EZ-Japan BLOG since 2017 真・MFC千夜一夜物語

EZ-Japanブログは、真・MFC千夜一夜物語という流体制御機器=マスフローコントローラ(MFC)の解説記事をメインに、闘病復帰体験、猫達との生活が主なコンテンツです

真・MFC千夜一夜物語(第2期)

真・MFC千夜一夜物語 第308話 MFCとは不思議な存在 その8

【お知らせ】

今まで本ブログは、"EZ-Japan BLOG since 2017”と "真・MFC千夜一夜物語”@niftyココログ版の2つで同時連載進行を行って参りましたが、既に告知の通り2019/5/11をもって@niftyココログ版の方を終了させていただきました。こちらのブログ"EZ-Japan BLOG since 2017"版での連載は、変わらず続けて参りますので、どうか千夜一夜=1001話にたどり着く迄、宜しくお願い申し上げます。

 

“マスフローコントローラー(MFC)とは不思議な存在”というタイトルで書いてきましたが、今回で一区切りになります。

流量センサーと、比例制御弁、そして調整弁をワンパッケージにして外部からの設定信号(SV)をもらうことで自動制御を行うというMFC独自性は、半導体製造装置のようなアンダー100SLM程度で、1/43/8インチ程度の配管で構成されるガスユニット上ではスペースメリットも大きく、有意義です。
ですが、他の計装関連の配管システム、特にもっと大流量を使用するプラント関連では、流量計と比例制御バルブは別個に配管上に存在しますし、調整計は遠く離れたPLC等の制御盤に組み込まれています。

 

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この辺りを知っている計装畑の人から見ると、MFCは正に変わり者なのですね。

変わっていようとなかろうと、MFC=流量制御器としての役割さえ果たしてくれれば良いのですが、それができないならば、というかMFCという機器としては正常な制御を行おうとすることが、逆にシステム上はそれが仇となるならば、MFCという形態にこだわる理由は特にはない訳です。

 

果たしてMFCは装置の上流分岐バルブの切り替え時に生じる一次圧力変動による影響を受けない為に、わざわざ圧力センサーを積んで、完治した圧力信号から急峻な圧力変動を識別して、流量信号(PV=SVとなるようにバルブ制御信号(MV)を可変させるという本来の機能に“待った”をかけるという仕組みで対応していくべきなのでしょうか?

その切り替えタイミングを知っている筈の装置側から、その指示を送ればいいだけではないのでしょうか?

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さてMFCという風変わりで不思議な存在の未来像はどうあるべきなのでしょう?
焦らずじっくり考えて行けたらと思っています。

皆さんのお考えをお聞かせ頂けたら幸いです。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第307話 MFCとは不思議な存在 その7

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前回はPI=Pressure Insensitive)、つまり圧力変動影響緩和型マスフローコントローラー(MFC)を例に取って、MFCの自動制御をやめさせる機能が、逆にプロセスでは役に立つこともあるというお話をしました。
MFCが外部から入力されたSV(流量設定信号)と、流量センサーが計測したPV(流量信号)が一致するようにMV(バルブ制御信号)を可変させる自動制御機能を搭載している事は、一つの大きなアイデンティティなのですが、時と場合によるという事ですね。

 

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自動制御という独自性をMFCから奪うならば、MFCを流量センサーと流量制御バルブ、そして調整計の一体型である必要性も薄くなることになります。

特に調整計の機能は、装置側のPLCPID制御を行い、大量のデータを高速で伝達できる産業用イーサーネットで流量センサーからのPVと流量制御バルブのMVをやり取りすればいいのではないかとDecoは考えています。(下図)

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このシステム案は20年近く前、フィールドバスが普及し始めた頃にDecoと業界に友人で考えたシステムに遡るのですが、コストや互換性、通信速度他の問題があってお蔵入りにしたものでした。その後のMFCの進化の道を振り返ってみると、PI-MFCに行く前にもっと積極的に熟成して御提案すべきだったかと、悔やんでもいます。

 

この独立した流量制御バルブ(比例制御弁)をメインに据え、流量センサーによる流量制御、圧力センサーによる圧力制御、そしてPLCからの指示で任意開度でバルブをホールドする等の機能を備えた流量モジュールに関しては、これから色々と発信していこうと考えています。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第306話 MFCとは不思議な存在 その6

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前回はPI=Pressure Insensitive、つまり圧力変動影響緩和型マスフローコントローラー(MFCのお話をしました。

PI-MFCMFCの上流で一時的にレギュレーターからの供給圧力が急降下した場合、MFCはその急峻な圧力変動に応じた制御をMFCが行った結果、流量制御にスパイク波形が入ることを、内蔵した圧力センサーで感知して、流量センサーと制御バルブのフィードバック制御に「待った!」をかけ、バルブ開度を一時的にホールドすると事で緩和させる仕組みを持っています。

これはSV(流量設定信号)PV(流量信号)とするようにバルブ制御信号(MVを自動制御するのをやめさせる仕組みを持っていると言い換えられます。

 

 同じようにSVが0以外のある値でMFCに入力された状態で、何らかの理由でガスの供給が遮断された場合、MFCの調整計はSVPVの状態をSV=PVとすべく、MVを増やすことでバルブ開度最大で待機することになり、導入時に大きなガスサージを発生させるトラブルに対しての対応も、MFCに自動制御をやめさせる、つまりSVPVとするようにMVを制御するのをやめさせることでした。

つまり、MFCの引き起こしたと思われていた流量制御波形に関するトラブルは、実はMFCが忠実に自動制御を行った結果生じたものであった可能性が高いのです。

忠実に動作するが故にトラブルとなる。

不思議ですよね?

 

配管機器の中で唯一といっていいい、「流量センサーの値を用いて、予め設定された流量値になるよう、比例制御弁を操作する」という自動制御を行うMFCですが、決して万能ではありません。
その対処方法として「自動制御をやめさせる」のですが、そのタイミングを判断するのは何か?を考えると前述の事例では2種類があります。
1つが外部、上位制御系から、自動制御を停止するコマンド、信号類を入力する方法。
もう一つは圧力センサー等を追加し、その信号を元にMFC自身がその判断をする方法です。

 

Decoの持論では、通信速度や情報量が拡大された産業用イーサーネットの時代である現在では、後者の選択(PI-MFCのようなMFCで判断するタイプ)は意味がないのではないかと思っています。
なぜならPI-MFCの項でお話ししたように、MFCPI動作をするか?しないかを判断するのは圧力センサーからの信号に時間軸と大きさで閾値を設ける必要があります。
でも、それでも誤った判断をMFCが100%しないわけではないのです。
100%、その答を知っているところからMFCへ指示した方が確実ですし、MFCに無駄なコストを追加する必要もありません。

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では、100%その回答を知っているところとはどこでしょう?

それは他ならぬ装置自身、例えば制御を司るPLC自身なのです。

配管ラインのバルブの開閉は全てPLCからの指示で行われている筈です。

ならばPLCは、どのタイミングで、どのラインのMFCに一次圧変動影響が出るかは知っている筈ですね?

その情報を元に、MFCに自動制御を停止する“バルブホールドコマンド”を送ればいいのです。

それとMFCの上流にある圧力センサーからの信号を用いれば、その変動影響の規模もある程度把握できるので、PLC側でホールドコマンドを解除するタイミングの確認に使えます。

このホールドコマンドをデジタル&アナログでMFCメーカー各社統一仕様にして置けば、装置メーカーさんも使いやすいのではないでしょうか?

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第305話 MFCとは不思議な存在 その5

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前回は流量設定信号(SVが0以外のある値でMFCに入力された状態で、ガスの供給が遮断された場合、MFCの調整計はSV流量信号(PVの状態をSV=PVとすべく、バルブ制御信号(MVを増やす為、バルブ開度最大でマスフローコントローラー(MFC)が待機してしまい、ガスを導入時に大きなガスサージを下流で発生させるトラブルとその対処法を解説しました。

要はMFCSVPVとするようにMVを自動制御するのをやめろ!」と指示すればいいのです。

 

これに似たような話をしましょう。
それが今流行りのPI-MFCです。

PIとはPI=Pressure Insensitiveの略で“圧力変動影響緩和型MFC”のことです。
PTI(Pressure Transit Insensitive)
と呼ばれることもありますが、このブログでは、総称として「PI」と呼称します。
PI-MFC
は圧力センサーを内蔵することで、例えばMFCの上流の分岐バルブ切り替えで一時的にレギュレーターからの供給圧力が急降下した場合、MFCはその急峻な圧力変動を捉まえ、流量センサーと制御バルブのフィードバック制御に「待った!」をかけて、バルブ開度を一時的にホールドするという仕組みを用いて、急峻な圧力影響からの流量変動を起こさないようにしています。

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でも、これをMFC側から考えてみると急峻な圧力変動影響で供給圧が下がってPVが減り、PVSVが生じ、その為にPVSVと一致するよう、MVを増やす=バルブを開いてしまうという制御自体は、MFCの制御としては決して間違っていないのです。

要はここでも、MFCが通常の流量制御を行っては困ってしまう事態が発生しているのです。

圧力センサーを使ってそのタイミングで自動的にMFCSVPVとするようにMVを自動制御するのをやめろ!」と指示する機能を搭載したMFCPI-MFCと呼称されているわけです。

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ところがこのPI機能というものは、なかなかその動作設定が難しいところがあります。

「急峻な圧力変動」には流量制御バルブをホールドする=流量制御を止めて追従させないけれども、だからといってどのような圧力変動が起きても全く追従しない=流量制御しないとなれば、それは「温度・圧力が変動しても一定の流量制御ができるMFCという存在では無くなってしまうからです。

ガスライン切り替えなどで生じる急峻な圧力変動だけを見分ける方法としては、単位時間当たりの圧力信号の変動量で閾値を作り、その値以上ならばバルブをホールドさせるという判断をPI-MFCにさせる方法が用いられていますが、

「敏感にして(閾値を下げ)頻繁にバルブをホールドさせるのがいいのか?」

「鈍感にして(閾値を上げ)あまりホールドしない方がいいのか?」

これをMFCが判断するのは、非常に悩ましいところなのです。

この悩みはMFCメーカーでいくら議論しても、難しいところです。
やはりPI-MFC
の動作に関わる配管レイアウトとライン切り替えシーケンスを熟知しているのは、装置メーカーさんになります。
なのでこの辺りは装置メーカーさん側で強くイニシアチブを取ってもらった方が収まりがいいのではないか?とDecoは常々思っています。


そしてせっかく圧力センサーを積むなら、PI-MFCPI動作だけをさせるのはもったいないので、ファームウエアのバージョンアップで圧力センサーを用いた新しい流量補正や制御ファンクションを加えて行った方が面白いのではないかと考えています。

例えばブロンコストのPI-MFCは全く違う用途(CFの圧力補正)で圧力センサーを使っていますし、MKSのPI-MFCはモデルコードによってはAPCとして使用されるよう調整されたりしています。
ここらへん頭の固いのは日本のMFCメーカーの性なのでしょうか?(失礼!)

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【出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】

 

  

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第304話 MFCとは不思議な存在 その4

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流量設定信号(SV)が0以外のある値でMFCに入力された状態で、何らかの理由でガスの供給が遮断された場合、MFCの調整計はSV>流量信号(PV)の状態をSV=PVとすべく、バルブ制御信号(MV)を増やしますが、当然SVPVは解消されないので、バルブ開度最大でMFCが待機してしまい、いざガスを導入すると、全開で待機していたMFCの流量制御弁をすり抜けたガスが大きなガスサージを下流で発生させるトラブルに対しての対策は簡単です。


MFC
「自動制御をやめろ!」と指示すればいいのです。

 

「えっ?Decoさん、それどういうこと?」とおっしゃるかもしれませんが、読んで字の通り。

SVPV状態で、MVは最大値となって、流量制御バルブが全開待機することが問題なのですから、MFC「ユー そんな制御やめなよ!」というコマンドを入れてやればいいのです。

 

具体的には2つ方法があります。

1つはSV=0Vを装置からMFCに入れてやることです。でも、これだけでは足りません。なぜならMFCのゼロがずれていた場合、SVが0VでもPV-0.1Vならば・・・やはりSVPVとなりバルブは開いてしまいます。

これと連動して、SV値が0V近辺となった場合に、流量制御モードから強制的にバルブ閉モードに変更仕組みが必要になるのです。

この機能は、「オートシャットオフ」等と呼称されています。

具体的にはSV=0Vではなく、流量制御下限値2%未満の信号が入った際にこのモードを働かせています。この閾値は、メーカーにより色々で1%付近だったり、もっと0に近かったりします。これは「0Vという信号」を電気的に安定して入力するというのが難しいからです。

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もう1つは、外部から任意のタイミングで、流量制御モードを強制バルブ閉モードに変更する信号を入れる事です。

この信号は、MFCの電気コネクターでは、SV入力とは別のピンがあり、そこに-15Vを入力したり、COMとショートさせることで動作します。(メーカーによって異なりますので、要確認です。

「バルブ強制閉信号」、「VORと言われる機能ですね。

このモードは、前述の通りメーカーによる動作信号種の差もあったり、中にはこの機能を装備していないメーカーもあるので、装置側から見ると少し使いにくい機能といえます。

 

今、アナログ信号で説明しましたが、デジタルの場合は、電圧信号のノイズ影響のような不確かさはありませんから、どちらのモードを使っても確実な動作は保証されます。バルブ強制閉コマンドが統一されていない場合は、前者のオートシャットオフ機能付きのMFCで、SVを0にすればOKです。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

 

EZ-Japan(イージージャパン)Deco こと 黒田です。 2014年6月開業です。流体制御機器マスフローコントローラーを中心に”流体制御関連の万(よろず)屋”として情報発信しています。 日本工業出版「計測技術」誌で”マスフロー千夜一夜物語”の連載中です。
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