REFURBISHING SISTEM KENDALI SUHU TUNGKU
SINTER PELET UO
2Achmad Suntoro
Pusat Pengembangan Perangkat Nuklir – BATAN
ABSTRAK
REFURBISHING SISTEM KENDALI SUHU TUNGKU SINTER PELET UO2. Telah dilakukan
refurbishing sistem kendali suhu tungku sinter pelet UO2 yang ada di P2TBDU-BATAN Serpong. Refurbishing ini dilakukan karena beberapa komponen kendali suhu sistem tungku tidak diproduksi lagi oleh pabrik pembuatnya. Langkah teknis engineering berupa batasan-disain, disain, konstruksi dan pengujian dijelaskan dalam makalah ini. Dari data pengujian menggunakan kendali baru ini menunjukkan bahwa angka kesalahan rata-rata pola tungku di bawah 1% dengan aktifitas ON-OFF motor pengendali cukup rendah. Dengan kondisi ini diharapkan dapat memperpanjang umur kerja komponen terkait dengan aktifitas ON-OFF tersebut.
ABSTRACT
A REFURBISHING OF TEMPERATURE CONTROL SYSTEM OF UO2 PELLET SINTERING FURNACE. A refurbishing of temperature control of a sintering furnace for UO2 pellet at P2TBDU - BATAN Serpong has been done. It is conducted because some of its control components have been obselete. Technical engineering steps such as requirement definition, design, construction, and evaluation are explained in this paper. The evaluation shows that error average using this new controller is under 1% with its ON-OFF activity to control the motor is low. Hopefully by this control system will prolong any related components actuated by this ON-OFF actifity.
PENDAHULUAN
ungku listrik 80 KW untuk proses sinter pelet UO2 yang ada di ruang HR-05
P2TBDU-BATAN (Gambar 1), mengalami kerusakan pada bagian kendali suhunya. Kerusakan-kerusakan yang pernah terjadi telah berhasil diperbaiki, namun seiring dengan berjalannya waktu - berkaitan dengan umur (life-time) - kerusakan berikutnya setelah perbaikan terjadi lagi. Refurbishing untuk sistem kendali suhunya akhirnya harus dilakukan
T
karena beberapa komponen kendali sudah tidak diproduksi lagi oleh pabrik pembuatnya (obsolete).
Kronologis perbaikan sistem kendali tungku diperlihatkan pada Gambar 2. Pada awalnya,
interface sistem tungku dengan pengguna tungku menggunakan gulungan kertas, dimana pada gulu-ngan tersebut digambar pola penyinteran menggu-nakan pita kecil warna hitam. Alur pita tersebut dideteksi oleh sistem optomekanik untuk dirubah menjadi sinyal perintah dalam mengendalikan suhu dalam tungku sesuai dengan pola pita tersebut.
Gambar 1. Tungku sinter dan kendalinya.
Gambar 2. Kronologis perbaikan sistim kendali tungku HR-05.
Sistem optomekanik mengalami
kerusakan[1], dan pada tahun 1997 dilakukan
perbaikan yaitu dengan mengganti optomekanik yang telah rusak tersebut dengan sebuah Personal Computer (PC)[2]. PC diprogram menggantikan
sistem optomekanik yaitu menerima perintah dari pengguna tungku, dan menghasilkan sinyal referensi yang akan digunakan dalam mengendalikan suhu dalam tungku.
Diakhir tahun 1999 kembali sistem kendali tungku tersebut mengalami kerusakan, yaitu saklar tiga posisi yang disebut dengan digitric yang berfungsi mengatur tegangan autotravo melalui motor telah rusak. Perbaikan dilakukan pada tahun 2000 dengan mengganti sistem kendali secara menyeluruh dengan sebuah Yokogawa Controller. Namun perbaikan ini tidak berhasil karena ada beberapa kendala teknis yang belum dapat diatasi sebagai akibat penggantian tersebut, sehingga sistem tungku belum bisa beroperasi.
Pada awal tahun 2003 perbaikan sistem kendali tungku tersebut kembali dilakukan dengan tetap menggunakan PC dan interface nya yang lama. Gambar 3 adalah blok diagram sistem kendali suhu tungku yang akan digunakan untuk menghidupkan-nya kembali. Refurbishing dilakukan dalam perbaikan tersebut dengan mengganti digitric secara perangkat lunak melalui PC dan modifikasi rang-kaian interface nya. Makalah ini berisi penjelasan teknis langkah-langkah proses refurbishing yang dilakukan hingga sistem tungku dapat beroperasi kembali.
Gambar 3. Blok diagram refurbishing kendali suhu tungku.
TATA KERJA
Langkah kerja sistem engineering diterapkan dalam proses refurbishing ini yaitu meliputi: penentuan batasan-disain, disain, konstruksi, dan evaluasi atau pengujian[3].
A. Batasan Disain
Batasan disain (requirements) dalam proses refurbishing sistem kendali tungku ini ditentukan yaitu batasan kerja dari sitem tungku tersebut dengan tidak mengganggu sistem keselamatan tungku. Secara umum batasan tersebut adalah sebagai berikut:
Sistem pengaman untuk aliran gas, aliran pendingin, dan hal-hal lain secara umum tidak boleh berubah[4] atau tetap seperti semula
(karena tidak mengalami kerusakan).
Pola perubahan suhu dalam tungku berbentuk trapesium, dengan slope kenaikan bisa diatur dari 250 oC/jam hingga 300 oC/jam, slope
penurunan tetap 150 oC/jam, dan suhu sinter
maksimum 1800 oC.
Kesalahan tunak (steady state) lebih kecil dari 10% dan overshoot lebih kecil 25%.
Selama pengendalian, Personal Computer yang
digunakan tidak diperbolehkan menjalankan program lain kecuali program pengendalian tersebut.
Motor untuk autotravo lebih banyak OFF (berhenti) dan aktifitasnya ditekan rendah.
Butir terakhir pada batasan di atas merupakan tambahan yang diperoleh dari
pengalaman selama menjalankan tungku-dalam usaha untuk mem-perpanjang umur kerja komponen kendali yang terkait.
B. Disain Kendali Suhu
Gambar 3 merupakan bagan umum pola kendali dalam refurbishing ini dan detail pola kendalinya ditunjukkan dalam Gambar 4.
Berikut ini penjelasan diagram pengendalian tungku Gambar 4, dan semua persamaan matematis yang digunakan telah dijelaskan di[5]:
Gambar 4. Diagram pengendalian tungku.
1. Perintah, berupa pola bentuk perubahan suhu didalam tungku yang diinginkan, dalam hal ini berbentuk trapesium. Parameter bentuk trape-sium tersebut ditentukan oleh pengguna tungku (operator tungku) melalui keyboard personal computer.
2. Persamaan termokopel τo = f(vo) yang dipakai
dalam tungku. Persamaan ini mengacu pada tabel termokopel untuk Tungsten-Rhenium (W-3%Re/W-5%Re)[6].
3. Persamaan inverse dari konversi termokoupel pada yaitu : τo = f(vo). Hal ini diperlukan
karena kenyataan bahwa temperatur dalam tungku tidak bisa langsung dibaca, tetapi harus melalui termokopel.
4. Tungku sinter dengan persamaan pendekatan o
≈ 6.41 V2.
5. Sistem autotravo lengkap dengan motor listrik pengendali tegangan sekundernya, dikendalikan oleh persamaan V = V + p (1.5703 ton - 1.1126).
Tegangan V besarnya ditentukan oleh ton, yaitu
lama waktu berputarnya motor penggerak dalam sistem autotravo, dan nilai p (polaritas) yang dapat berharga +1, 0, dan -1. Kedua parameter ini ditentukan oleh sistem recording dan data processing .
6. Waktu hidupnya motor penggerak autotravo, ditentukan oleh persamaan tm = A1 (0.112
0.708) A
2
. Nilai A1 dan A2 adalah
faktor pengali atau gain dari waktu tersebut, yang nilainya ditentukan oleh data processing
, dan adalah perbedaan temperatur saat itu antara yang diinginkan dan kenyataan di dalam tungku.
7. Disamping dikendalikan oleh , autotravo juga pada kondisi tertentu digerakkan oleh persamaan V = V + c, dimana c ditentukan langsung oleh data processing .
8. Recording dan data processing bekerja mengikuti sebuah algoritma yang bekerja berdasarkan masukan data masa lampau, data saat itu, dan data masa mendatang ketika proses pengendalian sedang berjalan. Detail teknik dalam menentukan polaritas p, yaitu menggu-nakan teknik tabel-kebenaran pengganti histe-resis, dijelaskan di[7]. Blok ini juga
menentukan faktor pengali A1 dan A2. Nilai A1 akan diubah jika data yang diperoleh menunjukkan telah terjadi osilasi atau
overdamped dalam proses pengendalian yang dijalankan, sedangkan A2 akan dirubah jika
steady-state error terjadi di luar daerah toleransi yang ditetapkan. Nilai A1 dan A2 pada awalnya masing-masing bernilai 1.0 dan diubah
masing-masing naik atau turun tergantung situasi pengendalian saat itu. Bersamaan dengan perubahan nilai A2 maka nilai c pada blok diaktifkan sejenak (c 0 dan kembali c
= 0) untuk memaksa naik atau turun tegangan sekunder autotravo, agar error saat itu mengecil. Perubahan nilai A2 terjadi karena
gain pengendalian yang dipilih kurang tepat, sehingga perlu diubah ke arah yang lebih tepat dengan mengubah nilai A2. Waktu penyalaan motor ton juga ditentukan oleh blok ini.
Waktu ini berasal dari tm yang dihasilkan oleh
persamaan pada blok . Nilai tm ini dievaluasi
sebagai berikut. Jika tm < 750 ms maka ton = 0
atau motor tetap mati, dan jika tm 750 ms
maka ton = tm, atau motor aktif selama ton. Angka
750 ms berasal dari persamaan pada blok , dimana nilai ton akan punya arti jika ton 708
ms. Tujuan utama algoritma ini secara menyeluruh adalah untuk mengatur agar frekuensi aktifitas motor rendah dan motor lebih banyak mati (tidak aktif) selama pengendalian, namun tetap menekan rendah kesalahan – sesuai dengan tuntutan batasan disain butir terakhir.
C. Konstruksi Refurbishing
Perangkat keras dan lunak perlu dibuat untuk implementasi disain Gambar 3 dan 4. Perangkat keras meliputi pembuatan sistem
interface dan perangkat lunak adalah pembuatan program komputer untuk menggerakkan komponen kendali melalui sistem interface tersebut.
1. Modul Interface
Modul interface akan menghubungkan
perintah-perintah yang berasal dari perangkat lunak untuk dihubungkan pada komponen-komponen kendali sehingga temperatur dalam tungku berubah sesuai dengan perintah tersebut. Bentuk fisik modul
interface yang dibuat adalah sebagai berikut.
a. Panel Depan
1. Seven segmen display yang menunjukkan angka tungku yang sedang dikendalikan. Angka 1 untuk tungku 1 dan angka 2 untuk tungku 2.
2. Push button digunakan untuk merubah tungku yang akan dikendalikan (1 atau 2).
3. Saklar power untuk menghidupkan modul
interface.
4. Lampu indikator dua warna: hijau dan kuning. Hijau menyala berarti tegangan autotravo sedang turun, dan kuning menyala berarti tegangan autotravo sedang naik.
5. Lampu indikator berwarna merah, akan menyala jika saklar power diaktifkan.
Gambar 5. Panel depan.
b. Panel Belakang
Gambar 6. Panel belakang.
Titik A pada Gambar 6 dihubungkan dengan konektor RS-232 ke kabinet tungku, yang selanjutnya dihubungkan ke komputer pengendali. Titik B adalah sekring pengaman listrik dari PLN. Tabel 1 memperlihatkan hubungan panel belakang dengan sistem tungku.
Tabel 1. Kaitan hubungan panel belakang dengan sistem tungku.
Titik Panel Belakang Sistem Tungku Titik Panel Belakang Sistem Tungku
dan Termokopel #2 dan Sumber listrik AC 220V dan kipas pendingin
Kabel 15 Tidak dipakai
Kabel 16
N.B: Kabel 13, 15, dan 16 berkaitan dengan pengendalian polaritas motor penggerak autotravo.
2. Rangkaian Elektronik Modul Interface
Rangkaian elektronik modul interface
pengendali terbagi menjadi dua bagian. Gambar 7a adalah bagian pertama yang berisi indikator dan catu-daya interface, dan Gambar 7b adalah modul
Advantech ADAM yang digunakan sebagai
jembatan komunikasi antara Personal Computer dengan komponen elektronik yang langsung berhubungan dengan komponen lain diluar PC.
Titik 16 pada PCB1 Gambar 7b
dihubung-kan dengan tegangan kerja motor penggerak autotravo, sehingga titik 17 dan 18 merupakan pengendali arah putaran motor tersebut. Logik dari kedua titik ini menentukan arah putaran dari motor sesuai dengan aturan posisi pada Tabel 2.
Waktu atau lamanya kedua titik tersebut pada suatu posisi logik akan menentukan aktifitas motor pengendali tegangan sekunder autotravo, dan waktu ton ini ditentukan oleh algoritma blok pada Gambar 4.
Tabel 2. Logik gerakan motor.
Logik Kondisi Motor Tegangan Autotravo
Posisi-1 00 Mati Tetap
Posisi-2 10 Berputar arah jarum jam Naik
Gambar 7b. Rangkaian elektronik modul interface – modul Adam.
Bahasa pemrograman C dengan compiler Borland C++ versi 3.1 digunakan untuk mengge-rakkan pengendalian diatas. Operating sistem DOS tetap dipertahankan, tidak memakai Windows, mengingat multitasking tidak diperbolehkan selama tungku beroperasi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dua kali percobaan uji fungsi dijalankan pada tanggal 22 dan 29 Mei 2003 pada suhu 1000oC dan 1650oC secara berturut-turut. Gambar 8
mem-perlihatkan potongan data grafis atas pengujian tersebut. Dari data tersebut terlihat bahwa kesalahan rata-rata pengendalian antara pola suhu permintaan dan pola suhu dalam tungku lebih kecil dari 1%. Total waktu untuk penyinteran 1000
oC adalah 9 jam 13 menit, dalam interval waktu
tersebut telah terjadi 175 kali motor penggerak autotravo aktif seperti pada Tabel 3. Untuk suhu 1650oC data tersebut gagal diperoleh karena terjadi
penghentian semen-tara (discontinue) selama percobaan disebabkan oleh kerusakan termokopel tungku dan kesalahan pemberian nilai batas pada program komputer.
Tabel 3. Aktifitas motor penggerak auto-travo untuk pengujian suhu 1000oC.
Asal Sinyal Penggerak Jumlah Aktifitas Motor
Blok konstan 250 ms 32 kali
Blok 143 kali
Total 175 kali
Lama (duration) aktifitas motor oleh Blok ditentukan konstan sebesar 250 ms, sedangkan oleh Blok ditentukan oleh rumus pada Blok untuk kondisi ramp dan flat. Pada kondisi cooling-down
lama aktifitas motor dibuat konstan 500 ms, dan diperoleh data sebagai berikut Tabel 4.
Tabel 4. Komposisi (rincian) asal sinyal dari Blok .
Asal Sinyal Penggerak Dari Blok
Jumlah Aktifitas Motor
Rumus pada Blok 152 kali
Konstan 500 ms. 91 kali
Total 143 kali
Angka konstan 250 dan 500 ms merupakan angka coba-coba dalam usaha mencari parameter pengendalian yang tepat. Namun dari data percobaan (Gambar 9) terlihat bahwa kedua angka tersebut masih kurang tepat karena terlihat tidak banyak pengaruhnya terhadap perubahan suhu dalam tungku. Artinya beberapa kali pulsa berturut-turut baru mempengaruhi suhu tungku. Hal ini harus dihindari mengingat batasan disain terakhir yang dipersyaratakan, yaitu agar membuat seminimal mungkin motor penggerak autotravo aktif bekerja.
Dari fenomena percobaan tersebut, terlihat bahwa sebaiknya kedua angka lebar pulsa tersebut dibuat 750 ms. Angka ini juga yang dipersyaratkan oleh Blok yaitu ton 750 ms, dan terbukti lebar
pulsa dibawah batas tersebut tidak efektif untuk mengubah suhu tungku. Meskipun jika hal ini dilakukan berulang-ulang (seperti yang dilakukan dalam percobaan ini) akan menghasilkan perubahan suhu yang halus, namun batasan disain menghendaki rendahnya aktifitas motor lebih utama. Dengan mengubah kedua lebar pulsa menjadi 750 ms, maka jumlah aktifitas motor dipastikan akan lebih kecil dari yang dilakukan dalam eksperimen uji coba ini, walaupun mungkin angka kesalahan akan sedikit naik. Tetapi angka kesalahan 1% yang dicapai dengan pola ini masih cukup rendah sehingga kenaikan tersebut dipastikan hasilnya masih tetap rendah.
Gambar 9. Pengaruh lebar pulsa kendali pada suhu tungku.
Faktor pengali A1 dan A2 mula-mula ditetapkan bernilai 1.0 untuk kemudian disesuaikan nilainya selama pengendalian oleh blok . Karena tungku merupakan sistem orde satu dengan time-constant besar, yaitu 4.63 jam[4], maka osilasi tidak
pernah terjadi selama pengendalian, sehingga nilai
A1 tidak pernah berubah selama pengendalian tersebut. Nilai A2 dalam pengendalian tercatat sering berubah dalam rangka memperkecil steady state error yang terjadi. Pengaruh perubahan nilai
A1 dibuat lebih cepat dibanding dengan perubahan
nilai A2, seperti terlihat pada Gambar 10. Hal ini disengaja karena A1 bertanggung jawab untuk mengatasi osilasi dan overdamped agar tidak terlalu lama jika terjadi. Pengaruh perubahan nilai
A2 sengaja dibuat lambat untuk menjaga agar perubahan suhu terjadi dengan halus.
Tampilan ketika tungku beroperasi dapat dilihat seperti pada Gambar 11. Pada awal tungku akan beroperasi, perlu ditetapkan batasan kerjanya. Contoh Gambar 11.a ditetapkan batasan kerja adalah suhu sinter 1500oC dengan slope kenaikan
250oC/ jam dan soaking time 2.5 jam, angka ini
dapat dirubah sesuai dengan keperluan proses. Ketika penyinteran sedang berjalan pola kurva suhu dalam tungku dapat dilihat kaitannya dengan pola yang diinginkan (Gambar 11.b). Data penyinteran selama operasi disimpan dalam sebuah file data komputer yang mudah dibaca menggunakan program-program aplikasi standard.
Gambar 11. Tampilan monitor pengendali suhu.
KESIMPULAN
Refurbishing kendali suhu tungku sinter pellet UO2 telah berhasil dilakukan. Hasil evaluasi
menunjukkan bahwa sistem kendali suhu ini mempunyai ketelitian yang tinggi, yaitu di bawah 1% (angka ini lebih baik dari kendali suhu asalnya). Demikian juga usaha menekan aktifitas ON-OFF aktuator motor pada refurbishing ini juga berhasil yaitu mendapatkan angka rata-rata 1 kali tiap 3 menit. Angka ini dinilai cukup rendah dengan tingkat ketelitian di atas. Diperkirakan angka rata-rata ini masih bisa diperkecil dengan mengubah waktu aktif motor seperti yang diuraikan dalam bab hasil dan pembahasan di atas. Secara menyeluruh, dari hasil pengujian, batasan-disain yang ditetapkan dalam refurbishing ini dapat dipenuhi.
DAFTAR PUSTAKA
1. A SUNTORO, A LATIEF, dan M RACHMA-WATI., Analisis Kerusakan Tungku Sinter Pelet UO2 PEBN-BATAN, Urania, No. 6 / Thn II., April 1996.
2. A SUNTORO, A LATIEF, dan M
RACHMA-WATI, Disain Modifikasi Sistem Kendali Suhu
Tungku Sinter Pelet UO2 Degussa, Prosiding Seminar Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta, Juli 1997. 3. PRIEST JOHN W., Engineering Design for
Productability and Reliability, Marcel Dekker., New York, 1988.
4. A SUNTORO, Solusi Alternatif Kegagalan
Sistem Pengaman Tekanan Tinggi Tungku Sinter Degussa PEBN-BATAN, Prosiding
Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir IV., Jakarta., Desember 1998.
5. A SUNTORO, Dokumen Analisis Modifikasi
Sistem Pengendali Tungku Sinter Pelet UO2, Laporan Teknis., P2PN-BATAN., Januari 2005.
6. A SUNTORO, Karakteristik Termokopel
Tungsten-Rhenium (W-3%Re/W-25%Re), Prima Vol.1, No. 1., April 1999.
7. A SUNTORO, Pengganti Hysteresis pada
Kendali Tungku menggunakan Tabel Kebenaran, Publikasi Ilmiah PPI-KIM 2005., Juni 2005.
TANYA JAWAB
Syarip
Apakah telah dicoba untuk dibandingkan dengan
metode pengendalian yang sudah teruji (paling tidak secara simulasi)?
Achmad Suntoro
Cara simulasi sedang direncanakan untuk
dilakukan. Namun demikian dari data percobaan telah menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan dengan hasil menggunakan cara lama.
Prajitno
Apakah feedback kontrolnya dari pengukuran suhu? Jenis apa thermocouple yang digunakan?
Feed back control suhu menggunakan thermo-couple tidak standard (bukan standard ANSI) yaitu jenis W-3% Re / W-5% Re. Dari tabel konversi voltage to temperature thermocouple bersangkutan proses pengendalian mendapat data temperature tungku.
Dewita
Bagaimana dengan laju pemanasan, apakah tabel
Bapak berlaku untuk laju pemanasan tinggi maupun rendah.
Keandalan 110% apa bukan disebabkan
kesalahan pengukuran (alat ukur suhunya sudah
tidak baik) bagaimana Bapak mengetahui nilainya.
Achmad Suntoro
Laju pemanasan bisa diubah-ubah dari rendah hingga maskimum 300 oC/jam. Dari simulasi
sederhana tabel yang digunakan dalam kendali masih berlaku.
Nilai pengukuran bersandar pada thermocouple dan tabel konversinya. Angka kesalahan didapat dari perbedaan angka suhu yang diinginkan dengan yang diperoleh dari thermocouple tersebut lewat tabelnya.
