SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176
PERANCANGAN SISTEM AKUISISI DATA UNIT PELARUTAN ZOH (ZIRCON HYDROXIDE) MENJADI LARUTAN ZOC (ZIRCONIUM OXYCHLORIDE) Moch. Rosyid danTunjung Indrati Y Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan -BATAN Jalan Babarsari PO BOX 6101, Yogyakarta 55282 Email untuk korespondensi:
[email protected] ,
[email protected]
ABSTRAK PERANCANGAN SISTEM AKUISISI DATA UNIT PELARUTAN ZOH MENJADI LARUTAN ZOC. Telah dilakukan perancangan sistem akuisisi data unit pembuat Pelarutan ZOH . Perancangan dilakukan sebagai tindak lanjut dari Rancang Bangun Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) pelarutan ZOH yang dilengkapi dengan sistem akuisisi data. Hasil rancangan adalah sistem yang bekerja berdasarkan tetapan atau parameter yang telah diperhitungkan sebelumnya. Metoda perancangannya dimulai dengan memahami diskripsi proses pelarutan ZOH secara sinambung, mengidentifikasi parameter yang akan diamati, menentukan aktuator yang dipakai dan menentukan sensor yang akan digunakan. Langkah selanjutnya adalah membuat rangkaian sistem kendali, sistem komunikasi dan rancangan akuisisi data. Hasil rancangan berupa pendeteksian cadangan HCl 6 N dari tangki pengumpan, pendeteksian aliran ZOH dari Clarifier, pengendalian pompa HCl 6 N, akuisisi data laju alir slurry ZOH dan larutan HCL 6 N, suhu di dalam RATB, pH di dalam RATB dan laju alir larutan ZOH yang dihasilkan. Pengendalian dilakukan menggunakan PLC berdasarkan pemonitoran parameter memerlukan alat ukur/transduser atau sensor tertentu. Hasil akuisisi data berupa tampilan parameter aliran slurry ZOH, laju alir HCl 6 N,suhu dan ph di dalam RATB, rpm pengaduk dan parameter laju larutan ZOC yang dihasilkan - pada layar monitor sesuai dengan yang direncanakan. Program akuisisi data dibuat menggunanan Visual Basic versi 6.0. Kata kunci: Akuisisi data, pengendalian proses
ABSTRACT DATA ACQUISITION SYSTEM DESIGN OF ZOH DISSOLUTION UNIT TO BE A ZOC SOLUTION. A data acquisition system design of ZOH dissolution unit to make ZOC solution has performed. Design is done as a follow-up of the design stirred flow tank reactor ( RATB ), ZOH dissolution equipped with a data acquisition system . The design of the system is going to work based on constants or parameters that have been previously calculated. Its design method starts with understanding the description ZOH continuous leaching process, identify the parameters to be observed, which is used to determine actuator and sensor determines to be used. The next steps are create a series of control systems, communication systems and the design of data acquisition. The result of design are 6 N HCL backup detection of feeder tank, flow detection ZOH from Clarifier, 6 N HCl pump control, determination data acquisition ZOH and a slurry flow rate of 6 N HCl solution, the temperature inside RATB, RATB and pH in the solution flow rate ZOH generated. Control is done using PLC based monitoring parameters require gauge / transducer or a particular sensor. The result of data acquisition is the form of display of slurry flow ZOH parameters, 6 N HCL flow rate, temperature and pH in the RATB, rpm stirrer and parameter of ZOC solution rate have been resulted - on the monitor screen appropriate by planned . Data acquisition program was made using Visual Basic version 6.0. Keywords: Data acquition, process controlling.
Moch. Rosyid, dkk
66
STTN-BATAN
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 sampai reaktor terisi 80 % volume. Suhu dan pH akan bergerak sampai mencapai setting point yaitu pH 4 dan suhu 80oC. Waktu tinggal larutan dalam reaktor R-02 diperkirakan 1 jam. Larutan ZOC yang dihasilkan akan dialirkan ke dalam tangki penampung dengan produk 5 liter/jam.
PENDAHULUAN Proses pengolahan pasir Zr menjadi zirconia dengan kemurnian 99,5 % mempunyai tahapan peleburan menggunakan NaOH pada suhu 650 oC – 900 oC, pelindihan air hasil leburan pada suhu 80 oC, penyaringan untuk memisahkan NaOH sisa dan Na2SiO3 dari Na2ZrO3, pengeringan Na2ZrO3, pelindihan menggunakan air , pelindihan menggunakan HCl pada suhu 90oC, pembentukan ZBS (Zirconium Based Sulfat) menggunakan H2SO4 dan NH4OH, pembuatan ZOH (Zirconium Hydroxide) dari ZBS pada suhu 90oC dan pH 10, pelarutan slurry ZOH menggunakan HCl suhu sekitar 90oC, evapurasi, kristalisasi ZOC, pencucian ZOC, pengeringan ZOC, dan kalsinasi ZOC menjadi zirconia. Tahapan proses di atas dilakukan menggunakan perangkat laboratorium berupa beaker glass dan prosesnya secara catu [1,2,3] .
S-4
HCL Pengaduk
Dari Clarifier
T-4 Flow meter 7 F P-2
6
termometer P-3
S-5
pH meter P
T
Sumber tegangan
I-7
R-2
Pengembangan perangkat proses selanjutnya adalah suatu perangkat yang dapat dioperasikan secara sinambung (continue) dan bersistem akuisisi. Adanya perangkat tersebut maka proses lebih efektif, data secara online dapat terekam sehingga perubahan dinamika dalam suatu proses dapat dipelajari. Pada penelitian ini akan dilakukan rancangan akuisisi data pada proses pelarutan ZOH menjadi larutan ZOC sebagai kelengkapan perancangan perangkat proses pembuatan larutan ZOC menggunakan Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB). Maksud dan tujuan penelitian ini adalah menyiapkan sistem akuisisi data pada proses pelarutan ZOC sebagai bagian dari pengembangan teknologi pengolahan pasir zirkon lokal menjadi produk larutan ZOC yang nantinya sebagai bahan precursor. Precursor ini diubah menjadi sol yang kemudian di proses menggunakan flame spray pyrolysis (FSP) sehingga diperoleh nanoparticle zirconia yang diharapkan memenuhi derajat industri keramik.
Heater
8
Motorized Valve V-4
Penampungan hasil T-6
Gambar 1. Proses pelarutan ZOH PLC sebagai pengendali proses Programable Logic Controller (PLC) adalah suatu perangkat yang digunakan untuk mengendalikan suatu proses. Alat ini dapat diprogram sesuai keinginan pemakai.
TEORI
Untuk pengendalian proses dapat menggunakan Super PLC model FMD1616-10 dari Triangle. PLC ini dilengkapi dengan fasilitas : Built-in Ethernet port - Support MODBUS/TCP, Programmable via the Internet, 16 inputs (24V NPN), 16 outputs (1A @24VDC) dan 8 analog inputs (12-bit, 0-5V). Fasilitas lain yang tersedia adalah 2 analog outputs (12-bit, 0-5V or 0-10V selectable), 1 RS232 port, 1 RS485 Port - support Modbus RTU and ASCII, 4 Pulse Measurement, 2 Encoders, 4 PWM outputs, 3 channel Stepper Motor Controller, Very Fast 32-bit CPU dan pilihan I2C untuk pengenbangan. Secara skematis fasilitas tersebut tertera pada Gambar 2.
Proses pelarutan ZOH Proses pelarutan ZOH dijelaskan dalam bentuk P&ID pada Gambar 1. Pengoperasian proses pelarutan ZOH mempunyai diskripsi proses sebagai berikut. Larutan HCL 6 N dialirkan menggunakan ajustable pump dengan laju alir 6,1 ml/menit ke dalam RATB (R-2) yang mempunyai volume 2 liter. Bersamaan dengan itu slurry ZOH yang berasal dari clarifier dialirkan ke dalam reaktor pengaduk dengan laju alir 16 ml/menit. Pada saat pengisian R-02 mencapai setengah volume R-02 maka pemanas dihidupkan sementara aliran umpan tetap dipertahankan
STTN-BATAN
L
67
Moch. Rosyid, dkk
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 merupakan persiapan dalam uji coba dan uji fungsi sistem akuisisi data.
HASIL DAN PEMBAHASAN Proses awal dari proses pelarutan adalah deteksi adanya aliran ZOH dan cadangan HCL. Jika tidak ada aliran ZOH atau cadangan HCL habis maka pompa HCL dimatikan dan aliran ZOH dihentikan. Hal itu dilakukan untuk memastikan ketersediaan umpan dan untuk jaminan kualitas berlangsungnya proses pelarutan ZOH secara sinambung, dan tidak terjadi hanya salah satu unsur saja yang masuk RATB. Parameter proses pelarutan ZOH Dalam sistem kendali dan akuisisi data pada proses pelarutan ZOH, fenomena atau parameter yang selalu dikendalikan adalah laju alir umpan ZOH dan laju alir HCL, pH larutan dalam reaktor dan suhu larutan dalam reaktor (R-02). Pemantauan laju alir menggunakan low flow meter . Untuk mencatu larutan ZOH ke dalam reaktor digunakan pompa dosis dengan kapasitas maksimum 30 ml/menit, sesuai dengan kebutuhan 1.5 ml/menit. Disamping itu pompa dilengkapi dengan Analog/Digital input dan Digital output untuk keperluan pengendalian. Pengaturan laju alir dilakukan dengan cara memberikan signal masukan analog 4-20 mA. Laju alir larutan slurry ZOH 1.5 ml/menit dikendalikan dan dicatu menggunakan pompa dosis yang dilengkapi dengan Analog/Digital input dan Digital output. Pengaturan laju alir dilakukan dengan cara memberikan signal masukan analog 4-20 mA. Pemantauan laju alir slury ZOH dan larutan HCL masing-masing menggunakan ultra low flow meter. Terpilihnya sensor ini berdasar pertimbangan bahwa disamping sensitifitas alat pada range ml/menit juga memiliki keluaran analog atau digital. Keluaran analog atau digital ini diperlukan untuk mengendalikan laju alir HCl 6 N. Untuk memanaskan larutan di dalam reaktor digunakan elemen pemanas dan suhunya terus dipantau menggunakan termokopel. Pemantauan pH menggunakan pH meter. Jika pH < 4 maka laju aliran HCL dinaikkan, sebaliknya jika pH > 4 maka aliran diturunkan. Secara default, setting point laju alir sebesar 6 ml/menit. Parameter-parameter yang diamati dan sensor yang digunakan selengkapnya dijelaskan pada Tabel 1.
Gambar 2. PLC Type FMD1616-10 Akuisisi dan kendali Akuisisi data atau dalam bahasa sederhananya disebut dengan proses mendapatkan data, merupakan proses yang penting dalam sistem pemantauan dan pengendalian suatu sistem. Fenomena fisik seperti suhu, pH, level atau ketinggian cairan di dalam sebuah tabung, laju atau kecepatan, gaya, tekanan, radioaktivitas, intenstitas cahaya, resistansi, kelembaban, konsentrasi gas, medan magnet, frekuensi, dan lain sebagainya ditangkap oleh sebuah tranduser (5). Oleh tranduser, fenomena fisik tersebut diubah menjadi fenomena listrik berupa arus atau tegangan. Setelah mengalami penguatan, tegangan tersebut diubah menjadi bentuk digital kemudian diambil oleh sebuah prosessor, kemudian ditampilkan dalam bentuk angka pada LCD atau dikirim ke komputer untuk diampilkan dalam bentuk grafik. Selain itu data juga diolah sebagai pertimbangan dalam melakukan pengendalian.
METODOLOGI Tahapan pelaksanaan kegiatan melalui tahapan mempelajari deskripsi proses, mencari transduser atau sensor yang sesuai, mencari dan menentukan prosessor pengendali, mencari dan memilih driver actuator yang dibutuhkan. Berdasar diskripsi proses maka parameter yang akan diambil data dan sekaligus dimonitor dapat ditentukan. Tahapan berikutnya adalah membuat diagram alir, membuat program kendali dan penyusunan program akuisisi. Oleh karena kegiatan ini dalam tahap perancangan maka hasilnya adalah diagram alir dan hasil tampilan program yang direncanakan. Program ini
Moch. Rosyid, dkk
68
STTN-BATAN
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 Pengendalian proses dengan PLC Hasil pengamatan parameter disamping dikirim ke komputer untuk ditampilkan juga digunakan sebagai acuan dalam melakukan kendali. Tabel 1. Parameter yang diamati dalam akuisisi data. No.
Parameter
Range
Sensor
1.
Level HCL
30 cm
2.
Low flow meter
4-20 mA
4.
Laju alir 5 ml / menit ZOH Laju alir 30 ml / menit HCL pH larutan 0 – 14
Ultasonic level sensor Low flow meter
Level keluaran 4-20 mA dan logic 4-20 mA
RS485
5.
Suhu
90 °C
pH meter Hanna Sensor PT100
6.
Rpm
0 - 3000
digital
7.
Hasil keluaran reaktor
83 ml/menit - 5 l/jam
Proximity sensor Low Flowmeter
3.
RS485
4-20 mA
Keunggulan Non contact
Hubungan ke PLC D-I #1
Sangat sensitive Sangat sensitive Tersedia serial output Tersedia serial output Non contact
A/D #1
Sangat sensitive
A/D #3
A/D #2 Modbus Modbus D-I #2
Laju alir slurry ZOH dan HCl 6 N masingmasing dipantau dengan low flow meter melalui analog input A/D#1 dan A/D#2. Data kedua laju alir tersebut dikirim ke komputer.
Hubungan input, output dan kendali proses Secara skematis hubungan input dan output dalam pengendalian proses pembentukan ZOH tertera pada Gambar 3.
Gambar 3. Blok diagram akuisisi data pembuatan ZOH Pengendalian pH di dalam RATB berdasarkan deteksi pH meter melalui serial port RS484 dan pengaturannya dengan aktuasi naik-turunnya laju aliran HCl melalui DA#2. Data pembacaan pH juga dikirim ke komputer.
dan pengaturannya menggunakan aktuasi analog output 0-10V melalui DA#2 ke elemen pemanas. Sistem ini dilengkapi dengan keypad 4x4 jika dibutuhkan untuk merubah nilai tetapan awal. Proses perubahan nilai ditampilkan pada LCD.
Suhu di dalam RATB dideteksi dengan sensor suhu Thermo Couple yang dilengkapi analog output pemantauan dilakukan melalui serial port RS484
STTN-BATAN
Semua parameter yang terbaca PLC dikirim ke komputer melalui RS232-port untuk ditampilkan.
69
Moch. Rosyid, dkk
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 Proses akuisisi dan pengendalian yang dilakukan PLC dijelaskan dalam bentuk diagram
alir pada Gambar 4.
Mulai Inisialisasi
Alirkan ZOH
Baca flow ZOH
=> 1.6ml/jam ?
N
Hentikan aliran ZOH dan matikan pompa dosis
Y
Baca level HCL N Masih Cukup?
Hentikan aliran ZOH dan matikan pompa dosis
Y
Baca flow ZOH Baca flow HCL Baca suhu di RATB Baca pH di RATB Baca flow ZOC Baca rpm pengaduk Kirim data ke komputer
Alirkan HCL N Selesai ?
Hidupkan pengaduk
Y Aktifkan kendali suhu
Alarm selesai Pembersihan alat
Aktifkan kendali pH
Matikan semua kendali
Selesai Gambar 4. Flow Chart PLC dalam akuisisi pelarutan ZOH Proses diawali dengan membaca cadangan bahan pada tangki kemudian mengendalikan pH, mengendalikan suhu, mengirim data ke komputer dan terakhir pembersihan alat.
Moch. Rosyid, dkk
Pembersihan alat dilakukan menyemburkan air ke dalam RATB.
70
dengan
STTN-BATAN
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 ZOH , flow HCL 6 N , pH di dalam reaktor, suhu di dalam reaktor dan rpm pengaduk. Jika nilai tetapan tersebut akan diganti, maka tombol # ditekan dan ditahan selama 3 detik. Kursor akan menuju nilai tetapan flow slurry ZOH. Nilai tetapan baru dapat dimasukkan dengan menekan angka. Untuk menggeser kursur digunakan tombol ► atau ◄. Untuk tetapan lain, tekan tombol ▲ atau ▼. Jika dalam waktu 15 detik tidak ada tombol yang ditekan maka tetapan tersebut disimpan ke dalam EEPROM dan digunakan sebagai set-point.
Panel kendali Semua proses akuisisi ditangani oleh PLC yang dipasang di dalam panel kendali. Pada panel kendali diberi saklar untuk menghidupkan sistem, dilengkapi LCD 4 baris 20 karakter untuk menampilkan tetapan dan keypad untuk mengubah tetapan. Tampilan panel kendali dijelaskan pada Gambar 5.
Tampilan akuisisi pada komputer Saat mulai dihidupkan dan program dijalankan komputer akan menampilkan Tanggal dan jam operasi, operator, nilai tetapan yang dipakai, dan data parameter proses yang masih 000. Setelah proses berlangsung, data tersebut akan berisi data terbaru saat proses berlangsung. Tampilan akuisisi dijelaskan pada Gambar 6. Data yang ditampilkan pada komputer adalah : a. laju alir slurry ZOH b. laju alir HCL 6N, c. suhu larutan di dalam reaktor d. pH larutan e. flow larutan ZOC yang dihasilkan. Data-data tersebut ditampilan pada komputer pada diagram alir dan pada tabel parameter proses.
Gambar 5. Tampilan Panel Kendali Tetapan / set point yang ditampilkan pada monitor LCD adalah : Data tetapan flow slurry
Gambar 6. Tampilan akuisisi data pada layar komputer
STTN-BATAN
71
Moch. Rosyid, dkk
SEMINAR NASIONAL IX SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31 OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176
KESIMPULAN Telah dibuat rancangan sistem akuisisi dan kendali Unit Pelarutan ZOH menjadi larutan ZOC. Pengendalian dilakukan dengan PLC. Data tetapan flow slurry ZOH , flow HCL 6N , pH di dalam reaktor, suhu di dalam reaktor , rpm pengaduk dan flow air ditampilkan pada monitor LCD. Parameter-parameter proses mulai flow slurry ZOH sampai hasil larutan ZOC setiap saat ditampilkan pada monitor komputer.
DAFTAR PUSTAKA 1. Tundjung Indrati dkk., 2004, Laporan teknis pengolahan pasir zircon, kerjasama PTAPB BPPT. PTAPB- BATAN Yogyakarta. 2. Sunardjo dkk., 2011, Laporan Teknis Kegiatan Peningkatan Kemurnian ZrO2, PTAPB BATAN, Yogyakarta. 3. Pristi Hartati dkk., 2012, Laporan Metallurgical Test Work Pengolahan Pasir Zircon, kerjasama PTAPB-PTANTAM, PTAPB-BATAN Yogyakarta. 4. N.V.Tuyen, V.T.Quang, T.G.Huong and V.H.Anh, Preparation of High Quality Zirconium Oxychloride from Zircon of Vietnam, The annual report. VAEC,VAEC-AR 07 - 3.286 29, ( 2007). 5. Agfianto Eko Putra, http://agfi.staff.ugm.ac.id/blog/index.php/2009/0 2/antarmuka-pc-dasar-dasar-akuisisi-data. Diakses April (2013).
Moch. Rosyid, dkk
72
STTN-BATAN
