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 kurva arus dan tegangan yang dapat menimbulkan percikan dan memicu gas bereaksi dengan oksigen sehingga terbakar. Kurva titik-titik bakar 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 akibat arus dan tegangan tersebut 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 diterapkan 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. Maka 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

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: