"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。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。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MFCに「SV=PV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。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。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、PV<SVが生じ、その為にPVがSV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MFCに「SV=PV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MFCがPI-MFCと呼称されているわけです。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。「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。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。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。圧力センサーを積むなら、PI-MFCにPI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。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。"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。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。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SV>PV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に「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。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。これだけでは足りません。MFCのゼロがずれていた場合、SVが0VでもPVが-0.1Vならば・・・やはりSV>PV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。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。"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。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。前回は流量制御に関して、手動制御と自動制御のお話をしました。自動制御では流量値を電気信号、もしくは通信で発信できる流量計(センサー)と、同じく電気信号や通信で動作する自動制御弁を調整計と呼ばれる機器に接続することで、流量計からの検出値と目標値を1比較し、それらの偏差を2判断し、自動制御弁の開度を3操作する事で自動制御を行います。これが計装業界では一般的な機器の配置です。マスフローコントローラー(MFC)は、この自動制御に必要な機器の組み合わせを、一つのモジュールにまとめってしまった機器なのです。下図にその流れをまとめておきましょう。ここで勘違いしてはいけないのは、「手動制御が自動制御に劣る」「一体型のMFCの方が優れている」という考えです。手動制御は自動制御のような人を廃除することはできませんが、環境条件等が大きく変動する要素が無い場合は、ローコストで設置できる利点を活かせます。制御させることが少ないので、人が介在するのが立ち上げ時と、点検時だけでいいような場合、ワンショットの実験等ですぐラインを解体してしまう場合が挙げられます。一体型にする利点はシステムの小型化や、個々の機器を組み合わせるより設置・調整の手間がかからず、しかもローコストで調達できる利点があります。一体型であるが故の問題点というものも存在するのです。いった状態でガスを導入する場合です。ある事例で、このブログでも何度もご説明していますが、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(図では空圧弁へ圧縮空気を送る電磁弁が閉、従って空圧弁も閉状態)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)を増やしますが、当然SV>PVは解消されないので、バルブ開度最大でMFCが待機してしまっている状態です。この状態で空圧弁を開いてガスを導入すると、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ます。下流側にワークの入った真空チャンバーがあった場合、真空が破壊されたり、巻き上がったゴミがワークに付着したり、最悪はワークが破壊されたりする深刻なトラブルを招きかねません。これはMFCの不具合かというと、そうではないのです。「MFCが制御不良からオーバーシュートして不具合を起こした!」とユーザーさんからクレームを付けられるケースですが、実は制御不良ではないのです。そもそもMFCはSV=PVとなるよう(MFCにとって)正常な制御を行っている状態であり、空圧弁が開いた後、SV<PVの状態を感知して、SV=PVとすべく、MVを小さくしてバルブ開度を制御させたのであって、応答制御不良でオーバーシュートを起こしたわけではなく、急激なガスの侵入に対して制御が間に合わなかった分がガスサージとして下流に流れて行ってしまったのです。一体型のMFCの内部で調整計が制御を行っていると、なかなかその動きが外から見えにくく、MFCの制御不良、オーバーシュートによるものと誤解されてきた過去がありました。"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。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(MFC)という一体型流量制御器は、計装関連では非常にユニークな存在です。一般的な流量計を用いた流量制御の図を以下に示します。上図は人間が1目視で流量計(図中では面積式流量計)の流量値を読み取り、予め欲している必要流量地との比較を頭脳で2判断し、ニードルバルブの開度を手で3操作します。これも立派な制御の形=手動制御です。これでは人間が終始システムに付き添わなくてはいけませんし、そもそも判断するレベルが人によってまちまちになる可能性もあります。「300L/minにしなくちゃいけないけど、まぁ今の値の330L/minでもいいだろう。」とサバを読んで何もしない人、「表示の500L/minを読み間違えて300L/minになっていると思いこんでしまった。」というミスをする人。同じ人が担当しても、ある日すごく疲れていてミスをしないとは限りません。いったトラブル要因となる“人間”の介在を取り除いたのが自動制御です。自動制御では流量値を電気信号、もしくは通信で発信できる流量計と、同じく電気信号や通信で動作する自動制御弁が必要になります。これらを調整計と呼ばれる機器に接続することで、流量計からの検出値と目標値を1比較し、それらの偏差を2判断し、自動制御弁の開度を3操作する自動制御が完成します。独立した存在であるのが一般なのです。"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。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(MFC)というアイテムは、非常にユニークな存在です。分類するなら質量流量計・・・いや、それはマスフローメーター(MFM)のことです。"質量流量制御器"という呼称が正しいかと思いますが、あまりなじみのない表現ですね。MFCの構成は以下の図を参照ください。流量センサーから出力された信号を、増幅、温度や直線性補正をかけた信号を流量出力(PV)とします。これをそのまま外部へ送るのならMFMですが、MFCの場合は異なります。次に調整計が待ち受けています。調整計は外部からの流量設定信号(SV)とPVを1比較します。その後、下流に位置する流量制御バルブを3操作します。この操作は流量制御バルブに対する、バルブ制御信号(MV)の可変で行われます。アクチュエーター方式にもよりますが、アクチュエーターを伸縮させることで、流路にあるオリフィスの開度を可変させ、オリフィス部で発生する圧力損失を変化させることで流量を制御するのです。第301話という事で久しぶりに、MFCの制御とは?というお話から始めさせていただきました。「もっと最新のPI-MFCとかを取り上げてよ!」と、おっしゃる読者の方々もおいででしょうが、実はこの構造こそが、MFCの最大の特長であり、最大の難点でもあるのです。コンバージョンファクターと並び、MFCの未来を左右する大きな二大要素です。このお話の先にはまず「PI-MFC不要論」という最新の流行を否定する話や、「そもそもMFCすら不要」という恐ろしい結論が待ち構えている可能性もありまして・・・そうなるとDecoもマスフローマイスターを廃業することになりかねませんね!簡単なお話に見えて、かなり深くて怖いお話です。2020年はここを突き詰めて参りましょう!少し早いのですが、11月に逝った父親の四十九日を控え、実家と行き来しますので、年内のブログ更新は今回で最後にさせて頂こうと思います。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。”マスフロー千夜一夜物語”の連載中です。