自控系统在洁净室空调系统中的应用研究

自控系统在洁净室空调系统中的应用研究

冷雪云

霍铧德科技（上海）有限公司  上海  200041

摘 要：在半导体洁净厂房中，工艺生产设备，包括光刻机、蚀刻机、离子注入机以及其他相关生产设备等等，对环境条件，包括洁净室的温湿度、房间微差压以及洁净度等空气指标均有较高的要求。本文针对上述空气指标，对半导体厂房的洁净空调自控系统的组成、洁净新风空调机组的监视和控制，洁净室内的温湿度及压力控制，风机过滤单元的群控等进行详细介绍。旨在分析自控系统在洁净室空调系统中的应用及其重要性。

关键词：洁净空调系统、自控系统、温湿度控制、压力控制、FFU群控

引言

洁净空调系统，特别是在半导体行业中，对洁净室的温湿度及压力都有极为苛刻的要求。其能否正常稳定，直接影响洁净室工艺生产产品的良率。而传统的人工检测和控制，不仅根本不能满足生产环境温湿度控制的要求，而且还费时费力、效率低下，且控制精度误差大。而采用自控系统，既能满足洁净室温湿度、压力的控制要求，还能达到节能减员的效果。因此，自控系统在洁净室温湿度、压力控制中的应有显得尤为重要。

1 自控系统的组成

由于洁净空调自控系统属于厂务监控系统（FMCS，即Facility Management and Control System）的一部分，因此在介绍洁净空调自控系统之前必须了解厂务监控系统。以下是厂务监控系统的组成。（如图1所示）

1.1SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）工作站

作为人机界面，发送各种指令至可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，以下简称PLC）；进行数据采集，存储，报警，趋势，时间记录和查询等功能。通常包含：

1）数据服务器：数据采集与存储，为保证系统运行的安全性，对于重要的系统，可采用冗余配置。

2）操作站：人员操作的界面，与服务器进行通讯；

3）工程师站：同时与PLC及数据服务器通讯，对PLC编程及画面，报警，趋势等进行组态；

4）信息报警：将系统重要报警以邮件，短信息的方式发送给指定人员。

1.2现场PLC及远程IO（input & output）盘柜

用于采集现场测量信号，并进行逻辑及PID运算，并发出指令至执行机构，达到控制目的；与HMI通讯，进行数据交互，执行指令。

为保证系统运行的安全性，PLC及IO接口模块可采用冗余配置。其盘柜的供电也采用双回路供电，其常用电源配置UPS。

1.3现场仪表及执行机构

包括温度、湿度、压力等各类传感器，以及各种电动或气动风阀执行器和水阀执行器。负责现场各种参数的测量，并根据PLC的指令执行各种控制动作，使控制参数达到要求。所采用的仪表测量精度必须满足测量要求，以保证测量数据的精确性，从而使后续的调整满足要求。

1.4网络架构

为保证系统运行的安全稳定性，系统的网络架构采用环形网络架构。当系统中某一点故障时，不会影响到其他设备的通讯与控制，从而更大程度上保证了系统运行的安全稳定。

图 1

2 洁净室空调系统的监视和控制

洁净室空调自控系统的监控范围主要包括：对新风空调机组（Make-up Air Unit，以下简称MAU）的监视和控制；对室内温、湿度及压力的监视、对风机过滤单元（Fan Filter Unit，以下简称FFU）的监视和控制、对干冷盘管（Dry Cooling Coil，以下简称DCC）的监视和控制等。

2.1MAU的组成

在了解MAU的控制之前，首选需要了解MAU的组成。

按照新风进入MAU的气流行进方向，机组由以下部分组成。室外新风通过MAU机组入口新风电动阀，经由防冻盘管（该盘管是否设置取决于项目所在地理位置及当地的气候条件）、初效过滤器、中效过滤器、预热盘管、预冷盘管、水洗加湿段、除湿盘管、再热盘管、送风机、高效过滤器、送风电动阀进入洁净室。如图2所示。

2.2MAU机组上及洁净室设置以下仪表及执行器（如图2所示）

1）新风及送风阀门设置开关型电动执行器；

2）初效、中效及高效过滤器设置压差报警开关；

3）防冻盘管后设置防冻开关；

3）防冻盘管及水洗加湿盘后设置平均温度传感器；

4）防冻盘管、预热盘管、预冷盘管、除湿盘管及再热盘管的回水管上设置气动调节阀；

5）水洗加湿段控制柜上取本地/远程、启动、停止、运行状态、故障报警、电导率、RO纯水（Reverses Osmosis Water，即反渗透水）补水电动开关阀状态、排水电动开关阀状态，以及加湿器水槽内液位等信号；

6）送风机变频器控制柜上取本地/远程、启动、停止、运行状态、故障报警、频率控制、频率反馈、电压、电流及功率消耗等信号。

7）空调箱出口处分别设置压力，以及温、湿度传感器；

8）按照洁净室各房间的压力梯度要求，在各房间内的新风阀上分别设置调节型气动执行器；

9）在新风入口前的新风小室内设置外气温、湿度传感器;

10）按照洁净室的温度分区，分别设置温、湿度及压力传感器；

图 2

2.3 MAU的控制

2.3.1 MAU的启停控制

在MAU变频柜内分别预留有外接自控的硬接线点和通讯接口。

1）硬接线信号

以下信号通过硬接线方式接入自控系统：

 变频器的本地/远程信号，此为数字量输入信号（Digital input signal，以下简称DI点），传至自控系统PLC；

 变频器的启动信号，此为数字量输出信号（Digital output signal，以下简称DO点），来自自控系统PLC；

 变频器的停止信号，此为DO点，来自自控系统PLC；

 变频器的运行信号，此为DI点，传至自控系统PLC；

 变频器的故障信号，此为DI点，传至自控系统PLC；

 变频器的频率反馈信号，此为模拟量输入信号（Analog input signal，以下简称AI点），传至自控系统PLC；

 变频器的频率控制信号，此为模拟量输出信号Analog output signal，以下简称AO点），传至自控系统PLC；

2）通讯信号

以下信号通过Modbus RTU通讯协议，RS485接口接入自控系统：

 变频器的电压、电流信号，传至自控系统PLC；

 变频器的功率消耗信号，传至自控系统PLC；

 变频器的其他运行参数信号，传至自控系统PLC；

3）开机

送风机的变频器启动后，整套机组的控制功能启动，并延时15秒（可调）开启新风及送风电动阀。延时开启电动风阀的目的是为了避免送风机和风阀同时开启时，气流从空调箱出口的集管上倒送，导致集管静压波动以及送风机反转。

4）停机

送风机的变频器停止后，整套机组的控制功能停止，同步关闭电动风阀，电动水阀，加湿器等各种执行机构。

除人工手动操作停机之外，机组故障以及机组出口感烟探测器报警也可触发联动停机。

2.3.2初效、中效及高效滤器的监视

在各段过滤器的两端取点设置压差开关。当滤网堵塞时，两侧压差增大会出现报警警报。从而提示运行维护人员更换过滤器。

2.3.3送风压力控制

在新风机组群组的出口集管上设置有压力传感器，根据该压力值，进行MAU风机频率的调节。当出口压力大于设定值时，PLC进行PID运算并发出命令使风机降频；反之，则将发出命令使风机升频，以确保送风压力能满足洁净室风量的需求。

2.3.4送风湿度控制

1）冬、夏季模式的判定

根据新风温湿度计算室外露点温度和湿球温度，当室外露点温度大于设定值14.8℃时，判断为夏季模式；当湿球温度大于10.4℃, 露点温度小于14.8℃时, 判断为过渡季模式；当新风湿球温度小于10.4℃时，判断为冬季模式。季节模式转换需达到条件连续16小时后才进行。模式可以手动设置。

2）夏季模式的控制

当室外新风露点温度≥9.5℃（可调）时，关闭预热盘管的电动调节阀；开启一次表冷盘管和二次表冷盘管；调节一次表冷盘管的电动调节阀，使一次表冷盘管后的干球温度为19°C；调节二次表冷盘管的电动调节阀，使送风的露点温度为9.5°C（可设定）。

当室外湿球温度≥9.5℃（可调），露点温度＜9.5℃（可调）时，关闭预热盘管的电动调节阀；开启水淋加湿器以及一次表冷盘管；调节一次表冷盘管的电动调节阀，使送风的露点温度为9.5°C（可设定）。

3）过渡季模式的控制

当室外新风湿球温度≥15.4°C且露点温度≤14.8°C时， 关闭预热盘管电动调节阀，开启一次表冷盘管电调调节阀、二次表冷盘管电动调节阀及水淋加湿器；调节一次表冷盘管及二次表冷盘管电动调节阀，使送风的露点温度为9.5°C。

当室外新风湿球温度≤15.4°C且露点温度≥10.4°C时，关闭一次加热盘管和一级表冷盘管的气动调节阀，开启二次表冷盘管及水淋加湿器；调节二次表冷盘管调节阀，使送风的露点温度为9.5°C。

当室外新风湿球温度≥10.4°C且露点温度≤10.4°C时，关闭预热盘管电动调节阀，开启一次表冷盘管电调调节阀、二次表冷盘管电动调节阀及水淋加湿器；调节一次表冷盘管及二次表冷盘管电动调节阀，使送风的露点温度为9.5°C。

4）冬季模式的控制

关闭一次表冷盘管调节阀；开启预热盘管电动调节阀及水淋加湿器，调节预热盘管电动调节阀，使送风的露点温度为9.5°C。

2.3.5送风温度控制

以MAU出风口的干球温度来控制再热盘管电动调节阀的开度，使送风温度T=18.0℃（可设定）。

2.3.6水洗加湿器的控制

水洗加湿器为成套设备，自带控制箱，能完成对泵的控制、保护，水质及水位的监控，自动补水等工作。在控制箱内分别设置有外接的硬接线点和通讯接口。

1）硬接线信号

以下信号通过硬接线方式接入自控系统：

A.加湿器的本地/远程信号，此为DI点，传至自控系统PLC；

B.加湿器的启动信号，此为DO点，来自自控系统PLC；

C.加湿器的停止信号，此为DO点，来自自控系统PLC；

D.加湿器的运行信号，此为DI点，传至自控系统PLC；

E.加湿器的故障信号，此为DI点，传至自控系统PLC；

2）通讯信号

以下信号通过Modbus RTU通讯协议，RS485接口接入自控系统：

A.加湿器的电导率高信号，传至自控系统PLC；

B.加湿器水箱液位高信号（报警），传至自控系统PLC；

C.加湿器水箱液位低信号（报警），传至自控系统PLC；

D.加湿器水箱RO水补水电动阀状态，传至自控系统PLC；

E.加湿器水箱排水电动阀状态；传至自控系统PLC；

3）水洗加湿器的联动

MAU启动时，根据室外空气焓值大小，连锁自动投用水洗加湿器。 在水洗加湿器启动后，其控制柜内的PLC进行如下控制：

A.对加湿泵进行启停控制及状态监视；

B.根据水箱内的低液位信号及电导率信号（高）自动补水及排水，实现电导率超标时，自动置换水；

C.同时液位超低的信号会连锁停泵，以保护水泵。

2.4洁净室温、湿度控制

洁净室的温、湿度是通过干冷盘管（DCC）回水管上调节阀来实现自动控制的。

由于在对新风空调箱的控制过程中，已将焓值调节到了设定露点温度的焓值，即空气内的绝对湿度一定。而根据空气温度和相对湿度的变化关系可知，焓值一定的条件下，温度升高，则相对湿度会降低，相反，在露点温度以上的范围，温度降低，则相对湿度会升高。

为了更精确地控制洁净室内的温、湿度，根据洁净室的房间大小及平面布置，将洁净室划分为若干个温度分区。每个温度分区分别设置干冷盘管以及相应的温度传感器。温度传感器的设置位置应具备典型性，即所测量的温度应能体现该分区的普遍性温度。可墙面或柱面安装，距地标高1.4米左右。当测量的温度高于洁净室温度设定值时，PLC将根据PID运算发出命令，将对应干冷盘管的调节阀开度调大，增大流量，以使得该分区的温度下降到设定值。反之，将会减小调节阀开度。

另外，当洁净室温、湿度的允许偏差较小，宜采用气动型调节阀。该种调节阀具备较快调节响应速度，因此，广泛应用于半导体洁净厂房。

2.5洁净室压力控制

洁净室的压力根据各个房间的功能不同而有所不同。洁净室内的压力是通过调节安装在各新风管上的气动风阀来实现的。

在洁净室各房间内分别设置压力传感器，当某个房间由于工艺设备的开机、关机，或者其他情况造成房间压力变化，使得所测量的压力高于或低于设定值时，PLC将根据PID运算发出命令，将对应房间新风管上的气动风阀的开度调大或调小，使得该房间的压力调整到设定值。

另外，洁净室的压力控制必须设置一套零压参考点系统，即风系统所有压力传感器的负压接口均须接至零压管上。以保证所有压力测量的参考基准一致。

2.6洁净室FFU的监视和控制

布置在洁净室的FFU密度根据洁净室的洁净等级而定，洁净等级越高，布置的密度越大，如百级洁净室的FFU基本为满布；而洁净等级越低，则FFU布置密度越小。FFU采用群控的方式进行监控。

2.6.1FFU群控系统的组成

FFU群控系统由FFU监控工作站、交换机、网关、FFU及相关的网络线路组成。

2.6.2FFU群控功能

可实现对FFU进行远程整体或分区控制。包括远程控制FFU的启停，调节FFU的转速。对每一台FFU的运行状态、故障报警、运行电流等参数进行远程监视，当某一台FFU故障时，能够在工作站的图控画面上实时显示并弹出报警信息，同时体现该故障机组的具体位置。根据FFU的平面数量布置，分区联网到相应的交换机，网关。控制功能如下：

1）对整个洁净室某一组FFU的启动、停止进行控制，可对某一组FFU的风速进行统一设置。

2）对洁净室的某一台FFU的启动、停止进行控制，可对某一台FFU的风速进⾏设置。

3）可对某⼀组FFU的数量进行设置。

4）对整个洁净室的某⼀台FFU的运行状态进行查询，如风机的启、停状态，风机的运行风速。

5）过载保护功能：当发生过载时，自动远程停止风机。

3 结论与建议

综上所述，自控系统具备的精准调节、较高的自动化等功能特点，能够将洁净室的温度、湿度及压力等环境参数控制在生产设备所需的环境要求范围内，其在洁净空调系统中所发挥的作用是不可取代的。随着科学技术的不断发展进步和智能化程度的不断提高。自控系统在洁净空调中的应用将会越来越广，控制的精度也将会越来越高。

撰写日期：2023-04

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