<특집: 활약하는 매스플로우 컨트롤러> MFC의 “현재” > 전체기사

NEWS
Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation

기획특집 <특집: 활약하는 매스플로우 컨트롤러> MFC의 “현재”

페이지 정보

작성자 댓글 0건 조회 1,915회 작성일 22-08-05 13:56

본문

그림 1. MFC의 일반적인 피드백 유량 제어 시스템 


서론

매스플로우 컨트롤러(이하 MFC)는 식품, 의료, 반도체, 연구기관 등 다양한 산업에서 오랫동안 활약해 왔지만, B to B 제품이라는 점 때문에 일반 소비자들 사이에서의 인지도는 여전히 낮다. 그러나 제품 자체에 대해서는 낯설다 하더라도 유량 제어라는 것은 특별한 일이 아니다. 예를 들면 수도꼭지를 틀어 물의 양을 조절하는 것도 좋은 유량 제어이다. 또한, MFC의 센싱 기술과 밸브 구조 등에는 복잡하고 독자적인 기술이 사용되며 유량 제어 시스템 자체는 센서와 액추에이터를 통한 고전적인 피드백 제어 시스템을 기반으로 한다.


이처럼 MFC의 역할과 그 유량 제어 시스템에 대하여 다시 생각해보면 의외로 쉽게 친숙해질 수 있는 존재라는 것을 알 수 있다. 그 한편으로 오랜 역사 속에서 특수한 사양과 기능을 가진 부가가치형 MFC가 끊임없이 개발되고 다양해진 것도 사실이다. 예를 들면 가스 접촉부의 재료와 표면 처리 등 많은 특수 사양을 볼 수 있는 반도체업계를 위한 제품이나 각종 통신 규격에 맞춘 디지털 매스플로우 등을 들 수 있다.


여기에서는 이러한 부가가치형 MFC 중 몇 가지를 다루며, 최근의 MFC에 요구되는 특수한 사양 및 기능에 관해 소개한다. 



PI 기능을 가진 MFC

앞서 이야기한 바와 같이 일반적인 MFC 유량 제어 시스템은 피드백 제어 시스템에 기반한다.

<그림 1>과 같이 설정 유량값에 대한 현재 유량값의 편차를 통해 액추에이터의 조작 신호를 결정하고, 조작 신호를 받은 액추에이터가 변위함으로써 밸브 개도가 바뀌어 유량이 변한다. 요컨대, MFC는 유량 센서와 밸브 액추에이터로 구성되는 것이 기본이지만, 그중에는 유량 센서와는 별도로 압력 센서를 탑재한 MFC가 있다. 물론 차압식 유량 센서는 처음부터 압력 센서가 포함되어 있지만 여기서 화제가 된 것은 유량 계측을 위해서가 아니라 순수하게 압력 계측을 위해 압력 센서를 탑재한 MFC이며, MFC가 압력을 계측해야 하는 필요성에 대해 생각해보아야 한다.


분명히 기능이 추가되어 곤란해지는 일은 없으며, MFC의 상류 등에 압력계나 레귤레이터 혹은 APC(자동 압력 제어기) 등을 설치하면 된다. 다시 말하면 이미 설치된 케이스가 많다. 따라서 MFC에 압력 센서를 탑재해도 장점은 적으며 결과적으로 비효율적인 비용 상승으로 이어진다고 생각할 수 있다. 그런 MFC가 스스로 압력을 계측했을 때 생기는 이점이 있다. 이것은 ‘압력 변동에 대한 내성’이다. 배관의 다른 라인에서 가스가 대량으로 흐르거나 가스 공급용 탱크를 교체하거나 할 때는 공급압이 순간적으로 크게 변하고 이에 따라 유량도 크게 바뀌는 경우가 있다. 대부분의 MFC 유량 제어 시스템은 피드백 제어에 기반하기 때문에 공급압 변동으로 인해 발생한 유량 변동을 감지할 때까지 MFC는 변화를 알아차리지 못한다.


그래서 압력 변동을 직접 파악할 목적으로 유량 센서뿐만 아니라 압력 센서를 탑재한 MFC가 생겨났다. 이에 따라 급격한 압력의 변동을 빠르게 포착하여 밸브 제어에 독자적인 알고리즘을 더해줌으로써 압력 변동에 따른 유량 변동을 어느 정도 억제할 수 있게 된다.


이렇게 압력 변동이 발생해도 유량은 거의 변하지 않는 이른바 압력 변동에 대하여 “둔감”해진다고도 할 수 있는 이 기능은 ‘Pressure Insensitive(압력 둔감)’의 첫 글자를 따서 일반적으로 PI 기능이라 불린다. PI 기능을 가진 MFC는 많은 제조사에서 이미 판매되고 있으며, 압력 변동을 감지한 후 유량 변동을 억제할 때까지의 알고리즘은 각 제조사의 제품에 따라 다양하다.

어떤 제품이든 계측한 압력값을 잘 이용하여 밸브 제어량을 최적화하고 피드백 제어가 원리적으로 가진 외란에 대해 약하다는 단점을 극복하였다. PI 기능을 가진 MFC는 이러한 제어공학적인 관점에서 압력 변동에 대한 내성을 향상한 부가가치형 MFC라 할 수 있다.



통신 규격에 대한 지원

공업 프로세스 현장에서는 작업원이 육안으로 계기를 보면서 수동으로 장치를 조작하는 이른바 ‘사람 피드백 제어’라고도 해야 하는 방법이 여전히 많다고 생각한다.


하지만 휴먼에러 축소와 비용 절감 등의 관점에서 최대한 사람의 개입을 줄여 공정을 자동화하는 ‘FA(Factory Automation)’의 방향으로 생산 공정의 개선이 이루어지고 있다는 점에 이론은 없을 것이다. 더 나아가 이러한 FA의 흐름 속에서 공장 내외의 기기가 네트워크로 연결되어 고도로 연계하는 새로운 공장의 개념이 제시된 지 오래다. 그리고 MFC는 이러한 흐름에 적응할 것이 요구되어 왔다.


그런데 사람은 단어를 사용하여 주위와 협력을 하기 때문에 만약 상대방의 말을 알아듣지 못하면 협력이 어렵다. 기기의 연계에도 언어처럼 공통되고 표준적인 ‘규칙’이 필요하다. MFC가 상위 기기인 PLC(Programmable Logical Controller)와 HMI(Human Machine Interface) 등과 협력할 때 공통적이면서 표준이 되는 규칙이 ‘통신 규격’이다. 


산업용 네트워크에서의 통신 규격에는 DeviceNet™, EtherNet/IP™, EtherCAT® 등 다양한 종류가 있으며(그림 2 참조), 모두 공통된 통신 규격을 준수해야 비로소 상위 기기로부터의 명령을 MFC가 정확하게 이해하여 신속하게 대응할 수 있게 된다. 그리고 MFC를 각 통신 규격에 대응시키기 위해 지금까지 하나부터 시작해야 했던 컨트롤러 및 모듈의 초기화와 설정 등의 공정이 반도체의 성장과 함께 간략해지고 이제는 준비된 API(Application Program Interface, 그림 3 참조)를 순서대로 실행하는 프로그램을 만들기만 해도 쉽게 데이터 링크 구현까지 끝낼 수 있게 되었다. 다만 구현이 다소 쉽다고 하더라도 모든 통신 규격을 지원하는 MFC를 만드는 것은 그리 쉬운 일이 아니다.


그 이유는 인터페이스, 컨트롤러, 모듈, 애플리케이션 등 대부분이 통신 표준에 따라 다르며 모두 각각 전용의 것을 준비해야 하기 때문이다. 더 나아가 인증기관도 통신규격에 따라 다르기 때문에 각 기관의 시험 내용을 예상하여 실현할 필요가 있다. 이와 더불어 조정 검사 라인에도 공통된 통신 환경을 갖추어야 한다. 하나의 통신 규격도 그만큼 중요하기 때문에 여러 통신 규격을 지원한 멀티 통신 방식 MFC가 거의 보이지 않는 것도 당연하다.


여기서 주의해두어야 할 점은 통신 규격만 다른 거의 동일한 사양의 제품을 몇 가지 개발하는 것은 유량 제어라는 MFC의 가장 중요한 기능에 있어서 본질적인 의미를 거의 가지지 않는다는 점이다.

MFC의 부가가치로서 지원하는 통신 규격의 라인업이 많을수록 보기에는 좋겠지만 앞서 설명한 바와 같이 개발 비용도 그만큼 발생하기 때문에 제조사로서는 균형을 잘 맞출 필요가 있다.



dacc6f5f24bec4a1a9d38bb81f5a61ac_1659675352_785.jpg
그림 2. 산업용 네트워크 시장 점유율 2021
 


...(후략)


田中 雄大 岩崎 稜太 / KOFLOC

본 기사는 2022년 8월호에 게재되었습니다. 

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

전체 기사를 보기 원하시는 분께서는 아래 메일 주소로 문의 주시기 바랍니. 

autocontrol5@autocontrol5.co.kr / 031-873-5686

제어계측사     대표자  이윤성     사업자등록번호  107-19-58315     TEL  031-873-5686     FAX  031-873-5685
ADD  경기도 의정부시 신흥로258번길 25 해태프라자 1501호      E-mail  autocontrol5@autocontrol5.co.kr
Copyrights ⓒ 2020 제어계측사 All rights reserved.