SISTEM IRIGASI BERTEKANAN MENGGUNAKAN CONTROL ON-OFF (LOOP TERTUTUP

I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengelola air secara tepat guna, dalam bidang pertanian air merupakan sumber daya alam yang tak terlepas dari siklus kehidupan tanaman. Dengan adanya sistem irigasi yang bertekanan untuk pengelolaan air bagiamana cara pemberian air terhadap tanaman sesuai dengan porsinya. Adanya perubahan musim dan cuaca yang tidak bisa dikendalikan mempengaruhi kinerja rangkaian pengontrolan air pada suatu tanaman. 

Instrumentasi merupakan device atau peralatan yang digunakan untuk menunjang sebuah sistem dalam menjalankan proses tertentu untuk tujuan tertentu pula. Setiap kegiatan proses dalam sebuah sistem di industri senantiasa membutuhkan peralatan–peralatan otomatis untuk mengendalikan parameter–parameter  prosesnya. Otomatisasi tidak saja diperlukan demi kelancaran operasi, keamanan, ekonomi, maupun mutu produk, tetapi lebih mengutamakan pada kepentingan penggunaan manusia (user) sebagai kontrol manual, kecepatan, kualitas, serta kuantitas yang dihasilkan dibandingkan dengan menggunakan kontrol manual, dalam hal ini manusia sebagai pengendali dan pelaku keputusan.

Sistem kontrol adalah proses pengaturan atau pengendalian terhadap suatu atau beberapa besaran (variable, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu. Dalam istilah lain disebut juga sistem pengaturan, sistem pengaturan atau sistem pengontrolan. Ditinjau dari segi peralatan, sistem control terdiri dari berbagai susunan komponen fisin yang digunakan untuk mengarahkan aliran energi kesuatu mesin atau proses agar dapat menghasilkan presentasi yang diinginkan. Tujuan utama dari sistem pengontrolan adalah untuk mendapatkan optimisasi, dimana hal ini dapat diperoleh berdasarkan fungsi dari pada sistem kontrol itu sendiri, yaitu : pengukuran, membandingkan, pencatatan, perhitungan dan perbaikan.

Kontrol otomatik telah memainkan peranan penting dalam sains dan rekayasa modern. Di samping untuk kepentingan khusus seperti space-vehicle system, missile-guidance system, robotic system, kontrol otomatik telah menjadi bagian integral yang penting dalam manufaktur modern dan industri proses. Sebagai contoh, kontrol otomatik merupakan esensi dalam numerical control mesin-mesin presisi pada industri manufaktur, disain sistem auto pilot pada industri penerbangan, disain mobil dalam industri otomotif. Juga dapat diterapkan pada operasioperasi industri seperti mengontrol tekanan, temperatur, kelembaban, viskositas, aliran dalam industri proses.

Hampir semua proses industri dalam menjalankan proses produksinya membutuhkan bantuan sistem pengendali, contohnya pengendalian di suatu proses pengilangan minyak. Proses di suatu pengilangan minyak tidak mungkin dapat dijalankan tanpa bantuan fungsi sistem pengendalian. Ada banyak pengendalian yang harus dikendalikan di dalam suatu proses. Diantaranya yang paling umum, adalah tekanan (pressure) didalam sebuah vessel atau pipa, aliran (flow) didalam pipa, suhu (temperature) di unit proses seperti heat exchanger, atau permukaan zat cair (level) disebuah tangki. Ada beberapa parameter lain diluar keempat elemen diatas yang cukup penting juga dan juga perlu dikendalikan karena kebutuhan spesifik proses, diantaranya : pH, Velocity, berat, lain sebagainya.

 Dalam suatu pengendalian proses dikenal berbagai jenis cara  salah satunya adalah proses pengendalian on-off. Pada proses pengendalian jenis ini hanya akan terdapat 2 jenis outputan yaitu bersifat low dan high. Proses pengendalian ini apabila digunakan untuk mengendalikan buka tutup control valve maka bukaan control valve hanya akan bisa 0% atau 100%. Syarat utama untuk memakainya adalah bukan untuk menghemat biaya pembelian unit controller melainkan karena proses memang tidak dapat mentolelir fluktuasi process variable pada batas-batas kerja pengendali on-off. 

Pada saat ini pengendalian on/off berbagai piranti listrik kebanyakan masih dikendalikan secara manual dengan menekan tombol saklar on/off. Perkembangan gaya hidup dan dinamika sosial saat ini menunjukkan semakin pentingnya kepraktisan dan efisiensi menyebabkan kebutuhan untuk mengendalikan berbagai piranti listrik tidak hanya dilakukan secara manual yang mengharuskan kita berada didepan piranti listrik tersebut dan menekan tombol saklar on/off untuk mengaktifkannya tetapi bisa juga dilakukan dari jarak jauh (remote control). Teknologi remote control telah banyak dikembangkan dengan memanfaatkan berbagai media transmisi. Beberapa diantaranya adalah remote control dengan memanfaatkan media infra merah, gelombang radio, internet dan saluran telepon. Sistem remote control melalui saluran telepon memiliki keunggulan dalam hal jarak jangkauan dan kepraktisan dibanding media lainnya. 

1.2. Tujuan Makalah
Adapun tujuan dari makalah ini adalah :

• Agar Mahasiswa mampu mempelajari dan memahami dasar-dasar pengontrolan on-off 
• Mengetahui karakteristik dari kontrol on-off 
• Serta dapat mengetahui pemanfaatan dari kontrol on-off. 

1.3. Konsep Dasar Kontrol On-Off

• Mengetahui metode pengendalian on-off
• Mengetahui hasil outputan metode on-off
• Keuntungan dan kerugian model kontrol on-off
• Cara kerja sistem rangkaian on-off
• Mengetahui aplikasi  kontrol on-off.
• Serta pengembangan kontrol on-off kedepan.

II. PEMBAHASAN

2.1. Pemikiran Dasar Makalah

Pengendalian on-off hanya bekerja pada dua posisi, yaitu posisi “on” dan posisi “off”. Kalau final kontrol element berupa control valve , kerja valve hanya terbuka penuh atau tertutup penuh. Pada sistem pengendalian on-off control valve tidak akan pernah bekerja didaerah antara 0 sampai 100%. Karena kerjanya yang on-off , hasil pengendalian pengendali on-off akan menyebabkan proses variable yang bergelombang, tidak pernah konstan. Perubahan proses variable akan seirama dengan perubahan posisi final control element. Besar kecinya fluktuasi proses variable ditentukan oleh titik dimana controller “on” dan titik dimana “off”.

Karena karakteristik kerjanya yang hanya on dan off, controller jenis on-off juga sering disebut sebagai two posision controller ,gap controller atau snap controller . Kata snap secara harfiah berarti menampar . Sebuah controller on-off kemudian juga lazim disebut snap controller. Ungkapan  kata snap action kelak akan juga dipakai untuk kerja controller jenis lain yang karena besarnya gain menjadi bekerja secara on-off. Kerja pengendalian on-off , seringkali didapatkan dengan memanfaatkan deab band suatu prosses switch. Contoh pengendalian on-off  yang paling mudah ditemui pengendalian suhu pada seterika listrik atau pompa air listrik otomatis. Kedua alat ini bekerja secara on-off dengan memanfaatkan adjustable dead band yang ada pada temperatur switch dan pressure switch.

Pengendalian on-off banyak dipakai di sistem pengendalian yang sederhana karena harganya yang relatif murah. Namun , tidak semua proses dapat dikendalikan secara on-off karena banyak operasi proses yang tidak dapat mentolerir fluktuasi proses variable. Jadi, syarat utama untuk memakai pengendali on-off bukan untuk menghemat biaya unit controller melainkan karena proses memang tidak dapat mentolerir fluktuasi proses variable pada batas-batas kerja pengendalian on-off. Aksi pengendalian dari controller ini hanya mempunyai dua kedudukan, maksimum atau minimum, tergantung dari variable terkontrolnya, apakah lebih besar atau lebih kecil dari set poin. 

a. Pengontrolan dengan lup tertutup (close loop)

Metode kontrol dengan lup tertutup adalah metode dimana sinyal keluaraanya mempunyai pengaruh langsung terhadap pengontrolannya (Katsuhiko Ogata, 1984 : 5). Metode ini menggunakan umpan balik (feedback) sebagai acuan untuk melakukan langkah selanjutnya. Pada pengontrolan lup tertutup sinyal kesalahan yang bekerja yaitu perbedaan antara sinyal masukan dan dan sinyal keluaran akan diperbandingkan sehingga sinyal keluaran berikutnya atau sinyal keluaran turunannya akan dibawa lagi diperbandingkan, begitu seterusnya, sehingga sinyal keluaran dari lup tertutup akan berubah. Fungsi ini dapat digambarkan dengan persamaan matematika. Sistem lup tertutup berfungsi untuk mereduksi sistem dari kesalahan tetapi bukan berarti sistem lup tertutup terhindar dari kelemahan. Karena kompleksnya kerja dari sistem ini maka desainnyapun sangat rumit dan rentan terhadap kesalahan pembacaan Feedback.

Gambar 1. Metode sistem kontrol Close loop

b. Pengontrolan dengan lup terbuka (open loop)

Sistem loop terbuka adalah sistem kontrol yang keluarannya tidak berpengaruh langsung terhadap aksi pengontrolannya (Katsuhiko Ogata, 1984 : 6). Dengan kata lain sistem lup terbuka outputnya tidak digunakan sebagai bahan pembanding untuk keluaran berikutnya. Contoh dari ssitem otomasi dengan control sistem rangkaan elektronik dengan pengontrolan tipe lup terbuka yaitu mesin cuci. Mesin cuci tidak membandingkan hasil keluaran kebersihan dari pakaian. Dalam suatu sistem lup terbuka keluaraan tidak dapat dibandingkan dengan masukan jadi tiap masukan mempunyai kondisi operasi tertentu, sebagai ketetapan. Sebagai contoh apabila mesin cuci ditetapkan perendaman 3 detik kemudian pembilasan 3 detik, maka walaupun hasil keluaran bersih ataupun tidak mesin cuci tetap melaksanakan operasi sesuai dengan masukan yang telah ditentukan.

Gambar 2. Metode sistem kontrol open loop

c. Perbandingan antara lup tertutup dan lup terbuka

Setiap sistem baik lup tertutup maupun lup terbuka memiliki kelebihan maupun kelemahan sendiri-sendiri. Pada suatu sistem lup tertutup memiliki kelemahan terhadap kepekaan umpan balik. Apabila pengontrolan lup tertutup kurang peka terhadap perubahan masukan yang disebabkan gangguan maka yang terjadi adalah kesalahan masukan yang berakibat fatal pada proses dalam sistem otomasi. Kekurangpekaan yang terjadi biasanya akibat dari biaya yang harus dikeluarkan pada sistem otomasi. Dikarenakan harus menggunakan berbagai macam sensor sebagai alat untuk membandingkan pada umpan balik.

Dari segi kestabilan, lup terbuka lebih mudah dibuat karena kestabilan bukan persoalan utama. Sebaliknya kestabilan selalu merupakan persoalan utama pada lup tertutup karena cenderung terjadi kesalahan akibat koreksi berlebih sehingga menimbulkan kesalahan sistem otomasi. Dalam mendesain kaidah pengontrolan dalam system otomasi perlu diperhatikan sebelumnya apakah suatu lingkungan terdapat gangguan, apabila terdapat berbagai macam kondisi yang berbeda ataupun gangguan maka yang dibutuhkan adalah membuat pengontrolan mengunakan loop tertutup. Sedangkan apabila suatu lingkungan pekerjaan tidak terdapat perubahan ataupun ganguan, yang dibutuhkan menggunakan sistem lup terbuka. Sebagai contoh aksi sistem otomasi untuk pengangkuatan beban dari titik A ke B yang telah ditentukan posisinya maka akan lebih tepat mengunakan kontrol lup terbuka.

2.2. Prinsip Kerja dan Spesifikasi Sistem Percobaan

Perancangan pada musim penghujan adalah dengan prinsip loop tertutup yang berbasis pada input dari sensor yang telah dipasang pada lahan. Sistem kendali ini terdiri dari beberapa komponen yaitu alat pengukur ketinggian (Meteran), relay, saklar, sensor dan pompa yang dirangkai menjadi satu sistem. Komponen-komponen tersebut mempunyai masing – masing fungsi yaitu alat pengukur ketinggian (meteran) mengendalikan pompa (plant) secara On/Off dengan mengatur ketinggian air. Meteran yang digunakan dalam rangkaian sistem kendali ini adalah jenis meteran batang dengan 8 pin yang mempunyai interval setting kontrol ketinggian air berkisar antara 0,1 mm sampai 5 meter.

Prinsip kerja rangkaiannya adalah Sensor akan memberi masukan terhadap rangkaian akibat adanya perubahan kondisi pada ketinggian air.  Relay merupakan saklar otomatis yang bekerja setelah mendapatkan informasi dari sensor. Dari relay akan melewati transistor menuju IC CD4027. Kemudian rangkaian akan On dan pompa akan mengalirkan air ke lahan dengan tekanan yang telah terukur.

Gambar 3. Rangkaian On-Off.

Dengan adanya irigasi bertekanan yang dikendalikan oleh suatu fungsi ketinggian dengan penambahan sensor perubahan cuaca yang memungkinkan pengontrolan air terhadap tanaman akan lebih efesien, tanpa terikat oleh musim dan perubahan cuaca rangkaian akan beroperasi sesuai input dari sinyal yang diberikan dari sensor yang kemudian disalurkan ke tenaga penggerak irigasi sehingga kapasitas pemberian air akan tetap terjaga dalam wilayah kebutuhan tanaman. Dengan pemakaian berbagai sensor adaptif yang dihubungkan dengan rangkaian tekanan irigasi pada luas lahan yang ada, maka sangat memudahkan pengoprasiannya bagi para pemakianya. Hasilnya akan diperoleh dengan tanaman yang laju pertumbuhan dan perkembangnya yang stabil yang berujung pada harapan yang menghasilkan hasil produksi tanaman yang optmal dengan kualitas tinggi.

Gambar dan spesifikasi pompa

Gambar 4. Pompa sentrifugal

• Spesifikasi pompa Air

CENTRIFUGAL - PUMP

1. Merk: " MATSUKO" 

2. SIZE INxOUT: 8inch.

3. Material Shaft: Stainless Steel.

4. Material Impeller: Bronze/ Kuningan.

5. Material pump: Besi tuang.

Cocok untuk: irigasi, Pengendalian banjir, Tambak Udang, Pemindahan Air Payau; dll.

Keistimewaan - Tenaga penggerak yang digunakan kecil, kapasitas/ debit air yang dihasilkan besar.

Pada sistem kontrol dua posisi, elemen aktuasi hanya mempunyai dua posisi yang tetap.  Kontrol on-off ini banyak digunakan di industri dan juga pada irigasi karena murah dan sederhana. Sinyal control akan tetap pada satu keadaan dan akan berubah ke keadaan lainnya bergantung pada nilai error  positif atau negatif.

u(t) = sinyal kontrol

e(t) = sinyal error

u(t) = U1, e(t) >0 

= U2, e(t) <0 p="">

Kontroler dua posisi pada umumnya dijumpai pada komponen elektrik (relay) dan komponen pneumatik (katup dan silinder). Ilustrasi dari kontroler on-off adalah sebagai berikut:

Gambar 5. Ilustrasi sinyal Kontrol On-Off.

Dari gambar dapat diamati bahwa jika output lebih besar dari set point yang diberikan, maka aktuator akan off. Output akan turun dengan sendirinya sehingga menyentuh set point lagi. Pada saat itu, sinyal kontrol akan kembali on (aktuator on) dan mengembalikan output kepada set pointnya. Demikian seterusnya sinyal kontrol dan aktuator akan on-off terus menerus untuk mengiri lahan sepanjang hari. Kelemahan dari kontroler on-off ini adalah jika output berosilasi di sekitar set point (keadaan yang memang diinginkan) akan menyebabkan aktuator bekerja keras untuk on-off dengan frekuensi yang tinggi. Hal ini akan menyebabkan kontroler akan cepat aus dan memakan energi yang banyak (boros).

Untuk sedikit mengatasi hal ini maka dibuat suatu band pada set point sehingga mengurangi frekuensi on-off dari kontroler. Ilustrasinya adalah sebagai berikut:

Gambar 6. Ilustrasi Band

Sinyal kontrol akan off ketika output waktu yang menyentuh batas atas yang di set setinggi 1 meter dan baru on kembali ketika menyentuh batas bawah setinggi 0.3 meter (30 CM). Cara ini dapat mempermudah pemberian set poin pada control irigasi tersebut dan mengurangi keausan pada kontroler, karena aktuator akan bekerja lebih lambat.  Band dari set point ini disebut juga diferensial gap. Dengan keadaan seperti ini serta mengatur besarnya diferensial gap maka frekuensi on-off dapat dikurangi tetapi harus dibayar dengan penurunan akurasi terhadap set point.

2.3. Gambar rangkaian dan Sistem Percobaan

Gambar 7. Gambar rangkaian On-Off

Gamabar 7. Pintu saluran Irigasi

Kelebihan control On-Off loop tertutup pada irigasi ini adalah:

1. Tidak memerlukan kalibrasi ulang dari waktu kewaktu

2. Dapat digunakan untuk komponen-konponen yang relative kurang teliti dan murah untuk mendapatkan pengontrolan “Plant” yang diteliti.

3. Dapat digunakan pada system jika terdapat pada gangguan yang tidak dapat diramalkan dan atau perubahan yang tidak dapat diramalkan pada komponen system.

Kelamahan sistem control On-Off loop tertutup adalah:

1. Kesetabilan selalu menjadi persoalan utama karena cendrrung terjadi kesalahan akibat koreksi berlebihan yang dapat menimbulkan osilasi pada amplitude konstan maupun berubah. 

2. Harga lebih mahal daripada system control loop terbuka.

2.4. Hasil Kerja Pengontrolan

Pada sistem kontrol On-Off, elemen control hanya memiliki dua posisi tertentu yaitu On dan Off. Kontrol On-Off memiliki karakteristik sinyal keluaran dari kontroler u(t) pada ketinggian air, tetapi tetap pada salah satu nilai maksimum atau minimum tergantung apakah sinyal kontrol kesalahan positif atau negatif. Diagram blok kontroler On-Off yang memiliki masukan e(t) dan keluaran u(t), ditunjukkan pada Gambar,

Gambar 8. Diagram kontroler on-off

Proses stabil dimana besarnya set point sama dengan besarnya meassurment variabel, sehingga error sama dengan nol. Error yang sama dengan nol ini dapat mengakibatkan tidak adanya manipulated variabel untuk membuka atau menutup saluran pembuangan yang menjadikan sebuah proses yang berjalan secara kontinyu tanpa gangguan. Namun pada kenyatannya perubahan load, kinerja mekanik instrument, perubahan setpoint dan faktor – faktor lain yang dapat mengakibatkan suatu proses tidak stabil. Hal ini lazim terjadi pada suatu sistem pengendalian, sehingga perlu sebuah controller untuk mengendalikan suatu proses agar dapat kembali ke posisi stabil.

2.5. Prospek Pengembangan Ke Penelitian selanjutnya

Untuk penelitian pengontrolan On-Off pada irigasi masih jarang dilakukan, baik dengan control loop terbuka ataupun dengan kontrol loop tertutup. Contohnya pada Irigasi dapat dilakukan penelitian tentang kontroler atau mengembangkan loop tertutup system mikrokontroler pada irigasi tersebut berupa feed back dengan penambahan sensor pressure gage untuk pergerakan dan tekanan pada irigasi tersebut. 

Kemudian irigasi tersebut ditambahkan dengan memakai system mikrokontroler. Mikrokontroler merupakan salah satu perkembangan teknologi yang mengintegrasikan sebuah sistem komputer kedalam sebuah chip tunggal (Single Chip), sehingga teknologi ini mampu berfungsi seperti sebuah sistem komputer, salah satunya adalah pada proses pengontrolan. Pada tulisan ini diharapkan dirancang dan dibuat sebuah sistem kontrol berbasis mikrokontroler pada prototype Sistem Tata Air menggunakan metode VWV (Variable Water  Volume). Mikrokontroler dirancang untuk menggerakkan pompa air dan untuk memvariasikan debit air suplai guna menjaga dan mempertahankan kondisi tekanan air pada set point yang diinginkan.

III. KESIMPULAN

1. Kontrol On-Off dapat dibagi dua yaitu control on-off loop terbuka dan control on-off tertutup.

2. Kontrol loop tertutup  merupakan metode dimana sinyal keluaraanya mempunyai pengaruh langsung terhadap pengontrolannya yang menggunakan umpan balik (feedback).

3. Sistem loop terbuka adalah sistem kontrol yang keluarannya tidak berpengaruh langsung terhadap aksi pengontrolannya.

4. Cara mengatasi terjadinya aus dan mengurangi energi  yang banyak yaitu dibuat suatu band pada set point sehingga mengurangi frekuensi on-off dari kontroler.

5. System control on-off ini memakai parameter Ketinggian air sebagai feed backnya.

6. Faktor-faktor yang dapat menyebabkan Proses yang tidak stabil adalah perubahan load, kinerja mekanik instrument, perubahan setpoint dan lain-lain.

7. Kelebihan control On-Off loop tertutup pada irigasi ini adalah:

a) Tidak memerlukan kalibrasi ulang dari waktu kewaktu

b) Dapat digunakan untuk komponen-konponen yang relative kurang teliti dan murah untuk mendapatkan pengontrolan “Plant” yang diteliti.

c) Dapat digunakan pada system jika terdapat pada gangguan yang tidak dapat diramalkan dan atau perubahan yang tidak dapat diramalkan pada komponen system.

DAFTAR PUSTAKA

Mansyur, 2005. Instrumentasi I dan II. Fakultas Teknik, USU. Medan.

Pakpahan S., 1984.  Kontrol Otomatik.  Penerbit Erlangga, Jakarta.

Pambudi, N.A., 2006. Sistem Otomasi Lup Terbuka Material Handling Menggunakan Pengendali pc (personal computer), Skripsi. Universitas Negeri Semarang, Semarang.

Richard C., 1983. Sistem Pengaturan. Penerbit Erlangga,  Jakarta.

Sangsoko T. D., 2010. Jurnal Pratikum Pengendalian On-Off, http://www.JURNAL PRAKTIKUM PENGENDALIAN ON-OFF « Thathit Dwi Sasongko.htm. [10 Mei 2010].

Suryadi, G. 2009. Penggunaan Pyrometer Sebagai Alat Untuk Mengukur Tempratur Material pada Kiln, Skripsi. USU, Medan.

Tjetjep, 2008. Electrical Instrumentation. http://tjetjep-electrical instrumentation. blogspot.com.[10 Mei 2010].

Share this post