Rangkaian Sederhana 4-20mA Intrinsically Safe (IS); Apakah Juga Aneh?

Maksud hati sebenarnya ingin membahas Intrinsically Safe (IS) Ground namun ada baiknya membahas konsep IS Circuit dan IS Barrier dalam rangkain sederhana dulu. Tulisan ini hanya sebagai catatan imajinasi, yang saya buat sesederhana mungkin. Ini untuk melengkapi tulisan saya 9 tahun yang lalu IS; Intrinsic Safety; Intrinsically Safe yang merupakan summary dari membaca standar tentang IS. Pendekatan yang saya lakukan sekarang adalah pendekatan awam hanya pakai logika-logika sederhana saja dengan konsep ohm law V=IR dan P=VI. Pendekatan yang lebih teknikal tentu mengacu ke standar-standar acuan seperti ISA 12.2, IEC-60079-11 dan ISA RP12.06 yang mungkin bisa dilakukan situs-situs resmi.

Alkisah, pada lingkungan hazardous Zone 0 (adanya flammable GAS terus menerus pada normal operasi) diperlukan sekali instrument yang mengandung listrik di lokasi tersebut. Anda bayangkan di lokasi zone 0 tersebut ada Gas, Oksigen juga pasti ada, maka tinggal nunggu percikkan api saja selanjutnya akan BLARR meledak. Instrument berlistrik ini tentu berpotensi menghasilkan percikan api. Untuk menghindari percikan api maka instrument berlistrik dipermak sedimikian rupa jangan sampai menimbulkan ignition atau jangan sampai menimbulkan panas yang memicu oksigen dan gas bereaksi. Bagaimana instrument bisa dipermak agar tidak terjadi percikan api? Salah satu caranya adalah dengan mengatur arus dan tegangan yang diterima instrument tersebut harus di bawah arus dan tegangan yang dapat memicu gas bereaksi dengan oksigen dan terbakar yang digambarkan pada Kurva Ignition Gambar 1 di bawah ini. Garis melengkung adalah garis kumpulan titik bakar pada tegangan tertentu terhadap arus tertentu pula.

Ignition Curve

Gambar 1

Berdasarkan kurva pada Gambar 1 dapat diambil  contoh ketika ada TRANSMITTER dengan 24Volt loop powered Non-IS berada pada Zone 0 dan beroperasi normal dari 4mA, 24Volt sampai 20mA, 24 Volt dan kita plotkan ke kurva Gambar 1 di atas maka hasil plot yang terjadi adalah aman-aman saja. Titik plotnya jauh di bawah garis bakar. Tetapi lain halnya jika ada lampu 35 Watt di lokasi Zone 0 tersebut. Arus yang dikirim ke lampu adalah 150mA dengan tegangannya adalah 230V. Jika arus 150mA dan tegangan 230V diplotkan ke kurva gambar 1 maka akan menembus garis ignition sehingga gas bisa beraksi dengan oksigen kemudian BLARR dan terbakar. Jadi Lampu TL 35Watt pada Zone 0 bagaimanapun juga tidak bisa konsep perlindungan intrinsic safety (Ex i) tetapi harus dengan perlindungan explosion proof (Ex d).

Dalam analogi terminologi reproduksi biologis Ex i (intrinsically safe) dapat dianalogikan sebagai upaya mencegah terjadinya ejakulasi dengan cara mengurangi asupan makanan berenergi (membatasi energi), sedangkan Ex d (explosion proof) dianalogikan sebagai konsep membiarkan terjadinya ejakulasi tapi diupayakan dan ditahan dalam kantong pelindung yang kuat dan tidak boleh bocor ke mana-mana (mengurung energi).

Kembali ke instrument Transmitter, bagaimana kejadiannya kalau temperature transmitter Non-IS beroperasi tidak normal di Zone 0? Apa yang terjadi? Gambar 2 adalah contoh Transmitter di zone 0, mengalami short circuit, berjarak 150 meter dari control panel, total wire resistance adalah 3 Ohm, power supply 24Volt, dan menggunakan resistor 250 ohm untuk merubah analog ke digital.

Short Circuit NonIs

Gambar 2

Arus short circuit adalah 94.86 mA, tegangan open circuit adalah 24 Volt. Titik plot tegangan dan arus pada Gambar 1 ke masih berada dalam zona aman kan? Iya betul masih aman. Jadi kesimpulan sementara meskipun Non-IS instrument dipasang pada Zone 0 meskipun beroperasi tidak  normal dengan adanya short circuit masih terlihat aman-aman saja.

Bagaimana kalau power supply berlebihan karena bocor (malfunction AC/DC Converter) sehingga power supply menjadi 100 Volt? Skema pada gambar dibawah ini

100VDCNonIS

Gambar 3

Dalam kondisi aneh tersebut maka arus short circuit yang mengalir ke transmitter adalah 395 mA, dan open circuit voltagenya dalah 100 Volt. Hasil plot pada kurva ignition pada Gambar 1 rangkaian ini akan BLARRR dan meledak. Untuk mengatasi hal tersebut nalar sederhana menurut imajinasi saya bisa diatasi dengan dipasang fuse 100 mA pada terminal Control Panel. Fuse 100 mA akan terputus ketika arus mencapai nilai tersebut sehingga arus tidak akan pernah pergi sampai ke transmitter di zone 0 yang penuh gas. Jadi kesimpulan sementara meskipun NON-IS menglami kondisi tegangan berlebihan tetapi kalau dipasang FUSE 100mA yang bisa memutus arus maka terlihat aman-aman juga. Nah, kenapa ada IS-IS an?

Tapi mungkin fuse sering gagal atau fuse saja dianggap tidak cukup karena ini adalah masalah safety (yang selalu penuh kekhawatiran) maka dibuatlah sesuatu yang lebih ketat penuh kontingency yang sangat konservatif dan perlu ada sesuatu untuk back-up.

Pertama dilakukan pengetatatan pada kurva Ignition pada Gambar 1 yaitu perkalian antara tegangan open circuit dan arus short circuit pada Instrument IS power maksimumnya adalah 1 watt. Ini adalah kontingency yang konservatif sekali karena kalau arus dan voltage yang powernya 1 watt diplot pada kurva ignition Gambar 1 maka hasilnya jauh dibawah garis ignition. Aman sekali. Jadi kalau misalnya tegangan open circuit pada transmitter adalah 24 Volt maka arus yang diperbolehkan adalah maksimum 41.67mA. Sangat jauh di bawah garis bakar. Kalau instrumentnya aneh-aneh seperti Radar, Coriolis, Turbine yang perlu daya lebih besar, coba dicek dayanya pada manufacture data sheet, kalau daya operasinya lebih dari 1 watt otomatis tidak bisa digunakan konsep pembatasan energi sebagai Intrinsically Safe Ex i.

Yang kedua Instrument dengan konsep IS diperlukan Back Up pengaman yaitu IS Barrier. Intrinsic Safety Barrier adalah nama rangkaian pembatas energi yang berfungsi membatasi voltage dan arus dari power supply sebelum dikirim ke field. Slogannya IS barrier adalah pembatas energi, sedangkan fuse adalah pemutus energi. Kalau masih bisa dibatasi kenapa harus diputus? Nah mungkin seperti itu aja alasannya kenapa fuse saja tidak cukup. Komponen IS barrier berupa Resistor, Dioda Zener, dan Fuse. Meskipun IS barrier sebagai pembatas energi tetap saja memerlukan fuse di dalamnya sebagai final solution. Skema rangkaian paling sederhana Intrinsically Safe Circuit dengan IS barrier digambarkan sebagai berikut (Gambar 4).

IS_Barrier

Gambar 4

Gambar 4 adalah rangkaian IS Circuit Analog Input 4-20mA yang di sederhanakan. Pada sisi kiri yaitu transmitter di hazardous area zone 0 disebut sebagai IS apparatus dan sisi kanan ada IS barrier di control room safe area disebut sebagai Associated Apparatus.

Transmitter (IS apparatus) mempunyai tanggung jawab agar dirinya tidak BLARRR maka pabrik akan mensyaratkan Vmax dan Imax yang bisa diterima oleh transmitter. Vmax dan Imax adalah tegangan dan arus maksimum yang bisa diterima transmitter sebelum memanas alias heating. Pendapat saya Vmax dan Imax harus dibawah garis gas ignition Kurva Ignition Gambar 1. Vn adalah tegangan normal dan In adalah arus normal.

IS Barrier (Associated Apparatus) mempunya tanggung jawab tidak menghasilkan tegangan Voc dan arus Isc yang akan dikirim ke transmiter melebihi Vmax dan Imax nya.  Voc adalah tegangan maksimum open circuit yang bisa dikeluarkan IS Barrier dalam kondisi fault. Isc adalah arus maksimum short circuit yang bisa dikeluarkan oleh IS Barrier dalam kondisi fault. Voc <= Vmax dan Isc <= Imax.

Rb adalah resistance yang diperlukan jika terjadi short circuit arusnya tidak melebihi Isc. Vz adalah tegangan breakdown dioda zener yang diperlukan sebagai pembatas tegangan agar tidak melebihi Voc. Jika supply tegangan melebihi Vz dioda zener maka arus yang semula diblock arus akan dilewatkan oleh dioda sehingga tidak ke field. Fuse adalah pemutus arus.

Sebagai simulasi kita punya transmitter dengan data manufaktur Vmax = 28Volt, Imax = 120 mA. Berapa power maksimum yang diperlukan? Ternyata di catalog disebutkan Pmax = 0.84 Watt. Lokasi pemasangan Hazardous Area Zone 0 Group apa? Group D Propane. Vmax dan Imax kita plotkan ke Gambar 1 dan kita dapatkan titik plot masih di bawah garis ignition Propane Group D, jadi masih aman. Perlu daya maksimum berapa? 0.84 Watt. Masih dibawah 1 watt jadi sungguh terlalu aman. (Note: Kalau liat kurva ignition Gambar 1 untuk Gas Group D maka power 3 watt saja menurut saya masih aman) Artinya transmitter (IS apparatus) sangat aman dipakai di hazardous area Zone 0.

Kemudian kita pilih IS barrier dengan ketentuan Voc <= Vmax, Isc <= Imax, dan transmitternya bisa menyala. Percuma juga kalau bikin banyak pembatas energi di IS Barrier kalau justru energinya tidak cukup untuk menyalakan transmitter. Kita pilihkan IS Barrier dengan Voc = 24 Volt < 28Volt dan Isc = 95mA < 120 mA maka masih memenuhi kriteria IS Barrier. Berapa tegangan break down dioda zener? Vz=Voc=25 Volt. Rb = 3 Ohm kita minta kecil saja karena pada ADC (analog to digital converter) sudah ada resistor 250 ohm. (Note: Angka-angka pada IS Barrier hanya contoh biar gampang, bukan liat catalog, jadi belum tentu dijual di pasaran).

Kondisi Faulty [Gambar 5]

IS_barrier_Fault

Gambar 5

Short circuit current actual I=93.75mA, open circuit voltage actual V=24 Volt maka sesuai Gambar 1 energinya tidak cukup untuk meng-ignite kebakaran.

Kondisi Supply Over Voltage 100V [Gambar 6]

IS_Barrier_100Volt

Gambar 6

Jika terjadi tegangan berlebihan karena kesalahan power supply dan sekaligus terjadi short di trasmitter maka menghasilkan arus short circuit actual 390mA, tegangan open circuit actual 100 Volt. Berbahaya sekali kalau nilai Voc dan Isc ini sampai transmitter. IS barrier menjalankan fungsi melindungi arus dan tegangan berlebihan pergi ke lingkungan hazard dengan cara Dioda zener akan break down pada 25Volt sehingga mayoritas arus langsung berbelok ke arah dioda zener begitu tegangan sampai 25Volt dan juga Fuse 100mA akan putus begitu arus naik sampai 100mA. Jadi tegangan tinggi 100V dan arus 390mA tidak akan pernah sampai ke field transmitter hazardous area Zone 0. Jadi Aman..Aman…Aman…

Yaa seperti itu sajalah imajinasi saya tentang IS Intrument dan IS Barrier yang diperlukan oleh instrument yang dipasang pada zona berbahaya Zone 0.

Note: Gambar daleman transmitter sebenarnya tidak cukup hanya diwakilkan sebagai adjustable resistor. Karena “Black Box” transmitter melibatkan beberapa komponen yang dirangkai sedemikian rupa yang bisa dilihat pada Gambar 4 artikel Rangkaian Sederhana 4-20 mA, Tapi Malah Aneh .

Batam, 19 June 2018

Nova Kurniawan

 

 

 

Advertisements

Rangkaian Sederhana 4-20 mA, Tapi Malah Aneh

Saya sedang mencari-cari simplified rangkaian analog instrument input (AI) yang bisa dinalar secara sederhana dengan hubungan Ohm Law V=IR dalam suatu proses transmisi signal 4-20 mA. Siapapun yang pernah sekolah SMP pernah mendapatkan materi Ohm Law pada pelajaran Fisika sehingga mudah untuk memahami rangkaian ini.  Ada beberapa ketentuan transmisi 4-20 mA loop powered yang disampaikan dalam artikel-artikel 4-20 mA.

  • Power 24VDC berada dalam satu rangkaian dengan Signal 4-20 mA
  • Perubahan nilai arus dari 4 mA sampai 20 mA dilakukan oleh transmitter yang merespond dari besaran sensor secara liner. Fungsi Transmitter adalah seperti Kran Air yang mengatur aliran air. Dengan analogi kran air komponen listrik yang bisa mengatur besar kecil arus adalah load Rtotal. Rtotal terdiri dari Load beban (r) aseli untuk menyalakan LCD, load yang diakibatkan oleh rangkaian internal dan Load Adjustable (R).
  • 1 core wire 1.5 Sqmm memiliki hambatan sebesar 3 Ohm / 1000ft atau 3 Ohm/ 300 meter.  Ambil sebagai contoh jarak Transmitter ke Control Panel karena muter-muter adalah 150 meter. Jadi jarak bolak-balik perjalanan arus dari (+) balike ke (-) adalah 300 meter. Jadi total resistant kabel adalah 3 Ohm.
  • Signal analog 4-20 mA oleh PLC/DCS tidak langsung diterima sebagai arus analog tetapi harus dirubah sebagai voltage untuk proses sampling digitasi selanjutnya dalam ADC (Analog to Digital Converter). Oleh karenanya perlu dipasang Resistor 250 Ohm agar diantaranya bisa diambil voltage 1V – 5V. Artinya 4mA = 1 Volt,…..dan seterusnya sampai……….,20mA = 5 Volt.

Schematic rangkaian sederhana 4-20mA Loop Powered adalah sebagai berikut pada Gambar 1

4-20mA_Basic_03

Gambar 1

Berapa range nilai R harus berubah untuk menghasilkan 4-20 mA..?

4 mA memerlukan   R = 5747 Ohm

20 mA memerlukan R = 947 Ohm

Sehingga dengan simulasi perubahan load resistansi pada transmitter berbanding linear dengan perubahan process variable dari Lower Range Value (LRV) sampai Upper Range Value (URV) maka dapat disimulasikan sebagai berikut:

MINIMUM Process Variable LRV 0% [Gambar 2]

4mA_Basic_02

Gambar 2

  • Transmitter akan menghasilkan nilai resistance yang equivalent dengan = 5747 Ohm.
  • Transmitter akan mengirimkan arus sebesar 4 mA
  • AI module pada PLC/DCS menerima 1 Volt
  • Tegangan pada terminal Transmitter adalah 22.98 Volt
  • Tegangan pada terminal Junction Box adalah 22.99 Volt  [Aneh…..?]
  • Tegangan pada terminal Control Panel adalah 23 Volt [Aneh………?]

MAKSIMUM Process Variable URV 100% [Gambar 3]

20mA_Basic_02

Gambar 3

  • Transmitter akan menghasilkan nilai resistance yang equivalent dengan = 947 Ohm.
  • Transmitter akan mengirimkan arus sebesar 20 mA
  • AI Module pada PLC/DCS menerima 5 Volt
  • Tegangan pada terminal Transmitter adalah 18.94 Volt   [Aneh………?]
  • Tegangan pada terminal Junction Box adalah 18.97 Volt  [Aneh………?]
  • Tegangan pada terminal Control Panel adalah 19 Volt      [Aneh………?]

Nilai-nilai yang saya tandai aneh adalah saya merasa masuk secara perhitungan tapi sepertinya tidak sesuai dengan aktual yang dijumpai di lapangan. Sehingga dalam posting blog kali ini justru saya ingin bertanya kepada rekan-rekan saya:

  1. Apakah rangkaian sederhana 4-20 mA loop powered di atas betul?
  2. Kalau tidak betul bagaimana betulnya yang berupa rangkaian sederhana dan mudah dipahami?
  3. Sepertinya masih ada yang berupa “Black Box” di dalam transmitter? Salah satu animasi yang pernah saya baca kutub positif (+) yang menghubungkan antara Kontrol Sistem dengan transmitter arusnya konstant 20mA. Sementara kutub negatif (-) yang berfluktuasi dari 4-20mA. Apakah seperti itu?

Nah pada akhirnya harus disampaikan bahwa internal transmitter yang berfungsi untuk mengatur arus tidak cukup hanya diwakilkan atau digambarkan oleh Adjustable Resistor saja. Tapi harus berupa rangkaian yang melibatkan beberapa komponen yang digambarkan sebagai daleman Transmitter pada Gambar 4 berikut dari buku Lesson in Industrial Instrumentation by Tony R. Kuphaldt:

4-20mA_Complicated

Gambar 4

Sayangnya ilmu ohm law pada pelajaran SMP dan bahkan SMA tidak cukup untuk mengevaluasi rangkaian pada Gambar 4. Ahh… sayang sekali….

Batam, 9-Jun-2018

Nova Kurniawan

 

Bukankah yang harus dihindari namanya Ground Fault?

Setelah memposting catatan pengingat saya tentang Ground Loop, saya juga mendapatkan pernyataan dan pertanyaan dari seorang rekan yaitu bukankah yang sering jadi masalah di lapangan proyek namanya adalah Ground Fault? Ground loop tidak pernah terdengar sebagai masalah.

Istilah ground fault lebih populer daripada istilah ground loop. Karena istilah ground fault adalah istilah electrical power yang tentu saja electrical power hadir lebih dulu dan lebih popular dibandingkan instrumentasi (yang hadir belakangan dan hanya untuk kalangan terbatas). Electrical itu adalah penanda zaman sementara instrumentasi tidak. Maksudnya electrical merupakan teknologi yang secara massive mengubah kehidupan manusia pada awal abad 20. Setelah electrical ada komputer (penanda zaman akhir abad 20) dan internet / IT (awal abad 21). Kata Jack Ma (Alibaba.com), penanda zaman berikutnya adalah Data Technology (DT). (Note: Makanya Go-Jek, Grab, Bukalapak… bisnis utamanya adalah ngumpulin Data =P)

Pengertian Ground Fault adalah arus yang lari ke ground padahal seharusnya jangan. Imajinasi mudahnya adalah jika kita memiliki alat elektronik kemudian pada enclosure / body-nya anda pegang nyetrum itu tandanya tidak diground. Namun demikian ketika dipasang ground pada alat elektronik tersebut dan arus mengalir ke ground bukan lagi ke anda maka namanya disebut ground fault, hasilnya tangan anda aman tidak kesetrum. Dalam perspektif safety, ground sudah menjalankan fungsi keamanan, dalam perspektif elektrik alat ini harus diperbaiki karena arus yang seharusnya untuk menghidupkan beban (lampu, kipas angin, dst) justru dimakan oleh ground namanya Ground Fault.

Perhatikan Gambar 1 berikut, apa bedanya Ground Fault, Ground Loop, dan Short Circuit?

CleanDirtyEarth1

Gambar 1

Short Circuit adalah arus yang mencari dan ketemu jalan terpintas untuk kembali sebelum melewati beban. Kejadiannya adalah antara wire 1 dengan 2 atau (+) dengan (-) pada bagian hitam Gambar 1. Arus pada 1 (+) yang seharusnya berjalan sampai ke beban (transmitter) ternyata belum sampai beban sudah bisa ketemu jalan balik 2 (-) kembali ke sumber maka disebut short circuit (arus pintas… menurut saya kurang tepat disebut arus pendek). Arus yang kembali ke common (-) tanpa melewati beban (R design pada transmitter) yang seharusnya tapi hanya melewati kabel (R kabel kecil) menyebabkan arusya masih besar dan bisa menjebolkan fuse pada kontrol kabinet. Kejadian short circuit bisa terjadi di terminal transmitter, di gland, di kabel, di JB, atau di kontrol kabinet sendiri. Megger core to core mengeliminir short circuit.

Ground Loop sudah didefinisikan di catatan sebelumnya yaitu bertemunya si hijau (clean earth IE) dengan si merah (dirty earth PE) pada 2 lokasi atau lebih. Hijau dan merah boleh ketemu di satu titik paling ujung. Megger screen (seharusnya disebut drain wire) to armour dan screen to ground mengeliminasi ground loop pada kabel.

Ground Fault adalah arus yang bocor ke ground baik sebelum atau sesudah melewati beban. Kejadiannya adalah persentuhan antara core 1 (hitam +) dengan clean earth (hijau) dan atau dengan dirty earth (merah). Persentuhan antara core 2 (hitam -) dengan clean earth (hijau) dan atau dengan dirty earth (merah). Megger core to screen (drain wire), core to armour, dan core to ground mengeliminasi ground fault pada kabel. Bagaimana mendeteksi ground fault? Cara tradisional tau ada ground fault adalah ketika terminal 2 (-) dengan ground tidak menunjukkan 0V. Kalau ground faultnya terjadi pada wire 1 (+) maka arus semua / sebagian akan langsung dimakan ground (R-nya kecil) sebelum terkena beban. Sehingga arusnya jadi besar…fuse-nya di kontrol kabinet jebol. Kalau ground faultnya pada wire 2 (-) artinya arus sudah melewat beban transmitter (R besar) arus sesuai design requirement, maka fuse tidak jebol tapi arus kemudian tidak balik melalui common (-) tapi semua / sebagian belok ke ground sehingga kontrol kabinet tidak menerima respond signal. Ada yang bilang antara 2 (-) terhadap ground terjadi beda potensial jadi ada voltage. (Need opinion benar atau tidak……..? mungkin kebalik?. Namun ada kawan saya yang juga bilang adanya beda potensial (voltage) antara common (-) dengan ground tidak bisa dijadikan patokan adanya arus bocor suatu rangkaian tertentu ke ground. Yang saya tangkap dari argumen kawan tersebut bahwa ground bisa punya potensial dari manapun juga dari tempat lain bukan sekedar bocoran dari rangkaian ini….hmm posisi berfikir, saya belum sempat membuktikan).

Cara offline cari ground fault yaitu mengukur resistant (+) terhadap ground dan atau mengukur (-) terhadap ground maka hasilnya harus infinity / tak hingga artinya tidak ada sentuhan sama sekali. Kalau ada value OHM antara (+) terhadap ground atau (-) terhadap ground maka dipastikan akan terjadi ground fault.

Transmitter bahkan kontrol kabinet bukanlah alat elektrikal seperti distribution board yang memiliki ground fault monitor. Jadi harus dicari.

Batam, 06-Jun-2018

Nova Kurniawan

 

Instrument Clean Earth (IE) dan Protective Dirty Earth (PE), Mengapa harus berpisah?

Pada catatan posting blog sebelumnya tentang ground loop menimbulkan pertanyaan dari seorang rekan apakah IE dan PE wajib dipisah atau boleh disatukan pada satu ground referensi?

Jawaban instannya menurut saya (pendapat pribadi) adalah dalam rangkaian loop Instrument dan kontrol yang saling terhubung sebaiknya IE tidak pernah ketemu dengan PE atau harus berpisah secara total termasuk masing-masing komponen-komponennya sampai pada satu titik di pusat atau paling ujung yaitu di struktur di mana IE digrounded menjadi satu dengan struktur PE. Jadi IE tidak disatukan dengan PE tapi mau tidak mau menyatu karena terakhirnya nempel di struktur bangunan yang sama untuk kasus offshore platform. (Note: Saya belum punya pendapat untuk onshore plant bagaimana IE dan PE berakhir pada grounding rod-nya. Mungkin berakhir pada tanah yang satu.. tanah tumpah darah Indonesia =P).

Tujuannya dipisah adalah kembali ke artikel sebelumnya yaitu dilarangnya IE ketemu PE kecuali 1 diujung. Kalau IE ketemu PE pada 2, 3, 4, dst point maka siap-siap noise akan menyerang (efek ground loop).

Grounding dalam instrumentasi dibagi 2 secara umum yaitu yang pertama Dirty Earth atau Protective Earth (PE) adalah pengaman yang berfungsi untuk melindungi device dari short circuit atau adanya arus berlebihan yang bocor sehingga instrument aman tidak terbakar. Yang kedua adalah Clean Earth atau Instrument Earth (IE) adalah pengaman yang berfungsi melindungi signal instrument dari gangguan yang disebabkan oleh interferensi electromagnetik atau induksi elektromagnetik sehingga signal yang dikirim tidak ada noise. Instrument Earth (IE) dikelompokkan menjadi 2 yaitu Non IS Instrument Eart (NIS-E) dan IS Instrument Earth (IS-E).

Skematik PE dan IE secara garis besar digambarkan sebagai berikut (Gambar 1).

CleanDirtyEarth1

Gambar 1

Setiap komponen dari Transmitter, Glands, Cables, Junction Box, dan Kontrol Kabinet mendukung fungsi salah satu sebagai berikut: signalling 4-20 mA, interference / noise fighting (clean earth IE), dan keamanan / electrical safety (dirty earth PE).

Transmitter

Ketika transmitter sudah digland dan diterminasi maka akan tampak fungsi masing-masing komponen sebagai berikut. Kabel pair angka 1 dan 2 yang diterminasi pada terminal berfungsi untuk membawa signal 4-20mA. Kabel drain wire / shield wire / screen wire (note: saya sering menyebutnya sebagai drain wire) adalah bagian dari instrument clean earth (IE) (note: yang berwarna hijau) yang berfungsi mengurangi noise. Sedangkan body transmitter dan cable gland adalah bagian dari dirty earth (PE) (Note: yang berwarna merah) yang berfungsi untuk electrical safety / pengaman short circuit. Hijau dan merah tidak boleh bertemu. Oleh karena itu drain wire hijau perlu dikondomin di dalam transmitter karena tidak dikondomin dari pabrik. Kenapa tidak? Karena drain wire harus bersentuhan dengan screen di sepanjang kabel di dalam inner sheath. Ketika inner sheath dikupas, screen aluminium foilnya juga terkupas, masuk ke transmitter maka drain wire akan telanjang dan harus dikondomin dan diisolasi supaya tidak bertemu PE. Kalau drain wire (hijau) ketemu PE di body transmitter maka si hijau akan grounded dan terjadilah efek ground loop.

Cable Gland

Cable gland (normalnya adalah conductive metalik material seperti Stainless Steel, Brass, atau Brass Nickel Plated) yang berfungsi untuk mengikat kabel dengan equipment adalah bagian dari dirty earth (PE). Cable gland harus nyambung atau fully contact dengan dirty earth (PE). Untuk memastikan fully contact, ketika ulir laki-laki gland bisa kawin dan digigit ulir perempuan transmitter maka itu pasti fully contact. Agar lebih kontak lagi maka jika diperlukan bisa dipasang gland accessories yaitu Earth Tag. Earth Tag memiliki sambungan baut yang bisa dipasang kabel untuk menyambungkan ke body transmitter dan atau ke struktur (earth boss / earth plate). Earth Tag, Cable Gland, dan Body Transmitter harus continue ke struktur sebagai dirty earth PE. Gland sebagai dirty earth (PE) tidak boleh ketemu clean earth (IE) yaitu si hijau drain wire dan screen. Ketika teknisi motong inner sheath kependekan maka ada kemungkinan drain wire / screen aluminium foil menyentuh gland. Akibatnya clean earth tergrounded karena IE nyentuh PE. Jangan sampai terjadi karena efek ground loop bisa menyerang signal instrument.

Instrument Cable

Instrument cable setidaknya menjalankan 3 fungsi utama: pertama transfer signal pada pairs / cores cabe conductornya, yang ke-2 menjalankan fungsi noise fighting pada shielding systemnya, dan yang ke-3 adalah menjalankan fungsi keamanan listrik pada armournya. Armour juga menjalankan fungsi mechanical protection. Bagian lain yaitu insulation, inner sheath, dan outer sheath merupakan jaket untuk mengisolasi antar bagian lapisan kabel dan antara internal kabel dengan lingkungan serta pertahanan terhadap kebakaran. Untuk lebih jelas daleman kabel instrument bisa dilihat pada posting saya sebelumnya The Best Image of Instrument Cables; I think..

Khusus untuk topik grounding, di dalam kabel instrument terdapat shielding system yang terdiri atas aluminium foil dan drain wire, keduanya menjalankan fungsi sebagai instrument clean earth (IE). Di dalam kabel juga terdapat armour yang menjalankan peran sebagai dirty earth (PE). Shielding dan Armour tidak boleh bertemu. Lokasi shielding di dalam inner sheath, sedangkan lokasi armour di luar inner sheath. Sehingga fungsi inner sheath membatasi IE dan PE biar tidak ketemu. Kalau terjadi IE dan PE ketemu karena inner sheath rusak maka potensi terjadi efek ground loop yaitu potensi timbulnya noise.

Armour sebagai PE harus ketemu dan berikatan dengan cable gland dan fully contact. Armour, cable gland, dan body transmitter sama-sama dirty earth (PE) dan digrounded ke struktur. Sedangkan drain wire (shield) sebagai clean earth (IE) di dalam kabel hanya lewat saja dalam gland dan masuk ke Instrument Junction Box ke terminal.

Junction Box

Sebelum masuk junction box kabel digland dulu di JB entry. Seperti dibahas sebelumnya gland adalah PE, body Junction Box adalah PE yang digrounded juga, maka Gland dan JB harus menyatu. Bagaimana gland nempel dan menyatu pada junction box? Pertama harus diketahui dulu tipe junction box-nya. Kemungkinan tipe JB-nya adalah:

  • Junction Box Steel yang tebal (Ex d) yang bisa ditapping dan memiliki thread / ulir sehingga gland tinggal dimasukkan di kawinkan ke dalam lubang JB berulir maka mereka sudah saling menggigit. Kalau diragukan gigitannya maka perlu ditambah earth tag untuk disambung kabel ke struktur menjadi PE.
  • Junction Box Ex e yang tipis terbuat dari non-metalik material seperti fiber tidak bisa dibuat thread / ulir. Lubang untuk gland di JB mulus aja. Padahal hukumnya wajib bagi gland menggigit JB untuk kekuatan dan kontinuity dengan PE. Solusinya adalah pemasangan accesories gland yaitu earth tag yang disambung ke struktur sehingga gland tersambung menjadi PE.
  • Junction Box Ex e yang tipis terbuat dari metalic material stainless steel atau painted carbon steel. Tipe JB tipis ini juga tidak bisa dibuat thread/ ulir maka gland dan JB disatukan dengan dijepit dengan locknut. Untuk JB painted carbon steel ada cat yang menjadi isolator bersatunya gland dengan JB sehingga perlu diberikan serrated washer untuk mengoyak cat penghalang bersatunya gland dan JB. Meskipun banyak juga yang ragu kemampuan serrated washer untuk mengoyak cat (padahal bisa diukur konduktifitasnya) karena tujuan serrated washer dibuat adalah untuk menahan vibrasi bukan ngoyak cat. Option terakhir kalau masih kurang yakin maka dipasang earth tag untuk menyambung gland ke struktur sehingga gland dan JB bersatu tersambung ke PE.

Kabel konduktor signal masuk ke terminal dan diterminasi sedangkan drain wire shield (IE) harus dikondomin dulu agar tidak bersentuhan dengan body junction box (PE) baru kemudian drain wire shield diterminasi ke terminal. Kalau tidak dikondomin dan bersentuhan dengan body maka game over lagi potensi terjadinya efek ground loop yaitu noise. Hati-hati menghitung jumlah terminal jangan sampai tidak muat alias terminalnya kurang.

Drain wire shield dari field instrument bertemu masing-masing satu-satu dengan drain wire shield dari multipair kabel (analog or continous purpose) atau bertemu secara poligami yaitu banyak drain wire shield dari banyak field instrument dijumper dulu baru diketemukan dengan satu shield dari multipair kabel (digital or discrete purpose) (note: saya meragukan fungsi shielding utk DI/DO dari limit switch, dry contact relay, dan solenoid).

Body JB, Gland, dan Gland Plate pada JB adalah bagian dari instrument yang tersambung ke Dirty Earth PE.

Kontrol Kabinet / Panel

Kabel memasuki kontrol Kabinet normalnya dari atas panel atau jika raised floor dari bawah panel. Gland, armour, dan earthing tag perlu diasembly sedemikian rupa untuk memastikan mereka tersambung dengan body panel dan tersambung dengan dirty earth PE bar. Instrument clean earth IE yaitu screen dan drain wire tidak boleh sama sekali menyentuh apapun komponen PE. Screen aluminium foil dipotong yang rapi dan diheatshrink jangan sampai menyentuh gland ataupun panel. Sedangkan drain wire dikondomin (biar gak ada yang nyentuh dia) kemudian di terminasi di IE bar dalam kontrol panel/kabinet. Lagi-lagi kalau IE menyentuh PE maka potensi terjadi efek ground loop.

Di dalam kontrol room di mana kontrol kabinet berada harus disediakan PE dispatcher dan IE dispatcher. Kabel dari PE bar disambung ke PE dispatcher dan kabel dari IE bar disambung ke IE dispatcher. Dari masing-masing dispatcher kemudian ditarik kabel ke struktur. Kalau untuk offshore platform ditarik kabel ground masing-masing ke Leg below lower deck. IE dispatcher ditarik kabel ke below lower deck dan disambung ke struktur dengan cald weld. PE dispatcher ditarik kabel ke below lower deck sisi yang lain dan disambung ke strukture dengan caldweld juga. Jadi pada hakikatnya IE dan PE tidak diketemukan tetapi karena nempel di struktur yang sama maka mereke jadi satu juga di satu titik terakhir ini. Titik ini adalah satu-satunya IE digrounded, tidak boleh di tempat lain.

Batam 04-Jun-2018

Nova Kurniawan

Apakah Instrument Ground Loop harus dihindari?

Seorang instrument technician yang baru terjun ke proyek mendapatkan tugas untuk melakukan terminasi pada instrument di lapangan (transmitters, valves), ia diperintahkan untuk TIDAK menyambung / menterminasi drain wire shield ke terminal tetapi membungkusnya dengan tape (Gambar 1)

NoGroundLoop-Normal

Gambar 1

Kemudian instrument technician ini balik bertanya kenapa drain wire shield di field instrument tidak di konek tapi malah di isolasi dengan tape? Jawaban yang paling top markotop, paling fancy, paling cool adalah menghindari GROUND LOOP.

(Ground yang kita bicarakan di sini adalah bagian dari pada instrument earth (clean) contoh kasus di sini adalah Non-IS Earth. Note: Instrument Earth (clean) IE berfungsi melindungi sinyal dari induksi elektromagnetik. Sedangkan Protective Earth (dirty) PE melindungi Instrument dari arus berlebih karena short circuit).

Apa itu ground loop? Banyak artikel bahasa inggris, tetapi artikel berbahasa Indonesia yang ada di google tentang ground loop mayoritas ditulis oleh praktisi sound system (ahli sound studio musik, sound system konser musik, dll) dan praktisi video (ahli CCTV, ahli cinema, ahli TV dll). Menurut praktisi sound system ground loop ditandai dengan timbulnya bunyi noise ‘hummm…ngunngggg’ pada sistem audio mereka. Sedangkan lain lagi menurut praktisi video ground loop divisualkan gambar di video yang selalu scroll atau gambarnya bergerak-gerak. Intinya ground loop adalan loop yang menimbulkan noise / gangguan.

Bagaimana praktisi instrumentasi mendeskripsikan ground loop? Menurut imajinasi saya efek ground loop divisualkan dengan gangguan penerimaan sinyal oleh sistem kontrol yang fluktuatif, tidak stabil naik-turun (misal 12.3 mA, 12 mA, 11.7 mA..terus berubah) karena adanya noise / gangguan, padahal sinyal yang dikirim atau diinjeksikan dari transmitter cukup stabil (misal 12 mA).

GroundLoop-Normal

Gambar 2

Kurang lebihnya secara definisi instrument ground loop adalah loop yang menyebabkan timbulnya gangguan pengiriman sinyal dari transmitter ke sistem kontrol (PLC/DCS) atau sebaliknya. Gangguan timbul karena adanya arus lain mengalir pada shield wire (drain wire) yang cukup menimbulkan efek induksi magnetik pada kabel yang membawa data / sinyal utama. Arus mengalir diakibatkan oleh adanya beda potensial karena shield drain wire terhubung ke grounding pada 2 lokasi berbeda yang terpisah jarak (Gambar 2).

Sehingga engineering normalnya memberikan instruksi salah satu 1 saja shield drain wire yang disambung ke ground yaitu di sisi control cabinet, sedangkan sisi lainnya yaitu di field difloating. Kemudian shield drain wire di kontrol kabinet dikumpulkan ke instrument earth dispatcher (Gambar 1). NIS berkelompok dengan NIS, IS berkelompok dengan IS.

Apakah ground loop menimbulkan efek pada DI/DO 24 VDC? Menurut saya tidak akan terlalu ngefek atau bisa dikatakan tidak ada efeknya. Emang sebesar apa induksi elektromagnetik nya yang bisa menyebabkan supply 24VDC bisa berubah jadi 25VDC, 23VDC misalnya ke solenoid? Lagian kalaupun berubah jadi 23 VDC juga gak apa-apa-apa solenoid masih bisa berfungsi. Apalagi DI dari Switch atau Dry Contact yang hanya berurusan dengan open-contact basically menurut saya tidak ada efeknya ke ground loop. Kemudian kalau ada pertanyaan misalnya kenapa di dalam limit switch pada valve drain wire shieldnya juga di coil and tape? menurut saya itu hanya untuk keseragaman saja.

Nah, umumnya teknisi instrument yang berpengalaman sudah hafal betul bahwa shield drain wire di field instrument tidak dikonek hanya coil and tape (Gambar 1). Tetapi ada kasus terjadi ground loop bukan karena human error dari instrument technician tetapi karena problem dari gambarnya yang menimbulkan orang konstruksi salah.

Contoh ada Instrument Junction Box yang menjadi interface antara Field Instrument di lapangan dengan sistem kontrol kabinet di kontrol room. Di dalam JB dipasang 2 earth bar. 1 earth bar untuk clean instrument earth NIS-E dan 1 earth bar untuk dirty ground PE. Kejadian seperti ini menimbulkan kebingungan. PE disambung ke body dan ke struktur, NIS-E disambung ke mana? Pemasangan Instrument Earth Bar di dalam JB karena “kecelakaan” saja yaitu terminal dalam Junction Box tidak muat untuk terminasi shield drain wire (kabelnya kebanyakan) sehingga engineering menambahkan instrument earth bar NIS-E (Gambar 3). Karena NIS-E tidak boleh dikonek ke PE maka dibikinkan dispather atau boss tersendiri utk sambungan NIS-E. Yang terjadi adalah ini seperti Gambar 3 yang berpotensi terjadinya ground loop. Karena syarat-terjadinya ground loop terpenuhi yaitu 2 grounding terhubung menjadi loop. Solusinya adalah tidak perlu ditarik kabel ground dari NIS-E Junction Box ke dispatcher / boss. Biarkan NIS-E hanya berfungsi sebagai pengganti terminal menghubungkan semua Shield drain wire clean earth.

GroundLoop-JBEarthBar

Gambar 3

Nah, agak lain tapi mirip bagaimana kejadiaanya kalau seperti Gambar 4 berikut? Instrument Clean Earth NIS-E disatukan pada satu Instrument Earth Bar dispatcher NIS-E di kontrol room. Dulu kawan-kawan saya dan saya juga bilang bahwa ini berpotensi terjadinya ground loop. Tetapi sekarang saya berubah pikiran bahwa Gambar 4 tidak berpotensi terjadinya ground loop karena menurut saya alasan pertama instrument earth hanya mempunyai 1 titik ground sehingga potensi beda potensial antar ground tereliminasi. Alasan kedua jika terjadi induksi magnetik (misal karena kabel elektrikal yang berdekatan) maka induksi tersebut akan langsung habis dimakan oleh tanah melalu drain wire yang terhubung NIS-E dispatcher tanpa membuat efek fluktuasi pada sinyal.

GroundLoop-NISBar

Gambar 4

Kemudian jika ada package vendor yang memiliki Local Control Panel dan pasti di dalamnya ada Instrument Earth Bar NIS-E. Apakah akan dibuat dedicated Instrument Earth (NIS-E) Dispatcher / Boss untuk Local Control Panel (Gambar 5) tersebut yang penting terpisah dari PE?. Menurut saya jangan dilakukan pemberian earth boss sendiri utk LCP, karena jadinya akan ada 2 tempat pelepasan instrument ground NIS-E (di Local Panel dan Kontrol Kabinet kontrol room) sehingga potensi menimbulkan ground loop. (Note: meskipun saya tidak melihat hubungan loop dari field sampai kontrol kabinet. Tapi ada LINK komunikasi data dari Local Control Panel ke Control Cabinet sehingga potensi menjadi loop). Sebaiknya instrument clean earth disatukan saja menuju 1 dispatcher NIS-E di kontrol room (Gambar 6).

GroundLoop-LCP

Gambar 5

Nah seperti ini sebaiknya istrument clean earth NIS-E dari Local Control Panel harus tetap ditarik kabel menuju 1 dispatcher NIS-E di kontrol room sehingga mencegah ground loop (Gambar 6).

NoGroundLoop-LCP

Gambar 6

Jadi rule of thumbnya adalah jika bertemu dengan Instrument Earth di manapun di semua lokasi harus dikumpulkan ke satu dispatcher di kontrol room. Kalau nggak muat ya beberapa instrument dispatcher kemudian dijumper / dikasih link. NIS dikumpulkan sesama NIS kemudian dikonek ke strukture dan IS dikumpulkan sesama IS baru dikonek ke struktur. (Instrument Earth (IE) terdiri dari Non IS – Earth (NIS-E) dan IS-Earth (ISE). Kenapa NIS dan IS perlu dipisah? sebaiknya di topik tersendiri)

Biasanya ada pertanyaan pada akhirnya Instrument Earth (clean) IE dari dispatcher disambung juga ke struktur earth boss demikian juga electrical PE (dirty) langung ke struktur atau dari dispatcher disambung ke struktur pake earth boss maka akan ketemu juga nyambung dirty dan clean di struktur? Kenapa repot-repot dipisah toh akhirnya nyatu juga? Jawabannya sekedar menurut saya lho sebagai berikut tujuan utama instrument clean earth dipisah dari PE adalah agar instrument earth tidak terkontaminasi PE dan bisa dikumpulkan dalam 1 titik ground dispatcher dan digrounded ke structure. Yang paling penting dari IE adalah one point ground. Tetapi kalau diabaikan yaitu clean instrument earth IE tidak dipisah dengan PE dan banyak ketemu PE di mana-mana (note: PE itu bisa berupa apa saja kabel ground elektrik, gland, earth tag, body panel, body JB, Frame Skid, Enclosure equipment, struktur, support..semua itu PE karena harus nyambung dengan tanah) di berbagai tempat maka titik instrument ground jadi banyak….ada di banyak titik (bukan lagi one point ground). Setiap IE nyentuh PE maka jadi nyambung jadi titik ground. Maka yang terjadi adalah begitu ada beda potensial pada ground maka efek ground loop akan mengganggu instrument.

Menjawab pertanyaan judul apakah ground loop perlu dihindari? Menurut teori jawabannya iya harus dihindari selama engineering dan konstruksi. Dalam dunia riil pada plant yang sudah bertahun-tahun operasi seberapa parahkah efek mengganggunya sehingga perlu berhati-hati mendesain dan memasang grounding instrument? Somebody else need to help me to tell.

Batam, 01-Jun-2018 (Hari Lahir Pancasila)

Nova Kurniawan