KR101668483B1 - 매스플로우 컨트롤러 - Google Patents

Abstract

<과제> 매스플로우 컨트롤러에서의 PI 성능을 향상시킨다.

<해결 수단> 매스플로우 컨트롤러에 있어서, 안정상태에서의 PID 연산에 이용하는 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 1차 측 압력, 당해 1차 측 압력의 시간변화량 및 유량설정값 중 적어도 2개에 근거하여 변경시킨다.

Description

매스플로우 컨트롤러{MASS FLOW CONTROLLER}

본 발명은 가스나 액체 등의 유체의 유량을 제어하는 매스플로우 컨트롤러에 관한 것이다.

예를 들면, 반도체의 제조에 이용되는 각종 가스 등을 반도체 제조장치에 공급하는 경우, 그들 공급유로에 매스플로우 컨트롤러를 각각 설치하고, 이것에 의해서 가스유량을 각각 조절하도록 하고 있다. 그리고 종전은 각 매스플로우 컨트롤러에 각각 압력 레귤레이터를 직렬 부대(附帶)시켜, 각 매스플로우 컨트롤러의 유로 내압력에 극단적인 변동이 생기지 않도록 하여 유량제어를 용이화하고 있다.

상기 매스플로우 컨트롤러에서의 유량제어방식으로서는 PID 제어가 기본이지만, 예를 들면, 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, 과도적(過度的)인 응답상태와 안정상태에서 PID 계수를 전환하여 피드백제어를 행하도록 한 것이 알려져 있다.

구체적으로 특허문헌 1에 나타내는 것은 비례연산에서의 편차에 승산(乘算)하는 게인(gain)값으로서, 유량설정값을 소정의 함수에 대입하여 얻어지는 값을 이용하고 있고, 예를 들면 안정상태에서 이용되는 상기 소정의 함수는 대입되는 유량설정값이 작아지면 작은 값이 산출되는 것이다. 즉, 특허문헌 1에 나타내는 종래의 매스플로우 컨트롤러는 안정상태에서의 비례계수, 적분계수 및 미분계수(이하, PID 계수라고도 한다.)를 유량설정값에만 비례시켜 변경할 뿐이다.

그렇지만, 본원 발명자는 안정상태에서 1차 측 압력의 상승시와 하강시에서 PID 계수의 최적값이 다르다는 점, 또, 1차 측 압력의 시간변화량이 같아도 변화전의 1차 측 압력이 다르면 PID 계수가 다르다는 점, 또한, 유량설정값과 PID 계수 최적값이 직선관계가 이루어지지 않는다고 하는 실험결과를 얻었다. 그렇다면, 안정상태에서 PID 계수를 유량설정값에 비례시키는 것만으로는 PI(Pressure Insensitive) 성능의 향상에는 한계가 있는 것이 판명되었다.

[특허문헌 1] 일본국 특개2007-34550호 공보

그래서, 본 발명은 상기 문제점을 일거에 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 매스플로우 컨트롤러에서의 PI 성능을 더욱 향상시키는 것을 그 주된 소기 과제로 하는 것이다.

즉, 본 발명에 관한 매스플로우 컨트롤러는 유로 내를 흐르는 유체의 유량을 측정하고, 그 측정값을 나타내는 유량측정신호를 출력하는 유량센서부와 당해 유량센서부의 상류 측 또는 하류 측에 설치한 유량제어밸브와, 상기 유량측정신호가 나타내는 유량측정값과 목표값인 유량설정값과의 편차에 PID 연산을 시행하여 유량제어밸브로의 피드백 제어값을 산출하는 산출부와, 상기 피드백 제어값에 근거하여 개도(開度)제어신호를 생성하고, 유량제어밸브에 출력하는 개도제어신호 출력부를 구비하며, 상기 산출부가 안정상태에서의 PID 연산에 이용하는 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 1차 측 압력, 당해 1차 측 압력의 시간변화량 및 상기 유량설정값 중 적어도 2개에 근거하여 변경시키는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 하면, 안정상태에서의 PID 연산에 이용하는 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 1차 측 압력, 당해 1차 측 압력의 시간변화량 및 상기 유량설정값 중 적어도 2개에 근거하여 변경시키고 있으므로, 종래의 유량설정값에 의해 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 비례시켜 변경시키는 방법에 비해, 보다 최적의 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 얻을 수 있고, 그 결과, 1차 측 압력의 압력변동의 영향을 받기 어려워 안정된 유량제어를 행할 수 있다.

특히, 안정상태에서 1차 측 압력의 상승시와 하강시에 비례계수, 적분계수 및 미분계수의 최적값이 다르기 때문에, 상기 산출부가 1차 측 압력의 시간변화량의 정부(正負)에 의해서, 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 변경하는 것이 바람직하다.

비례계수, 적분계수 및 미분계수를 가장 최적의 값으로 하고, 1차 측 압력의 압력변동의 영향을 받기 어려우며, 안정된 유량제어를 행하기 위해서는 상기 산출부가 1차 측 압력의 시간변화량의 정부에 의해서, 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 변경하고, 그것에 의해 변경된 비례계수, 적분계수 및 미분계수에 유량설정값을 소정의 함수에 대입하여 얻어지는 값을 이용하여 소정 연산함으로써 변경하며, 그것에 의해 변경된 비례계수, 적분계수 및 미분계수에 1차 측 압력을 소정의 함수에 대입하여 얻어지는 값을 이용하여 소정 연산함으로써 변경하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 매스플로우 컨트롤러에서의 PI 성능을 향상시킬 수 있다.

<발명을 실시하기 위한 바람직한 형태>

이하에 본 발명에 관한 질량유량계(100)의 일실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 관한 매스플로우 컨트롤러의 전체 모식도이며, 도 2는 매스플로우 컨트롤러를 이용한 유량제어 시스템의 구성예이고, 도 3은 제어 부의 기능 블럭도이며, 도 4는 PID 계수변경순서를 나타내는 플로우차트이고, 도 5는 PID 계수변경에 이용하는 함수를 나타내는 모식도이다.

<장치 구성>

본 실시형태의 매스플로우 컨트롤러(100)는, 도 1에 모식도를 나타내는 바와 같이, 내부유로(1)와 그 내부유로(1) 내를 흐르는 유체(F)의 유량을 측정하는 유량센서부(2)와, 그 유량센서부(2)의 예를 들면 하류 측에 설치된 유량제어밸브(3)와, 상기 유량센서부(2) 및 유량제어밸브(3)의 상류 측에 설치된 압력센서부(4)와, 제어부(5)를 구비하고 있는 것으로, 예를 들면 도 2에 나타내는 바와 같이, 반도체 프로세스에서의 챔버로의 가스공급 시스템에 이용된다.

각 부를 설명하면, 내부유로(1)는 상류단(上流端)을 도입포트(P1), 하류단을 도출포트(P2)로 하여 각각 개구하는 것으로, 예를 들면, 도입포트(P1)에는 외부배관을 통하여 봄베(bombe) 등의 유체공급원(B)이 접속되고, 도출포트(P2)에는 외부배관을 통하여 반도체 제조를 위한 챔버(도시하지 않음)가 접속되어 있다. 또한, 이 실시형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 1개의 유체공급원(B)으로부터 배관을 복수 분기(分岐)시키고, 각 배관에 각각 매스플로우 컨트롤러(100)를 설치하도록 하고 있다. 또, 압력 레귤레이터(PR)는 유체공급원(B)의 출구에만 설치하고 있으며, 각 배관 각각에는 매스플로우 컨트롤러(100)용 압력 레귤레이터는 설치되지 않는다. 또한 부호 FV는 공기압력밸브이다

유량센서부(2)는, 자세한 것은 도시하지 않지만, 예를 들면, 유로(1)에 설치된 한 쌍의 감열(感熱)센서(써멀(thermal) 센서)를 구비한 것으로서, 유체(F)의 순 간 유량이 이 감열센서에 의해서 전기신호로서 검출되고, 내부전기회로에 의해서 그 전기신호가 증폭 등이 되어, 검출유량에 따른 값을 가지는 유량측정신호로서 출력되도록 한 것이다.

유량제어밸브(3)는, 역시 자세한 것은 도시하지 않지만, 예를 들면, 그 밸브개도를 피에조(piezo) 소자로 이루어지는 액츄에이터에 의해서 변화시킬 수 있도록 구성한 것으로서, 외부로부터의 전기신호인 개도제어신호가 주어지는 것에 의해서 상기 액츄에이터를 구동하고, 그 개도제어신호의 값에 따른 밸브개도로 조정하여 유체(F)의 유량을 제어하는 것이다.

압력센서부(4)는, 자세한 것은 도시하지 않지만, 예를 들면, 다이어프램(diaphragm)(스테인리스 다이어프램 또는 실리콘 다이어프램 등) 및 당해 다이어프램의 변위를 계측하는 감압소자를 구비한 것으로서, 다이어프램의 변위가 이 감압소자에 의해서 전기신호로서 검출되고, 내부전기회로에 의해서 그 전기신호가 증폭 등이 되어 검출유량에 따른 값을 가지는 압력측정신호로서 출력되도록 한 것이다.

제어부(5)는 CPU나 메모리, A/D변환기, D/A변환기 등을 가진 디지털 내지 아날로그 전기회로로 구성된 것으로, 전용인 것이라도 되고, 일부 또는 전부에 퍼스널 컴퓨터 등의 범용 컴퓨터를 이용하도록 한 것이라도 된다. 또, CPU를 이용하지 않고, 아날로그 회로만으로 상기 각 부로서의 기능을 완수하도록 구성해도 되며, 물리적으로 일체일 필요는 없고, 유선 내지 무선에 의해서 서로 접속된 복수의 기기로 이루어진 것이라도 된다.

그리고 상기 메모리에 소정의 프로그램을 격납하고, 그 프로그램을 따라서 CPU나 그 주변기기를 협동 동작시킴으로써, 이 제어부(5)가, 도 3에 나타내는 바와 같이, 신호수신부(6), 산출부(7), 개도제어신호 출력부(8) 및 유량출력부(9)로서의 기능을 적어도 발휘하도록 구성하고 있다.

신호수신부(6)는 유량센서부(2)로부터 송신되어 오는 유량측정신호, 다른 컴퓨터 등으로부터 입력되는 유량설정신호 등 및 압력센서부(4)로부터 송신되어 오는 압력측정신호를 수신하고, 그들 값을 예를 들면 메모리 내의 소정 영역에 격납하는 것이다.

산출부(7)는 상기 유량측정신호가 나타내는 유량측정값을 취득함과 동시에, 그 유량측정값과 목표값, 즉 상기 유량설정신호가 나타내는 유량설정값과의 편차를 산출하는 편차산출부(71)와, 그 편차에 PID 연산을 시행하여 유량제어밸브(3)로의 피드백 제어값을 산출하는 제어값 산출부(72)를 구비한 것이다.

개도제어신호 출력부(8)는 상기 피드백 제어값에 근거하는 값을 가지는 개도제어신호를 생성하고, 그 개도제어신호를 유량제어밸브(3)에 출력하는 것이다.

유량출력부(9)는 상기 유량측정값에 소정의 연산을 시행하여 유량표시값을 산출하고, 그 유량표시값을 값으로서 가지는 유량표시신호(아날로그 또는 디지털 신호)를 외부에서의 이용이 가능하도록 출력하는 것이다.

그러나, 이 실시형태에서는 제어값 산출부(72)가 유량이 안정되어 흐르고 있는 상태(안정상태)에서의 PID 연산에 이용하는 비례계수(P), 적분계수(I) 및 미분계수(D)(즉, 안정상태의 PID 제어에 이용하는 PID 계수)를 1차 측 압력(공급압), 당해 1차 측 압력의 시간변화량 및 상기 유량설정값에 근거하여 변경시키는 것이다. 여기서, 안정상태란, 유량설정값을 단위시간에 소정량 이상 변화시킨 시점으로부터의 소정 기간인 변화 기간(예를 들면 2초 정도) 이외의 기간에서의 상태이며, 유량설정값은 거의 변화하지 않는다. 또, 소정량이란, 풀 스케일(full scale)에 대한 ％값으로 0 ~ 10％정도를 말하며, 바람직하게는 0.3 ~ 5％이다. 또한, 소정 기간이란, 몇 초 정도를 의미하고, 구체적으로는 0 ~ 10초 정도를 말하며, 바람직하게는 0.3 ~ 5초이다.

보다 상세하게, 제어값 산출부(72)는 1차 측 압력(매스플로우 컨트롤러의 상류 측의 압력)의 시간변화량의 정부에 의해서, 비례계수, 적분계수 및 미분계수(이하, PID 계수라고도 한다.)를 변경하고, 그것에 의해 변경된 PID 계수를 유량설정값을 소정의 함수에 대입하여 얻어지는 값을 이용하여 연산함으로써 변경하고, 그것에 의해 변경된 PID 계수를 1차 측 압력을 소정의 함수에 대입하여 얻어지는 값을 이용하여 연산함으로써 변경한다. 또, 제어값 산출부(72)는 1차 측 압력의 시간변화량의 정부에 의해, 즉, dp / dt > 0인 경우와 dp / dt ≤ 0인 경우에 의해서, 유량설정값에 고유의 함수 및 1차 측 압력에 고유의 함수를 달라지게 하고 있다.

이하, 제어값 산출부(72)에서의 구체적인 변경방법에 대해서, 도 4를 참조하여 설명한다.

우선, 제어값 산출부(72)는 압력센서부(4)에 의해 얻어진 1차 측 압력의 압력측정신호를 취득하여, 1차 측 압력이 및 당해 1차 측 압력의 시간변화량을 산출한다.

그리고, 제어값 산출부(72)는 1차 측 압력의 시간변화량의 정부를 판단한다(스텝 S1). 1차 측 압력의 시간변화량이 정(正)인 경우(dp / dt > 0)라고 판단한 경우, 즉 1차 측 압력 상승시에는, 제어값 산출부(72)는 이하의 식에 의해 유량설정값에 근거하여 PID 계수를 변경한다(스텝 S2).

P＇ = P × Fu(set) … (1)

I＇ = I × Fu(set) … (2)

D＇ = D × Fu(set) … (3)

여기서, Fu()는 유량설정값에 고유의 함수인 설정계수함수이며, set는 유량설정값을 나타낸다. 본 실시형태의 설정계수함수 Fu는, 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같이, 0 - 50％의 비례정수(比例定數), 50 - 100％의 비례정수가 다른 꺾인 선 함수이다. 꺾인 선 형상은 이것에 한정되지 않고 적의(適宜) 설정 가능하다. 또한, 이 설정계수함수 Fu는 곡선 함수로 할 수 있지만, 연산처리량이 증대하고, 또 PID 계수의 조정이 곤란하게 된다고 하는 문제가 있다.

다음으로, 제어값 산출부(72)는 이하의 식에 의해 상기 (1) ~ (3)에 의해 얻어진 P＇, I＇, D＇계수를 1차 측 압력에 근거하여 변경한다(스텝 S3).

P" = P＇ × Gu(p) … (4)

I" = I＇ × Gu(p) … (5)

D" = D＇ × Gu(p) … (6)

여기서, Gu()는 1차 측 압력에 고유의 함수인 압력계수함수이며, p는 1차 측 압력값을 나타낸다. 본 실시형태의 압력계수함수는, 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같이, 입력되는 1차 측 압력에 비례한 값이 산출되는 비례함수이다. 또한, 이 압력계수함수 Gu는 꺾인 선 함수 또는 곡선 함수로 할 수도 있다. 곡선 함수로 한 경우, 연산처리량이 증대하고, 또 PID 계수의 조정이 곤란하게 된다고 하는 문제가 있다.

이상에 의해, 제어값 산출부(72)는 1차 측 압력의 시간변화량이 정인 경우에 유량설정값 및 1차 측 압력에 근거하여 P, I, D를 P", I", D"로 변경하고, 당해 PID 계수(비례계수 P", 적분계수 I" 및 미분계수 D")를 이용하여 편차에 PID 연산을 시행하여 피드백 제어값을 산출한다(스텝 S4).

한편, 제어값 산출부(72)는 1차 측 압력의 변화량이 부(負)라고 판단한 경우, 즉 1차 측 압력 하강시에는 이하의 식에 의해 유량설정값에 근거하여 PID 계수를 변경한다(스텝 S5).

P＇ = P × Fd(set) … (7)

I＇ = I × Fd(set) … (8)

D＇ = D × Fd(set) … (9)

여기서, Fd()는 유량설정값에 고유의 함수인 설정계수함수이며, set는 유량설정값을 나타낸다. 이 설정계수함수 Fd는, 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 상기 설정계수함수 Fu와 동일한 꺾인 선 함수이지만, 굴곡점 및 비례정수가 다르다. 또한, 이 설정계수함수 Fd는 곡선 함수로 할 수 있지만, 연산처리량이 증대하고, 또 PID 계수의 조정이 곤란하게 된다고 하는 문제가 있다.

다음으로, 제어값 산출부(72)는 이하의 식에 의해 상기 (7) ~ (9)에 의해 얻 어진 P＇, I＇, D＇계수를 1차 측 압력에 근거하여 변경한다(스텝 S6).

P" = P＇ × Gd(p) … (10)

I" = I＇ × Gd(p) … (11)

D" = D＇ × Gd(p) … (12)

여기서, Gd()는 1차 측 압력에 고유의 함수인 압력계수함수이며, p는 1차 측 압력값을 나타낸다. 이 압력계수함수 Gd는, 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 상기 압력계수함수 Fd와 동일한 비례함수이지만, 상기 압력계수 Fd의 비례정수와는 다른 비례정수이다. 또한, 이 압력계수함수 Gd는 꺾인 선 함수 또는 곡선 함수로 할 수도 있다. 곡선 함수로 한 경우, 연산처리량이 증대하고, 또 PID 계수의 조정이 곤란하게 된다고 하는 문제가 있다.

이상에 의해, 제어값 산출부(72)는 1차 측 압력의 시간변화량이 부(負)인 경우에 유량설정값 및 1차 측 압력에 근거하여 P, I, D를 P", I", D"로 변경하고, 당해 PID 계수(비례계수 P", 적분계수 I" 및 미분계수 D")를 이용하여 편차에 PID 연산을 시행하여 피드백 제어값을 산출한다(스텝 S4).

<본 실시형태의 효과>

이와 같이 구성한 본 실시형태에 관한 매스플로우 컨트롤러(100)에 의하면, 안정상태에서의 PID 연산에 이용하는 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 1차 측 압력, 당해 1차 측 압력의 시간변화량 및 상기 유량설정값에 근거하여 변경시키고 있으므로, 종래의 유량설정값에 의해 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 비례시켜 변경시키는 방법에 비해, 보다 최적의 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 얻을 수 있 고, 그 결과, 1차 측 압력의 압력변동의 영향을 받기 어려워 안정된 유량제어를 행할 수 있다.

<그 외의 변형 실시형태>

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 상기 실시형태에 대응하는 부재에는 동일한 부호를 붙인다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는 PID 계수를 1차 측 압력, 당해 1차 측 압력의 시간변화량 및 상기 유량설정값의 모두에 근거하여 변경하도록 하고 있지만, 그들 중 2개, 예를 들면 1차 측 압력과 당해 1차 측 압력의 시간변화량, 1차 측 압력과 유량설정값 등의 조합을 이용하여 변경하도록 하여도 된다.

또, 상기 실시형태에서 PID 계수의 변경 순서로서는 「1차 측 압력의 시간변화량에 의한 변경」 → 「유량설정값에 의한 변경」 → 「1차 측 압력에 의한 변경」의 순서였지만, 이것에 한정되지 않고, 그 외의 조합이라도 된다.

또한, 제어밸브를 유량센서부의 상류 측에 설치해도 되고, 유량센서부는 상기 써멀 센서로 한정되는 것이 아니며, 차압식 센서 등 다른 유량측정방식인 것이라도 된다.

그 외, 전술한 실시형태나 변형 실시형태의 일부 또는 전부를 적의 조합해도 되고, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않으며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 매스플로우 컨트롤러의 전체 모식도.

도 2는 도 1의 실시형태에 관한 매스플로우 컨트롤러를 이용한 유량제어 시스템의 구성예.

도 3은 도 1의 실시형태에서의 제어부의 기능 블럭도.

도 4는 도 1의 실시형태에서의 PID 계수변경순서를 나타내는 플로우차트.

도 5는 PID 계수변경에 이용하는 함수를 나타내는 모식도.

<부호의 설명>

100 … 매스플로우 컨트롤러

1 … 유로

2 … 유량센서부

3 … 유량제어밸브

7 … 산출부

8 … 개도제어신호 출력부

Claims (3)

1. 유로 내를 흐르는 유체의 유량을 측정하고, 그 측정값을 나타내는 유량측정신호를 출력하는 유량센서부와,

   당해 유량센서부의 상류 측 또는 하류 측에 설치한 유량제어밸브와,

   상기 유량측정신호가 나타내는 유량측정값과 목표값인 유량설정값과의 편차에 PID 연산을 시행하여 유량제어밸브로의 피드백 제어값을 산출하는 산출부와,

   상기 피드백 제어값에 근거하여 개도(開度)제어신호를 생성하고, 유량제어밸브에 출력하는 개도제어신호 출력부를 구비하며,

   상기 산출부가 안정상태에서의 PID 연산에 이용하는 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 1차 측 압력, 당해 1차 측 압력의 시간변화량 또는 상기 유량설정값 중 적어도 2개에 근거하여 변경시키도록 구성되어 있으며,

   상기 산출부가, 1차 측 압력의 시간변화량의 정부(正負)에 의해서, 유량설정값에 고유의 함수, 또는 1차 측 압력에 고유의 함수를 달라지게 하는 것에 의해 비례계수, 적분계수 및 미분계수를 변경하는 것인 것을 특징으로 하는 매스플로우 컨트롤러.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 산출부가 1차 측 압력의 시간변화량의 정부에 의해서, 비례계수, 적분계수 및 미분계수의 값 그 자체를 변경하고, 그것에 의해 변경된 비례계수, 적분계수 및 미분계수에 유량설정값을 상기 유량설정값에 고유의 함수에 대입하여 얻어지는 값을 이용하여 소정 연산함으로써 변경하며, 그것에 의해 변경된 비례계수, 적분계수 및 미분계수에 1차 측 압력을 상기 1차 측 압력에 고유의 함수에 대입하여 얻어지는 값을 이용하여 소정 연산함으로써 변경하는 것을 특징으로 하는 매스플로우 컨트롤러.
3. 삭제

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