otomatisasi penggerak katup masuk gas hidro- gen

Achmad Sun/oro, dkk. ISSN 0216 - 3128 279

OTOMATISASI PENGGERAK KATUP MASUK GAS HIDROGEN PADA TUNGKU REDUKASI ME-II

Achmad SuntoroPusat Rekayasa Perangakat Nuklir, BATAN

ABSTRAK

Operasional katup masuk gas hidrogen pada tungku reduksi ME-I I dilaksanakan secara manual olehoperator tungku ketika persyaratannya telah terpenuhi. Otomatisasi penggerak katup tersebut telah dibuatsebagai opsi tambahan pada sistim operasi tungku, dengan persyaratan bahwa interupsi sistim manualdapat dilakasanakan meskipun opsi otomatis sedang dijalankan. Makalah ini berisi informasi kegiatanotomatisasi tersebut dan informasi status logik pengendaliannya dalam bentukfinite state machine. Sistimotomatisasi ini telah berhasil dicoba dan hasilnya sesuai dengan yang diharapkan.

ABSTRACT

Operational of hydrogen inlet valve of the reduction furnace ME-II was actuated manually by fUrnaceoperator if all its requirements have been ful/jiled. Automation of the valve has been constructed as anadditional option of thefUrnace operating system, in which any interuption by the existing manual system bythe operator is still valid eventhough the automatic option is being used. This paper describes theinformation concerning the automation construction and its logical status of control in the form of its finitestate machine. This automation system has been tested succesfully.

Keyword: otomatisasi, katup_hidrogen, proses Jeduksi,finite _state_machine.

PENDAHULUAN

Proses reduksi untuk mengubah serbuk U308menjadi U02 pada proses daur bahan bakarnuklir gagalan menggunakan gas hidrogen sebagaipereduksi pada suhu tinggi. Gas hidrogen dialirkanke tungku ketika semua persyaratan untukmasuknya gas hidrogen tersebut telah dipenuhi.

Oisain tungku reduksi ME-II untuk masuknya gashidrogen ke tungku dilakukan secara manual olehoperator tungku melalui saklar yang ditunjukkanpada Gambar I. Opsi tambahan untuk masuknya gashidrogen secara otomatis ke tungku telah berhasildibuat dengan persyaratan bahwa sistem manualmasih tetap dapat dilakukanmeskipun opsi otomatissedang dijalankan.

Gambar 1. Sistim katup gas hydrogen dan nitrogen pada tungku ME-ll.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

280 ISSN 0216 - 3128

Nitrogen mengalir

Gambar 2. Pola proses reduksi.

Achmad Suntoro, dkk.

71 (detik)

vvaktu (jam)

Pola kerja proses reduksi seperti ditunjukkanpada Gambar ilJ, dimana pada awalnya gasnitrogen selalu mengalir masuk dan keluar tungkudan ketika suhu dalam tungku telah mencapai diatas585°C, maka gas hidrogen akan mengalir menggantikan gas nitrogen. Dalam operasi normal, katupgas nitrogen dan hidrogen bekerja secarakomplemen. Jika katup gas hidrogen menutup, makakatup gas nitrogen akan membuka, demikian terjadijuga untuk sebaliknya. Keduanya mengalirkan gasbersama-sama hanya sementara (overlap selamaTI), dan nilai TJ dapat diatur (variable).

Untuk kepentingan keselamatan, jumlahkatup masuk gas nitrogen dan hidrogen dibuatberlebih (redundant)sep€rti terlihat pada Gambar I,hubungan seri normally close untuk katup hidrogendan hubungan paralel normally open untuk katupnitrogen.

Dalam makalah ini akan ditunjukkan prosespenambahan opsi sistim operasi, yaitu otomatisasimasuknya gas hidrogen ke tungku untuk menggantikan gas nitrogen ketika semua persyaratanmasuknya gas hidrogen ke tungku telah dipenuhi.Status logik dari sistim otomatis ini akandiperlihatkan secara detail dalam bentuk diagramtransisi sebagai informasi atas modifikasi yangdilakukan.

TATAKERJA

Tingkat keselamatan yang tinggi selamaproses reduksi berlangsung merupakan hal pokokyang selalu dipegang dan menjadi acuan dalamsetiap modifikasi sistim operasi yang dilakukan.Penambahan opsi otomatis untuk masuknya gas

hidrogen ke tungku untuk menggantikan sistimmanual, merupakan tambahan pada sistim operasitungku ME-II yang akan meningkatkan kemudahan(kepraktisan) operator dengan tidak mengurangidisain tingkat keselamatan yang telah diterapkan.Tindakan otomatisasi dimaksud hanya untukmembantu operator dalam memindahkan aliran gasketika semua persyaratannya telah dicapai.

Sistim otomatis ini bersifat tambahan dan

tidak mengurangi sistim logik (switching) dalampengendalian katup gas terkait. Penggunaanrangkaian lama (existing) lebih diutamakan dalamdisain rangkaian logik yang diperlukan, sehinggapenambahan rangkaian baru hanya dilakukan jikatidak mungkin lagi menggunakan komponen /rangkaian yang ada (terpasang).

Persyaratan Disain (Requirement)

Syarat utama sistim otomatis ini adalah tidakmengurangi persyaratan ketika sistim manualdioperasikan, dan sistim manual harus tetap dapataktif bekerja melalui interupsi meskipun sistimotomatis sedang dijalankan. Sistim otomatis hanyabersifat membantu operator dalam hal memindahkanaliran gas yang semula dilakukan secara manualketika persyaratan operasi gas hidrogen masuk telahdipenuhi.

Perpindahan otomatis tersebut tidak berlakulagi (sistim menjadi opsi manual) jika telah terjadiinterupsi secara manual dalam operasinya olehoperator, yaitu operator memaksa gas hidrogenberhenti mengalir (karena suatu sebab) dan digantioleh gas nitrogen (dengan menekan saklar gasnitrogen masuk PA pada Gambar I). Untukmengembalikan ke status otomatis perlu sebuah



Achmad Suntoro, dkk. ISSN 0216 - 3128 281

Katuphidrogen

dann~roqen

aktuasi tambahan, dan selama aktuasi belumdiaktitkan maka sistim bersifat manual meskipunopsi pilihan adalah otomatis. Sistim manual dibuatlebih dominan dari sistim otomatis yang akanditerapkan pada tungku ME-II ini.

Disain Rangkaian

Metode pelaksanaan yang diterapkan dalamotomatisasi ini tidak menggunakan cara sintesis,tetapi cara disain dan analisis. Hal ini dilakukanmengingat batasan penggunaan rangkaian lamaharus dominan, dan dari pengalaman praktis menunjukkan bahwa jalan disain yang diikuti dengananalisis lebih mudah dilakukan dibandingkandengan cara sintesis dalam kasus ini.

Secara ringkas bagan sistim switching (logik)dan finite-state machine nya diperlihatkan padaGambar 3. Gambar tersebut merupakan diagramurnurn ide dasar sistim switching dan harus bekerjadalam bentuk finite-state machine. Model finitestate machine digunakan untuk mempermudahmodifikasi otomatis yang bersifat skwensial namunberpijak pada rangkaian manual yang ada.

Secara umum dari sudut pandang teknikdigital, otomatisasi sistim kendali logik (switching)

1m Syarat hidrcgen masuk 1: akti1In Saklar hidrogen masuk 0: tidak akti1~ Saklar n~rogen masuk x: dollt carer Aktuasi tambahanr- Manual I otomatis

Al§a. Sistim switching katup gas

b. Diagram transisifinite-state machine

sistim manual, 3 input (A, B, C).

dari katup gas ini mempunyai masukan (input)empat buah (Gambar 3a), yaitu: dari persyaratanmasuknya gas hidrogen, saklar gas hidrogen masuk,saklar gas nitrogen masuk, dan saklar aktuasitambahan. Opsi lama yang manual hanya ada tigainput saja (Gambar 3b), yaitu tanpa input aktifasitambahan.

Dalam operasinya, saklar manual / otomatispada Gambar 3a harus ditetapkan diawal operasi.Status otomatis akan menjadi manual jika terjadiinterupsi oleh operator, dan untuk mengembalikanke opsi otomatis digunakan saklar aktuasi tambahan.Kontak relay akan digunakan dalam disain untukmenyesuaikan dengan rangkaian yang telah ada(sistim manual), yang menggunakan kontak relaysebagai komponen switching nya. Tambahan kontakrelay menggunakan relay DC 12 Volt yang mudahdiperoleh dipasaran.

Dalam disain, rangkaian manual dan otomatistidak harus terpisah seperti pada diagram Gambar3a, tetapi dapat berintegrasi menggunakankomponen dan sub-sistim yang sarna sehinggarangkaian menjadi lebih ringkas dan kompak. Daridiagram transisi finite-state machine antara sistimmanual dan otomatis terdapat ke-serupaan, yangmemberi isyarat bahwa akan ada komponen dansub-sistim yang bisa dipakai secara bersama.

c. Diagram transisifinite-statemachine sistim otomatis, 4

input (A, B, C, D).

Gambar 3. Sistim switching katup gas tungku ME-It.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Jull 2007

282 ISSN 0216 - 3128 Achmad Suntoro, dkk.

Konvensi label yang digunakan adalah:[input Ioutput], lingkaran state stabil, dan arahpanah peralihan state dalam rangkaian. State stabil 0dan 3 adalah kondisi gas nitrogen yang sedangmengalir (output 0), dan state stabil 1 dan 2 kondisigas hidrogen yang sedang mengalir (output 1). Jadifinite-state machine yang digunakan termasuk padafinite-state automaton[zJ, dimana setiap state stabilmempunyai nilai output unik 0 atau 1, bukan gandao dan 1.

Rangkaian yang terletak pada blok abu-abupada Gambar 4 adalah rangkaian tambahanimplementasi dari disain dalam makalah inisehingga sistim manual dapat juga bekerja secaraotomatis. Tegangan [DC +12 V] pada rangkaianberarti menuju ke positip 12 V DC namun tidaklangsung, karena harus melalui rangkaian interlocksistim operasi. Rangkaian interlock tersebut sengajatidak digambarkan agar tidak mengganggu titikberat penjelasan dalam makalah ini.

Rentetan relay CF, PAC, THzO, PSH2,PSN2, dan TH2 pada Gambar 4 membentukhubungan logik AND yang akan menjadi input A:syarat hidrogen masuk pada Gambar 3a. Demikianjuga PA, PM, dan V2 berturut-turut adalah input B:saklar nitrogen masuk, C: saklar hidrogen masuk,dan D: saklar aktuasi tambahan. Nilai Tl ditentukan

oleh relay timer T yang akan mulai aktif bersamaandengan terbukanya katup masuk gas hidrogensehingga katup masuk gas nitrogen akan menutupselang waktu T 1 detik kemudian. Keterlibatanwaktu Tl ini tidak muncul dalam finite-statemachine karena dapat dilakukan secara terpisah

dengan logik otomatisasi, dan tidak saling mempengaruhi secara logik.

Konstruks; don Instalas;

Relay AA merupakan perpanjangan dariexisting relay A yang diperlukan oleh sistimotomatis ini tetapi semua kontak relay A (existing)telah habis terpakai oleh sistim lama. Oleh karenaitu perpanjangan relay A diperlukan. Relay BBdiperlukan sebagai akibat persyaratan disain yangmenghendaki sistim otomatis harus bisa diinterupsisecara manual, maka BB diperlukan dan diaktifkanoleh saklar V2 sebagai komponen memory dalam

finite-state machine yang dibuat. Posisi relay AAdan BB terpasang di dalam kabinet tungku ME-IIseperti diperlihatkan pada Gambar 5a.

Komunikasi sistim otomatis ini denganoperator dibuat melalui panel tungku ME-II. Slotterbawah panel tungku yang masih kosong (Gambar5b) dimanfaatkan untuk tempat saklar ST dan V2bersama-sama dengan saklar-saklar dan indikatormodifikasi sistim pengendalian dari ME-II lainnya(Gambar 5c). Saklar pemilih opsi manual/otomatisST dan saklar aktuasi tambahan V2 merupakantambahan dari rangkaian lama. ST berupa selectorswitch dua posisi yang dipakai hanya untuk tujuanpemilihan opsi, dan V2 berupa push-ON switchyang digunakan juga sebagai aktuasi pengendaliansistim lain yang tidak berhubungan secara langsungdengan otomatisasi ini dan tidak saling mengganggutetapi dapat dipakai secara bersama.

I0

1234567891011121314

i ~

I PSNZ

I PSH2

IIE1~21~

tI _TH2

I TH,O

~ PAC

IE1~21

I CF

810k abu-abu tambahan otomatisasi timer katup katupN2 H2

Gambar 4. Rangkaian kendali logik katup hidrogen dan nitrogen otomatis.



Achmad Suntoro, dkk. ISSN 0216 - 3128

b. Panel sebelum modifikasi

283

a. Relay tambahan AA dan BB C. Panel sesudah modifikasi

Gambar 5. Konstruksi fisik tambahan pengendalian.

Label kabel untuk kepentingan instalasi danproses pelacakan (troubleshooting) ketika programperawatan & perbaikan dijalankan telah disesuaikan untuk mengikuti penomoranllabel sistiminstalasi lama yang terpasang.

Percobaan

Menggunakan pola kerja proses reduksi padaGambar 2, sistim tungku dioperasikan dengan opsimanual dan otomatis secara bergantian. Ketika opsiotomatis dijalankan, interupsi dilakukan yaitu ketikagas hidrogen telah mengalir masuk dan keluartungku maka saklar push-button PA ditekan.Tindakan interupsi ini bisa kembali ke opsi otomatisketika push-but/on V2 ditekan. Hasil percobaanyang dilakukan semua berhasil dilalui tepat sepertiyang diinginkan dalam persyaratan disain.

Uji coba berbagai kondisi yang berkaitandengan sistim otomatisasi ini juga dilakukan, dan ujicoba tersebut dilakukan dengan cara stubtitusi untukgas hidrogen maupun nitrogen menggunakan udaratekan dari sebuah kompresor. Hal ini dilakukanmengingat titik berat uji coba adalah sistimswitching dari hasil modifikasi yang tidak terikatatau terpengaruh oleh jenis gas yang sedangberoperasi dalam tungku. Gas hidrogen tidak

digunakan untuk mengurangi resiko keselamatankerja selama uji coba.

HASIL DAN BAHASAN

Secara umum dan menyeluruh, modifikasipenambahan sistim operasi tungku dengan opsiotomatis untuk masuknya gas hidrogen dapatdikatakan berhasil dengan baik. Semua kombinasiinput yang mungkin terjadi dapat diproses sesuaidengan persyaratan disain yang ditetapkan. Berikutpertimbangan-pertimbangan pemikiran yang munculselama proses otomatisasi berlangsung hinggamenghasilkan sistem yang dapat digunakan tersebut.

Teknik Digital

Dalam rangkaian digital, dikenal dua jenisrangkaian jika dipandang dari jenis inputnya; yaiturangkaian kombinasional dan rangkaian skwensial!3]. Rangkaian dengan opsi hanya manual dariME-II bersifat skwensial, begitu juga rangkaiandengan tambahan opsi otomatis. Hal ini dapat dilihatdari diagram transisi Gambar 3b dan 3c, untuk suatuinput yang sarna dapat menghasilkan output yangberbeda tergantung urutan input yang diberikansebelumya. Tabel I memperlihatkan sebuah contohfenomena skwensial terse but terjadi pada diagramtransisi Gambar 3b dan 3c.



284 ISSN 0216 - 3128

Tabel1. Fenomena skwensial.

Achmad Sun/oro, dkk.

Input Output Penjelasan

100

0Jika sebelumnya gas nitrogen yang mengalir dan,Dsaklar PM tidak ditekan .

M..."",D

Jika sebelumnya gas hidrogen yang mengalir atauE

1001 ""

saklar PM sudah ditekan.(,)

1000

0Jika sebelumnya pemah saklar nitrogen masuk PA()Mditekan ...."",D

Jika sebelumnya pemah saklar aktuasi tambahan V2E

1000I ""

ditekan.(,)

Untuk input yang sarna 100 dan 1000 sistem menghasilkan output yang berbedatergantung umtan input sebelumnya.

Untuk melihat hubungan input-outputrangkaian kombinasional biasanya digunakan tabelkebenaran (truth table) dan untuk rangkaianskwensial digunakan diagram transisi. Namundemikian diagram transisi juga bisa digunakanuntuk rangkaian kombinasional, tetapi tabelkebenaran sulit (tidak praktis) jika digunakan untukrangkaian skwensial. Dalam makalah ini diagramtransisi digunakan untuk menjelaskan rangkaianopsi manual dan otomatis seperti yang terlihat padaGambar 3b dan 3c sehingga terlihat pembahanmodifikasi yang dilakukan.

Dengan diagram transisi tersebut, karakteristik logik dari rangkaian dapat diungkap secaralengkap, tetapi kelemahan diagram transisi secaravisual terjadi jika input daTi rangkaian jumlahnyabanyak.

Analisis Rangkaian

Untuk membuktikan bahwa semua kemungkinan kombinasi input telah tertampung danmempunyai solusi, diperlukan analisis rangkaian.Jumlah input yang terlibat dalam rangkaianotomatisasi ini sebenamya ada lima, namun dapatdisederhanakan menjadi empat dengan saklar selektor opsi manual/otomatis ST yang hams dioperasikan pada awal operasi. Oleh karena itu ada24 = 16 kemungkinan input yang hams diuji cobakan ke sistem skwensial otomatis terse but. Jikasistem bersifat kombinasional maka analisis tidakterlalu panjang lebar, cukup dengan penjelasan daritabel kebenaran 16 kombinasional yang terjadi,secara statis, hasil analisis bisa diperoleh.

Untuk sistem skwensial, analisis rangkaiandilakukan dengan mencoba semua kombinasi 16

kemungkinan input ke rangkaian pada Gambar 4untuk setiap kondisi stabil pada diagram transisiGambar 3c. Ada empat kondisi stabil sehinggaakan ada 4 x 16 = 64 jenis input hams dicoba.Tidak semua kombinasi 64 jenis input terse butdalam operasi tungku akan terjadi, namun kondisitersebut tetap diantisipasi outputnya dalam disainini.

Sebagai contoh: sangat kecil kemungkinanoperator akan menekan saklar PA, PM, V2bersama-sama pada posisi syarat hidrogen masuktelah tercapai. Hal ini bersesuaian dengan input1111 ke sistem. Solusi input 1111 tetap didefinisikan (diantisipasi) meskipun kondisi itu sangat kecilkemungkinannya akan terjadi, yaitu dalam kondisiapapun maka state akan berpindah menjadi kondisigas nitrogen yang mengalir dengan opsi otomatis.Sehingga andaikan ketika gas hidrogen mengalirdan input 1111 diberikan, maka gas nitrogen akanmengalir menggantikan gas hidrogen selama input1111 tersebut diberikan. Jika input 11I I tidakdiberikan lagi dalam kasus ini maka gas hidrogenakan kembali mengalir (Tl detik overlap dengangas nitrogen).

Jika saklar otomatis/manual ST dirubah

posisinya pada posisi tungku beroperasi (tidakdiawa1 operasi) maka kejadian berikut akan terjadi.Jika ST semula pada posisi otomatis, makapemindahan ST akan berakibat opsi menjadimanual. Jika semula pada opsi manual maka sistemakan tetap pada posisi manual hingga saklar aktuasitambahan V2 di tekan.

Sesungguhnya state 0 dan 1 pada sistemotomatis Gambar 3c adalah state 0 dan 1 sistemmanual Gambar 3b dengan modifikasi. Modifikasinya adalah penambahan state 2 dan 3 yang di-



Achmad Suntoro, dkk. ISSN 0216 - 3128 285

lakukan dengan rangkaian dalam blok abu-abupada Gambar 4 dengan cara kerja sebagai berikut.Ketika sistim bekerja otomatis, operasi peralihanstate teIjadi hanya pada state 2 dn 3, tidak pernahberalih ke state 0 dan 1. Tetapi jika terjadi interupsioleh saklar PA, maka hanya state 0 dan I saja yangakan digunakan oleh sistim otomatis hingga saklarV2 ditekan. Jika saklar V2 ditekan maka kembali

operasi di state 2 dan 3 (opsi otomatis).

KESIMPULAN

Otomatisasi masuknya gas hidrogen ketungku sebagai opsi tambahan dari sistim operasitungku ME- I I telah berhasil dibuat. Status logikinput (semua kombinasi kemungkinan input) yangterkait dalam opsi otomatis tersebut telah diantisipasi outputnya, meskipun beberapa kombinasiinput tersebut sangat kecil kemungkinannya untukterjadi. Kondisi ini perlu dilakukan sehingga semuapenekanan saklar atau input tambahan telahdipastikan terkendali dan tidak melanggarpersyaratan disain dan sistim keselamatan tungku.Finite-state automaton dari sistim otomatis ini

diberikan sebagai informasi karakeristik logik atasrangkaian otomatis tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

1. ALAMARl, Operation Directions for theFurnace Type RM/20, BATAN RSG-LPQuality Lifetime Document., 35.0591.24.,]987.

2. JOHNSONBAUGH RICHARD, DiscreteMathematics, Prentice-Hall, Inc., Upper SadieRiver, 2001.

3. KOHAVI ZVI, Switching and AutomataTheory, Tata-McGraw-Hill., New Delhi, ]982.

TANYAJAWAB

Dewita

- Kalau melihat diagram yang Bapak buat sepertiSeq Logik berarti menggunakan flip flop danrangkaian kombinasi, tetapi dalam diagram tidakkelihatan, mohon dijelaskan.

Achmad Suntoro

- Sistem rangkaian konvensional ditandai adanyakomponen memori. Dalam teknik digitaldilaksanakan menggunakan komponen flip-flop.Dalam sistem otomatis ini karena sesuai denganbatasan disain (design requirement) yangditetapkan harus menggunakan sedapatmungkin komponen yang ada pada sistem, makakomponen flip-flop menggunakan relay BBdalam rangkaian di makalah sebagai komponenmememori.

Tumpal P.

- Bagaimana kontrol otomatis sistem ini?

Achmad Suntoro

- Seperti yang tercantum dalam batasan desain(design requirement), sistem otomatis ini harusbisa diintervensi oleh sistem manual. Sistem

kontrol ini harus menggunakan (mayoritas)komponen yang telah ada pada sistem tungku.Karakteristik akibat tambahan rangkaiankendali dipresentasikan dalam bentuk statemachine diagram.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN


otomatisasi penggerak katup masuk gas hidro- gen

Documents