RANCANG BANGUN SISTEM
KENDALI TUNGKU AUTOCLAVE ME-24
Sugeng Rianto, Dedy Haryadi , TriarjoPTBBN-BATAN Serpong Email : sugeng-r@batan.go.id
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 150oC dengan kecepatan kenaikan suhu 100 oC/jam, nilai suhu pada saat tercapai rata-rata adalah 148,42 oC dengan kesalahan 1,05%. Untuk suhu setting 200oC dengan kecepatan kenaikan suhu 100 oC/jam, nilai suhu pada saat tercapai rata-rata adalah 197,70 oC 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 150oC 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 200oC 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
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-ZrO2) 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 oC 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 .
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
switch elektrik on/off dan mempertimbangkan proses penuaan alat dimana usia alat sudah diatas 20 tahun.[1]
Gambar 2.
Blok Diagram Tungku Autoclave ME-24[1]
TEORI
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]
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.
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 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
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]
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 6. Solid State Relay (SSR)
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.
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.
Gambar.8. Steady state error [6]
Prosentase steady state error atau offset ditentukan dengan persamaan :
Metodologi
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 :
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 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 oC dan 200 oC. kecepatan pemanasan (ramp ) 100
o
C/jam waktu pemanasan pada suhu puncak (soaking
time) dipertahankan selama 8 jam
Pengendalian : Suhu Chamber TC1,TC2,TC3
Tekanan Chamber : 10 Bar
Hasil uji coba proses tungku ini ditampilkan Gambar 10 dibawah ini.
Gambar 10. Tampilan hasil pengujian sistem monitoring keselamatan tungku autoclave ME-24
Dari Gambar 10 diatas, untuk suhu target operasi 150 oC dengan kecepatan pemanasan 100 oC/jam didapat nilai parameter eksperimen sebagai berikut :
Tabel 1. Keluaran Fungsi Ramp 150 oC Eksperimen
keluaran 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 ( TC3 ) yaitu 8,47 oC
atau 7,44%. Untuk nilai kondisi suhu tercapai (steady state) rata – rata adalah 148,42 oC atau mempunyai kesalahan pada steady state 1,05%. Kesalahan terbesar pada kondisi suhu tercapai adalah termokopel 3 (TC3) 2,03%. Untuk suhu target operasi 200
o
C dengan kecepatan pemanasan 100 oC/jam didapat nilai parameter eksperimen sebagai berikut :
GRAFIK KELUARAN SUHU AUTOCLAVE 150oC
0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Waktu (s)
GRAFIK KELUARAN SUHU AUTOCLAVE 200 oC
0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Waktu (s)
SU
H
U
Tabel 2. Keluaran Fungsi Ramp 200 oC Eksperimen 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 (TC3) yaitu 14,66 oC atau
10,45%. Untuk nilai kondisi suhu tercapai (steady state) rata – rata adalah 197,70oC atau mempunyai kesalahan 1,15%. Kesalahan terbesar pada kondisi suhu tercapai adalah termokopel 3 (TC3) 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%.
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 150oC dengan kenaikan suhu (ramp) 100oC/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 148,42oC dengan kesalahan pada steady state 1,05%. 3. Pada pengujian yang dilakukan dengan operasi
tungku pada suhu 200oC dengan kenaikan suhu (ramp) 100oC/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 oC 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 = Set Point PV = Process Value TC = Termokopel
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
![Gambar 5. Modul ADAM 4018 dan 4011 dengan blok diagramnya[4]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3978402.1921822/3.612.309.539.178.426/gambar-modul-adam-dan-dengan-blok-diagramnya.webp)
![Gambar.7. Steady state ramp error [6]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3978402.1921822/4.612.98.275.192.366/gambar-steady-state-ramp-error.webp)
