Sistem Monitoring Suhu Pada Rotary Kiln Menggunakan Wireless Xbee

B. Hermanto / Sistem Monitoring Suhu pada Rotary Kiln Menggunakan Wireless Xbee

329

Sistem Monitoring Suhu Pada Rotary Kiln Menggunakan Wireless Xbee 1)

Bambang Hermanto, 1)Iman Firmansyah dan 2)Heri Nugraha

1)

Pusat Penelitian Fisika - LIPI Pusat Penelitian Metalurgi - LIPI Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, Banten 15314 Telp : (021) 756-0570, Fax : (021) 756-0554 [email protected] 2)

Abstrak – Rotary kiln biasanya digunakan untuk proses metalurgi dalam hal kalsinasi berbagai macam material dengan menerapkan panas sampai suhu sampai 1000oC secara terus menerus. Pada pengukuran suhu sampai 1000oC bisa menggunakan sensor termokopel tipe K, dengan karakteristik khas output sensor adalah 41µV/oC. Untuk membaca output termokopel tersebut membutuhkan ADC untuk data akuisisi dengan resolusi paling tidak diatas 14 bit. Mikrokontroler pada umumnya dilengkapi dengan fitur ADC, namun kemampuan ADC-nya terbatas, sehingga memerlukan suatu tambahan bagian yang dapat membaca tegangan output sensor yang sangat kecil. Sistem monitoring yang sudah ada sering kali mengalami masalah ketika penghantar antara sensor dan pembaca sensor tidak terkoneksi dengan baik, karena berupa penghantar gesek saat silinder rotary kiln berputar. Sistem ini menggunakan thermocouple amplifier atau konverter digital themocouple MAX31855 dengan akurasi ± 2oC. Penggunaan konverter atau amplifier ini akan lebih memudahkan dalam penerapan sistem karena komponen tersebut sudah dilengkapi dengan kompensasi cold junction. Selain itu, dengan penggunaan modul wireless XBee memungkinkan pengukuran dengan koneksi langsung antara thermocouple dan data akuisisi yang dapat dimonitor dari tempat lain tanpa menggunakan kabel. Kata kunci: rotary kiln, termokopel, suhu, thermocouple amplifier, Wireless XBee. Abstract – Rotary kiln is usually used for metallurgical processes in a wide variety of material calcination by applying heat up to 1000oC continuously. On the measurement of temperatures up to 1000oC using thermocouple sensor type K, with typical characteristics of the sensor output is 41µV/oC. To read the thermocouple output requires ADC for data acquisition with a resolution of at least above 14 bits. Microcontrollers are generally equipped with ADC, but the ADC his ability is limited, thus requiring an additional section to read the sensor output voltage is very small. Existing monitoring systems often run into problems when an electric conductor between the sensor and the sensor readings are not connected properly, as a conductor of friction when the cylinder of rotary kiln is rotating. The system uses a thermocouple amplifier or a themocouple digital converter MAX31855 with an accuracy ± 2 °C. The use of converters or amplifiers will further facilitate the implementation of the system because these components are already equipped with cold junction compensation. In addition, by using XBee wireless module enables measurement with a direct connection between the thermocouple and data acquisition that can be monitored from anywhere else without using cables. Keywords: rotary kiln, thermocouple, temperature, thermocouple amplifier, Wireless XBee.

I. PENDAHULUAN Prinsip dasar pemurnian besi adalah menghilangkan kandungan oksigen dalam bijih besi. Secara tradisional dinamakan blomery, di mana pada proses ini bijih besi dibakar dengan charcoal yang banyak mengandung karbon sehingga terjadi pengikatan oksigen, pembakaran tersebut menghasilkan karbon dioksida dan karbon monoksida yang terlepas ke udara, sehingga besi murni didapat dan dikeluarkan dari dapur, kekurangannya tidak semua besi dapat melebur sehingga terbentuk sponge, sponge berisi besi dan silica. Proses pembuatan besi spons (sponge iron) terdiri dari beberapa peralatan utama, yaitu sistem pengumpan (feeder), tungku putar (rotary kiln), pendingin produk (cooler), magnetic separator, dan off-gas system. Rotary kiln adalah sebuah perangkat pyroprocessing yang digunakan untuk menaikkan material sampai pada suhu tinggi (kalsinasi) dalam suatu proses berkelanjutan. Material yang biasanya diproduksi menggunakan rotary kiln meliputi : Semen, Kapur, Refraktori, Metakaolin, Titanium dioksida, Alumina, Vermiculite, Bijih besi. rotary kiln biasanya digunakan dalam proses metalurgi

dalam hal kalsinasi berbagai macam material dengan menerapkan panas sampai suhu sampai 1000oC secara terus menerus. Rotary kiln seperti contoh pada Gambar 1, berbentuk bejana silinder, diletakkan pada posisi horizontal dan sedikit miring, yang diputar perlahan pada porosnya [1]. Material yang akan diolah dimasukkan ke bagian atas silinder. Karena kiln berputar, maka material secara bertahap bergerak menuju ujung bawah, dan tentunya akan mengalami sejumlah pengadukan dan pencampuran. Gas panas melewati sepanjang kiln, kadang-kadang dalam arah yang searah dengan material yang diproses (co-current), tetapi biasanya dalam arah yang berlawanan (counter-current). Gas panas dapat dihasilkan dalam tungku eksternal, atau dapat dihasilkan oleh api di dalam tungku. Api yang dihasilkan dari burner-pipe (atau firing pipe) berperan seperti Bunsen-burner yang besar. Bahan bakar untuk pembakaran ini bisa berasal dari gas, minyak atau batu bara bubuk, yang paling banyak dipakai adalah batu bara bubuk [8]. Di Pusat Penelitian Metalurgi – LIPI (PPM-LIPI) memiliki alat rotary kiln yang dapat beroperasi sampai

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014 ISSN : 0853-0823


330

1000oC, seperti pada Gambar 2. Alat tersebut sudah digunakan dalam proses pemurnian material besi. Sistem pengukuran suhu yang sudah ada menempatkan hubungan elektrik antara termokopel dengan alat ukur menggunakan penghantar gesek yang berada pada sisi tungku. Penghantar gesek ini yang menjadi kendala dalam pengukuran suhu alat ukur yang telah ada, sehingga terjadi kesalahan pengukuran.

Gambar 1. Gambar prinsip rotary kiln [1].

Penghantar gesek

Gambar 2. Alat rotary kiln PPM-LIPI.

Tiga fenomena termoelektrik adalah efek Seebeck, Peltier, dan Thomson [3-7]. Dari ketiga fenomena tersebut, hanya efek Seebeck yang mengubah energi panas menjadi energi listrik dan menghasilkan tegangan termokopel yang digunakan dalam thermometry atau pengukuran suhu. Rangkaian termokopel dasar dengan satu referensi suhu persimpangan e, seperti pada Gambar 3. Tegangan Seebeck diukur dalam mode sirkuit terbuka di terminal dan f sebanding dengan perbedaan suhu antara termokopel mengukur persimpangan b dan suhu yang diperlukan referensi persimpangan e. Untuk memudahkan, Tr biasanya dibuat menjadi 0 °C. Untuk thermometry, zona pada suhu Tr dan Ti harus isotermal[1].

Gambar 3. Rangkaian termokopel dasar dengan satu referensi suhu persimpangan e.

Untuk membaca suhu sampai 1000 oC, biasanya menggunakan termokopel tipe K dengan T- Alumel dan T+ + chromel memilik kemampuan mendeteksi suhu dalam rentang -270 oC sampai 1372 oC, dengan koefisien Seebeck 41µV/oC. Untuk membaca output termokopel tersebut membutuhkan data akuisisi dengan ADC dengan resolusi paling tidak diatas 14 bit. Mikrokontroler pada umumnya dilengkapi dengan fitur ADC, namun kemampuan ADC-nya terbatas biasanya dengan resolusi ADC 10 bit, sehingga memerlukan suatu tambahan bagian yang dapat membaca tegangan output sensor yang sangat kecil. Salah satu altenatif untuk membaca output termokopel yang lain yaitu menggunakan thermocouple amplifier MAX31855. MAX31855 adalah konverter output termokopel menjadi digital yang baik dengan 14-bit ADC didalamnya. Perangkat ini juga berisi kompensasi dan koreksi cold-junction, kontroler digital, antarmuka SPI, dan terkait kontrol logika. Perangkat ini dirancang supaya dapat bekerja dengan mikrokontroler dalam pengukuran suhu, proses kontrol, atau aplikasi pemantauan. Perangkat ini tersedia dalam beberapa versi, untuk jenis termokopel tertentu (K, J, N, T, S, R, atau E). Jenis termokopel ditunjukkan dalam akhiran nomor bagian, misalnya MAX31855K [9]. Tungku rotary kiln selalu berputar ketika proses pemurnian besi berlangsung, oleh karena itu penggunaan modul wireless Xbee untuk proses akuisisi data menggunakan mikrokontroler sangat menguntungkan dan mudah dalam implementasi. Seiring dalam penggunaannya saat ini monitoring suhu yang sudah ada terkendala oleh pembacaan atau indikator nilai pengukuran yang belum baik. Hal ini muncul karena penghantar kelistrikan antara sensor termokopel dengan perangkat pembaca sensor dilakukan dengan penghantar gesek. Oleh karena itu perlu dibuat sistem monitoring suhu rotary kiln yang dapat membaca suhu sampai 1000o C dengan kondisi peralatan yang secara terus menerus berputar tersebut. II. METODOLOGI Kegiatan penelitian ini dilakukan dengan menggunakan sistem yang terdiri dari bagian master dan bagian slave. Bagian slave terdiri dari mikrokontroler, modul wireless Xbee, Thermocouple Amlifier tipe K dan baterai. Bagian master terdiri dari mikrokontroler, modul wireless Xbee, presentasi data menggunakan indicator LCD dan program LabVIEW, penyimpanan data, serta kontrol relay untuk batas atas dan bawah suhu yang diterapkan pada rotary kiln. Skematik disain sistem monitoring suhu rotary kiln tersebut ditunjukkan pada Gambar 4. Tahapan pelaksanaan kegiatan penelitian ini dengan membuat sistem, kemudian melakukan uji coba pada tungku dilatometer yang mampu dipanaskan sampai suhu 1300oC. Hasil pengukuran sistem dapat dibandingkan dengan pengukuran dari temperatur controller Omron E5AR. Hal ini untuk meyakinkan apakah pengukuran sistem berfungsi dengan baik atau tidak untuk pengukuran suhu tinggi sampai 1000oC. Pada Gambar 4 c, Thermocouple amplifier MAX31855 memberikan kemudahan dalam penggunaannya. Ada

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014


beberapa hal yang perlu dilakukan ketika mengunakan IC ini, selain menghubungkan Vin dan GND dengan sumber daya 3-5 V, perlu rlu mendefinisikan port digital pada mikrokontroler. CLK(Clock)) merupakan input ke MAX31855. DO (Data Out) merupakan output dari MAX31855. Sedangkan CS (Chip Chip Select) Select merupakan input ke MAX31855.

331

mikrokontroler dilakukan dan memungkinkan implementasi dengan mudah. Hasil prototipe data akuisisi ditunjukkan pada ada Gambar 5, secara terpisah dari bagian monitoring melalui program LabVIEW. Pada bagian slave sumber daya diperoleh dari baterai, hal ini disesuaikan dengan kondisi tungku rotary kiln PPM PPM-LIPI yang tidak memungkinkan untuk menghubungkan baik sumber daya elektrik dengan kabel maupun bagian slave dengan bagian master. Prototipe sistem sudah cukup mengakomodasi kebutuhan untuk menggantikan sistem pengukuran suhu yang telah ada. Penerapan sistem memungkinkan untuk mengatur atau kontrol suhu batas atas dan suhu batas bawah. Sehingga sumber daya pemanas dapat diatur kapan dihidupkan dan dimatikan sesuai dengan suhu rotary kiln yang diinginkan.

Termokopel tes

Gambar 5. Prototipe data akuisi. (a)

(b)

(c) (c

Tahap awal uji coba adalah dengan melakukan pengukuran suhu pada suatu ruangan ber ber-AC dengan pengaturan suhu 25oC. Hasil pengukuran ditunjukka ditunjukkan pada Gambar 6. Pengukuran ini men mendapatkan nilai ukur berkisar 25,75oC sampai dengan 29,50oC. Jika dirata-rata maka dihasilkan nilai pengukuran 27,625oC dalam rentang perbedaan suhu 3,75oC. Hasil pengukuran ini sesuai dengan karakteristik thermocouple amplifier MAX31855 yang memiliki tingkat akurasi ±2oC.

Gambar 4. (a) Skematik disain sistem monitoring suhu rotary Kiln, (b). Contoh sensor termokopel dan (c). Sirkuit dasar menggunaan enggunaan thermocouple amplifier MAX31855.

Menggunakan perangkat lunak X-CTU, X Modul wireless Xbee dapat diset supaya dapat berkomunikasi sebagai master atau slave. Pada sistem ini hanya memerlukan beberapa pengesetan dasar, dasar yaitu ID (PAN ID), MY(16-bit source address), DL (Destination Address Low), dan (BD) Baud rate. PAN ID adalah nilai numerik dari jaringan, berisi 4 digit untuk mengaturnya kedua modul diatur sama (misalnya: 2222). MY merupakan alamat dari modul yang digunakan, untuk master diset 1 dan slave diset 2. DL merupakan alamat pengiriman modul, pada modul slave DL diset dengan 1 sedangkan master diset 2. Sedangkan edangkan BD merupakan interface data rate menggunakan baud rate 9500. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan program kompiler dan library terkait pengunaan thermocouple amplifier, pemrograman

Gambar 6.. Pengukuran pada ruang ber AC dengan suhu set 25oC.

Selain tampilan indikator pengukuran berupa LCD (gambar 7), pengukuran juga ditampil tampilkan pada program LabVIEW, seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Melalui program ini grafik pengukuran waktu nyata bisa



332

ditunjukkan secara langsung. Hasil pengukuran suhu juga dapat disimpan setiap saat, sehingga pengguna peralatan dapat dengan mudah memonitoring proses bekerjanya rotary kiln. Pengukuran dan pengiriman data melalui modul wireless Xbee dilakukan dengan tenggang waktu 0,5 detik sudah cukup memberikan informasi suhu suh dan proses penyimpanan data pengukuran.

Sistem baru

Sistem baru Pembanding Gambar 9. Uji coba pengukuran pada tungku dilatometer dilatometer.

Pembanding

Hasil dari uji coba pengukuran suhu sampai 1000oC ditunjukkan pada Gambar 10. Pada awal pengukuran, suhu tungku dilatometer sudah mencapai 56oC. Suhu tungku dilatometer dinaikkan sampai 150oC dan ditahan beberapa saat. Suhu dinaikkan kembali sampai 500oC kemudian ditahan beberapa saat juga. Setelah itu suhu dinaikkan sampai 1000oC. Hasil pengukuran tersebut menunjukkan bahwa sistem pengukuran yang dihasilkan mampu berfungsi dengan baik. Suhu 1000oC tercapai ketika data ke-6115, 6115, sehingga jika tenggang waktu pengiriman data pengukuran 0,5 detik maka diketahui waktu yang dibutuhkan tungku dilatometer untuk mencapai suhu 1000oC dari suhu 56oC adalah sekitar 50 menit.

Gambar 7.. Indikator pengukuran, sisi bawah (Temperature (Temperat Controller Omron E5AR) dan sisi atas (sistem baru).

Gambar 10. Grafik data uji coba pengukuran sampai 1000oC.

Gambar 8. Tampilan program LabVIEW.

Untuk membandingkan implementasi sistem monitoring yang baru pada suhu tinggi, diujicoba cobakan juga pada sebuah tungku dilatometer yang mampu memberikan pemanasan ruang tungku sampai 1300oC, seperti pada Gambar 9. Sensor termokopel diletakkan 15 Cm dari sisi kiri tungku dilatometer. ter. Sebagai pembanding pengukuran menggunakan temperature controller Omron E5AR, di mana sensor termokopel diletakkan 115 mm dari sisi kanan tungku dilatometer.

IV. KESIMPULAN Pada kegiatan ini telah dilakukan desain dan pengembangan sistem monitoring suhu pada rotary kiln k menggunakan wireless XBee, sesuai dengan kemampuan thermocouple amplifier atau Konverter digital themocouple MAX31855K dengan akurasi ± 2oC, proses monitoring bekerja dengan baik. Penggunaan wireless Xbee memberikan solusi mengenai sistem monitoring yang sebelumnya. Menggunakan program LabVIEW data dapat disimpan selama proses rotary kiln berlangsung. V. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terimakasih kepada rekan--rekan yang telah membantu dalam proses eksperimen dan pengambilan data pada kegiatan ini. Ucapan terima kasih kepada



program DIPA Pusat Penelitian Fisika dan Program Kompetitif sub program Material Maju dan Nanoteknologi – Pusat Penelitian Metalurgi yang telah memberikan sebagian dana untuk kegiatan ini. PUSTAKA [1] J. G. Webster, Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook , CRC Press LLC,199 [2] J. Egli. A. G. Incineration Plants, ROTARY KILN for continuous operations, product profile, p2. [3] R. M. Park, Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement, MNL 12, 4th ed., Philadelphia, PA, American Society for Testing and Materials, 1993. [4] R. P. Reed, Thermal effects in industrial electronics circuits, in J. D. Irwin (ed.), CRC Industrial Electronics Handbook, Boca Raton, FL, CRC Press, 1996, 57–70. [5] D. D. Pollock, Physics of Engineering Materials, Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, 1990. [6] D. M. Rowe (ed.), CRC Handbook of Thermoelectrics, Boca Raton, FL, CRC Press, 1995. [7] R. P. Reed, Principles of thermoelectric thermometry, in R. M. Park (ed.), Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement, MNL 12, 4th ed., Philadelphia, PA, American Society for Testing and Materials, 1993, chap. 2, 4–42. [8] Djoko W. Karmiadji, Riki Hermawan, Analisis Kekeuatan Material Tabung Rotary Kiln Terhadap Perubahan Temperatur. [9] Datasheet MAX31855, MAX31855 Cold-Junction Compensated Thermocouple-To-Digital Converter, Maxim Integrated, 2012.

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014 ISSN : 0853-0823

333

Sistem Monitoring Suhu Pada Rotary Kiln Menggunakan Wireless Xbee

Recommend Documents