SOAK FUJI PXR 9

SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVI), 10-11 Oktober 2013,Malang,Jatim

INSTALASI DAN PENGUJIAN SISTEM KONTROL TEMPERATUR FURNACE MULTI STEP RAMP/SOAK FUJI PXR 9 Heri Nugraha1), Marga Asta Jaya Mulya2) 1)

Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI, Kawasan Puspiptek Gd. 470, Serpong, Tangerang Selatan 15314 2) Pusat Penelitian Fisika-LIPI Kawasan Puspiptek Gd. 440, Serpong, Tangerang Selatan 15314 Email: [email protected]

Abstrak Analisa termal (thermal analysis) adalah sebuah teknik untuk mengetahui respon suatu unsur atau material terhadap suhu dengan cara unsur atau material tersebut dikondisikan untuk menjalani proses pemanasan terprogram. Salah satu peralatan yang digunakan untuk analisa thermal adalah furnace. Telah dibuat sistem kontrol furnace dengan temperatur kontrol yang terprogram secara multi step ramp/soak memungkinkan untuk menguji material dalam tahapan pemanasan yang lebih bervariasi dalam beberapa step pemanasan selama satu kali proses secara otomatis. Sistem kontrol yang digunakan menggunakan temperatur kontrol Fuji PXR 9 yang memiliki fungsi multi step sampai 8 step ramp dan soak yang berarti setting kenaikan dan waktu tahan temperatur pemanasan dapat disesuaikan dengan kebutuhan dengan mempertimbangkan kondisi furnace. Hasil pengujian pada 4 segmen ramp dan soak menunjukan bahwa kenaikan temperatur furnace antara 350C- 5000C sebesar 100 C/menit, sedangkan pada temperatur antara 5000C-10000C sebesar 50C/menit. Laju panas terhadap tahanan pada elemen pemanas furnace sangat mempengaruhi laju kenaikan temperatur. Kata kunci: Analisa Thermal, Furnace, Temperatur Kontrol Fuji PXR 9

PENDAHULUAN Perlakuan panas pada proses metalurgi meliputi serangkaian proses yang secara umum berupa perlakuan untuk mengubah struktur butir logam melalui perubahan temperatur sesuai dengan kebutuhan proses. Melalui proses ini, material mengalami perubahan sifat fisik dan mekanik sehingga material tersebut memperoleh sifat tertentu [4]. Perlakuan panas sering dikaitkan dengan meningkatnya kekuatan material, tetapi juga dapat digunakan untuk mengubah untuk tujuan tertentu, misalnya pada bidang manufaktur seperti meningkatkan kekuatan mesin, meningkatkan sifat mampu bentuk. Hal ini merupakan proses yang sangat memungkinkan yang dapat membantu proses manufaktur lainnya, tetapi juga dapat meningkatkan kinerja produk dengan meningkatkan kekuatan atau karakteristik lain yang diinginkan [5]. Temperatur kontrol merupakan bagian yang sangat penting dalam sistem kontrol pemanasan sebuah furnace [6]. Perlakuan panas harus dikontrol untuk memastikan bahwa temperatur sesuai dengan yang diinginkan dan tidak mengalami overshoot yang terlalu besar. Dalam hal ini, tidak terjadi perbedaan yang terlalu besar antara temperatur proses (PV) dan Setting temperatur (SV) [4,5]. Temperatur kontrol yang digunakan pada penelitian ini adalah FUJI PXR 9 yang memiliki fungsi maksimal 8 step kontrol ramp (kenaikan temperatur) dan soak (penurunan temperatur) dengan waktu yang dapat disetting. Setting waktu tersebut harus disesuaikan dengan kondisi kemampuan elemen pemanas dan chamber room furnace . Salah satu peralatan di Laboratorium Korosi, Bidang Konservasi Bahan Pusat Penelitian Metalurgi LIPI adalah furnace tipe Naber, dengan kapasitas daya 3,2 kW, 14,5 A, 1 fasa 220 V dan temperatur 1100 0C dilengkapi dengan sistem kontrol temperatur Fuji PXR 9 dengan input sensor thermocouple tipe K yang memiliki range pengukuran temperatur antara 0-1200 0C, Solid State Relay 25 Ampere dengan input 4-20 mA, output 90-250 VAC, Mini Circuit Breaker (MCB) 20 Ampere, Magnetic Kontaktor 25 A, Voltmeter 0-300 Volt dan Amperemeter 0-30 A. Gambar 1 menunjukan Furnace tipe Naber dan panel kontrol temperatur nya.

234


Gambar 1. Furnace Tipe Naber Temperatur kontrol Fuji PXR 9 memiliki fungsi kerja Proportional Integral Derivatif (PID kontrol), ON-OFF dan Fuzzy Kontrol pada temperatur 0-1800 0C dengan input sensor yang bervariasi sesuai dengan kebutuhan yaitu resistance bulb Pt100, thermocouple tipe J,K,R,B,S,T,E,N. Temperatur kontrol ini memiliki ukuran fisik 96 x 96 mm, output keluaran berupa relay kontak dan Solid State Relay. Sistem kontrol yang dipakai adalah Proportional Integral Derivatif (PID) dengan nilai parameter default setting P adalah 5, I nilainya 240, dan D dengan nilai 60. Dibawah ini merupakan gambar blok diagram sistem kontrol temperatur dengan solid state relay sebagai pengendali output tegangan heater.

Gambar 2. Blok diagram temperatur kontrol

235


220 V AC

Gambar 3. Wiring Diagram Sistem Kontrol Temperatur Furnace Gambar 3 diatas menunjukan wiring diagram sistem kontrol temperatur furnace Naber. Sistem kontrol ini dilengkapi dengan pengaman MCB 20 A sebagai pengaman instalasi dari beban lebih dan hubung singkat. Temperatur kontrol Fuji PXR 9 memiliki output SSR 4-20 mA dan kemampuan arus maksimal 25 A sebagai pengendali tegangan AC pada heater dengan tahanan 15 ohm, kemudian instrumen pembaca temperatur, telah dipasang thermocouple tipe K yang ditempatkan di bagian tengah dalam chamber room furnace. Keseluruhan rangkaian instalasi sistem kontrol ini merupakan sistem kontrol temperatur multi step ramp/soak pada furnace Naber. METODOLOGI Instalasi kontrol furnace yang terpasang pada furnace Naber dilakukan pengujian untuk mengetahui karakteristik pemanasan furnace. Maka, dapat diperoleh hasil uji sebagai acuan para pengguna dalam memprogram furnace. Percobaan pengujian furnace dilakukan dengan 2 metode yaitu : 1. Percobaan Single step Percobaan single step dilakukan untuk melihat karakteristik kemampuan furnace. Dalam hal ini fungsi temperatur terhadap waktu dapat diketahui, sehingga hal ini menjadi acuan untuk memprogram furnace dengan metode multi step ramp/soak. Untuk menjalankan metode ini, mode operasi program PXR 9 pada parameter (NOd) harus dirubah kedalam posisi single step dimana temperatur berjalan secara manual. Untuk mematikan proses pemanasan pada metode ini dilakukan secara manual. Pemanasan yang terjadi pada furnace berjalan sesuai dengan kemampuan elemen pemanas didalamnya. Temperatur disetting pada posisi 1000 0C dan pencatatan waktu dilakukan pada temperatur 250 0C, 500 0 C, dan 1000 0C. 2. Percobaan Multi Step Percobaan multi step ramp/soak merupakan pengembangan aplikasi furnace dengan memprogram parameter PXR 9 dengan beberapa segmen metode pemanasan ramp.(kenaikan temperatur), sedangkan untuk setting pendinginan tidak dilakukan karena kondisi furnace yang tidak dilengkapi sistem pendinginan yang optimal, sistem pendinginan yang ada pada furnace adalah pada lubang pembuangan dengan diameter lubang sekitar 3 cm sebagai aliran udara luar dan dalam yang bisa ditutup buka tergantung proses pemanasan atau pendinginan secara manual. 236


Oleh karena itu, sistem pendinginan tidak dilakukan secara terprogram tetapi secara manual. Parameter temperatur kontrol PXR 9 disetting dengan tahapan sebagai berikut : Tabel 1. Tahapan parameter program temperatur kontorl PXR 9 Segmen Temperatur (0C) Waktu Kenaikan Temperatur (ramp) (menit) SG-1 250 22 SG-2 500 28 SG-3 750 50 SG-4 1000 50 Jumlah 150

Waktu Tahan Temperatur (Soak) (menit) 5 5 5 10 25

Tabel 1 merupakan tahapan pengaturan program pada parameter temperatur kontrol PXR 9. Program disetting pada empat (4) segmen dengan variasi waktu kenaikan (ramp) dan waktu tahan temperatur (soak). Variasi waktu ini ditentukan dengan acuan pada metode single step pada metode pertama. Untuk menguji sistem waktu kenaikan dari sistem kontrol temperatur ini dilakukan percobaan dengan waktu kenaikan yang lebih dipercepat dari setting standar sebelumnya. Dari hasil ini dapat dilihat apakah kenaikan temperatur dapat disetting sesuai dengan program atau tidak, beberapa pertimbangan kondisi heater dan chamber room atau tetapan kondisi kenaikan temperatur furnace akan sangat mempengaruhi kondisi ini. Dimensi Furnace Naber ditunjukkan pada gambar 4.

5 CM

29 CM 20 CM

4 CM

50

C

M

41 CM

Gambar 4. Dimensi Furnace Naber 46 CM

HASIL DAN PEMBAHASAN Metode single step merupakan langkah awal untuk melihat karakteristik temperatur suatu furnace. Dengan metode ini dapat ditentukan pengembangan program furnace untuk multi step temperatur. Dengan adanya metode ini, variasi program temperatur dapat diperoleh sesuai dengan kebutuhan dari proses pengujian material yang akan dilakukan. Pengaturan parameter program temperatur kontrol dilakukan pada satu segmen dengan temperatur sampai dengan 1000 0C. Pengaturan program pada metode ini ditunjukan pada gambar 5. Untuk setting temperatur dilakukan pada front panel PXR 9, dengan menekan tombol tanda atas dan bawah sampai menunjukan setting value (SV) 1000 0C.Untuk menghentikan proses furnace dilakukan secara manual dengan merubah program pada settingan OFF. Hasil pengujian pada metode ini ditunjukkan pada tabel 2 dibawah ini.

Tabel 2. Hasil pengamatan pengujian program metode single step 237


No .

Waktu Pengujian

1 2 3 4

08.00 08.22 08.50 10.30

Temperatu r Proses PV (oC) 35 250 500 1000

Temperatu r Setting SV (oC) 40 254 505 1003

Selisih PV dan SV 5 1 5 3 o

1000 C

m Ra

0 15 p,

n it me

0 10

Tegangan Output (V)

Arus Output (A)

Tegangan Sensor (mV)

190 190 200 205

4 7 13 14

1,3 10.0 20.1 40.8

Tegangan Sensor Referensi (mV) 1.4 10.1 20.6 41.2

Kenaikan derajat/menit (0C) 10 0C /menit 5 0C /menit 5 0C /menit

Soak 10 menit

n it me

o

m 28

500 C nt

14 jam

o

250 C 22 o

mn

t

Present Value (PV)

o

35 C

Gambar 5. Diagram pengaturan program single step

Pada tahapan pengujian dengan metode multi step, sistem kontrol temperatur furnace dilakukan secara terprogram dengan merubah terlebih dahulu kondisi out (Nod) dari temperatur kontrol fuji PXR 9 pada posisi multi step. Pengujian dilakukan dengan empat (4) segmen, 4 ramp, dan 4 soak dan pendinginan secara manual setelah program otomatis berhenti (OFF). Dilakukan percobaan dengan sampel uji yang dimasukan kedalam furnace adalah bijih besi yang telah dipreparasi berbentuk pelet. Cara kerja pada program ini adalah pada parameter ketiga program temperatur kontrol Fuji PXR 9 pada segmen pertama SG-1 disetting temperatur 250 0C, r n1r (ramp) dengan waktu 22 menit, dan rn1s (soak) 5 menit, kemudian SG2 disetting temperatur 500 0C, r n2r (ramp) dengan waktu 28 menit, dan rn2s (soak) 5 menit, lalu untuk segmen ketiga SG-3 disetting temperatur 750 0C, r n3r (ramp) dengan waktu 50 menit, dan r n3s (soak) 5 menit, dan segmen keempat SG-4 disetting temperatur 1000 0 C, r n4r (ramp) dengan waktu 50 menit, dan r n4s (soak) 10 menit setelah itu program otomatis berhenti (OFF), setelah itu furnace mengalami proses pendinginan. Tabel 3. Hasil pengamatan pengujian program metode multi step No. Waktu Temperatur Temperatur Selisih Tegangan Pengujian Proses PV Setting SV PV Output (oC) (oC) dan (V) SV 1 08.30 35 40 5 80 2 08.35 100 101 1 100 3 08.40 150 161 11 200 4 08.45 200 208 8 190 5 08.50 250 249 1 80 6 08.56 300 308 8 200 7 09.01 350 360 10 200 8 09.06 400 403 3 200 9 09.11 450 445 5 70

Arus Output (A)


3 5 14 14 5 14 14 14 6

1.3 4.1 6.0 7.9 10.1 12.0 13.8 16.1 17.9

Tegangan Sensor Referensi (mV) 1.4 4.0 6.1 8.1 10.1 12.2 14.2 16.3 18.5 238


10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

09.15 09.25 09.36 09.46 09.55 10.04 10.14 10.24 10.35 10.47 10.58

500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

497 554 600 645 695 750 801 855 897 952 1001

3 6 0 5 5 0 1 5 3 2 1

80 190 180 70 80 100 210 210 100 200 160

6 13 12 7 5 5 13 13 5 14 8

20.0 21.5 23.1 27.0 27.3 28.1 30.6 33.1 36.0 36.5 40.8

20.6 22.7 24.9 27.0 29.1 31.2 33.2 35.3 37.3 39.3 41.2

Soak o 1000 C 10 menit 50 menit o

50 menit

750 C 5 menit 14 jam

o

500 C 28 menit

5 menit

o

250 C 5 menit Ramp. 22 menit o

35 C

o

35 C

Present Value (PV)

Gambar 6. Diagram pengaturan parameter program multi step Untuk menguji apakah program multi step furnace yang telah dilakukan dengan waktu yang telah ditetapkan sesuai dengan besarnya perhitungan dari kenaikan derajat/menit. Maka, pada pengujian ini waktu kenaikan akan dipercepat dengan waktu seperti terihat pada gambar 7 dan tabel 4 berikut ini. Tabel 4. Hasil pengamatan metode multi step dengan waktu kenaikan yang dipercepat No. Waktu Temperatur Temperatur Selisih Tegangan Arus Pengujian Proses PV Setting SV PV dan Output Output (oC) (oC) SV (V) (A)


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1.3 4.1 6.0 7.9 10.1 12.0 13.8 16.1 17.9 20.0 21.5

08.30 08.35 08.40 08.45 08.50 08.56 09.01 09.06 09.11 09.15 09.25

35 80 125 167 190 265 300 354 397 450 499

40 101 161 208 250 308 360 403 445 500 554

5 21 36 41 60 43 60 49 48 50 55

80 100 200 190 80 200 200 200 70 80 190

3 5 14 14 5 14 14 14 6 6 13

Tegangan Sensor Referensi (mV) 1.4 4.0 6.1 8.1 10.1 12.2 14.2 16.3 18.5 20.6 22.7

239


12 13 14 15 16 17 18 19 20

09.36 09.46 09.55 10.04 10.14 10.24 10.35 10.47 10.58

515 570 615 648 698 714 765 824 865

600 645 695 750 801 855 897 952 1000

85 75 80 102 103 141 132 128 135

180 70 80 100 210 210 100 200 160

12 7 5 5 13 13 5 14 8

23.1 27.0 27.3 28.1 30.6 33.1 36.0 36.5 40.8

24.9 27.0 29.1 31.2 33.2 35.3 37.3 39.3 41.2

o 1000 C 10 menit

20 menit o

30 menit

750 C 5 menit 14 jam

o

500 C 15 menit

5 menit

o

250 C 5 menit 15 menit

o

35 C

Present Value (PV)

o

Gambar 7. Diagram pengaturan parameter program multi step dengan waktu kenaikan yang dipercepat

\\

oC

Temperatur Proses (PV)

(a)

Temperatur Setting (SV)

Waktu Pengujian (Jam,Menit)

1200 1000 800 600 400 200 0

Temperatur Proses (PV)

(b)

8.3 8.5 9.11 9.46 10.24

1200 1000 800 600 400 200 0

8.3 8.5 9.11 9.46 10.24

oC

Temperatur Setting (SV)

Waktu Pengujian (Jam,Menit)

Gambar 8. Grafik Perbandingan Temperatur Proses (PV) dan Temperatur Setting (SV), (a). Program Multi Step dengan waktu kenaikan yang disesuaikan acuan. (b). Program Multi Step dengan waktu kenaikan yang dipercepat. Dari hasil pengujian tersebut dapat terlihat bahwa dengan waktu kenaikan dan waktu tahan temperatur yang telah disesuaikan, kenaikan present value (PV) atau temperatur proses tidak dapat linier dengan kenaikan setting program (SV). Hal ini menunjukan laju pemanasan terhadap tahanan elemen pemanas berpengaruh terhadap kenaikan temperatur furnace. Terjadi selisih yang besar antara temperatur proses dan temperatur setting.

240


KESIMPULAN Temperatur kontrol merupakan bagian yang sangat penting dalam sistem kontrol pemanasan sebuah furnace. Perlakuan panas harus dikontrol untuk memastikan bahwa temperatur sesuai dengan yang diinginkan dan tidak mengalami overshoot yang terlalu besar. Nilai overshoot yang cukup besar terjadi ketika waktu kenaikan dipercepat dari acuan yang telah ditetapkan dengan nilai overshoot berkisar antara 50C – 1410C. sedangkan untuk hasil pengujian berdasarkan pada acuan dengan pengujian pada 4 segmen ramp dan soak menunjukan bahwa kenaikan temperatur furnace antara 350C- 5000C sebesar 100 C/menit, sedangkan pada temperatur antara 5000C-10000C sebesar 50C/menit. Laju panas terhadap tahanan pada elemen pemanas furnace sangat mempengaruhi laju kenaikan temperatur. Hal ini menjadi acuan ketika program parameter PXR 9 akan dijalankan dengan beberapa segmen. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia yang telah membiayai penelitian ini melalui Program Kompetitif Material Maju dan Nano Teknologi dengan Peneliti Utama Dr. Nono Darsono. DAFTAR PUSTAKA [1] D.Petruzella, Frank. 2001. Elektronik Industri. Yogyakarta : Andi Publisher. [2] Budiharto,Widodo. Sigit Firmansyah. 2010. Elektronika digital dan Mikroprosessor. Yogyakarta : Andi Publisher. [3] Manual Fuji PXR 9 [4] Banerjee, Soumik, 2004, A methodology to kontrol direct-fired furnaces , International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 5247–5256, www.science direct.com (diakses 2 September 2013) [5] Dou Zhenhai, Design of Temperature Kontroller for Heating F urnace in Oil Field, 2012 International Conference on Applied Physics and Industrial Engineering, Physics Procedia 24 (2012) 2083 – 2088, www.science direct.com (diakses 2 September 2013) [6] Salah Abdallah , Heating systems with PLC and frequency kontrol, , Energy Conversion and Management 49 (2008) 3356–3361, www.science direct.com (diakses 2 September 2013)

241

SOAK FUJI PXR 9

Recommend Documents