KENDALI REAKTOR NUKLIR

Transkripsi

1 PEREKAYASAAN SISTEM KESELAMATAN PADA INSTRUMENTASI DAN KENDALI REAKTOR NUKLIR Djoko Hari Nugroho, Demon Handoyo, Khairul Handono, dan Joko Triyanto PRPN BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, ABSTRAK PEREKAYASAAN SISTEM KESELAMATAN PADA INSTRUMENTASI DAN KENDALI REAKTOR NUKLIR. Kegiatan ini merupakan perekayasaan multi years ( ) dengan tujuan agar diperolehnya kemampuan sumber daya manusia dan infrastruktur dalam melakukan perekayasaan dan inovasi sistem instrumentasi kendali reaktor nuklir. Pada tahun anggaran 2013 dilakukan Perekayasan Sistem Instrumentasi kendali Reaktor Nuklir pada tingkat sistem keselamatan yang diterapkan pada model reaktor. Keluaran kegiatan adalah diperolehnya model sistem instrumentasi dan kendali serta Human Machine Interface reaktor nuklir tingkat sistem keselamatan dan implementasinya pada model sistem reaktor. Metodologi yang dipergunakan adalah melakukan pemodelan dan pengujian performansi sistem. Perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali pada reaktor nuklir direpresentasikan pada simulator numerik berbasiskan NI PXI elektronik simulator elektromekanik batang kendali, remote monitoring berbasiskan PLC LG, dan user interface berbasiskan InfoU. Sesuai target, maka pada pelaporan tahap ini telah dilakukan pemasangan perangkat keras`dan perangkat lunak serta sebagian pengujian sistem. Ditargetkan pada akhir.tahun anggaran 2013 telah dapat diperoleh model prototip sistem. Kata Kunci: perekayasaan, instrumentasi dan kendali, reaktor nuklir, sistem keselamatan, remote monitoring, PLC. ABSTRACT SAFETY SYSTEMS ENGINEERING DESIGN ON INSTRUMENTATION AND CONTROL OF NUCLEAR REACTOR. This activity is a multi-year engineering ( ) with the aim of obtaining the human resource capacity and infrastructure in performing engineering and innovation of nuclear reactors instrumentation and control system. In 2013 fiscal year, engineering design of Nuclear Reactor Instrumentation and Control System on the safety level is implemented to reactor model. Output of this activity is to obtain the Nuclear Reactor Instrumentation and Control System engineering design as well as the Human Machine Interface on the safety systems level and the implementation on the model of the nuclear reactor system. The methodology used in this activity is to perform system modeling and performance testing. Instrumentation and Control System engineering in nuclear reactor is represented on the NI PXI -based numerical simulator, control rod electromechanical simulator, LG PLC-based remote monitoring, and InfoU-based user interface. Hardware and software setup, and some system testing has been carried out at this stage of report. Hope that a prototype model of the system will be obtained at the end of 2013 fiscal year. Keywords: design engineering, instrumentation and control, nuclear reactor, safety system, remote monitoring, PLC

2 1. PENDAHULUAN Dalam rangka program energi BATAN yang bertujuan untuk mendukung program pembangunan PLTN di Indonesia, maka diperlukan penguasaan akan desain reaktor riset dan reaktor daya yang didukung oleh SDM yang berkualitas. Tujuan dasar pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) adalah memproduksi listrik pada kondisi ekonomik optimal dengan penekanan utama pada jaminan keselamatan terhadap publik, pekerja dan lingkungan. Sesuai perkembangan teknologi, maka instrumentasi dan kendali digital telah dikembangkan untuk meningkatkan otomatisasi dan fault tolerance untuk meningkatkan ketersediaan ( availability), mengurangi resiko kecelakaan, dan menurunkan ongkos operasi. Keunggulan ini direpresentasikan pada pengembangan instrumentasi, kontrol, manajemen informasi, dan sistem pengambilan keputusan yang menggunakan dan mengadaptasi kemajuan teknologi instrumentasi dan kontrol digital, komunikasi, dan teknologi antarmuka manusia-mesin termasuk peralatan analisis mikro dan smart sensor, validasi signal on-line, dan sistem pengawasan (monitoring). Di pihak lain usia instrumentasi dan kendali reaktor milik BATAN yang sudah semakin tua dan dan mempertimbangkan pasokan pasar instrumentasi dan kendali nuklir yang semakin mahal, maka diperlukan kemampuan mandiri untuk melakukan pengelolaan, perawatan, inovasi dan perekayasaan terkait instrumentasi dan kendali nuklir di BATAN. Untuk mencapai penguasaan desain dan menghasilkan inovasi terkait instrumentasi dan kendali reaktor riset diperlukan SDM yang handal dan perangkat/fasilitas laboratorium pendukung, terutama fasilitas eksperimen instrumentasi dan digital untuk sistem reaktor nuklir. Agar diperoleh SDM yang handal maka diperlukan sertifikasi personil dan pemahaman akan standar nasional serta internasional. Tujuan kegiatan adalah agar diperolehnya kemampuan sumber daya manusia dalam melakukan perekayasaan dan inovasi sistem instrumentasi kendali dengan konsep Computer Integrated System pada level supervisory untuk reaktor nuklir. Sasaran Akhir Kegiatan adalah diperolehnya paket teknologi sistem instrumentasi dan kendali serta Human Machine Interface reaktor nuklir tingkat Management Information System yang dapat mendukung litbangyasa BATAN dan memenuhi kebutuhan kalangan industri. Pada tahun kegiatan 2010 telah dapat diselesaikan perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali yang diimplementasikan untuk simulator mekanik batang kendali. Sasaran Kegiatan Tahun 2011 adalah meningkatkan penguasaan dan hasil pengembangan teknologi perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir pada tingkat local

3 controller. Pada tahun anggaran 2012 dapat diperoleh teknologi perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir pada tingkat supervisory control [1]. Sedangkan sasaran pada tahun anggaran 2013 diharapkan akan dapat diperoleh teknologi perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir pada tingkat sistem keselamatan [2]. 2. TEORI Instrumentasi merupakan pengetahuan dalam penerapan alat ukur dan sistem pengendalian pada suatu sistem dengan menggunakan harga numerik variabel besaran proses dan dengan tujuan agar parameter berada dalam batas daerah tertentu atau mencapai tujuan kinerja yang diinginkan. Pencegahan terhadap operasi abnormal dan kegagalan sistem dapat dilakukan dengan (a) menggunakan instrumentasi dan pengendalian yang terkait dengan keselamatan atau sering disebut sebagai safety related instrumentation and control (I&C) dan (b) memastikan keandalan integritas struktur, komponen dan sistem dari pengaruh operasi reaktor. Safety related I&C merupakan bagian dari sistem keselamatan yang menggunakan sistem instrumentasi dan pengendalian pada saat terjadi malfunction atau kegagalan yang dapat mengakibatkan paparan radiasi pada personil instalasi ataupun masyarakat luas. Safety related I&C meliputi semua alokasi sensor sampai sistem mekanik perangkat penggeraknya, antarmuka operator, dan peralatan pendukungnya. Termasuk di dalam sistem ini adalah sistem pengendalian reaktor, I&C dalam ruang kendali utama, sistem untuk memonitor dan mengendalikan pendinginan reaktor, monitoring radiasi, perangkat komunikasi, serta perangkat pendukung lain. Fungsi penting instrumentasi dan pengendalian adalah untuk memastikan keselamatan dan efisiensi operasi suatu reaktor nuklir. Terdapat berbagai jenis sistem monitoring dan pengendalian di dalam reaktor riset maupun pembangkit daya nuklir seperti PWR. Sistem tersebut memiliki fungsi utama untuk menunjukkan status instalasi dan informasi proses. Sinyal tersebut merupakan masukan untuk sistem kendali, anunsiasi status dan aktivasi sistem yang penting untuk keselamatan dan sistem yang lain. Pada gambar 1 dapat dilihat bahwa sistem instrumentasi dan kendali pada reaktor nuklir mengelola input-output ke dan dari reaktor yang bertujuan untuk dapat menjamin proses dalam reaktor dapat memberikan kinerja seperti yang diinginkan dan memiliki tingkat keselamatan sesuai yang diharapkan. Untuk mendukung penguasaan teknologi

4 instrumentasi dan kendali pada reaktor nuklir secara integratif, maka pada kegiatan perekayasaan instrumentasi dan kendali pada reaktor riset dibangun jaringan. sistem digital ke reaktor nuklir bertujuan untuk membuat sistem lebih efisien dengan performansi yang lebih tinggi. Gambar 1. Lingkup Sistem Keselamatan pada Sistem Instrumentasi dan Kendali Reaktor Nuklir [3] 3. METODOLOGI 3.1. Konsep Perancangan Metodologi yang dipergunakan adalah melakukan perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali reaktor riset dan daya dibagi dalam beberapa tahap yaitu melakukan (a) simulasi numerik dan (b) rancang bangun simulasi elektromekanik. Untuk rancang bangun akan dibagi dalam beberapa tahap yaitu melakukan (a) desain, (b) konstruksi, dan (c) pengujian untuk sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir Dalam kegiatan ini akan dilakukan desain dan konstruksi fasilitas eksperimental terkait implementasi sistem keselamatan digital yang akan mengintegrasikan smart I/O ke dalam remote terminal unit yang direpresentasikan ke dalam jaringan komputer DCS. Implementasi sistem digital dan jaringan ke reaktor nuklir bertujuan untuk membuat sistem lebih efisien dengan performansi yang lebih tinggi. Untuk tahun-tahun mendatang, ke dalam sistem akan diintegrasikan sistem kontrol dan sistem keselamatan serta

5 management information system. Fasilitas ini merupakan tahap awal dari langkah penguasaan sistem keselamatan pada reaktor nuklir. Ruang lingkup kegiatan secara garis besar adalah melakukan beberapa tahap yaitu melakukan (a) desain, (b) konstruksi, dan (c) pengujian untuk sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir. Analisis sistem monitoring dan pengendalian secara digital pada reaktor nuklir dilakukan dengan cara menganalisis (a) jenis -jenis transduser, prinsip pengukuran dan metode yang dipergunakan, (b) transformasi pengkondisian sinyal dan transmisinya untuk memastikan tidak adanya kesalahan dalam antarmuka dengan unit lain. Modul prototip yang sudah dibuat melalui perekayasan dan inovasi kemudian diuji dalam laboratorium dan hasilnya dianalisis untuk memperbaiki performansi modul prototip tersebut. Desain umum Level ketiga tahun kegiatan 2013 adalah safety system yang diaktualisasikan dalam instrumentasi sistem keselamatan yang terdiri dari [2]: - Sistem Proteksi Reaktor (SPR), - Sistem Pancung Reaktor (RTS), - Sistem Ragam Keselamatan Teknis (ESFS), - termasuk sensor-sensor proses, modul pengkodisi sinyal logika penalarannya dan sebagainya. Fitur yang dibangun pada Sistem Proteksi Reaktor mengikuti persyaratan: - Redundancy - Diversity - Sensor mendeteksi kondisi abnormal - Peralatan menggunakan pre-set statik/variabel - Rangkaian mengamati koinsidensi dari beberapa kanal Parameter untuk setting point trip sistem proteksi reaktor antara lain : - Kerapatan fluks neutron di dalam teras reaktor - Laju dosis-g (Aktivitas N-16) pada sistem pendingin primer - Laju dosis-g pada sistem ventilasi kolam reaktor - Laju alir/debit sistem pendingin primer - Ketinggian permukaan air kolam reaktor - Posisi katup isolasi sistem primer - Pemantauan posisi tertutup katup sirkulasi alam - Suhu pada keluaran penukar panas - Tegangan pada bus-bar sistem catu daya darurat

6 Penentuan setting point sistem proteksi reaktor didasarkan pada Safety Series no 50-SG-03 [3]. Setting point ini dipergunakan untuk mengantisipasi (a) delay response dari perangkat sistem aktuasi keamanan terhadap fungsi transfer sistem dan (b) puncak dari load transient kurva 3. Tujuan desain adalah kurva 3 seperti tampak pada Gambar 4 tidak tercapai. Gambar 4. Penentuan setting point sistem trip [3]

7 Saling Kunci (Interlock) Pengoperasian reaktor (1 dari 2) dicegah oleh fasilitas saling kunci dengan cara memancung reaktor, jika : - rapat fluks minimum dalam jangkauan start-up tidak terpenuhi dan jika rapat fluks neutron dalam jangkauan menengah dan juga jangkauan daya tidak terpenuhi secara simultan - jumlah rata-rata pulsa dalam jangkauan start-up terlampau tinggi dan jika rapat fluks neutron minimum dalam jangkauan menengah tidak terpenuhi secara simultan - katup/sirip sirkulasi alam tidak tertutup Secara terintegrasi, desain Sistem Proteksi Reaktor ( Reactor Protection System) dan ESFAS dapat dilihat pada Gambar 3. Pada gambar tampak bahwa informasi dari sensor akan menjadi referensi bagi sistem pengendalian, Sistem Proteksi Reaktor maupun ESFAS untuk melakukan aksi untuk mempertahankan tingkat daya yang telah ditetapkan atau mematikan reaktor melalui sistem trip bila ternyata abnormalitas diperkirakan akan mengakibatkan kerusakan. Desain sistem proteksi reaktor mengikuti prinsip redundansi dan diversifikasi. Pada gambar 3 tampak bahwa Sistem Proteksi reaktor menggunakan diversifikasi pada RPS primer dan sekunder serta menggunakan redundansi 2-out-of-4. Gambar 3. Konsep sistem proteksi reaktor dan ESFAS [5]

8 Prinsip redundansi pada Sistem Proteksi Reaktor ditunjukkan pada 4 kanal seperti terlihat pada Gambar 4. Gambar 4. Redundansi pada Sistem Proteksi Reaktor [6] Sistem Ragam Keselamatan Teknis (ESFAS) terdiri dari: - Isolasi gedung - Isolasi sistem primer - Sistem tekanan rendah - Isolasi sistem bantu kolam reaktor - Pengoperasian diesel darurat - Sistem pendingin kolam reaktor ON/OFF 3.2. Perancangan Perangkat Keras Untuk dapat mensimulasikan proses yang dikendalikan oleh sistem instrumentasi dan kendali maka dibuat perangkat simulasi elektronik dengan blok diagram seperti tampak pada Gambar 5. Pada gambar tampak bahwa sistem direpresentasikan dalam model reaktor numerik yang akan menerima masukan dari luar dengan menggunakan data logging. Pada Gambar 6 dapat dilihat arsitektural perangkat keras konfigurasi monitoring sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir yang terdiri dari 2 unit PLC XGR Redundant, I unit PLC Siemens Simatic S7, 2 unit station untuk process control monitoring dan management information. Unit PLC dan HMI monitoring dihubungkan oleh EtherNet

9 Test System Kontroler Data Logging/ Analysis Model Numerik Gambar 5. Blok Diagram Konfigurasi Simulasi Sistem Instrumentasi dan Kendali Reaktor Gambar 6. Arsitektural perangkat keras konfigurasi monitoring sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir Konfigurasi perancangan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir level sistem keselamatan dapat dilihat pada Gambar 7. Pada gambar tampak bahwa model simulasi numerik plant reaktor nuklir diimplementasikan ke dalam perangkat NI PXI, dimana perubahan parameter internal dilakukan pengendalian secara inheren sedangkan bila terjadi perubahan parameter secara eksternal maka parameter akan dikendalikan oleh PLC LG sebagai kontroler. Termasuk di antaranya jika terdapat nilai parameter plant model di atas level setting point Sistem Proteksi Reaktor maka sistem trip yang ada pada PLC LG akan memberikan respon scram yaitu mematikan reaktor. Secara bersamaan, sinyal trip ini juga akan diberikan ke simulator elektromekanik batang kendali yang akan

10 menjatuhkan batang kendali. Pengaturan parameter secara remote maupun monitoring dapat dilakukan pada Computer Supervisor dengan menggunakan user interface berbasiskan InfoU. batang kendali Gambar 7. Konfigurasi Sistem Keselamatan 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Konfigurasi Keseluruhan Konfigurasi terpasang sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir level sistem keselamatan dapat dilihat pada Gambar 8. Konfigurasi safety system dapat dilihat pada Gambar 12. Pada gambar tampak bahwa model simulasi dibangun pada modul NI-PXI, dimana dimungkinkan untuk memasuk sinyal I/O melalui connector block. PLC LG bertindak sebagai kontroler yang akan mengendalikan proses di dalam model reaktor nuklir. Sedangkan dari komputer supervisor akan dapat diberikan perintah ke kontroler atau perubahan algoritma kontroler. Dari komputer supervisor akan dapat pula dilihat ekskursi parameter proses yang terjadi dalam model reaktor

11 4.2. Perangkat Keras Pada tahun anggaran 2013 ini telah dilakukan pengadaan PLC untuk membentuk konfigurasi 1-out-of-2 yang mensimulasikan redundansi sistem. Konfigurasi redundansi dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 8. Konfigurasi Perangkat Keras Terpasang Gambar 9. Konfigurasi Redundasi 1-out-of-2 PLC LG

12 4.3. Perangkat Lunak Pemodelan sistem proteksi reaktor dilakukan pada NI-PXI dengan menggunakan pemrograman berdasarkan Simulink seperti tampak pada gambar 10. Sedangkan pemrograman sistem trip pada PLC LG dapat dilihat pada Gambar PXC_SR_1 Trip 0 Don't Trip SR High 2 PXC_IR_1 IR High OR Logical Operator 1 Reactor Trip 3 PXC_PR_1 PR High Gambar 10. Pemrograman Sistem Trip Berbasiskan Simulink Gambar 11. Pemrograman sistem trip pada PLC LG

13 Setup jaringan TCP/IP pada LS PLC dengan menggunakan protokol FNET dengan menggunakan XG-PD dapat dilihat pada Gambar 12 (a) dan (b) (a) (b) Gambar 12. Setup Jaringan TCPIP pada PLC LG 4.4. Pengujian Dengan menggunakan user interface seperti tampak pada Gambar 13 dan 14 melalui remote computer supervisory dengan menggunakan info-u dapat dilakukan remote control dan monitoring. Melalui pengujian dengan cara mengubah parameter plant reaktor nuklir melalui tombol SAF-UP dan SAF-DOWN telah dapat ditampilkan perubahan parameter dalam bentuk grafik. Jika parameter safety-related melampaui nilai setting point, maka pada user interface akan terlihat nyala lampu berkedip dan suara alarm

14 Gambar 13. Halaman Pembuka User Interface Remote Monitoring and Control Gambar 14. Halaman Utama User Interface Remote Monitoring and Control

15 Gambar 15. Menu grafik 5. KESIMPULAN Dalam kegiatan ini perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali pada reaktor nuklir direpresentasikan pada simulator elektronik berbasiskan NI PXI-1031 yang dilengkapi modul FPGA PXI 7811-R dan Devicenet NI PXI 8532 dengan menggunakan pemrograman LabVIEW dan PLC LG. Dalam konfigurasi ini komputer PC dan perangkat keras berbasiskan NI bertindak sebagai modul yang merepresentasikan model matematika reaktor nuklir sedangkan PLC LG sebagai kontroler sistem keselamatan yang akan menjatuhkan simulasi batang kendali mekanik. Sesuai target, maka pada pelaporan tahap ini telah dilakukan pemasangan perangkat keras`dan perangkat lunak serta sebagian pengujian sistem. Ditargetkan pada akhir tahun anggaran 2013 telah dapat diperoleh model prototip sistem. Kegiatan ini masih terus berlanjut. 6. UCAPAN TERIMAKASIH Kegiatan penelitian ini dapat dilaksanakan dengan pendanaan dari DIPA PRPN tahun anggaran Oleh karena itu diucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan kontribusi

16 7. DAFTAR PUSTAKA 1. NUGROHO, D.H., HANDOYO, D. HANDONO, K. Perekayasaan Instrumentasi dan Kendali Reaktor Riset dan Daya. Laporan Kegiatan. Pusat Perekayasaan Perangkat Nuklir NUGROHO, D.H., HANDOYO, D. HANDONO, K. Perekayasaan Instrumentasi dan Kendali Reaktor Riset dan Daya. Laporan Kegiatan Triwulan III. Pusat Perekayasaan Perangkat Nuklir US NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Digital Instrumentation and Control System in Nuclear Power Plants (Safety and Reliability Issues) IAEA. Safety Series no 50-SG THOMSON, J. Nuclear Power Station Control and Instrumentation Safety Systems Architecture : An Overview Dong-Young Lee, Jong-Gyun Choi, and Joon Lyou. A Safety Assessment Methodology for a Digital Reactor Protection System. International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 4, no. 1, pp , February