untuk mendeteksi sinyal dari Flow Transmitter (FT), Level Transmitter (LT), pH,

turbidity, dan conductivity. Output analog berfungsi untuk menggerakan Electric Control

Valve (ECV) secara proporsional. Disamping pemroses sinyal digital dan analog, PLC

juga dapat melakukan konversi sinyal-analog ke engineering unit, pengendalian variabel

dengan metoda PID (Proportional, Integral, Derivative) dan TPO (Time Proportional

Output).

Komputer HMI (Human Machine Interface) digunakan untuk mengoperasikan

sistem proses, terdiri dari program interaktif animasi proses, setup parameter, diagnosa

sistem proses, dan trending/loging. Komputer notebook sebagai EWS (Engineer Work

Station) berfungsi sebagai pengembangan program PLC dan diagnostik program [12,13].

Pengontrol yang digunakan dalam penelitian ini adalah pengontrol jenis PID yang

mampu memberikan respon yang baik terhadap perubahan yang terjadi dalam proses

pengolahan air gambut. Pengontrol jenis ini cocok untuk digunakan dalam proses yang

menghendaki respon yang presisi. Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing

kontroler P, I dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara

paralel menjadi kontroler proposional plus integral plus diferensial (kontroller PID).

Elemen-elemen kontroller P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk

mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan

awal yang besar[6]. Karakteristik kontroler PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar

dari ketiga parameter P, I dan D. Penyetelan konstanta Kp, Ti, dan Td akan

mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari ketiga

konstanta tersebut dapat disetel lebih menonjol dibanding yang lain. Konstanta yang

menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon sistem secara

keseluruhan. Pembahasan lebih lanjut mengenai pengontrol PID yang digunakan dalam

penelitian ini akan dijelaskan pada makalah tersendiri.

5.2.Perangkat Lunak

Setelah dilakukan desain perangkat keras PLC maka langkah selanjutnya adalah

membuat program sesuai dengan cara kerja dan skema PLC seperti ditunjukkan pada

gambar 10. Pembuatan program PLC dilakukan menggunakan komputer notebook

sebagai EWS (Engineer Work Station). Diagram alir program PLC untuk pengolahan air

gambut ditunjukkan pada gambar 11.

Gambar 11. Diagram alir perangkat lunak PLC sistem pengolah air gambut

Untuk HMI digunakan perangkat lunak King View versi 6.3 meliputi display

animasi proses, trend monitor, pelaporan, diagnostik sistem dan seting parameter.

Diagram alir HMI sistem pengolah air gambut diperlihatkan pada gambar 12.

DisplayMain menu

No

No

Yes

Yes

No

No

No

Yes

Yes

Yes

YesTerminated

Proses AOP +RO

?

TrendMonitor

?

Pelaporan?

DiagnostkSystem

?

PengaturanParameter

?

Keluar?

Display menuProses AOP +RO

1

2

3

4

5

RUN

Display menuPelaporan

3

Yes

Yes

No

No

Return

Return

Level graphname

pH graphname

Levelgraphsave ?

Save level graph

pHgraphsave ?

No

Return

Save pH graph

Levelgraphopen ?

Level graphname

Open level graph

DisplayLevel graph

No

pHgraphopen ?

Return

pH graphname

Open pH graph

DisplaypH graph

Yes

Yes

Display menuTrend Monitor

2

Level SV Set

?

pH SV Set

?

Set Level SV

Set pH SV

Yes

Yes

No

No

Return

Return

Return

Display menuDiagnostik Sistem

4

ANIMATIONDigital Input/Output.Analog Input/Output.PID Controller, TPO.

Return

Display menuPengaturan Parameter

5

PID Parameter

Set ?

PID,TPO Parameter

Set ?

Set parameter PID

Yes

Yes

No

No

Return

Set parm.PID & TPO

Return

No

Return

Gambar 12. Diagram alir perangkat lunak HMI sistem pengolah air gambut

6. HASIL PERCOBAAN DAN ANALISA

Hasil rancangan program pemantauan dan pengendalian yang dibuat perlu diuji

secara simulasi untuk mengetahui apakah rancangan program dapat berjalan dengan baik

sesuai dengan rancangan sekuen proses serta mendapatkan gambaran mengenai

permasalahan dari sistem yang dibuat sehingga dengan demikian dapat dilakukan

perbaikan maupun perubahan.

Tabel 4. Data uji coba aktivitas sinyal input diskrit

No Alamat Input Nama Divais Tag Name Status Input Hasil

1 0.00 Start Mode SM On/Off Ok

2 0.01 Auto / Manual Mode S-AM On/Off Ok

3 0.02 Limit Switch 1 LS1 On/Off Ok

4 0.03 Limit Switch 2 LS2 On/Off Ok

5 0.04 Limit Switch 3 LS3 On/Off Ok

Pengujian sistem kendali dilakukan dengan sistem simulasi yang sudah terpasang dan

terinstalasi dengan melakukan uji unit elektrikal dengan mengacu pada metodologi

elektrikal yang sudah direncanakan yaitu pengujian unit elektrikal pada sistem riil

dengan perangkat keras Programmable Logic Controller (PLC) seperti diperlihatkan

pada gambar 10. Uji coba verikasi fungsi program untuk signal input/output diskrit yang

hasilnya dibaca melalui memori PLC dan HMI. Data uji coba aktivitas sinyal input dan

output PLC dapat dilihat pada tabel 4 dan 5.

Tabel 5. Data uji coba output diskrit penggerak

No Alamat

Input

Nama Divais Tag Name Status Input Hasil

1 1.00 Inlet pump PM1 On/Off Ok

2 1.01 Oxygen generator OXI GEN On/Off Ok

3 1.02 Ozone generator OZO GEN On/Off Ok

4 1.03 UV UV LAMP On/Off Ok

5 1.04 Circulation pump PM2 On/Off Ok

6 1.05 Transfer pump PM3 On/Off Ok

7 1.06 Dosing Valve DS_P On/Off Ok

8 1.07 Feeder pump PM4 On/Off Ok

9 1.08 Reverse Osmosis RO On/Off Ok

Dari tabel 4 dan 5 terlihat bahwa sistem elektrik PLC berjalan dengan baik. Semua

fungsi yang dibutuhkan pada PLC yang meliputi start auto mode, auto manual mode,

limit switch 1 – 3 untuk input dan output diskrit dapat berfungsi dengan baik. Sedangkan

rangkaian elektrik untuk sistem AOPRO yang terdiri dari ozon generator, ultra violet,

valve, pompa dan RO (Reverse Osmosis) mampu berfungsi dengan baik dengan

menggerakkan saklar relay komponen tersebut oleh PLC sesuai dengan yang diharapkan.

Dalam percobaan ini dilakukan simulasi terhadap parameter pengukuran untuk

mengetahui kinerja sensor, PLC dan HMI. Percobaan dilakukan dengan mengalirkan air

gambut pada sistem AOP yang dibuat dan kemudian dilakukan pengamatan pada

parameter pengukuran yaitu level, pH, konduktivitas dan flow rate pada layar HMI. Hasil

simulasi parameter pengukuran ditunjukkan pada gambar 13.

Gambar 13. Grafik level, pH, konduktivitas dan flow rate yang ditampilkan pada HMI

Hasil pengukuran fisis air gambut yang meliputi level, pH, konduktivitas dan flow

rate mampu ditampilkan dengan baik pada layar HMI. Setiap perubahan fisis pada sistem

AOP dapat ditampilkan pada layar HMI. Hal ini menunjukkan bahwa sensor, PLC dan

HMI mampu bekerja dengan baik sesuai yang diharapkan.

7. KESIMPULAN

Dalam tulisan ini telah dipaparkan pengembangan desain sistem AOPRO tahap I

untuk pengolahan air gambut. Pengembangan sistem AOPRO tahap II merupakan

penyempurnaan sistem AOPRO tahap I yang dioperasikan secara manual. Desain sistem

AOPRO tahap II memiliki beberapa tujuan yaitu untuk meningkatkan kuantitas dan

kualitas air hasil olahan, akurasi, keselamatan, dan kemudahan operasi. Pengembangan

dilakukan dengan penambahan PLC, ECV, rotameter, sistem RO, karbon aktif, tangki

tawas, static mixer, reservoir dan beberapa sensor fisis seperti konduktivitas, pH, level

cairan, flow dan turbiditas. Penambahan komponen-komponen tersebut didasarkan pada

kebutuhan dan desain sistem AOPRO tahap II. Desain sistem AOPRO tahap II tersebut

kami anggap sudah sesuai dengan sistem kontrol yang diinginkan. System AOPRO yang

kami rancang bersifat fleksibel artinya dapat disesuaikan dengan kebutuhan di masa yang

akan datang.

8. UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih kepada Lembaga Ilmu pengetahuan Indonesia (LIPI) yang telah

memberi kesempatan untuk melakukan penelitian kompetitif LIPI periode 2012 s.d 2014.

Terima kasih juga kami sampaikan kepada Pemda Kabupaten Kampar Propinsi Riau atas

kerjasamanya dalam menyediakan lokasi dan sampel penelitian.

9. DAFTAR PUSTAKA

[1] PERMENKES No 492/MENKES/PER/IV/2010 : Persyaratan Kualitas Air Minum,

2010.

[2] D Anwar Musadad. Pengaruh Air Gambut Terhadap Kesehatan dan Upaya

Pemecahannya. Media Litbangkes. Vol VIII No 01.1998.

[3] Sutrisno Salomo Hutagalung, Anto Tri Sugiarto, dan Veny Luvita. Pengolahan Air

Gambut Menjadi Air Bersih Dengan Metode AOP di Kabupaten Kampar Provinsi

Riau. Prosiding Seminar Nasional Kimia UGM. Vol 1. No 1. Hal 73 – 80.

Yogyakarta. 2013.

[4] Roberto Andreozzi, Vincenzo Caprio, Amedeo Insola, Raffaele Marotta. Advanced

Oxidation Processes (AOP) for Water Purification and Recovery. Catalysis Today

53. 1999. pp 51–59.

[5] Lilian Malaeb, George M. Ayoub. Reverse Osmosis Technology for Water

Treatment: State of The Art Review. Desalination. Volume 267. Issue 1. Pages 1-8.

Amsterdam. 1 February 2011.

[6] Ogata, K. Modern Control Engineering. New York. Prentice Hall. 2010.

[7] W. Bolton. Programmable Logic Controllers (Fourth Edition). Newnes. Oxford.

2006.

[8] Peng Zhang. Human–Machine Interfaces. Advanced Industrial Control Technology,

2010, Pages 527-555.

[9] F. Theron, N. Le Sauze. Comparison between three static mixers for emulsification

in turbulent flow.International Journal of Multiphase Flow 37 (2011) 488–

500.Elsevier.

[10] Mengolah Air Kotor Untuk Air Minum. Penebar Swadaya. Jakarta. 2010.

[11] Alan S. Morris, Reza Langar. Measurement and Instrumentation: Theory and

Application. Elsevier. California. 2012.

[12] Technical Manual, “SYSMAC CJ-Series Analog I/O unit”, OMRON Co.,

Japan, 2009.

[13] Technical Manual, “SYSMAC CJ-Series Discrete I/O Unit ”, OMRON Co.,

Japan, 2009.

HASIL DISKUSI

Penanya : Helmi Zaini (P2 Metrologi – LIPI)

Pertanyaan : Apa pengaruh penambahan ozone generator ?

Jawaban : Penambahan ozone generator berguna untuk meningkatkan kualitas air

olahan dan mempersingkat waktu pengolahan air.

Penanya : Agus Prihartono (P2 Metrologi – LIPI)

Pertanyaan : Bagaimana penambahan ozone generator meningkatkan kualitas air

olahan ?

Jawaban : Penambahan ozone generator akan meningkatkan jumlah ozone yang

dihasilkan sehingga akan dihasilkan lebih banyak gugus hidorksil (OH-)

dalam tangki ozonasi. Peningkatan kadar ozon akan meningkatkan

kemampuan sistem AOPRO dalam menguraikan unsur-unsur organik

dalam air gambut sehingga kualitas air olahan semakin meningkat.

Penanya : Asep Insani (P2 Metrologi – LIPI)

Pertanyaan : Mengapa digunakan ECV ?

Jawaban : Penggunaan ECV untuk mengatur aliran yang masuk agar dapat

dikendalikan secara elektronik.