S5-5. 1

KENDALI SISTEM ENERGI UNTUK PERTANIANRUMAH KACA1

Agus SugiyonoBPPT

Abstrak

Dalam kondisi krisis ekonomi saat ini, sektor pertanian mempunyai prospek yang lebihbaik dibandingkan dengan sekor lain. Untuk lebih memberdayakan sektor ini perludigunakan cara-cara modern yang dapat meningkatkan produksinya, diantaranya adalahpertanian dengan menggunakan rumah kaca.

Sistem pertanian rumah kaca mempunyai beberapa keuntungan diantaranya mudahdalam mengendalikan hama dan penyakit, meningkatkan produksi dan mutu produk yangdihasilkan. Disamping itu, sistem ini banyak memerlukan tambahan energi sehingga biayaproduksinya juga akan meningkat pula. Untuk mengurangi penggunaan energi dapatdigunakan PLC untuk kendali sistem energinya.

Secara desain PLC dapat digunakan sebagai kendali sistem energi denganmempertimbangkan parameter dan karakteristik pertanian rumah kaca. Kendali denganPLC mempunyai keuntungan karena sistemnya dapat diubah hanya dengan mengubahprogram dan perangkat keras mudah didapat dipasaran dengan harga yang relatif murah.

Katakunci: pertanian rumah kaca, PLC, kendali sistem energi

1 Prosiding Seminar Nasional Penerapan Teknologi Kendali dan Instrumentasi pada Pertanian, hal. S5-5.1 - S5-5.4, ISBN:979-8263-19-7, MASDALI- BPPT, Oktober 1998.

1. PENDAHULUAN

Dalam situasi krisis ekonomi saat ini, sektorpertanian masih sanggup bertahan untuk dikembangkan.Turunnya nilai tukar rupiah terhadap dolar Amerikamembuat produk sektor pertanian mempunyai daya saingsebagai komoditi eksport. Disamping itu harga produkpertanian yang mengalami kenaikan dalam nilai rupiahmembuat sektor ini lebih mempunyai prospekdibandingkan dengan produk dari sektor lainnya. Untuklebih memberdayakan sektor pertanian perlu upaya untuklebih mengefisienkan dan menggunakan cara-cara yanglebih modern. Salah satu cara tersebut adalahmenggunakan sistem pertanian dengan menggunakanrumah kaca, yang selanjutnya disebut pertanian rumahkaca (lihat Gambar 1).

Pertanian rumah kaca mempunyai banyakkeuntungan, diantaranya : mudah dalam mengendalikanhama dan penyakit, bisa mengendalikan suhu dankelembaban serta dapat lebih meningkatkan mutu produkpertanian yang dihasilkan. Meskipun demikian cara inimemerlukan biaya yang relatif lebih tinggi dan intensitasenergi (energi yang digunakan per unit produksi) jugalebih besar dibandingkan dengan cara konvensional.Karena energi merupakan salah satu faktor penting,maka pengendalian sistem energi merupakan salah satufaktor untuk dapat menekan biaya produksi.

Dalam makalah ini akan dibahas desain darikendali sistem energi untuk pertanian rumah kaca.

Sebagai alat kendali digunakan Programmable LogicController (PLC) yang sudah banyak digunakan saat ini.Pembahasan meliputi peralatan yang digunakan dalamsistem energi, sistem kerja PLC, dan parameter yangberpengaruh dalam pembuatan sistem kendali.

Gambar 1. Pertanian Rumah Kaca

2. PERTANIAN RUMAH KACA DAN SISTEMENERGI

2.1. Pertanian Rumah KacaPertanian rumah kaca didesain untuk

meningkatkan produksi dengan cara mengendalikancuaca. Dengan menggunakan manajemen yang baik, cara

S5-5. 2

ini bisa meningkatkan produksi antara 5 sampai 15 kalidibandingkan dengan cara konvensional(5). Kebutuhanutama pertanian rumah kaca adalah sinar matahari danenergi yang dapat digunakan untuk pemanas danmengatur kondisi rumah kaca. Pada masa lalukebanyakan digunakan bahan bakar fosil untuk pemanasdan energi listrik untuk mengatur kondisi rumah kacadan untuk penerangan.

Dinding dan atap rumah kaca terbuat dari kacaatau polyethylene yang tembus sinar sehingga panasmatahari dapat masuk dan keluar melewatinya. Padasiang hari, sekitar 85 % dari sinar matahari yang masukakan terperangkap di dalam rumah kaca dan menjadipanas. Di negara dengan empat musim, meskipun padamusim dingin ventilasi tetap dibutuhkan untukmengeluarkan kelebihan panas sehingga suhu dalamrumah kaca dapat dipertahankan sesuai dengan yangdikehendaki. Bila sinar matahari tidak mencukupi (waktumendung) atau tidak ada (waktu malam hari) makadiperlukan alat pemanas. Kerangka rumah kaca biasanyaterbuat dari aluminium atau besi yang kuat dan mampumenahan beban berupa atap.

Pertanian rumah kaca sudah banyak digunakan dinegara-negara maju yang mempunyai empat musim.Untuk negara tropis dengan dua musim seperti diIndonesia, pengoperasian rumah kaca mempunyai sedikitperbedaan dengan negara dengan empat musim. Didaerah tropis, energi untuk pemanas lebih sedikitsedangkan untuk keperluan ventilasi akan lebih besar.Karena di daerah tropis mempunyai intensitas sinarmatahari yang relatif tinggi, maka penggunaan sel suryauntuk substitusi listrik dari jaringan listrik PLN(Perusahaan Listrik Negara) memungkinkan untukdirealisasikan.

Jenis tanaman yang cocok untuk pertanian rumahkaca biasanya adalah:- tanaman yang mempunyai siklus hidup pendek,

seperti : melon, semangka, dan sayuran- penanaman bibit pohon tanaman keras yang siklus

hidupnya panjang, seperti kayu jati, sengon, danpohon untuk hutan tanaman industri.

Disamping itu, dalam pemilihan jenis tanaman jugaharus memperhatikan faktor harga produk pertanian yangdihasilkan. Jenis tanaman yang dipilih harus bisakompetitif bila dibandingkan dengan produk serupa yangditanam secara konvensional.

2.1. Sistem EnergiSecara umum sistem energi untuk pertanian

rumah kaca dapat ditunjukkan pada Gambar 2. Sistemenergi di sini meliputi sumber energi beserta peralatanpemakai energi. Sumber energi dapat berupa energilistrik yang berasal dari jaringan listrik PLN maupun darisel surya. Peralatan pemakai energi meliputi semuaperalatan yang digunakan untuk menjamin kelangsunganproses penanaman sampai menuai hasil. Yang termasukperalatan ini adalah alat pengatur suhu dan kelembaban,alat penambah kadar CO2, serta alat pengairan danpenerangan.

PLN

Sel Surya

Pemanas

Kendali

dengan PLC

Pengatur Kelembaban

KipasAngin

Irigasi

Penerangan

PengaturKadar CO2

Timer

Sensor

Aktuator Aktuator

Inverter

Keterangan

aliran energi

sinyal kendali

Gambar 2. Diagram Sistem Energi untuk PertanianRumah Kaca

Sel surya merupakan alat untuk mengubah sinarmatahari menjadi energi listrik. Keluaran sel surya masihberupa tegangan arus searah (DC). Supaya dapatdiinterkoneksikan dengan jaringan listrik PLN makategangan DC harus diubah dulu menjadi tegangan arusbolak-balik (AC) dengan menggunakan inverter. Alatpengatur suhu dapat berupa pemanas, kipas angin, dansensor thermostat. Pemanas dapat menggunakan bahanbakar minyak tanah atau gas, ataupun menggunakanenergi listrik. On-off dari pemanas harus dapat diatursecara elektronik. Bila sensor thermostat menunjukkanlevel di bawah suhu yang dikehendaki maka pemanasdinyalakan. Bila di atas level maka pemanas dimatikandan dibantu dengan menghidupkan kipas untuk sirkulasiudara ataupun kipas untuk penghisap udara. Kelembabanjuga merupakan salah satu parameter yangmempengaruhi pertumbuhan tanaman. Denganmenggunakan pengatur kelembaban parameter ini dapatdikendalikan dan saling berpengaruh dengan parametersuhu.

Selain suhu dan kelembaban, parameter yangberpengaruh lainnya adalah kadar CO2 di dalam rumahkaca. Kadar CO2. diukur dengan menggunakan sensorinfra merah. Dengan data pengukuran maka alat pengaturkelembaban dapat diatur sesuai dengan kadar CO2 yangditentukan. Peralatan yang menggunakan energi lainnyaadalah pompa-pompa untuk irigasi dan lampupenerangan. Pompa irigasi dijalankan hanya pada waktu-waktu tertentu, misalnya pada sore hari. Lampupenerangan juga hanya digunakan untuk malam hari dandiusahakan menggunakan lampu yang hemat energi.

Kebanyakan rumah kaca tidak didesain denganmenerapkan konsep konservasi energi, tetapi hanyauntuk keperluan menghasilkan produk pertanian yanglebih efisien dan pada kondisi cuaca yang tidakmemungkinkan bila menggunakan pertaniankonvensional. Meskipun demikian, secara teknispenghematan energi masih dapat dilakukan. Beberapaalternatif untuk menghemat penggunaan energi adalah :- menutup rapat-rapat pada sambungan atau tempat-

tempat yang memungkinkan terjadi kehilanganpanas dengan menggunakan isolasi yang sesuai.

- menggunakan dinding dan atap yang tebal atauberlapis dengan bahan polyethylene atau kaca.

S5-5. 3

- menggunakan penutup atap berwarna hitam dimalam hari untuk mengurangi kehilangan panassecara radiasi.

- menggunaan reflektor di sekitar alat pemanas.- meletakkan thermostat di tempat yang cukup jauh

dari pipa distribusi panas supaya pengukuran lebihakurat.

Disamping itu, dengan melakukan perawatan yangteratur juga akan meningkatkan efisiensinya. Perawatantersebut dapat dilakukan misalnya dengan :- memeriksa secara rutin katup-katup pada pipa,

thermostat, dan peralatan mekanis supaya tetapbersih dan dapat beroperasi dengan lancar.

- memberi pelumas untuk sistem pompa dan rotormotor.

- mengganti isolasi yang sudah kurang baik untukpipa distribusi panas maupun air.

Bila ditinjau sistem energi secara keseluruhan,energi listrik memegang peranan penting. Hal ini dapatdipahami karena energi listrik mudah dikendalikan danfleksibel untuk diubah menjadi energi panas, penerangandan kerja mekanik sebagai substitusi untuk tenagamanusia.

3. KENDALI DENGAN PLC

PLC pada umumnya dapat digunakan untukkendali dengan sistem digital maupun analog. PLC yangberedar di pasaran saat ini mempunyai beberapa modulyang dinamakan slot. Slot digunakan untuk memudahkandalam merancang atau mengganti rangkaian yangdiperlukan. Slot tersebut adalah : slot utama, slotinput/output (I/O), dan slot catu daya.- Slot utama dilengkapi dengan Central Processing

Unit (CPU) dan memori dalam bentuk RandomAccess Memory (RAM) dan Read Only Memory(ROM). CPU merupakan "pikiran" dari keseluruhansistem ini. ROM digunakan sebagai tempatpenyimpan perangkat lunak untuk inisialisasi sistem,sedangkan RAM digunakan untuk menyimpanprogram kendali yang akan dibuat.

- Slot I/O dapat berupa peralatan sensor sebagaimasukan ke CPU ataupun peralatan aktuator yangdigerakkan oleh CPU. Setiap I/O mempunyai alamattertentu yang dapat dihubungi oleh CPU melaluiDekoder Alamat.

- Slot catu daya yang merupakan alat untukmengkonversikan tegangan AC menjadi teganganDC yang sesuai dengan kebutuhan peralatan PLC.

Keseluruhan modul ditempatkan pada kotak yang terbuatdari aluminium atau besi untuk melindungi dari sentuhanataupun benturan. PLC juga dilengkapi dengan keyboarddan monitor yang sangat terbatas untuk keperluanpembuatan program. Blok diagram dari sistem PLC yangyang paling sederhana diperlihatkan pada Gambar 3.Sistem ini juga merupakan komponen dasar dari sistemmikroprosesor.

CPU

DekoderAlamat

RAM ROM I/O

Bus Alamat

Bus Data

Sensor/Aktuator

Gambar 3. Blok Diagram dari Sistem PLC

Beberapa keuntungan dari penggunaan PLC dapatdisebutkan sebagai berikut.- Fleksible

Pada masa lalu setiap peralatan atau mesinmemerlukan sistem kendali yang unik. Denganadanya PLC, berbagai macam mesin dapatdikendalikan dengan perangkat keras yang samahanya dengan mengubah programnya.

- Mudah melakukan perubahanDengan menggunakan panel relay, bila adaperubahan sistem kerja mesin maka harusmemperbaiki sistem kabel dan kontaktor. Sedangkandengan sistem PLC dapat diubah dalam beberapamenit yaitu dengan mengubah program. Tidakdiperlukan perbaikan sistem kabel bilamenggunakan PLC.

- Tersedia kontaktor dalam jumlah besarBila sistem yang dikendalikan besar maka denganmenggunakan panel relay akan diperlukan kontaktordan relay dalam jumlah yang besar pula. DenganPLC, setiap coil untuk aktuator tersedia sejumlahbesar kontaktor di dalam program yang kapasitasnyahanya tergantung dari memory yang tersedia.

- Murah harganyaPerkembangan teknologi telah memungkinkanperalatan semakin kecil dan murah. Sekarang sistemPLC dengan beberapa peralatan tambahan sepertitimer dan counter harganya hanya beberapa ratusdolar.

- Pengujian skala kecilSistem PLC dapat dijalankan dan dievaluasi dalamskala kecil dulu. Program dapat diuji dan diperbaikisebelum digunakan dalam skala yang sesungguhnya.Sebaliknya, dengan menggunakan sistem relaykonvensional maka sistem harus dipasang di tempatdan memerlukan banyak waktu.

- Kecepatan operasi yang tinggiOperasi dengan sistem PLC mempunyai kecepatanyang sangat tinggi dan dalam orde milidetik untuksetiap perintah.

- Andal dan mudah dalam perawatanSecara umum, peralatan elektronik lebih andal daripada sistem mekanik. Disamping itu, peralatanelektronik juga lebih mudah dalam perawatannya.

S5-5. 4

4. DESAIN KENDALI SISTEM ENERGI

Perancangan diperlukan bila akan membuatprogram kendali dengan menggunakan PLC. Hal inidiperlukan supaya lebih mudah dalam pengujianprogram dan bila ada kesalahan juga mudahmemperbaikinya. Dalam perancangan, biasanyadigunakan ladder diagram.

Secara sederhana diagram kendali sistem energiditunjukkan pada Gambar 2. Yang dibutuhkan dalamsistem ini adalah :- sensor (temperatur, kelembaban, kadar CO2) yang

memonitor kondisi udara di dalam rumah kaca.- Aktuator seperti membuka dan menutup katup pada

pipa atau dapat diwujudkan dalam bentuk saklarlistrik on/off.

- Sistem kendali dengan PLC.PLC bekerja secara real time dan akan memberikanrespose bila ada perubahan parameter dari sensor. Untukmenangani input yang berupa sensor digunakan fungsiinterrupt. Fungsi ini memungkinkan output akan on/offbila asa input yang menginterupsi dan tidak tergantungdari program utama.

Pada Gambar 4 ditunjukkan ladder diagram darisistem kendali. Beberapa peralatan memerlukan counterkarena hanya bekerja sesuai setting yang ditentukan.Untuk mengatur setting ini, timing diagram yang sesuaidengan kebutuhan atau karakteristik tanaman perludibuat dan dimasukkan dalam program.

IN001

Enable/Reset

Thermostat

SensorKelembaban

SensorInframerah

Preset

Reg.IN002

Preset

Reg.

Preset

Reg.

InterkoneksiSel Surya

Pemanas

PengaturKelembaban

Kipas PenghisapUdara

UdaraKipas Sirkulasi

Pompa Irigasi

Penerangan

PengaturKadar CO2

Enable/Reset

CR01

CR02

Enable/Reset

Interlock

CR03

CR04

CR05

CR06

CR07

CR08

IN003

IN004

IN005

IN006

IN007

IN008

IN009

IN010

IN011

CR04

CR02

Gambar 4. Ladder Diagram

Untuk mengimplementasikan program kendali ini,dapat menggunakan bahasa pemrograman sesuai denganPLC yang digunakan. Ladder logic adalah bahasapemrograman yang sudah biasa digunakan. Denganladder logic, pemrogram membuat network relayimajiner sesuai dengan kinerja sistem kendali yangdikehendaki. Saat ini sudah ada PLC yang menggunakanbahasa pemrograman BASIC ataupun yang lebih spesifiklagi yaitu bahasa Grafcet, sejalan dengan makin rumitnyaperalataan yang akan dikendalikan. Program inidimasukkan ke dalam ROM sehingga setiap kali sistemdihidupkan maka langsung mengakses program tersebut.

5. KESIMPULAN DAN SARAN

Dengan memperhatian parameter-parameter untukpertumbuhan tanaman, peralatan sistem energi dankondisi di dalam rumah kaca maka PLC dapat digunakanuntuk keperluan kendali sistem energinya. PLCmempunyai keunggulan yaitu lebih fleksibel sebagaisistem kendali karena hanya dengan mengubahperangkat lunaknya maka kendali dapat diubah sesuaidengan unjuk kerja yang diharapkan.

Sistem ini masih dalam tahapan desain dan untukmengimplementasikan dibutuhkan prototipe. Denganprototipe ini jenis tanaman, luas rumah kaca, jenis PLCdan perangkat lunaknya dapat dipilih dan diuji baik darisegi teknis rumah kaca maupun unjuk kerja PLC untukdapat mengendalikan penggunaan energi secara lebihefisien.

DAFTAR PUSTAKA

1. B.A. Stout, "Energy Use and Management inAgriculture", Breton Publishers, California, 1984.

2. http://www.greenair.com3. Frans Robbers, "Energy Management System for

Factory and Building Installations", SeminarKonservasi Energi 89, Jakarta, 1989.

4. John W. Webb and Ronald A. Reis, "ProgrammableLogic Controller : Principle and Applications",Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1995.

5. Robert N. Brewer, et.al., "Solar Applications inAgriculture", The Franklin Institute Press,Pensilvania, 1981.

KONTAK PERSON

Ir. Agus Sugiyono, M.Eng.Direktorat Teknologi EnergiGedung BPPT II, Lantai 20Jl. M.H. Thamrin 8, Jakarta 10340Telp. (021) 316 9774Fax. (021) 316 9765E-mail: sugiyono@bppt.go.id atau giyon@hotmail.comWeb-Site : http://www.geocities.com/Athens/Academy/1943