Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 21 -
PEREKAYASAAN SISTEM KESELAMATAN PADA INSTRUMENTASI DANKENDALI REAKTOR NUKLIR
Djoko Hari Nugroho, Demon Handoyo, Khairul Handono, dan Joko Triyanto
PRPN – BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310
ABSTRAK
PEREKAYASAAN SISTEM KESELAMATAN PADA INSTRUMENTASI DANKENDALI REAKTOR NUKLIR. Kegiatan ini merupakan perekayasaan multi years (2010 -2014) dengan tujuan agar diperolehnya kemampuan sumber daya manusia daninfrastruktur dalam melakukan perekayasaan dan inovasi sistem instrumentasi kendalireaktor nuklir. Pada tahun anggaran 2013 dilakukan Perekayasan Sistem Instrumentasikendali Reaktor Nuklir pada tingkat sistem keselamatan yang diterapkan pada modelreaktor. Keluaran kegiatan adalah diperolehnya model sistem instrumentasi dan kendaliserta Human Machine Interface reaktor nuklir tingkat sistem keselamatan danimplementasinya pada model sistem reaktor. Metodologi yang dipergunakan adalahmelakukan pemodelan dan pengujian performansi sistem. Perekayasaan sisteminstrumentasi dan kendali pada reaktor nuklir direpresentasikan pada simulator numerikberbasiskan NI PXI elektronik simulator elektromekanik batang kendali, remote monitoringberbasiskan PLC LG, dan user interface berbasiskan InfoU. Sesuai target, maka padapelaporan tahap ini telah dilakukan pemasangan perangkat keras`dan perangkat lunakserta sebagian pengujian sistem. Ditargetkan pada akhir .tahun anggaran 2013 telahdapat diperoleh model prototip sistem.
Kata Kunci: perekayasaan, instrumentasi dan kendali, reaktor nuklir, sistem keselamatan,remote monitoring, PLC.
ABSTRACT
SAFETY SYSTEMS ENGINEERING DESIGN ON INSTRUMENTATION ANDCONTROL OF NUCLEAR REACTOR . This activity is a multi-year engineering (2010 -2014) with the aim of obtaining the human resource capacity and infrastructure inperforming engineering and innovation of nuclear reactors instrumentation and controlsystem. In 2013 fiscal year, engineering design of Nuclear Reactor Instrumentation andControl System on the safety level is implemented to reactor model. Output of this activityis to obtain the Nuclear Reactor Instrumentation and Control System engineering designas well as the Human Machine Interface on the safety systems level and theimplementation on the model of the nuclear reactor system. The methodology used in thisactivity is to perform system modeling and performance testing. Instrumentation andControl System engineering in nuclear reactor is represented on the NI PXI -basednumerical simulator, control rod electromechanical simulator, LG PLC-based remotemonitoring, and InfoU-based user interface. Hardware and software setup, and somesystem testing has been carried out at this stage of report. Hope that a prototype model ofthe system will be obtained at the end of 2013 fiscal year.
Keywords: design engineering, instrumentation and control, nuclear reactor, safety system,remote monitoring, PLC.
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 22 -
1. PENDAHULUAN
Dalam rangka program energi BATAN yang bertujuan untuk mendukung program
pembangunan PLTN di Indonesia, maka diperlukan penguasaan akan desain reaktor riset
dan reaktor daya yang didukung oleh SDM yang berkualitas. Tujuan dasar pengoperasian
pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) adalah memproduksi listrik pada kondisi ekonomik
optimal dengan penekanan utama pada jaminan keselamatan terhadap publik, pekerja
dan lingkungan.
Sesuai perkembangan teknologi, maka instrumentasi dan kendali digital telah
dikembangkan untuk meningkatkan otomatisasi dan fault tolerance untuk meningkatkan
ketersediaan (availability), mengurangi resiko kecelakaan, dan menurunkan ongkos
operasi. Keunggulan ini direpresentasikan pada pengembangan instrumentasi, kontrol,
manajemen informasi, dan sistem pengambilan keputusan yang menggunakan dan
mengadaptasi kemajuan teknologi instrumentasi dan kontrol digital, komunikasi, dan
teknologi antarmuka manusia-mesin termasuk peralatan analisis mikro dan “smart” sensor,
validasi signal on-line, dan sistem pengawasan (monitoring).
Di pihak lain usia instrumentasi dan kendali reaktor milik BATAN yang sudah
semakin tua dan dan mempertimbangkan pasokan pasar instrumentasi dan kendali nuklir
yang semakin mahal, maka diperlukan kemampuan mandiri untuk melakukan
pengelolaan, perawatan, inovasi dan perekayasaan terkait instrumentasi dan kendali
nuklir di BATAN. Untuk mencapai penguasaan desain dan menghasilkan inovasi terkait
instrumentasi dan kendali reaktor riset diperlukan SDM yang handal dan
perangkat/fasilitas laboratorium pendukung, terutama fasilitas eksperimen instrumentasi
dan digital untuk sistem reaktor nuklir. Agar diperoleh SDM yang handal maka diperlukan
sertifikasi personil dan pemahaman akan standar nasional serta internasional.
Tujuan kegiatan adalah agar diperolehnya kemampuan sumber daya manusia
dalam melakukan perekayasaan dan inovasi sistem instrumentasi kendali dengan konsep
Computer Integrated System pada level supervisory untuk reaktor nuklir. Sasaran Akhir
Kegiatan adalah diperolehnya paket teknologi sistem instrumentasi dan kendali serta
Human Machine Interface reaktor nuklir tingkat Management Information System yang
dapat mendukung litbangyasa BATAN dan memenuhi kebutuhan kalangan industri. Pada
tahun kegiatan 2010 telah dapat diselesaikan perekayasaan sistem instrumentasi dan
kendali yang diimplementasikan untuk simulator mekanik batang kendali. Sasaran
Kegiatan Tahun 2011 adalah meningkatkan penguasaan dan hasil pengembangan
teknologi perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir pada tingkat local
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 23 -
controller. Pada tahun anggaran 2012 dapat diperoleh teknologi perekayasaan sistem
instrumentasi dan kendali reaktor nuklir pada tingkat supervisory control [1]. Sedangkan
sasaran pada tahun anggaran 2013 diharapkan akan dapat diperoleh teknologi
perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir pada tingkat sistem
keselamatan [2].
2. TEORI
Instrumentasi merupakan pengetahuan dalam penerapan alat ukur dan sistem
pengendalian pada suatu sistem dengan menggunakan harga numerik variabel besaran
proses dan dengan tujuan agar parameter berada dalam batas daerah tertentu atau
mencapai tujuan kinerja yang diinginkan.
Pencegahan terhadap operasi abnormal dan kegagalan sistem dapat dilakukan
dengan (a) menggunakan instrumentasi dan pengendalian yang terkait dengan
keselamatan atau sering disebut sebagai safety related instrumentation and control (I&C)
dan (b) memastikan keandalan integritas struktur, komponen dan sistem dari pengaruh
operasi reaktor. Safety related I&C merupakan bagian dari sistem keselamatan yang
menggunakan sistem instrumentasi dan pengendalian pada saat terjadi malfunction atau
kegagalan yang dapat mengakibatkan paparan radiasi pada personil instalasi ataupun
masyarakat luas. Safety related I&C meliputi semua alokasi sensor sampai sistem
mekanik perangkat penggeraknya, antarmuka operator, dan peralatan pendukungnya.
Termasuk di dalam sistem ini adalah sistem pengendalian reaktor, I&C dalam ruang
kendali utama, sistem untuk memonitor dan mengendalikan pendinginan reaktor,
monitoring radiasi, perangkat komunikasi, serta perangkat pendukung lain. Fungsi penting
instrumentasi dan pengendalian adalah untuk memastikan keselamatan dan efisiensi
operasi suatu reaktor nuklir.
Terdapat berbagai jenis sistem monitoring dan pengendalian di dalam reaktor riset
maupun pembangkit daya nuklir seperti PWR. Sistem tersebut memiliki fungsi utama
untuk menunjukkan status instalasi dan informasi proses. Sinyal tersebut merupakan
masukan untuk sistem kendali, anunsiasi status dan aktivasi sistem yang penting untuk
keselamatan dan sistem yang lain.
Pada gambar 1 dapat dilihat bahwa sistem instrumentasi dan kendali pada reaktor
nuklir mengelola input-output ke dan dari reaktor yang bertujuan untuk dapat menjamin
proses dalam reaktor dapat memberikan kinerja seperti yang diinginkan dan memiliki
tingkat keselamatan sesuai yang diharapkan. Untuk mendukung penguasaan teknologi
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 24 -
instrumentasi dan kendali pada reaktor nuklir secara integratif, maka pada kegiatan
perekayasaan instrumentasi dan kendali pada reaktor riset dibangun jaringan. sistem
digital ke reaktor nuklir bertujuan untuk membuat sistem lebih efisien dengan performansi
yang lebih tinggi.
Gambar 1. Lingkup Sistem Keselamatan pada Sistem Instrumentasi danKendali Reaktor Nuklir [3]
3. METODOLOGI
3.1. Konsep Perancangan
Metodologi yang dipergunakan adalah melakukan perekayasaan sistem
instrumentasi dan kendali reaktor riset dan daya dibagi dalam beberapa tahap yaitu
melakukan (a) simulasi numerik dan (b) rancang bangun simulasi elektromekanik. Untuk
rancang bangun akan dibagi dalam beberapa tahap yaitu melakukan (a) desain, (b)
konstruksi, dan (c) pengujian untuk sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir
Dalam kegiatan ini akan dilakukan desain dan konstruksi fasilitas eksperimental
terkait implementasi sistem keselamatan digital yang akan mengintegrasikan smart I/O ke
dalam remote terminal unit yang direpresentasikan ke dalam jaringan komputer DCS.
Implementasi sistem digital dan jaringan ke reaktor nuklir bertujuan untuk membuat
sistem lebih efisien dengan performansi yang lebih tinggi. Untuk tahun-tahun mendatang,
ke dalam sistem akan diintegrasikan sistem kontrol dan sistem keselamatan serta
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 25 -
management information system. Fasilitas ini merupakan tahap awal dari langkah
penguasaan sistem keselamatan pada reaktor nuklir.
Ruang lingkup kegiatan secara garis besar adalah melakukan beberapa tahap yaitu
melakukan (a) desain, (b) konstruksi, dan (c) pengujian untuk sistem instrumentasi dan
kendali reaktor nuklir. Analisis sistem monitoring dan pengendalian secara digital pada
reaktor nuklir dilakukan dengan cara menganalisis (a) jenis-jenis transduser, prinsip
pengukuran dan metode yang dipergunakan, (b) transformasi pengkondisian sinyal dan
transmisinya untuk memastikan tidak adanya kesalahan dalam antarmuka dengan unit
lain. Modul prototip yang sudah dibuat melalui perekayasan dan inovasi kemudian diuji
dalam laboratorium dan hasilnya dianalisis untuk memperbaiki performansi modul prototip
tersebut.
Desain umum Level ketiga tahun kegiatan 2013 adalah safety system yang
diaktualisasikan dalam instrumentasi sistem keselamatan yang terdiri dari [2]:
- Sistem Proteksi Reaktor (SPR),
- Sistem Pancung Reaktor (RTS),
- Sistem Ragam Keselamatan Teknis (ESFS),
- termasuk sensor-sensor proses, modul pengkodisi sinyal logika penalarannya dan
sebagainya.
Fitur yang dibangun pada Sistem Proteksi Reaktor mengikuti persyaratan:
- Redundancy
- Diversity
- Sensor mendeteksi kondisi abnormal
- Peralatan menggunakan pre-set statik/variabel
- Rangkaian mengamati koinsidensi dari beberapa kanal
Parameter untuk setting point trip sistem proteksi reaktor antara lain :
- Kerapatan fluks neutron di dalam teras reaktor
- Laju dosis-g (Aktivitas N-16) pada sistem pendingin primer
- Laju dosis-g pada sistem ventilasi kolam reaktor
- Laju alir/debit sistem pendingin primer
- Ketinggian permukaan air kolam reaktor
- Posisi katup isolasi sistem primer
- Pemantauan posisi tertutup katup sirkulasi alam
- Suhu pada keluaran penukar panas
- Tegangan pada bus-bar sistem catu daya darurat
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 26 -
Penentuan setting point sistem proteksi reaktor didasarkan pada Safety Series no
50-SG-03 [3]. Setting point ini dipergunakan untuk mengantisipasi (a) delay response dari
perangkat sistem aktuasi keamanan terhadap fungsi transfer sistem dan (b) puncak dari
load transient kurva 3. Tujuan desain adalah kurva 3 seperti tampak pada Gambar 4 tidak
tercapai.
Gambar 4. Penentuan setting point sistem trip [3]
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 27 -
Saling Kunci (Interlock)Pengoperasian reaktor (1 dari 2) dicegah oleh fasilitas saling kunci dengan cara
memancung reaktor, jika :
- rapat fluks minimum dalam jangkauan start-up tidak terpenuhi dan jika rapat fluks
neutron dalam jangkauan menengah dan juga jangkauan daya tidak terpenuhi
secara simultan
- jumlah rata-rata pulsa dalam jangkauan start-up terlampau tinggi dan jika rapat
fluks neutron minimum dalam jangkauan menengah tidak terpenuhi secara
simultan
- katup/sirip sirkulasi alam tidak tertutup
Secara terintegrasi, desain Sistem Proteksi Reaktor (Reactor Protection System)
dan ESFAS dapat dilihat pada Gambar 3. Pada gambar tampak bahwa informasi dari
sensor akan menjadi referensi bagi sistem pengendalian, Sistem Proteksi Reaktor
maupun ESFAS untuk melakukan aksi untuk mempertahankan tingkat daya yang telah
ditetapkan atau mematikan reaktor melalui sistem trip bila ternyata abnormalitas
diperkirakan akan mengakibatkan kerusakan. Desain sistem proteksi reaktor mengikuti
prinsip redundansi dan diversifikasi. Pada gambar 3 tampak bahwa Sistem Proteksi
reaktor menggunakan diversifikasi pada RPS primer dan sekunder serta menggunakan
redundansi 2-out-of-4.
Gambar 3. Konsep sistem proteksi reaktor dan ESFAS [5]
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 28 -
Prinsip redundansi pada Sistem Proteksi Reaktor ditunjukkan pada 4 kanal seperti
terlihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Redundansi pada Sistem Proteksi Reaktor [6]
Sistem Ragam Keselamatan Teknis (ESFAS) terdiri dari:
- Isolasi gedung
- Isolasi sistem primer
- Sistem tekanan rendah
- Isolasi sistem bantu kolam reaktor
- Pengoperasian diesel darurat
- Sistem pendingin kolam reaktor ON/OFF
3.2. Perancangan Perangkat Keras
Untuk dapat mensimulasikan proses yang dikendalikan oleh sistem instrumentasi
dan kendali maka dibuat perangkat simulasi elektronik dengan blok diagram seperti
tampak pada Gambar 5. Pada gambar tampak bahwa sistem direpresentasikan dalam
model reaktor numerik yang akan menerima masukan dari luar dengan menggunakan
data logging. Pada Gambar 6 dapat dilihat arsitektural perangkat keras konfigurasi
monitoring sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir yang terdiri dari 2 unit PLC
XGR Redundant, I unit PLC Siemens Simatic S7, 2 unit station untuk process control
monitoring dan management information. Unit PLC dan HMI monitoring dihubungkan oleh
EtherNet.
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 29 -
Gambar 5. Blok Diagram Konfigurasi Simulasi Sistem Instrumentasi dan Kendali Reaktor
Gambar 6. Arsitektural perangkat keras konfigurasi monitoring sistem instrumentasi dankendali reaktor nuklir
Konfigurasi perancangan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir level
sistem keselamatan dapat dilihat pada Gambar 7. Pada gambar tampak bahwa model
simulasi numerik plant reaktor nuklir diimplementasikan ke dalam perangkat NI PXI,
dimana perubahan parameter internal dilakukan pengendalian secara inheren sedangkan
bila terjadi perubahan parameter secara eksternal maka parameter akan dikendalikan
oleh PLC LG sebagai kontroler. Termasuk di antaranya jika terdapat nilai parameter plant
model di atas level setting point Sistem Proteksi Reaktor maka sistem trip yang ada pada
PLC LG akan memberikan respon scram yaitu mematikan reaktor. Secara bersamaan,
sinyal trip ini juga akan diberikan ke simulator elektromekanik batang kendali yang akan
Kontroler
Test System
Data Logging/Analysis
ModelNumerikReaktorNuklir
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 30 -
menjatuhkan batang kendali. Pengaturan parameter secara remote maupun monitoring
dapat dilakukan pada Computer Supervisor dengan menggunakan user interface
berbasiskan InfoU.
Gambar 7. Konfigurasi Sistem Keselamatan
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Konfigurasi Keseluruhan
Konfigurasi terpasang sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir level sistem
keselamatan dapat dilihat pada Gambar 8. Konfigurasi safety system dapat dilihat pada
Gambar 12. Pada gambar tampak bahwa model simulasi dibangun pada modul NI-PXI,
dimana dimungkinkan untuk memasuk sinyal I/O melalui connector block. PLC LG
bertindak sebagai kontroler yang akan mengendalikan proses di dalam model reaktor
nuklir. Sedangkan dari komputer supervisor akan dapat diberikan perintah ke kontroler
atau perubahan algoritma kontroler. Dari komputer supervisor akan dapat pula dilihat
ekskursi parameter proses yang terjadi dalam model reaktor.
batang kendali
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 31 -
4.2. Perangkat Keras
Pada tahun anggaran 2013 ini telah dilakukan pengadaan PLC untuk membentuk
konfigurasi 1-out-of-2 yang mensimulasikan redundansi sistem. Konfigurasi redundansi
dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 8. Konfigurasi Perangkat Keras Terpasang
Gambar 9. Konfigurasi Redundasi 1-out-of-2 PLC LG
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 32 -
4.3. Perangkat Lunak
Pemodelan sistem proteksi reaktor dilakukan pada NI-PXI dengan menggunakan
pemrograman berdasarkan Simulink seperti tampak pada gambar 10. Sedangkan
pemrograman sistem trip pada PLC LG dapat dilihat pada Gambar 11.
1Reactor Trip
1
Trip
SR High
PR High
OR
LogicalOperator
IR High
0
Don't Trip
3PXC_PR_1
2PXC_IR_1
1PXC_SR_1
Gambar 10. Pemrograman Sistem Trip Berbasiskan Simulink
Gambar 11. Pemrograman sistem trip pada PLC LG
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 33 -
Setup jaringan TCP/IP pada LS PLC dengan menggunakan protokol FNET dengan
menggunakan XG-PD dapat dilihat pada Gambar 12 (a) dan (b)
(a) (b)
Gambar 12. Setup Jaringan TCPIP pada PLC LG
4.4. Pengujian
Dengan menggunakan user interface seperti tampak pada Gambar 13 dan 14
melalui remote computer supervisory dengan menggunakan info-U dapat dilakukan
remote control dan monitoring. Melalui pengujian dengan cara mengubah parameter plant
reaktor nuklir melalui tombol SAF-UP dan SAF-DOWN telah dapat ditampilkan perubahan
parameter dalam bentuk grafik. Jika parameter safety-related melampaui nilai setting
point, maka pada user interface akan terlihat nyala lampu berkedip dan suara alarm.
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 34 -
Gambar 13. Halaman Pembuka User Interface Remote Monitoring and Control
Gambar 14. Halaman Utama User Interface Remote Monitoring and Control
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 35 -
Gambar 15. Menu grafik
5. KESIMPULAN
Dalam kegiatan ini perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali pada reaktor
nuklir direpresentasikan pada simulator elektronik berbasiskan NI PXI-1031 yang
dilengkapi modul FPGA PXI 7811-R dan Devicenet NI PXI 8532 dengan menggunakan
pemrograman LabVIEW dan PLC LG. Dalam konfigurasi ini komputer PC dan perangkat
keras berbasiskan NI bertindak sebagai modul yang merepresentasikan model
matematika reaktor nuklir sedangkan PLC LG sebagai kontroler sistem keselamatan yang
akan menjatuhkan simulasi batang kendali mekanik. Sesuai target, maka pada pelaporan
tahap ini telah dilakukan pemasangan perangkat keras`dan perangkat lunak serta
sebagian pengujian sistem. Ditargetkan pada akhir tahun anggaran 2013 telah dapat
diperoleh model prototip sistem. Kegiatan ini masih terus berlanjut.
6. UCAPAN TERIMAKASIH
Kegiatan penelitian ini dapat dilaksanakan dengan pendanaan dari DIPA PRPN
tahun anggaran 2013. Oleh karena itu diucapkan terima kasih kepada semua pihak yang
telah memberikan kontribusi.
Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013
- 36 -
7. DAFTAR PUSTAKA
1. NUGROHO, D.H., HANDOYO, D. HANDONO, K. Perekayasaan Instrumentasi dan
Kendali Reaktor Riset dan Daya. Laporan Kegiatan. Pusat Perekayasaan Perangkat
Nuklir. 2012
2. NUGROHO, D.H., HANDOYO, D. HANDONO, K. Perekayasaan Instrumentasi dan
Kendali Reaktor Riset dan Daya. Laporan Kegiatan Triwulan III. Pusat Perekayasaan
Perangkat Nuklir. 2013
3. US NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Digital Instrumentation and Control System in
Nuclear Power Plants (Safety and Reliability Issues). 1997
4. IAEA. Safety Series no 50-SG-03. 1979.
5. THOMSON, J. Nuclear Power Station Control and Instrumentation Safety Systems
Architecture : An Overview. 2002. www.safetyinengineering.com
6. Dong-Young Lee, Jong-Gyun Choi, and Joon Lyou. A Safety Assessment
Methodology for a Digital Reactor Protection System. International Journal of Control,
Automation, and Systems, vol. 4, no. 1, pp. 105-112, February 2006