JP2019145047A - Fluid control device, control program and fluid control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体制御装置、制御プログラム及び流体制御システムに関するものである。 The present invention relates to a fluid control device, a control program, and a fluid control system.
従来から半導体製造プロセスにおいては、成膜室（チャンバ）へ流体を供給するための流路に流体制御装置を設置し、この流体制御装置によって流路を流れる流体の流量を精度良く制御する流体制御システムが使用されている。なお、前記流体制御装置は、所謂マスフローコントローラであり、流路を流れる流体を測定する流体センサと、当該流体を制御する流体制御弁とを備え、流体センサの測定値が予め定められた目標値に近づくように流体制御弁をフィードバック制御する構成のものである。 Conventionally, in a semiconductor manufacturing process, a fluid control device is installed in a flow path for supplying a fluid to a film formation chamber (chamber), and the fluid control for accurately controlling the flow rate of the fluid flowing through the flow path by this fluid control device The system is in use. The fluid control device is a so-called mass flow controller, and includes a fluid sensor that measures the fluid flowing through the flow path and a fluid control valve that controls the fluid, and the measured value of the fluid sensor is a predetermined target value. The fluid control valve is feedback-controlled so as to approach
ところで、前記流体制御装置が備える流体制御弁は、その構造上の問題からシャットオフ性が低く、この点を改善するため、特許文献１に示すように、流体制御装置の上流側又は下流側のいずれか一方又は双方に開閉弁を設置し、この開閉弁の開閉させることによって流体制御弁のシャットオフ性を補う対応がなされている。 By the way, the fluid control valve included in the fluid control device has a low shut-off property due to its structural problem. To improve this point, as shown in Patent Document 1, an upstream side or a downstream side of the fluid control device is used. One or both of them are provided with an on-off valve, and the on-off valve is opened and closed to compensate for the shut-off property of the fluid control valve.
しかし、このような流体制御システムにおいては、流体制御装置のフィードバック制御を継続しながら、開閉弁を全閉状態にする操作がなされると、その後、開閉弁を開状態に戻した場合に、流体制御装置が制御不良を起こすという問題があった。 However, in such a fluid control system, when an operation for bringing the on-off valve into a fully closed state is performed while continuing feedback control of the fluid control device, when the on-off valve is subsequently returned to an open state, There was a problem that the control device caused control failure.
詳述すると、流体制御装置がフィードバック制御を継続している状態で、開閉弁を全閉状態にすると、当然に流路に流体が流れなくなり、これに伴って流体制御装置は、フィードバック制御によって流路を流れる流体の流量を維持しようと流体制御弁の弁開度をより大きくするように制御する。そして、この制御が続くと、流体制御弁は、全開状態又はそれに近い状態（以下、両状態をまとめて全開状態ともいう）を維持した状態になる。この状態で、開閉弁を開状態に戻すと、全開状態の流体制御弁に対して流体が一気に流れ込むことになり、オーバーシュートやハンチングが発生し、結果として、制御不良が生じてしまう。 More specifically, if the on / off valve is fully closed while the fluid control device is continuing the feedback control, naturally the fluid does not flow in the flow path, and the fluid control device is allowed to flow by the feedback control. Control is performed to increase the valve opening of the fluid control valve so as to maintain the flow rate of the fluid flowing through the passage. When this control continues, the fluid control valve is in a fully open state or a state close thereto (hereinafter, both states are collectively referred to as a fully open state). In this state, when the on-off valve is returned to the open state, the fluid flows into the fully open fluid control valve at once, and overshoot and hunting occur, resulting in poor control.
特に、近年主流になりつつあるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）なる成膜技術（成膜室に対して材料となる流体をパルス状に供給する成膜技術）においては、その流体制御システムに使用される流体制御装置として、応答性を向上させるために従来のものに比べてフィードバック制御のゲイン値を大きな値に設定したものが使用されるようになっており、前記問題がより顕著に現れ、その改善が求められている。 In particular, a film forming technique called ALD (Atomic Layer Deposition), which is becoming mainstream in recent years (a film forming technique for supplying a fluid as a material to a film forming chamber in a pulsed manner), is used for the fluid control system. As a fluid control device, in order to improve responsiveness, a device in which the gain value of feedback control is set larger than that of the conventional one is used, and the above problem appears more prominently and is improved Is required.
そこで、本発明は、前記流体制御システムにおいて前記操作がなされた場合においても、制御不良が生じ難い流体制御装置を提供することを主な課題とするものである。 Therefore, the main object of the present invention is to provide a fluid control device that is less likely to cause control failure even when the operation is performed in the fluid control system.
すなわち、本発明に係る流体制御装置は、流路を流れる流体を測定する流体センサと、前記流体を制御する流体制御弁と、前記流体センサで測定される測定値が予め定められた目標値に近づくように前記流体制御弁をフィードバック制御する流体制御部とを具備し、前記流体制御部が、前記流体センサで測定された測定値が前記目標値よりも小さい値である過少流量閾値以下であり、かつ、前記流体制御弁の弁開度が限界値以上になっている状態を継続する異常状態になったか否かを判定する判定部を備えることを特徴とするものである。 That is, the fluid control device according to the present invention includes a fluid sensor that measures a fluid flowing through a flow path, a fluid control valve that controls the fluid, and a measurement value measured by the fluid sensor at a predetermined target value. A fluid control unit that feedback-controls the fluid control valve so as to approach the fluid control unit, and the fluid control unit has a measurement value measured by the fluid sensor that is equal to or less than an underflow threshold that is smaller than the target value. And the determination part which determines whether it became the abnormal state which continues the state which the valve opening degree of the said fluid control valve is more than a limit value is provided, It is characterized by the above-mentioned.
このようなものであれば、流体制御装置によってフィードバック制御を継続しながら開閉弁が閉じられた状態が維持される異常状態になったことを即座に検知でき、必要な対応を講じることができるようになる。 If this is the case, it is possible to immediately detect an abnormal state in which the closed state of the on-off valve is maintained while continuing the feedback control by the fluid control device, and the necessary measures can be taken. become.
また、前記判定部によって前記異常状態になったと判定された場合に、前記フィードバック制御に用いられるゲイン値を、前記異常状態でない場合に前記フィードバック制御に用いられるゲイン値よりも小さな値に変更するゲイン変更部をさらに備えるものであってもよい。 Further, when the determination unit determines that the abnormal state has occurred, the gain value used for the feedback control is changed to a value smaller than the gain value used for the feedback control when not in the abnormal state. A change part may be further provided.
このようなものであれば、流体制御装置によってフィードバック制御を継続しながら開閉弁が閉じられた状態が維持される異常状態が生じた場合に、ゲイン変更部によってフィードバック制御に用いられるゲイン値が小さな値に変更される。これにより、前記異常状態から再び開閉弁を開いた場合に、弁開度が限界値以上になっている状態の流体制御弁に対して流体が一気に流れ込んだとしても、フィードバック制御が比較的小さなゲイン値を用いて実行されることから、大きなオーバーシュートやハンチングが生じ難くなり、その結果、流体制御装置に制御不良が生じ難くなる。 In such a case, when an abnormal state in which the closed state of the on-off valve is maintained while the feedback control is continued by the fluid control device occurs, the gain value used for the feedback control by the gain changing unit is small. Changed to a value. As a result, when the on-off valve is opened again from the abnormal state, even if the fluid flows into the fluid control valve in a state where the valve opening degree is equal to or larger than the limit value, the feedback control has a relatively small gain. Since it is executed using values, large overshoot and hunting are less likely to occur, and as a result, control failure is less likely to occur in the fluid control device.
なお、前記流体制御弁の弁開度が限界値以上になっている状態には、流体制御弁の弁開度が機構上定まる限界値になっている状態、言い換えれば、所謂全開になっている状態のみならず、流体制御弁の弁開度がユーザの定める限界値以上になっている状態も含まれる。また、流体制御弁の弁開度が全開になっている状態には、弁開度が１００％になった状態だけでなく、当該弁開度が１００％近傍になった状態も含まれる。すなわち、前記流体制御弁の弁開度が全開になっている状態には、当該弁開度が１００％よりも小さく、かつ、１００％に近い閾値以上になった状態（例えば、弁開度が９８％〜１００％の状態）も含まれる。この場合、前記１００％に近い閾値（例えば、９８％）が限界値となるともいえる。 The state in which the valve opening of the fluid control valve is equal to or greater than the limit value is a state in which the valve opening of the fluid control valve is a limit value determined by the mechanism, in other words, a so-called fully open state. This includes not only the state but also the state in which the opening degree of the fluid control valve is equal to or greater than the limit value determined by the user. Further, the state in which the valve opening of the fluid control valve is fully open includes not only the state in which the valve opening is 100% but also the state in which the valve opening is in the vicinity of 100%. That is, in a state where the valve opening of the fluid control valve is fully open, the valve opening is smaller than 100% and is equal to or greater than a threshold value close to 100% (for example, the valve opening is 98% to 100% state). In this case, it can be said that the threshold value close to 100% (for example, 98%) is the limit value.
また、前記判定部が、前記流体センサで測定された測定値が前記目標値よりも小さい値である過少流量閾値以下であり、かつ、前記流体制御弁の弁開度が限界値以上になっている状態を所定時間以上継続した場合に異常状態になったと判定する構成になっているものであってもよい。 Further, the determination unit has a measured value measured by the fluid sensor equal to or less than an underflow threshold value that is smaller than the target value, and the valve opening of the fluid control valve is equal to or greater than a limit value. It may be configured to determine that an abnormal state has occurred when the current state continues for a predetermined time or longer.
このようなものであれば、流路に流れる流体の流量をフィードバック制御している場合に、前記異常状態以外の状態でも何等かの原因により、流体制御弁の弁開度が一時的に限界値以上になることもあり得るが、このような場合には、フィードバック制御に用いられるゲイン値が、前記異常状態になっていない場合にフィードバック制御に用いられるゲイン値に維持される。 In such a case, when feedback control is performed on the flow rate of the fluid flowing in the flow path, the valve opening of the fluid control valve is temporarily limited to a limit value due to some cause even in a state other than the abnormal state. In such a case, the gain value used for feedback control is maintained at the gain value used for feedback control when not in the abnormal state.
また、前記判定部が、前記流体制御弁に印加される電圧値又は電流値に基づき前記流体制御弁の弁開度が限界値以上になっている状態であるか否かを判定する構成になっているものであてもよい。 Further, the determination unit is configured to determine whether or not the valve opening degree of the fluid control valve is equal to or greater than a limit value based on a voltage value or a current value applied to the fluid control valve. It may be.
また、前記ゲイン変更部が、前記流体センサで測定される測定値と前記目標値との偏差が所定範囲に納まる安定状態においてフィードバック制御に用いられる安定ゲイン値よりも小さい値のゲイン値に変更する構成になっているものであってもよく、また、前記ゲイン変更部が、前記目標値を変更した後の過渡状態においてフィードバック制御に用いられる過渡ゲイン値よりも小さい値のゲイン値に変更する構成になっているものであってもよい。 Further, the gain changing unit changes the gain value to a value smaller than a stable gain value used for feedback control in a stable state where a deviation between a measured value measured by the fluid sensor and the target value falls within a predetermined range. The gain changing unit may change the gain value to a gain value smaller than the transient gain value used for feedback control in the transient state after changing the target value. It may be what is.
このようなものであれば、ＡＬＤのように応答速度が要求される流体制御装置においては、安定ゲイン値や過渡ゲイン値として比較的高い値が設定されているが、異常状態になった場合に、これらのゲイン値よりも小さい値に変更することにより、その後、異常状態が解消された場合における制御不良の発生を抑制できる。 If this is the case, in a fluid control device that requires a response speed such as ALD, a relatively high value is set as a stable gain value or a transient gain value. Then, by changing to a value smaller than these gain values, it is possible to suppress the occurrence of control failure when the abnormal state is resolved thereafter.
また、本発明に係る流体制御システムは、前記いずれかの流体制御装置と、前記流体制御装置の上流側又は下流側のいずれか一方又は双方に設置される開閉弁とを具備するものである。 In addition, a fluid control system according to the present invention includes any one of the fluid control devices and an on-off valve installed on one or both of the upstream side and the downstream side of the fluid control device.
また、本発明に係る流体制御装置に用いられる制御プログラムは、流路を流れる流体を測定する流体センサと、前記流体を制御する流体制御弁と、前記流体センサで測定される測定値が予め定められた目標値に近づくように前記流体制御弁をフィードバック制御する流体制御部とを具備する流体制御装置に用いられる制御プログラムであって、前記流体センサで測定された測定値が前記目標値よりも小さい値である過少流量閾値以下であり、かつ、前記流体制御弁の弁開度が限界値以上になっている状態を継続する異常状態になったか否かを判定し、前記判定部によって前記異常状態になったと判定された場合に、前記フィードバック制御に用いられるゲイン値を、前記異常状態でない場合に前記フィードバック制御に用いられるゲイン値よりも小さな値に変更することを特徴とするものである。 Further, the control program used in the fluid control device according to the present invention includes a fluid sensor that measures a fluid flowing through a flow path, a fluid control valve that controls the fluid, and a measurement value that is measured by the fluid sensor. A control program for use in a fluid control device including a fluid control unit that feedback-controls the fluid control valve so as to approach a set target value, wherein the measured value measured by the fluid sensor is greater than the target value. It is determined whether or not an abnormal state has occurred in which a state in which the valve opening degree of the fluid control valve is equal to or greater than a limit value is less than a small flow rate threshold value, and the abnormality is detected by the determination unit. The gain value used for the feedback control when determined to be in the state is the gain value used for the feedback control when not in the abnormal state. It is characterized in that also changed to a smaller value.
このように構成した流体測定装置によれば、前記流体制御システムにおいて流体制御装置がフィードバック制御を継続している状態で、開閉弁を開閉する操作がなされた場合においても、制御不良が生じ難い。 According to the fluid measuring device configured as described above, even when an operation for opening and closing the on-off valve is performed in a state where the fluid control device continues the feedback control in the fluid control system, it is difficult to cause a control failure.
以下に、本発明に係る流体制御装置及びその流体制御装置を用いた流体制御システムを図面に基づいて説明する。 Hereinafter, a fluid control device according to the present invention and a fluid control system using the fluid control device will be described with reference to the drawings.
本発明に係る流体制御システムは、半導体製造プロセスに使用される成膜室（チャンバ）等の供給先に対し、その成膜の材料になる特定成分を含む流体を供給するために使用されるものである。なお、本発明に係る流体測定システムは、半導体制御プロセスだけでなく、その他のプロセスにおいても使用することができる。 The fluid control system according to the present invention is used to supply a fluid containing a specific component as a material for film formation to a supply destination such as a film formation chamber (chamber) used in a semiconductor manufacturing process. It is. The fluid measurement system according to the present invention can be used not only in the semiconductor control process but also in other processes.
＜実施形態１＞ <Embodiment 1>
本実施形態に係る流体制御システム１００は、図１に示すように、流体供給装置Ｔから成膜室Ｃに対して流体を供給するための流路Ｌに設置された流体制御装置１０と、流体制御装置１０の上流側及び下流側に設置される開閉弁Ｖと、を備えている。なお、流路Ｌの上流側には、流体供給装置Ｔが接続されており、流路Ｌの下流側には、成膜室Ｃが接続されている。 As shown in FIG. 1, the fluid control system 100 according to this embodiment includes a fluid control device 10 installed in a flow path L for supplying a fluid from a fluid supply device T to a film forming chamber C, and a fluid And an on-off valve V installed on the upstream side and the downstream side of the control device 10. A fluid supply device T is connected to the upstream side of the flow path L, and a film forming chamber C is connected to the downstream side of the flow path L.
前記流体制御装置１０は、所謂マスフローコントローラであり、本実施形態においては熱式のものを使用している。具体的には、図２に示すように、流体制御装置１０は、流路Ｌが設けられたブロック体２０と、ブロック体２０に設置されて流路Ｌを流れる流体の流量を測定する流量センサ３０と、ブロック体２０の流量センサ３０よりも下流側に設置される流体制御弁４０と、流量センサ３０で測定される測定値に基づき流体制御弁４０の弁開度を調節して流路Ｌに流れる流体の流量を制御する流体制御部５０と、を備えている。 The fluid control device 10 is a so-called mass flow controller, and a thermal type is used in this embodiment. Specifically, as shown in FIG. 2, the fluid control apparatus 10 includes a block body 20 provided with a flow path L, and a flow rate sensor that is installed in the block body 20 and measures a flow rate of fluid flowing through the flow path L. 30, the fluid control valve 40 installed on the downstream side of the flow sensor 30 of the block body 20, and the opening degree of the fluid control valve 40 based on the measured value measured by the flow sensor 30 to adjust the flow path L And a fluid control unit 50 for controlling the flow rate of the fluid flowing through the fluid.
前記流量センサ３０は、流路Ｌを流れる流体の流量を測定するものであり、所謂熱式流量センサである。具体的には、流量センサ３０は、流路Ｌをバイパスする測定管３１と、測定管３１の上流側及び下流側に巻き付けられた一対の発熱抵抗体３２と、を備えている。なお、流量センサ３０は、測定管３１に流体が流れることによって生じる一対の発熱抵抗体３２の温度差に基づき、測定管３２を流れる流体の流量を算出する流量算出部３３をさらに備えている。なお、流量算出部３３は、流路Ｌと測定管３１との分流比に基づいて、流路Ｌを流れる流量を算出する。なお、流路Ｌにおける測定管３１との分岐点及び合流点の間には、層流素子３４が設けられている。 The flow rate sensor 30 measures the flow rate of the fluid flowing through the flow path L, and is a so-called thermal flow rate sensor. Specifically, the flow sensor 30 includes a measurement tube 31 that bypasses the flow path L, and a pair of heating resistors 32 wound around the upstream side and the downstream side of the measurement tube 31. The flow rate sensor 30 further includes a flow rate calculation unit 33 that calculates the flow rate of the fluid flowing through the measurement tube 32 based on the temperature difference between the pair of heating resistors 32 generated when the fluid flows through the measurement tube 31. The flow rate calculation unit 33 calculates the flow rate flowing through the flow path L based on the diversion ratio between the flow path L and the measurement tube 31. A laminar flow element 34 is provided between the branch point and the junction point with the measurement tube 31 in the flow path L.
前記流体制御弁４０は、弁座４１と、弁座４１の弁座面４１ｓに対して接離方向へ移動する弁体４２と、弁体４２に接続されるプランジャ４３と、弁体４２をプランジャ４３を介して移動させるアクチュエータ４４と、これらの各部材を収容するケース４５と、を備えている。そして、流体制御弁４０は、弁座４１の弁座面４１ｓに対して弁体４２の接触面４２ｓを接触させることにより、全閉状態となり、この弁座面４１ｓと接触面４２ｓとの間の距離が弁開度となる。なお、本実施形態においては、アクチュエータ４４としてピエゾ素子を使用している。 The fluid control valve 40 includes a valve seat 41, a valve body 42 that moves toward and away from the valve seat surface 41s of the valve seat 41, a plunger 43 that is connected to the valve body 42, and a valve body 42 that is a plunger. An actuator 44 that is moved through 43 and a case 45 that accommodates these members are provided. Then, the fluid control valve 40 is brought into a fully closed state by bringing the contact surface 42s of the valve body 42 into contact with the valve seat surface 41s of the valve seat 41, and between the valve seat surface 41s and the contact surface 42s. The distance is the valve opening. In the present embodiment, a piezoelectric element is used as the actuator 44.
前記流量制御部５０は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ等を備えた所謂コンピュータを有し、前記メモリに格納されているプログラムが実行され、各種機器が協働することによって前記各機能が実現されるようにしてある。なお、流体制御部５０には、入力部６０や図示しない出力部が接続されている。 The flow rate control unit 50 includes a so-called computer including a CPU, a memory, an A / D / D / A converter, and the like. Each function is realized. The fluid control unit 50 is connected to an input unit 60 and an output unit (not shown).
詳述すると、前記流量制御部５０は、予め入力部６０から入力された目標値を記憶する目標値記憶部５１と、流量センサ３０で測定される測定値に基づき流体制御弁４０の弁開度をフィードバック制御するフィードバック制御部５２と、流体制御装置１０が異常状態になっていないか否かを判定する判定部５３、判定部５３における判定に基づきフィードバック制御に用いられるゲイン値を変更するゲイン変更部５４と、を備えている。 More specifically, the flow control unit 50 includes a target value storage unit 51 that stores a target value input in advance from the input unit 60, and a valve opening degree of the fluid control valve 40 based on a measurement value measured by the flow sensor 30. A feedback control unit 52 that performs feedback control, a determination unit 53 that determines whether or not the fluid control device 10 is in an abnormal state, and a gain change that changes a gain value used for feedback control based on the determination in the determination unit 53 Part 54.
前記目標値記憶部５１は、流体制御装置１０によって制御する流体の目標流量となる目標値を記憶するものである。なお、目標値記憶部５１は、入力部６０に接続されており、予めユーザが入力部６０から目標値を入力して設定できるようになっている。 The target value storage unit 51 stores a target value that is a target flow rate of the fluid controlled by the fluid control device 10. The target value storage unit 51 is connected to the input unit 60 so that the user can input and set the target value from the input unit 60 in advance.
前記フィードバック制御部５２は、流量センサ３０の測定値が目標値に近づくように流体制御弁４０をＰＩＤ制御するものである。なお、フィードバック制御に用いられるゲイン値は、次の三つのものがあり、それぞれの状態に合わせて設定される。
・流量センサ３０の測定値が、目標値からの許容可能なずれの上限値を示す過大流量閾値及び下限値を示す過少流量閾値の間に納まる安定状態になった場合に設定される安定ゲイン値。（なお、安定状態は、流量センサ３０の測定値と目標値との偏差が過大流量閾値と過少流量閾値との差の範囲に納まる状態とも言える。）
・流量センサ３０の測定値が、過渡状態になった場合に設定される過渡ゲイン値。（なお、過渡状態は、目標値が変更された後の過渡的な状態である。）
・流量センサ３０の測定値が、過少流量閾値以下であり、かつ、流体制御弁の弁開度が限界値以上になっている状態が所定時間以上継続する異常状態になった場合に設定される異常ゲイン値。
The feedback control unit 52 performs PID control of the fluid control valve 40 so that the measured value of the flow sensor 30 approaches the target value. There are the following three gain values used for feedback control, which are set in accordance with the respective states.
A stable gain value that is set when the measured value of the flow sensor 30 is in a stable state that falls between an overflow threshold that indicates an upper limit of an allowable deviation from the target value and an underflow threshold that indicates a lower limit. . (The stable state can also be said to be a state in which the deviation between the measured value of the flow rate sensor 30 and the target value falls within the range of the difference between the excessive flow rate threshold value and the underflow rate threshold value.)
A transient gain value that is set when the measured value of the flow sensor 30 enters a transient state. (The transient state is a transient state after the target value is changed.)
・ Set when the measured value of the flow sensor 30 is below the underflow threshold value and the valve opening degree of the fluid control valve is above the limit value becomes an abnormal state that continues for a predetermined time or more. Abnormal gain value.
前記判定部５３は、流量センサ３０の測定値が過少流量閾値以下になっているか否かを判定する流量判定部５３ａと、流体制御弁４０の弁開度が限界値以上になっているか否かを判定する弁開度判定部５３ｂと、流量判定部５３ａ及び弁開度判定部５３ｂの判定結果に基づき、流量センサ３０の測定値が過少流量閾値以下になっており、かつ、流体制御弁４０の弁開度が限界値以上になっている状態が維持されている継続時間を計測する時間計測部５３ｃと、を備えている。そして、判定部５３は、流量判定部５３ａによる判定と弁開度判定部５３ｂによる判定とをこの順番で順次実行すると共に、時間計測部５３ｃで計測された継続時間を参照することにより、流体制御装置１０が異常状態になっているか否かを判定するように構成されている。なお、異常状態は、流路Ｌに流体が流れておらず、流体制御弁４０の弁開度が限界値以上になっている状態が所定時間以上継続している状態である。なお、流体制御装置１０は、例えば、開閉弁Ｖが閉じられているにもかかわらず、フィードバック制御部においてフィードバック制御が継続されることにより、異常状態となる。 The determination unit 53 determines whether or not the measured value of the flow sensor 30 is equal to or less than the underflow threshold, and whether or not the valve opening of the fluid control valve 40 is equal to or greater than the limit value. Based on the determination results of the valve opening degree determination unit 53b, the flow rate determination part 53a and the valve opening degree determination part 53b, the measured value of the flow sensor 30 is equal to or less than the underflow threshold value, and the fluid control valve 40 And a time measuring unit 53c for measuring a duration time during which the valve opening degree is maintained at or above the limit value. The determination unit 53 sequentially executes the determination by the flow rate determination unit 53a and the determination by the valve opening determination unit 53b in this order, and refers to the duration time measured by the time measurement unit 53c, thereby controlling the fluid control. It is configured to determine whether or not the device 10 is in an abnormal state. The abnormal state is a state in which no fluid is flowing through the flow path L and the valve opening degree of the fluid control valve 40 is equal to or greater than a limit value for a predetermined time or more. Note that the fluid control device 10 enters an abnormal state by continuing feedback control in the feedback control unit, for example, even though the on-off valve V is closed.
前記弁開度判定部５３ｂは、具体的には、弁体４２を移動させるアクチュエータ４４に印加される電圧値に基づき流体制御弁４０の弁開度が限界値以上になっている状態か否かを判定するものである。なお、弁開度が限界値以上になっている状態には、流体制御弁４０の弁開度が機構上定まる限界値以上になっている状態、言い換えれば、所謂全開になっている状態のみならず、流体制御弁の弁開度がユーザの定める限界値以上になっている状態も含まれる。 Specifically, the valve opening degree determination unit 53b determines whether or not the valve opening degree of the fluid control valve 40 is greater than or equal to a limit value based on a voltage value applied to the actuator 44 that moves the valve element 42. Is determined. It should be noted that the state where the valve opening is equal to or greater than the limit value is only the state where the valve opening of the fluid control valve 40 is equal to or greater than the limit value determined by the mechanism, in other words, the state where the valve is fully open. In addition, a state where the valve opening degree of the fluid control valve is equal to or greater than a limit value determined by the user is also included.
前記ゲイン変更部５４は、判定部５３において異常状態と判定された場合に、ゲイン値を当該異常状態になっていない場合にフィードバック制御に用いられるゲイン値よりも小さい値に変更するものである。具体的には、異常ゲイン値は、少なくとも安定ゲイン値又は過少過渡ゲイン値よりも小さい値に設定されている。そして、ゲイン変更部５４は、判定部５３において異常状態と判定された場合に、安定ゲイン値又は過少過渡ゲイン値から異常ゲイン値に変更するものである。具体的には、ゲイン変更部５４は、ＰＩＤ制御におけるＰゲインを変更するものとし、異常ゲイン値は安定ゲイン値又は過渡ゲイン値の半分の値とするように設定すればよい。 The gain changing unit 54 changes the gain value to a value smaller than the gain value used for feedback control when the determining unit 53 determines that the abnormal state has occurred. Specifically, the abnormal gain value is set to a value smaller than at least the stable gain value or the under-transient gain value. The gain changing unit 54 changes the stable gain value or the under-transient gain value to the abnormal gain value when the determination unit 53 determines that the abnormal state has occurred. Specifically, the gain changing unit 54 changes the P gain in the PID control, and the abnormal gain value may be set to be a half value of the stable gain value or the transient gain value.
前記開閉弁Ｖは、流路Ｌを流れる流体の流れを完全に遮断するものであり、シャットオフ性が低い流体制御弁４０を補助するものである。具体的には、空圧弁等を使用することができる。 The on-off valve V completely shuts off the flow of fluid flowing through the flow path L, and assists the fluid control valve 40 having a low shutoff property. Specifically, a pneumatic valve or the like can be used.
次に、本実施形態に係る流体制御システムにおける流体制御装置の判定動作を図３に基づいて説明する。なお、当該判定動作は、所定周期毎に単位判定動作を繰り返し実行し、図３は単位判定動作の一連の流れを示すフローチャートである。また、図４は、流量判定部５３ａにおける判定動作に用いられる各値を説明するためのグラフである。 Next, the determination operation of the fluid control device in the fluid control system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In this determination operation, the unit determination operation is repeatedly executed every predetermined period, and FIG. 3 is a flowchart showing a series of flow of the unit determination operation. FIG. 4 is a graph for explaining each value used for the determination operation in the flow rate determination unit 53a.
判定部５３の判定動作を説明するに先立ち、図４に基づき流量判定部５３ａにおける判定動作に用いられる各値について説明する。図４は、縦軸を流量センサ３０の測定値とし、横軸を目標値としたグラフである。そして、図４中、実線Ｘは、測定値と目標値とが一致する理想的な安定状態を示しており、また、破線Ｙは、安定状態として許容できる測定値の目標値からの過少側へのずれの範囲を示している。よって、安定状態は、測定値が少なくとも破線Ｘと破線Ｙとの間に納まる状態といえる。なお、所定の目標値に着目した場合に、その所定の目標値における破線Ｘと破線Ｙとの差が過少流量許容値となる。すなわち、過少流量許容値とは、所定の目標値において安定状態として許容可能な測定値の目標値からの過少側へのずれの範囲を示す値である。 Prior to describing the determination operation of the determination unit 53, each value used for the determination operation in the flow rate determination unit 53a will be described based on FIG. FIG. 4 is a graph in which the vertical axis represents the measured value of the flow sensor 30 and the horizontal axis represents the target value. In FIG. 4, a solid line X indicates an ideal stable state in which the measured value and the target value coincide with each other, and a broken line Y indicates that the measured value allowable as the stable state is less than the target value. The range of deviation is shown. Therefore, it can be said that the stable state is a state where the measured value is at least between the broken line X and the broken line Y. When attention is paid to a predetermined target value, the difference between the broken line X and the broken line Y at the predetermined target value is the allowable underflow rate. That is, the underflow allowable value is a value indicating a range of deviation from a target value of a measured value that is allowable as a stable state at a predetermined target value.
ところで、流量判定部５３ａにおいては、流量センサ３０の測定値が、目標値から過少流量許容値を差し引いた値である過少流量閾値以下になるか否かを判定することになる。ところが、図４から分かるように、目標値が、過少流量許容値と等しい値（図４中、αで示す）以下になると、過少流量閾値がマイナスの値になってしまい正しく判定できなくなる。そこで、このような事態を回避するために、過少流量下限値（図４中、βで示す）を設定し、目標値から過少流量許容値を差し引いた値が過少流量下限値以下になった場合には、当該過少流量下限値を過少流量閾値とするようになっている。以上を踏まえて判定部５３の判定動作を具体的に説明する。 By the way, in the flow rate determination unit 53a, it is determined whether or not the measured value of the flow rate sensor 30 is equal to or less than the underflow threshold that is a value obtained by subtracting the underflow allowable value from the target value. However, as can be seen from FIG. 4, when the target value is equal to or smaller than the allowable value of the underflow (indicated by α in FIG. 4), the underflow threshold becomes a negative value and cannot be correctly determined. Therefore, in order to avoid such a situation, the lower flow rate lower limit value (indicated by β in FIG. 4) is set, and the value obtained by subtracting the allowable lower flow rate from the target value is less than the lower flow rate lower limit value. The underflow rate lower limit value is set as the underflow rate threshold value. Based on the above, the determination operation of the determination unit 53 will be specifically described.
判定部５３で判定動作が開始されると、それと同時に時間計測部５３ｃにおける計測が開始される。そして、判定部５３は、流量判定部５３ａによる判定動作を実行した後、弁開度判定部５３ｂによる判定動作を実行して単位判定動作を終了する。 When the determination operation is started in the determination unit 53, the measurement in the time measurement unit 53c is started at the same time. And the determination part 53 performs the determination operation | movement by the valve opening degree determination part 53b, after performing determination operation | movement by the flow volume determination part 53a, and complete | finishes unit determination operation | movement.
先ず、流量判定部５３ａは、流量センサ４０の測定値が過少流量閾値以下になっているか否かを判定する。具体的には、流量判定部５３ａは、目標値から過少流量許容値を差し引いた値と過少流量下限値とを比較する（ステップ１）。そして、流量判定部５３ａは、ステップ１において前記値が過少流量下限値よりも大きいと判断した場合には、当該値を過少流量閾値と認定し（ステップ２）、続いて、流量センサ４０の測定値と当該過少流量閾値とを比較する（ステップ３）。そして、流量判定部５３ａは、ステップ３において測定値が過少流量閾値以下と判断した場合には、弁開度判定部５３ｂにおける判定に移行し、測定値が過少流量閾値よりも大きいと判断した場合には、時間計測部５３ｃで計測されている継続時間をリセットして単位判定動作を終了する（ステップ４）。 First, the flow rate determination unit 53a determines whether or not the measurement value of the flow rate sensor 40 is less than or equal to the underflow threshold value. Specifically, the flow rate determination unit 53a compares a value obtained by subtracting the underflow allowable value from the target value with the underflow rate lower limit value (step 1). If the flow rate determination unit 53a determines in step 1 that the value is larger than the lower flow rate lower limit value, the flow rate determination unit 53a recognizes the value as a lower flow rate threshold value (step 2), and then measures the flow rate sensor 40. The value is compared with the underflow threshold (step 3). When the flow rate determination unit 53a determines in step 3 that the measured value is equal to or less than the underflow threshold value, the flow rate determination unit 53a proceeds to determination in the valve opening degree determination unit 53b and determines that the measured value is greater than the underflow rate threshold value. In step S4, the duration time measured by the time measuring unit 53c is reset to end the unit determination operation.
一方、流量判定部５３ａは、ステップ１において前記値が過少流量下限値よりも小さいと判断した場合には、当該過少流量下限値を過少流量閾値と認定し（ステップ５）、続いて、流量センサ４０の測定値と当該過少流量閾値とを比較する（ステップ３）。そして、流量判定部５３ａは、ステップ３において測定値が過少流量閾値以下と判断した場合には、弁開度判定部５３ｂにおける判定に移行し、測定値が過少流量閾値よりも大きいと判断した場合には、時間計測部５３ｃで計測されている継続時間をリセットして単位判定動作を終了する（ステップ４）。 On the other hand, if the flow rate determination unit 53a determines in step 1 that the value is smaller than the lower flow rate lower limit value, the flow rate determination unit 53a recognizes the lower flow rate lower limit value as the lower flow rate threshold value (step 5), and then continues to the flow sensor. The measured value of 40 is compared with the underflow threshold (step 3). When the flow rate determination unit 53a determines in step 3 that the measured value is equal to or less than the underflow threshold value, the flow rate determination unit 53a proceeds to determination in the valve opening degree determination unit 53b and determines that the measured value is greater than the underflow rate threshold value. In step S4, the duration time measured by the time measuring unit 53c is reset to end the unit determination operation.
次に、ステップ３において弁開度判定部５３ｂにおける判定に移行すると、弁開度判定部５３ｂは、流体制御弁４０に印加されている電圧値に基づき算出される算出弁開度が限界値以上になっているか否かを判定する（ステップ６）。そして、弁開度判定部５３ｂは、ステップ６において算出弁開度が限界値以上になっていると認定した場合には、時間計測部５３ｃで計測される継続時間に対し、判定動作を開始してからの経過時間を加算する（ステップ７）。一方、弁開度判定部５３ｂは、ステップ６において算出弁開度が限界値以上になっていないと認定した場合には、時間計測部５３ｃで計測されている継続時間をリセットして単位判定動作を終了する（ステップ４）。 Next, when the process proceeds to determination in the valve opening determination unit 53b in step 3, the valve opening determination unit 53b calculates the calculated valve opening calculated based on the voltage value applied to the fluid control valve 40 to a limit value or more. It is determined whether or not (step 6). Then, when it is determined in step 6 that the calculated valve opening is equal to or greater than the limit value, the valve opening determination unit 53b starts a determination operation for the duration measured by the time measurement unit 53c. The elapsed time since then is added (step 7). On the other hand, if it is determined in step 6 that the calculated valve opening is not greater than or equal to the limit value, the valve opening determination unit 53b resets the duration measured by the time measurement unit 53c and performs unit determination operation. Is finished (step 4).
次に、弁開度判定部５３ｂは、ステップ７において経過時間を加算した後の継続時間が所定時間以上になったか否かを判定する（ステップ８）そして、弁開度判定部５３ｂは、ステップ８において継続時間が所定時間以上になったと判断した場合に、異常状態になったと判定して単位判定動作を終了する（ステップ９）。一方、弁開度判定部５３ｂは、ステップ８において継続時間が所定時間以上になっていないと判断した場合には、継続時間をリセットせずに維持した状態で単位判定動作を終了する（ステップ１０）。 Next, the valve opening degree determination unit 53b determines whether or not the continuation time after adding the elapsed time in step 7 is equal to or longer than a predetermined time (step 8). If it is determined in step 8 that the duration has reached a predetermined time or more, it is determined that an abnormal state has occurred and the unit determination operation is terminated (step 9). On the other hand, if it is determined in step 8 that the duration is not equal to or longer than the predetermined time, the valve opening degree determination unit 53b ends the unit determination operation in a state where the duration is maintained without being reset (step 10). ).
すなわち、判定部５３においては、流量センサ３０で測定された測定値が過少流量閾値以下になっている状態と、流体制御弁４０の弁開度が限界値以上になっている状態と、が同時に生じる事態が所定時間以上経過したか否かを判定することにより、流体制御装置１０が異常状態になったか否かを判定している。 That is, in the determination unit 53, the state where the measurement value measured by the flow sensor 30 is equal to or less than the underflow threshold and the state where the valve opening of the fluid control valve 40 is equal to or greater than the limit value are simultaneously performed. It is determined whether or not the fluid control apparatus 10 has entered an abnormal state by determining whether or not the situation that has occurred has elapsed for a predetermined time or more.
そして、ゲイン変更部５４は、判定部５０で異常状態と判定された場合に、フィードバック制御に用いられるゲイン値を異常ゲイン値に変更する。これにより、流体制御装置１０が異常状態になった後、開閉弁Ｖが開放され、弁開度が限界値以上になっている状態の流体制御弁４０に流体が一気に流れ込んだとしても、フィードバック制御に用いられるゲイン値が比較的小さい値に設定されているため、オーバーシュートやハンチングの度合いを低減でき、制御不良が生じ難くなる。 And the gain change part 54 changes the gain value used for feedback control to an abnormal gain value, when the determination part 50 determines with an abnormal state. As a result, even after the fluid control device 10 enters an abnormal state, the on-off valve V is opened, and even if the fluid flows into the fluid control valve 40 in a state where the valve opening degree is equal to or greater than the limit value, feedback control is performed. Since the gain value used for is set to a relatively small value, the degree of overshoot and hunting can be reduced, and control failure is less likely to occur.
＜その他の実施形態＞ 前記実施形態における弁開度判定部５３ｂにおいて、流体制御弁４０がノーマルオープンタイプかノーマルクローズタイプであるかを判定するステップを追加し、このステップを追加した後にステップ７を実行するように構成してもよい。前記ステップを追加することにより、いずれのタイプの流体制御弁４０が使用されても電圧値に基づき正しい弁開度を算出することができる。 Other Embodiments In the valve opening degree determination unit 53b in the above embodiment, a step of determining whether the fluid control valve 40 is a normal open type or a normal close type is added, and after adding this step, step 7 is performed. It may be configured to execute. By adding the step, it is possible to calculate the correct valve opening based on the voltage value regardless of which type of fluid control valve 40 is used.
前記実施形態における弁開度判定部５３ｂにおいては、流体制御弁４０の弁開度をアクチュエータ４４に印加される電圧値に基づき算出しているが、アクチュエータ４４に印加される電流値に基づき算出してもよい。さらに、流体制御弁４０に弁座４１に対する弁体４２の位置を検出する位置センサを設け、当該位置センサの出力値に基づき弁開度を算出してもよい。この場合、前記流体制御弁４０が、弁座４１に対する弁体４２の位置を測定する位置センサを備えており、前記判定部５３が、前記位置センサの出力値に基づき前記異常状態になったか否かを判定する弁開度判定部５３ｂを備えるようにすればよい。また、位置センサの出力値に基づき流体制御弁４０の弁開度が限界値以上になっているか否かを判定してもよい。 In the valve opening degree determination unit 53b in the embodiment, the valve opening degree of the fluid control valve 40 is calculated based on the voltage value applied to the actuator 44, but is calculated based on the current value applied to the actuator 44. May be. Furthermore, a position sensor that detects the position of the valve element 42 with respect to the valve seat 41 may be provided in the fluid control valve 40, and the valve opening degree may be calculated based on the output value of the position sensor. In this case, the fluid control valve 40 includes a position sensor that measures the position of the valve element 42 with respect to the valve seat 41, and whether or not the determination unit 53 has entered the abnormal state based on the output value of the position sensor. What is necessary is just to provide the valve opening degree determination part 53b which determines these. Moreover, you may determine whether the valve opening degree of the fluid control valve 40 is more than a limit value based on the output value of a position sensor.
また、前記実施形態における判定部５３においては、流量判定部５３ａによる判定を実行した後、弁開度判定部５３ｂによる判定を実行しているが、弁開度判定部５３ｂによる判定を先に実行し、流量判定部５３ａによる判定をその後実行してもよい。 Moreover, in the determination part 53 in the said embodiment, after performing determination by the flow volume determination part 53a, determination by the valve opening degree determination part 53b is performed, but determination by the valve opening degree determination part 53b is performed first. The determination by the flow rate determination unit 53a may then be executed.
前記実施形態においては、流体制御装置として熱式のものを使用しているが、圧力式のものや、位置センサ式のものを使用してもよい。 In the above embodiment, a thermal type is used as the fluid control device, but a pressure type or a position sensor type may be used.
その他、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。 In addition, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
１００ 流体制御システム
Ｌ 流路
Ｖ 開閉弁
１０ 流体制御装置
３０ 流体センサ
４０ 流体制御弁
５０ 流体制御部
５１ 目標値記憶部
５２ フィードバック制御部
５３ 判定部
５３ａ 流量判定部
５３ｂ 弁開度判定部
５３ｃ 時間計測部
５４ ゲイン変更部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fluid control system L Flow path V On-off valve 10 Fluid control apparatus 30 Fluid sensor 40 Fluid control valve 50 Fluid control part 51 Target value storage part 52 Feedback control part 53 Determination part 53a Flow rate determination part 53b Valve opening degree determination part 53c Time measurement 54 Gain changing section
Claims (8)
前記流体を制御する流体制御弁と、
前記流体センサで測定される測定値が予め定められた目標値に近づくように前記流体制御弁をフィードバック制御する流体制御部とを具備し、
前記流体制御部が、
前記流体センサで測定された測定値が前記目標値よりも小さい値である過少流量閾値以下であり、かつ、前記流体制御弁の弁開度が限界値以上になっている状態を継続する異常状態になったか否かを判定する判定部を備えることを特徴とする流体制御装置。 A fluid sensor for measuring the fluid flowing through the flow path;
A fluid control valve for controlling the fluid;
A fluid control unit that feedback-controls the fluid control valve so that a measurement value measured by the fluid sensor approaches a predetermined target value;
The fluid control unit is
An abnormal state in which the measured value measured by the fluid sensor is less than an underflow threshold that is smaller than the target value and the valve opening of the fluid control valve is greater than or equal to a limit value A fluid control apparatus comprising: a determination unit that determines whether or not
前記流体制御装置の上流側又は下流側のいずれか一方又は双方に設置される開閉弁とを具備することを特徴とする流体制御システム。 A fluid control device according to any one of claims 1 to 6;
A fluid control system comprising: an on-off valve installed on one or both of the upstream side and the downstream side of the fluid control device.
前記流体センサで測定された測定値が前記目標値よりも小さい値である過少流量閾値以下であり、かつ、前記流体制御弁の弁開度が限界値以上になっている状態を継続する異常状態になったか否かを判定し、前記判定部によって前記異常状態になったと判定された場合に、前記フィードバック制御に用いられるゲイン値を、前記異常状態でない場合に前記フィードバック制御に用いられるゲイン値よりも小さな値に変更することを特徴とする流体制御装置に用いられる制御プログラム。
A fluid sensor that measures the fluid flowing through the flow path, a fluid control valve that controls the fluid, and feedback-controls the fluid control valve so that the measured value measured by the fluid sensor approaches a predetermined target value. A control program used in a fluid control device comprising a fluid control unit,
An abnormal state in which the measured value measured by the fluid sensor is less than an underflow threshold that is smaller than the target value and the valve opening of the fluid control valve is greater than or equal to a limit value The gain value used for the feedback control is determined from the gain value used for the feedback control when not in the abnormal state when the determination unit determines that the abnormal state has occurred. Is a control program used for a fluid control apparatus, wherein the value is changed to a small value.
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