Setiawan, J., Abdurahman, A., Sunardi, S., Sugeng, S. and Syukur, A. (2022) “ Design of PLC Based
Temperature Control System For Food Stability Test Chamber ”, Sebatik, 26(2) Submitted:  2022-09-07 Accepted:  2022-09-25 Published:  2022-12-21
Sebatik Vol. 26 No. 2 Desember 2022
ISSN: 1410-3737(p) 2621-069X(e) Open access article licensed under CC-BY
DOI:10.46984/sebatik.v26i2.1968

## DESIGN OF PLC BASED TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR FOOD STABILITY TEST CHAMBER
Abdurahman 1) , Sunardi 2) , Sugeng 3) , Jan Setiawan 4) , dan Angga Muhamad Syukur 5)
1,2,3,4,5 Teknik Elektro, Universitas Pamulang
1,2,3,4,5 Jl. Puspiptek Buaran, Tangerang Selatan, 15310 E-mail : dosen00943@unpam.ac.id 1) , sunardi856@gmail.com 2) , sugeng.unpam@yahoo.co.id 3) , jansetiawan.lecturer@gmail.com 4) , angga_muhamads@rocketmail.com 5)

## ABSTRACT
A stability test chamber simulates specific environmental conditions and tests a product or material in the manufacturing stage.  The tested product or material is then analyzed for its shelf-life estimation related to the state and durability of the product  for  a  certain  period.    The  main  parameter  that  must  control  accurately  is  temperature.  Programmable  Logic Controller (PLC) as an industrial computer control system has been widely used.  In this paper, the temperature control system was designed based on PLC and supervisory control and data acquisition (SCADA).  The PLC and SCADA would indirectly control the heater.  The PLC was fed from the temperature sensor for the real-time temperature inside the test chamber.    Received  temperature  value,  compared  to  the  temperature  set  point.    The  validation  and  verification  of controlled temperature inside the chamber  were  also  investigated.  The system was designed on  a miniaturized chamber using commercial PLC and SCADA, a Stepper motor, a slide regulator, a heater, and the temperature sensor PT100. The temperature test point for validation and verification was performed at 35 °C, 45 °C, and 55 °C. The result showed that The PT100 successfully had an excellent response to the temperature test point. The correction value for temperature is as high as 0.6 °C with a deviation of 1 %.
Keywords: Food stability, PLC, Temperature control, Test chamber.

## 1. PENDAHULUAN
Uji stabilitas untuk produk seperti makanan bertujuan untuk  menentukan  umur  simpannya.  Uji  stabilitas merupakan  suatu  proses  yang  kompleks  (Ayton,  2021; Gao, Tian,  Zhu,  & Sun,  2020).  Uji  stabilitas  merupakan proses  yang sangat  penting bagi  perusahaan makanan di mana  mereka  harus  mengetahui  umur  simpan  produk mereka.  Dimana  pada  masa  umur  simpan  ini  makanan tersebut masih layak untuk dikonsumsi. Dalam teknik uji stabilitas  pangan,  sampel  makanan  disimpan  dalam jangka  waktu  tertentu  di  ruangan  dengan  kondisi temperatur  dan  kelembaban  tertentu,  dan  dilakukan serangkaian  uji  analitik.  Oleh  karena  itu,  kestabilan temperatur  harus  dijaga  untuk  mendapatkan  hasil  yang akurat.
Pesatnya  perkembangan  ilmu  pengetahuan  dan teknologi  sangat  mempengaruhi  kehidupan  manusia; efektivitas  dan  efisiensi  selalu  menjadi  acuan.  Setiap langkah  dalam  menggunakan  dan  memanfaatkan teknologi diharapkan dapat mencapai hasil  yang optimal baik  secara  kualitas  maupun  kuantitas.  Untuk  mencapai hal tersebut diperlukan suatu sistem yang dapat menjaga kestabilan  temperatur  ruang  (Chen,  2022;  Ezike,  Alabi, Ossai,  &  Aina,  2018;  Malika,  Johar,  Alkawaz, Hajamydeen,  &  Raya,  2022;  Matamoros  dkk,  2020) sehingga  uji  stabilitas  pangan  dapat  dilakukan  dengan hasil yang akurat.
Pengendalian  temperatur  dan  kelembaban  ruang  uji secara  konvensional  terdiri  dari  kipas  sirkulasi  udara, unit  pendingin,  pemanas  listrik,  dan  unit  peningkat kelembaban  udara.  Pengendalian  temperatur  dan kelembaban  ruang  uji  mengonsumsi  banyak  energi selama  operasinya  (Mensah  &  Choi,  2017).  Dalam pengembangan ruang uji, temperatur bagian dalam dapat digunakan  sebagai  umpan  balik  untuk  mengendalikan kecepatan  kipas  angin.  Untuk  kebutuhan  ini  sensor  dan mikrokontroler, kipas angin dan rangkaian antarmukanya ditempatkan  dalam  ruang  uji  sebagai  satu  kesatuan. Dengan sistem ini, ketika temperatur bagian dalam ruang berada di atas nilai yang ditetapkan oleh pengguna, kipas angin  akan  berputar,  dan  jika  di  bawah  nilai  temperatur yang diatur, kipas angin akan berhenti.  Pemilihan sensor temperatur sangat mempengaruhi hasil (Popa dkk, 2019). Sensor temperatur resistansi platinum menjadi salah satu pilihan  yang  sangat  baik.  Mensah  dan  Choi  (2017), mengadopsi  kompresor  dengan  kecepatan  yang  dapat divariasikan  ke  unit  pendingin  untuk  pengendalian temperatur  dan  kelembaban  ruangan.    Konsumsi  energi di  dalam  ruang  berkurang,  dan  temperatur  dan kelembaban mencapai stabilitas, sesuai dengan peningkatan  pengaturan  temperatur  di  dalam  ruang. Pengembangan  lainnya  membuat  desain  ruangan  yang memiliki  temperatur  konstan  dan  terintegrasi  dengan berbiaya  rendah  dan  presisi  tinggi,  berdasarkan  prinsip
© 2022, The Author(s). Authors retain all their rights to the published works, such as (but not limited to) the following rights; Copyright and other proprietary rights relating to the article, such as patent rights, The right to use the substance of the article in own future works, including lectures and books, The right to reproduce the article for own purposes, The right to self-archive the article
konveksi alami. Ruang dengan konsep ini akan memiliki konsumsi energi yang rendah, sehingga akan lebih murah dan  mudah  dalam  proses  perakitannya  (Dyjakon, Noszczyk, Sobol, & Misiakiewicz, 2021). Desain lainnya dengan  melakukan  pemilihan  bahan  dinding  dengan konsep berlapis untuk mempertahankan temperatur ruang uji  dalam  kurun  waktu  tertentu  sehingga  dapat meminimalisasi  penggunaan  pemanas,  yang  tentunya akan memberikan penghematan (Coandă dkk, 2022).
Salah  satu  perangkat  pengendali  yang  umum digunakan  dalam  dunia  industri  adalah programmable logic controller (PLC). Perangkat PLC digunakan karena memiliki  keandalan,  antara  lain  mudah  diprogram  dan diterapkan,  lebih  sedikit  kabel,  pemecahan  masalah sistem  yang  lebih  mudah,  konsumsi  daya  yang  relatif lebih rendah, modifikasi sistem yang lebih sederhana dan lebih cepat. PLC diprogram untuk menggantikan puluhan atau  ratusan  sirkuit  kontrol  logika  yang  saling bergantung. Komponen input dan output (I/O) pada PLC memungkinkan  menjadi  antarmuka  langsung  dengan proses  yang  sebenarnya  (Chen,  2022;  Krupa,  Limon,  & Alamo, 2021; Malika dkk, 2022; Matamoros dkk, 2020; Wei, 2017).

## 2. RUANG LINGKUP
Dalam penelitian ini permasalahan mencakup:
1. Perancangan  pengendali  temperatur  untuk  ruangan pengujian  stabilitas  produk  makanan  sehingga  dapat mencapai temperatur set point yang ditentukan.
2. Dalam perancangan ini, digunakan PLC dan SCADA sebagai  pengendalinya,  sensor  temperatur  dan  motor stepper sebagai aktuatornya.
3. Diperoleh  rancangan  pengendali  temperatur  untuk ruangan  pengujian  stabilitas  produk  makanan. Temperatur set  point yang  ditentukan  dapat  dicapai dan tetap stabil dalam waktu tertentu.

## 3. BAHAN DAN METODE
Sistem  pengatur  temperatur  ruang  uji  stabilitas dirancang menggunakan PLC OMRON CP1E NA20DR- A dan SCADA, motor stepper , pengatur tegangan geser, pemanas  tipe  PTC,  kipas  DC,  dan  sensor  temperatur PT100.  Sistem  pengendali  temperatur  dibangun  beserta ruang  uji  stabilitas  mini.  Rancangan  sistem  kendali temperatur dan ruang uji stabilitas mini ditunjukkan pada Gambar 3.  Dimensi ruang uji stabilitas  adalah 170 mm x  145  mm  x  240  mm,  dan  dipasangi  pipa  komersial polivinilklorida (PVC) berdiameter 3 inci.  Ruang uji dan pipa  dilapisi  aluminium  foil,  untuk  mengurangi terjadinya heat  loss dari  sistem  maupun  pengaruh  panas dari luar ruang uji.  Diagram perpipaan dan instrumentasi untuk  sistem  kendali  temperatur  ditunjukkan  pada Gambar  1,  dan  diagram  pengkabelan  sistem  kendali temperatur ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 1. Sistem Kendali Temperatur Ruang Uji Stabilitas
Gambar 2. Diagram Pengkabelan Sistem Kendali Temperatur Ruang Uji Stabilitas

## Gambar 3. Sistem Kendali Temperatur Ruang Uji Stabilitas
Untuk  PLC  CP1E  NA20DR-A  dibutuhkan  tegangan berkisar  antara  100–240  VAC.  Dengan  demikian dibutuhkan  tegangan  operasional  untuk  VAC  berkisar antara 100 – 240 V dan untuk VDC berkisar antara 20,4 – 26,4 V.
Aplikasi untuk pemantauan, kendali, dan akuisisi data dirancang menjadi dua bagian. CX- Programmer digunakan  untuk  mengembangkan  diagram ladder ,  dan CX-Supervisor  digunakan  untuk  membuat  antarmuka pengguna.  Antarmuka  pengguna  terdiri  dari  tombol on/off ,  label  untuk  titik  uji set  point temperatur  yang
ditetapkan, dan melihat temperatur aktual di dalam ruang uji  stabilitas.  Verifikasi  kendali  sistem  temperatur  diuji pada tiga titik uji temperatur yaitu, 35 °C, 45 °C, dan 55 °C.
Perancangan  sistem  kerja  kendali  temperatur  ini dimulai  dari  aplikasi  antarmuka  pengguna.  Antarmuka pengguna  mengendalikan  sistem on/off .  Temperatur set point ditentukan  oleh  pengguna,  aplikasi  mengirimkan instruksi  ke  PLC  untuk  mengatur  regulator  geser  yang terhubung  langsung  ke  pemanas.  Udara  panas  yang mengelilingi  pemanas  PRC  dialirkan  ke  ruang  uji  oleh kipas  DC  (Mensah  &  Choi,  2017).  Sensor  temperatur PT100 mendeteksi perubahan temperatur di dalam ruang uji. Data temperatur dikirim ke PLC, dan dapat dilihat di aplikasi.

## 4. PEMBAHASAN
Sistem pengendali temperatur diuji untuk mengetahui keandalan  perangkat  keras  dan  perangkat  lunaknya. Ruang  lingkup  hasil  dan  pembahasan  adalah  tentang skema  diagram ladder ,  karakteristik  sensor  temperatur, dan verifikasi sistem kontrol temperatur. Diagram ladder dibagi  menjadi  empat  bagian  untuk  bagian  kendali  dan satu  untuk  pengukur  waktu.  Diagram ladder setiap bagian ditunjukkan pada Gambar 4.
© 2022, The Author(s). Authors retain all their rights to the published works, such as (but not limited to) the following rights; Copyright and other proprietary rights relating to the article, such as patent rights, The right to use the substance of the article in own future works, including lectures and books, The right to reproduce the article for own purposes, The right to self-archive the article
(a) (b) (c)
(d)
(e)
Gambar 4. Skematik Diagram Ladder dari PLC
Diagram ladder pada  Gambar  4  dijelaskan  sebagai berikut,  PLC  mengatur driver motor  ke enable ,  dibaca
dari  sensor  temperatur.  Saat  temperatur set  point ditentukan,  PLC  melakukan  pemeriksaan  sakelar  batas kiri. Saklar batas kiri dimaksudkan sebagai posisi normal untuk mengatur pemanas. Sekali lagi, PLC membaca dari sensor  temperatur  dan  menghitung  temperatur  ruang  uji dengan set point yang berbeda. Jika temperatur ruang uji di  bawah  temperatur set  point ,  motor  digerakkan  searah jarum  jam  dengan  kecepatan  0,125  pps.  Jika  temperatur ruang  uji  berada  pada  10%  di  bawah  temperatur set point ,  maka  kecepatan  motor  menurun  menjadi  0,0625 pps.  Jika  temperatur  ruang  uji  lebih  tinggi  dari temperatur set  point ,  motor  akan  bergerak  berlawanan arah  jarum  jam  dengan  kecepatan  0,0625  pps.  Motor akan  berhenti  ketika  temperatur  ruang  uji  sama  dengan temperatur set point .
Sensor temperatur diuji pada temperatur 30°C, 40°C, dan 50°C. Pengujian dilakukan menggunakan
amperemeter  untuk  mengukur  arus  listrik  yang  keluar dari  sensor.  Hasil  yang  diperoleh  menunjukkan  pada temperatur  30  °C  diperoleh  14  mA,  40  °C  diperoleh  16 mA, dan 50 °C diperoleh 18 mA. Besaran arus listrik ini menunjukkan  bahwa  sensor  temperatur  PT100  yang digunakan  bersesuaian  dengan  karakteristik  dari  PT100 tipe  TH-WD1-C.  Karakteristik  perubahan  arus  listrik- temperatur  sensor  ini  dan  hasil  ujinya  ditunjukkan  pada Gambar 5. Uji verifikasi dimulai dari uji fungsi I/O PLC. Hasil  penelitian  menunjukkan  fungsi  I/O  PLC  akurat 100%  dan  koneksi  antara  PLC  dengan  komputer berfungsi  dengan  baik.  Hasil  uji  fungsional  jam  meter ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 5. Karakteristik Uji Sensor Temperatur
© 2022, The Author(s). Authors retain all their rights to the published works, such as (but not limited to) the following rights; Copyright and other proprietary rights relating to the article, such as patent rights, The right to use the substance of the article in own future works, including lectures and books, The right to reproduce the article for own purposes, The right to self-archive the article

## Gambar 6. Waktu Sistem Sirkuit Jam Meter
Fungsi  dari  rangkaian  jam  meter  adalah  untuk menghitung waktu proses PLC. Akurasi yang tinggi dari rangkaian ini untuk mendukung efisiensi dalam produksi dimana indikator tersebut membentuk overall equipment effectiveness (OEE). Nilai waktu rangkaian terhadap alat ukur  pembanding  berkisar  antara  rentang  0,72  –  0,07 detik  ditampilkan  pada  Gambar  6.  Nilai  waktu  rata-rata adalah 0,32 detik dengan ketidakpastian 0,25 detik. Data
pengukuran pada Gambar 6 didekati dengan menggunakan  fungsi  linier.    Terlihat  titik  potong  dari persamaan  linier  ini  sebesar  0,081,  yang  berarti, pewaktuan  dalam  sistem  PLC  sudah  memiliki  waktu proses  internal  sebesar  0,081  detik.  Sistem  kendali temperatur dengan titik uji pada temperatur 35 °C, 45 °C, dan 55 °C, diberikan pada Gambar 7.

## Gambar 7. Temperatur Ruang Uji Terhadap Waktu Operasi Sistem Pengendali Temperatur
Pengujian  temperatur set  point 35  °C,  temperatur  awal ruang  uji  sebesar  25,7  °C.  Sedangkan  pada  pengujian temperatur dengan set point 45 °C dan 55 °C, temperatur awal ruang uji sebesar 26,9 °C.  Gambar 7 menunjukkan temperatur set point tersebut dapat dicapai dengan waktu sekitar  25  menit.  Dari  kemiringan  kurva  dari  awal pemanasan  hingga  mencapai  temperatur set  point pada Gambar  7,    kemampuan  laju  pemanasan  saat  pengujian diperoleh 1,4 °C/menit untuk temperatur set point 35 °C, 1,8  °C/menit  untuk  temperatur set point 45  °C,  dan  2,2 °C/menit  untuk  temperatur set point 55  °C.  Dari
pengujian overshoot pada temperatur juga terlihat selama rentang waktu tersebut dengan rentang nilai 3 - 5%. Hal ini  dikarenakan  sensor  dan  PLC  memerlukan  waktu untuk  memproses  temperatur  ruang  uji  dengan  batas temperatur set  point .  Setelah  diperoleh  keputusan,  PLC akan  mengubah  tegangan  pada  pemanas  sehingga beberapa  saat  temperatur  akan  menurun.  Proses  iterasi ini akan berulang hingga temperatur ruang uji mendekati temperatur set  point .    Temperatur  ruang  uji  dapat mendekati  stabil  yang  ditunjukkan  dengan  perbedaan antara  temperatur  ruang  uji  dengan set  point sekecil
mungkin.  Dalam desain sistem ini perbedaan temperatur terkecil  dapat  dicapai  setelah  1  jam  dari  mulai  operasi atau sekitar  35 menit  dari  akhir kondisi overshoot . Pada kondisi  ini,  deviasi  temperatur  yang  dapat  dicapai sebesar 0,6 °C atau sekitar 1%.

## 5. KESIMPULAN
Sistem  pengendali  temperatur  dapat  menunjukkan temperatur  ruang  uji  secara real-time di  aplikasi antarmuka  pengguna.  Antarmuka  pengguna  ini  juga mengatur  temperatur set  point yang  diperlukan  untuk pengujian stabilitas. Pengendalian temperatur saat on-site commissioning menunjukkan  PLC  OMRON  dapat mengendalikan  temperatur  ruang  uji  dengan  baik. Temperatur set  point dapat  dipenuhi  dengan  presisi tinggi.  Waktu  yang  diperlukan  untuk  mencapai temperatur set  point ,  desain  pengendali  temperatur  yang dibangun ini memerlukan waktu 25 menit dan temperatur ruang  uji  mencapai  temperatur  yang  stabil  setelah  35 menit dari pencapaian temperatur set point .

## 6. SARAN
Pengembangan    ruang  uji  untuk  stabilitas  produk pangan merupakan perangkat yang sangat penting dalam industri makanan untuk meyakinkan ketahanan produknya.    Desain  ini  yang  dibangun,  telah  mampu mengendalikan  temperatur  dengan  kestabilan  yang  baik pada  temperatur set  point yang  berbeda.  Untuk pengendalian temperatur ruang uji yang lebih baik dapat ditingkatkan dengan memetakan temperatur dalam ruang uji  dengan  menambah  sensor  temperatur.  Selain  itu, distribusi  panas  konveksi  yang  lebih  baik  sehingga pencapaian  temperatur set  point lebih  baik  dan mengurangi overshoot dapat  menambah  jumlah  kipas dan  melakukan  optimasi  dalam  pengoperasiannya.  Agar lebih hemat energi, desain ruang uji dapat menggunakan bahan yang dapat menyimpan panas lebih lama.

## 7. DAFTAR PUSTAKA
Ayton, J. (2021). Chapter 8 Accelerated Stability Testing
–  History  and  Recent  Developments.  In Handbook of Antioxidant Methodology: Approaches to Activity Determination (pp. 262- 278): The Royal Society of Chemistry.
Chen,  J.  (2022).  Design  and  Analysis  of  Home  Control Complex  System  Based  on  PLC  Technology. Mobile  Information  Systems,  2022 ,  6830120. doi:10.1155/2022/6830120
Coandă,  P.,  Avram,  M.,  Comeagă,  D.,  Grămescu,  B., Constantin,  V.,  &  Emil,  N.  (2022,  30  June-2 July 2022). Design, fabrication, and testing of a high-load,  low-cost  thermal  chamber. Paper presented  at  the  2022  8th  International Conference on Energy Efficiency and Agricultural Engineering (EE&AE).
Dyjakon,  A.,  Noszczyk,  T.,  Sobol,  Ł.,  &  Misiakiewicz,
D. (2021). Influence of Torrefaction Temperature  and  Climatic  Chamber  Operation Time  on  Hydrophobic  Properties  of  Agri-Food Biomass  Investigated  Using  the  EMC  Method.
Energies, 14 (17). doi:10.3390/en14175299 Ezike,  S.,  Alabi,  A.,  Ossai,  A.,  &  Aina,  A.  (2018).  A Low-Cost  Temperature-Controlled  Chamber Fabricated for Materials Testing. Designs, 2 (3), 25.
Gao,  T.,  Tian,  Y.,  Zhu,  Z.,  &  Sun,  D.-W.  (2020). Modelling,  responses  and  applications  of  time- temperature  indicators  (TTIs)  in  monitoring fresh  food  quality. Trends  in  Food  Science  &
Technology, 99 , 311-322. doi:https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.02.019
Krupa,  P.,  Limon,  D.,  &  Alamo,  T.  (2021).
Implementation  of  Model  Predictive  Control  in Programmable Logic Controllers. IEEE Transactions  on  Control  Systems  Technology, 29 (3), 1117-1130. doi:10.1109/TCST.2020.2992959 Malika,  N.  Z.,  Johar,  M.  G.  M.,  Alkawaz,  M.  H., Hajamydeen,  A.  I.,  &  Raya,  L.  (2022,  21-22 May 2022). Temperature & Humidity Monitoring for Poultry Farms using IOT. Paper presented at the 2022 IEEE 12th Symposium on Computer Applications & Industrial Electronics (ISCAIE).
Matamoros,  M.,  Gómez-Blanco,  J.  C.,  Sánchez,  Á.  J., Mancha,  E.,  Marcos,  A.  C.,  Carrasco-Amador, J. P., & Pagador, J. B. (2020). Temperature and
Humidity  PID  Controller  for  a  Bioprinter Atmospheric Enclosure System. Micromachines,  11 (11),  999.  Retrieved  from https://www.mdpi.com/2072-666X/11/11/999
Mensah, K., & Choi, J. M. (2017). Energy  consumption and stability investigation of constant temperature  and  humidity  test  chamber. International  Journal  of  Air-Conditioning Refrigeration, 25 (01), 1750010.
Popa,  A.,  Hnatiuc,  M.,  Paun,  M.,  Geman,  O.,  Hemanth, D.,  Dorcea,  D.,  .  .  .  Ghita,  S.  (2019).  An Intelligent  IoT-Based  Food  Quality  Monitoring Approach  Using  Low-Cost  Sensors. Symmetry, 11 (3). doi:10.3390/sym11030374 Wei,  F.  (2017). The  PLC-based  Industrial  Temperature Control  System:  Design  and  Implementation. Paper  presented  at  the  MATEC  Web  of Conferences.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kepala Departemen Teknik Elektro atas dukungannya; demikian, penulis dapat menyelesaikan pekerjaan ini.