PEREKAYASAAN SISTEM KESELAMATAN PADA …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/2_djokohari.pdfinfrastruktur dalam melakukan perekayasaan dan inovasi sistem instrumentasi kendali

Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013

- 21 -

PEREKAYASAAN SISTEM KESELAMATAN PADA INSTRUMENTASI DANKENDALI REAKTOR NUKLIR

Djoko Hari Nugroho, Demon Handoyo, Khairul Handono, dan Joko Triyanto

PRPN – BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

PEREKAYASAAN SISTEM KESELAMATAN PADA INSTRUMENTASI DANKENDALI REAKTOR NUKLIR. Kegiatan ini merupakan perekayasaan multi years (2010 -2014) dengan tujuan agar diperolehnya kemampuan sumber daya manusia daninfrastruktur dalam melakukan perekayasaan dan inovasi sistem instrumentasi kendalireaktor nuklir. Pada tahun anggaran 2013 dilakukan Perekayasan Sistem Instrumentasikendali Reaktor Nuklir pada tingkat sistem keselamatan yang diterapkan pada modelreaktor. Keluaran kegiatan adalah diperolehnya model sistem instrumentasi dan kendaliserta Human Machine Interface reaktor nuklir tingkat sistem keselamatan danimplementasinya pada model sistem reaktor. Metodologi yang dipergunakan adalahmelakukan pemodelan dan pengujian performansi sistem. Perekayasaan sisteminstrumentasi dan kendali pada reaktor nuklir direpresentasikan pada simulator numerikberbasiskan NI PXI elektronik simulator elektromekanik batang kendali, remote monitoringberbasiskan PLC LG, dan user interface berbasiskan InfoU. Sesuai target, maka padapelaporan tahap ini telah dilakukan pemasangan perangkat keras`dan perangkat lunakserta sebagian pengujian sistem. Ditargetkan pada akhir .tahun anggaran 2013 telahdapat diperoleh model prototip sistem.

Kata Kunci: perekayasaan, instrumentasi dan kendali, reaktor nuklir, sistem keselamatan,remote monitoring, PLC.

ABSTRACT

SAFETY SYSTEMS ENGINEERING DESIGN ON INSTRUMENTATION ANDCONTROL OF NUCLEAR REACTOR . This activity is a multi-year engineering (2010 -2014) with the aim of obtaining the human resource capacity and infrastructure inperforming engineering and innovation of nuclear reactors instrumentation and controlsystem. In 2013 fiscal year, engineering design of Nuclear Reactor Instrumentation andControl System on the safety level is implemented to reactor model. Output of this activityis to obtain the Nuclear Reactor Instrumentation and Control System engineering designas well as the Human Machine Interface on the safety systems level and theimplementation on the model of the nuclear reactor system. The methodology used in thisactivity is to perform system modeling and performance testing. Instrumentation andControl System engineering in nuclear reactor is represented on the NI PXI -basednumerical simulator, control rod electromechanical simulator, LG PLC-based remotemonitoring, and InfoU-based user interface. Hardware and software setup, and somesystem testing has been carried out at this stage of report. Hope that a prototype model ofthe system will be obtained at the end of 2013 fiscal year.

Keywords: design engineering, instrumentation and control, nuclear reactor, safety system,remote monitoring, PLC.


- 22 -

1. PENDAHULUAN

Dalam rangka program energi BATAN yang bertujuan untuk mendukung program

pembangunan PLTN di Indonesia, maka diperlukan penguasaan akan desain reaktor riset

dan reaktor daya yang didukung oleh SDM yang berkualitas. Tujuan dasar pengoperasian

pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) adalah memproduksi listrik pada kondisi ekonomik

optimal dengan penekanan utama pada jaminan keselamatan terhadap publik, pekerja

dan lingkungan.

Sesuai perkembangan teknologi, maka instrumentasi dan kendali digital telah

dikembangkan untuk meningkatkan otomatisasi dan fault tolerance untuk meningkatkan

ketersediaan (availability), mengurangi resiko kecelakaan, dan menurunkan ongkos

operasi. Keunggulan ini direpresentasikan pada pengembangan instrumentasi, kontrol,

manajemen informasi, dan sistem pengambilan keputusan yang menggunakan dan

mengadaptasi kemajuan teknologi instrumentasi dan kontrol digital, komunikasi, dan

teknologi antarmuka manusia-mesin termasuk peralatan analisis mikro dan “smart” sensor,

validasi signal on-line, dan sistem pengawasan (monitoring).

Di pihak lain usia instrumentasi dan kendali reaktor milik BATAN yang sudah

semakin tua dan dan mempertimbangkan pasokan pasar instrumentasi dan kendali nuklir

yang semakin mahal, maka diperlukan kemampuan mandiri untuk melakukan

pengelolaan, perawatan, inovasi dan perekayasaan terkait instrumentasi dan kendali

nuklir di BATAN. Untuk mencapai penguasaan desain dan menghasilkan inovasi terkait

instrumentasi dan kendali reaktor riset diperlukan SDM yang handal dan

perangkat/fasilitas laboratorium pendukung, terutama fasilitas eksperimen instrumentasi

dan digital untuk sistem reaktor nuklir. Agar diperoleh SDM yang handal maka diperlukan

sertifikasi personil dan pemahaman akan standar nasional serta internasional.

Tujuan kegiatan adalah agar diperolehnya kemampuan sumber daya manusia

dalam melakukan perekayasaan dan inovasi sistem instrumentasi kendali dengan konsep

Computer Integrated System pada level supervisory untuk reaktor nuklir. Sasaran Akhir

Kegiatan adalah diperolehnya paket teknologi sistem instrumentasi dan kendali serta

Human Machine Interface reaktor nuklir tingkat Management Information System yang

dapat mendukung litbangyasa BATAN dan memenuhi kebutuhan kalangan industri. Pada

tahun kegiatan 2010 telah dapat diselesaikan perekayasaan sistem instrumentasi dan

kendali yang diimplementasikan untuk simulator mekanik batang kendali. Sasaran

Kegiatan Tahun 2011 adalah meningkatkan penguasaan dan hasil pengembangan

teknologi perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir pada tingkat local


- 23 -

controller. Pada tahun anggaran 2012 dapat diperoleh teknologi perekayasaan sistem

instrumentasi dan kendali reaktor nuklir pada tingkat supervisory control [1]. Sedangkan

sasaran pada tahun anggaran 2013 diharapkan akan dapat diperoleh teknologi

perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir pada tingkat sistem

keselamatan [2].

2. TEORI

Instrumentasi merupakan pengetahuan dalam penerapan alat ukur dan sistem

pengendalian pada suatu sistem dengan menggunakan harga numerik variabel besaran

proses dan dengan tujuan agar parameter berada dalam batas daerah tertentu atau

mencapai tujuan kinerja yang diinginkan.

Pencegahan terhadap operasi abnormal dan kegagalan sistem dapat dilakukan

dengan (a) menggunakan instrumentasi dan pengendalian yang terkait dengan

keselamatan atau sering disebut sebagai safety related instrumentation and control (I&C)

dan (b) memastikan keandalan integritas struktur, komponen dan sistem dari pengaruh

operasi reaktor. Safety related I&C merupakan bagian dari sistem keselamatan yang

menggunakan sistem instrumentasi dan pengendalian pada saat terjadi malfunction atau

kegagalan yang dapat mengakibatkan paparan radiasi pada personil instalasi ataupun

masyarakat luas. Safety related I&C meliputi semua alokasi sensor sampai sistem

mekanik perangkat penggeraknya, antarmuka operator, dan peralatan pendukungnya.

Termasuk di dalam sistem ini adalah sistem pengendalian reaktor, I&C dalam ruang

kendali utama, sistem untuk memonitor dan mengendalikan pendinginan reaktor,

monitoring radiasi, perangkat komunikasi, serta perangkat pendukung lain. Fungsi penting

instrumentasi dan pengendalian adalah untuk memastikan keselamatan dan efisiensi

operasi suatu reaktor nuklir.

Terdapat berbagai jenis sistem monitoring dan pengendalian di dalam reaktor riset

maupun pembangkit daya nuklir seperti PWR. Sistem tersebut memiliki fungsi utama

untuk menunjukkan status instalasi dan informasi proses. Sinyal tersebut merupakan

masukan untuk sistem kendali, anunsiasi status dan aktivasi sistem yang penting untuk

keselamatan dan sistem yang lain.

Pada gambar 1 dapat dilihat bahwa sistem instrumentasi dan kendali pada reaktor

nuklir mengelola input-output ke dan dari reaktor yang bertujuan untuk dapat menjamin

proses dalam reaktor dapat memberikan kinerja seperti yang diinginkan dan memiliki

tingkat keselamatan sesuai yang diharapkan. Untuk mendukung penguasaan teknologi


- 24 -

instrumentasi dan kendali pada reaktor nuklir secara integratif, maka pada kegiatan

perekayasaan instrumentasi dan kendali pada reaktor riset dibangun jaringan. sistem

digital ke reaktor nuklir bertujuan untuk membuat sistem lebih efisien dengan performansi

yang lebih tinggi.

Gambar 1. Lingkup Sistem Keselamatan pada Sistem Instrumentasi danKendali Reaktor Nuklir [3]

3. METODOLOGI

3.1. Konsep Perancangan

Metodologi yang dipergunakan adalah melakukan perekayasaan sistem

instrumentasi dan kendali reaktor riset dan daya dibagi dalam beberapa tahap yaitu

melakukan (a) simulasi numerik dan (b) rancang bangun simulasi elektromekanik. Untuk

rancang bangun akan dibagi dalam beberapa tahap yaitu melakukan (a) desain, (b)

konstruksi, dan (c) pengujian untuk sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir

Dalam kegiatan ini akan dilakukan desain dan konstruksi fasilitas eksperimental

terkait implementasi sistem keselamatan digital yang akan mengintegrasikan smart I/O ke

dalam remote terminal unit yang direpresentasikan ke dalam jaringan komputer DCS.

Implementasi sistem digital dan jaringan ke reaktor nuklir bertujuan untuk membuat

sistem lebih efisien dengan performansi yang lebih tinggi. Untuk tahun-tahun mendatang,

ke dalam sistem akan diintegrasikan sistem kontrol dan sistem keselamatan serta


- 25 -

management information system. Fasilitas ini merupakan tahap awal dari langkah

penguasaan sistem keselamatan pada reaktor nuklir.

Ruang lingkup kegiatan secara garis besar adalah melakukan beberapa tahap yaitu

melakukan (a) desain, (b) konstruksi, dan (c) pengujian untuk sistem instrumentasi dan

kendali reaktor nuklir. Analisis sistem monitoring dan pengendalian secara digital pada

reaktor nuklir dilakukan dengan cara menganalisis (a) jenis-jenis transduser, prinsip

pengukuran dan metode yang dipergunakan, (b) transformasi pengkondisian sinyal dan

transmisinya untuk memastikan tidak adanya kesalahan dalam antarmuka dengan unit

lain. Modul prototip yang sudah dibuat melalui perekayasan dan inovasi kemudian diuji

dalam laboratorium dan hasilnya dianalisis untuk memperbaiki performansi modul prototip

tersebut.

Desain umum Level ketiga tahun kegiatan 2013 adalah safety system yang

diaktualisasikan dalam instrumentasi sistem keselamatan yang terdiri dari [2]:

- Sistem Proteksi Reaktor (SPR),

- Sistem Pancung Reaktor (RTS),

- Sistem Ragam Keselamatan Teknis (ESFS),

- termasuk sensor-sensor proses, modul pengkodisi sinyal logika penalarannya dan

sebagainya.

Fitur yang dibangun pada Sistem Proteksi Reaktor mengikuti persyaratan:

- Redundancy

- Diversity

- Sensor mendeteksi kondisi abnormal

- Peralatan menggunakan pre-set statik/variabel

- Rangkaian mengamati koinsidensi dari beberapa kanal

Parameter untuk setting point trip sistem proteksi reaktor antara lain :

- Kerapatan fluks neutron di dalam teras reaktor

- Laju dosis-g (Aktivitas N-16) pada sistem pendingin primer

- Laju dosis-g pada sistem ventilasi kolam reaktor

- Laju alir/debit sistem pendingin primer

- Ketinggian permukaan air kolam reaktor

- Posisi katup isolasi sistem primer

- Pemantauan posisi tertutup katup sirkulasi alam

- Suhu pada keluaran penukar panas

- Tegangan pada bus-bar sistem catu daya darurat


- 26 -

Penentuan setting point sistem proteksi reaktor didasarkan pada Safety Series no

50-SG-03 [3]. Setting point ini dipergunakan untuk mengantisipasi (a) delay response dari

perangkat sistem aktuasi keamanan terhadap fungsi transfer sistem dan (b) puncak dari

load transient kurva 3. Tujuan desain adalah kurva 3 seperti tampak pada Gambar 4 tidak

tercapai.

Gambar 4. Penentuan setting point sistem trip [3]


- 27 -

Saling Kunci (Interlock)Pengoperasian reaktor (1 dari 2) dicegah oleh fasilitas saling kunci dengan cara

memancung reaktor, jika :

- rapat fluks minimum dalam jangkauan start-up tidak terpenuhi dan jika rapat fluks

neutron dalam jangkauan menengah dan juga jangkauan daya tidak terpenuhi

secara simultan

- jumlah rata-rata pulsa dalam jangkauan start-up terlampau tinggi dan jika rapat

fluks neutron minimum dalam jangkauan menengah tidak terpenuhi secara

simultan

- katup/sirip sirkulasi alam tidak tertutup

Secara terintegrasi, desain Sistem Proteksi Reaktor (Reactor Protection System)

dan ESFAS dapat dilihat pada Gambar 3. Pada gambar tampak bahwa informasi dari

sensor akan menjadi referensi bagi sistem pengendalian, Sistem Proteksi Reaktor

maupun ESFAS untuk melakukan aksi untuk mempertahankan tingkat daya yang telah

ditetapkan atau mematikan reaktor melalui sistem trip bila ternyata abnormalitas

diperkirakan akan mengakibatkan kerusakan. Desain sistem proteksi reaktor mengikuti

prinsip redundansi dan diversifikasi. Pada gambar 3 tampak bahwa Sistem Proteksi

reaktor menggunakan diversifikasi pada RPS primer dan sekunder serta menggunakan

redundansi 2-out-of-4.

Gambar 3. Konsep sistem proteksi reaktor dan ESFAS [5]


- 28 -

Prinsip redundansi pada Sistem Proteksi Reaktor ditunjukkan pada 4 kanal seperti

terlihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Redundansi pada Sistem Proteksi Reaktor [6]

Sistem Ragam Keselamatan Teknis (ESFAS) terdiri dari:

- Isolasi gedung

- Isolasi sistem primer

- Sistem tekanan rendah

- Isolasi sistem bantu kolam reaktor

- Pengoperasian diesel darurat

- Sistem pendingin kolam reaktor ON/OFF

3.2. Perancangan Perangkat Keras

Untuk dapat mensimulasikan proses yang dikendalikan oleh sistem instrumentasi

dan kendali maka dibuat perangkat simulasi elektronik dengan blok diagram seperti

tampak pada Gambar 5. Pada gambar tampak bahwa sistem direpresentasikan dalam

model reaktor numerik yang akan menerima masukan dari luar dengan menggunakan

data logging. Pada Gambar 6 dapat dilihat arsitektural perangkat keras konfigurasi

monitoring sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir yang terdiri dari 2 unit PLC

XGR Redundant, I unit PLC Siemens Simatic S7, 2 unit station untuk process control

monitoring dan management information. Unit PLC dan HMI monitoring dihubungkan oleh

EtherNet.


- 29 -

Gambar 5. Blok Diagram Konfigurasi Simulasi Sistem Instrumentasi dan Kendali Reaktor

Gambar 6. Arsitektural perangkat keras konfigurasi monitoring sistem instrumentasi dankendali reaktor nuklir

Konfigurasi perancangan sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir level

sistem keselamatan dapat dilihat pada Gambar 7. Pada gambar tampak bahwa model

simulasi numerik plant reaktor nuklir diimplementasikan ke dalam perangkat NI PXI,

dimana perubahan parameter internal dilakukan pengendalian secara inheren sedangkan

bila terjadi perubahan parameter secara eksternal maka parameter akan dikendalikan

oleh PLC LG sebagai kontroler. Termasuk di antaranya jika terdapat nilai parameter plant

model di atas level setting point Sistem Proteksi Reaktor maka sistem trip yang ada pada

PLC LG akan memberikan respon scram yaitu mematikan reaktor. Secara bersamaan,

sinyal trip ini juga akan diberikan ke simulator elektromekanik batang kendali yang akan

Kontroler

Test System

Data Logging/Analysis

ModelNumerikReaktorNuklir


- 30 -

menjatuhkan batang kendali. Pengaturan parameter secara remote maupun monitoring

dapat dilakukan pada Computer Supervisor dengan menggunakan user interface

berbasiskan InfoU.

Gambar 7. Konfigurasi Sistem Keselamatan

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Konfigurasi Keseluruhan

Konfigurasi terpasang sistem instrumentasi dan kendali reaktor nuklir level sistem

keselamatan dapat dilihat pada Gambar 8. Konfigurasi safety system dapat dilihat pada

Gambar 12. Pada gambar tampak bahwa model simulasi dibangun pada modul NI-PXI,

dimana dimungkinkan untuk memasuk sinyal I/O melalui connector block. PLC LG

bertindak sebagai kontroler yang akan mengendalikan proses di dalam model reaktor

nuklir. Sedangkan dari komputer supervisor akan dapat diberikan perintah ke kontroler

atau perubahan algoritma kontroler. Dari komputer supervisor akan dapat pula dilihat

ekskursi parameter proses yang terjadi dalam model reaktor.

batang kendali


- 31 -

4.2. Perangkat Keras

Pada tahun anggaran 2013 ini telah dilakukan pengadaan PLC untuk membentuk

konfigurasi 1-out-of-2 yang mensimulasikan redundansi sistem. Konfigurasi redundansi

dapat dilihat pada Gambar 9.

Gambar 8. Konfigurasi Perangkat Keras Terpasang

Gambar 9. Konfigurasi Redundasi 1-out-of-2 PLC LG


- 32 -

4.3. Perangkat Lunak

Pemodelan sistem proteksi reaktor dilakukan pada NI-PXI dengan menggunakan

pemrograman berdasarkan Simulink seperti tampak pada gambar 10. Sedangkan

pemrograman sistem trip pada PLC LG dapat dilihat pada Gambar 11.

1Reactor Trip

1

Trip

SR High

PR High

OR

LogicalOperator

IR High

0

Don't Trip

3PXC_PR_1

2PXC_IR_1

1PXC_SR_1

Gambar 10. Pemrograman Sistem Trip Berbasiskan Simulink

Gambar 11. Pemrograman sistem trip pada PLC LG


- 33 -

Setup jaringan TCP/IP pada LS PLC dengan menggunakan protokol FNET dengan

menggunakan XG-PD dapat dilihat pada Gambar 12 (a) dan (b)

(a) (b)

Gambar 12. Setup Jaringan TCPIP pada PLC LG

4.4. Pengujian

Dengan menggunakan user interface seperti tampak pada Gambar 13 dan 14

melalui remote computer supervisory dengan menggunakan info-U dapat dilakukan

remote control dan monitoring. Melalui pengujian dengan cara mengubah parameter plant

reaktor nuklir melalui tombol SAF-UP dan SAF-DOWN telah dapat ditampilkan perubahan

parameter dalam bentuk grafik. Jika parameter safety-related melampaui nilai setting

point, maka pada user interface akan terlihat nyala lampu berkedip dan suara alarm.


- 34 -

Gambar 13. Halaman Pembuka User Interface Remote Monitoring and Control

Gambar 14. Halaman Utama User Interface Remote Monitoring and Control


- 35 -

Gambar 15. Menu grafik

5. KESIMPULAN

Dalam kegiatan ini perekayasaan sistem instrumentasi dan kendali pada reaktor

nuklir direpresentasikan pada simulator elektronik berbasiskan NI PXI-1031 yang

dilengkapi modul FPGA PXI 7811-R dan Devicenet NI PXI 8532 dengan menggunakan

pemrograman LabVIEW dan PLC LG. Dalam konfigurasi ini komputer PC dan perangkat

keras berbasiskan NI bertindak sebagai modul yang merepresentasikan model

matematika reaktor nuklir sedangkan PLC LG sebagai kontroler sistem keselamatan yang

akan menjatuhkan simulasi batang kendali mekanik. Sesuai target, maka pada pelaporan

tahap ini telah dilakukan pemasangan perangkat keras`dan perangkat lunak serta

sebagian pengujian sistem. Ditargetkan pada akhir tahun anggaran 2013 telah dapat

diperoleh model prototip sistem. Kegiatan ini masih terus berlanjut.

6. UCAPAN TERIMAKASIH

Kegiatan penelitian ini dapat dilaksanakan dengan pendanaan dari DIPA PRPN

tahun anggaran 2013. Oleh karena itu diucapkan terima kasih kepada semua pihak yang

telah memberikan kontribusi.


- 36 -

7. DAFTAR PUSTAKA

1. NUGROHO, D.H., HANDOYO, D. HANDONO, K. Perekayasaan Instrumentasi dan

Kendali Reaktor Riset dan Daya. Laporan Kegiatan. Pusat Perekayasaan Perangkat

Nuklir. 2012

2. NUGROHO, D.H., HANDOYO, D. HANDONO, K. Perekayasaan Instrumentasi dan

Kendali Reaktor Riset dan Daya. Laporan Kegiatan Triwulan III. Pusat Perekayasaan

Perangkat Nuklir. 2013

3. US NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Digital Instrumentation and Control System in

Nuclear Power Plants (Safety and Reliability Issues). 1997

4. IAEA. Safety Series no 50-SG-03. 1979.

5. THOMSON, J. Nuclear Power Station Control and Instrumentation Safety Systems

Architecture : An Overview. 2002. www.safetyinengineering.com

6. Dong-Young Lee, Jong-Gyun Choi, and Joon Lyou. A Safety Assessment

Methodology for a Digital Reactor Protection System. International Journal of Control,

Automation, and Systems, vol. 4, no. 1, pp. 105-112, February 2006

Documents

PEREKAYASAAN SISTEM KESELAMATAN PADA …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/2_djokohari.pdfinfrastruktur dalam melakukan perekayasaan dan inovasi sistem instrumentasi kendali