SEMINAR NASIONAL X SDM TEKNOLOGI NUKLIR

SEMINAR NASIONAL X
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 10 SEPTEMBER 2014
ISSN 1978-0176

RANCANG BANGUN SISTEM
KENDALI TUNGKU AUTOCLAVE ME-24
Sugeng Rianto, Dedy Haryadi , Triarjo
PTBBN-BATAN Serpong
Email : sugeng-r@batan.go.id

ABSTRAK
RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI TUNGKU AUTOCLAVE ME-24. Telah dilakukan
rancang bangun sistem kendali tungku autoclave ME-24. Parameter yang diukur dan dikendalikan
sebagai acuan sistem kendali adalah suhu ruang autoclave, sedangkan untuk suhu pemanas dan
tekanan tungku autoclave digunakan sebagai monitor. Perangkat keras sistem kendali tungku
autoclave terdiri dari sistem sensor suhu pemanas dan suhu ruang autoclave, tekanan ruang
autoclave dan sistem akuisisi data. Perangkat lunak menggunakan labview dengan driver interface
yang menghubungkan sistem perangkat lunak dan kerasnya. Hasil uji fungsi rancang bangun
sistem kendali tungku autoclave pada operasi untuk suhu setting 150oC dengan kecepatan kenaikan
suhu 100 oC/jam, nilai suhu pada saat tercapai rata-rata adalah 148,42 oC dengan kesalahan
1,05%. Untuk suhu setting 200oC dengan kecepatan kenaikan suhu 100 oC/jam, nilai suhu pada
saat tercapai rata-rata adalah 197,70 oC dengan kesalahan 1,15% untuk tekanan ruang autoclave
10 bar.
Kata Kunci : Rancang bangun, Tungku Autoclave, Sistem Kendali.
ABSTRACT
DESIGN OF AUTOCLAVE FURNANCE ME-24 CONTROL SYSTEM. Design of autoclave
furnace ME-24 control system has been done. Parameters measured and controlled as the
reference system is the temperature control chamber, while the temperature of the heater and
pressure autoclave furnace was used as a monitor. The hardware control system autoclave furnace
consists of : heater and chamber temperature sensor system, chamber pressure and data
acquisition system. Labview software uses the interface that connects the hardware and software
systems. Function test results design control system of autoclave furnace for setting the
temperature operation 150oC at temperature increases the ramp function by 100°C/hour average
measurements obtained when the temperature reached is 148,42°C with a error 1,05%. For setting
the temperature operation 200oC at temperature increases the ramp function by 100 °C/hour
average measurements obtained when the temperature reached is 197,70 °C with a error 1,15%.
The Chamber pressure autoclave a setting is 10 bar.
Keywords : Design system , Autoclave Furnance, control system.

tungku listrik dengan daya total 40 KW yang
dirancang mampu bekerja hingga 450 oC dan tekanan
sampai 10 bar selama waktu 24 jam operasi.[1]
Tungku autoclave ME-24 ditunjukkan gambar 1 di
bawah ini sedangkan blok diagram tungku autoclave
ditunjukkan gambar 2 .

PENDAHULUAN
ungku autoclave ME-24 yang ada di Bidang
Fabrikasi Bahan Bakar Nuklir PTBBN (Pusat
Teknologi Bahan Bakar Nuklir) berfungsi untuk
untuk meningkatkan kekuatan berkas elemen bakar
nuklir terhadap korosi, dimana pada pengerjaan
autoclaving ini akan terbentuk lapisan pelindung
(lapisan tipis oksida-ZrO2) pada permukaan batang
elemen bakar nuklir. Proses autoclaving ini
merupakan bagian akhir dari proses produksi berkas
elemen bakar nuklir. Tungku autoclave merupakan

T

STTN-BATAN

191

Seminar Nasional X

SEMINAR NASIONAL X
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 10 SEPTEMBER 2014
ISSN 1978-0176
switch elektrik on/off dan mempertimbangkan proses
penuaan alat dimana usia alat sudah diatas 20 tahun.[1]

Gambar 1. Tungku Autoclave (ME-24)
Gambar 2.
Blok Diagram Tungku Autoclave ME-24[1]

Sistem tungku autoclave ME-24 di atas terdiri
dari tiga bagian yaitu :




Sistim Mekanik tungku Autoclave
Sistim Pneumatik tungku Autoclave
Sistim Elektrik tungku Autoclave

TEORI
Konsep dasar sistem kendali berbasis komputer
Kendali tungku autoclave ME-24 didasarkan
pada sistem close loop berbasis komputer, dimana
selain berfungsi untuk kendali sistem, juga berfungsi
untuk monitoring dan menyimpan data parameter
proses operasi tungku. Dasar pengendalian close loop
ditunjukkan gambar 3.

Untuk lebih meningkatkan unjuk kerja alat
dan sistem keselamatan tungku autoclave ini, maka
diperlukan kendali dan monitoring atau pembacaan
parameter–parameter
yang ada. Salah satu
kecenderungan dalam pengembangan teknologi
sistem pengukuran ini dilengkapi dengan komputer
(PC) yang berfungsi untuk mengendalikan dan
mengolah
sistem
data
pengukuran
dan
menyimpannya. Sistem pengukuran yang dilengkapi
komputer ini adalah sangat penting, mengingat
meluasnya penggunaan PC di bidang pengukuran
industri dan penelitian laboratorium.
Dengan pertimbangan di atas, maka
diperlukan rancang bangun sistem kendali tungku
autoclave ME-24 untuk semua parameter operasi
yang berbasis komputer, sehingga dalam operasinya
tungku autoclave ME-24 faktor keselamatan operasi
yang ada saat ini dapat ditingkatkan.
Dalam rancang bangun sistem kendali ini,
kriteria penerimaan sistem dirancang maksimum
kesalahan pada saat kondisi tunak (error steady state)
adalah 5%. Besaran ini diambil dengan pertimbangan
bahwa sistem aktuator kendali tungku masih berupa

Seminar Nasional X

Gambar 3. Blok diagram dasar Sistem kendali[2]
Sistem pengukuran yang dirancang untuk mengukur
parameter proses terdiri dari komponen berikut:
192

STTN-BATAN

SEMINAR NASIONAL X
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 10 SEPTEMBER 2014
ISSN 1978-0176
1.
2.

3.

4.

digital. Untuk menghubungkan ketiga modul ADAM
dengan komputer, digunakan ADAM 4250 yang
berfungsi sebagai konverter RS 485 dengan RS 232
atau USB komputer. Keempat modul ini adalah
sebagai salah solusi dengan pertimbangan sangat
hemat biaya untuk pengendalian skala industri dan
aplikasi pemantauan.[4]

Proses. Berupa besaran fisis yang akan diukur,
yaitu suhu dan tekanan.
Sensor/Transmitter.
Berupa
penginderaan
besaran fisis, yaitu suhu dan tekanan menjadi
besaran listrik dan nilai kuantitasnya bisa diukur
tegangan atau arus secara langsung.
Controller. Berupa komputer sebagai pusat
pengendalian/kontrol, tampilan visual nilai
parameter proses dan media penyimpanan data
dengan perangkat lunak didalamnya.
Final Control Element. Berupa aktuator
pengendalian proses berupa pemanas yang
dikendalikan oleh komputer.

Sensor Temperatur
Sensor temperatur yang digunakan pada rancang
banngun sistem perangkat keras kendali tungku
autoclave menggunakan termokopel tipe–K, baik
untuk
termokopel
heater/pemanas
maupun
termokopel yang terpasang pada chamber/ruang
autocleve .
Sensor Tekanan (Pressure)
Sensor tekanan yang digunakan adalah jenis
piezoelektrik. Muatan listrik Q yang ada dalam kristal
dielektrik akan berubah sesuai dengan tekanannya.
Tegangan listrik (Vx) dinyatakan dengan persamaan :

dimana C adalah kapasitas listrik dari sensor dengan
pelat logam, dan kristal dielektrik adalah isolator
antara keduanya, seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 4.

Gambar 5. Modul ADAM 4018 dan 4011 dengan blok
diagramnya[4]
Driver Heater
Untuk mengganti sistem mekanik pada sistem
switch yang semula menggunakan kontaktor, diganti
dengan switch menggunakan sistem SSR (Solid State
Relay). Tujuanya adalah selain mengurangi bunga api,
juga untuk mempercepat kondisi hidup (switch on)
dan kondisi mati (switch off ).[5].

Gambar 4. Pressure Transmitter[3]

Rangkaian Sistem Akuisisi Data
ADAM 4018 buatan Advantech merupakan
sistem pengkondisi sinyal 16-bit, dengan 8 kanal
masukan analog khusus termokopel yang dapat
diprogram pada semua saluran. Sedangkan ADAM
4011 mempunyai 1 kanal masukan untuk masukan
parameter tekanan. Untuk digital output digunakan
ADAM 4050 yang mempunyai 8 kanal keluran
STTN-BATAN

Gambar 6. Solid State Relay (SSR)
Tegangan masukan SSR adalah DC 3 – 32 volt
dihubungkan dengan modul digital I/O ADAM 4050.

193

Seminar Nasional X

SEMINAR NASIONAL X
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 10 SEPTEMBER 2014
ISSN 1978-0176
Langkah pengerjaan untuk rancang bangun sistem
perangkat keras kendali tungku autoclave adalah
sebagai berikut :
- Menentukan banyaknya I/O (Input/Output) dari
sistem monitoring tungku, dari hasil analisis
sistem 12 I/O yang terdiri dari 7 masukan suhu, 1
masukan tekanan dan 4 keluaran digital relay
untuk kendali pemanas.
- Instalasi perangkat keras sistem kendali yaitu
dengan pemasangan sistem sensor dan sistem
modul
akuisisi
data
dan
perangkat
pendukungnya.
- Pengkabelan (wiring) sistem kendali yaitu antara
sensor, modul akuisisi data dan komputer.
- Pengujian sistem dengan kriteria penerimaan
kesalahan maksimim (error steady state) untuk
rancang bangun sistem kendali ini adalah 5%
pada saat suhu tercapai (Soaking Time).

Pengujian Sistem
Pengujian sistem pada rancang bangun sistem
perangkat keras kendali tungku autoclave ME-24
dibagi menjadi dua bagian, yaitu stabilitas sistem
pada saat kenaikan suhu (steady state ramp error) dan
stabilitas sistem pada saat waktu penahanan (soaking
time steady state error). Untuk steady state ramp
error ditentukan gambar 7 di bawah ini.

Rancang bangun Instalasi perangkat keras kendali
tungku autoclave ME-24 adalah sebagai berikut :
1.
Gambar.7. Steady state ramp error

[6]

Prosentase steady state ramp error ditentukan dengan
persamaan :

2.
3.

Sedangkan untuk menentukan besar steady state error
ketika suhu penahanan ditentukan gambar 8 di bawah
ini.

Koneksi modul ADAM dengan sensor suhu
baik untuk suhu heater (4 buah) maupun suhu
chamber (3 buah). Modul ADAM digunakan
serial 4018 yang mempunyai 8 masukan
(kanal).
Koneksi modul ADAM serial 4011 dengan
sensor tekanan.
Koneksi modul ADAM dengan driver
pemanas. Modul ADAM digunakan serial
4050 dengan menggunakan 4 kanal keluaran.

Gambar instalasi rancang bangun sistem perangkat
keras kendali tungku autoclave ME-24 secara
keseluruhan ditunjukkan gambar 9 dibawah ini.

Gambar.8. Steady state error [6]
Prosentase steady state error atau offset ditentukan
dengan persamaan :

Metodologi

Seminar Nasional X

194

STTN-BATAN

SEMINAR NASIONAL X
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 10 SEPTEMBER 2014
ISSN 1978-0176
Gambar 9. Instalasi perangkat keras rancang bangun
sistem kendali tungku autoclave ME-24

HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian hasil rancang bangun sistem perangkat
keras kendali tungku autoclave ME-24 dilakukan
dengan parameter operasi sebagai berikut:


Suhu target : 150 oC dan 200 oC.




kecepatan pemanasan (ramp ) 100 C/jam
waktu pemanasan pada suhu puncak (soaking
time) dipertahankan selama 8 jam
Pengendalian : Suhu Chamber TC1,TC2,TC3
Tekanan Chamber : 10 Bar

o




Hasil uji coba proses tungku ini ditampilkan Gambar
10 dibawah ini.

o

o

GRAFIK KELUARAN SUHU AUTOCLAVE 150 C

GRAFIK KELUARAN SUHU AUTOCLAVE 200 C

250

180
160

200

140

SUHU

SUHU

120
100
80

150

100

60
40

50

20
0

0
0
SP

2000
TC1

4000

6000
TC2

8000

10000

12000

14000

16000

18000

TC3

20000

0

Waktu (s)

SP

2000

TC1

4000

6000

TC2

8000

10000

12000

14000

TC3

16000

18000

Gambar 10. Tampilan hasil pengujian sistem monitoring keselamatan tungku autoclave ME-24

Dari Gambar 10 diatas, untuk suhu target operasi
150 oC dengan kecepatan pemanasan 100 oC/jam
didapat nilai parameter eksperimen sebagai berikut :
Tabel 1. Keluaran Fungsi Ramp 150 oC Eksperimen

keluaran

Kesalahan pada
kenaikan (ramp)
o

C

%

TC1
TC2
TC3

2,83
6,27
8,47

Rata-Rata

5,86

STTN-BATAN

suhu Target
(soaking time)
o

C

%

2,63
5,57
7,44

149,13
149,17
146,95

0,58
0,55
2,03

5,21

148,42

1,05
195

20000

Waktu (s)

Dari tabel 1 di atas, nilai kesalahan tunak (steady
state) pada saat kenaikan jika di rata-rata adalah 5,86
o
C atau 5,21%. kesalahan tunak terbesar adalah adalah
untuk keluaran termokopel 3 ( TC3 ) yaitu 8,47 oC
atau 7,44%. Untuk nilai kondisi suhu tercapai (steady
state) rata – rata adalah 148,42 oC atau mempunyai
kesalahan pada steady state 1,05%. Kesalahan
terbesar pada kondisi suhu tercapai adalah termokopel
3 (TC3) 2,03%. Untuk suhu target operasi 200 oC
dengan kecepatan pemanasan 100 oC/jam didapat
nilai parameter eksperimen sebagai berikut :

Seminar Nasional X

SEMINAR NASIONAL X
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 10 SEPTEMBER 2014
ISSN 1978-0176
Tabel 2. Keluaran Fungsi Ramp 200 oC Eksperimen

keluaran
TC1
TC2
TC3
Rata-Rata

Kesalahan pada
kenaikan (ramp)
o
C
%
5,67
4,98
9,72
7,43
14,66
10,45
10,02
7,62

DAFTAR PUSTAKA

suhu Target
(soaking time)
o
C
%
198,60
0,70
199,26
0,37
195,24
2,38
197,70
1,15

Dari tabel 2 di atas, nilai kesalahan tunak (steady
state) pada saat kenaikan jika di rata-rata adalah 10,02
o
C atau 7,62%. kesalahan tunak terbesar adalah adalah
untuk keluaran termokopel 3 (TC3) yaitu 14,66 oC atau
10,45%. Untuk nilai kondisi suhu tercapai (steady
state) rata – rata adalah 197,70oC atau mempunyai
kesalahan 1,15%. Kesalahan terbesar pada kondisi
suhu tercapai adalah termokopel 3 (TC3) 2,38%. Nilai
kesalahan tunak (error steady state) pada saat suhu
tercapai (soaking time) ini bisa dikatakan cukup baik
karena kriteria maksimum yang diperbolehkan dalam
rancang bangun sistem kendali ini untuk pengendalian
suhu adalah 5%.

1. NIRA,” ME 24 Passivation Autoclave Instruction
Manual ”, 1984
2. RICHARD C. DORF, ROBERT H BISHOP,
Modern Control System, Twelfth Edition, Prentice
Hall, 2011.
3. DUNN,
WILLIAM
C,
Introduction
to
instrumentation, sensors, and precess control,
Artech House Sensors Library, 2006.
4. NONAME, ADAM 4000 Series Data Acquisition
Modules User’s Manual, Edition 10.5, 2007
5. G.M.Kamalakannan,
M
Subba
Rao,

Development of a Computer Based Process
Control System for An Autoclave to Cure Polymer
Matrix Composites”, International Conference an
Instrumentation, Pune, 2004.
6. OGATA, KATSUHIKO, Modern Control
Engineering, 3rd Edition, Prentice Hall
International Inc, 1997.

KESIMPULAN
1.

2.

3.

4.

Rancang bangun sistem perangkat keras kendali
tungku autoclave ME-24 telah dilakukan dengan
pengendalian pada parameter suhu pada chamber
autoclave.
Pada pengujian yang dilakukan dengan operasi
tungku pada suhu 150oC dengan kenaikan suhu
(ramp) 100oC/jam didapatkan nilai kesalahan
tunak (steady state) pada saat kenaikan jika di
rata-rata adalah 5,21%. Pada saat suhu tercapai
(soaking time) rata–rata suhu adalah 148,42oC
dengan kesalahan pada steady state 1,05%.
Pada pengujian yang dilakukan dengan operasi
tungku pada suhu 200oC dengan kenaikan suhu
(ramp) 100oC/jam didapatkan nilai kesalahan
tunak (steady state) pada saat kenaikan jika di
rata-rata adalah 7,62%. Pada saat suhu tercapai
(soaking time) rata–rata suhu adalah 197,70 oC
dengan kesalahan pada steady state 1,15%.
Dari hasil diatas menunjukkan, semakin besar
atau tinggi setting suhu, maka nilai kesalahan
pada saat suhu tercapai akan semakin besar,
namun masih dalam batas standar yang diijinkan
dalam rancang bangun sistem kendali ini.

ARTI SIMBOL (NOMENCLATURE)
SP
PV
TC

= Set Point
= Process Value
= Termokopel

Seminar Nasional X

196

STTN-BATAN

Dokumen yang terkait

Dokumen baru