GE系列Genius I/O 在天津MOTOROLA MOS17实现洁净室和超纯水工艺控制

　　GE智能设备（上海）有限公司 潘慰

Motorola mos17 位于天津西青开发区，Cleanroom 5000平方米, 周产6000片8英寸WAFER, 分别有M1,M2, M2.5, M3, M5.5的洁净度区域。项目于1999年启动，2000年STARTUP，2002年五月下线第一片WAFER。2004年MOTOROLA以股份方式转让给中芯国际SMIC运营。

全厂使用GE PLC，包括系列90-70, 系列90-30 PLC, Genius I/O，Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY, 约50个CPU，构成FMCS (Facility Management and Control System)的主体部分。

　　Cleanroom SPEC: Temperature 68+/-2 DegF, Humidity 45%+/-3 ，其中M1 区Temp 68+/-0.5 DegF, Humidity 45%+/-1.5 。

　　系统解决方案与实施

　　1. 系统结构

FMCS由两层网络构成，其一是全厂共享的以太网网络，连接HMI/SCADA server/client, PLC cpu 机架，LnsDDE server；其二是LON net 和Genius net, Lon net 连接Lon格式的变送器和 DDE server，Genius net用于PLC cpu之间以及cpu和Genius I/O之间的通讯。

　　2. 工艺控制

芯片厂的主厂房分四层:FAN deck, pressurized zone, fab, sub-fab。通常有两种设计方案，区别在于回风是通过sub-fab还是通过gray zone；回风通过sub-fab意味着经过处理的洁净空气损失的多，需要加大新风机组的数量和能力，能量消耗的多，在pressurized zone入口处设置气囊包通过鼓涨程度微调fab静压；回风通过gray zone，即fab中的设备后台区，回到FAN deck层的RAH单元，经过处理的洁净空气损失的少，较少耗能，RAH单元风机运行频率经过建厂时的压力平衡整定后运行中只需微调MAH主风道上的压力设定值就可控制fab静压。MOS17选择了后者的设计方案。在稳定静压和50％~100% zone 过滤的情况下，洁净度就稳定了，以下内容详细讨论FAB的温度，湿度，静压，酸碱排风的控制。

　　温度

参与温度控制的环节有MAH, RAH, LON sensor。MAH环节中外部空气从入到出依次经过预加热，变频风机，一级冷水，二级冷水，加湿，再加热盘管，其中和Fab 温度控制有关的只是一级冷水和再加热盘管。当外部空气绝对湿度很低（通常是冬季），湿度控制落在加湿区间，不需要一级冷水的配合时，调高一级冷水出风的温度设定值可以节能；再加热盘管是MAH中与FAB温度控制有关的唯一始终工作的单元，保持出风温度高于SPEC 1 Deg F左右，交由每个BAY的RAH单元冷水盘管阀门控制最终送风温度；每个white bay 墙上设置的几个LON sensor 温度值和心跳数直接以LON的标准格式传递给相应区域的LNSdde server，经由HMI/SCADA平均值计算后传递给相应LNSdde server网络下的RAH单元，微调送风的设定值，心跳有问题时（说明现场信息不刷新）保持上一次的合理区间温度值作为反馈process value (pv)；同时每组RAH的冷水阀开度也传递给LNSdde server，由HMI/SCADA获取并平均值运算，用于微调MAH送风温度的设定值，保持冷水阀的开度在相对精确线性响应的40％~80%区间工作。每台MAH由独立的系列90-30 PLC控制。

由于Netdde 的技术微软并无持续的操作系统支持，dde server电脑上的软件版本和操作系统的升级必须慎重。

　　湿度

SPEC中湿度的概念是相对湿度，对照表可以查到Dewpoint, RH, Temperature之间的关系，当温度变化时即使Dewpoint（露点温度，即绝对湿度，反映空气中水分的绝对数量）不变，RH仍然有变化。相对湿度的控制是通过控制Dewpoint的湿度环节和稳定温度环节的共同作用下实现的。

与湿度控制有关的环节是MAH的一级冷水，二级冷水，加湿，fab的Dewpoint变送器。Dewpoint变送器内容传递的途径和温度的Lon sensor一样，用于reset MAH出口的Dewpoint设定值。PLC的应用程序一定要考虑HMI/SCADA冗余的PC出现问题重启时所有数据可能初始化的情况，即发现Lon sensor无心跳或数值明显不合理时有相应的应用程序考虑，建厂时曾出现过一次所有加湿器满负荷工作的情况，经三天扫风处理才使FAB恢复正常，损失很大。

在PLC中湿度控制的PID只有一个，split控制，即0~50 时加湿器工作，50~100 时除湿工作，除湿的具体实现再有两个PID回路，一为二级冷水（Glycol chill water）,一为一级冷水，二级冷水PID根据湿度PID输出调节阀门，阀门开度值去调整一级冷水的出口温度设定点，目的在于充分利用一级冷水将空气的温度降低到接近露点从而避免二级冷水的需求反复变化，同时可以节能。

压力

压力的控制主要是MAH之间协调的问题，虽然所有的MAH都是独立的VFD，但VFD控制信号只能来至于一个PID回路，如果每个VFD根据主风道的PT自行调整输出，运行一天或两天时间后一定会有一台MAH慢慢停机，因为各自PID运算时某台VFD降速时别的并行运行的VFD会提速补偿，使得降速的继续降，提速的继续提。

　　实现PLC CPU间通讯的方式很多，现场采取的是最有风险的一个，Lon sensor – Lnsdde server – HMI/SCADA – PLC。中间环节太多，使得将来的运行维护有风险。可以对比酸碱排风工艺的通讯实现方式：Genius I/O 获取公共的压力信号，通过Genius网络共享给所有CPU，显然这个方式简单直接。

　　酸碱排风

　　工艺设备的机组容量设计为N+1方式，保证一台机组故障或预防性维护时满足生产需求，控制要求任何时候都保证主风道的负压稳定，避免工艺设备停机。

　　Genius 网络一方面通过IO信息共享压力信号给所有的机组，另一方面通过全局数据共享CPU之间的信息如，VFD命令，机组运行情况等。设置Master, first slave, second slave 身份，Master 机组计算PID并将VFD速度命令给所有机组，当Master 故障或预防性维护时 first slave 承担这个工作，依次类推。

　　其它工艺如冷水机组等不再详述，按工艺设计要求实现。

　　8台冷水机组和2台GLYCOL冷水机组以及锅炉的监视和各级泵由系列90-30PLC控制；

　　空气压缩机，工艺冷水设备，由系列90-30PLC控制相应机组；

　　超纯水由4套系列90-30结合Genius I/O控制；

　　废水处理及市政水供应也由相应的系列90-30控制；

　　化学品供应的监控由系列90-70双机实现，HMI/SCADA为Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY。

　　YORK冷水机组顺控时要求使用YORK LINK protocol，系列90-30的方式是使用PCM模块BASIC编程，可以实现但日后的维护修改比较麻烦，如果使用PACSystems RX3i系统的CMM002/004组态方式实现free protocol则利于维护，当然这是后话了。

　　实施结果

　　Invensys使用GE 产品，组织协调多国分包商，按工期、高质量成功实施了FMCS系统。作为单一厂址1万多IO点的大型监控项目，集成了HMI/SCADA,PLC,LON等多方面的技术，实现了半导体生产的zero down time要求。

　　关于GE智能平台

　　GE智能平台是一个提供高新技术的企业，它为世界各地的用户提供用于自动化控制和嵌入式领域的软硬件产品、服务以及专业技术。我们为用户提供一个独特的、灵活的、超可靠的技术基础，使得他们在包括能源、水处理、消费品、国防以及通讯等领域，获得持续的竞争优势。GE智能平台总部设在美国弗吉尼亚州的夏洛茨维尔，是GE企业解决方案业务集团的一员。需获取更多详情，请访问www.ge-ip.com。

　　关于GE企业解决方案

　　GE企业解决方案通过提供集成的解决方案帮助客户提升生产力和收益，这些解决方案涵盖了传感器和无损检测、安防和生命安全技术、电力系统保护和控制以及工厂自动化和Embedded计算系统。企业解决方案的高科技、高增长的业务包括传感与检测技术，安防，数字能源和智能平台。世界各地60多个国家的17000多名员工为客户解决各种问题。