## Perancangan Sistem Kontrol Unit Water Chiller Laboratorium Teknik Kondisi Lingkungan
Adityo Pranowo, Wisnu Hendradjit, Sutanto Hadisupadmo Program Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesha No 10 Bandung

## Abstrak
Unit water  chiller di Laboratorium  Teknik  Kondisi  Lingkungan  Teknik  Fisika  ITB  masih  dioperasikan secara manual. Diperlukan sebuah kontroler agar pengoperasian unit water chiller dan pengumpulan data  kondisi  operasinya  dapat  berjalan  konsisten  tanpa  terpengaruh  faktor  operator.  Dalam penelitian ini, aksi kontrol yang dilakukan pengontrol berupa kontrol on-off dengan dua buah switch point yang bernilai ±1 o C dari set point . Set point suhu dapat diatur pada rentang 0-40 o C. Pengontrol mampu  merekam  data  melalui  komunikasi  serial  mikrokontroler  dengan  komputer.  Termistor  tipe screw threaded memiliki standar deviasi maksimum sebesar 0,22 pada pembacaan suhu 5,5 o C dan nilai settling  time sebesar  65  detik.  Termistor  tipe epoxy  insulated memiliki  standar  deviasi maksimum sebesar 0,33 pada pembacaan suhu 25,1 o C dan nilai settling time sebesar 7 detik. Dari hasil  pengujian,  kontroler  mampu  bekerja sesuai  rancangan  dengan rata-rata  standar  deviasi  suhu air dingin keluaran evaporator sebesar 0,6.
Kata kunci: Water chiller, kontroler on-off, Arduino Uno, termistor NTC, set point suhu, chilled water supply.

## 1 Pendahuluan
Laboratorium  Teknik  Kondisi Lingkungan  (TKL)  Teknik  Fisika  ITB memiliki satu  unit water chiller di  yang  masih  dioperasikan  secara  manual.  Pengumpulan  data  pada  unit water chiller ini  juga  masih  dilakukan  secara  manual.  Pengoperasian  unit water  chiller secara manual  menimbulkan  permasalahan  pada  pengumpulan  dan  pengolahan  data  kondisi operasi.  Pengumpulan  data  secara  manual  akan  mengakibatkan  perekaman  data  secara acak.  Ketelitian  pembacaan  dan  perekaman  data  menjadi  tergantung  pada  ketelitian operator. Ketidaksiapan operator dalam menghadapi dan mengawasi variasi dan fluktuasi kondisi operasi dapat mengakibatkan tindakan operasi yang tertunda.
Penelitian ini bertujuan untuk mengadakan suatu sistem kontroler pada unit water chiller Laboratorium  Teknik  Kondisi  Lingkungan  yang  dilengkapi  dengan  sensor  pengukur  yang memiliki  ketelitian  mencukupi.  Kontroler  diharapkan  dapat  mengumpulkan  (mengukur, merekam,  menampilkan)  data  operasi,  dapat  diprogram  untuk  berfungsi  menyesuaikan kondisi operasi sistem dengan variasi dan fluktuasi kebutuhan dan beban.
Pada penelitian ini, suhu yang dikontrol hanya suhu air dingin keluaran evaporator ( chilled water supply ) dengan menggunakan sensor suhu termistor NTC 10 kΩ. Perhitungan pada suhu  oleh  termistor  menggunakan  persamaan  Stenhart-Hart  dengan  nlai  konstanta  A,  B, dan  C  ditentukan  oleh  percobaan.  Pada  penelitian  ini  sensor  dikalibrasi  pada  rentang  0- 40 o C.    Dengan  menggunakan  perangkat  mikrokontroler  Arduino  Uno,  suhu  air  keluaran evaporator  dikontrol  dengan  mengatur  coupling  kompresor  sebagai  aktuator. Mikrokontroler  juga  dirancang  untuk  dapat  melakukan  pengumpulan  data  pada  saat proses  berlangsung.  Alur  penelitian  ini  meliputi  perancangan  dan  pembuatan  perangkat lunak, kalibrasi sensor, uji coba, pengambilan dan pengolahan data, dan analisis.
2 Teori Dasar

## 2.1 Siklus refrigerasi kompresi uap dan unit water chiller Laboratorium TKL
Refrigerasi adalah proses pembuangan kalor sehingga terbentuk sebuah lingkungan yang bersuhu  lebih  rendah  dari  lingkungan  alami  di  sekitarnya,  dan  mempertahankan  suhu rendah tersebut. Sistem  refrigerasi kompresi  uap menggunakan  sebuah  fluida  kerja  yang disebut refrigeran, yang mengalami perubahan fasa selama proses refrigerasi berlangsung. Terdapat  empat  proses  dalam  sebuah  siklus  refrigerasi  kompresi  uap,  yaitu  kompresi, kondensasi, throttling ,  dan  evaporasi.  Sistem  refrigerasi  kompresi  uap  adalah  sebuah siklus termodinamik yang tertutup [1].
Katup ekspansi Kodenser Evaporator Kompresor 1 2 3 4 5 6 P h HP LP 1 2 3 4 5 6
Gambar 1. Siklus refrigerasi kompresi uap. 1  2 adalah proses subcooling, 2  3 proses throttling, 3  4 proses evaporasi refrigeran, 4  5 proses superheating, 5  6 proses kompresi, 6  1 proses kondensasi refrigeran.
Unit water chiller Laboratorium  TKL  digunakan  sebagai  alat  peraga  untuk  mempelajari siklus  refrigerasi  kompresi  uap  mekanikal.  Unit water  chiller Laboratorium  TKL menghasilkan  air dingin  yang  ditampung di dalam sebuah  bak  air.  Beban  refrigerasi bagi unit tersebut disimulasikan menggunakan sebuah pemanas air elektrik yang dicelupkan ke dalam bak sehingga terjadi perbedaan antara suhu air dingin keluaran evaporator ( chilled water supply ) dengan suhu air dingin masukan evaporator ( return chilled water ). Suhu air dingin sebaiknya dijaga agar tidak lebih rendah dari 10 o C untuk memastikan tidak terjadi pembekuan  air  dingin  di  evaporator.  Kalor  dari  kondenser  unit water  chiler Laboratorium TKL dibuang melalui air pendingin yang disirkulasikan melewati cooling tower [2].

## 2.2 Mikrokontroler Arduino Uno
Arduino  Uno  adalah  mikrokontroler  berbasis  prosesor  ATMega328.  Arduino  Uno  memiliki 14  pin  digital  yang  dapat  dijadikan  pin  masukan  atau  keluaran  dengan  enam  pin diantaranya  dapat  digunakan  sebagai pulse  width  modulator (PWM),  enam  pin  masukan analog  sepuluh  bit, sebuah Kristal osilator 16 MHz,  sebuah  konektor USB, sebuah power jack ,  sebuah header ICSP,  dan  sebuah  tombol reset .  Untuk  menyalakan  Arduino  Uno diperlukan catu daya dari kabel USB atau kabel adapter AC ke DC [3].

## 2.3 Termistor
Termistor  adalah  sensor  suhu  dengan  komponen  sensor  berupa  semikonduktor. Perubahan  suhu  akan  mengakibatkan  perubahan  resistansi  pada  komponen semikonduktor. Perubahan resistansi pada semikonduktor tidak linear terhadap perubahan suhu. Apabila termistor dihubungkan pada sistem yang dapat melakukan komputasi data, suhu dapat dihitung dengan persamaan Steinhart-Hart seperti berikut [4]:
(1)
dengan
T adalah suhu terukur, dalam K
R adalah resistansi termistor, dalam ohm
A , B dan C adalah konstanta-konstanta persamaan Steinhart-Hart.
Termistor yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis 10000Ω negative temperature coefficient (NTC). Terdapat dua macam termistor yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu screw threaded thermistor (selanjutnya disebut Termistor A) dan mini epoxy insulated leads thermistor (selanjutnya  disebut  Termistor  B0-B7).  Penelitian  ini  memanfaatkan HCF4051BE  sebagai multiplexer 8 channel yang  dihubungkan  dengan  termistor  B0-B7 untuk keperluan data logging suhu komponen-komponen refrigerasi .

## 2.4 Kontrol on-off
Kontrol on-off adalah metode kontrol yang paling sederhana. Pada kontrol on-off , kontroler berfungsi  sebagai  saklar  yang  diaktifkan  oleh  sinyal  galat  sehingga  menghasilkan  aksi kontrol diskontinu berupa sinyal step . Sehingga nilai besaran kontrol pada metode kontrol on-off akan  berosilasi  di  sekitar  nilai set  point .  Osilasi  pada  nilai  besaran  kontrol mengakibatkan  berkurangnya  ketepatan  sistem. Pada  metode kontrol dengan  dua switch point , titik perubahan  sinyal kontrol dari on ke off berbeda  dengan  titik perubahan sinyal kontrol  dari off ke on .  Hal  ini  dilakukan  agar  perubahan state switch tidak  terjadi  terlalu sering agar switch lebih tahan lama, meskipun mengurangi ketepatan sistem [5].

## 3 Perancangan Pengontrol
Rancangan  kontroler  ini  menggunakan  dua  buah  Arduino  Uno  yang  dirangkai  untuk berkomunikasi  secara  serial.  Mikrokontroler  1  menerima  sinyal  masukan  dari  perangkat antarmuka dengan  operator  melalui  empat  buah push-button .  Mikrokontroler  2 menjalankan aksi tertentu sesuai dengan perintah yang dikirim dari Mikrokontroler 1 dan input toggle . Mikrokontroler 2 berfungsi sebagai penerima masukan dari sensor, pengatur keluaran relay dan  LCD,  pemroses  data,  dan  pengirim  data  ke  komputer  melalui komunikasi serial dengan kabel USB.
Kontroler mengendalikan kerja aktuator berupa pompa air dingin dan pompa air pendingin, kipas cooling tower , motor elektrik dan coupling kompresor. Parameter set point suhu dan timer ditetapkan  oleh  operator.  Pengendalian  aktuator  meliputi  urutan  dan  jeda  waktu penyalaan  dan  pemadaman  aktuator.  Untuk  menjaga  suhu  air  dingin  sesuai  dengan set point yang ditentukan, kontroler menyala-matikan coupling kompresor. Coupling kompresor diatur  agar  menyala  hingga  suhu  air  dingin  lebih  rendah  1 o C  dari set  point dan  akan
kembali  menyala  apabila  suhu  air  dingin  lebih  tinggi  1 o C  dari set  point dan coupling kompresor telah mati selama 5 menit.

## 4 Hasil Percobaan dan Analisis

## 4.1 Penghitungan konstanta Steinhart-Hart
Pengujian  dilakukan  dengan  menghitung  resistansi  termistor  pada  suhu  0 o C,  20 o C  dan 40 o C.  Kemudian  kumpulan  data  resistansi  dan  suhu  dihitung  dengan  persamaan  (1) sehingga didapatkan nilai-nilai konstanta Steinhart-Hart seperti yang tertera pada Tabel 1.
Tabel 1. Konstanta Steinhart-Hart hasil penghitungan Konstanta Termistor A Termistor B A 5,3852 x 10 -4 6,5154 x 10 -4 B 3,2809 x 10 -4 2,9246 x 10 -4 C -2,4931 x 10 -7 5,3539 x 10 -9

## 4.2 Pengujian karakteristik sensor
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mengetahi  karakteristik  statik  respon  waktu  dari  Sembilan buah  sensor  yang  digunakan.  Gambar  2  memperlihatkan  rata-rata  pembacaan  suhu  dan regresi linearnya dari setiap termistor.  Tabel 2  memperlihatkan data respon waktu  setiap termistor.
Gambar 2. Grafik pembacaan suhu termistor terhadap acuan.
Tabel 2.  Respon waktu termistor. Parameter Termistor A B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 Konstanta waktu 25s 3s 3s 4s 4s 3s 3s 3s 4s T95% 65s 6s 6s 7s 6s 7s 6s 5s 6s

## 4.3 Pengujian kinerja kontroler
Pengujian  ini  dibagi  menjadi  pengujian  kestabilan  kontroler  dan  pengujian  keterulangan data.  Pengujian  kinerja  kontroler  dilakukan  dengan  mengoperasikan  unit water  chiller Laboratorium TKL yang telah dipasangi kontroler selama 12 jam. Set point suhu air dingin diubah  setiap  1  jam.  Hasil  dari  pengujian  ini  dapat  dilihat  pada  Gambar  3.  Pengujian keterulangan  data  bertujuan  mengetahui  keterulangan  data  kondisi  suhu  air  dingin  yang didapat  pada  suatu  s et  point setelah  mencapai  keadaan  tunak. Set  point yang  diuji keterulangannya adalah 14 o C. Tabel 3 memperlihatkan hasil pengujian keterulangan data kontroler. Hasil perekaman data oleh Termistor B dapat dilihat pada Gambar 4 dan Gambar 5.
Gambar 3. Grafik sebaran data suhu air dingin pada keadaan tunak.
Tabel 3. Sebaran data pengujian keterulangan data.
Set point ( o C) Termistor A Termokopel Rata-rata ( o C) Standar deviasi Rata-rata ( o C) Standar deviasi 14 14,1 0,6 13,3 0,6 10 9,9 0,4 9,1 0,2 14 14,1 0,6 13,3 0,6 18 18,0 0,5 17,3 0,5 14 14,0 0,6 13,3 0,6
Gambar 4. Grafik perekaman data Termistor B0-B3.

## Gambar 5. Grafik perekaman data Termokopel B4-B7.

## 5 Kesimpulan
Pada penelitian ini, telah dibuat sistem kontrol pada unit water chiller di Laboratorium TKL Teknik  Fisika  ITB  dengan  menggunakan  sebuah  sensor  termistor  NTC  10kΩ  tipe  screw threaded  thermistor  dan  delapan  buah  sensor  termistor  NTC  10kΩ  tipe  epoxy  insulated thermistor.  Setiap  termistor  memiliki  keterulangan  pembacaan  yang  cukup  baik  dengan standar  deviasi  maksimum  0,22  pada  suhu  5,5 o C  untuk  screw  threaded  thermistor  dan 0,33  pada  suhu  25,1 o C  untuk  epoxy  insulated  thermistor.  Termistor  tipe  screw  threaded memiliki nilai settling time 65 detik dan termistor tipe epoxy insulated memiliki nilai settling time  7  detik.  Kontroler  mampu  mengumpulkan  data  operasi  berupa  suhu  di  9  titik pengukuran. Data operasi dikomunikasikan secara serial dari mikrokontroler Arduino Uno ke  komputer  dan  ditampilkan  pada  serial  monitor  Arduino.  Data  yang  ditampilkan  harus disalin  ke  program  pengolah  data  agar  dapat  disimpan.  Kontroler  dapat  menyesuaikan kondisi  operasi  terhadap  pengaturan  set  point  suhu  air  dingin.  Set  point  suhu  air  dingin dapat  diatur  pada  rentang  0–40 o C.  Pada  keadaan  tunak,  suhu  air  dingin  keluaran evaporator akan berosilasi pada kisaran suhu ±1 o C dari set point dengan rata-rata standar deviasi 0,6
6 Daftar Pustaka
[1] Kuehn, T.H., Ramsey, J.W., Threlkeld J.L. Thermal Environmental Engineering. Prentice- Hall, 1998.
[2] “Modul  6  –  Refrigerasi  pada  Water-cooled  Water-chiller”  modul  Praktikum  Lab  TF  4,
Program  Studi  Teknik  Fisika,  Fakultas  Teknologi  Industri,  Institut  Teknologi  Bandung, 2011. [3] ARDUINO, ArduinoBoardUno, Arduino Uno, Agustus 2013, http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno.
[4] Doebelin, E.O. Measurement Systems Application and Design. Mcgraw-Hill, 1990.
[5] Bolton,  W.  Mechatronics  electronic  Control  Systems  in  Mechanical  Engineering. Longman, pp.222 – 224. 1997.s