广州粤芯半导体技术有限公司 广东广州 510000
摘要：国产大宗气站在仪控、可靠性、安全等方面还有优化的空间，本文主要分享真实仪控优化方案，望对国产大宗气站的设计、建设、运营有所帮助
关键词：仪控、自动化、可靠性、安全
前言：随着芯片短缺的情况愈演愈烈，我国汽车、手机、家电、工业控制等行业均受到零部件短缺的限制无法满足市场需求，智能化时代芯片就是硬件的大脑心脏，在此背景下我国芯片行业正面临挑战和机遇，“广州芯”在此大背景下诞生，粤芯半导体2017年12月26日奠基，2019年9月试生产，2020年达到20000片/月，大宗气由盈德气体承建供应，此电子气项目是由国人设计施工运营的首套电子气，本人有幸参与了广州盈德电子气和粤芯二期的建设，在此就工业自动化方面分享相关经验和大家一起探讨。
一、控制、后备、冗余系统
氧、氮、氩、氢、氦、CDA、HPCDA的供气阀门应冗余设计，后备系统的最基本的要求就是无需任何外界资源并且不受任何外界因素干扰的情况下可自行运行，从而达到高可靠性的目的，目前国内设计的大宗气后备系统并不是真正意义的后备系统，在信号干扰、系统停电、PLC故障、人为操作失误等情况无法正常工作，主要原因就是后备系统中的阀门采用的是4-20mA控制的的气动阀，在此推荐将阀门定位器选型改成接收3-15PSI信号，仪表气采用后备氮气，此设计可避免强电干扰、雷击、控制器故障、电缆破损、电源故障导致的阀门误动作，并且P和I可根据实际情况设置，但相应的成本偏高，亦可采用高精度自力式调节阀，流程图如下：
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各系统应单独控制系统，避免PLC/DCS故障时全场所有系统全跳车，时效性、严酷度、发生几率都无法满足可靠性的要求，如将各系统分开不同的PLC进行控制，可全面提高工厂整体可靠性，并且对日后长期的维护、功能测试、检修提供了可能性和便利性，推荐按照下表对工厂各工序进行划分并设计在各自独立并能互相通讯的PLC里：空压站_PLC0，制氮机_PLC01，后备系统、柴发_PLC02，CQC、纯化器_PLC03，重要设备的启停控制应分开不同I/O模块，如端子板是集成的，也应分开，避免模块、端子板故障导致多个重要设备同时跳车。
二、计量系统
半导体厂大宗气用气设备大致有几类：
1、FAB中的机台、尾气处理装置、光刻机
2、特气系统的GC/GR、VMB/VMP、尾气处理装置
3、化学品系统的GC/GR、VMB/VMP
4、纯水、废水系统的仪表气和曝气装置
以上设备在试生产到量产均是逐步调试投用生产，用气量会有缓慢爬坡的现象，所以在商业计量流量计选型应选用范围广精度高的测量形式，避免前期小流量和后期大流量计量不到，因氢氦这两种介质单价高并且前期用量波动大，建议氢氦流量计选用热式，在小流量计量会有不错的效果。亦可采用双流量计分流量范围计量，可根据现场实际情况后期变更
三、国内大宗气站的供应商往往是采购主要设备集成商的角色，这几年在仪控选型上已大有进步，有开发固定的自动阀、变送器、温度计供应商，但在一些关键设备系统自身集成的仪表没有做任何要求，往往设备厂商为了节约成本选择了可靠性低的产品，最终导致大宗气站整体可靠性偏低，并且在备件管理上会导致费用增加，在此提出思路供参考，采购整体机组时把对应仪控选型标准发与供应商，要求按公司标准执行即可：
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四、CQC改造
半导体行业日新月异，由于市场、成本、货期等原因，原计划的用气设备会发生变化，导致用气量需求变化惊人，此时原管道供应能力满足不了，就需要重新敷设管道，由于无法断气导致新管道产品气无法与原管道产品气混合，无法并入原CQC系统，产品品质无法监控，新上单一介质的整套CQC系统成本太高，为了降低成本又能兼顾两套用气管路的品质，设计了CQC自动切换功能：
CQC改造技术说明
1.集成说明
VCR接头全部采用机器焊接，VENT采用VCR孔板（0.01英寸），接入排放管路
2.控制说明
气动隔膜阀开关通过电磁阀驱动的仪表气控制（隔膜阀采用FC），电磁阀的信号通过CQC房间内的西门子PLC控制（PLC有空余的DO点位），电磁阀24V供电可采用外置电源
电磁阀控制（流路切换）可以通过HMI界面切换自动和手动状态，当处于自动控制状态时可以定义流路切换的时间（按小时）当气路切换时，分析数据应有屏蔽功能，用户可修改屏蔽时间
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五、空压机启、停、加卸载信号抗干扰
空压机停止、卸载信号为了确保紧急情况停机采用了常开模式，正常开机状态时是一直闭合，启动和加载信号采用的脉冲信号，开机加载后两个信号一直断开，在大电流设备启动或者打雷的情况下，偶有误触发的情况，原因是PLC输出继电器在PLC盘柜测，未能起到隔离作用，建议针对这四个信号在压缩机控制单元柜内加装4个继电器，原理是驱动继电器线圈需要稳定24V电源，电缆中的感应电压无法驱动继电器线圈，电缆屏蔽层已接地，并且感应电压一直在通过继电器线圈做功从而得到释放，从而达到信号隔离的作用
六、优化膨胀机转速仪表
膨胀机是制氮机的重要动设备，其转速信号是重要的工艺、设备保护参数，带有超转速、低转速持续时间超长等停机联锁，国产制氮机通常会集成低端的转速仪表，传感器和变送器不是一个厂家的，在抗干扰、信号采集、可靠性上表现极差，并且膨胀机是制氮机核心动设备，一旦停机就需要后备气化液氮，工况需要再调整，建议在设计选型阶段直接将转速仪表选型定为本特利2300系列，选型时需要注意的参数细节：
1、膨胀机转速范围
2、用深度游标卡尺测量安装位置到测量面的距离，测量时应避开槽位
3、用牙规和游标卡尺测量螺纹尺寸
4、传感器到前置器盘柜的距离
5、2300变送器有控制逻辑组态，需要安装组态软件然后上传此程序下载至备件中
参考文献：
【1】朱海英，张晓枫.半导体工厂大宗气体供应系统的工程实践[C]// 2013年年会暨工业气体供应技术论坛论文集（上海）.2014.
【2】大宗气体纯化及输送系统工程技术规范：GB 50724-2011[S].2011.