FMCS在潔凈廠房工程上的應(yīng)用

姚 剛

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

以某微電子產(chǎn)業(yè)項目為背景，論述計算機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)（Facility Management and Control System，F(xiàn)MCS）在微電子潔凈廠房工程中的應(yīng)用。該FMCS系統(tǒng)由監(jiān)控工作站、系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、現(xiàn)場PLC控制柜、遠(yuǎn)程I/O柜、各類儀表、閥門等組成。實現(xiàn)對建筑內(nèi)空調(diào)、通風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)、中溫冷凍水系統(tǒng)、壓縮空氣、氣體純化等進(jìn)行集中監(jiān)控管理，并以圖形方式顯示所監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀況，實現(xiàn)顯示系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)、運行狀態(tài)和故障情況[1]。此外，系統(tǒng)還將通過統(tǒng)一的通信接口和通信協(xié)議，連接相關(guān)系統(tǒng)和成套設(shè)備所提供的盤柜，并將其關(guān)鍵數(shù)據(jù)集成到FMCS系統(tǒng)中，實現(xiàn)在統(tǒng)一的平臺上進(jìn)行監(jiān)視與控制、故障報警和歷史數(shù)據(jù)存儲。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

該FMCS系統(tǒng)由兩層組成，上層用于監(jiān)控管理的系統(tǒng)，下層用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制的系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，以光纖環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接成一個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[2]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

FMCS控制基于智能的分布系統(tǒng)和獨立控制器，控制器工作在多任務(wù)多用戶環(huán)境，控制網(wǎng)絡(luò)為基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)場總線采用Profibus DP、Modbus等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議[3]。系統(tǒng)以圖形方式顯示所監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況，故障報警將被優(yōu)先顯示。監(jiān)控系統(tǒng)由FMCS控制工作站、現(xiàn)場PLC控制柜、遠(yuǎn)程I/O柜，各類儀表、傳感器、閥門等組成。本項目自控系統(tǒng)FMCS，其監(jiān)控點包括硬接線I/O通道連接的廠務(wù)系統(tǒng)的儀表、閥門和傳感器信號，以及通過以太網(wǎng)和OPC接口，連接其他系統(tǒng)和設(shè)備所提供的數(shù)據(jù)。

圖1 某微電子潔凈廠房FMCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

上層監(jiān)控管理系統(tǒng)包括服務(wù)器、監(jiān)控電腦、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，如圖2所示。

圖2 上層監(jiān)控系統(tǒng)圖

系統(tǒng)配置1套上位監(jiān)控管理軟件，2臺冗余式服務(wù)器，用于PLC控制器及各系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的收集和儲存。本項目FMCS監(jiān)控點包括硬接線I/O通道連接的廠務(wù)系統(tǒng)的儀表、閥門和傳感器信號，以及通過以太網(wǎng)和OPC接口，連接其他系統(tǒng)和成套設(shè)備所提供的數(shù)據(jù)，其監(jiān)控類型包括AI-模擬量輸入通道（4～20mA）、AO-模擬量輸出通道（4～20mA）、DI-開關(guān)量輸入模塊（24V DC）、DO-開關(guān)量輸出通道（24V DC，0.5A配繼電器隔離）、集成系統(tǒng)包OPC Item數(shù)據(jù)和History Logs數(shù)據(jù)。要求防爆區(qū)域的信號必須經(jīng)過安全柵接入PLC。每個輸出通道必須保持自己傳輸值的安全性，即可以自動執(zhí)行檢驗控制器和輸出卡間的通信超時。當(dāng)控制器故障或通信超時時，輸出通道可以根據(jù)組態(tài)保持在最后一次的輸出值或輸出一個預(yù)先設(shè)定的安全值[4]。

下層現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)則用于現(xiàn)場監(jiān)控的系統(tǒng)由控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行器及線路工程等組成，應(yīng)用于空調(diào)機(jī)組、一般排風(fēng)、低溫冷凍水系統(tǒng)、中溫冷凍水系、PCW系統(tǒng)、空壓系統(tǒng)、一般給排水系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)等。

各設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)/裝置由設(shè)備成套提供，F(xiàn)MCS負(fù)責(zé)設(shè)備運行數(shù)據(jù)的采集及部分控制，設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)/裝置應(yīng)提供通用的接口，要求冷水機(jī)組、空氣壓縮機(jī)、吸附干燥器、真空燃?xì)忮仩t等機(jī)組提供MODBUS接口。

各系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)/裝置由系統(tǒng)成套提供，F(xiàn)MCS負(fù)責(zé)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的采集及控制，系統(tǒng)包的監(jiān)控系統(tǒng)/裝置應(yīng)提供通用的接口，要求溶劑回收系統(tǒng)、廢水提升系統(tǒng)、FFU系統(tǒng)、大宗氣體及純化氣系統(tǒng)、工藝真空系統(tǒng)、純水系統(tǒng)等提供OPC接口。上述系統(tǒng)所有運行參數(shù)及狀態(tài)通過通訊上傳至FMCS[5]。

3 系統(tǒng)硬件及軟件

3.1 硬件配置

系統(tǒng)采用PLC控制，所有的硬接線點可以通過PLCs監(jiān)視并/或者控制。系統(tǒng)中每個PLC都是完全獨立的控制器，利用所有固件和軟件，在獨立的基礎(chǔ)上實現(xiàn)全部控制。其中CUB和FAB空調(diào)機(jī)房PLC采用冗余控制器（不接受軟件冗余），F(xiàn)AB其他部位PLC可采用非冗余控制器[6]。

PLCs控制器和遠(yuǎn)程I/O之間，采用光纖進(jìn)行通信連接以抑制干擾和預(yù)防雷擊，且所有硬件模塊應(yīng)滿足ISA-S71.04 G3防腐標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)PCs在滿足系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上采用主流穩(wěn)定的規(guī)格配置。

FMCS網(wǎng)絡(luò)采用冗余網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上的本地集線器/交換機(jī)要求帶通風(fēng)設(shè)施，以免過熱。網(wǎng)絡(luò)配置管理器采用RJ-45以太網(wǎng)適配器，放在有門的接線盒里，包括盒和集線器之間的線路。

為了集成系統(tǒng)包和設(shè)備包的數(shù)據(jù)，F(xiàn)MCS系統(tǒng)至少應(yīng)支持以下通信協(xié)議和接口：OPC DA&AE、OLE-DB、Modbus RTU&TCP、Profibus DP&PA、IEC 61850、Profinet I/O、Hart等。

3.2 系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件，可以定義多級別用戶、密碼保護(hù)、安全保證。包含全面制圖功能、報警管理、實時和歷史記錄，并提供實時過程數(shù)據(jù)。

FMCS軟件采用統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)以下功能：PLC控制程序編程和下裝、圖形編輯工具、IEC61131-3編程語言、數(shù)據(jù)點配置和管理、系統(tǒng)診斷和設(shè)備管理、歷史趨勢、報警和報表組態(tài)等[7-8]。

控制器與I/O硬件狀態(tài)在用戶界面中的顯示如圖3所示。

圖3 控制器與I/O硬件狀態(tài)顯示

4 結(jié)束語

在微電子潔凈廠房工程中應(yīng)用FMCS系統(tǒng)，實現(xiàn)了將廠務(wù)設(shè)施相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)備的數(shù)據(jù)整合集成至中央監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)了多系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及信息共享，降低了廠務(wù)運維成本及管理難度，有效提升了廠務(wù)管理水平。