Vertex氣體偵測器在GMS中的應(yīng)用

何運

[摘 ? ?要]隨著科學(xué)技術(shù)及智能技術(shù)的發(fā)展，人們對半導(dǎo)體集成電路芯片需求越來越大。集成電路的生產(chǎn)加工由于工藝的需求，需要使用到一定量的特殊氣體，為保證生產(chǎn)線人員的安全及生產(chǎn)過程的穩(wěn)定可靠，半導(dǎo)體廠務(wù)運營中心需要對生產(chǎn)工藝中使用到的氣體是否泄漏進行實時監(jiān)控。針對這一需求，設(shè)計了氣體監(jiān)控系統(tǒng)（Gas Monitor System， GMS）。GMS通過在現(xiàn)場氣源端、氣體分配閥端、機臺端、環(huán)境端裝置氣體偵測器，從而檢測現(xiàn)場保障氣體使用過程中的安全。當(dāng)現(xiàn)場發(fā)生氣體泄漏，裝置在現(xiàn)場的氣體偵測器感應(yīng)并發(fā)出報警，報警信號經(jīng)PLC邏輯判斷后進行相應(yīng)的聯(lián)動輸出。當(dāng)檢測到的氣體濃度達(dá)到一定的設(shè)定級別時，GMS會聯(lián)動遠(yuǎn)程關(guān)斷供氣裝置，從而實現(xiàn)GMS的自動控制。主要講解美國Honeywell公司生產(chǎn)的紙帶型Vertex氣體偵測器在GMS中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]氣體偵測器;模擬量信號;數(shù)字量信號;PLC 總線;自動控制

[中圖分類號]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–03

[Abstract]With the development of science and technology and intelligent technology， the demand for semiconductor integrated circuit chips is increasing. Due to the process requirements， a certain amount of special gas is needed in the production and processing of integrated circuits. In order to ensure the safety of production line personnel and the stability and reliability of the production process， the semiconductor factory operation center needs to monitor whether the gas used in the production process leaks in real time. To meet this demand， we designed a gas monitor system （GMS）. GMS system is equipped with gas detector at the gas source end， gas distribution valve end， machine end and environment end， so as to detect the gas on site and ensure the safety in the process of gas use. In case of gas leakage on site， the gas detector of the device on site senses and sends out an alarm， and the alarm signal is output through PLC logic judgment. When the detected gas concentration reaches a certain set level， the GMS system will remotely shut off the gas supply device， so as to realize the automatic control of the GMS system. This paper mainly introduces the application of tape type vertex gas detector produced by Honeywell in GMS system.

[Keywords]gas detector; analog signal; digital signal; PLC bus; auto-control

隨著人類的發(fā)展革新，人們對工作環(huán)境、安全和健康有更高的要求，根據(jù)ISO14001環(huán)境論證體系及OHSAS18001職業(yè)健康安全論證體系的要求，生產(chǎn)環(huán)境的安全和人員健康的安全關(guān)系到企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展。半導(dǎo)體集成電路行業(yè)作為日趨成熟的高端制造行業(yè)，由于芯片生產(chǎn)的高價值，其生產(chǎn)環(huán)境的高潔凈要求能提升產(chǎn)品的良率，穩(wěn)定可靠的生產(chǎn)能提高運營效率。但由于生產(chǎn)工藝的特殊性，需要在特定的工藝生產(chǎn)中使用到一些特殊（有毒性、腐蝕性、可燃性）的氣體。為預(yù)防和保證工藝過程中使用特殊性氣體的安全，保證生產(chǎn)工藝的可靠和保護現(xiàn)場人員的安全，所以需要建立可靠的GMS。采用美國Honeywell公司生產(chǎn)的Vertex紙帶型氣體偵測器應(yīng)用于GMS，以保證GMS的偵測器的穩(wěn)定可靠。

1 GMS架構(gòu)

GMS是一套集成了現(xiàn)場設(shè)備（AI/DI）、PLC控制系統(tǒng)、信號收集及顯示的一套完整的自動控制系統(tǒng)。GMS通過在現(xiàn)場氣源端、氣體分配閥端、機臺端、環(huán)境端裝置氣體偵測器，從而監(jiān)控現(xiàn)場保障氣體使用過程中的安全。氣體偵測器通過把氣體濃度值轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號輸出，電流信號經(jīng)GMSPLC模擬量輸入信號（AI）卡收集處理，當(dāng)氣體濃度值達(dá)到一級設(shè)定條件，GMS會聯(lián)動對應(yīng)的數(shù)字量輸出信號（DO），從而聯(lián)動廠區(qū)內(nèi)部的區(qū)域聲光報警指示燈黃燈點亮，以提醒現(xiàn)場人員進行安全防護，提醒機臺工程師盡快檢查機臺操作是否得當(dāng)。當(dāng)偵測到的氣體濃度值達(dá)到二級設(shè)定級別時候，緊急情況下可實現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閉供氣裝置，同時聯(lián)動區(qū)域報警燈黃、紅、蜂鳴聲，聯(lián)動廠區(qū)內(nèi)部的語音廣播系統(tǒng)通知人員有序、及時疏散。GMS從而實現(xiàn)氣體泄漏的自動檢測、邏輯判斷、聯(lián)動報警輸出的自動控制。

一套完整的GMS集成架構(gòu)包含現(xiàn)場的氣體偵測器及關(guān)聯(lián)的報警裝置，PLC控制單元及信號收集的SCADA單元，常見的GMS架構(gòu)如圖1所示。當(dāng)現(xiàn)場發(fā)生氣體泄漏，GMS通過現(xiàn)場氣體偵測器收集到的氣體的濃度值以ppb或者ppm顯示，氣體濃度值數(shù)據(jù)通過通訊協(xié)議傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)，最后把氣體濃度信號傳遞到廠務(wù)運營控制中心的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，實現(xiàn)了廠務(wù)運營中心24 h、全方位地監(jiān)控現(xiàn)場安全用氣。

2 Vertex氣體偵測器在GMS中的應(yīng)用

2.1 Vertex氣體偵測器

Vertex72點紙帶型氣體偵測器多用于半導(dǎo)體集成電路制造、顯示面板、LED、光伏及高端制造產(chǎn)業(yè)，尤其以8英寸和12英寸的半導(dǎo)體集成電路制造行業(yè)應(yīng)用比較多。美國Honeywell公司生產(chǎn)的Vertex氣體偵測器憑借穩(wěn)定可靠的性能，報警能留下物理證據(jù)的特點，Vertex24點和72點紙帶偵測器在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛。

Vertex24點和72點紙帶型氣體偵測器，主要用于檢測有害性、腐蝕性氣體，可支持最多檢測40多種氣體。其中，24點Vertex每臺設(shè)備最多可以偵測24個偵測點，每個氣體分析儀含有8個偵測點，最多可以安裝3個氣體分析儀。72點Vertex每臺設(shè)備最多可以檢測72個偵測點，每個氣體分析儀含有8個偵測點，最多可以安裝9個氣體分析儀。Vertex設(shè)備采用真空泵主動抽取采樣氣體到氣體分析儀端，如果通過的采樣氣體不含有目標(biāo)氣體時，則采樣氣體和Vertex分析儀上的紙帶不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反之，若含有目標(biāo)氣體，則發(fā)生化學(xué)變化并在紙帶上留下反應(yīng)后的色斑。

Vertex紙帶型氣體偵測器設(shè)備自帶一套PLC控制系統(tǒng)，它選用美國Rockwell公司生產(chǎn)的SLC500系列可編程邏輯控制器（PLC）用于處理數(shù)據(jù)及程序的邏輯控制。

Vertex72點紙帶型氣體偵測器可以支持多種通訊協(xié)議，包含以太網(wǎng)、Profibus、ControlNet和串口通訊。目前，國內(nèi)GMS中約80%的Vertex氣體偵測器的通訊方式為Profibus通訊。Vertex氣體偵測器設(shè)備端可以配置一套SSTProfibusScanner，通過此模塊，實現(xiàn)Vertex氣體偵測器和GMS中的西門子PLC進行Profibus通訊，收集Vertex氣體偵測器端的通訊狀態(tài)、設(shè)備點位報警狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)、偵測點濃度值的信號。相對于其他的通訊方式，GMS中VertexProfibus通訊的技術(shù)已經(jīng)非常成熟、安全、可靠。

2.2 Profibus通訊

Profibus是一個用在自動化技術(shù)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。Profibus通訊線纜采用Profibus線纜，同時對Profibus線纜傳輸距離進行了定義，其傳輸速率為9.6 kbps～12 Mbps。

當(dāng)通訊速率在9.6～93.75 kbps時，Profibus線纜最大的傳輸距離為1200 m。

當(dāng)傳輸速率為187.5 kbps時，Profibus線纜最大傳輸距離為1000 m。

當(dāng)傳輸速率為500 kbps時，Profibus線纜最大傳輸距離為400 m。

當(dāng)傳輸速率為1 500 kbps時，Profibus 線纜最大傳輸距離為200 m

當(dāng)傳輸速率為12 000 kbps時，Profibus 線纜最大傳輸距離為100 m。

2.3 Vertex偵測器Profibus通訊在GMS中西門子PLC 的配置

（1）Vertex 紙帶偵測器與西門子系列的PLC 進行Profibus-DP通訊，建議Profibus-DP線纜采用1.5 Mbps的傳輸速率。如果速率太高，影響線纜的總長度，GMS設(shè)計時可以根據(jù)廠區(qū)布局及線纜走向進行合適的傳輸速率。

（2）PLC硬件配置，首先在PLC硬件配置里安裝Vertex.gse 文件（資料由Vertex偵測器廠家提供），以便配置Vertex所需的通訊模塊信息。

（3）PLC硬件組態(tài)，Vertex.gse文件導(dǎo)入后，會有對應(yīng)的IO 模塊，可以直接選取所需的122個字所需的。

2.4 Vertex Profibus 地址定義

Vertex設(shè)備內(nèi)部已經(jīng)定義了122Word（字（244 Bytes字節(jié)）的地址。設(shè)備端的地址用于Vertex偵測器的狀態(tài)報警、設(shè)備故障報警、偵測點濃度值報警。GMSVertex Profibus通訊，GMS需要對所需的Vertex狀態(tài)信息進行地址信息的收集。GMS對Vertex設(shè)備提供的地址進行信息抓取，當(dāng)Vertex Profibus通訊和GMS的PLC Profibus通訊連接后，就可以根據(jù)定義后的地址進行信號的收集。

地址定義信息如下：

0-35Word位 ? ?Vertex氣體偵測器報警狀態(tài)。

36-40Word位 ? Vertex儀器故障狀態(tài)報警。

41-49Word位 ? Vertex備用。

50-121Word位 ?Vertex72點氣體濃度值信號。

設(shè)備端對報警狀態(tài)數(shù)值定義：

“0”Vertex氣體偵測器正常運行不存在氣體報警。

“1”Vertex氣體偵測器存在小于一級報警的（預(yù)報警）。

“2”Vertex氣體偵測器一級報警。

“3”Vertex氣體偵測器二級報警。

設(shè)備端72點氣體濃度值信號（AI模擬量4～20 mA信號）數(shù)值定義：

“0” ? ? ? ? ?Vertex氣體偵測器不存在。

“3120” ? ? ? Vertex氣體偵測器設(shè)備故障（2 mA信號）。

“6241～31206”Vertex氣體偵測器設(shè)備正常的4～20 mA信號。

例如，當(dāng)設(shè)定的某一個氣體量程范圍為（0～100）×10–6，那么當(dāng)Vertex氣體偵測器接受到“6241”數(shù)值時，那么Vertex氣體偵測器對應(yīng)氣體濃度值顯示就是0;當(dāng)Vertex氣體偵測器接收到“31206”數(shù)值時，那么Vertex氣體偵測器對應(yīng)的氣體濃度值顯示就是100×10–6。

2.5GMS 系統(tǒng)PLC編程

西門子PLC編程與常規(guī)4～20 mA模擬量輸入類似處理，對對應(yīng)的模擬量PIW值進行量程轉(zhuǎn)換和報警設(shè)置。Vertex氣體偵測器設(shè)備端定義的原始量程值為：6241～31206，采用自己定義的標(biāo)準(zhǔn)的FB‐Vertex功能塊，對內(nèi)部量程轉(zhuǎn)換進行了處理，第50個地址開始是對應(yīng)的偵測點濃度值，前面是各端口狀態(tài)地址。部分的GMS組態(tài)及程序塊如圖2所示。

3 應(yīng)用舉例

例如一個半導(dǎo)體項目上，Vertex氣體偵測器采用Profibus通訊，客戶需要按照所需的NH3氣體進行Vertex氣體偵測器點位設(shè)置，Vertex氣體偵測器的目標(biāo)端的氣體信息的定義需要對Vertex偵測點1-1-1到1-1-8設(shè)置NH3 氣體。

Vertex氣體偵測器設(shè)備端自帶人機界面顯示（HMI），Vertex 氣體偵測器端點位配置如圖3所示，Vertex72點偵測器設(shè)備端，需要在HMI界面上對所用到的1-1進行點位配置。保證Vertex設(shè)備端定義的地址和GMS對應(yīng)的NH3氣體信息、NH3氣體類型、NH3氣體量程（0～100）×10–6、NH3氣體預(yù)報警值為9×10–6，一級報警設(shè)置為12.5×10–6，二級報警設(shè)置為25×10–6。按照上述的信息對1-1氣體分析儀進行配置。

4結(jié)束語

提供了一種常用的Profibus通訊，將Honeywell Vertex氣體偵測器集成到GMS中。提供了Profibus現(xiàn)場總線在GMS整合中的應(yīng)用，為GMS集成者提供了相關(guān)的Profibus總線的經(jīng)驗。利用Profibus通訊方式將Vertex偵測器整合到GMS中，確保了Vertex氣體偵測器設(shè)備在GMS中的應(yīng)用，更好地服務(wù)客戶現(xiàn)場，保證現(xiàn)場使用氣體的安全。

“無危則安，無損則全”，安全無小事，安全關(guān)乎人的日常生活和廠區(qū)安全生產(chǎn)。GMS中引入高精度、高品質(zhì)、高穩(wěn)定的紙帶型Vertex氣體偵測器，能為企業(yè)廠務(wù)運營管理人員及環(huán)境安全管理人員提供更好的氣體泄漏監(jiān)控管理，能更好地實時監(jiān)控氣體使用狀況，能更好地服務(wù)企業(yè)，創(chuàng)造更高價值。

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