EZ-Japan BLOG since 2017　真・MFC千夜一夜物語

【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。

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」誌 2019年7月号（6/25発売)ではマスフローコントローラー(MFC)、マスフローメーター(MFM)が属する質量流量計の解説から離れまして、それ以外の各種流量計(体積流量計)を取り上げて解説を行っています。

マスフローでのフィールドバス＆産業用イーサーネットへの取り組みに関して

マスフローでの各種フィールドバス＆産業用イーサーネット対応への取り組みを紹介しましょう。現時点で最も多種多様なネットワークに対応するオプション展開を有しているのは、オランダのブロンコスト（Bronkhorst High-Tech B.V.）かと思います。
フルスケール(FS)0.7ml/min～1450l/minまでを網羅する同社の標準機種EL-FLOWシリーズのI/O仕様は、D-Sub9ピンコネクターでのアナログ信号（電圧信号0-5VDC / 0-10VDC 、電流信号　0-20mA / 4-20ｍAから選択可能）とRS232Cです。
アナログI/Oでオプション費用なしで4種に対応できるだけでも非常に競争力があると言えます。
それに対してデジタルでは、まずフィールドバスでDeviceNet^TM /PROFIBUS^Ⓡ/　Modbus　/そして自社オリジナルのFLOW-BUS、産業用イーサーネットでEtherCAT^Ⓡ/　PROFINET^Ⓡ　と実に6種に対応しています。(下図)

 
出典：ブロンコスト・ジャパン(株)

他のメーカーではDeviceNet^TM  / EtherCAT^Ⓡ あたりで、国産メーカーが三菱のPLCを使用する顧客が多い関係でCC-Linkに対応しているくらいではないでしょうか？

下図で明記されたフィールドバスと産業用イーサーネットの数は10種＋その他ですから、それでもまだ対応が及んでいないバスはあるのです。

出典：HMSインダストリアルネットワークス 産業用ネットワーク市場シェア2018

だが、これを一概にマスフローメーカーの努力不足と責めることはできないと思います。
なぜならこれらのフィールドバス及び産業用イーサーネット対応のマスフローを開発するコスト、そしてODVAのような組織への加盟とコンフォーマンステスト受験費用、各通信ネットワークを用いた専用製造設備投資、そして通信基板の在庫負担を考えると全ての方式を網羅しろという方が酷だからです。

マスフローメーカーからすれば、本来のマスフローの性能とは関係のないI/Oの問題であり「この通信規格だからマスフローの性能が上がる」という利点は一切ないのです。
ネットワーク機器としての付加価値は付けられても、マスフローの基本性能である精度や繰り返し性、応答性への付加価値はゼロなのです。

なのにその開発にコストと時間を費やすことは、大半が中小企業であるマスフローメーカーにとっては大変厳しいと言わざるを得ないでしょうね。

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

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フィールドバスと産業用イーサーネット　その２

産業用イーサーネットは、下図の2018年の市場予測では、フィールドバスを凌ぐシェアと成長率になっています。



出典：HMSインダストリアルネットワークス 産業用ネットワーク市場シェア2018

イーサーネットは、LANで使用されている事もあり、なじみ深いコンピュータネットワークの規格ですね？
1983年にIEEE802.3として規格化された当初は2.94Mbpsだった通信速度も、1995年には100Mbps、1999年には1Gbps、2002年には10Gbpsとスピードアップして、オフィスや家庭で用いられています。
産業用イーサーネットは、オフィスや家庭で使われているイーサーネットを、工場の現場へそのまま持ってきたものではありません。
産業用途では各種センサーが受ける信号は刻々と変化するので、通信の実行の確実性、つまりある時間間隔内に操作対象機器に確実に通信を実行することを求められます。
従って産業用イーサーネットでは「リアルタイム性」が要求されることになります。
産業用イーサーネットがRTE（Real-Time Ethernet）とも呼称されているのはその為です。
また、生産現場環境はお世辞にも良いものではありません。
粉塵防水は当然として、更にオイルにまみれ、高温環境に晒され、ノイズの飛び交う過酷な環境下で使用される事になります。
信頼性に関する検証は厳しい条件が要求されます。
産業用イーサーネットは「標準イーサーネット型」と「専用イーサーネット型　又は非標準イーサーネット型」に大きく分けられます。
標準イーサーネット型は、標準のイーサーネット技術を利用し、産業用イーサーネットのプロトコルを実装しているものです。

これはさらにTCP/IP やUDP/IPを利用するものと、高速化のためにTCP/IP処理をスキップしたものに分けることができます。

前者の代表的なものとして、PROFINET^Ⓡ , EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol）, Modbus TCPなどがあり、後者にはETHERNET Powerlink , EtherCAT^Ⓡ (Ethernet for Control Automation Technology　マスタ) , PROFINET IO^Ⓡ などがあります。

専用イーサーネット型は、高速・高精度な同期制御を実現したり、固有の冗長化システムを提供したりするために、専用のASIC（Application Specific Integrated Circuit）もしくはFPGA（Field Programmable Gate Array）を採用しています。

専用型では、TCP/IP通信にはゲートウェイが必要になります。

代表的なものには、PROFINET IRT^Ⓡ , MECHATROLINKⅢ , CC-Link IE , EtherCAT^Ⓡ（スレーブ）, SERCOSⅢ などがあります。
産業用イーサーネットの通信規格は、国際標準であるIEC規格においてIEC 61784-1/2でまとめられているので、参照してください。

工場現場での通信に関してフィールドバスの次世代通信規格として産業用イーサーネットの採用を考える人が増えているのが、上図のシェア推移を見ても理解できます。

2018年で、ついに産業用イーサーネットはフィールドバスとの比率を逆転する訳なのですが、その理由として挙げられるのは、データー(情報量)の増加です。

デジタル化により機器の能力が向上するのはマスフローだけではありません。
温度、圧力の信号はポイント毎にセンサーが配置されています。
それら機器からの情報をリアルタイムで吸い上げ確実に処理をするにはフィールドバスでは対応しきれないと予想されているのです。
その為、従来のフィールドバスを置き換えるだけでなく、しばしば継続して利用できる仕様であることも、産業用イーサーネットには望まれています。

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

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フィールドバスと産業用イーサーネット

前にもお話ししたDecoの持論なのですが、「デジタル制御系を内蔵した現代のマスフロー(MFCとMFMの総称)はデジタル通信で使ってこそ、その真価を発揮する。」と思っています。
その意味でフィールドバスへの対応は歓迎すべき状況です。
既存の制御系と互換性があり、その意味で実用性のあるアナログI/O対応デジタルマスフローは現在でも生産されています。
前夜の話ではないが、日本はアナログマスフローを根強く使い続けている唯一の国かもしれません。

それはアナログに対応した制御系を搭載したレガシーツールが根強く残っている事と、フィールドバスの乱立による戦国時代的な市場の有様が影響していると思えます。
マスフローだけ、特に半導体製造装置向けのマスフローを追いかけていると、フィールドバス＝DeviceNet^TMのイメージがありますが、世界的に、そして各種業界を俯瞰してみると、各種のフィールドバスと、更に産業用イーサーネットが入り乱れているのが実情なのです。

下図の円グラフを見れば、その群雄割拠ぶりが良く理解できると思います。

出典：HMSインダストリアルネットワークス 産業用ネットワーク市場シェア2018

今回はまずフィールドバスに関して少し説明をしましょう。
マスフロー業界でのフィールドバスの代表格であるDeviceNet^TMはドイツのボッシュ社のCAN(Controller Area Network)技術をベースに開発され1994年にUSのアレン・ブラッドリー社が発表したRS485をベースとしたFA向けの制御ネットワークです。
こういったネットワークをフィールドバスと呼称しています。
「通信の規格化」が行われた上で、オープンネットワークとして開放されているのが特長で、例えば同じDeviceNet^TM を使用する場合、マスフローや圧力センサー、バルブといった配管機器間の通信には互換性が確保されています。
アレン・ブラッドリー社は、ODVAという組織を作り、現在はODVAがDeviceNet^TM を所有、管理しています。
ベンダー(マスフローメーカー）はODVAに参加することで、DeviceNet^TMの仕様を開示されることで、初めてそれに対応したマスフローを開発できるのです。
デジタルマスフローの黎明期のように「RS232CやRS485のような規格は共通でも、プロトコルはメーカー個々に構築された結果、各々の互換性に乏しくなる」という問題を解消し、ベンダーにもユーザーにも「優しい」仕様となっているのです。
フィールドバスの似通った規格として欧州のProfibus、日本のCC-Link等が存在し、同様に装置制御に用いるPLCメーカーが旗頭になっています。

つまり地域ごとに、PLCメーカーごとにこのネットワーク規格は存在してしまっているのです。（もちろんPLCメーカーの主導するフィールドバス以外の規格にも対応するPLC製品は存在しています。）
どのフィールドバスネットワークを選べばよいのか？悩みの種なのです。

ここでさらに事態を複雑にするのは、産業用イーサーネット（Industrial Ethernet)の台頭なのです。

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さて今回からマスフロー(MFCとMFMの総称）のデジタル通信に関して解説しましょう。

デジタルマスフローの通信に関しての解説は既に何度か行っています。
2013年8月の第101夜で　
“考えてみれば世の中が急速にネットワークとの親和性を高めている現代、「ＭＦＣもデバイスレベルにこだわらず、コントローラーレベルのEtherｎet（Giga Bit Etherｎeｔクラス）でいいのではないのか？」という声を聞くこともあります。

変革に対しても敏感でないいけないのかもしれません。

そういった意味でデジタルＭＦＣの今後の動向に注目ですね。”

と、Decoは語ったのですが、そこからほぼ6年が経過して、フィールドバスと産業用インターネットの市場シェアは大きく変動してきています。
その動きの中で、マスフローは今後どうあるべきなのか？を考える為にも改めて解説をしていきましょう？

3年前、オランダのブロンコスト社（Bronkhorst HIGH-TECH B.V.）のトレーニングに出席した際に、現在出荷されるマスフローのアナログ/デジタル比率をインタビューしたところ
“デジタルに決まっているだろう？”との回答でした。
改めて「日本向けではどうか？」と尋ねると、ニヤリと笑って、
”日本はまだまだアナログが多いね。なぜなんだい？“　と、逆に質問を受ました。

海外、特にEU圏では、もうアナログマスフローの市場は無いというのが彼らからの意見でした。
それはDecoにとってかなりショッキングな出来事でして・・・

ここでデジタルマスフローに関して振り返りましょう。
本来マスフローが最初に世に出た1970年代のI/O（Input / Outputの略)はアナログ信号で、内部のPID制御回路もアナログでした。
マスフローが誕生した頃には、事実上アナログ信号での制御系しか存在していなかったのです。I/Oで使用されるアナログ信号に関しても、半導体製造装置分野では、電圧信号の0-5VDCが主流でした。
それに対して計装業界を中心に「ノイズ耐性から考えて、電流信号4-20mAにすべきでは？」という動きがあったのですが、マスフローメーカーのメインマーケットが半導体製造装置向けで、ケーブルの引き回しもほとんどが10m以下であった為、必要性は無いという考えが大勢を占め、0-5VDCがマスフローのI/Oの標準と思われてきました。

デジタル制御化されたマスフローは日本では1990年に販売開始されましたた。
その画期的な第一世代デジタルマスフローで提唱されたのは、デジタルPID制御を行い、デジタル通信I/Oを備えたマスフローです。

デジタルマスフローは、デジタルPID制御により応答性と精度性能の改善がめざましく、特にマルチPID定数による低設定時の応答性能向上はスループット向上を求められるプロセスでは注目を集めました。
それに加え、今までのアナログ信号で行ってきたマスフローとの信号のやり取りを、PCとダイレクトにRS232C通信を介して行うことが可能になる画期的な技術革新も盛り込まれていたのです。
それまでは製造装置側で信号をD/A、A/D変換して制御を行っていたのですが、これでダイレクトに装置のPLCとMFCがデジタル通信できる利点が生まれました。

ただ、ユーザーサイドに立ち返ってみると、当時はまだパソコンも今ほど一般的ではなく、どちらかというとまだマニアのものであり、それを駆使してマスフローを活用するというのは、なかなか敷居の高いものでした。
研究機関の実験用や、マスフローに詳しい設備担当の方が、デジタル通信を活かした独自開発のマスフロー管理システムを構築して、運用していた例(下図）はあります。



が、マスフローメーカーの主力販売対象である半導体装置メーカー等は基本的に依然としてアナログマスフローが使用していました。

装置メーカーで本格的にデジタルマスフローを採用されるには、次世代デジタルマスフロー＝DeviceNet^TMなどのフィールドバス(Fieldbus）対応モデルが登場するまで待つ必要があったのです。

注記）DeviceNet^TM はODVA（Open DeviceNet Vendor Association）の登録商標です。

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

徒然日記なのですが、本人が思ったより扱いが難しくて、そのまま放置していました。

本音をぼやくと言いながら、いやいやなかなか難しいものだなぁと・・・

さて、流体制御システムを組まれる方ならバルブ関連の用語　Kv値　もしくは　Cv値　という言葉を御存知かもしれません。

本ブログでも、MFC豆知識“【用語解説】Cｖ値とKv値” で解説しています。

ここの最後の文で、
“でも、マスフローコントローラ（MFC）の場合、これらの容積係数の分だけ必ず流量が取れるわけではないので、そこのところは要注意です。”　　
と書いたのですが・・・

この後も結構、聞かれることが多いのです。

それも、流体制御の初心者ではないような方々から・・・

これは書こうかなと思ったので、ここで簡単にお話ししておきます。

「MFCのKv値（Cv値）を聞いても、意味はありません！」

全く意味はない事はないのですが、それはMFCを全開にしてパージするときくらいで、それすらソレノイドアクチュエーターのMFCなら、経時的にコイルから発熱が大きくなることで、アクチュエーターの推力がダウンするので、やはり正確な値とは言えなくなります。
ピエゾの場合は、熱へ変換される事がほとんどないのでいいのですが、そもそもリフト量が小さいアクチュエーターなのでバルブ全開モードでもそのKv値（Cv値）分で流せる流量はたかが知れています。

パージが必要ならば、かならずMFCをバイパスする配管を設置してください。

では、通常制御時になぜKv値（Cv値）の情報が役に立たないか？というと、先ほどの文章に答が書いてあるのですが、MFC通常流量制御時はKv値（Cv値）よりはるかに下の流量レンジで制御しているからです。

「では、この設定流量時のKv値（Cv値）なら出せるだろう！」

と、お聞きになる方もおられます。

出せない事はありませんが、やはりあまり意味はないかと・・・

MFCに搭載される流量制御バルブは、ある電圧信号VS開度での流量曲線を示す比例制御弁、電動モーターバルブとは異なった配管制御部品です。

異なるのは構造のことではなく、その役割の事です。

あくまで流量センサーからの流量信号（PV値）と設定信号（SV値）を比較し、それらが同値になるようバルブ制御信号(MV値)を可変させるのがMFCなので、MFCの役割は流量を制御する事であり、そこに搭載されている流量制御バルブに求められるのは、ある値のバルブ制御信号を得たら器差なく同じKv値（Cv値）になるようにそれを制御する事ではないからなのです。

MFCはMFCの中で調整計をもっており、自身でフィードバック制御をするものであること、
MFCのPID制御を活かしたまま、外部からPID制御でSV値を与えて制御しようとする間違いをおかした際にも直面する理屈なのですが、MFCが何たるか？を、理解いただく上で一番重要なところです。

マスフロー徒然日記　by　Deco EZ-Japan