FULL-Perancangan dan Sistem Monitoring Temperatur Furnace

Heri Nugraha / Perancangan dan Sistem Monitoring Temperatur Furnace Skala Laboratorium Berbasis Komputer
103
Perancangan dan Sistem Monitoring Temperatur Furnace Skala Laboratorium
Berbasis Komputer
Heri Nugraha1), Agus S.W.2)
1)
Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI, Kawasan Puspiptek Gd. 470 Serpong, Tangerang 15314,Indonesia
Email: [email protected]
2)
Pusat Penelitian Fisika-LIPI, Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15314,Indonesia
Email: [email protected]
Abstrak – Perancangan dan sistem monitoring temperatur furnace skala laboratorium adalah merangkai sistem pembacaan
temperatur dan setting parameter pemanasan sebuah furnace yang terintegrasi dengan sistem computer. Dilakukan pengujian
untuk melihat karakteristik furnace untuk pemanasan sampai dengan 500 °C, 750 °C, dan 1000 °C, arus listrik, dan perubahan
metode manual dan autotuning, dan pengaruh pengaturan arus output kondisi keluaran 50% dan 100%.Hasil pengujian pada
pemanasan metode manual dihasilkan kecepatan pemanasan lebih lama dibandingkan dengan metode autotuning untuk
temperatur yang sama. Sedangkan perubahan kondisi dimana arus output untuk heater furnace diatur sebesar 50 % , arus
awal yang dihasilkan sebesar 2,2 ampere, sedangkan untuk 100% output arus listrik dihasilkan lonjakan awal arus sebesar
9,4 ampere. Lonjakan arus seperti ini dapat mengakibatkan heater rusak. Metode 100% langsung ini kurang tepat dilakukan
untuk menjaga kualitas heater dalam furnace.
Kata kunci: sistem monitoring, furnace, kontroller
Abstract – Designing and monitoring systems laboratory scale furnace temperatur were stringing temperatur readout systems
and setting parameters heating a furnace that is integrated with computer systems. Testing to see the characteristics of the
furnace for heating up to 500 °C, 750 °C, and 1000 °C, current output, and changes in methods of manual and autotuning, and
influence current setting output condition 50% and 100 %.The test results on the condition of heating up manually methods is
longer than autotuning metods for equal temperature. While the changes in the conditions in which the output current to the
heater furnace set at 50%, the resulting initial current of 2.2 amperes, while for 100% output current is produced early by 9.4
ampere. A huge surge in the beginning can lead to faulty heater. This 100% direct method is less appropriate for the heater to
maintain the quality of the furnace.
Keywords: monitoring system, furnace, controller
I. PENDAHULUAN
Furnace adalah sebuah peralatan yang digunakan untuk
melelehkan logam untuk pembuatan bagian mesin (casting)
atau untuk memanaskan bahan serta mengubah bentuknya
(misalnya rolling/penggulungan, penempaan) atau merubah
sifat-sifatnya (perlakuan panas). Biasa disebut juga sebagai
oven atau kiln.
Transfer energi pada tungku terjadi dalam tahapan
pembangkitan energi panas oleh element heater yang
energinya disuplai dari energi listrik. Dimana dalam hal ini
terjadi perubahan energi listrik menjadi energi panas.
Transfer energi pada tungku terjadi dalam tahapan
pembangkitan energi panas oleh element heater yang
energinya disuplai dari energi listrik. Dimana dalam hal ini
terjadi perubahan energi listrik menjadi energi panas. Heater
yang digunakan bervariasi mulai dari kapasitas pemanasan
300 C s.d 18000 C.
Ada kalanya kemudahan sistem pembacaan temperatur
kontrol penting untuk dibuat sedemikian rupa sehingga
memudahkan pengguna/user untuk mengontrol setiap
perubahan temperatur yang terjadi di furnace. Pada
percobaan ini dibuat sistem pembacaan temperatur furnace
berbasis komputer.
Gambar 1. diagram blok sistem kontrol lup tertutup.
Temperatur proses pemanasan furnace tersebut akan
dibuat sebuah sistem monitoring dengan memanfaatkan
sarana digital komunikasi yang terdapat pada thermokontrol,
kemudian mengubungkannya dengan personal computer
melalui converter. Dimana hasil yang diharapkan adalah
adanya sebuah system monitoring yang dapat memudahkan
pengguna atau peneliti yang membutuhkan data pemanasan
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
104
Heri Nugraha / Perancangan dan Sistem Monitoring Temperatur Furnace Skala Laboratorium Berbasis Komputer
furnace secara real time dengan menggunakan free software
DAQ Master dari Autonics. [1]
Teknik control fokus pada keluaran yang dihasilkan.
Beberapa teknik perlu ditambahkan untuk mengawasi nilainilai keluaran yang aktual dan membandingkan agar tetap
pada nilai yang diinginkan, untuk kemudian mengubah set
aktuator agar kesalahan (error) semakin diperkecil. Sistem
kontrol semacam ini, Gambar 1, disebut sistem kontrol loop
tertutup. [2]
II. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN
Prosedur percobaan merupakan serangkaian proses yang
menuntun kegiatan sesuai dengan maksud dan tujuan yang
diharapkan. Langkah-langkah percobaan dalam penelitian
ini adalah sebagai berikut :
A. Pembuatan furnace
Bahan baku pembuatan furnace merupakan bahan keramik
seperti pada Gambar 2. dengan dimensi keramik :
• Panjang
: 150 mm
• Lebar
: 39 mm
• Tebal keramik : 3 mm
•
•
•
•
•
•
•
Thermocontrol digital dengan RS485
Amperemeter digital dengan RS485
Current Transformer
Sensor thermocouple Type K
SPC 1-35 atau SSR
Converter RS 485 to USB
Software DAQ Master (free autonics)
Gambar 5 adalah tampilan software DAQ Master yang
digunakan dalam penelitian:
Gambar 5. Software DAQ Master.
Gambar 2. Dimensi Keramik. Gambar 3. Elemen pemanas
CR27Al7Mo2 dililitkan pada
keramik.
Keramik tersebut dililitkan elemen pemanas atau kawat
dengan jenis CR27Al7MO2. Diameter kawat tersebut 0,5
mm. Dililitkan pada keramik dengan rentang jarak antar
lilitan sebesar 5 mm. Tahanan resistansi kawat pada
percobaan ini adalah 25 Ω. Hasil lilitan pada keramik ini
dapat dilihat pada Gambar 3, kemudian ditutup dengan
isolator kaowool seperti pada Gambar 4.
Software DAQ Master merupakan free software dari
autonics yang memiliki sarana untuk menampilkan dan
menganalisa hasil pembacaan parameter-parameter dari
peralatan yang diuji. Dalam penelitian ini parameter yang
dibaca adalah temperatur dan arus. Persyaratannya adalah
instrument yang akan digunakan memiliki sarana
komunikasi RS485. Serial komunikasi ini nantinya
dihubungkan dengan sebuah converter ke USB, karena
personal computer sekarang rata-rata menunjang untuk
penggunaan USB. Salah satu kelebihan serial komunikasi
RS485 ini adalah jangkauan pembacaan nya cukup jauh
sekitar 1,2 km. [3]
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Pengujian Temperatur 500 °C
Dilakukan pengujian furnace pada temperatur 500 °C
pada kondisi setting manual. Nilai controller proportional
adalah 10, integral adalah 0, dan derivatif adalah 0, pada
ramp up 10. Temperatur awal berada pada posisi 40 °C.
Hasil grafik ditunjukan pada Gambar 6
Gambar 4. Proses penutupan dengan isolator kaowool.
B. Perancangan sistem kontrol
Rangkaian sistem kontrol furnace dibuat untuk setting dan
monitoring temperatur sesuai dengan kebutuhan yang
diinginkan. Perancangan sistem kontrol ini terdiri dari
komponen-komponen sebagai berikut :
Gambar 6. Pengujian pada temperatur 500 °C.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
Heri Nugraha / Perancangan dan Sistem Monitoring Temperatur Furnace Skala Laboratorium Berbasis Komputer
B. Pengujian Temperatur 750 °C
Dilakukan pengujian furnace pada temperatur 750 °C
pada kondisi setting manual. Nilai controller proportional
adalah 10, integral adalah 0, dan derivatif adalah 0, pada
ramp up 10. Temperatur awal berada pada posisi 40 °C.
Hasil grafik ditunjukan pada Gambar 7:
105
besar, seandainya kemampuan elemen pemanas tidak dapat
menahan lonjakan arus yang besar pada awalnya ini dapat
mengakibatkan elemen pemanas tersebut rusak bahkan
putus.
Gambar 9. Perbedaan setting arus keluaran.
C. Pengujian Temperatur 1000 °C
Dilakukan pengujian furnace pada temperatur 1000 °C
pada kondisi setting manual. Nilai controller proportional
adalah 10, integral adalah 0, dan derivatif adalah 0, pada
ramp up 10. Temperatur awal berada pada posisi 40 °C.
Hasil grafik ditunjukan pada Gambar 8 seperti dibawah ini:
E. Metode autotuning dan manual
Metode pemanasan secara manual merupakan
pendefinisian pengaturan controller untuk setting parameter
proportional integral dan derivative, dimana parameter ini
berhubungan terhadap keadaan waktu pemanasan, eror dan
overshoot yang terjadi selama pemanasan sampai temperatur
tercapai yang diinginkan. Dalam metode manual ini setting
nilai parameter untuk proportional adalah 10, integral adalah
0 dan derivative adalah 0. Didapatkan grafik (gambar 10)
pencapaian untuk temperatur 5000 C selama rentang waktu
45 menit.
Gambar 8. Pengujian pada temperatur 1000 °C.
Gambar 10. Metode heating manual
D. Perbedaan nilai arus keluaran posisi 50 % dan 100 %
Dengan setting keluaran arus trigger pemanasan yang bisa
diatur dari 0 s--d 100 % (adjustment trigger arus)
memungkinkan pengaturan control fasa tegangan keluaran
untuk heater. Sinyal keluaran yang bisa dikendalikan untuk
menjaga agar kondisi keluaran tegangan tidak terlampau
besar karena pengaruh terhadap keaadaan elemen pemanas
didalamnya. Terlihat pada gambar 9. Pengaruh
adjustment/pengaturan arus di posisi 50% dan 100%
keluaran keluaran. Dihasilkan arus awal penyesuaian yang
Sedangkan untuk metode pemanasan dengan
autotuning merupakan pendefinisian pengaturan controller
untuk setting parameter proportional integral dan derivative,
dimana parameter secara otomatis. Kontroller dalam hal ini
menyesuaikan parameter-parameter sesuai dengan proses
pemanasan berlangsung. Autotuning mencari setiing
parameter terbaik untuk proses. Dalam metode autotuning
ini dihasilkan nilai proportional adalah 6, integral adalah 27
dan derivative adalah 5. Didapatkan grafik (gambar 11)
Gambar 7. Pengujian pada temperatur 750 °C.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823
106
Heri Nugraha / Perancangan dan Sistem Monitoring Temperatur Furnace Skala Laboratorium Berbasis Komputer
pencapaian untuk temperatur 5000 C selama rentang waktu
33 menit, lebih cepat dibandingkan dengan metode manual.
UCAPAN TERIMA KASIH
Kegiatan penelitian ini didanai dari kegiatan kompetitif
tahun 2013 dengan Peneliti Utama Dr.Agus Sukarto ,
M.Eng. Pusat Penelitian Fisika-LIPI.
PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
Frank D.Petruzella. Elektronik Industri. Yogyakarta :
Andi Publisher. 2001
Enny Purwanti, Fitriyanti. Rancang bangun sistem
control dengan menggunakan termokopel tipe K yang
dilengkapi remote indicator. Jurnal ilmiah Universitas
Batanghari vol.9 No.1 Februari.2009.
Budiharto,Widodo. Sigit Firmansyah. Elektronika
digital dan Mikroprosessor. Yogyakarta : Andi
Publisher. 2010.
TANYA JAWAB
Gambar 11. Metode heating autotuning.
IV. KESIMPULAN
Perancangan dan sistem monitoring temperatur yang
terintegrasi dengan sebuah personal computer sangat
penting untuk efektifitas kerja dalam sebuah akses
pengambilan data yang membutuhkan ketepatan data secara
real time di lapangan. Pengguna cukup melihat tampilan
layar computer untuk melihat perubahan temperatur furnace
sesuai dengan target temperatur yang diinginkan dalam
sebuah personal computer dengan memanfaatkan software.
Dengan sarana komunikasi RS 485 yang terdapat di
controller, dapat dilakukan monitoring temperatur dari
personal computer. Pengamatan dapat dilakukan dari jarak
jauh, karena serial komunikasi RS485 ini memiliki
jangkauan pembacaan terhadap alat maksimal 1,2 km.
Pengujian yang dilakukan dalam penelitian ini
menghasilkan :
1. Desain tungku dengan kapasitas hambatan 25 ohm
menghasilkan temperatur pemanasan sampai 10000 C.
2. Penggunaan controller dengan efek perubahan antara
present value dan setting value yang tidak
menghasilkan range/selisih yang sangat besar.
3. Memilih metode yang tepat dari controller untuk
setting arus keluaran yang diperlukan, sehingga
menjaga kualitas heater dari keadaan arus start awal
yang besar.
4. Pada loop tertutup keluaran dari sistem sangat baik
karena pada sistem loop tertutup keluaran bisa
mengawasi dari pada input jadi sistem bisa
membandingkan antara input dan keluaran sehingga
tetap pada nilai yang diinginkan jadi dalam arti bila
terjadi gangguan pada plant maka keluaran bisa
membandingkannya yaitu dengan mengumpan balik
pada input.
Ainie,UNDIP
? a. Untuk pengukuran sampel yang sangat kecil?
b. Pengembangan alatnya darimana?
Herry Nugraha, LIPI
√ a. Sampel sangat kecil, cawan yang digunakan kecil.
Contoh serbuk besi pada cawan dengan maksimal ukuran.
b. Pengembangan dari sisi pemonitoran sistem monitoring
temperature secara real time/ longgar.
Dewita, BATAN
? Sensor suhunya diletakan dimana? Apakah sama jika
diletakkan di ujung kiri dan kanan? Berapa perbedaannya
bila ada?
Heri Nugraha, LIPI
√ Sensor suhu dipasang/ ditempatkan di bagian tengah
furnace. Jika ditempatkan di sisi kiri atau kanan furnace
suhu yang terbaca akan berbeda, hanya tidak terlalu besar
range perbedaannya seandainya sensor ditempatkan di
tengah.
Arini N M,UNS
? a. Apakah furnace ini dapat digunakan untuk semua
sample? (larutan, padatan, bahan organic/anorganik)
b. Adakah pengaruh dari jumlah lilitannya?
Heri Nugraha, LIPI
√ a. Bisa, dengan persyaratan dimensi cawan sample kecil
sesuai ukuran furnace.
b. Ada pengaruh, lilitan semakin banyak, tahanan semakin
besar, temperature pemanasan bisa lebih tinggi.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
ISSN : 0853-0823