RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI TUNGKU AUTOCLAVE ME-24 Sugeng Rianto, Dedy Haryadi, Triarjo PTBBN-BATAN Serpong Email : sugeng-r@batan.go.id SEMINAR NASIONAL X ABSTRAK RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI TUNGKU AUTOCLAVE ME-24. Telah dilakukan rancang bangun sistem kendali tungku autoclave ME-24. Parameter yang diukur dan dikendalikan sebagai acuan sistem kendali adalah suhu ruang autoclave, sedangkan untuk suhu pemanas dan tekanan tungku autoclave digunakan sebagai monitor. Perangkat keras sistem kendali tungku autoclave terdiri dari sistem sensor suhu pemanas dan suhu ruang autoclave, tekanan ruang autoclave dan sistem akuisisi data. Perangkat lunak menggunakan labview dengan driver interface yang menghubungkan sistem perangkat lunak dan kerasnya. Hasil uji fungsi rancang bangun sistem kendali tungku autoclave pada operasi untuk suhu setting 150 o C dengan kecepatan kenaikan suhu 100 o C/jam, nilai suhu pada saat tercapai rata-rata adalah 148,42 o C dengan kesalahan 1,05%. Untuk suhu setting 200 o C dengan kecepatan kenaikan suhu 100 o C/jam, nilai suhu pada saat tercapai rata-rata adalah 197,70 o C dengan kesalahan 1,15% untuk tekanan ruang autoclave 10 bar. Kata Kunci : Rancang bangun, Tungku Autoclave, Sistem Kendali. ABSTRACT DESIGN OF AUTOCLAVE FURNANCE ME-24 CONTROL SYSTEM. Design of autoclave furnace ME-24 control system has been done. Parameters measured and controlled as the reference system is the temperature control chamber, while the temperature of the heater and pressure autoclave furnace was used as a monitor. The hardware control system autoclave furnace consists of : heater and chamber temperature sensor system, chamber pressure and data acquisition system. Labview software uses the interface that connects the hardware and software systems. Function test results design control system of autoclave furnace for setting the temperature operation 150 o C at temperature increases the ramp function by 100 C/hour average measurements obtained when the temperature reached is 148,42 C with a error 1,05%. For setting the temperature operation 200 o C at temperature increases the ramp function by 100 C/hour average measurements obtained when the temperature reached is 197,70 C with a error 1,15%. The Chamber pressure autoclave a setting is 10 bar. Keywords : Design system, Autoclave Furnance, control system. PENDAHULUAN T ungku autoclave ME-24 yang ada di Bidang Fabrikasi Bahan Bakar Nuklir PTBBN (Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir) berfungsi untuk untuk meningkatkan kekuatan berkas elemen bakar nuklir terhadap korosi, dimana pada pengerjaan autoclaving ini akan terbentuk lapisan pelindung (lapisan tipis oksida-zro 2 ) pada permukaan batang elemen bakar nuklir. Proses autoclaving ini merupakan bagian akhir dari proses produksi berkas elemen bakar nuklir. Tungku autoclave merupakan tungku listrik dengan daya total 40 KW yang dirancang mampu bekerja hingga 450 o C dan tekanan sampai 10 bar selama waktu 24 jam operasi. [1] Tungku autoclave ME-24 ditunjukkan gambar 1 di bawah ini sedangkan blok diagram tungku autoclave ditunjukkan gambar 2. STTN-BATAN 191 Seminar Nasional X
switch elektrik on/off dan mempertimbangkan proses penuaan alat dimana usia alat sudah diatas 20 tahun. [1] Gambar 1. Tungku Autoclave (ME-24) Sistem tungku autoclave ME-24 di atas terdiri dari tiga bagian yaitu : Sistim Mekanik tungku Autoclave Sistim Pneumatik tungku Autoclave Sistim Elektrik tungku Autoclave Untuk lebih meningkatkan unjuk kerja alat dan sistem keselamatan tungku autoclave ini, maka diperlukan kendali dan monitoring atau pembacaan parameter parameter yang ada. Salah satu kecenderungan dalam pengembangan teknologi sistem pengukuran ini dilengkapi dengan komputer (PC) yang berfungsi untuk mengendalikan dan mengolah sistem data pengukuran dan menyimpannya. Sistem pengukuran yang dilengkapi komputer ini adalah sangat penting, mengingat meluasnya penggunaan PC di bidang pengukuran industri dan penelitian laboratorium. Dengan pertimbangan di atas, maka diperlukan rancang bangun sistem kendali tungku autoclave ME-24 untuk semua parameter operasi yang berbasis komputer, sehingga dalam operasinya tungku autoclave ME-24 faktor keselamatan operasi yang ada saat ini dapat ditingkatkan. Dalam rancang bangun sistem kendali ini, kriteria penerimaan sistem dirancang maksimum kesalahan pada saat kondisi tunak (error steady state) adalah 5%. Besaran ini diambil dengan pertimbangan bahwa sistem aktuator kendali tungku masih berupa TEORI Gambar 2. Blok Diagram Tungku Autoclave ME-24 [1] Konsep dasar sistem kendali berbasis komputer Kendali tungku autoclave ME-24 didasarkan pada sistem close loop berbasis komputer, dimana selain berfungsi untuk kendali sistem, juga berfungsi untuk monitoring dan menyimpan data parameter proses operasi tungku. Dasar pengendalian close loop ditunjukkan gambar 3. Gambar 3. Blok diagram dasar Sistem kendali [2] Sistem pengukuran yang dirancang untuk mengukur parameter proses terdiri dari komponen berikut: Seminar Nasional X 192 STTN-BATAN
1. Proses. Berupa besaran fisis yang akan diukur, yaitu suhu dan tekanan. 2. Sensor/Transmitter. Berupa penginderaan besaran fisis, yaitu suhu dan tekanan menjadi besaran listrik dan nilai kuantitasnya bisa diukur tegangan atau arus secara langsung. 3. Controller. Berupa komputer sebagai pusat pengendalian/kontrol, tampilan visual nilai parameter proses dan media penyimpanan data dengan perangkat lunak didalamnya. 4. Final Control Element. Berupa aktuator pengendalian proses berupa pemanas yang dikendalikan oleh komputer. digital. Untuk menghubungkan ketiga modul ADAM dengan komputer, digunakan ADAM 4250 yang berfungsi sebagai konverter RS 485 dengan RS 232 atau USB komputer. Keempat modul ini adalah sebagai salah solusi dengan pertimbangan sangat hemat biaya untuk pengendalian skala industri dan aplikasi pemantauan. [4] Sensor Temperatur Sensor temperatur yang digunakan pada rancang banngun sistem perangkat keras kendali tungku autoclave menggunakan termokopel tipe K, baik untuk termokopel heater/pemanas maupun termokopel yang terpasang pada chamber/ruang autocleve. Sensor Tekanan (Pressure) Sensor tekanan yang digunakan adalah jenis piezoelektrik. Muatan listrik Q yang ada dalam kristal dielektrik akan berubah sesuai dengan tekanannya. Tegangan listrik (Vx) dinyatakan dengan persamaan : dimana C adalah kapasitas listrik dari sensor dengan pelat logam, dan kristal dielektrik adalah isolator antara keduanya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 5. Modul ADAM 4018 dan 4011 dengan blok diagramnya [4] Driver Heater Untuk mengganti sistem mekanik pada sistem switch yang semula menggunakan kontaktor, diganti dengan switch menggunakan sistem SSR (Solid State Relay). Tujuanya adalah selain mengurangi bunga api, juga untuk mempercepat kondisi hidup (switch on) dan kondisi mati (switch off ). [5]. Gambar 4. Pressure Transmitter [3] Rangkaian Sistem Akuisisi Data ADAM 4018 buatan Advantech merupakan sistem pengkondisi sinyal 16-bit, dengan 8 kanal masukan analog khusus termokopel yang dapat diprogram pada semua saluran. Sedangkan ADAM 4011 mempunyai 1 kanal masukan untuk masukan parameter tekanan. Untuk digital output digunakan ADAM 4050 yang mempunyai 8 kanal keluran Gambar 6. Solid State Relay (SSR) Tegangan masukan SSR adalah DC 3 32 volt dihubungkan dengan modul digital I/O ADAM 4050. STTN-BATAN 193 Seminar Nasional X
Pengujian Sistem Pengujian sistem pada rancang bangun sistem perangkat keras kendali tungku autoclave ME-24 dibagi menjadi dua bagian, yaitu stabilitas sistem pada saat kenaikan suhu (steady state ramp error) dan stabilitas sistem pada saat waktu penahanan (soaking time steady state error). Untuk steady state ramp error ditentukan gambar 7 di bawah ini. Langkah pengerjaan untuk rancang bangun sistem perangkat keras kendali tungku autoclave adalah sebagai berikut : - Menentukan banyaknya I/O (Input/Output) dari sistem monitoring tungku, dari hasil analisis sistem 12 I/O yang terdiri dari 7 masukan suhu, 1 masukan tekanan dan 4 keluaran digital relay untuk kendali pemanas. - Instalasi perangkat keras sistem kendali yaitu dengan pemasangan sistem sensor dan sistem modul akuisisi data dan perangkat pendukungnya. - Pengkabelan (wiring) sistem kendali yaitu antara sensor, modul akuisisi data dan komputer. - Pengujian sistem dengan kriteria penerimaan kesalahan maksimim (error steady state) untuk rancang bangun sistem kendali ini adalah 5% pada saat suhu tercapai (Soaking Time). Rancang bangun Instalasi perangkat keras kendali tungku autoclave ME-24 adalah sebagai berikut : Gambar.7. Steady state ramp error [6] Prosentase steady state ramp error ditentukan dengan persamaan : Sedangkan untuk menentukan besar steady state error ketika suhu penahanan ditentukan gambar 8 di bawah ini. 1. Koneksi modul ADAM dengan sensor suhu baik untuk suhu heater (4 buah) maupun suhu chamber (3 buah). Modul ADAM digunakan serial 4018 yang mempunyai 8 masukan (kanal). 2. Koneksi modul ADAM serial 4011 dengan sensor tekanan. 3. Koneksi modul ADAM dengan driver pemanas. Modul ADAM digunakan serial 4050 dengan menggunakan 4 kanal keluaran. Gambar instalasi rancang bangun sistem perangkat keras kendali tungku autoclave ME-24 secara keseluruhan ditunjukkan gambar 9 dibawah ini. Gambar.8. Steady state error [6] Prosentase steady state error atau offset ditentukan dengan persamaan : Metodologi Seminar Nasional X 194 STTN-BATAN
SUHU SUHU SEMINAR NASIONAL X Gambar 9. Instalasi perangkat keras rancang bangun sistem kendali tungku autoclave ME-24 HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian hasil rancang bangun sistem perangkat keras kendali tungku autoclave ME-24 dilakukan dengan parameter operasi sebagai berikut: Suhu target : 150 o C dan 200 o C. kecepatan pemanasan (ramp ) 100 o C/jam waktu pemanasan pada suhu puncak (soaking time) dipertahankan selama 8 jam Pengendalian : Suhu Chamber TC 1,TC 2,TC 3 Tekanan Chamber : 10 Bar Hasil uji coba proses tungku ini ditampilkan Gambar 10 dibawah ini. GRAFIK KELUARAN SUHU AUTOCLAVE 150 o C 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 GRAFIK KELUARAN SUHU AUTOCLAVE 200 o C 250 200 150 100 50 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 SP TC1 TC2 TC3 Waktu (s) SP TC1 TC2 TC3 Waktu (s) Gambar 10. Tampilan hasil pengujian sistem monitoring keselamatan tungku autoclave ME-24 Dari Gambar 10 diatas, untuk suhu target operasi 150 o C dengan kecepatan pemanasan 100 o C/jam didapat nilai parameter eksperimen sebagai berikut : Tabel 1. Keluaran Fungsi Ramp 150 o C Eksperimen keluaran Kesalahan pada kenaikan (ramp) suhu Target (soaking time) TC 1 2,83 2,63 149,13 0,58 TC 2 6,27 5,57 149,17 0,55 TC 3 8,47 7,44 146,95 2,03 Rata-Rata 5,86 5,21 148,42 1,05 Dari tabel 1 di atas, nilai kesalahan tunak (steady state) pada saat kenaikan jika di rata-rata adalah 5,86 o C atau 5,21%. kesalahan tunak terbesar adalah adalah untuk keluaran termokopel 3 ( TC 3 ) yaitu 8,47 o C atau 7,44%. Untuk nilai kondisi suhu tercapai (steady state) rata rata adalah 148,42 o C atau mempunyai kesalahan pada steady state 1,05%. Kesalahan terbesar pada kondisi suhu tercapai adalah termokopel 3 (TC 3 ) 2,03%. Untuk suhu target operasi 200 o C dengan kecepatan pemanasan 100 o C/jam didapat nilai parameter eksperimen sebagai berikut : STTN-BATAN 195 Seminar Nasional X
Tabel 2. Keluaran Fungsi Ramp 200 o C Eksperimen keluaran Kesalahan pada kenaikan (ramp) suhu Target (soaking time) TC 1 5,67 4,98 198,60 0,70 TC 2 9,72 7,43 199,26 0,37 TC 3 14,66 10,45 195,24 2,38 Rata-Rata 10,02 7,62 197,70 1,15 Dari tabel 2 di atas, nilai kesalahan tunak (steady state) pada saat kenaikan jika di rata-rata adalah 10,02 o C atau 7,62%. kesalahan tunak terbesar adalah adalah untuk keluaran termokopel 3 (TC 3 ) yaitu 14,66 o C atau 10,45%. Untuk nilai kondisi suhu tercapai (steady state) rata rata adalah 197,70 o C atau mempunyai kesalahan 1,15%. Kesalahan terbesar pada kondisi suhu tercapai adalah termokopel 3 (TC 3 ) 2,38%. Nilai kesalahan tunak (error steady state) pada saat suhu tercapai (soaking time) ini bisa dikatakan cukup baik karena kriteria maksimum yang diperbolehkan dalam rancang bangun sistem kendali ini untuk pengendalian suhu adalah 5%. DAFTAR PUSTAKA 1. NIRA, ME 24 Passivation Autoclave Instruction Manual, 1984 2. RICHARD C. DORF, ROBERT H BISHOP, Modern Control System, Twelfth Edition, Prentice Hall, 2011. 3. DUNN, WILLIAM C, Introduction to instrumentation, sensors, and precess control, Artech House Sensors Library, 2006. 4. NONAME, ADAM 4000 Series Data Acquisition Modules User s Manual, Edition 10.5, 2007 5. G.M.Kamalakannan, M Subba Rao, Development of a Computer Based Process Control System for An Autoclave to Cure Polymer Matrix Composites, International Conference an Instrumentation, Pune, 2004. 6. OGATA, KATSUHIKO, Modern Control Engineering, 3rd Edition, Prentice Hall International Inc, 1997. KESIMPULAN 1. Rancang bangun sistem perangkat keras kendali tungku autoclave ME-24 telah dilakukan dengan pengendalian pada parameter suhu pada chamber autoclave. 2. Pada pengujian yang dilakukan dengan operasi tungku pada suhu 150 o C dengan kenaikan suhu (ramp) 100 o C/jam didapatkan nilai kesalahan tunak (steady state) pada saat kenaikan jika di rata-rata adalah 5,21%. Pada saat suhu tercapai (soaking time) rata rata suhu adalah 148,42 o C dengan kesalahan pada steady state 1,05%. 3. Pada pengujian yang dilakukan dengan operasi tungku pada suhu 200 o C dengan kenaikan suhu (ramp) 100 o C/jam didapatkan nilai kesalahan tunak (steady state) pada saat kenaikan jika di rata-rata adalah 7,62%. Pada saat suhu tercapai (soaking time) rata rata suhu adalah 197,70 o C dengan kesalahan pada steady state 1,15%. 4. Dari hasil diatas menunjukkan, semakin besar atau tinggi setting suhu, maka nilai kesalahan pada saat suhu tercapai akan semakin besar, namun masih dalam batas standar yang diijinkan dalam rancang bangun sistem kendali ini. ARTI SIMBOL (NOMENCLATURE) SP PV TC = Set Point = Process Value = Termokopel Seminar Nasional X 196 STTN-BATAN