FINAL CONTROL OPERATION SIGNAL CONVERSION ACTUATOR FINAL CONTROL ELEMENT

PROCESS CONTROL SYSTEM

FCE Actuator Signal Conversion

SIGNAL CONVERSION ANALOG ELECTRICAL SIGNAL Current (4 – 20) mA Voltage (0 – 5) V DIGITAL ELECTRICAL SIGNAL 4-bit word PNEUMATIC SIGNAL Pressure (3 – 15) psi

ANALOG ELECTRICAL SIGNAL RELAY  ON/OFF CONTROL Electromechanical Relay Solid State Relay (SCR, TRIAC) AMPLIFIER  PROPORTIONAL CONTROL Motor control Heat control Light-level control MOTOR CONTROL Control motor speed

Contoh Soal 4.1 Sebuah penguat magnetik (magnetic amplifier) memerlukan input sebesar tegangan 5 – 10 volt. Besarnya input tegangan ini ditentukan oleh sinyal kontrol yang besarnya 4 – 20 mA. Rancang suatu signal conversion system yang dapat digunakan untuk keperluan ini. Signal Conversion System 4– 20 mA 5 – 10 V Magnetic Amplifier Controller Jawab : Signal Conditioning Current to Voltage Converter Current Voltage Voltage Amplifier Voltage

Summing Amplifier Current to Voltage Converter Vin Inverting Amplifier

Latihan Soal 1 Sebuah sinyal kontrol 4 – 20 mA yang dibebani oleh tahanan sebesar 100  akan digunakan untuk menghasilkan suatu sinyal penggerak motor (motor drive signal) sebesar 20 – 40 V. Bila tersedia sebuah penguat daya dengan penguatan 10 dan sanggup menghasilkan tegangan sebesar 0 – 100 V, rancang suatu signal conversion system yang dapat digunakan untuk keperluan ini.

DIGITAL ELECTRICAL SIGNAL ON/OFF CONTROL 0 atau 1 (1-bit word) Change speed Move up and down SMOOTH CONTROL N-bit word Valve positioning Digital to Analog Converter (DAC)

a).Hitung daya disipasi minimum dan maksimumnya. Contoh Soal 4.2 Sebuah sinyal digital 4–bit word akan digunakan untuk mengontrol 2- resistive heater. Output panas (daya disipasi) yang dihasilkan oleh pemanas ini tergantung pada inputnya yang berupa tegangan sebesar (0–24) volt. Untuk itu dipakai sebuah 10-volt DAC, sebuah penguat dan sebuah unity gain high-current amplifier. a).Hitung daya disipasi minimum dan maksimumnya. b).Berapa perubahan daya disipasi yang terjadi untuk setiap perubahan LSB (Least Significant Bit). Jawab : DAC A1 A2 = 1 (0 – 24)V 4-bit word V01 Pout Vi V02 Heater 2-

minimum Vi = 0000 maksimum Vi = 1111 4-bit N = 16

Latihan Soal 2 Sebuah motor yang dikendalikan oleh sinyal digital dapat menghasilkan kecepatan putar sebesar 200 rpm per volt. Kecepatan putar minimum terjadi bila inputnya 5 volt dan kecepatan maksimum terjadi bila inputnya 10 volt. Bila digunakan 5-bit, 15 volt reference DAC, tentukan : a).Minimum speed word dan maximum speed word b).Speed change per LSB change

PNEUMATIC SIGNAL Pneumatic Amplifier Pressure (low)  Pressure (high) Flapper/Nozzle System Mechanical (distance)  Pressure Current-to-Pressure Converter (4 – 20) mA  (3 – 15) psi

Pneumatic Amplifier

Flapper/Nozzle System

Signal pressure versus gap distance

Current to pressure converter (I/P)

ACTUATOR ELECTRICAL ACTUATOR Solenoid Electrical Motor DC Motor AC Motor Induction Motor Stepper Motor PNEUMATIC ACTUATOR HYDRAULIC ACTUATOR

Electrical signal  Translational movement SOLENOID Electrical signal  Translational movement

Solenoid used to change gears

Electrical signal  Rotational movement DC MOTOR Electrical signal  Rotational movement

Starting torque Speed control Starting torque Speed control

AC MOTOR

INDUCTION MOTOR

STEPPER MOTOR

PNEUMATIC ACTUATOR

HYDRAULIC ACTUATOR

Latihan Soal 3 Sebuah stepper motor mempunyai step sebesar 7,5o. Hitung kecepatan putar (rpm) yang dihasilkan bila mendapat input berupa pulsa-pulsa dengan laju 2000 pps.

Latihan Soal 4 Suatu sistim hidrolik menggunakan piston-piston berdiameter 2 cm dan 40 cm. Berapa gaya yang harus diberikan pada piston yang lebih kecil agar piston yang lebih besar dapat mengangkat beban bermassa 500 kg.

Latihan Soal 5 Suatu pneumatic actuator yang mendapat input 9-psi diinginkan dapat membuka feed hopper yang memerlukan gaya sebesar 30 lb. Berapa luas diafragma yang diperlukan ?

FINAL CONTROL ELEMENT MECHANICAL ELECTRICAL FLUIDS VALVE Solid Material Hopper Valve Paper Thickness ELECTRICAL Motor Speed Control Temperature Control FLUIDS VALVE Control-Valve Principles Control-Valve Types Control-Valve Sizing

Mechanical final control element – Hopper valve

Mechanical final control element – Movable roller

Electrical final control element – Motor Motor Speed Control Load , supply voltage level, magnetic field Electrical final control element – Motor

Electrical final control element – Motor (Intermediate) FCE Electrical final control element – Motor (Intermediate)

Electrical final control element – Electrical heater FCE Electrical final control element – Electrical heater

CONTROL-VALVE PRINCIPLES Bernoulli : Constriction constant : - Valve size Geometrical structure Fluid

Contoh Soal 4.6 Pada suatu pipa berdiameter 5 cm terdapat control-valve dengan constriction constant sebesar 0,009 m3/s per kPa½. Pada saat terbuka penuh (maksimum) hitung kecepatan fluida yang mengalir bila beda tekanan (pressure-drop) pada control-valve tersebut adalah 1,1 psi (1 psi = 6,895 kPa). Jawab :

Control-Valve Characteristic Stem position, S Flow rate, Q

CONTROL-VALVE TYPES

CONTROL-VALVE TYPES

Q4 Q3 Q2 Q1 Equal percentage ?

Contoh Soal 4.7 Suatu equal percentage valve mempunyai debit maksimum sebesar 50 m3/s dan debit minimum sebesar 2 m3/s. Bila full travel dari stem adalah 3 cm, hitung debitnya pada saat stem position 1 cm (1-cm opening). Jawab :

CONTROL-VALVE SIZING Q Debit [gallons per minute, gpm] Cv Flow coefficient of control-valve p Pressure drop [psi] SG Specific gravity Cv ( valve capacity, correction factor) adalah banyaknya debit air dalam gallon per minute yang mengalir melalui control valve dalam keadaan terbuka penuh (fully open) bila diberi beda tekanan sebesar 1 psi.

Control-Valve Size and Flow Coefficient Valve Size [inches] CV ¼ 0,3 ½ 3 1 14 1 ½ 35 2 55 108 4 174 6 400 8 725

Contoh Soal 4.8 Cairan ethyl alcohol dengan berat jenis sebesar 0,8 akan dipompa dengan tekanan maksimum sebesar 50 psi. a) Hitung kapasitas dari suatu control-valve yang mampu mengalirkan cairan ini dengan debit sebesar 150 gpm b) Tentukan ukuran control valve yang sesuai Jawab : Ukuran control-valve = 1½ in = 3,8 cm

FLUID CONTROL EXAMPLE

Latihan Soal 6 Tentukan ukuran control valve yang sesuai untuk memompa cairan dengan debit sebesar 600 gpm dengan perbedaan tekanan maksimum 55 psi. Berat jenis cairan adalah 1,3.

Latihan Soal 7 Sebuah equal percentage control valve mempunyai rangeability sebesar 32. Bila debit maksimum adalah 100 m3/hr, hitung debitnya pada bukaan 2/3 dan bukaan 4/5.

Latihan Soal 8 Tinggi air yang akan dikontrol adalah 20 m dan debit output yang melalui control valve pada keadaan normal adalah 65 m3/hr, seperti terlihat pada gambar di bawah ini. Tentukan ukuran control valve yang sesuai.

Latihan Soal 9 Pada latihan soal 8 di atas, valve actuator mempunyai rangeability sebesar 30 dan maximum stem travel sebesar 5 cm. Pada keadaan normal control valve dibuka separuh. Tentukan debit minimum, debit maksimum dan stem opening untuk debit sebesar 100 m3/hr.

Latihan Soal 10 Sebuah quick opening valve berubah dari tertutup penuh ke terbuka penuh dalam 5 putaran poros. Porosnya digerakkan oleh stepper motor dengan 3,6o per step melalui reducer 10:1. Bila laju pulsa input maksimum pada stepper motor adalah 250 pps, hitung waktu tercepat yang dibutuhkan untuk membuka control valve dari tertutup penuh menjadi terbuka penuh.

Latihan Soal 11 Sebuah control valve beroperasi dari sinyal kontrol 3 – 15 psi. Agar diperoleh debit sebesar 40 gpm, nyatakan besarnya sinyal input (dalam psi dan %) bila control valvenya adalah : a). Linier dari 0 ke 90 gpm b). Equal percentage dengan R = 30 dan Qmin = 15 gpm