小型のモジュラー・デザインがプロセス・サンプル分析システムに
ソリューションを提供

Dave Simko

分析計装を使用した化学プロセスのモニタリングや制御は、製品の品質、エネルギーや原材料の有効利用、環境性能、安全性およびプラントの収益性全体に大きく貢献する。

自動化されたオンライン・プロセス・サンプリング・システムによって、ユーザーはプロセスをリアル・タイムに確認し、より良いプロセス制御のための迅速な調整が可能となる。サンプリング分析システムは、単一流路でハイドロカーボン・ガスの水分をモニタリングするといった比較的簡単なものから、プロセス内の複数ポイントで流体成分をモニタリングする複数流路システムまで複雑なものもある。いずれの場合も、サンプルの抽出／収集／（場合によっては）前処理、また分析器までの輸送、その際の導入処理、また使用済みサンプルの排出、もしくはプロセス・ラインへのリターンを行えることが必要である。

こういった複雑なシステムは、バルブや圧力レギュレーター、その他の流体制御部品で構成されており、分析対象の流体の種類、分析方法、プロセス内のサンプル採取ポイント、プロセス条件、さらにプラント内での設置位置などの要件によって大幅に異なる場合がある。

サンプリング・システムの改善点
過去20年間において、分析装置の性能は高まり、信頼性も向上、またシステムを動かすコンピューターやソフトウェアも、より高機能・高性能となり、ユーザーの使いやすさも向上してきている。しかしプロセス・サンプル分析システムに関する問題の80%がシステムの基本設計が原因であるにも関わらず、分析システムの基本設計自体はその間ほとんど変化していない。

図１ スウェージロックが作成した実現可能なモジュラー・コンセプト６点のうちの１点

プロセス分析機能が進歩し、改善されるにつれ、より高度な分析器で行う各種測定が増加してきた。今日の業界の目標は、分析システムの性能向上、設計／作成／取り付けコストの削減、オペレーションやメンテナンス・コストの削減である。この目標を満たすためには、サンプリング・システムは小型化、モジュール化、かつ高性能化を達成する必要がある。


モジュラー・デザインが最前線へ向かう
ワシントン大学に設立された産学共同研究グループであるプロセス分析学センター（CPAC）は、新サンプリング／センサー・イニシアチブ（NeSSI）を推進している。このイニシアチブの目的は、「次世代モジュラー・サンプリング・システム設計の最先端の評価および開発促進」である。


モジュラー化戦略の重要な要素はオープン・アーキテクチャーである。NeSSIイニシアチブの一環として、CPACはプロセス分析化学計装のサプライヤーおよびユーザーに対し、比較的簡単なシステムから８つの流路を持つ複雑なシステムまで、６つの新システム・デザインの提出を求めた。

スウェージロック社はこの提案に対し、当初は特殊ガス供給システム用に開発されたモジュラー・テクノロジーを使用して６つのデザインを開発した。６つのシステムのうちのひとつである、「高純度ハイドロカーボン流路におけるH2OおよびO2のppmレベル測定システム（図１）」はこのモジュラー・コンセプトが実用的で実現可能であることを証明している。

Figur図2　モジュラー・テクノロジーを用いて、図１のコンセプトをサンプリング・システムのプロセス分析用に再構成したもの。Swagelok®モジュラー・プラットフォーム・コンポーネント(MPC)を参照。

これは単一のサンプリング流路システムであり、コンセプトの実用性の実証のために、実際に半導体業界で使用しているガス供給システムを元に作成された。センサーをパージするための計装用エアー供給と、個別のセンサー（ゼロ・ガス）を校正するための窒素ガス供給は、適切なポイントでシステムに供給される。システム全体のサイズは、幅24.6 cm（9.7 インチ）、長さ75.2 cm（29.6 インチ）、高さ19.0 cm（7.5 インチ）で、従来の設計のパネルやエンクロージャーよりも大幅に小型化されている。

コンセプトの実証に使用したモジュラー・テクノロジーは、小型のフロー・コンポーネントをサブストレート・チャネルに配置している。コンポーネントはすべて、プロセス分析サンプリング・システム用に、改めて設計／再構成された。チャネルに並んで配置されるポートは、機能フロー・コンポーネントの入口ポート／出口ポートである。図２はサブストレート・チャネルの上部に各４本のボルトで取り付けられたバルブ、レギュレーターおよびフィルターである。

連続的に配置されたフロー・コンポーネントによりシステムの流路が決定される（図３）。異なるサンプル流路、パージ・ガス、洗浄液、校正および／またはバリデーション流体が導入されるポイントでは、ドロップ・ダウン・フロー・コンポーネントを使用してメイン流路に接続でき、多岐管化が可能になる。

モジュール式アプローチの利点
サンプリング・システムのモジュラー化には、多くの利点がある。

• スウェージロックのコンフィギュレーター・ソフトウェアを使用することで、開発、設計時間やコストが削減される。サイズ、質量および設置面積が低減すると、サンプリング・システムを現場の専用分析器へ接続すること、サンプル・ポイントへの配置が容易になり、加熱されたサンプル輸送ラインが必要以上に長くなることがない
• 小型化されたモジュラー・サンプル・システムは、従来のシステムよりも内部表面積が小さいため、流体からのサンプル材の吸着量が減少する。 
• システムの内容積が小さいため、システムのパージまたは洗浄が容易になり、高価な分析用流体を節約することができる。
• システムの組み立てや取り付けが簡単になり、接続が必要なのは数箇所のみとなる。
• 設置面積が小さく、ラック上ではなくベンチ上で作業を行うことができる。
• すべての機能コンポーネントがサブストレート・チャネルの上部に取り付けられるため、メンテナンスはより簡単である。すべてのコンポーネントは上部からアクセス可能で、4本のボルトを取り外すだけでシステムからの取り外しが可能となる。
• サブストレート・チャネル内の個別のフロー・コンポーネントは、2個の機能コンポーネントを取り外し、特定のフロー・コンポーネントに置き換え、再組み立てすることにより、交換することができる。
  

図3　 連続的なフロー・コンポーネントの構成によりシステム流路が決定される   <拡大>

製造業者が異なると、サブストレート設計のアプローチも異なってくる。ある製造業者は特定のアプリケーション向けに、サブストレート・ブロックと溶接物を組み合わせて構成したサブストレートを提供しており、システム内の流路はブロックと溶接物の組み合わせにより形成される。

また別の製造業者は、個別のブロックから構成されたサブストレートを提供し、縦方向にボルトで固定することによりシステムの流路が形成される。各サブストレート・ブロック間には面シール方式が必要であるが、サブストレート・アセンブリーの組み立て自体には面シール、ボルト、また溶接の必要はない。

リアル・タイムのオンライン分析を行うには、サンプリング・システムを自動化して、プラントのオペレーション・システム本体に統合する必要がある。上記のNeSSI Generation l システムは、コンポーネントをサーフェス・マウントし、制御することにより、モジュールの物理的な問題を解決する。市販のI/Aベースの制御ソリューションを使用し、機能コンポーネントはI/Oモジュールを介してコントローラーに接続される。信号は従来の4～20 mAである。通信は二地点間、一方向で、装置１台ごとに１回線である。

次世代のインテリジェント制御
CPACは現在、サンプリング・システムのインテリジェント制御に関わる、接続性や通信の問題に対応するNeSSI Generation IIシステムを開発している。次世代システムはコンパクトでありながら、高感度センサー（圧力、温度、流量）、内蔵の電動エアー・アクチュエーター付きバルブ、マルチドロップ・センサー・バス通信（ワイヤレス可能）、センサー・アクチュエーター・マネージャー（SAM）を装備し、サンプリング・システムへの接続と制御を提供する。NeSSI Generation IIシステムは、機能的デバイス自身がインテリジェンス性を備えたフィールド・バス・ベースの制御構造を使用する方向を目指している。しかし最終的には、SAMを介して装置同士が連携する必要があるため、通信は双方向化される必要がある。

結論
コンパクトなモジュラー式サンプル・システムのテクノロジーを早い段階で採用した企業は、NeSSI Generation Iなどのシステムの設計、組み立て、取り付けは、経費面においても期待するコスト削減が可能であることを示唆している。今後は機能テストやメンテナンス状況の検討を行い、コスト削減に関する詳細が報告されることだろう。

Dave Simkoは機械工学の学士号を持ち、バルブ、継手の設計部門で数種類の特許を取得。技術論文や記事を多数執筆。スウェージロックに２５年間勤務ののち、現在は退職しております。