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