## Sistem Pengaturan Laju Aliran Air pada Plant Water Treatment

## Skala Rumah Tangga dengan Kontrol Fuzzy-Pid
(Water Flow Rate Control System at The Water Treatment Plat Household Scale with Fuzzy-Pid Control)
Abdur Rohman 1 , M. Agung Prawira Negara 2 , Bambang Supeno 3
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Jember (UNEJ) Jln. Kalimantan 37, Jember 68121
E-mail : abdurrohman.engineer@gmail.com 1 , mohagungpn@gmail.com 2 , bambangsupeno@gmail.com 3

## Abstrak
Air merupakan kebutuhan yang sangat vital bagi kehidupan manusia. Permasalahan yang timbul yaitu sering dijumpai bahwa kualitas air tanah maupun air sungai yang digunakan masyarakat kurang memenuhi syarat sebagai air minum yang sehat bahkan di beberapa tempat bahkan tidak layak untuk diminum. Untuk menanggulangi masalah tersebut, salah satu alternatif yaitu mengolah air tanah atau air sumur sehingga didapatkan air dengan kualitas yang memenuhi syarat kesehatan dengan merancang sebuah alat filtrasi air. Pada penelitian ini dirancang sebuah alat filtrasi air skala rumah tangga dengan metode pengontrolan pada aliran air pada proses filtrasi. Metode kontrol yang digunakan yaitu fuzzy_PID. Kontrol fuzzy_PID digunakan   untuk   mengatur   debit   aliran   air   yang   masuk   kedalam   filter   dengan   mengatur   kecepatan   pompa   air   yang dipengaruhi oleh kejernihan air hasil filtrasi. Fuzzy logic digunakan untuk menghasilkan parameter Kp, Ki, Kd pada kontrol PID dengan input berupa error dan perubahan error. Sensor yang digunakan pada penelitian ini ialah sensor kejernihan 1, sensor kejernihan 2 dan sensor flowmeter. Sensor kejernihan 1 digunakan untuk mendeteksi nilai kejernihan air input dan sensor kejernihan 2 digunakan untuk kejernihan air output. Kemudian sebagai pusat kendalinya yaitu arduino uno. Pada penelitian yang dilakukan diketahui bahwa kecepatan aliran air dapat mempengaruhi nilai kekejernihan air yang dihasilkan pada proses filtrasi. Ketika kejernihan air output dibawah setpoint, maka kecepatan aliran air akan diperlambat sampai kejernihan air output sama dengan setpoint. Pada percobaan setpoint 94 %, Kecepatan debit aliran air berubah dari 872 (Liter/jam) menjadi 752 (Liter/jam) pada saat terjadi perubahan kejernihan air output filtrasi dari 94 % menjadi 93%.
Kata kunci : Arduino Uno, Fuzzy_PID, Kejernihan, Sensor Flowmeter.

## Abstract
Water is a vital requirement for human life. The problems that arise are often found that the quality of ground water and river water used by people less qualified as healthy drinking water even in some places even unfit for drinking. To overcome the problem, one alternative is treating groundwater or well water to obtain a water quality that meets the health requirements to design a water filtration apparatus. In this study designed a tool household water filtration with a method of controlling the flow of water at the filtration process. The control method used is fuzzy_PID. Fuzzy_PID control is used to regulate the flow of water into the filter by adjusting the speed of the water pump is influenced by the clarity of the water filtration results. Fuzzy logic is used to generate parameters Kp, Ki, Kd on PID control input of the error and error change. The sensor used in this study is the clarity of the sensor 1, sensor 2 and sensor flowmeter clarity. Clarity Sensor 1 is used to detect the value of the input water clarity and lucidity sensor 2 is used for water clarity output. Then as the control center that is arduino uno. In the study conducted in mind that the speed of water flow may affect the value kekejernihan water produced in the process of filtration. When water clarity below the setpoint output, the speed of the water flow will be slowed until the water clarity equal to the output setpoint. At trial setpoint of 94%, speed of water flow changed from 872 (Liter / h) to 752 (liter / h) in the event of changes in water clarity filtration output from 94% to 93%.
Keywords: Arduino Uno, Fuzzy_PID, Kejernihan, Sensor Flowmeter.

## PENDAHULUAN
Air   merupakan   kebutuhan   yang   sangat   vital   bagi kehidupan manusia. Karena  itu jika kebutuhan air belum tercukupi   maka   dapat   memberikan   dampak   yang   besar terhadap   kerawanan   kesehatan   maupun   sosial.   Menurut Departemen   Kesehatan   Indonesia,   air   minum   yang   baik untuk dikonsumsi adalah air minum yang memiliki syarat – syarat antara lain tidak berasa, tidak berbau, tidak berwarna dan tidak mengandung logam  berat  [1]. Oleh karena  itu,
dibutuhkan pengolahan air tanah atau air sumur sehingga didapatkan   air   dengan   kualitas   yang   memenuhi   syarat kesehatan dengan merancang sebuah alat filtrasi air. Kita ketahui bahwa semakin lemah akibat kotoran yang semakin bertambah   dalam   media   filter   sehingga   perlu   adanya pengurasan dan pencucian filter agar tetap bekerja efektif. Oleh karena itu dibutuhkan pengontrolan aliran filtrasi pada alat filtrasi untuk menjaga kualitas air hasil filtrasi. Kontrol PID telah banyak digunakan Untuk mendapatkan kecepatan konstan serta  memperbaiki  kinerja motor induksi, namun
kelemahan kontroller PID adalah sulit untuk menentukan nilai gain Kp, Ki, dan Kd agar memperoleh kinerja motor induksi   sesuai   dengan   yang   diinginkan[2].   Logika Fuzzy digunakan   sebagai   metode   penala   konstanta   kendali   PID dengan tujuan mendapatkan respon sistem yang baik yaitu rise time yang cepat dan overshoot yang minimal [3]. Pada ini   digunakan   kontrol   logika fuzzy _PID yang   digunakan untuk mengontrol kecepatan pompa air yang mengatur debit air yang masuk ke tabung filter dengan  dengan monitoring kondisi air hasil pengolahan pada plant filtrasi.

## METODE PENELITIAN
Gambar 1. Desain Perancangan Alat.
Gambar   1   merupakan   desain   perancangan   alat   yang digunakan dalam penelitian ini. Pada box control terdapat rangkaian elektronika yaitu: Arduino uno, rangkaian power supply ,   dan driver pompa.   Pada   tabung filter 1   dan   2 menggunakan pipa besi dengan ukuran tabung filter 1 = 6 inchi , tabung filter 2 = 3 inchi . Pada tabung filter 1 terdapat media filter berupa   mangan   zeolit,   silica,   karbon   aktif, sedangkan pada tabung filter 2, media filter nya berupa kasa. Kemudian pompa air dengan daya 125 watt dan tegangan kerja 220 volt digunakan untuk mengalirkan air pada proses penjernihan.   Sensor   kejernihan   menggunakan   LED dan LDR  yang berada  pada  akuarium  penampungan  air  hasil filtrasi.
Terdapat   dua   sensor   yaitu   pada   akuarium   1   dan akuarium 2. Pada akuarium 1 berfungsi untuk mendeteksi kejernihan   air   yang   masuk   menuju   alat   filtrasi.   Sensor kejernihan 2 digunakan untuk mendeteksi kejernihan aktual air air filtrasi. Pada sensor kejernihan, LDR dan lampu led tidak   tahan   air   ( water   proof )   maka   diperlukan   adanya pelindung   untuk   menjaga   agar   sensor   tidak   terkena   air sehingga sensor tidak rusak. Sensor dimasukan ke dalam pipa PVC ukuran ½ yang telah dilubangi dari sisi samping dan   penutup   pada   sisi   atas   dan   bawah,   kemudian   pada rangkaian diberi lem bakar sehingga rangkaian dan kabel tidak  terkena  air.  Hal  ini  sangat  berguna  dalam  menjaga sensor   dapat   mendeteksi   perubahan   kejernihan   dan menghindarkan dari kerusakan.
Untuk   konversi   nilai   ADC   menjadi   tegangan menggunakan persamaan sebagai berikut:
Vout = V in * (5.0 / 1023.0) ………….. (1)
Untuk konversi nilai tegangan menjadi nilai kejernihan menggunakan persamaan sebagau berikut:
x = (V out / 5) x 100  ………….……(2)
Kemudian untuk mendapatkan kejernihan dalam satuan NTU digunakan persamaan sebagai berikut:
y = -1.6047x + 153.01...…………… (3) keterangan:
Vout =  tegangan output analog sensor Vin   =  tegangan input analog sensor y = nilai NTU
x = nilai kejernihan dalam bentuk percent (%) Gambar 2. Rangkaian Sensor Kejernihan Air
Gambar 3. Sensor flowmeter (seedstudio.com)
Sensor flowmeter dalam penelitian ini digunakan untuk monitoring kecepatan  aliran air pada saat sistem  bekerja. Aliran air yang diukur ialah air yang masuk pada tabung filtrasi.   Pengukuran   kecepatan   aliran   air   ini   digunakan untuk bahan analisis pengaruh kecepatan aliran air terhadap kejernihan   hasil   proses   filtrasi.   Sensor flowmeter yang digunakan   ialah   ukuran   ¾ inch yang   terdiri   dari   katup plastik,   rotor   air,   dan   sebuah   sensor hall-effect .   Pada pengaplikasiannya sensor flowmeter ini diberikan tegangan 5 volt dari arduino uno. Pin interrupt yang digunakan ialah pin   2   pada   arduino   uno.   Untuk   perhitungan   frekuensi digunakan persamaan sebagai berikut:
X = 5,5 * Y  * t  …………………………… (4) keterangan:
X = Kecepatan aliran
Y = unit aliran (L/ min )
t = waktu (detik).
Gambar 4. Diagram Blok Sistem.
Gambar 5. Flowchart Sistem.
Pada gambar 4, diagram blok sistem terdiri dari input system dan output system serta power supply . Pada bagian input   system berupa   sensor   kejernihan   dan   sensor flowmeter ,   sedangkan output   system berupa   LCD   dan driver motor   AC   untuk   pompa   air.   Terdapat   2   sensor kejernihan yaitu sensor kejernihan pada air input dan sensor kejernihan   pada   air   output.   Sensor   kejernihan   air   input digunakan   untuk   mendeteksi   tingkat   kejernihan   air   yang difiltrasi, dan sensor kejernihan air output digunakan untuk mendeteksi tingkat kejernihan air hasil proses filtrasi. Pada bagian  output,  LCD digunakan  untuk  menampilkan data, sedangkan   driver   pompa   digunakan   untuk   menggerakkan pompa   air.   Kemudian   power   supply   digunakan   sebagai sumber   tegangan   pada   sistem   yang   meliputi   rangkaian sensor dan arduino.Pada gambar  5, pada flowchart , awal start sistem dimulai dengan proses inisialisai sensor (sensor kejernihan  1, sensor kejernihan  2, sensor flowmeter) dan keypad ,   kemudian scan   keypad .   Selanjutnya   yaitu memasukkan nilai setpoint dengan range masukan setpoint dari 2 sampai 50 NTU, apabila nilai sensor terbaca maka sistem akan memulai proses filtrasi. Kemudian nilai K p , K i , K d akan   diatur   sesuai   dengan   nilai error dan   perubahan error kejernihan output air hasil filtrasi. Nilai keluaran PID akan   dirubah   dalam   bentuk   PWM   dan   dipetakan   pada range 0 – 255.
Gambar 6. Diagram Blok Pengendali Fuzzy _PID.
Gambar 7. Keanggotaan error
Gambar 8. Keanggotaan perubahan error
Pengendali fuzzy yang   dirancang   memiliki   dua   buah masukan yaitu error dan perubahan error . Himpunan fuzzy untuk masukan error dan perubahan error , masing-masing dibagi menjadi 5 kelas. Himpunan fuzzy untuk keluarannya dibagi   dalam   5   tingkat   sinyal control yang   berbentuk discrete ,   nama   linguistik   kelima   tingkatan   ini   adalah parameter.   Gambar   7   dan   8   menunjukkan   bentuk   dan batasan masukan error dan perubahan error .   Mekanisme defuzifikasi   menggunakan output berupa   konstanta   yang dibagi   dalam   5   tingkat   yang   berbentuk discrete ,   nama lingustik   kelima   tingkatan   ini   adalah   parameter.   Kelima parameter keluaran tersebut K (kecil), S (sedang), B (besar), SB (sedang besar) dan BS (Besar sekali).  Untuk nilai Kp, K bernilai 0, S bernilai 2, B bernilai 4, SB bernilai 10, dan BS bernilai 15. Pada penalaan parameter Ti, K bernilai 0, S bernilai 5, B bernilai 10, SB bernilai 15 dan BS bernilai 20. Untuk   parameter   Td   dirancang   dengan   K   bernilai   0,   S bernilai 1, B bernilai 3, SB bernilai 5 dan BS bernilai 7. Untuk mendapatkan nilai crisp output dari himpunan fuzzy ini   dapat   digunakan   metode   rata-rata   berbobot (Center average   defuzzifier ).     Pada   metode   ini   nilai crisp keluarannya   diperoleh   berdasarkan   titik   berat   dari   kurva hasil proses pengambilan keputusan yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
…………… (5)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Tabel 1. Pengujian Sensor Kejernihan Air
Gambar 9. Grafik Pembacaan Sensor Kejernihan Pengujian alat dilakukan dengan menempatkan sensor pada   medium   berisi   air   yang   tersuspensi,   kemudian mencatat   tegangan   keluaran   dari   LDR.   Prosedur   tersebut juga   dilakukan   pada   medium   air   yang   berbeda   tingkat kejernihannya. Pada penelitian ini nilai sensor kejernihan dibuat pada range 0 – 100 %. Nilai 0 % merupakan tingkat kejernihan air terkecil dan nilai 100 % merupakan tingkat kejernihan air terbesar. Pada tabel 1 dan gambar grafik 9, diketahui   bahwa   nilai   pembacaan   sensor   linear   terhadap pertambahan banyaknya tinta yang terlarut dengan selisih perubahan sebesar 2 %. Kemudian untuk mengetahui nilai NTU   dari   hasil   pembacaan   sensor,   maka   dilakukan pengukuran dengan alat turbidymeter dengan sampel yang sama. Dari hasil pengukuran pada turbidymeter , dihasilkan nilai NTU pada medium air tanpa tinta atau air baku sebesar 2.1   NTU   dan   nilai   pembacaan   sensor   sebesar   2.0   NTU dengan error pembacaan sebesar 4.7 %.
Pengujian   sensor flowmeter dilakukan   dengan memberikan aliran air yang berbeda ketika melalui sensor. Kran ( stop valve) digunakan untuk menghasilkan aliran air yang berbeda, yaitu dengan membuka kran pada posisi yang berbeda.   Kemudian   hasil   pembacaan   sensor   diolah   pada program excel untuk mendapatkan grafik dari pembacaan sensor.
Berikut   tabel   dan  grafik   hasil   dari   pembacaan   sensor serta hasil pengujian sensor flowmeter dengan tingkat aliran berbeda.
Tabel 2. Pengujian Sensor Flowmeter
Gambar 10. Grafik Pembacaan Sensor Flowmeter
Hasil   pembacaan   sensor flowmeter linier   terhadap perubahan aliran air yang melewati sensor. Pada tabel 2 saat valve pada   posisi   0 o (terbuka   penuh)   kecepatan   aliran sebesar  676  L/H. Pada  saat valve posisi   24.5 o kecepatan aliran air sebesar 541 L/H. Kemudian pada valve posisi 45 o kecepatan aliran sebesar 405 L/H. Dan pada valve posisi 67.5 o kecepatan   aliran   sebesar   262   L/H.   Kemudian   pada valve posisi 90 o (tertutup) kecepatan aliran sebesar 0 L/H. Rata-rata error percent pembacaan sensor sebesar 1.97 %.
Pengujian   kemampuan   sistem   melakukan   filtrasi dilakukan   dengan   mencatat   hasil   kejernihan   air   yang dihasilkan sistem dengan nilai setpoint tingkat kejernihan berbeda. Pada sistem alat ini, kejernihan air yang difiltrasi dibatasi   pada   nilai   kejernihan   60   %..   Air   yang   difiltrasi yaitu air kolam ikan dengan volume 15.000 liter air. Pada proses pengujian sistem, data diambil selama 6 jam dengan tingkat   kejernihan   air   kolam   rata-rata   sebesar   64%   dan diberikan   nilai setpoint yang   berbeda   untuk   mengetahui respon   dari   sistem   yaitu   pengaruh   perubahan   kecepatan terhadap kejernihan air hasil filtrasi. Berikut gambar grafik yang dihasilkan.
Gambar 11. Grafik respon sistem dengan setpoint 92 %
Tabel 3. Pengaruh Kejernihan Output Air Hasil Filtrasi Terhadap Kecepatan Aliran Air
Pada   pengujian   yang   pertama   sistem   dengan   tingkat kejernihan   air input sebesar   64   %.   Nilai setpoint yang diberikan sebesar 92 %. Pada gambar grafik 11 dan tabel 3, diketahui bahwa nilai T out > setpoint . Pada kondisi ini air hasil filtrasi telah memenuhi kondisi kejernihan air filtrasi di atas setpoint, sehingga kecepatan aliran air konstan pada nilai 872 liter/jam.
Pada   pengujian   yang   pertama   diketahui   bahwa kemampuan   media   filtrasi   dapat   memfilter   air   dengan tingkat kejernihan air diatas 92 %, sehingga tidak terjadi perubahan   kecepatan   aliran   air.   Oleh   karena   itu   untuk mengetahui   pengaruh   perubahan   kecepatan   aliran   air terhadap   nilai   kejernihan   air output dilakukan   dengan menaikan nilai setpoint yang diberikan yaitu sebesar 94 %. Pada pengujian yang kedua dengan tingkat kejernihan air input dibuat sama yaitu rata-rata sebesar 64 %. Air yang di   filtrasi   didapat   dari  kolam  ikan  kedua  dengan volume 12.000 liter. Berikut gambar grafik yang dihasilkan.
Gambar 12. Grafik respon sistem dengan setpoint 94 %
Tabel 4. Tabel Pengaruh Kejernihan Output Air Hasil Filtrasi Terhadap Kecepatan Aliran Air
Pada   gambar   grafik   12  dan   tabel   4,   diketahui   bahwa nilai T out pada awal filtrasi lebih besar dari setpoint karena pada awal filtrasi sensor kejernihan belum mendeteksi hasil kejernihan output (T out ), sehingga kecepatan motor masih pada   kondisi   normal,   yaitu   pada   kecepatan   maksimal. Setelah sensor kejernihan T out mendeteksi perubahan hasil kejernihan   air,   yaitu   dari   nilai   94   %   menjadi   93   %, kecepatan   motor   pompa   melambat   sesuai   dengan   sinyal kontrol   keluaran   fuzzy_PID   yaitu   dengan   persamaan (kontrol motor = 255 – sinyal control ). Kemudian setelah kecepatan   motor   melambat   kejernihan output (T out ) kembali terjadi kenaikan sampai pada tingkat kejernihan 94 %.   Pada   kondisi   ini,   air   hasil   filtrasi   telah   memenuhi kondisi   kejernihan   air   filtrasi   sesuai   dengan setpoint sehingga   motor   pompa   kembali   pada   kecepatan   normal dengan output PWM 254 dan kecepatan aliran air rata rata 872 L/H.
Pada pengujian yang ketiga dengan tingkat kejernihan air input dibuat sama yaitu rata-rata sebesar 64 %. Air yang akan   di   filtrasi   didapat   dari   kolam   ikan   kedua   dengan volume 12.000   liter.   Berikut   gambar   data   grafik   hasil pengujian sistem melakukan proses filtrasi.
Gambar 13. Grafik respon sistem dengan setpoint 96 %
Tabel 5. Tabel Pengaruh Kejernihan Output Air Hasil Filtrasi Terhadap Kecepatan Aliran Air
Pada   gambar   grafik   13   dan   tabel   5,  diketahui   bahwa nilai T out pada awal filtrasi lebih besar dari setpoint karena pada awal filtrasi sensor kejernihan belum mendeteksi hasil kejernihan output (T out ), sehingga kecepatan motor masih pada   kondisi   normal,   yaitu   pada   kecepatan   maksimal. Setelah sensor kejernihan T out mendeteksi hasil kejernihan air   dibawah   96   %,   kecepatan   motor   pompa   melambat dengan   aliran   air   rata-rata   753(L/H).   Kemudian   setelah kecepatan   motor   melambat   kejernihan output (T out ) kembali terjadi kenaikan sampai pada tingkat kejernihan 96 %.   Pada   kondisi   ini,   air   hasil   filtrasi   telah   memenuhi kondisi   kejernihan   air   filtrasi   sesuai   dengan setpoint sehingga   motor   pompa   kembali   pada   kecepatan   normal dengan output PWM 254 dan kecepatan aliran air rata rata 872 L/H. Kemudian terjadi penurunan kejernihan kembali sebesar 95%, namun pada kondisi ini, sistem sudah tidak dapat mencapai setpoint kejernihan 96% dan output filtrasi bertahan pada rentang kejernihan 93% - 95%.
Dari   beberapa   data   pengujian   pada   tabel   3,   4   dan   5, dapat diketahui bahwa hasil dari penelitian sesuai dengan teori. Perubahan kecepatan aliran air yang masuk ke media filtrasi dapat mempengaruhi hasil dari kejernihan air yang dihasilkan. Semakin lambat aliran air yang masuk kedalam media   filtrasi   maka   hasil   air   dari   proses   filtrasi   semakin maksimal. Begitu pula sebaliknya, semakin cepat kecepatan aliran air yang masuk kedalam media filtrasi, maka hasil air dari   proses   filtrasi   semakin   kurang   maksimal.   Selain   itu faktor lain yang mempengaruhi hasil kejernihan dari filtrasi yaitu   pada   media   filtrasi   yang   digunakan.   Pada   proses filtrasi dengan debit aliran air yang tinggi diperlukan media filtrasi yang memiliki pori-pori sangat kecil.

## KESIMPULAN
Berdasarkan   analisis   yang   dilakukan,   maka   pada penelitian ini dapat diperoleh kesimpulan:
1. Nilai pembacaan  sensor kejernihan turun sebesar  2 % terhadap   penambahan   zat   terlarut   Tinta   2.5   ml   pada   air dengan rata rata error percent pembacaan sebesar 5.23 %. 2.   Rata   –   rata   nilai error percent pembacaan   sensor flowmeter sebesar 3.94 %.
3.  Kecepatan debit aliran air berubah dari 872 (Liter/jam) menjadi   752   (Liter/jam)   pada   saat   terjadi   perubahan kejernihan air output filtrasi dari 94 % menjadi 93%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Menteri   Kesehatan,   2010.   Tentang   Persyaratan Kualitas Air Minum Nomer 492/MENKES/PER/IV/2010.
[2] Dedid CH, dkk. 2008.  Desain Kontroller Pid Fuzzy Untuk   Tunning   Parameter   Untuk   Pengaturan Kecepatan Motor  Induksi Tiga Fasa. IST AKPRIND Yogyakarta.
[3] Rindho   S,   Prestian.   2011. Tuning Parameter Proposional-Integral   dengan Fuzzy   Logic untuk
Pengaturan Suhu Air pada Plant Heat Exchanger.