Furnace Evaporator dengan Monitoring dan Kontrol berbasis Programmable Logic Control

310

Furnace Evaporator dengan Monitoring dan Kontrol berbasis

Programmable Logic Control

Tossin Alamsyah,.

1

_{,Bagas Aji Rotama}

2

_{, Eri Catur Rahmad}

3

_{, Muhammad Mukhbit}

4

1)_{Pengajar Program Studi Magister Terapan Teknik Elektro , Politeknik Negeri Jakarta}

2,3,4_{) Program Studi D3 Teknik Elektronika , Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Jakarta} e-mail: tossin.alamsyah@elektro.pnj.ac.id

Abstrak

Furnace Evaporator (FE) adalah instrument yang memiliki dua (2) fungsi sebagai furnace dan evaporasi, dalam upaya meningkatkan kapasitas material kedua aktifitas sangat dibutuhkan. Furnace Evaporator pertama kali di patenkan oleh Pierce, James Louis, tahun 1917, menggunakan sumber energi dari gas, digunakan untuk pengolahan bahan alam. Furnace Evaporator (FE) yang dirancang ini menggunakan sumber energi panas (heater) dari listrik, untuk selanjutnya menjadi prototipe FE dengan Temperatur kerja dari 50°C-900˚C, dan pengontrolan panas berbasis Programable Logic Control (PLC). Prototipe FE memiliki dua pintu horisontal dan vertikal, dengan luas ruang bakar sekitar 36 cm3. Hasil pengujian menunjukkan Prototipe Furnice Evaporator (FE) memiliki keakuratan dalam membangkitkan Panas, nilai temperatur pada layar monitor HMI jika dibandingkan dengan alat ukur dengan Thermocouple meter memilki nilai chi square (R2) sebesar 0,995. Pengujian operasi dilakukan pada tiga (3) kondisi yaitu saat tudung Prototipe ditutup (C1) , setengah tertutup(C2) dan terbuka (C3), hasilnya memiliki respon resolusi temperatur yang berbeda yaitu, 2,14 V/s, 1,25 V/s dan 0,83 V/s. Jika ketiga parameter tersebut digabungkan memilki hubungan yang tidak linier dengan nilai chi square (R2) 0.9939 yang artinya berhubungan secara signifikan..

Kata kunci : Furnace, Evaporator, Heater, Programmable Logic Controlled (PLC) Abstract

Furnace Evaporator (FE) is an instrument that has two (2) functions as a furnace and evaporation, in an effort to increase the material capacity of both activities are needed. The Furnace Evaporator was first patented by Pierce, James Louis, in 1917, using an energy source from gas, used for processing natural materials. This designed furnace evaporator (FE) uses a heat energy source (heater) from electricity, which then becomes a prototype FE with a working temperature of 50 ° C-900˚C, and programmable logic control (PLC) based heat control. The FE prototype has two horizontal and vertical doors, with a combustion chamber area of about 36 cm3. The test results show that the Furnice Evaporator Prototype (FE) has accuracy in generating heat, the temperature value on the HMI monitor screen when compared to a measuring instrument with a Thermocouple meter has a chi square value (R2) of 0.995. The operation test was carried out in three (3) conditions, namely when the Prototype hood was closed (C1), half closed (C2) and open (C3), the results had a different temperature resolution response, namely, 2.14 V / s, 1.25 V / s and 0.83 V / s. If the three parameters are combined, they have a non-linear relationship with the chi square value (R2) 0.9939 which means that they are significantly related.

Keywords : Furnace, Evaporator, Heater, Programmable Logic Controlled (PLC)

1. PENDAHULUAN

Furnace adalah sebuah instrumen yang memiliki fungsi memanaskan material / bahan dengan heater sebagai sumber panasnya. Furnace dapat digunakan pada proses sintering dan kalsinasi. Proses Sintering merupakan proses pemanasan material tidak sampai melampaui titik leleh bertujuan untuk memperbaiki struktur kualitas material tersebut. Proses kalsinasi proses pemanasan benda padat tanpa adanya atau hanya dengan sangat

sedikit pasokan udara atau oksigen untuk melakukan dekomposisi termal.

Evaporator adalah instrumen yang berfungsi mengubah sebagian atau keseluruhan sebuah pelarut dari sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap. Evaporator mempunyai dua prinsip dasar, untuk menukar panas dan untuk memisahkan uap yang terbentuk dari cairan. Furnace Evaporator (EF) adalah instrument yang memiliki dua (2) fungsi sebagai furnace material dan

311

evaporasi bahan kimia. Alat ini pertama kali di patenkan oleh Pierce, James Louis, tahun 1917 dengan no Patent No 1,228,240, 1917. Prototipe Furnace Evaporator (FE) ini berbahan bakar gas, bahan bakar secara disuntikan ke dalam kamar di bagian atas untuk membentuk api pusaran di dalamnya. Furnace Evaporator (FE) yang dirancang ini menggunakan sumber energi panas (heater) dari listrik AC. Heater yang digunakan memiliki kapasitas kapasitas 300°C-1200˚C. Alat ini digunakan sebagai pendukung dalam perancangan sensor Gas dengan substrat Si(1-x)Al(x)O3, alat ini berfungsi sebagai furnace untuk proses kalsinasi (furnace) dan evaporator saat proses cairan kimia diuapkan untuk menutupi cover sensor.

Cairan kimia yang dipanaskan akan mengalami penguapan, dan menempel pada substrat sensor tersebut. Prototipe rancangan sensor yang dimaksud dapat ditunjukan pada gambar 1, di bawah ini.

Gambar 1. Prototipe Sensor.

Sensitive layer adalah material kimia sebagai cover sensor yang berfungsi untuk merespon gas yang akan dideteksi. Suhu evaporasi untuk cairan kimia berkisar antara sekitar 90 oC sampai dengan 200 oC, tergantung dari titik didihnya (melting point).[1]

Semakin tinggi temperatur pemanasan dengan waktu coating yang lama menyebabkan ketebalan lapisan pada sensitive layer (cover sensor) akan semakin tebal. Pengaturan ketebalan coating dapat diatur berdasarkan waktu dan kecepatan putar jika material tersebut ditempatkan pada dudukan putar. Hasil kajian [2] dengan material SnO sebagai sampel menunjukan bahwa pada temperatur pemanasan 100 °C – 200 °C pada kecepatan putar 1500 rpm , ketebalan coating yang menempel pada subastrat berkisar 83.8 sampai 80.9 nm. Semakin tinggi temperatur Annealing maka indeks bias lapisan tipis semakin rendah yaitu pada temperatur pemanasan 100°C memiliki indeks bias semakin tinggi. Bentuk tiga (3) dimensi dari prototipe Furnace Evaporator (FE) yang telah dirancang dapat ditunjukkan pada Gambar 2. Terdapat lubang diatasnya itu dimaksud untuk mengatur udara pada ruang bakar didalammnya.

Kondisi C1 saat lubang tersebut ditutup, sehingga ruang bakar tidak bersinggungan dengan udara luar.

Kondisi C2 ketika hanya diberikan celah kecil, sehingga ruang bakar bersisinggungan dengan udara dan kondisi C3 , lubang tidak ditutup artinnya ruang pembakaran bersinggungan dengan udara luar.

Gambar 2. Photo Furnace Evaporator (FE)

Gambar 2 menunjukkan photo Furnace Evaporator (FE), rangka terbuat dari besi baja dengan lapisan dinding dari kalsit , bata tahan api. Diatasnya berlubang dimaksudkan untuk mengatur udara saat dioperasikan atau juga dibutuhkan saat pendinginan. Dimensi fisik 41 cm x 41 cm x 75 cm dengan volume ruang adalah 36 cm3 _{(30 cm x 30 cm x 40 cm), berat keseluruhan sekitar} 12,5 Kg.

Alat ini memiliki beberapa komponen kelistrikan antara lain , Tabel 1.

Nama Alat Spesifikasi

PLC Modicon

TM221CE16R 16 digital I/O, 2 analog input

1 Serial port, 1 Ethernet port

220-250 VAC power supply, 24 VDC out

Heater 1500 WATT

Solid State Relay 5A

MCB 16 A

Transmitter

Termokopel 0-16 V Range temperature -100–

1000 C

312

1.1 PLC Modicon TM221CE16R

Programable Logic Controlled (PLC) yang digunakan pada alat ini adalah Modicon M221 merupakan salah satu produk yang dikeluarkan oleh Schneider Electric. PLC M221 ini dapat deprogram menggunakan software yang disediakan secara gratis oleh Schneider Electric yaitu Somachine Basic.

PLC M221 memiliki 16 Digital I/O yaitu 9 input dan 7 output dan juga 2 Analog input, dengan catu daya 100-240 Vac, memiliki port ethernet dan juga beberapa indikator LED. Gambar 3 di bawah ini menunjukkan bentuk fisik dari PLC TM221CE16R.

PLC ini menggunakan software SoMachine Basic yaitu

perangkat lunak PLC yang digunakan untuk mengkonfigurasi, mengkomunikasikan seluruh alat yang tersambung dalarn perangkat tersebut termasuk sistim Human Machine Interface (HMI) dan jaringan yang terkait dengan fungsi otomatisasi.

Gambar 3. PLC TM221CE16R.

1.2 HMI dan SCADA.

Vijeo Citect adalah salah satu software yang digunakan dalam pembuatan, pemrograman, dan pengaplikasian software SCADA. Vijeo Citect dapat diaplikasikan untuk menangani berbagai macam kasus di industri seperti pengolahan air limbah, produksi makanan dan minuman, pertambangan, perakitan mobil,

metal casting, transportasi, aerospace, sistem

pertahanan, keamanan, dll.

Software Vijeo Citect terdiri dari empat aplikasi utama, yaitu Vijeo Citect Explorer, Vijeo Citect Project Editor,

Vijeo Citect Graphic Builder, dan Vijeo Citect Runtime.

1) Vijeo Citect Explorer adalah aplikasi yang

berada di tingkat teratas dari aplikasi-aplikasi Vijeo Citect yang berfungsi dalam pembuatan program dan konfigurasi sistem. Pada gambar 2.4 merupakan tampilan Vijeo Citect Explorer yangdigunakan untuk:

a) Menjalankan dan menghentikan Citect Project

Editor dan Citect Graphics Builder. b) Memilih dan mengatur Project

c) Membuat project, menghapus, backup dan

restore project

d) Menjalankan aplikasi lainnya, seperti Cicode Editor.

e) Menjelajah dan mengakses komponen-komponen

dari software SCADA yang sedang dikerjakan. 2) Konfigurasi Software Vijeo Citect

Sebelum membuat tampilan/layout pada

software Citect, diperlukan pengaturan atau inisialisasi project yang akan dibuat. Hal-hal yang harus diatur yaitu cluster dan server, parameter komunikasi, variable tags, trend tags, IO devices, alarms, role dan user. Semua pengaturan tersebut dilakukan menggunakan software Vijeo Citect Project Editor. Namun untuk Vijeo Citect Versi 7.5, parameter yang harus dikonfigurasi hanya IO Device. Parameter yang lain sudah dikonfigurasi (default dari Citect). Namun, jika menggunakan sistem network Client dan server maka perlu dikonfigurasi ulang.

2. METODE PENELITIAN

Penelitian terapan ini menggunakan metode eksperimental, merancang dan membangun sehingga menghasilkan suatu prototipe. Tingkat Kesiapan Teknologi ada pada level 5 dan 6 yaitu

Validasi kode, komponen dan atau kumpulan komponen dalam lingkungan yang relevan dan Demonstrasi Model atau Prototipe Sistem/ Subsistem dalam lingkungan yang relevan

Perencanaan dan perancangan dilakukan di Laboratorium Teknik Elektro Politeknik Negeri Jakarta dan beberapa pekerrjaan mekanik dilaksanakan di Bengkel Mekanik Swasta yang ada disekitar Depok. Beberapa bahan yang dibutuhkan sebagai berikut;

a) Komponen Input;

Sensor dan Transmiter Termocouple, Berapa push button saklar

b) Komponen Output;

Heater dan beberapa Kontak Relay Beberapa Lapmpu Indikator.

c) Komponen Kontrol,

PLC Modicon TM221CE16R Dengan spesifikasi

16 digital I/O, 2 analog input 1 Serial port, 1 Ethernet port

220-250 VAC power supply, 24 VDC out

3. HASIL dan PEMBAHASAN

Hasil Pembacaan sensor termokopel dari ruang bakar FE dikirim ke transmitter untuk dikuatkan tegangannya sebagai input dari PLC (programmable Logic Controlled). Untuk selanjutna data ini akan di ubah sifatnya oleh PLC menjadi besaran BCD dan diolah oleh program PLC untuk mengontrol Aktuator (Heater), melalui Solid State Relay (SSR).

Sistem kontrol dan monitoring menggunakan melalui HMI/SCADA dengan software Vijeo Citect Project

313

Editor. Hubungan dari Modul FE ke Laftop sebagai monitor menggunakan dari dari PLC yang menggunakan komunikasi TCP/IP, yang dihubungkan dengan kabel Ethernet.

Beberapa pengujian yang dilakukan adalah

a) Pengukuran Termocouple prototipe EF dan Tampilan dalam Monitor.

Untuk melakukan pengukuran perlu disiapkan thermocouple yang ini yang telah ditambakan meter untuk mengukur temperatur, dalam ruang bakar Prototipe EF. Kemudian hasilnya bandingkan dengan pembacaan pada HMI, yang ditampilkan pada laftop/PC.

Hasilnya dapat ditunjukan pada diagram yang ditunjukkan oleh Gambar 4 , berikut.

Dari gambar tersebut pembacaan pada HMI /Scada hampir sama dengan pembacaan dengan temperatur meter yang menggunakan thermocopule.

Gambar 4 Pengukuran Temperatur

Uji Chi Square (R2_{) berguna untuk menguji hubungan} atau pengaruh dua buah variabel nominal dan mengukur kuatnya hubungan antara variabel yang satu dengan variabel nominal lainnya (C = Coefisien of contingency). Dari penjelasan dan nilai R2 _sebesar 0,9995 menunjukkan bahwa, Temperatur yang dihasilkan oleh Prototipe EF ini dapat dinyatakan akurat dan dapat dipercaya.

b) Pengujian Responsif Prototipe EF. Pengujian ini ada tiga (3) pola yaitu ;

Pengujian pertama saat tudung prototipe EF ditutup pengujian ini dimaksudkan agar ruang bakar tidak

bersentuhan dengan udara, kondisi ini Prototipe EF digunakan sebagai Furnace untuk aktifitas Kalsinasi. Kondisi kedua dan ketiga adalah saat tudung dibuka setengah dan dibuka penuh.

Temperatur pada EF disetting pada Temperatur bawah

345o_{C dan batas temperatur atas 360oC. Respon}

Temperatur Prototipe akan bekerja diantara temperatur tersebut. Kemudian pada kondisi diamati respon Temperatur terhadap pertambahan waktu (dalam second) yaitu ∆𝑉𝑉/∆𝑡𝑡 , pada saat keadaan tudung tertutup, setengah dibuka dan dibuka. Gambar 5 , menunjukkan kinerja EF untuk ketiga kondisi tersebut.

Gambar 5. Respon Temperatur EF untuk ketiga kondisi

Diagram diatas menunjukan perbandingan respon kinerja saat tudung tertutup (C1) , setengah tertutup(C2) dan terbuka (C3).

Respon Temperatur EF saat tudungnya di tutup (C1), dengan demikian pada ruang bakar tidak bersentuhan dengan udara luar,

S atau Resolusi dapat dinyatakan (R1) 𝑅𝑅1 =∆𝑉𝑉_∆𝑡𝑡 = 15_{7 = 2,14} 𝑉𝑉/𝑠𝑠

Kemudian untuk Respon Tempeartur saat tudung di buka setengahnya (C2) memiliki Resolusi atau respon temepratur (R2) sebesar ;

𝑅𝑅2 =∆𝑉𝑉_∆𝑡𝑡 = 15_{12 = 1,25} 𝑉𝑉/𝑠𝑠

Kemudian untuk Respon Tempeartur saat tudung di buka seluruhnya (C3) memiliki Resolusi atau respon temepratur (R3) sebesar ;

y = 25,003x

R² = 0,9995

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 -5 0 5 10 15 20 25 30 T e mp e ra tu r ( o C )

Jumlah Pengukuran

Pengukuran Temperatur

Temperatur di SCADA (°C)

Pengukuran Real pada Termocouple (°C) Linear (Pengukuran Real pada Termocouple (°C))

335 340 345 350 355 360 365 370 0 5 10 15 20 25 30 35 Te m pe ra tur S e tti ng

Waktu (Second)

Respon Temperatur

Batas Atas Batas Bawah

Tudung Tertutup Tudung setengah Tertutup Tudung dibuka

314

𝑅𝑅3 =∆𝑉𝑉_∆𝑡𝑡 = 15_{18 = 0,83} 𝑉𝑉/𝑠𝑠

Gambar 6 menunjukkan diagram dari nilai Resolusi Tempertaur untuk ketiga kondisi , jika ketiga kondisi tersebut dihubungkan satu sama lainnya maka memiliki hubungan yang tidak linier dengan nilai chi square (R2₎ sebesar 0,9939

Gambar 6. Resolusi Temperatur.

4. KESIMPULAN

Dari hasil pembahasan dapat disimpulkan bahwa ; Prototipe Furnice Evaporator (FE) yang dirancang memiliki keakuratan dalam membangkitkan Panas, tampilan nilai temperatur pada layar monitor HMI (laftpo) jika dibandingkan dengan alat ukur dengan Thermocouple meter dengan nilai chi square (R2₎

sebesar 0,995 . Pengujian dilakukan pada tiga (3) kondisi yaitu saat tudung Prototipe ditutup (C1) , setengah tertutup(C2) dan terbuka (C3). Ketiga memiliki respon resolusi temperatur yang berbeda yaitu, 2,14 V/s, 1,25 V/s dan 0,83 V/s. Jika ketiga pararameter Respon Resolusi Temperatur dihabungkan maka ketignaya memilki hubungan yang tidak linier dengan nilai chi square (R2_{) 0.9939 yang artinya}

memliki hubungan yang signifikan.

UCAPAN TERIMAKASIH

Diucapkan terima kasih kepada Direktur DRPM Kemenristek Dikti, yang telah memberi hibah Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi (PUPT) ini selama tiga (3) tahun yang dimulai tahun 2019 sebagai tahun ke-1. DAFTAR PUSTAKA

[1.] Woolley, W. J. (1951). U.S. Patent No. 2,557,042. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.

[2.] Qina Sun a , Jun Hu a , Jianlong Wang a,b,*,

2014 “Optimization of composite admixtures used in cementation formula for radioactive evaporator concentrates.” a Laboratory of Environmental Technology, INET, Tsinghua University, Beijing 100084, China b Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety, Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China. journal homepage: www.elsevier.com/locate/pnucene

[3.] Jong-Soo Leea , et all , 2003, “ZnO

nanomaterials synthesized from thermal evaporation of ball-milled ZnO powders” a Department of Electrical Engineering, Korea University, Seoul 136-701, South Korea bSeoul Branch, Korea Basic Science Institute, Korea University Campus, Seoul 136-701, South Korea c Department of Electronics Engineering, Korea University, Seoul 136-701, South Korea dRadioisotope and Radiation Application Research Team, Korea Atomic Energy Research Institute, Taegeon 305-353, South Korea, Journal of Crystal Growth 254 (2003) 423–431 [4.] Grassi, E., & Tsakalis, K. (2000). PID controller

tuning by frequency loop-shaping: application to diffusion furnace temperature control. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 8(5), 842-847.

[5.] Y V Pavan Kumar, Arvapalli Rajesh, Sadhu

Yugandhar, Viswaraju Srikanth, 2013” Cascaded PID Controller Design for Heating Furnace Temperature Control”, IOSR Journal of Electronics and Communication Engineering (IOSR-JECE) e-ISSN: 2278-2834,p- ISSN: 2278-8735.Volume 5, Issue 3 (Mar. - Apr. 2013), PP 76-83 www.iosrjournals.org

[6.] Zenghuan Liu Likong L, Lu Wen Guangxiang

He, 2009” Analysis of Heating Furnace Temperature Control System Based on Expert Fuzzy Control”, 2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation

[7.] Wiranto, G., Idayanti, N., Tayubi, Y. R., & Batara, D. S. (2016). Design and Fabrication of Low Cost Thick Film pH Sensor using Silver Chlorinated Reference Electrodes with Integrated Temperature Sensor. In MATEC Web

of Conferences (Vol. 40, p. 01001). EDP

Sciences.

[8.] Widodo, S., & Wiranto, G. (2015). Perancangan Dan Pembuatan Divais Sensor Gas Co Berbasis Indium Timah Oksida (Ito) Dengan Teknologi Lapisan Tipis. Jurnal Kimia Terapan Indonesia (Indonesian Journal of Applied Chemistry), 17(1), 39-47.

[9.] Zola, M., Cahyadi, L., & Alamsyah, A. T. (2018). Cooler Box Dengan Thermoelectric

y = 3,3636e

-0,474x

R² = 0,9939

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0

1

2

3

4

N ilai R e s o lu s i

Resolusi

Resolusi Temperatur

C2

C3

C1

315

Cooler Dengan Monitoring Suhu Berbasis Labview Dan Iot. Jurnal Poli-Teknologi, 17(2).

[10.] Yulianto, T., Alamsyah, T., & Rusadi, B. (2018). Design of Batch System Investigation Software based on Visual Studio. ISSN 2302-786X, 77.

[11.] Nugraha Heri. 2016. Perancangan Sistem

Monitoring Temperatur Furnace Skala Laboratorium Berbasis Komputer. Pusat penelitian Metalurgi-LIPI, Kawasan Puspitek Gd. 470 Serpong, Tanggerang 15314 Indonesia.

https://www.researchgate.net/publica tion/269098450. [29-6-2019 : 20:00 WIB]

[12.] Rais Muhammad. (2015, Augst 2).

Perencanaan dan Pembuatan Tungku Heat

Treatment. Universitas Islam 45 Bekasi.

https://ejournal.unismabekasi.ac.id/ [25-6-2019 : 21:00 WIB] [13.] Schneider-electric.com.Technical Datasheet TM221CE16Rhttps://www.schneider-electric.com/en/product-range/62128- logic-controller---modicon-m221/

[14.] Susprastiyo Haris,dkk. 2017. Pembuatan

Electric Furnace Berbasis Microkontroler.

Universitas Muhammadiyah Sidoarjo. https://ojs.umsida.ac.id/index.php/re m [15-6-2019 : 20:00 WIB]

[15.] Tossin Alamsyah, dkk, 2019 “ Ekstraksi

Material Hasil Pertambangan Lokal khususnya pasir silikat (sillicond sand) sebagai material subtrat pada Sensor Gas dan Turunannya” Laporan Penelitian PUPT Tahun Pertama P3M Politeknik Negeri Jakarta.