制造业中气体监控系统的分析与设计

　　1 引言

　　在化工企业或半导体生产企业，往往在生产加工过程中要使用各种毒性或危险性气体，比如可燃性气体ph3、b2h6;腐蚀性气体cl2，hbr，nf3等等，这些气体的贮存和运输必须遵守严格的标准。在生产车间使用这些气体的过程中，可能会出现气体泄漏的意外情况，当某些气体浓度达到一定的标准或压强超过一定的标准时，往往会发生爆炸或导致危及人生安全的恶劣后果。因此对这些危险性气体必须建立一套完整的监测系统，达到有效的控制和具备良好的预警功能，以保证生产的正常进行以及人财物的安全。本文将重点讨论在半导体生产行业中对危险性气体的监控系统的分析与设计。

　　2 气体监控系统的基本需求分析

　　对毒性或危险性气体，在与之作用的过程中必须严格遵守相关的标准和规定，对其设计和施工也必须符合一定的标准和规范，最基本的要求如下：(1)根据气体的特性，分区存放;(2)输送过程中抽气管道需具有耐腐蚀性，传送管道需具有一定的耐压、耐腐蚀性;(3)各种气体储存室和工作室以及气瓶柜都应该安装相应的监测器件监测气体浓度或压力;(4)各个仪器具有报警功能，且有较高的灵敏度;(5)位于防爆区的监测器件需具有防爆功能;(6)为了实现系统的集成，各个监测器件需具有开放式接口等等。

　　在某晶片厂中，由于工艺的需要，要用有毒或危险性气体，为了对气体系统进行统一的监控，防止发生意外事故。需要监测的项目有晶片制造过程中使用的危险性气体、有机溶剂是否存在泄漏，以及工作环境中氧气的浓度，以及气瓶柜的状态等等，要求监控系统在气体出现泄漏时，根据设定值来判断发生泄漏的区域，并发出警示信号或执行连锁停机操作，当险情时通过广播传达紧急疏散信息。

　　3 气体监控系统设计

　　3.1 网络设计

　　在气体监控系统中，涉及到信息监控中心、plc控制柜、现场的各种监测仪器、报警灯以及广播系统几个部分。目前而言，现场各种监测仪器以及其使用的电源线、报警器控制线以及与气瓶柜监测系统的plc的线路、紧急按钮都集中连接到plc控制柜中;信息监控中心与plc控制柜通过线路连接，实现监控数据的采集。据此分析，这拓扑个监控系统的网络如图1所示。其中，气体监测器、地震仪以及紧急按钮的信号是作为plc的输入信号，而报警灯、广播系统以及气瓶柜监控系统的信号是plc的输出信号，监控软件部分和plc通讯是双向的。大致的工作流程是：plc实时采集气体监测器的测量值，并判断是否达到了低值报警和高值报警的范围。如果达到低值报警范围，控制报警黄色灯亮，并在监控画面上显示报警的区域以及产生报警的气体监测器的位置;如果达到高值报警条件，控制报警红色灯亮，并发出报警声音，同时相应的广播系统发出语音广播信息，在监控画面上显示报警的区域以及产生报警的气体监测器的位置，按要求输出关闭相关气瓶柜的信号。如果发生地震，plc会采集位于不同位置的三个地震仪的检测数据，通过比较确认地震的等级，根据地震等级不同，控制相应的报警灯、广播系统以及关闭气瓶柜。在紧急的情况下，可以通过紧急按钮来控制某个区域设备的关停。

　　3.2 监控软件功能设计

　　通过对整个气体监控系统的需求分析，设备的状态信息以及控制动作需要在组态画面中实现。同时考虑到系统将来集成的需求，在组态软件上，选择了美国wonderware公司的intouch产品。该产品由数个组件所组成，完成可视化、获取数据、扩充外接组件/系统、历史趋势、事件处理、报警记录、报表和分析，它是一个可提供快速创建一个复杂且功能强大的操作界面的灵活工具，并易于升级。

　　在气体监控系统中，监控软件主要完成以下几方面的功能：

　　l 区域监控

　　l 设备监控

　　l 地震仪监控

　　l 报警灯测试

　　l 广播测试

　　l 历史警报查询

　　l 安全管理

　　(1)区域监控：根据厂区的简单平面结构图，实现分区域的状态监控;如果某个区域发生气体泄漏，该区域应该通过颜色的变化以及闪烁效果提示应急工作人员，各个区域应该有该区域的详细的平面效果图，而且需要在图中标示气体检测器的位置，发生毒气泄漏的时候，监控画面中相应的检测器应该通过颜色的变化来提示应急人员的具体泄漏位置。针对每一个气体检测器都可以进行参数的查看，而且可以查看该气体检测器的曲线图。

　　(2)检测设备监控：主要是实现气体监控系统中检测设备的监控，通过检测设备的监控，了解该检测设备目前的运行状况以及故障状态，以便及时的采取维修措施，同时根据需要可以设定某些检测设备的状态，比如报警的使能或禁止。

　　(3) 地震仪监控：反映3个位置的地震仪的状态。

　　(4)报警灯测试：提供工作人员对报警灯进行测试的功能，根据不同的区域来划分测试类型。测试的过程中，可以通过现场人员的观察了解测试的效果，同时在监控画面中也要反映出在进行哪个区域的测试，以便工作人员关闭该区域的测试，一般通过颜色改变来表示。

　　(5) 广播测试：广播测试与报警灯测试的功能类似，只是对象不同。

　　(6) 历史警报查询：在监控画面中除了显示各种实时报警以外，还应该提供历史警报的查询功能，通过设定查询的时间段进行历史报警查询。

　　(7)安全管理：在气体监控系统中，安全管理特别重要，很多参数，比如气体检测器的报警值的设定、气体检测器报警功能的使能或禁止等，必须要求系统管理员才能修改，如果没有一个良好的安全管理机制，一般工作人员的误操作可能导致巨大的损失。在系统的设计过程中，还需要对某些敏感的参数设定实施权限控制。

　　3.3 报警系统设计

　　报警部分的设计主要包括报警等级设计、区域报警设计、语音报警设计以及报警撤销设计等内容。其中，报警等级的设计，主要考虑到报警的急迫程度，便于工作人员采取不同的应急措施，比如报警等级比较低时，需要工作人员对某些重要设备采取应急保护性措施;而在报警等级比较高时，需要工作人员紧急撤离，以保护工作人员安全为主。在本系统设计了两种报警等级，同时设定了一个预警阶段，当气体浓度监测仪器检测到气体的浓度达到最低设定下限值的时候，监控软件将自动显示发生时间、地点以及其检测到的浓度值并记录存档。第一阶段报警设计为：当气体浓度检测仪器检测到气体浓度达到设定报警值得1/2时，监控软件自动显示警告信息、发生时间、地点以及其检测到的浓度值并记录存档，信息监控警笛鸣叫以及安装的闪光灯(黄色)动作，预警区域闪光灯(黄色)动作并显示报警区域。第一阶段报警设计为：当气体浓度检测仪器检测到气体浓度达到设定报警值时，监控软件自动显示警告信息、发生时间、地点以及其检测到的浓度值并记录存档，信息监控中心警笛鸣叫以及安装的闪光灯(红色)动作，预警区域闪光灯(红色)动作并显示报警区域，紧急启动相关的连锁操作。

　　区域报警设计根据出现报警的区域来决定采取区域性的应急措施，比如在某个区域发生火灾的时候，在没有影响到其他区域的工作前提下，可以只触发报警所在区域的区域报警，以免造成其他区域人员的恐慌。在本系统中，根据相对封闭的区域作为单独的报警区域，在该区域中的检测仪器的检测结果就是发生区域报警条件。

　　语音报警，包括系统广播以及警报声音。系统广播只是在发生高值报警以及发生一定强度的地震时使用。警报声音应该根据报警类型而变化。

　　4 结束语

　　在化工企业或电子生产企业，需要对生产加工过程中要使用各种毒性或危险性气体实施安全可靠的监控。据此建立的气体监控系统可以在发生气体泄漏或其他危险情况的时候，快速作出判断并采取相应的应急措施，保护人财物的安全。现场初步运行表明，该设计的构思是正确的，监控效果较好。