基于PLC的半导体洁净室空调控制系统的设计与应用

摘要

在半导体行业中，洁净室的作用在于控制半导体产品所接触大气的洁净度及温湿度，使产品能够在一个良好的环境空间中生产、制造，而合格的洁净室参数指标皆通过控制洁净室空调系统来实现，因此设计一套技术先进、运行稳定可靠且维护方便的空调控制系统便成为建造半导体晶圆厂洁净室时需要考虑的关键问题。
　　本论文来源于国内某300mm半导体晶圆制造厂的FMCS（厂务中央监控系统）项目，提出了基于PLC的分布式控制系统在半导体洁净室技术中的实际应用方案，通过设置合理的控制算法，准确、实时的对温湿度及正压差等洁净室参数进行控制，减少其波动对生产工艺的影响，节能减排，并获得良好的经济效益。
　　在控制方案中，结合焓湿图进行温湿度解耦，确定露点温度为洁净室控制指标并选取合理的露点温度计算方法;优化新风空调的空气处理过程，采用完全除湿模式，避免了在季节更替时期由加湿和除湿模式的频繁切换所产生的扰动，并设计了基于PID串级控制的露点温度控制模式;结合洁净室生产设备的工艺布局，采用PID串级控制实现正压差控制并提出新风空调机组的群控策略，保证洁净室新风量的持续稳定供应。
　　控制方案中的PLC下位机系统采用罗克韦尔公司的ControlLogix体系结构，PLC处理器主机架和控制层网络采用双冗余结构设计，实现了控制系统硬件故障下的无扰切换，程序设计做到了结构化和标准化;SCADA上位机系统采用GE Cimplicity（服务器/客户端）分布式网络架构及冗余设计，利用OPC通信的方式，实现多任务处理及多用户访问;短信报警系统能够将控制系统硬件故障、大型设备故障和洁净室参数超标等报警信息以短信的方式及时发送给操作维护人员进行紧急处理，增强了对现场设备的监控并缩短了故障响应时间。
　　此系统自投运以来，运行状况良好，洁净室各参数波动均控制在允许范围之内，完全满足设计要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外发展现状

1．3 论文背景及研究的意义

2 洁净室建造结构及空调系统的构成

2．1 洁净室分类

2．2 空气洁净度等级划分

2．3 洁净室空调系统

2．3．1 新风系统

2．3．2 排风系统

2．3．3 冷热源水系统

3 洁净室空调系统的控制策略

3．1 温湿度相关背景知识

3．1．1 湿空气

3．1．2 干球温度与湿球温度

3．1．3 绝对湿度与相对湿度

3．1．4 含湿量

3．1．5 露点温度

3．1．6 焓

3．1．7 焓湿图

3．2 新风空调机组湿空气处理的基本热力学过程

3．2．1 等湿加热

3．2．2 等焓加湿

3．2．3 降温除湿

3．3 湿度控制

3．3．1 温湿度解耦

3．3．2 湿度控制分区

3．3．3 露点控制及空气处理过程

3．4 温度控制

3．5 压差控制

3．6 新风空调机组群控策略

3．7 PID控制

3．7．1 PID控制器

3．7．2 PID参数整定

3．7．3 数字式PID控制算法

3．7．4 串级控制

4 PLC控制系统设计

4．1 PLC发展及特点

4．2 PLC控制系统硬件设计

4．2．1 ControlLogix系统简介

4．2．2 硬件设备选型

4．3 硬件规划组态

4．3．1 PLC冗余机架配置

4．3．2 ControlNet网络结构

4．3．3 远程I／O组态

4．3．4 变频器组态

4．3．5 ControlNet网络规划

4．4 程序设计

4．4．1 程序结构

4．4．2 任务及中断设置

4．4．3 编程方式

4．4．4 程序功能

4．4．5 数据结构

4．4．6 用户自定义指令

4．4．7 Peer to Peer网络通信

5 上位机系统设计

5．1 FMCS系统功能简介

5．2 上位机网络架构

5．3 Cimplicity 8．2简介

5．4 OPC通信技术

5．5 上位机项目包配置

5．5．1 冗余服务器配置

5．5．2 通讯设置

5．5．3 上位机点配置

5．5．4 操作权限配置

5．6 画面编辑

5．7 报警配置

5．8 数据存储

5．9 短信报警系统

6 现场运行效果

结论

参考文献

致谢