INSTALASI DAN PENGUJIAN SISTEM KONTROL TEMPERATUR FURNAE MULTI STEP RAMP/SOAK FUJI PXR 9 Heri Nugraha 1), Marga Asta Jaya Mulya 2) 1) Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI, Kawasan Puspiptek Gd. 470, Serpong, Tangerang Selatan 15314 2) Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kawasan Puspiptek Gd. 440, Serpong, Tangerang Selatan 15314 Email: nugrahalipi@yahoo.com Abstrak Analisa termal (thermal analysis) adalah sebuah teknik untuk mengetahui respon suatu unsur atau material terhadap suhu dengan cara unsur atau material tersebut dikondisikan untuk menjalani proses pemanasan terprogram. Salah satu peralatan yang digunakan untuk analisa thermal adalah furnace. Telah dibuat sistem kontrol furnace dengan temperatur kontrol yang terprogram secara multi step ramp/soak memungkinkan untuk menguji material dalam tahapan pemanasan yang lebih bervariasi dalam beberapa step pemanasan selama satu kali proses secara otomatis. Sistem kontrol yang digunakan menggunakan temperatur kontrol Fuji PXR 9 yang memiliki fungsi multi step sampai 8 step ramp dan soak yang berarti setting kenaikan dan waktu tahan temperatur pemanasan dapat disesuaikan dengan kebutuhan dengan mempertimbangkan kondisi furnace. Hasil pengujian pada 4 segmen ramp dan soak menunjukan bahwa kenaikan temperatur furnace antara 35 0-500 0 sebesar 10 0 /menit, sedangkan pada temperatur antara 500 0-1000 0 sebesar 5 0 /menit. Laju panas terhadap tahanan pada elemen pemanas furnace sangat mempengaruhi laju kenaikan temperatur. Kata kunci: Analisa Thermal, Furnace, Kontrol Fuji PXR 9 PENDAHULUAN Perlakuan panas pada proses metalurgi meliputi serangkaian proses yang secara umum berupa perlakuan untuk mengubah struktur butir logam melalui perubahan temperatur sesuai dengan kebutuhan proses. Melalui proses ini, material mengalami perubahan sifat fisik dan mekanik sehingga material tersebut memperoleh sifat tertentu [4]. Perlakuan panas sering dikaitkan dengan meningkatnya kekuatan material, tetapi juga dapat digunakan untuk mengubah untuk tujuan tertentu, misalnya pada bidang manufaktur seperti meningkatkan kekuatan mesin, meningkatkan sifat mampu bentuk. Hal ini merupakan proses yang sangat memungkinkan yang dapat membantu proses manufaktur lainnya, tetapi juga dapat meningkatkan kinerja produk dengan meningkatkan kekuatan atau karakteristik lain yang diinginkan [5]. kontrol merupakan bagian yang sangat penting dalam sistem kontrol pemanasan sebuah furnace [6]. Perlakuan panas harus dikontrol untuk memastikan bahwa temperatur sesuai dengan yang diinginkan dan tidak mengalami overshoot yang terlalu besar. Dalam hal ini, tidak terjadi perbedaan yang terlalu besar antara temperatur proses (PV) dan Setting temperatur (SV) [4,5]. kontrol yang digunakan pada penelitian ini adalah FUJI PXR 9 yang memiliki fungsi maksimal 8 step kontrol ramp (kenaikan temperatur) dan soak (penurunan temperatur) dengan waktu yang dapat disetting. Setting waktu tersebut harus disesuaikan dengan kondisi kemampuan elemen pemanas dan chamber room furnace. Salah satu peralatan di Laboratorium Korosi, Bidang Konservasi Bahan Pusat Penelitian Metalurgi LIPI adalah furnace tipe Naber, dengan kapasitas daya 3,2 kw, 14,5 A, 1 fasa 220 V dan temperatur 1100 0 dilengkapi dengan sistem kontrol temperatur Fuji PXR 9 dengan input sensor thermocouple tipe K yang memiliki range pengukuran temperatur antara 0-1200 0, Solid State Relay 25 Ampere dengan input 4-20 ma, output 90-250 VA, Mini ircuit Breaker (MB) 20 Ampere, Magnetic Kontaktor 25 A, Voltmeter 0-300 Volt dan Amperemeter 0-30 A. Gambar 1 menunjukan Furnace tipe Naber dan panel kontrol temperatur nya. 234
Gambar 1. Furnace Tipe Naber kontrol Fuji PXR 9 memiliki fungsi kerja Proportional Integral Derivatif (PID kontrol), ON-OFF dan Fuzzy Kontrol pada temperatur 0-1800 0 dengan input sensor yang bervariasi sesuai dengan kebutuhan yaitu resistance bulb Pt100, thermocouple tipe J,K,R,B,S,T,E,N. kontrol ini memiliki ukuran fisik 96 x 96 mm, output keluaran berupa relay kontak dan Solid State Relay. Sistem kontrol yang dipakai adalah Proportional Integral Derivatif (PID) dengan nilai parameter default setting P adalah 5, I nilainya 240, dan D dengan nilai 60. Dibawah ini merupakan gambar blok diagram sistem kontrol temperatur dengan solid state relay sebagai pengendali output tegangan heater. Gambar 2. Blok diagram temperatur kontrol 235
220 V A Gambar 3. Wiring Diagram Sistem Kontrol Furnace Gambar 3 diatas menunjukan wiring diagram sistem kontrol temperatur furnace Naber. Sistem kontrol ini dilengkapi dengan pengaman MB 20 A sebagai pengaman instalasi dari beban lebih dan hubung singkat. kontrol Fuji PXR 9 memiliki output SSR 4-20 ma dan kemampuan arus maksimal 25 A sebagai pengendali tegangan A pada heater dengan tahanan 15 ohm, kemudian instrumen pembaca temperatur, telah dipasang thermocouple tipe K yang ditempatkan di bagian tengah dalam chamber room furnace. Keseluruhan rangkaian instalasi sistem kontrol ini merupakan sistem kontrol temperatur multi step ramp/soak pada furnace Naber. METODOLOGI Instalasi kontrol furnace yang terpasang pada furnace Naber dilakukan pengujian untuk mengetahui karakteristik pemanasan furnace. Maka, dapat diperoleh hasil uji sebagai acuan para pengguna dalam memprogram furnace. Percobaan pengujian furnace dilakukan dengan 2 metode yaitu : 1. Percobaan Single step Percobaan single step dilakukan untuk melihat karakteristik kemampuan furnace. Dalam hal ini fungsi temperatur terhadap waktu dapat diketahui, sehingga hal ini menjadi acuan untuk memprogram furnace dengan metode multi step ramp/soak. Untuk menjalankan metode ini, mode operasi program PXR 9 pada parameter (NOd) harus dirubah kedalam posisi single step dimana temperatur berjalan secara manual. Untuk mematikan proses pemanasan pada metode ini dilakukan secara manual. Pemanasan yang terjadi pada furnace berjalan sesuai dengan kemampuan elemen pemanas didalamnya. disetting pada posisi 1000 0 dan pencatatan waktu dilakukan pada temperatur 250 0, 500 0, dan 1000 0. 2. Percobaan Multi Step Percobaan multi step ramp/soak merupakan pengembangan aplikasi furnace dengan memprogram parameter PXR 9 dengan beberapa segmen metode pemanasan ramp.(kenaikan temperatur), sedangkan untuk setting pendinginan tidak dilakukan karena kondisi furnace yang tidak dilengkapi sistem pendinginan yang optimal, sistem pendinginan yang ada pada furnace adalah pada lubang pembuangan dengan diameter lubang sekitar 3 cm sebagai aliran udara luar dan dalam yang bisa ditutup buka tergantung proses pemanasan atau pendinginan secara manual. 236
Oleh karena itu, sistem pendinginan tidak dilakukan secara terprogram tetapi secara manual. Parameter temperatur kontrol PXR 9 disetting dengan tahapan sebagai berikut : Tabel 1. Tahapan parameter program temperatur kontorl PXR 9 Segmen ( 0 ) Waktu Kenaikan (ramp) (menit) SG-1 250 22 5 SG-2 500 28 5 SG-3 750 50 5 SG-4 1000 50 10 Jumlah 150 25 Waktu Tahan (Soak) (menit) Tabel 1 merupakan tahapan pengaturan program pada parameter temperatur kontrol PXR 9. Program disetting pada empat (4) segmen dengan variasi waktu kenaikan (ramp) dan waktu tahan temperatur (soak). Variasi waktu ini ditentukan dengan acuan pada metode single step pada metode pertama. Untuk menguji sistem waktu kenaikan dari sistem kontrol temperatur ini dilakukan percobaan dengan waktu kenaikan yang lebih dipercepat dari setting standar sebelumnya. Dari hasil ini dapat dilihat apakah kenaikan temperatur dapat disetting sesuai dengan program atau tidak, beberapa pertimbangan kondisi heater dan chamber room atau tetapan kondisi kenaikan temperatur furnace akan sangat mempengaruhi kondisi ini. Dimensi Furnace Naber ditunjukkan pada gambar 4. 5 M 29 M 41 M 20 M 4 M Gambar 4. Dimensi Furnace Naber 46 M 50 M HASIL DAN PEMBAHASAN Metode single step merupakan langkah awal untuk melihat karakteristik temperatur suatu furnace. Dengan metode ini dapat ditentukan pengembangan program furnace untuk multi step temperatur. Dengan adanya metode ini, variasi program temperatur dapat diperoleh sesuai dengan kebutuhan dari proses pengujian material yang akan dilakukan. Pengaturan parameter program temperatur kontrol dilakukan pada satu segmen dengan temperatur sampai dengan 1000 0. Pengaturan program pada metode ini ditunjukan pada gambar 5. Untuk setting temperatur dilakukan pada front panel PXR 9, dengan menekan tombol tanda atas dan bawah sampai menunjukan setting value (SV) 1000 0.Untuk menghentikan proses furnace dilakukan secara manual dengan merubah program pada settingan OFF. Hasil pengujian pada metode ini ditunjukkan pada tabel 2 dibawah ini. Tabel 2. Hasil pengamatan pengujian program metode single step 237
No. Waktu Pengujian Temperatu r Proses PV ( o ) Temperatu r Setting SV ( o ) Selisih PV dan SV (V) Arus (A) Referensi Kenaikan derajat/menit ( 0 ) 1 08.00 35 40 5 190 4 1,3 1.4-2 08.22 250 254 1 190 7 10.0 10.1 10 0 /menit 3 08.50 500 505 5 200 13 20.1 20.6 5 0 /menit 4 10.30 1000 1003 3 205 14 40.8 41.2 5 0 /menit 1000 o Soak 10 menit Ramp,150 menit 28 mnt 500 o 100 menit 14 jam 22 mnt 250 o o Present Value (PV) Gambar 5. Diagram pengaturan program single step 35 o Pada tahapan pengujian dengan metode multi step, sistem kontrol temperatur furnace dilakukan secara terprogram dengan merubah terlebih dahulu kondisi out (Nod) dari temperatur kontrol fuji PXR 9 pada posisi multi step. Pengujian dilakukan dengan empat (4) segmen, 4 ramp, dan 4 soak dan pendinginan secara manual setelah program otomatis berhenti (OFF). Dilakukan percobaan dengan sampel uji yang dimasukan kedalam furnace adalah bijih besi yang telah dipreparasi berbentuk pelet. ara kerja pada program ini adalah pada parameter ketiga program temperatur kontrol Fuji PXR 9 pada segmen pertama SG-1 disetting temperatur 250 0, r n1r (ramp) dengan waktu 22 menit, dan rn1s (soak), kemudian SG2 disetting temperatur 500 0, r n2r (ramp) dengan waktu 28 menit, dan rn2s (soak), lalu untuk segmen ketiga SG-3 disetting temperatur 750 0, r n3r (ramp) dengan waktu 50 menit, dan r n3s (soak), dan segmen keempat SG-4 disetting temperatur 1000 0, r n4r (ramp) dengan waktu 50 menit, dan r n4s (soak) 10 menit setelah itu program otomatis berhenti (OFF), setelah itu furnace mengalami proses pendinginan. Tabel 3. Hasil pengamatan pengujian program metode multi step No. Waktu Pengujian Proses PV ( o ) Setting SV ( o ) Selisih PV dan SV (V) Arus (A) 1 08.30 35 40 5 80 3 1.3 1.4 2 08.35 100 101 1 100 5 4.1 4.0 3 08.40 150 161 11 200 14 6.0 6.1 4 08.45 200 208 8 190 14 7.9 8.1 5 08.50 250 249 1 80 5 10.1 10.1 6 08.56 300 308 8 200 14 12.0 12.2 7 09.01 350 360 10 200 14 13.8 14.2 8 09.06 400 403 3 200 14 16.1 16.3 9 09.11 450 445 5 70 6 17.9 18.5 Referensi 238
10 09.15 500 497 3 80 6 20.0 20.6 11 09.25 550 554 6 190 13 21.5 22.7 12 09.36 600 600 0 180 12 23.1 24.9 13 09.46 650 645 5 70 7 27.0 27.0 14 09.55 700 695 5 80 5 27.3 29.1 15 10.04 750 750 0 100 5 28.1 31.2 16 10.14 800 801 1 210 13 30.6 33.2 17 10.24 850 855 5 210 13 33.1 35.3 18 10.35 900 897 3 100 5 36.0 37.3 19 10.47 950 952 2 200 14 36.5 39.3 20 10.58 1000 1001 1 160 8 40.8 41.2 1000 o Soak 10 menit Ramp. 22 menit 28 menit 250 o 500 o 50 menit 750 o 50 menit 14 jam 35 o 35 o Present Value (PV) Gambar 6. Diagram pengaturan parameter program multi step Untuk menguji apakah program multi step furnace yang telah dilakukan dengan waktu yang telah ditetapkan sesuai dengan besarnya perhitungan dari kenaikan derajat/menit. Maka, pada pengujian ini waktu kenaikan akan dipercepat dengan waktu seperti terihat pada gambar 7 dan tabel 4 berikut ini. Tabel 4. Hasil pengamatan metode multi step dengan waktu kenaikan yang dipercepat No. Waktu Pengujian Proses PV ( o ) Setting SV ( o ) Selisih PV dan SV (V) Arus (A) 1 08.30 35 40 5 80 3 1.3 1.4 2 08.35 80 101 21 100 5 4.1 4.0 3 08.40 125 161 36 200 14 6.0 6.1 4 08.45 167 208 41 190 14 7.9 8.1 5 08.50 190 250 60 80 5 10.1 10.1 6 08.56 265 308 43 200 14 12.0 12.2 7 09.01 300 360 60 200 14 13.8 14.2 8 09.06 354 403 49 200 14 16.1 16.3 9 09.11 397 445 48 70 6 17.9 18.5 10 09.15 450 500 50 80 6 20.0 20.6 11 09.25 499 554 55 190 13 21.5 22.7 Referensi 239
12 09.36 515 600 85 180 12 23.1 24.9 13 09.46 570 645 75 70 7 27.0 27.0 14 09.55 615 695 80 80 5 27.3 29.1 15 10.04 648 750 102 100 5 28.1 31.2 16 10.14 698 801 103 210 13 30.6 33.2 17 10.24 714 855 141 210 13 33.1 35.3 18 10.35 765 897 132 100 5 36.0 37.3 19 10.47 824 952 128 200 14 36.5 39.3 20 10.58 865 1000 135 160 8 40.8 41.2 1000 o 10 menit 1 250 o 500 o 750 o 30 menit 20 menit 14 jam 1 35 o o Present Value (PV) Gambar 7. Diagram pengaturan parameter program multi step dengan waktu kenaikan yang dipercepat o 1200 1000 800 600 400 200 0 \\ 8.3 8.5 9.11 9.46 10.24 Proses (PV) (a) Setting (SV) o 1200 1000 800 600 400 200 0 8.3 8.5 9.11 9.46 10.24 Proses (PV) (b) Setting (SV) Waktu Pengujian (Jam,Menit) Waktu Pengujian (Jam,Menit) Gambar 8. Grafik Perbandingan Proses (PV) dan Setting (SV), (a). Program Multi Step dengan waktu kenaikan yang disesuaikan acuan. (b). Program Multi Step dengan waktu kenaikan yang dipercepat. Dari hasil pengujian tersebut dapat terlihat bahwa dengan waktu kenaikan dan waktu tahan temperatur yang telah disesuaikan, kenaikan present value (PV) atau temperatur proses tidak dapat linier dengan kenaikan setting program (SV). Hal ini menunjukan laju pemanasan terhadap tahanan elemen pemanas berpengaruh terhadap kenaikan temperatur furnace. Terjadi selisih yang besar antara temperatur proses dan temperatur setting. 240
KESIMPULAN kontrol merupakan bagian yang sangat penting dalam sistem kontrol pemanasan sebuah furnace. Perlakuan panas harus dikontrol untuk memastikan bahwa temperatur sesuai dengan yang diinginkan dan tidak mengalami overshoot yang terlalu besar. Nilai overshoot yang cukup besar terjadi ketika waktu kenaikan dipercepat dari acuan yang telah ditetapkan dengan nilai overshoot berkisar antara 5 0 141 0. sedangkan untuk hasil pengujian berdasarkan pada acuan dengan pengujian pada 4 segmen ramp dan soak menunjukan bahwa kenaikan temperatur furnace antara 35 0-500 0 sebesar 10 0 /menit, sedangkan pada temperatur antara 500 0-1000 0 sebesar 5 0 /menit. Laju panas terhadap tahanan pada elemen pemanas furnace sangat mempengaruhi laju kenaikan temperatur. Hal ini menjadi acuan ketika program parameter PXR 9 akan dijalankan dengan beberapa segmen. UAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia yang telah membiayai penelitian ini melalui Program Kompetitif Material Maju dan Nano Teknologi dengan Peneliti Utama Dr. Nono Darsono. DAFTAR PUSTAKA [1] D.Petruzella, Frank. 2001. Elektronik Industri. Yogyakarta : Andi Publisher. [2] Budiharto,Widodo. Sigit Firmansyah. 2010. Elektronika digital dan Mikroprosessor. Yogyakarta : Andi Publisher. [3] Manual Fuji PXR 9 [4] Banerjee, Soumik, 2004, A methodology to kontrol direct-fired furnaces, International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 5247 5256, www.science direct.com (diakses 2 September 2013) [5] Dou Zhenhai, Design of e Kontroller for Heating F urnace in Oil Field, 2012 International onference on Applied Physics and Industrial Engineering, Physics Procedia 24 (2012) 2083 2088, www.science direct.com (diakses 2 September 2013) [6] Salah Abdallah, Heating systems with PL and frequency kontrol,, Energy onversion and Management 49 (2008) 3356 3361, www.science direct.com (diakses 2 September 2013) 241