RANCANG BANGUN SISTEM INTERLOK UNTUK OPERASI
MBE LATEKS MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER
Taxwim, Slamet Santosa
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, Yogyakarta
ABSTRAK
RANCANG BANGUN SISTEM INTERLOK UNTUK OPERASI MBE LATEKS MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER. Telah dilakukan rancang bangun sistem interlok untuk operasi Mesin Berkas Elektron (MBE) menggunakan mikrokontroler. Rancang bangun ini bertujuan sebagai sistem kontrol operasi MBE agar dapat beroperasi secara normal. Sistem ini sebagai kontrol operasi untuk mengijinkan atau tidak mengijinkan suatu parameter untuk beroperasi sehingga akan menjamin keselamatan operasi MBE. Metoda operasi sistem ini berdasarkan parameter interlock sebagai masukan yaitu kunci operasi, pendingin, vakum, pemfokus, pemayar, blower window, bejana tekan, pintu iradiasi, bejana iradiasi, sumber elektron, sumber tegangan tinggi, dan parameter TRIP yaitu: emergency, over current, over heating, over high voltage, smoke, batas vakum, sistem optik dan batas tekanan dari bejana tekan, sedangkan parameter keluarannya berupa sinyal digital yang mengaktifkan electromagnetic relay sebagai sinyal interlock dan TRIP. Apabila salah satu atau seluruh parameter masukan belum siap maka MBE akan interlock artinya bahwa tombol operasi STT (sumber Tegangan Tinggi) dan SE (Sumber Elektron) tidak dapat dinaikkan tetapi dapat diturunkan, sedangkan sinyal TRIP akan aktif apabila salah satu atau seluruh parameter TRIP mengirimkan sinyal TRIP untuk shutdown. Seluruh rangkaian sistem ini dikontrol oleh mikrokontroler jenis AVR Atmega8535 yang dapat diprogram dengan menggunakan bahasa pemrograman BASCOM. Sistem ini juga dilengkapi sistem redudansi berupa rangkaian yang dibangun dari gerbang-gerbang logika. Hasil rancang bangun menunjukkan bahwa sistem interlock dengan mikrokontroler ini dapat beroperasi sesuai dengan rancangan.
Kata kunci: sistem interlok MBE, mikrokontroler Atmega 8535.
ABSTRACT
DESIGN AND CONSTRUCTION OF INTERLOCK SYSTEM FOR EBM LATEX OPERATION USING A MICROCONTROLLER. The design and construction of interlock system for Electron Beam Machine (EBM) using microcontroller has been carried out. This design and construction is aimed as an operation control system for normal operation of an EBM. This system is an operation controller to permit and or forbid for a parameter to be operated so that it guarantees the EBM safety operation. The operation method of this system is based on interlock parameters as inputs that include operation key, cooler, vacuum, focusing system, scanning horn, blower window, pressure tank, irradiation door, irradiation tank, electron source, high voltage power supply, smoke detector, vacuum interlock and pressure tank limit and optical system. Output parameters of the system are signals from the microcontroller that activate the electromagnetic relays used for interlock and trip signals. If one or all input parameters not yet ready then the EBM goes interlock, which means that the High Voltage (HV) operation button and the electron source can be decreased but not be increased, while the trip signals will active if one or all trip parameters sent a trip signal for shutdown. All circuit of this system are controlled by microcontroller ATmega8535 as a control system which is programmed by BASCOM AVR. This system has already equipped with redundancy system, which is developed by logical gates. The results of design and construction system indicate that the interlock system using microcontroller operation system have operate as according design.
Keywords: EBM interlock system, ATmega8535 microcontroller.
PENDAHULUAN
nterlock merupakan salah satu sistem yang diterapkan pada suatu mesin untuk sistem keselamatan. Interlock sendiri dapat diartikan sistem saling kunci yang berfungsi untuk meng-ijinkan atau tidak mengmeng-ijinkan suatu parameter, ini dimaksudkan untuk memperkecil kesalahan yang mungkin ditimbulkannya. Dalam penelitian ini dirancang suatu sistem interlock dengan
meng-gunakan mikrokontroler jenis AVR tipe ATmega 8535 yang diterapkan pada Mesin Berkas Elektron dengan parameter masukan secara simulasi agar memenuhi aspek-aspek keselamatan[1]. Sistem
operasi ini berdasarkan parameter interlock sebagai masukan yaitu kunci operasi, pendingin, vakum, pemfokus, pemayar, blower window, bejana tekan, pintu iradiasi, bejana iradiasi, sumber elektron, sumber tegangan tinggi, dan parameter TRIP yaitu: emergency, over current, over heating, over high
voltage, smoke, batas vakum, sistem optik dan batas tekanan dari bejana tekan, sedangkan parameter keluarannya berupa sinyal dari mikrokontroler yang mengaktifkan electromagnetic relay sebagai sistem bantu monitornya
Untuk mengetahui gambaran umum sistem interlock dengan mikrokontroler AVR tersebut yang berhubungan dengan MBE PTAPB BATAN dimulai dari pengetahuan tentang pengertian Mesin Berkas Elektron itu sendiri. Mesin Berkas Elektron (MBE) adalah suatu alat pempercepat elektron yang dihasilkan dari sumber elektron. Komponen utama sebuah Mesin Berkas
Elek-tron antara lain: sumber tegangan tinggi, sumber
elektron, tabung pemercepat, sistem optic dan
sistem vakum[2]. Sumber tegangan tinggi berfungsi
sebagai pembangkit tegangan untuk sistem pemer-cepat berkas elektron. Sedangkan sumber elektron merupakan salah satu unit penghasil elektron dalam hal ini menggunakan metoda filamen panas[3]. Untuk mengarahkan elektron bebas dari katoda ke celah dipergunakan elektroda pendorong yang berpotensial negatif. Dalam perjalanannya menuju anoda, berkas elektron cenderung menyebar (divergen) akibat adanya gaya tolak menolak antara muatan sejenis yang dimiliki oleh masing-masing elektron. Oleh karena itu elektroda pemfokus sangat berperan untuk memfokuskan agar berkas elektron menjadi terfokus dan selanjutnya dapat melewati celah sumber elektron. Anoda yang juga berfungsi sebagai celah keluaran sumber elektron harus dapat menarik elektron sebanyak-banyaknya dari ruang sumber elektron, oleh karena itu anoda diberi tegangan positif, sedangkan sistem optik merupakan peralatan yang digunakan untuk memfokuskan, mengarahkan dan sebagai sistem pemayar berkas[3]. Parameter parameter MBE diatas perlu dikontrol agar sesuai dengan parameter yang dikehendaki dan masing-masing tergantung satu sama lain sehingga perlu adanya sistem interlock dengan mikrokontroler yang akan mengatur atau memonitor suatu sistem agar operasi dari MBE akan berjalan dengan normal sebagai sistem pendukung keselamatan operasi MBE.
TATA KERJA
Sistem Interlock Mesin Berkas Elektron
Sistem interlok pada penelitian ini didefinisikan sebagai sistem saling kunci artinya bahwa operator tidak dapat menaikkan tegangan tinggi maupun arus sumber elektron melalui tombol operasi karena telah dikunci oleh sinyal interlock, tetapi dapat diturunkan (Gambar 2). Disamping mengunci, sinyal interlock juga memerintahkan sumber elektron untuk diturunkan ke kondisi terendah (nol), sedangkan sinyal TRIP (hanya sinyal batas kritis) memerintahkan MBE shutdown artinya bahwa tegangan tinggi langsung diturunkan pada kondisi terendah dan secara otomatis sumber elektron juga mengikuti turun sebab SE dan STT merupakan satu kesatuan unit trafo dengan belitan primer sama.
Sistem Interlock berbasis mikrontroler yang digunakan pada MBE tersebut dirancang sebagai peralatan kontrol dari parameter masukan MBE, untuk mengijinkan atau tidak mengijinkn suatu parameter untuk operasi. Oleh karena itu sistem ini merupakan salah satu sistem keselamatan yang dapat diterapkan pada suatu peralatan sistem operasi MBE agar dapat beroperasi secara normal dan jika terjadi kegagalan degan resiko sekecil mungkin atau dapat diartikan gagal selamat. Pada rancang bangun ini telah direncanakan beberapa parameter sistem interlock berbasis mikrokontroler dan dilengkapi sistem redudansi dengan konsep hardwire menggunakan gerbang-gerbang logika seperti and gate, nand gate, or gate (Gambar 3). Sistem redudansi ini dipasangkan paralel dengan sistem yang dibangun dari mikrokontroler sehingga apabila terjadi suatu kegagalan dapat diatasi. Gambar 1 menunjukkan gambar skema rangkaian kontrol operasi MBE dengan mikrokontroler, sedangkan daftar parameter masukan yang digunakan sebagai masukan simulasi sistem kontrol MBE ditunjukan pada Tabel 1.
Gambar 2. Sistem interlok pada panel operator.
Gambar 3. Sinyal interlok dan TRIP dari gerbang logika sebagai sistem redudansi.
Tabel 1. Daftar parameter mesin berkas elektron.
No Parameter No. Parameter 1. Kunci operasi 10. Sumber Teg. tinggi 2. Sistem Vakum 11. Sumber elektron 3. Sistem pendingin 12. Darurat/emergensi 4. Sistem pemfokus 13. Over high voltage 5. Sistem pemayar 14. Over heating 6. Blower window 15. Deteksi asap 7. Bejana tekan 16. Over current 8. Pintu iradiasi 17. optik
Tabel 2. Kriteria interlock MBE.
No. Parameter Kriteria Keterangan
1 Pendingin (cooler) unready Interlock MBE
2 Sistem vakum unready Interlock MBE
3 Sistem optics unready Interlock MBE
4 Blower window unready Interlock MBE
5 Bejana Tekan (pressure vessel) unready Interlock MBE 6 Pintu iradiasi (irradiation door) unready Interlock MBE 7 Bejana iradiasi (irradiation tank) unready Interlock MBE 8 Sumber Tegangan Tinggi (High Voltage) unready Interlock MBE 9 Sumber Elektron (Electron Source) unready Interlock MBE
10 Ozon > 0.1 ppm Interlock pada
irradiation door
Perancangan sistem ini dibatasi hanya menerima sinyal ready atau tidak dari masing-masing parameter artinya bahwa masing-masing-masing-masing parameter telah mempunyai sistem kendali internalnya (internal protection) maksudnya jika parameter telah mengeluarkan sinyal ready artinya parameter tersebut telah memenuhi persyaratan internal. Jadi sinyal ready atau unready tersebut digunakan sebagai parameter masukan ke mikrokontroler maupun ke sistem redudansi.
Sinyal TRIP akan terpicu jika sinyal tidak memenuhi batasan-batasan TRIP yang telah ditentukan sehingga akan menyulut MBE untuk TRIP. Sebagai contoh untuk batasan TRIP seperti ditunjukkan pada Tabel 3. Nilai dari batasan TRIP telah ditentukan sebelumnya misalnya untuk arus berlebih (over current) sebesar 10% dari 20 mili Amper yaitu 22 mili Amper, jadi jika arus melebihi 22 mili Amper sinyal TRIP akan aktif.
Sedangkan kecepatan tanggap sinyal TRIP ini bergantung kepada komponen yang digunakan. Pada pada rancang bangun sistem interlok ini komponen yang paling lambat adalah elektro-magnetic relay dengan kecepatan tanggap kira-kira sebesar 15 milidetik[5]. Sedangkan gerbang-gerbang logika CMOS waktu tanggapnya berkisar 20 nS (katalog CMOS) dan mikrokontroler waktu tanggapnya bergantung dari siklus mesin yang sangat dipengaruhi dengan penggunaan sistem clock (kristal yang digunakan) sehingga kecepatan TRIP dapat dikalkulasi dengan menjumlahkan komponen yang terpasang secara serial komponen yang digunakan. Karena waktu tanggapnya paling lambat adalah komponen relay maka dapat diartikan bahwa waktu tanggapnya kurang lebih sama dengan waktu tanggap relay sebesar ±15 mili detik(5).
Tabel 3. Kriteria TRIP.
No. Parameter Kriteria Keterangan
1. Arus berlebih (over current) Arus > 10 % (22 mA) TRIP 2. Batas vakum Jika vakum >10-5 Torr TRIP 3. Darurat/Emergensi (operator) Tombol pancung TRIP 4. Batas tekanan (bejana tekan) Tekanan > 9 Bar TRIP 5. Panas berlebih (over heating) Temperatur >60 oC (pada kontrol box,
jendela pemayar)
TRIP 6. Tegangan STT berlebih (HV
over voltage)
Jika tegangan >10% dari setting (330 kV)
TRIP 7. Detektsi Asap (smoke detection) Terdeteksi asap pada kontrol box TRIP 8. Optik (pemfokus dan atau
pemayar)
Perancangan Sistem Kontrol Dengan Mikro-kontroler
Untuk mengontrol suatu sistem operasi MBE diperlukan bermacam-macam instrumen elek-tronika, seperti dengan PLC, mikrokontroler, mikrokontroler AVR, komputer dan sebagainya. Pada penelitian ini digunakan mikrokontroler AVR jenis ATmega8535 (Gambar 4) karena jenis ini telah banyak digunakan karena merupakan generasi setelah MCS51 yang mulai ditinggalkan. Mikro-kontroler AVR lebih lengkap dari generasi sebelum-nya yaitu dilengkapi dengan sisebelum-nyal watchdog, ADC. Sistem kontrol Interlock MBE berbasis mikro-kontroler tersebut dibangun dengan menggunakan perangkat keras dan perangkat lunak (program). Keluaran dan masukan dari mikrokontroler ini ditambahkan suatu rangkaian electromagnetic relay (Gambar 5) yang dilengkapi dengan lampu LED untuk memudahkan dalam identifikasinya, karena
jika electromagnetic relay aktif (energize) maka LED akan menyala begitu sebaliknya.
SISTEM PEMROGRAMAN
Bermacam-macam bahasa pemrograman yang digunakan dalam pemrograman mikro-kontroler salah satunya adalah dengan bahasa pemrograman BASCOM AVR. Bahasa ini relatif lebih mudah dipahami dibandingkan menggunakan assembly language karena tidak perlu tahu secara ditail tentang operasi antar register yang digunakan.. dengan BASCOM AVR, langsung dapat mendefinisikan PORT sebagai masukan atau keluaran serta dapat langsung menggunakan fungsi arithmatika. Dari hasil perancangan program sistem interlok pada MBE dengan menggunakan mikrokontroler dibuat program seperti diagram pada Gambar 6.
Gambar 4. Mikrokontroler Atmega 8535.
Gambar 6. Diagram alir pemrograman.
Sedangkan rangkaian lengkap sistem kontrol interlok seperti pada LAMPIRAN Gambar 8.
Tahapan pemrograman dilakukan dengan pengelompokan fungsi dari masing–masing parameter input yaitu:
1. Sinyal yang mengijinkan sistem beroperasi (operasion permit) yang terdiri dari:
a. Kunci operasi b. Sistem Vakum c. Sistem pendingin d. Sistem pemfokus e. Sistem pemayar f. Blower window g. Bejana tekan
2. Sinyal yang mengijinkan untuk irradiasi operasi (irradiation permit)
a. Pintu iradiasi b. Bejana iradiasi
c. Sumber Tegangan Tinggi d. Sumber Elektron
3. Sinyal TRIP, yaitu sinyal keselamatan untuk men-shutdown MBE
a. Arus berlebih (over current) b. Batas vakum
c. Darurat/Emergensi (operator) d. Batas tekanan (bejana tekan) e. Panas berlebih (over heating)
f. Tegangan STT berlebih (HV over voltage) g. Detektsi Asap (smoke detection)
h. Optik (pemfokus dan atau pemayar)
Apabila kelompok-1 terpenuhi maka mikrokontroler akan mengeluarkan sinyal untuk mengijinkan pengoperasian selanjutnya akan mengecek sinyal kelompok-2. Apabila kelompok-2 terpenuhi maka MBE siap dioperasikan, sedangkan kelompok-3 mendeteksi jika terjadi TRIP pada saat operasi.
Tabel 4. merupakan status secara kuantitatif dari paramater keselamatan artinya bahwa satu dari
kesembilan parameter tersebut tidak aktif maka MBE akan interlok bahkan akan TRIP ( khusus untuk parameter vakum, optik dan bejana tekan), begitu juga apabila salah satu atau lebih dari parameter kelompok 3 aktif maka MBE akan TRIP.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian dilakukan secara simulasi parameter input dengan memberikan masukan digital pada parameter masukan, jika bernilai logika ”1” berarti parameter tersebut berstatus ready jika bernilai ”0” brarti unready. Ready maksudnya bahwa sinyal dari electromagnetic relay aktif (energize) dan LED akan menyala hijau. Sedangkan unready maksudnya bahwa sinyal dari electromagnetic relay tidak aktif dan LED akan menyala merah.
Dari Tabel 5. Kelompok-1 yaitu kelompok operasi (operation permit), kelompok ini dihubungkan secara seri atau seperti gerbang AND sehingga apabila memberikan sinyal logika 1 artinya bahwa kelompok-1 telah siap dan sebaliknya apabila belum siap akan mengeluarkan sinyal berlogika 0. Khusus pada key operation di-tambahkan buzzer yang akan berbunyi selama 5 detik jika kunci operasi ON. Tabel 6. Kelompok-2 yaitu kelompok Iradiasi (Irradiation Permit) perlakuannya sama dengan kelompok-1, sedangkan Tabel 7. Kelompok-3 yaitu kelompok TRIP dihubungkan secara parallel atau seperti gerbang OR, apabila salah satu ON atau memberikan logika
1 maka artinya terjadi TRIP yang mengisyaratkan bahwa Sumber Tegangan Tinggi akan turun (shutdown) begitu juga Sumber Elektron. Sistem ini dillengkapi sistem redudansi yang terpasang secara parallel dengan gerbang-gerbang logika dari CMOS (Gambar 3) sehingga dapat memdukung apabila terjadi kegagalan. Sedangkan kecepatan TRIP dalam hal ini sangat ditentukan oleh banyak dan beragamnya komponen-komponen yang digunakan, dan yang paling lambat waktu tanggapnya diantara komponen yang digunakan adalah electromagnetic relay kira-kira sebesar 15 milidetik, sehingga dapat diartikan bahwa waktu tanggapnya berkisar 15 milidetik.
Tabel 5. Kelompok-1 yaitu kelompok operasi (permition operation) terdiri dari parameter:
No. Parameter Kelompok-1 status Terpenuhi Tak terpenuhi
1. Key operation (Operator) on 1 0
2. Vakum terpenuhi 1 0
3. Pendingin terpenuhi 1 0
4. Pemfokus beroperasi 1 0
5. Pemayar beropersi 1 0
6. Blower Window beroperasi 1 0
7. Bejana Tekan terpenuhi 1 0
Tabel 6. Kelompok-2 yaitu kelompok Iradiasi (Irradiation Permition) terdiri dari parameter.
No. Parameter Kelompok-2 Status Terpenuhi Tak terpenuhi 1. Pintu latex (pintu Irradiasi) Tertutup 1 0
2. Isi latex (wadah) Terisi 1 0
3. Sumber elektron siap 1 0
4. Sumber tegangan tinggi siap 1 0
Tabel 7. Kelompok-3 yaitu kelompok TRIP terdiri dari parameter.
No. Parameter Kelompok-3 Status TRIP Normal 1. Arus berlebih (over current) beroperasi 1 0
2. Batas vakum beroperasi 1 0
3. Darurat/Emergensi (operator) beropersi 1 0 4. Batas tekanan (bejana tekan) beroperasi 1 0
5. Panas berlebih (over heating) terpenuhi 1 0 6. Tegangan STT berlebih (HV over voltage) beroperasi 1 0 7. Detektsi Asap (smoke detection) terpenuhi 1
KESIMPULAN
1. Rancang bangun sistem interlock MBE dengan menggunakan mikrokontroler dapat beroperasi sesuai dengan perancangan sistem interlok dan TRIP.
2. Sinyal Operation Permition akan ready apabila input kelompok 1 telah siap, begitu sebaliknya apabila salah satu parameter belum siap maka Operation Permition belum mengeluarkan sinyal ready.
3. Sinyal Irradiation permition untuk mengaktifan sumber elektron dan sumber tegangan tinggi akan ready apabila input kelompok-2 telah siap jika belum siap maka sinyal interlock masih aktif.
4. Apabila salah satu parameter TRIP aktif maka warning light dan buzzer akan menyala dan MBE akan shutdown.
5. Apabila salah satu atau lebih parameter interlok (kelompok1 dan 2) aktif maka MBE akan interlok.
DAFTAR PUSTAKA
[1] TAXWIM, SAMINTO, Simulasi dan Monitoring Sistem Interlock Pada Mesin Berkas Elektron PTAPB BATAN Dengan Mikrokontroler, Prosiding Seminar Nasional Teknologi Dan Aplikasi Akselerator, PTAPB-BATAN, Yogyakarta, Nopember 2006.
[2] SAMINTO, dkk., Model Simulasi System Interlock Mesin Berkas Elektron PTAPB-BATAN Berbasis Labview, PPIPDIPTN, PTAPB-BATAN, Yogyakarta, Juli 2006.
[3] Kumpulan Makalah Seminar Sehari Peran-cangan Mesin Berkas Elektron 500 KeV/10 mA, PPNY-BATAN, Yogyakarta, 1996.
[4] TAXWIM, dkk., Aplikasi Remote Control Infra Merah Untuk Sistem Kendali Aktuator Catu Daya Sumber Elektron Pada MBE 350 keV/10 mA, Prosiding PPIPDIPTN, P3TM-BATAN, Yogyakarta, Juli 2003.
[5] LOVE DAY, GEORGE, Intisari Elektronika, Elexmedia Komputindo, Jakarta, 1992.
LAMPIRAN
Gambar 8. Rangkaian lengkap mikrokontroler.
TANYA JAWAB
Widi Setiawan
− Apakah fungsi logic dalam interlock sepenuhnya dilakukan oleh software dalam microcontroller? − Apakah fungsi komponen juga di dalam sistem
interlock ini?
− Bagaimana upaya untuk menjamin keandalan fungsi relay.
Taxwim
− Tidak, di back up juga oleh rangkaian logic dari gerbang-gerbang logic sebagai redudansi.
− Tidak, fungsi komparasi ada dalam internal masing-masing parameter sehingga mikro-kontroler hanya mengambil logic keluarannya. − Upaya yang dilakukan untuk menjamin
keandalan fungsi relay adalah dengan memasang relay yang berkualitas baik yang memenuhi ”quality Control” misalnya produk ”RS Component”.
