Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa PI/:-angkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
MODIFlKASI MODUL KENDALl SUHUTUNGKU PERLAKUAN PANAS N-41/H
ACHMAD SUNTORO
Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir - BAT AN
ABSTRAK
ISSN 1693-3346
Telah dilakukan modifikasi modul kendali suhu pada sistim tungku perlakuan panas
411H. Modifikasi dilakukan dengan mengganti modul kendali lama menggunakan modul
dengan merek dagang lain namun mempunyai kemampuan operasi yang lebih baik yaitu
mampu untuk 8 program dan tiap program dapat berisi hingga 16 langkah operasi.
Pertimbangan teknis dan langkah operasional dalam penggantian dijelaskan dengan tujuan
sebagaipembelajaran teknis bahwa penggantian suatu modul dapat dilakukan dengan teknik
modifikasi meskipun menggunakan merek dagang yang berbeda. Ketelitian instalasi temasuk
pemilihan bahan yang meyangkut thermocouple menjadi hal yang penting dilakukan untuk
mendapatkan ketelitian yang baik.
Keywords: modifiksasi modul kendali suhu, perpanjangan thermocouple, sistem tungku
ABSTRACT
A modification of a temperature controller module of a heat-treatment system furnace
N-411H has been done. The modification has been conducted by replacing the old module,
using odule of different trade-mark, but having better performance of operation. It can be
used for 8 programs in which each program can be composed of 16 steps of operation.
Technical consideration and operasional steps of modification are discoursed for the sake of
learning technical oriented that any replacement by modification can be accomplished using
module of different trade-mark. Accuration of installation including material selection
related to the thermocouple in use is an important point to be held to have good quality of
measurement.
Keywords: temperature controller modification, thermocouple extension, furnace system
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
I.PENDAHULUAN
ISSN 1693-3346
Tungku perlakuan panas N-4I1H yang berlokasi di PTBN-BA TAN, Gambar I,
adalah sebuah sistem pemanas ruang tertutup yang digunakan untuk percobaan perlakuan
panas bahan struktur dan pendukung hingga suhu maximum 1280°C. Pad a awalnya kendali
suhu tungku tersebut menggunakan modul kendali suhu Logotherm ™ C-19. Oalam
perjalanan operasinya, diakhir tahun 2006, modul kendali suhu tersebut telah rusak
sehingga tidak mampu lagi mengendalikan suhu di dalam tungku. Perbaikan terhadap
modul tersebut sudah diusahakan namun gagal karena modul menggunakan komponen
utama microprocessor yang populer di awal tahun 80an (intel 8085) sehingga tidak
rnungkin lagi diperoleh suku cadangnya. Penggantian dengan modul yang tepat sarna sulit
dilakukan mengingat jenis modul tersebut sudah tidak diproduksi lagi. Oleh karena itu
langkah tepat yang harus dijalankan agar tungku dapat beroperasi kembali ialah dengan
mengganti modul kendali dengan modul lain yang mempunyai kemampuan operasi sarna
atau lebih besar.
Sistimtungku
Gambar 1. Sistem tungku N41 dengan modul kendali suhu lamanya.
Makalah ini berisi informasi teknis penggantian (dengan modifikasi) modul kendali
suhu terse but. Makalah ini diharapkan dapat membantu operator pengguna tungku dan
teknisi perawat tungku dalam melaksanakan tugasnya, terutama jika terjadi gangguan
dalam operasi tungku tersebut. Makalah ini dibuat berdasarkan data ketika proses disain,
instalasi dan pengujian rnodul pengganti dilakukan.
2
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
2. TAT A KERJA
Penggantian modul kendali berlangsung melalui tahapan proses teknis yang diawali
oleh proses pelacakan atau troubleshooting mencari penyebab tidak berfungsinya sistem
tungku. Hasil dari pelacakan menyimpulkan bahwa modul kendali suhu telah rusak.
Tahapan proses teknis berikut ini adalah lanjutan dalam rangka memfungsikan kembali
sistim tungku N-41/H tersebut.
2.1 PERTIMBANGAN TEKNIS
Secara garis besar sistem tungku N-41/H terdiri dari dua bagian. Pertama, sistem
pemanas beserta pengaman pintu tungku. Kedua, sistem kendali temperatur yaitu sebuah
modul kendali temperatur Logotherm ™ C-19. Tekanan di dalam tungku tidak dikendalikan
sehingga akan berubah secara natural mengikuti temperatur dan tekanan udara luar melalui
celah-celah dindingnya yang tidak tertutup rapat. Sehingga memang tidak ada komponen
pengendalian tekanan dalam sistim tungku ini. Oleh karena itu konsentrasi perbaikan
terletak pad a sistim kelistrikan dan kendali suhunya.
~{
Gambar 2. Rangkaian listrik sistem tungku N-41/H dengan modul kendali lama.
Gambar 2 memperlihatkan rangkaian listrik yang menghubungkan modul kendali
dengan sistem pemanas tungku. Rangkaian diperoleh dari circuit tracing, karena dokumen
sistem tungku tidak menyediakan rangkaian tersebut. Dari pelacakan yang dilakukan, tidak
3
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
ada kerusakan pada rangkaian Iistrik tersebut, dan ditemukan modul kendali suhu
Logotherm™ yang rusak. Dari rangkaian listrik tersebut terlihat tidak ada hal khusus yang
dapat diartikan bersifat mencegah penggantian modul kendali suhu menggunakan merek
dagang lain. Penggantian dapat dilakukan asal spesifikasi teknis modul pengganti sesuai.
Dua kelompok spesifikasi teknis yang perlu mendapat perhatian untuk disesuaikan
dalam proses penggantian modul ini, yaitu spesifikasi hardware dan software. Dalam
kegiatan ini, spesifikasi hardware mengacu pada butir-butir gagasan dari Commare dan
Hentges tentang modul kendali suhu[l], dalam hal ini dikembangkan untuk proses
penggantian modul. Spesifikasi software merujuk kepada pola kerja sistim tungku N-41/H
ketika dioperasikan.
Dari pertimbangan teknis tersebut, ditetapkan modul kendali suhu Omron™
E5AK-T digunakan untuk mengganti modul kendali suhu Logotherm™ C-19 yang telah
rusak tersebut.
2.1.1 SPESIFIKASI HARDWARE
Tabell adalah perbandingan spesifikasi teknis hardware dari dua modul kendali suhu
bersangkutan.
Tabel1. Spesifikasi hardware
Spesifikasi LamalLjBarul.1j
Tegangan kerja
AC, 220 VAC, 220VThermocouple
S S
Pengendalian
PID PID
Jenis outputKontak relay, max 5 Amp,Kontak relay, max 5
SPST.Amp, SPST
Interface denganSeven segmen display danSeven segmen display
operatorkeypad. dan keypad.
Sistem komunikasi
- -
PortabilitasBerdiri sendiriTerpasang di kabinet
AccesoriesSaklar powerTidak ada
ON/OFF
4
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rckayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Dari Tabel I tersebut, secara hardware kedua modul telah sesuai, sehingga modul baru
dapat menggantikan modul lama dengan minor modifikasi yakni tambahan saklar
power ON/OFF dan mekanisme dudukan modu\.
2.1.2 SPESIFIKASI SOFTWARE
Pola kerja modul kendali Logotherm ™ C-19 mempunyai fasilitas 9 program atau
pola kerja, dimana tiap program dapat tersusun dari 6 langkah perubahan SUhU[4].Pola
kerja Omron™ E5AK-T mempunyai 8 program dimana tiap program dapat berisi 16
langkah perubahan SUhU[3].
Program 9
Program 1
~'
........ . . . ... . . . .... . .... . .... . ... . . . ... . . . ... . . . ... . . . ... . . . ... . ' ... . ' ......... . . . .· -' ...· ' ..· ' .... . . . ... . . . ... . . . ..' .. ---. , ...: __ : : -: : ... . . . .1-: : : : :.. . . . ... . . . .. . . . ......•• • • • • waktu.. . . . ... . . . .
a. Pola kerja modullama[4].
Gambar 3.
I ProgramS
Program 1
E"" "I : I'· . ' .· . ' .
'" ~, .
i: i : i i· ... - - - .· ..· .· ......· . ' .. ' .: : :: : : : waktu· . " ...
b. Pola kerja modul baru[3].
Pola kerja modul kendalL
-
Gambar 3 memperlihatkan perbedaan spesifikasi software akibat penggantian
modul kendalL Perbedaan ini tidak membawa kerugian dari segi operasional fungsi
tungku, tetapi 1ebih banyak memberi fasilitas lebih dari segi pola periakuan suhu. Dari
pengalaman selama pengoperasian, penggunaan pola/program yang lebih dari satu masih
jarang digunakan sehingga selisih keberadaan fasilitas satu program tidak menjadi
masalah.
5
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
2.2 RANGKAIAN MODUL BARU
ISSN 1693-3346
Rangkaian Iistrik untuk modul baru bertolak dad penyesuaaian fasilitas dan
sambungan ke modul kendali. Gambar 4 adalah rangkaian listrik tersebut.
ermocoup/e (S)
Gambar 4. Rangkaian dengan modul baru.
Ada dua tambahan saklar pada rangkaian modul baru, yaitu saklar P dan K. Saklar
P untuk hidup dan matinya modul kendali (supply listrik), yang disesuaikan dengan
fasilitas keberadan pada modul kendali lama. Saklar K adalah modifikasi untuk perbaikan
unjuk kerja. Ketika modul sedang diberi masukan program (setting program), maka
sebaiknya hubungan dengan filamen pemanas tungku dilepas untuk mencegah
beroperasinya filamen pemanas ketika tungku dalam status setting program. Fasilitas ini
tidak tersedia pada modul kendali lama, tetapi ditambahkan pada sistem kendali baru
dengan saklar K tersebut.
Modul baru memerlukan dudukan mekanik sebagai tambahan
(kabinetlkotaklpanel), karena instalasi modul tersebut harus terpasang pada kotak tersebut
(modul lama tidak perlu kabinetlkotaklpanel).
3. HASIL DAN BAHASAN
Sistem tungku dengan modul kendali baru tersebut telah diujicoba dan berhasil
sesuai dengan kondisi operasi yang diinginkan. Gambar 5.a adalah hasil uji coba tersebut,
6
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
yang menggunakan 16 langkah perubahan suhu. Gambar 5.b (tidak skala) merupakan
sketsa pola yang diinginkan dan dimasukkan sebagai program ke modul kendali suhu.
Sistem tungku telah dapat berfungsi kembali dengan pola perubahan suhu bertambah dari
semula 6 langkah menjadi yang baru 16 langkah.
!1'00'!r"j
a. Hasil perubahan suhu dalam tungku
1t2'3' 4' 516' 7 '8 I 9"10111'12'13' 14"15
b. Pola perubahan suhu yang diinginkan (sketsaprogram yang diberikan ke modul kendalisuhu).
Gambar 5. Uji coba operasi tungku.
Penurunan suhu dalam tungku tidak bisa dilakukan dengan laju penurunan yang
tajam, karena sistem tungku tidak memfasilitasi pemaksaan penurunan suhu. Laju
penurunan suhu akan terjadi secara natural mengikuti time-constant dari tungku. Kondisi
ini harus menjadi perhatian bagi operator tungku jika membuat pola perubahan suhu dalam
tungku. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian untuk menentukan karakteristik batas
kecuraman penurunan suhu yang masih bisa dijalani oleh sistim tungku N-411H ini.
Data numerik dari grafik Gambar 5.a menunjukkan rata-rata perbedaan antara suhu
yang diminta oleh modul kendali dan suhu yang terjadi dalam tungku ketika beroperasi
bemilai dibawah 1%, diluar permintaan penurunan suhu yang curam.
3.1 MODUL KENDALl SUHU BARU
Modul kendali suhu pengganti Omron™ E5AK-T adalah jenis kendali general purpose,
sehingga banyak kemungkinan variasi yang dapat dilakukan oleh modul kendali
terse but dalam pengendalian suhu dalam tungku. Tetapi untuk sistim tungku N
411H ini secara garis besar ditentukan menjadi dua kelompok: program inisialisasi
dan program penggunaan tungku. Program inisialisasi hanya dilakukan satu kali saja
7
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
digunakan untuk penyesuaian rangkaian hardware sistem tungku, seperti menentukan
jenis thermocouple yang terpasang misalnya. Sedangkan program penggunaan tungku
berkaitan dengan pola perubahan suhu dalam tungku yang diinginkan oleh operator dan
dilakukan setiap kali tungku dioperasikan.
Modul kendali ini memiliki 10 mode masukan parameter yang harus disiapkan
ketika modul akan digunakan, tetapi untuk sistem tungku N-411H ini dibuat hanya
memilik 4 mode saja disesuaikan dengan kebutuhan N-411H yaitu: LEVEL_O,PROGRAM,
MANUAL,dan PROTECT- seperti pada Gambar 6.
Q)Manual III
~Program
II
SP
Gambar 6. Penyesuaian fasilitas.
Ketika aliran listrik diberikan pada modul, maka sistim akan berada pad a LEVEL_O.
Untuk tindakan inisialisasi sistim harus berada pada PROTECT, sedangkan untuk
menentukan pola perubahan suhu dalam tungku maka sistim harus berada pada
PROGRAM. Menjalankan isi program harus berada pada LEVEL_O. Perubahan dari satu
mode. ke mode lainnya digunakan keypad. Detail operasional dari penggunaan keypad
dapat dilihat pada manual kendali suhu [3].
3.1.1 PERUBAHAN POLA SUHU
SP
,•... ;
r~~~
SMt perul:ol.l\an diberikan
Langkah N Langkah N + I
Waklu
Sut perubahRn diberikan I
pe~~:: I Lan~kah N I Langkah N + 1
~~~ I LangLah N I LanRkah N + 1 I
: Waktu
a. Perubahan set-point b. Perubahan waktu langkah
Gambar 7. Perubahan pola suhu.
8
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Pola perubahan suhu yang telah diberikan ke modul kendali dapat dirubah secara
on-line, artinya ketika langkah (step) sedang dijalankan dapat dirubah baik setting
temperatur nya ataupun waktu perioda yang harus ditempuh seperti ditunjukkan pada
Gambar 7a dan 7b. Perubahan pola suhu pada Gambar 7 harus dilakukan pada mode
program pada modul kendal i.
3.1.2 KALIBRASI
Kalibrasi suatu perlengkapan harus dilakukan untuk mendapatkan hasil pengukuran
yang akurat. Kalibrasi hakekatnya adalah membandingkan hasH pengukuran
periengkapan yang akan dikalibrasi dengan hasiI ukur dari alat yang telah diketahui
tingkat ketelitiannya. Oleh karena itu hasiI dari suatu kalibrasi akan berbentuk angka
angka perbedaan yang harus ditindak lanjuti. Pengaturan angka pembacaan yang
disesuaikan dengan hasiI kalibrasi pada periengkapan adalah salah satu bentuk tindak
lanjut tersebut.
Modul baru hasiI modifikasi ini mempunyai fasiIitas untuk dapat dilakukan
penggeseran hasiI bacanya seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Dengan teknik
penggeseran ini maka angka perbedaan dari hasil kalibrasi dapat digunakan untuk
merubah hasiI baca modul sehingga sesuai dengan hasil kalibrasi.
Temperatur
Batas atas
Batas bawah
o
------} Perbedaan hasil
kalibrasi suhubawah
! Input (%FS)
100%
Gambar 8. Penggeseran hasil baca.
9
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuldirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Pendekatan penggeseran linier dilakukan untuk memperbaiki nilai baca hasil
kalibrasi. Oleh karena itu minimal dua data kalibrasi diperlukan. Jika lebih dari dua data
kalibrasi yang tersedia, maka pendekatan linierisasi dari data tersebut (curve fitting)
digunakan untuk menentukan dua data, yaitu batas atas dan bawah.
3.1.3 KOMUNIKASI DATA
Modul baru mempunyai fasilitas untuk dapat berkomunikasi melalui saluran
standard RS-232 atau RS-485. Untuk itu diperlukan tambahan kartu elektronik
(electronic card) pada modul. Dengan saluran data komunikasi ini sebuah komputer atau
alat komunikasi data lain dapat dihubungkan untuk memonitor atau sebagai pengendali
master atas modul tersebut. Namun demikian, dalam modul kendali yang terpasang kartu
elektronik tersebut belum dipasang.
3.2 SAMBUNGAN THERMOCOUPLE
Ketika proses penggantian modu\ kendali dilakukan, ditemukan bahwa sambungan
thermocouple antara tungku ke modul kendali lama, lihat Gambar 9 yaitu titik sambung
A ke B, menggunakan kabel tembaga. Padahal thermocouple yang digunakan type S.
Kondisi ini dapat mengurangi ketelitian baca thermocouple.
Kawat lembaga
Vp ~"rQBG000G08
GGGG
Gambar 9. Sambungan thermocuple.
10
Prosiding Pertcmuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Penggunaan logam lain sebagai penyambung thermocouple selain logam yang
sesuai dengan type S akan menimbulkan dua titik sambung A dan B yang akan menjadi
thermocouple baru yang terhubung secara seri dengan thermocouple sesungguhnya. Jika
logam penyambung menggunakan logam yang sesuai dengan type S, yaitu platinum 10%
rhodium - platinum[5J, maka hanya akan terjadi satu titik sam bung B saja.
Akibat titik sambung A dan B tersebut, maka berturut-turut akan menimbulkan
tegangan Vx - V y ; Vp - Vq yang besamya sesuai dengan suhu masing-masing di sekitar
titik A dan B. Setiap modul kendali suhu (yang baik) telah didisain untuk melakukan
koreksi atas munculnya tegangan Vp - Vq dan dikendalikan oleh suhu disekitar titik B[6].
Dengan adanya tegangan tambahan di titik A yaitu Vx - Vy yang tidak diantisipasi oleh
modul kendali, maka menyebabkan bacaan thermocouple terganggu (hasil baca tidak
akurat), terutamajika suhu disekitar A dan B tidak sarna.
Dalam proses penggantian modul kendali ini, kabel penghubung antara A dan B
diganti menggunakan logam perpanjangan thermocouple untuk type S yang dibungkus
logam shielding untuk mencegah noise.
) 4. KESIMPULAN
Sistem tungku perlakuan panas N-41/H yang rusak modul kendali suhunya telah
berhasil diganti menggunakan modul kendali lain, dan sistem tungku saat ini dapat
beroperasi kembali. Kemampuan operasi sistem tungku berubah yang semula mampu
menyimpan pola atau program sebanyak 9 program dengan tiap program berisi 6 langkah
perubahan suhu, diganti dengan jumlah program 8 dimana tiap program dapat berisi 16
langkah perubahan suhu.
Perpanjangan thermocouple memberi andil pada ketelitian baca thermocouple
bersangkutan (kaidah logam antara dalam thermocouple) oleh karena itu harus
menggunakan logam yang sesuai dengan thermocouple terpasang.
I I
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional RekaY'IslI Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
5. UCAP AN TERIMA KASIH
ISSN 1693-3346
Penulis sangat berterima kasih kepada saudara Dedi Haryadi, Djoko Kisworo, dan
Triarjo staf Bidang Bahan Bakar Nuklir, Kelompok Proses Konversi dan Fabrikasi Bahan
Bakar Nuklir - PTBN BAT AN, yang telah membantu dalam proses instalasi modul
kendali suhu tersebut.
6. DAFTAR PUSTAKA
1. Commare D dan Hentges J., Six Steps to Customizing a Temperature Controller.,
Medical Design Technology., Morris Plain: Juli 2005., Vol. 9. pp.I5-I8.
2. Nabertherm., Manual Instruction Heat Treatment Furnace N-411H.
3. OMRON., User Manual E5AK., September 1997.
4. Chaidir A., Prosedur Operasi Tungku Perlakuan Panas., BTBBRD-P2TBDU., Revisi 2.,
Serpong 2001.
5. Earley B., Temperature Sensing with Thermocouples and Resistance Thermometers.,
Labfacility Ltd., Middlesex, 1987.
6. Considine M., Process Instruments and Control Handbook., McGraw-Hili Book C
12
Top Related