PRARANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN PROSES PADA KOLOM PENUKAR ION PENGOLAH LIMBAH RADIOAKTIF
R. Sumarbagiono, Husen Zamroni, Nurokhim, Marwoto Pusat Teknologi Limbah Radioaktif
ABSTRAK PRARANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN PROSES PADA KOLOM PENUKAR ION PENGOLAH LIMBAH RADIOAKTIF. Penelitian dilakukan untuk menyusun pra-rancangan sistem pengendalian aliran fluida pada kolom penukar ion untuk mengolah limbah radioaktif cair aktivitas rendah dan sedang. Aspek keselamatan menjadi pertimbangan didalam prarancangan karena kolom penukar ion mengandung radionuklida. Pengendalian kolom penukar ion menggunakan metode pengendalian berumpan-balik (feedback control) meliputi pengendalian buka-tutup aliran, laju aliran dan penyalaan pompa pengumpan. Pengendalian dilakukan dengan menggunakan mikrokontroler sebagai pengendali proportional regulating valve, valve dan relay power pompa. Sebagai input umpan balik digunakan hasil pengukuran sebuah flowmeter dan pengukur tekanan.
ABSTRACT PRE-DESIGN OF THE PROCESS CONTROLL SYSTEM OF ION EXCHANGE COLUMN FOR RADIOACTIVE WASTE TREATMENT. A research has been conducted to create pre-design of the fluid flow control system of ion exchange column for low and medium level liquid radioactive waste treatment. Safety aspect should be a consideration because of fluid and column content radionuclides. The control system of ion exchange column uses feedback control method to control open-close flow valve, flow rate, and feed-pump on/off. The system has a microcontroller that electrically control a proportional regulating valve, an open/close valve and power of feeding pump. As a feedback input, the system receives measurement results from electronic flowmeter and pressure gauge.
PENDAHULUAN Limbah radioaktif cair aktivitas rendah dan sedang di Pusat Teknologi Limbah Radioaktif (PTLR) diolah dengan evaporator. Karena usia operasi evaporator maka perlu disiapkan proses alternatif sebagai pendamping untuk pengolahan limbah cair aktivitas rendah dan sedang. Sistem kolom penukar ion dipelajari sebagai proses alternatif untuk pengolahan limbah radioaktif cair aktivitas rendah dan sedang. Pada penelitian sebelumnya telah dibuat model kolom penukar ion dengan bahan isian zeolit dan resin. Penelitian selanjutnya adalah pengkajian teknis implementasi kolom penukar ion yang sebenarnya dengan memperhatikan aspek keselamatan, dalam hal ini keselamatan dalam pengendaliannya. Pengendalian kolom penukar ion meliputi pengendalian laju aliran sesuai dengan model kolom penukar ion yang telah dibuat. Aspek keselamatan harus menjadi pertimbangan didalam pra-rancangan karena kolom penukar ion mengandung radionuklida METODE Prarancangan sistem pengendalian laju aliran pada kolom penukar ion pengolah limbah radioaktif didasari pada penelitian yang telah dilakukan sebelumnya dan studi literatur. Berkaitan dengan prarancangan ini telah dilakukan penelitian model kolom penukar ion dengan bahan isian zeolit dan resin. Model kolom penukar ion
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
tersebut berupa kolom berdiameter 10 cm dan panjang 100 cm. Limbah cair simulasi dialirkan pada laju alir 330ml/menit melalui kolom[2]. Praracangan pengendalian laju alir pada kolom penukar ion menggunakan metode pengendalian berumpan-balik (feedback control). Sistem pengendalian berumpan-balik adalah sistem pengendalian yang cenderung menjaga hubungan yang telah ditentukan antara keluaran dan masukan acuan dengan membandingkannya dan menggunakan selisihnya sebagai alat pengendaliannya[1]. Sistem pengendalian berumpan-balik biasa juga disebut sistem pengendalian lup tertutup (closed-loop control system) yaitu sistem kontrol yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengendalian[1]. Gambar 1 memperlihatkan diagram blok sistem pengendalian lup tertutup.
Masukan
Proses
Kontroler
Keluaran
Elemen Ukur Gambar 1. Diagram Blok Sistem Pengendalian Lup Tertutup[1]. Aspek keselamatan menjadi pertimbangan didalam prarancangan karena kolom penukar ion mengandung radionuklida sehingga dipilih pengendalian secara elektronik yang memungkinkan petugas mengendalikan proses secara tidak langsung dalam jarak yang aman. Pengendalian kolom penukar ion meliputi pengendalian laju aliran, buka-tutup aliran dan pompa. Sebagai pengendali dapat digunakan sebuah Mikrokontroler. Mikrokontroler adalah suatu peralatan yang mempunyai semua komponen sistem sebagai pelengkap suatu prosesor dalam satu keping IC (integrated circuit). Mikrokontroler keping tunggal (single-chip microcontroller) dikenal pula sebagai mikrokontroler yang ditanam (embedded microcontroller). Pada dasarnya embedded microcontroller merupakan mikrokomputer keping tunggal[3]. Secara garis besar sistem berbasis mikrokontroler dapat terdiri dari : - CPU (Central Processing Unit) - RAM (Memori read/write: RAM internal, RAM eksternal) - ROM (Read only memory :ROM, EPROM. EEPROM, Flash EEPROM) - Input/output: keypad/keyboard, peraga LED/LCD, ADC, DAC, komunikasi serial, dan lain-lain - Program - Data (variabel dan konstanta). Hubungan mikrokontroler dengan piranti lain dalam suatu sistem pengendalian diperlihatkan gambar 2. ROM berfungsi sebagai tempat penyimpanan program dan konstanta, seperti data konfigurasi, tabel kalibrasi, faktor skala, dan sebagainya. RAM digunakan sebagai lokasi penyimpanan data yang akan diolah, data sementara atau data lainnya yang nilainya perlu diubah-ubah. Input/output adalah bagian sistem yang menerima data masukan ataupun keluaran. Data ini pada umumnya berupa bilangan digital yang
263
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
mungkin berasal dari hasil konversi besaran analog atau mungkin pula bilangan tersebut merupakan kondisi/keadaan logik (logic state) suatu sistem. Tekanan Flow
RAM Input Output
Katup : buka-tutup/derajat bukaan Pompa : nyala/mati
CPU ROM
Display/keyboard, lampu
Gambar 2. Hubungan mikrokontroler dengan piranti lain
HASIL DAN PEMBAHASAN A. Prarancangan Perangkat Keras Pengendalian aliran fluida pada kolom penukar ion dilakukan secara elektronik oleh sebuah mikrokontroler. Mikrokontroler tersebut mengendalikan satu buah katup pengatur laju alir berupa proportional regulating valve, 2 buah open/close valve dan relay untuk menghidupkan dan mematikan pompa. Mikrokontroler menerima masukan dari pengukur laju alir (flowmeter) dan pengukur tekanan (pressure gauge) sebagai umpan balik pengendalian. Prarancangan perangkat keras sistem pengendalian aliran fluida pada kolom penukar ion ditunjukkan Gambar 3. Pengendali/Kontroler Mikrokontroler dipilih sebagai pengendali dengan alasan antara lain : - Dapat diprogram (programable) - Ukuran fisik kecil namun memiliki fasilitas internal yang cukup banyak - Bisa dihubungkan dengan komputer sebagai slave atau beroperasi secara mandiri (stand alone). - Harga relatif murah - Memberi kemudahan kepada pemakai (user friendly) - Konsumsi energi yang kecil. Pada saat ini tersedia beragam variasi dari embedded microcontroller. Mikrokontroler keluarga 8051 (juga disebut keluarga MCS-51) buatan Atmel dan mikrokontroler AN2141 buatan Cypress merupakan salah satu mikrokontroler yang banyak digunakan. Mikrokontroler jenis ini telah dikembangkan beberapa perusahaan untuk ditingkatkan dan ditambah kemampuannya misalnya dengan menambahkan dua atau lebih port paralel untuk pengendali (kontrol) dan menyediakan fasilitas untuk mengukur beberapa buah sinyal analog. Untuk memudahkan pengguna memberikan masukan kepada mikrokontroler umumnya pada mikrontroler ditambahkan piranti peraga/display dan keypad. Piranti yang Dikendalikan 1. Katup Masukan (Input Valve) dan Katup Keluaran (Output Valve) Untuk membuka dan menutup masukan dan keluaran sistem penukar ion digunakan katup elektrik dari jenis yang sama yang disebut open/close electric valve. Sesuai
264
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
dengan namanya, katup jenis ini hanya mempunyai dua kondisi, yaitu kondisi terbuka dan tertutup. Katup masukan dan keluaran akan selalu pada kondisi terbuka pada saat kolom penukar ion beroperasi sehingga digunakan jenis katup yang disebut normally closed valve. Pada katup jenis ini kondisi tertutup terjadi bila tidak ada catu daya yang diberikan pada selenoid/coil katup dan terbuka bila selenoid mendapatkan catu daya. Dengan demikian pada saat kolom penukar ion tidak beroperasi kedua katup tersebut dalam keadaan tertutup. Mikrokontroler sebagai perangkat digital mempunyai port output untuk kontrol yang mengeluarkan sinyal biner 0 (katup tertutup)yang dinyatakan dengan output tegangan 0V dan biner 1 (katup terbuka) dinyatakan dengan tegangan 5V. Pada umumnya relay yang digunakan untuk memutus dan menyambung aliran listrik ke selenoid beroperasi pada tegangan diatas 5V sehingga diperlukan rangkaian tambahan untuk mengkoversi tegangan 5 V dari output mikrokontroler menjadi tegangan operasi relay. Rangkaian ini disebut biasa disebut relay driver. 2. Relay Catu Daya Pompa Pompa pengumpan kolom penukar ion dinyalakan dan dimatikan oleh rangkaian relay yang dikendalikan oleh mikrokontroler. Relay ini bekerja dengan cara memutus atau menyambung aliran listrik ke pompa. Relay dan rangkaian Relay Driver untuk pompa serupa dengan rangkaian relay yang digunakan pada katup masukan/keluaran, tetapi diperlukan relay yang mampu menyambungkan arus listrik yang lebih besar karena pompa membutuhkan daya yang lebih besar daripada daya yang diperlukan selenoid katup. 3. Katup Pengatur (Regulating Valve) Katup pengatur digunakan untuk mengatur laju alir fluida yang masuk ke dalam kolom penukar ion. Untuk itu diperlukan katup pengatur elektronik yang beroperasi pada kisaran laju alir operasi kolom. Katup ini bekerja seperti katup pengatur mekanik pada umumnya namun bukaan katup dapat diatur secara elektronik menggunakan motor stepper. Motor ini umumnya menerima sinyal tegangan analog sehingga diperlukan rangkaian DAC (Digital to Analog Converter) yang berfungsi untuk mengkonversi nilai output digital mikrokontroler menjadi tegangan yang sesuai. Untuk keperluan ini dapat dipilih DAC 8 bit yang mampu membagi posisi bukaan katup menjadi 256 posisi bukaan mulai dari keadaan tertutup hingga terbuka penuh. Umpan Balik Pengendalian 1. Pengukur Laju Alir Untuk mengetahui laju alir keluaran kolom penukar ion digunakan sebuah pengukur laju alir (flowmeter). Hasil pengukuran alat ini akan dijadikan acuan (feedback) untuk mengkoreksi pengaturan laju alir umpan. Output pengukur laju alir fluida umumnya berupa sinyal tegangan listrik analog sehingga perlu diubah menjadi digital agar dapat dibaca oleh mikrokontroler. Konversi sinyal analog menjadi digital dikerjakan oleh rangkaian elektronik ADC (Analog to Digital Converter). Dapat digunakan ADC 8 bit yang mampu mengkonversi sinyal analog dari flowmeter dengan ketelitian Vimax/256 dimana Vimax adalah tegangan maksimum yang bisa dihasilkan dari pengukuran flowmeter. 2. Pengukur Tekanan Sebuah pengukur tekanan dipasang pada kolom penukar ion agar mikrokontroler dapat memeriksa dan mengoperasikan kolom pada kondisi yang aman. Hasil pengukuran alat ini akan dijadikan acuan (feedback) untuk menghentikan pompa sementara atau mengurangi laju alir fluida untuk mengurangi tekanan dalam kolom.
265
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Output pengukur tekanan umumnya juga berupa sinyal tegangan listrik analog sehingga perlu diubah menjadi digital oleh ADC (Analog to Digital Converter). Seperti pada pengukur laju alir ADC 8 bit juga dapat digunakan untuk keperluan ini.
Gambar 3. Prarancangan Sistem Pengendalian Kolom Penukar Ion
266
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
B. Prarancangan Perangkat Lunak Sistem pengendalian kolom penukar ion menggunakan mikrokontroler yang menjalankan suatu perangkat lunak pengendalian. Gambar 4 menunjukkan bagan alir perangkat lunak pengendalian dengan algoritma sebagai berikut : 1. Baca data laju alir yang diinginkan (V1) dan data batas tekanan kolom yang diijinkan (P1) 2. Buka katup masukan (input valve) dan katup keluaran (output valve) 3. Hidupkan Pompa pengumpan 4. Ukur Tekanan di dalam kolom penukar ion (P2) 5. Ukur Laju alir keluaran kolom penukar ion (V2) 6. Jika nilai V1 tidak sama dengan V2 atau P2 lebih besar daripada P1 maka lakukan pengaturan regulating valve dan penyalaan pompa 7. Ulangi dari langkah ke-5 hingga selesai 8. Jika selesai, tutup katup masukan (input valve) dan katup keluaran (output valve) serta matikan pompa.
267
HasilPenelitiandan Kegiatan pTLR Tahun 2005
Baca Laju Alir yang d i i n g i n k a n( V 1 ) d a n Batas Tekanan (P'l)
Tampilkan V2 dan P2
Gambar 4. Bagan Alir perangkatLunak pengendalian
268
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
KESIMPULAN Dari Pra-rancangan Sistem Pengendalian Proses pada Kolom Penukar Ion Pengolah Limbah Radioaktif dapat diambil kesimpulan : 1. Aspek keselamatan menjadi pertimbangan didalam prarancangan karena kolom penukar ion mengandung radionuklida sehingga dipilih pengendalian secara elektronik yang memungkinkan petugas mengendalikan proses secara tidak langsung dalam jarak yang aman.. 2. Pengendalian kolom penukar ion meliputi buka-tutup aliran, pengendalian laju aliran dan penyalaan pompa. 3. Pengendalian kolom penukar ion menggunakan metode pengendalian berumpanbalik (feedback control). 4. Pengendalian kolom penukar ion menggunakan piranti elektronik utama mikrokontroler sebagai pengendali satu buah katup pengatur (proportional regulating valve), dua buah katup input/output (input/output valve) dan on/off relay pompa. Sebagai input umpan balik digunakan hasil pengukuran sebuah flowmeter dan pengukur tekanan.
DAFTAR PUSTAKA 1. Katsuhiko Ogata, Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan) Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1991 2. R. Sumarbagiono dkk., Pengaruh ukuran butir zeolit dan bed volume pada pengolahan limbah radioaktif cair aktivitas rendah dan sedang menggunakan kolom penukar ion, Hasil Penelitian Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif tahun 2003, P2PLR-BATAN, Serpong 2003. 3. Wiranto Budi Santoso, Perkembangan Mikrokontroler, Pelatihan Aplikasi Mikrokontroler dalam Instrumentasi Nuklir, P2PN BATAN, Serpong, 2003
269
