FFU 制御ユニット v2 の開発と課題〇豊田朋範 a)、千葉 寿 b)、古舘 守通 b)、藤崎 聡美 b)、木村 和典 a)、松尾a)
分子科学研究所 技術推進部、b)岩手大学技術部 理工学系技術部純一 a)

１．はじめに分子科学研究所で 2020 年 4 月より稼働開始したクリーンルームは、16 台の FFU(Fan Filter Unit)による水平層流方式で清浄度を構築・維持している。現在、FFU の風量を制御する FFU 制御ユニットの大幅な改良を進めており、特に 2 台の FFU を RTOS(Real Time OS)なしで同時制御することを目指している。
本稿では FFU 制御ユニットのハードウェア構成、制御フローチャート、制御を担う ARM マイコンのプログラムソースの構成などを紹介し、2 台の FFU を同時制御するための効率的なマイコンプログラミングについて検討した結果や課題を報告する。

２．分子科学研究所クリーンルームと FFU 制御ユニットの概要[1]２.１ 分子科学研究所クリーンルームにおける清浄度構築・維持
分子科学研究所の共同研究棟 C 棟クリーンルーム(以下、クリーンルーム)における風の流れを図 1 に示す。
まず、吸気ファンからフィルターを通して外気を取り込む(A)。取り込んだ外気は、FFU からフィルターを通して大室に向けて送風する(B)。風は大室(147m2)を通り(C)、通路と天井を通過して(D)、イエローランプがある小室に入る。空調機からの風も加わって小室(80m2)を通過した後(E)、廊下を通って(F)FFU に戻り、再びフィルターを通して送風される。これを繰り返すことで、クリーン度を構築・維持する。
このような風の流れによるクリーンルーム
図 1 クリーンルームにおける風の流れの方式は水平層流方式や水平一方向流方式と呼ばれ、浮遊物がクリーンルーム内に滞留しにくく、精密機器工場などで必要なクラス 100～1000 の高い清浄度を得られる一方、イニシャルコストとランニングコストが高く、クリーンルームを拡張しにくい課題がある[2]。
２.２ クリーンルーム統合制御システム構想とコア基板を用いた FFU 制御ユニット v1 の開発
給気ファンからの外気取り込みや FFU における風量調整など、クリーン度を構築・維持し、将来的に自動制御や LAN 接続が可能な制御システムを立案した(図 2)。クリーンルームの 2020 年 4 月稼働開始が求められたことから、まず FFU 制御ユニットの開発と配置・稼働から着手し、他のユニットの配置や LAN 接続は順次行うことにした。
16 台の FFU は、外部から 0～5V の制御電圧を入力することで回転数、すなわち風量の調整が可能である。また、接点出力を持ち、停止・異常発生と運転中を検出できる。一方、FFU が設置された空間は、カラー鋼板で囲まれているために、Wi-Fi や携帯電話は使用不能であるが、LoRa(Long Range)は通信可能であることを確認した。これらのことから、(1)0～5V の制御電圧を LoRa
図 2 クリーンルーム統合制御システムのイメージ

経由で設定する(2)FFU の接点出力を取り込み、停止／運転中や異常停止を検出する 3)保守管理用に小型のディスプレイを搭載する－を柱とする FFU 制御ユニットを構築した(図 3)。
FFU の 制 御 電 圧 は 、 16bit D/A コ ン
バ ー タ AD5683RARMZ(Analog Devices 社)と、
オ ペ ア ン プ AD8638ARZ(Analog Devices 社 ) 、3.3V→5V のDC-DC コ ン バ ー タ
CRE1S0305S3C(Murata Power Solutions 社) で生成する。D/A コンバータは SPI で制御し、16bitデータで 0～2.5V を出力する。これをオペアンプで 2 倍増幅し、0～5V とする。FFU の接点出力の検出は、GPIO を用いたシンプルな接点入力モジュールで ARM マイコンに取り込む。制御
電圧や 16bit データの値、FFU の運転状況は、
図 3 稼働中の FFU 制御ユニット v1
I2C で制御する 0.96 インチ 128ｘ64 ドット
OLED モジュール(秋月電子通商)で表示する。これら 3 種類のモジュールを、共同開発したコア基板[3]の Pmod コネクタに接続し、AC200V→DC9V の絶縁型 AC-DC コンバータ IRM-02-9(Mean Well 社)で電源を供給するユニットとして集約したものが、図 3 の FFU 制御ユニット v1(以下、v1)である。v1 は
図 2 のマスターユニットを介して 16 台すべて、あるいは個別に風量を調整できる。
３．FFU 制御ユニットの課題と v2 の開発状況[4]クリーンルームの運用開始から 2 年半が経過し、v1 やクリーンルームの環境構築・維持に幾つかの課題が浮上してきた。主な課題は(1)FFU 制御ユニットの有機 EL ディスプレイの寿命が近づ
き、表示が不明瞭 (2)下段の FFU 制御ユニットが床に非常に近い位置にあり、メンテナンスや停止・再稼働時の操作が困難 (3)開発時の名残
で AC200V を接続する部分も含めて基板が露出しており、ショートや感電の危険がある－の3 点である。筆者らは、課題解決のために FFU制御ユニット v2 の開発に着手した。
FFU 制御ユニット v2(以下、v2)の試作機を図4、図 5 に示す。
v2 は v1 と同じく、LoRa 無線搭載のコア基板を中心としている。一方、v2 の開発では前述
3 点の課題解決のため、(1)一定時間で有機 EL
図 4 FFU 制御ユニット v2 の試作機(フロント)
ディスプレイの表示を OFF にする機能の搭載(2)現在の上段の v1 の位置で上下 2 台の FFUを同時制御可能 (3)ケースや操作系を整備して、基板の露出を解消する－をコンセプトとした。その他、AC 電源はインレット、制御電圧出力は BNC、FFU の接点入力は DC ジャックと、すべての入出力コネクタを異なる形状にし、v1にはなかった電源スイッチやヒューズを搭載することで、保守管理を容易にすると共に接続ミスや FFU 破損のリスクを低減した。また、フルカラーLED を搭載し、FFU のステータスに応図 5 FFU 制御ユニット v2 の試作機(上下パネル)

じて青、緑、黄、赤に変化する(図 6)。これは JIS 規格 C0448:1997 に準拠している。

図 6 FFU 制御ユニット v2 の制御フローチャート(案)４．FFU 制御ユニット v2 の制御プログラミングの現状と課題
４.１ v2 開発の現状と RTOS 見送りの理由
2023 年 2 月時点で、v1 と同じく 1 台の FFU を制御するプログラムソースは概ね完成している。もう1 台の FFU を制御対象に加える段階で、プログラムソースの肥大化と見通しの悪化により、根本的な見直しが必要と考えて現在に至っている。
v2 の最大の改良点は、前述の(2)、すなわち「現在の上段の v1 の位置で上下 2 台の FFU を同時制御可能」である。この改良の実現によるメリットは多いが、制御プログラミングにおいては課題が多い。このような場合、産業機器や自動車などでは RTOS が採用されることが多いが、v2 では当面 RTOS 採用の予定はない。主な理由としては、(1)適切な RTOS の選定やマイコンの限られた ROM と RAM の占有量の見積もりが出来ない (2)RTOS の使用方法習得の時間が取れない (3)周辺回路を制御するライブラリの存否が不明で、存在しない場合は開発の必要がある (4)これまでの開発資産の継承が困難－の 4 点が挙げられる。
４.２ LPC マイコンのプログラミングにおけるタイマ割込みハンドラの活用と課題
小規模マイコンにおいて RTOS なしで 2 台の FFU を同時制御するには、タイマを効果的に使う必要がある。v1、v2 両方で採用している LPC1114FBD48/302(NXP 社)は、16bit タイマと 32bit タイマを各 2個搭載している[5]。このうち、32bit タイマ 1 個は OLED の待機時間などに使用する delay_us32(uint32_t)関数に充てている。現在、16bit タイマの 1 つを使用した割込みハンドラ TIMER16_0_IRQHandler(void)を構築し、ボタンやロータリーエンコーダの入力識別、FFU の稼働状況を示す接点入力の待ち時間(ノイズ 対 策 ) 、 OLED の 消 灯 ま で の 時 間 計 測 に 適 用 し て い る ( 図 7) 。 delay_us32 関 数 とTIMER16_0_IRQHandler(void)は非同期の関係にある。
TIMER16_0_IRQHandler(void)は性質上、肥大化を避けるべきであるが、現状で 100 行近い。処理に時間 を 要 す る sprintf 関 数 や 、 一 定 の 待 ち 時 間 を 必 要 と す る OLED 処 理 は 含 め て い な い が 、

TIMER16_0_IRQHandler(void) の 処 理 は 重 く 、 ソ ー ス の 見 通 し が 良 い と は 言 え な い 。
TIMER16_0_IRQHandler(void)内の処理を関数にする手段もあるが、ソース内外を飛び回る形になることで処理の流れを追跡しづらくなると考え、採用を控えている。

図 7 割込みハンドラ TIMER16_0_IRQHandler(void)のソースの一部

４.３ LPC マイコンのプログラミングにおける main 関数の課題
v2 のプログラミングにおける main 関数は肥大化が著しい。マイコンに必須の各種レジスタの初期設定や OLED、FFU の制御電圧生成用 D/A コンバータ制御に用いる SPI(Serial Peripheral Interface)やLoRa(Long Range)無線モジュールとの通信に用いる UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)の初期化を除いた、FFU1 台分の処理を記述した while(1)ループだけでも 200 行を超える(図 8)。
v1 と比較して動作モードは 3→4 の 1 増であるが(v1 には SelfTest モードがない)、v1 では Stop モードにおいてリセットボタンを押した際の Wait モードへの遷移以外存在しなかったキー操作処理が各モードで加わったことが、ソース肥大の大きな要因である。
現時点では図 6 のモード遷移に従ったユニット本体の処理に絞り込んでいるため、初期化以外の処理を記述していないが、今後、図 2 のマスターユニットとの LoRa 通信が加わると、ソースの更なる肥大化は必至である。マスターユニットとの LoRa 通信は v1 でも行っているが、Operation モードにおけるFFU の風量制御、すなわち制御電圧設定のみである。一方、v2 では定期的な応答確認や、差圧計測ユニットとドラフト制御ユニットとの連携による差圧のフィードバック制御、更には、クリーンルーム未使用時に風量を絞ることによる省エネルギー運転の導入を計画している。
ここで、クリーンルームの省エネルギー運転について述べる。
クリーンルームは現在、定格 125W の 80%程度でほぼ 24 時間 365 日稼働しているが、1 か月を 30 日とすると、1 か月で 1,152kWh。年間で 1,152kWh×12 か月＝13,824kWh に達する。これは分子研全体の2022 年度の想定電気使用量 5,330,016kWh[6]の約 0.261%であり、電気料金は 214,451 円と算定できる。
一方、クリーンルームの実質年間稼働率は年間休日を 120 日、稼働時間を 8:00～20:00 と仮定すると、33.56%と算定できる。

図 8 main 関数内 while(1)ループのソースの一部
電気料金が高騰し、節電が求められる状況で、クリーンルームの清浄度維持と省エネルギーの両立を検討し、FFU の風量設定とクリーンルームの環境の相関関係を調査した。
クリーンルームの実機の 1 台で測定した
FFU の風量設定と FFU の消費電流の関係を図9 に示す。風量設定が 40000 以上だと、FFU の消費電流が大きく増えることが分かる。一方、
図 10 に示すとおり、FFU16 台の風量設定が定常時の 70%相当である 35000 以上であれば、必要最小限の正の差圧を維持しつつ、年間消費電力を 9,235kWh、年間電気料金を 143,269 円に、現在比で 33.2%削減できると算定できる。
このように、マスターユニットからのきめ細かい通信・制御により施設全体の省エネルギー運転に貢献できるが、ソースの記述量の肥大化
図 9 FFU の風量設定と消費電流の関係は不可避であり、1 台の処理がひととおり完成した現時点で見通しの良さと効率的な処理を両立することは必須である。

５．おわりに稼働開始から 2 年半が経過した クリーンルームは、様々な設備を導入して、分子研の共通施設としての体裁を整えている。一方、環境構築・維持にかかる労力が増大している。v2 をはじめとするクリーンルーム統合制御システ
ムは、稼働中のクリーンルーム警報システム
図 10 FFU の風量設定と消費電流の関係[7][8][9]と合わせて、環境構築・維持に向けるスタッフや利用者の労力やストレスを削減し、快適で安全な、そして省エネルギーを実現するクリーンルー
ムの実現に繋がるものと思われる。
本稿では、クリーンルーム内の FFU 稼働を最適化する構想を報告したが、原理的には多くの実験環境に適用可能である。実験環境と省エネルギーを両立する構想を実証し、幅広く展開する所存である。
参考文献
[1]

豊田朋範「クリーンルーム統合制御システムの開発－FFU 制御ユニットとトラブル対策－」装置開発室
AnnualReport2020，p24~25[2]「【徹底解説】クリーンルームとは？求められるクラス・服装・換気回数」株式会社マツシマ メジャテック、
https://sensing.matsushima-m-tech.com/knowledge/1[3]

豊田朋範「一斉警報通知システムの開発」装置開発室 AnnualReport2019、p28~29[4]豊田朋範「FFU 盛業ニットの改修・機能向上と効果的なクリーンルームの環境構築・維持に向けての試み」装置
開発室 AnnualReport2022，2023 年 3 月発行予定[5]

NXP「UM10398 LPC111x/LPC11Cxx User manual」[6]「施設マネジメント[7]

豊田朋範「汎用警報システム(通称 WAN-WAN)を用いたクリーンルーム警報システムの開発と運用」装置開発室

電気料金の見直し等について」分子研内情報AnnualReport2021、p22~23[8]

特許第 6954530 号「警報連動型防災システム」千葉寿、豊田朋範、古舘守通、藤崎聡美[9]

特願 2019-214632「通知システム、通知システムにおける制御装置、及び通知システムにおける制御方法」千葉寿、
豊田朋範、古舘守通、藤崎聡美

謝辞
本開発は、2019 年度自然科学研究機構産学連携支援事業(課題名「「一斉警報通知防災システム」構想の実現に向けた社会実験」)並びに 2019 年度～2022 年度川合所長・渡辺所長奨励研究費の助成を受けて行われた。FFU 制御ユニットの配置・試験には近藤聖彦氏、高田紀子氏、木村幸代氏、石川晶子氏(以上、分子研)に協力いただいた。各位に深い感謝の意を表する。