Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa PI/:-angkat Nuklir MODIFlKASI MODUL KENDALl SUHU TUNGKU PERLAKUAN PANAS N-41/H ACHMAD SUNTORO Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir - BAT AN ABSTRAK Telah dilakukan modifikasi modul kendali suhu pada sistim tungku perlakuan panas 411H. Modifikasi dilakukan dengan mengganti modul kendali lama menggunakan modul dengan merek dagang lain namun mempunyai kemampuan operasi yang lebih baik yaitu mampu untuk 8 program dan tiap program dapat berisi hingga 16 langkah operasi. Pertimbangan teknis dan langkah operasional dalam penggantian dijelaskan dengan tujuan sebagaipembelajaran teknis bahwa penggantian suatu modul dapat dilakukan dengan teknik modifikasi meskipun menggunakan merek dagang yang berbeda. Ketelitian instalasi temasuk pemilihan bahan yang meyangkut thermocouple menjadi hal yang penting dilakukan untuk mendapatkan ketelitian yang baik. Keywords: modifiksasi modul kendali suhu, perpanjangan thermocouple, sistem tungku ABSTRACT A modification of a temperature controller module of a heat-treatment system furnace N-411H has been done. The modification has been conducted by replacing the old module, using odule of different trade-mark, but having better performance of operation. It can be used for 8 programs in which each program can be composed of 16 steps of operation. Technical consideration and operasional steps of modification are discoursed for the sake of learning technical oriented that any replacement by modification can be accomplished using module of different trade-mark. Accuration of installation including material selection related to the thermocouple in use is an important point to be held to have good quality of measurement. Keywords: temperature controller modification, thermocouple extension, furnace system
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir I.PENDAHULUAN Tungku perlakuan panas N-4I1H yang berlokasi di PTBN-BA TAN, Gambar I, adalah sebuah sistem pemanas ruang tertutup yang digunakan untuk percobaan perlakuan panas bahan struktur dan pendukung hingga suhu maximum 1280 C. Pad a awalnya kendali suhu tungku tersebut menggunakan modul kendali suhu Logotherm C-19. Oalam perjalanan operasinya, diakhir tahun 2006, modul kendali suhu tersebut telah rusak sehingga tidak mampu lagi mengendalikan suhu di dalam tungku. Perbaikan terhadap modul tersebut sudah diusahakan namun gagal karena modul menggunakan komponen utama microprocessor yang populer di awal tahun 80an (intel 8085) sehingga tidak rnungkin lagi diperoleh suku cadangnya. Penggantian dengan modul yang tepat sarna sulit dilakukan mengingat jenis modul tersebut sudah tidak diproduksi lagi. Oleh karena itu langkah tepat yang harus dijalankan agar tungku dapat beroperasi kembali ialah dengan mengganti modul kendali dengan modul lain yang mempunyai kemampuan operasi sarna atau lebih besar. Sistim tungku Gambar 1. Sistem tungku N41 dengan modul kendali suhu lamanya. Makalah ini berisi informasi teknis penggantian (dengan modifikasi) modul kendali suhu terse but. Makalah ini diharapkan dapat membantu operator pengguna tungku dan teknisi perawat tungku dalam melaksanakan tugasnya, terutama jika terjadi gangguan dalam operasi tungku tersebut. Makalah ini dibuat berdasarkan data ketika proses disain, instalasi dan pengujian rnodul pengganti dilakukan. 2
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 2. TAT A KERJA Penggantian modul kendali berlangsung melalui tahapan proses teknis yang diawali oleh proses pelacakan atau troubleshooting mencari penyebab tidak berfungsinya sistem tungku. Hasil dari pelacakan menyimpulkan bahwa modul kendali suhu telah rusak. Tahapan proses teknis berikut ini adalah lanjutan dalam rangka memfungsikan kembali sistim tungku N-41/H tersebut. 2.1 PERTIMBANGAN TEKNIS Secara garis besar sistem tungku N-41/H terdiri dari dua bagian. Pertama, sistem pemanas beserta pengaman pintu tungku. Kedua, sistem kendali temperatur yaitu sebuah modul kendali temperatur Logotherm C-19. Tekanan di dalam tungku tidak dikendalikan sehingga akan berubah secara natural mengikuti temperatur dan tekanan udara luar melalui celah-celah dindingnya yang tidak tertutup rapat. Sehingga memang tidak ada komponen pengendalian tekanan dalam sistim tungku ini. Oleh karena itu konsentrasi perbaikan terletak pad a sistim kelistrikan dan kendali suhunya. ~{ Gambar 2. Rangkaian listrik sistem tungku N-41/H dengan modul kendali lama. Gambar 2 memperlihatkan rangkaian listrik yang menghubungkan modul kendali dengan sistem pemanas tungku. Rangkaian diperoleh dari circuit tracing, karena dokumen sistem tungku tidak menyediakan rangkaian tersebut. Dari pelacakan yang dilakukan, tidak 3
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir ada kerusakan pada rangkaian Iistrik tersebut, dan ditemukan modul kendali suhu Logotherm yang rusak. Dari rangkaian listrik tersebut terlihat tidak ada hal khusus yang dapat diartikan bersifat mencegah penggantian modul kendali suhu menggunakan merek dagang lain. Penggantian dapat dilakukan asal spesifikasi teknis modul pengganti sesuai. Dua kelompok spesifikasi teknis yang perlu mendapat perhatian untuk disesuaikan dalam proses penggantian modul ini, yaitu spesifikasi hardware dan software. Dalam kegiatan ini, spesifikasi hardware mengacu pada butir-butir gagasan dari Commare dan Hentges tentang modul kendali suhu[l], dalam hal ini dikembangkan untuk proses penggantian modul. Spesifikasi software merujuk kepada pola kerja sistim tungku N-41/H ketika dioperasikan. Dari pertimbangan teknis tersebut, ditetapkan modul kendali suhu Omron E5AK-T digunakan untuk mengganti modul kendali suhu Logotherm C-19 yang telah rusak tersebut. 2.1.1 SPESIFIKASI HARDWARE Tabell adalah perbandingan spesifikasi teknis hardware dari dua modul kendali suhu bersangkutan. Tabel1. Spesifikasi hardware SPST. ON/OFF Spesifikasi PID - - Seven SBerdiri keypad. Kontak AC, Saklar 220 LamalLj segmen Barul.1j power sendiri relay, Amp, Tidak Terpasang dan Seven Kontak PID SVAC, keypad. 220V max display SPST segmen ada relay, 5di Amp, dan kabinet display max 5 4
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rckayasa Perangkat Nuklir Dari Tabel I tersebut, secara hardware kedua modul telah sesuai, sehingga modul baru dapat menggantikan modul lama dengan minor modifikasi yakni tambahan saklar power ON/OFF dan mekanisme dudukan modu\. 2.1.2 SPESIFIKASI SOFTWARE Pola kerja modul kendali Logotherm C-19 mempunyai fasilitas 9 program atau pola kerja, dimana tiap program dapat tersusun dari 6 langkah perubahan SUhU[4].Pola kerja Omron E5AK-T mempunyai 8 program dimana tiap program dapat berisi 16 langkah perubahan SUhU[3]. Program 9 Program 1............ '... -' '....'... ---. :,... : : -: : 1-: : : : :............ ~' waktu a. Pola kerja modullama[4]. Gambar 3. I ProgramS Program 1 E"" " I : I'. '. i: i : i i... - -.. - '".... ' ~,.. :.: :: : : : waktu "... b. Pola kerja modul baru[3]. Pola kerja modul kendall - Gambar 3 memperlihatkan perbedaan spesifikasi software akibat penggantian modul kendall Perbedaan ini tidak membawa kerugian dari segi operasional fungsi tungku, tetapi 1ebih banyak memberi fasilitas lebih dari segi pola periakuan suhu. Dari pengalaman selama pengoperasian, penggunaan pola/program yang lebih dari satu masih jarang digunakan sehingga selisih keberadaan fasilitas satu program tidak menjadi masalah. 5
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir 2.2 RANGKAIAN MODUL BARU Rangkaian Iistrik untuk modul baru bertolak dad penyesuaaian fasilitas dan sambungan ke modul kendali. Gambar 4 adalah rangkaian listrik tersebut. ermocoup/e (S) Gambar 4. Rangkaian dengan modul baru. Ada dua tambahan saklar pada rangkaian modul baru, yaitu saklar P dan K. Saklar P untuk hidup dan matinya modul kendali (supply listrik), yang disesuaikan dengan fasilitas keberadan pada modul kendali lama. Saklar K adalah modifikasi untuk perbaikan unjuk kerja. Ketika modul sedang diberi masukan program (setting program), maka sebaiknya hubungan dengan filamen pemanas tungku dilepas untuk mencegah beroperasinya filamen pemanas ketika tungku dalam status setting program. Fasilitas ini tidak tersedia pada modul kendali lama, tetapi ditambahkan pada sistem kendali baru dengan saklar K tersebut. Modul baru memerlukan dudukan mekanik sebagai tambahan (kabinetlkotaklpanel), karena instalasi modul tersebut harus terpasang pada kotak tersebut (modul lama tidak perlu kabinetlkotaklpanel). 3. HASIL DAN BAHASAN Sistem tungku dengan modul kendali baru tersebut telah diujicoba dan berhasil sesuai dengan kondisi operasi yang diinginkan. Gambar 5.a adalah hasil uji coba tersebut, 6
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir yang menggunakan 16 langkah perubahan suhu. Gambar 5.b (tidak skala) merupakan sketsa pola yang diinginkan dan dimasukkan sebagai program ke modul kendali suhu. Sistem tungku telah dapat berfungsi kembali dengan pola perubahan suhu bertambah dari semula 6 langkah menjadi yang baru 16 langkah.!1'00'! r" j a. Hasil perubahan suhu dalam tungku 1t2'3' 4' 516' 7 '8 I 9"10111'12'13' 14"15 b. Pola perubahan suhu yang diinginkan (sketsa program yang diberikan ke modul kendali suhu). Gambar 5. Uji coba operasi tungku. Penurunan suhu dalam tungku tidak bisa dilakukan dengan laju penurunan yang tajam, karena sistem tungku tidak memfasilitasi pemaksaan penurunan suhu. Laju penurunan suhu akan terjadi secara natural mengikuti time-constant dari tungku. Kondisi ini harus menjadi perhatian bagi operator tungku jika membuat pola perubahan suhu dalam tungku. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian untuk menentukan karakteristik batas kecuraman penurunan suhu yang masih bisa dijalani oleh sistim tungku N-411H ini. Data numerik dari grafik Gambar 5.a menunjukkan rata-rata perbedaan antara suhu yang diminta oleh modul kendali dan suhu yang terjadi dalam tungku ketika beroperasi bemilai dibawah 1%, diluar permintaan penurunan suhu yang curam. 3.1 MODUL KENDALl SUHU BARU Modul kendali suhu pengganti Omron E5AK-T adalah jenis kendali general purpose, sehingga banyak kemungkinan variasi yang dapat dilakukan oleh modul kendali terse but dalam pengendalian suhu dalam tungku. Tetapi untuk sistim tungku N 411H ini secara garis besar ditentukan menjadi dua kelompok: program inisialisasi dan program penggunaan tungku. Program inisialisasi hanya dilakukan satu kali saja 7
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir digunakan untuk penyesuaian rangkaian hardware sistem tungku, seperti menentukan jenis thermocouple yang terpasang misalnya. Sedangkan program penggunaan tungku berkaitan dengan pola perubahan suhu dalam tungku yang diinginkan oleh operator dan dilakukan setiap kali tungku dioperasikan. Modul kendali ini memiliki 10 mode masukan parameter yang harus disiapkan ketika modul akan digunakan, tetapi untuk sistem tungku N-411H ini dibuat hanya memilik 4 mode saja disesuaikan dengan kebutuhan N-411H yaitu: LEVEL_O,PROGRAM, MANUAL,dan PROTECT- seperti pada Gambar 6. Q)Manual III ~Program II Gambar 6. Penyesuaian fasilitas. Ketika aliran listrik diberikan pada modul, maka sistim akan berada pad a LEVEL_O. Untuk tindakan inisialisasi sistim harus berada pada PROTECT, sedangkan untuk menentukan pola perubahan suhu dalam tungku maka sistim harus berada pada PROGRAM. Menjalankan isi program harus berada pada LEVEL_O. Perubahan dari satu mode. ke mode lainnya digunakan keypad. Detail operasional dari penggunaan keypad dapat dilihat pada manual kendali suhu [3]. 3.1.1 PERUBAHAN POLA SUHU SP SP,... ; r~~~ Sut perubahrn diberikan I : Waktu SMt perul:ol.l\an diberikan Waklu pe~~:: I Lan~kah N I Langkah N + 1 Langkah N Langkah N + I ~~~ I LangLah N I LanRkah N + 1 I a. Perubahan set-point b. Perubahan waktu langkah Gambar 7. Perubahan pola suhu. 8
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Pola perubahan suhu yang telah diberikan ke modul kendali dapat dirubah secara on-line, artinya ketika langkah (step) sedang dijalankan dapat dirubah baik settingtemperatur nya ataupun waktu perioda yang harus ditempuh seperti ditunjukkan pada Gambar 7a dan 7b. Perubahan pola suhu pada Gambar 7 harus dilakukan pada mode program pada modul kendal i. 3.1.2 KALIBRASI Kalibrasi suatu perlengkapan harus dilakukan untuk mendapatkan hasil pengukuran yang akurat. Kalibrasi hakekatnya adalah membandingkan hash pengukuran periengkapan yang akan dikalibrasi dengan hasii ukur dari alat yang telah diketahui tingkat ketelitiannya. Oleh karena itu hasii dari suatu kalibrasi akan berbentuk angkaangka perbedaan yang harus ditindak lanjuti. Pengaturan angka pembacaan yang disesuaikan dengan hasii kalibrasi pada periengkapan adalah salah satu bentuk tindak lanjut tersebut. Modul baru hasii modifikasi ini mempunyai fasiiitas untuk dapat dilakukan penggeseran hasii bacanya seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Dengan teknik penggeseran ini maka angka perbedaan dari hasil kalibrasi dapat digunakan untuk merubah hasii baca modul sehingga sesuai dengan hasil kalibrasi. Temperatur Batas atas Batas bawah o ---- -- kalibrasi suhu } Perbedaan bawah hasil! Input (%FS) 100% Gambar 8. Penggeseran hasil baca. 9
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat Nuldir Pendekatan penggeseran linier dilakukan untuk memperbaiki nilai baca hasil kalibrasi. Oleh karena itu minimal dua data kalibrasi diperlukan. Jika lebih dari dua data kalibrasi yang tersedia, maka pendekatan linierisasi dari data tersebut (curve fitting) digunakan untuk menentukan dua data, yaitu batas atas dan bawah. 3.1.3 KOMUNIKASI DATA Modul baru mempunyai fasilitas untuk dapat berkomunikasi melalui saluran standard RS-232 atau RS-485. Untuk itu diperlukan tambahan kartu elektronik (electronic card) pada modul. Dengan saluran data komunikasi ini sebuah komputer atau alat komunikasi data lain dapat dihubungkan untuk memonitor atau sebagai pengendali master atas modul tersebut. Namun demikian, dalam modul kendali yang terpasang elektronik tersebut belum dipasang. kartu 3.2 SAMBUNGAN THERMOCOUPLE Ketika proses penggantian modu\ kendali dilakukan, ditemukan bahwa sambungan thermocouple an tara tungku ke modul kendali lama, lihat Gambar 9 yaitu titik sambung A ke B, menggunakan kabel tembaga. Padahal thermocouple yang digunakan type S. Kondisi ini dapat mengurangi ketelitian baca thermocouple. Kawat lembaga Vp G 00 G 0G G 08 G ~"rqbg Gambar 9. Sambungan thermocuple. 10
Prosiding Pertcmuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat Nuklir Penggunaan logam lain sebagai penyambung thermocouple selain logam yang sesuai dengan type S akan menimbulkan dua titik sambung A dan B yang akan menjadi thermocouple baru yang terhubung secara seri dengan thermocouple sesungguhnya. Jika logam penyambung menggunakan logam yang sesuai dengan type S, yaitu platinum 10% rhodium - platinum[5j, maka hanya akan terjadi satu titik sam bung B saja. Akibat titik sambung A dan B tersebut, maka berturut-turut akan menimbulkan tegangan Vx - Vy ; Vp - Vq yang besamya sesuai dengan suhu masing-masing di sekitar titik A dan B. Setiap modul kendali suhu (yang baik) telah didisain untuk melakukan koreksi atas munculnya tegangan Vp - Vq dan dikendalikan oleh suhu disekitar titik B[6]. Dengan adanya tegangan tambahan di titik A yaitu Vx - Vy yang tidak diantisipasi oleh modul kendali, maka menyebabkan bacaan thermocouple terganggu (hasil baca tidak akurat), terutamajika suhu disekitar A dan B tidak sarna. Dalam proses penggantian modul kendali ini, kabel penghubung antara A dan B diganti menggunakan logam perpanjangan thermocouple untuk type S yang dibungkus logam shielding untuk mencegah noise. ) 4. KESIMPULAN Sistem tungku perlakuan panas N-41/H yang rusak modul kendali suhunya telah berhasil diganti menggunakan modul kendali lain, dan sistem tungku saat ini dapat beroperasi kembali. Kemampuan operasi sistem tungku berubah yang semula mampu menyimpan pola atau program sebanyak 9 program dengan tiap program berisi 6 langkah perubahan suhu, diganti dengan jumlah program 8 dimana tiap program dapat berisi 16 langkah perubahan suhu. Perpanjangan thermocouple memberi andil pada ketelitian baca thermocouple bersangkutan (kaidah logam antara dalam thermocouple) oleh karena itu harus menggunakan logam yang sesuai dengan thermocouple terpasang. I I
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional RekaY'IslI Perangkat Nuklir 5. UCAP AN TERIMA KASIH Penulis sangat berterima kasih kepada saudara Dedi Haryadi, Djoko Kisworo, dan Triarjo staf Bidang Bahan Bakar Nuklir, Kelompok Proses Konversi dan Fabrikasi Bahan Bakar Nuklir - PTBN BAT AN, yang telah membantu dalam proses instalasi modul kendali suhu tersebut. 6. DAFTAR PUSTAKA 1. Commare D dan Hentges J., Six Steps to Customizing a Temperature Controller., Medical Design Technology., Morris Plain: Juli 2005., Vol. 9. pp.i5-i8. 2. Nabertherm., Manual Instruction Heat Treatment Furnace N-411H. 3. OMRON., User Manual E5AK., September 1997. 4. Chaidir A., Prosedur Operasi Tungku Perlakuan Panas., BTBBRD-P2TBDU., Revisi 2., Serpong 2001. 5. Earley B., Temperature Sensing with Thermocouples and Resistance Thermometers., Labfacility Ltd., Middlesex, 1987. 6. Considine M., Process Instruments and Control Handbook., McGraw-Hili Book C 12