FMCS系統(tǒng)在微電子產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)踐

　　摘 要：制造微電子產(chǎn)品的科技含量高，對(duì)專業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性要求高，引入 FMCS 系統(tǒng)有助于實(shí)施精準(zhǔn)控制。通過(guò)對(duì)某微電子產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工階段 FMCS 系統(tǒng)與廠房子系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用的研究，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行盡可能全面地論述，采用自動(dòng)化控制理論分析與項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用枚舉等方法手段，提綱挈領(lǐng)，讓該領(lǐng)域工程一線的專業(yè)技術(shù)人員對(duì)該類項(xiàng)目管理有較為全面的認(rèn)知。在我國(guó)推進(jìn)工業(yè)信息化、產(chǎn)業(yè)智能化的背景下，F(xiàn)MCS 系統(tǒng)符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)具備成熟的技術(shù)應(yīng)用條件。

　　馬杰;， 現(xiàn)代信息科技 發(fā)表時(shí)間：2021-05-25

　　關(guān)鍵詞：FMCS 系統(tǒng);潔凈廠房;微電子產(chǎn)業(yè);工程實(shí)踐;電子裝備制造與自動(dòng)化

　　0 引 言

　　微電子技術(shù)是隨著集成電路，尤其是超大型規(guī)模集成電路而發(fā)展起來(lái)的一門新的技術(shù)，是信息化帶動(dòng)工業(yè)化、加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　微電子產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復(fù)雜，科技含量高，設(shè)備精密度要求高，對(duì)廠房與生產(chǎn)相關(guān)的各專業(yè)系統(tǒng)要求也非常高：

　　(1)受工藝要求的限制，建筑結(jié)構(gòu)方面對(duì)廠房的荷載及跨度有較大要求，作業(yè)環(huán)境方面有防微震和空氣潔凈度的要求，生產(chǎn)區(qū)需要配備潔凈度等級(jí)高的凈化空調(diào)，溫濕度控制精度高。

　　(2)需要對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)備及其配套設(shè)施的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，收集記錄有關(guān)參數(shù)、與指標(biāo)比較預(yù)警，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)、調(diào)節(jié)等一系列過(guò)程控制，因此對(duì)中央控制及通信系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化程度技術(shù)先進(jìn)性要求高。

　　(3)芯片制造過(guò)程中，需使用超純氮等大宗氣體，對(duì)氣體純度有要求，同時(shí)需要純水系統(tǒng)。

　　(4)生產(chǎn)設(shè)備用電量大、用電可靠度要求高，停電將對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備及人員安全造成重大影響。

　　針對(duì)上述 MEMS 生產(chǎn)的特點(diǎn)，為保證集成電路廠房現(xiàn)代化、信息化管理需要，我們?cè)谖㈦娮赢a(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工階段考慮使用 FMCS 廠務(wù)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)潔凈空調(diào)凈化系統(tǒng)、工藝?yán)鋮s水 PCW 系統(tǒng)、超純水制備處理系統(tǒng)、工藝排氣及廢水處理系統(tǒng)、特殊及大宗氣體供應(yīng)系統(tǒng)、電力配電及能源計(jì)量系統(tǒng)等廠務(wù)設(shè)備子系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，提高各子系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，提升系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性。

　　1 FMCS 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　1.1 可靠性

　　系統(tǒng)硬件設(shè)備和軟件配備應(yīng)具有較高的可靠性。

　　1.2 集成性

　　方案研究及設(shè)計(jì)階段充分考慮 FMCS 系統(tǒng)與廠房其他自控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成與信息共享的可能性。

　　1.3 開(kāi)放與兼容性

　　FMCS 系統(tǒng)應(yīng)具有較高的開(kāi)放性，以便于與受控子系統(tǒng)通信;采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和維護(hù)保養(yǎng)。

　　1.4 便于管理

　　中控室人機(jī)界面友好，便于操作人員管理，以圖形、報(bào)表等形象直觀的方式進(jìn)行顯示，方便操作。

　　1.5 節(jié)能性

　　各動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行能源消耗量大，通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能措施，以降低運(yùn)營(yíng)成本。

　　2 FMCS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　由于控制對(duì)象復(fù)雜，且工程招、采階段系統(tǒng)分包多，對(duì)受控子系統(tǒng)的要求為既要獨(dú)立、可靠運(yùn)行，又要可互通互聯(lián)、便于集中調(diào)度管理。因此廠房 FMCS 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用集散式分布式控制系統(tǒng)，同時(shí)關(guān)鍵設(shè)施控制器需設(shè)計(jì)為冗余熱備結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)為雙冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。以某微電子產(chǎn)業(yè)園為背景，系統(tǒng)采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接，一級(jí)網(wǎng)絡(luò)用于互為冗余的主控制器與工作站之間的連接，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)用于各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程 I/O 機(jī)架之間的連接。控制器工作環(huán)境具有多任務(wù)多用戶，以基于 TCP/IP 的工業(yè)以太網(wǎng)作為控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線采用 ProfibusDP 訪問(wèn)控制方式，網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定、傳輸高速穩(wěn)定，可實(shí)時(shí)調(diào)用和控制所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。

　　如圖 1 所示，系統(tǒng)控制一般采用分層結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行四層劃分。第一層是中央管理層，包括所有子系統(tǒng)的中央監(jiān)控操作工作站，各子系統(tǒng)在此層進(jìn)行匯聚，通過(guò)良好的人機(jī)界面，可設(shè)定或修改參數(shù)、人工遠(yuǎn)程控制。可監(jiān)控所有低層設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)而進(jìn)行趨勢(shì)分析、能源管理等輔助決策手段，最終可生成低層所有操作的執(zhí)行報(bào)告及圖表。第二層是子系統(tǒng)管理層，包括各專業(yè)子系統(tǒng)(如變配電、潔凈與非潔凈空調(diào)、送風(fēng)排氣、PCW 冷取水、特殊氣體供應(yīng)等系統(tǒng))的單元操作層設(shè)置對(duì)應(yīng)的軟硬件，在此層通過(guò)局域工作站，亦可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定或更改、人工干預(yù)，通過(guò)邏輯控制器完成對(duì)低層控制環(huán)的控制。第三層是現(xiàn)場(chǎng)總線控制層，通過(guò) Profibus 等總線協(xié)議，由 PLC 完成單環(huán)程序邏輯控制，完成對(duì)底層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。第四層是現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備層，包含傳感器、變送器、電磁閥、限位開(kāi)關(guān)等直接連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制元器件。

　　3 FMCS 系統(tǒng)控制原理

　　FMCS 系統(tǒng)控制對(duì)象多為線路復(fù)雜的工藝管道設(shè)備。由于本文篇幅的限制，在此僅以某在建微電子產(chǎn)業(yè)園為背景，選取其中 PCW 工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)工作及控制原理進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。PCW 系統(tǒng)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)起到給工藝生產(chǎn)線降溫的功能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)工藝設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。報(bào)警和監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有：

　　(1)循環(huán)泵的工作狀態(tài)及故障報(bào)警，水箱的液位、溫度。

　　(2)供水主管的溫度、壓力、流量。

　　(3)回水主管的溫度、壓力、流量、導(dǎo)電率。

　　(4)電動(dòng)閥、電磁閥等控制元器件狀態(tài)。

　　(5)補(bǔ)水管流量。

　　3.1 工藝?yán)鋮s水供水溫度控制

　　PCW 管道出口安裝溫度傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍水閥門開(kāi)度控制出口溫度。當(dāng)供水溫度大于 17 ℃時(shí)，冷凍水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)大;小于 17 ℃時(shí)關(guān)小，維持供水溫度在 17±0.5 ℃。溫度傳感器設(shè)置在 PCW 供水總管，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥設(shè)置在冷凍水回水管道。

　　3.2 工藝?yán)鋮s水水質(zhì)控制

　　PCW 回水管安裝 pH 值傳感器、電導(dǎo)率傳感器，控制 pH 值在 7~8 之間，電導(dǎo)率≤ 100 us/cm，當(dāng)超出指標(biāo)值時(shí)，打開(kāi)水箱電動(dòng)排水閥。PH 傳感器、電導(dǎo)率傳感器設(shè)置在 PCW 回水總管。

　　3.3 工藝?yán)鋮s水壓差控制

　　設(shè)置 5 臺(tái)工藝?yán)鋮s水循環(huán)泵，4 用 1 備，循環(huán)泵為配置變頻器的變頻泵，如圖 2 所示。在 PCW 供回水總管上分別安裝壓力傳感器，利用壓差控制 PCW 水泵運(yùn)行頻率和運(yùn)行臺(tái)數(shù)，當(dāng)供水壓力達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，打開(kāi)泄壓回水閥。壓力傳感器分別設(shè)置在 PCW 供回水總管上。

　　4 PLC 控制

　　FMCS 系統(tǒng)不僅可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，更重要的是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，而 PLC 作為可編程邏輯控制器，是實(shí)現(xiàn)控制功能的重要手段。系統(tǒng)中的每個(gè) PLC 都是完全獨(dú)立的控制器，可在其所在單元實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，關(guān)鍵部位設(shè)置冗余控制器。PLC 和遠(yuǎn)程 I/O 之間的通信采用光纖連接，以滿足抗干擾要求，同時(shí)硬件模塊應(yīng)滿足防雷、防腐等標(biāo)準(zhǔn)。PLC 的選型應(yīng)滿足系統(tǒng)要求的前提下，采用主流且穩(wěn)定的規(guī)格配置，如圖 3 所示。

　　根據(jù)系統(tǒng)控制原理，可列出 FMCS 系統(tǒng)控制點(diǎn)清單，明確數(shù)字量輸入點(diǎn)、數(shù)字量輸出點(diǎn)、模擬量輸入點(diǎn)、模擬量輸出點(diǎn)，清單中對(duì)每個(gè)控制點(diǎn)編號(hào)、安裝位置以及控制功能進(jìn)行描述。

　　以潔凈廠房中的新風(fēng)機(jī)組的啟—停和溫濕度控制為例，PLC 控制流程為：初始化—啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)—判斷運(yùn)行時(shí)間最短的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)—分別開(kāi)啟新風(fēng)、送風(fēng)—電動(dòng)閥—延時(shí) 3 分鐘后收集電動(dòng)風(fēng)閥開(kāi)反饋，如果確定已開(kāi)啟，開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)間最短的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，否則進(jìn)行故障告警—比較實(shí)際送風(fēng)含水量與設(shè)定送風(fēng)含水量，進(jìn)而決定采用除濕模式或者加濕模式。除濕模式下，完全關(guān)閉預(yù)熱電動(dòng)閥，調(diào)用除濕 PID，調(diào)節(jié)表冷電動(dòng)閥，當(dāng)一次表冷閥完全打開(kāi)時(shí)，再進(jìn)行二次表冷閥的調(diào)節(jié);而加濕模式下，完全關(guān)閉表冷電動(dòng)閥，調(diào)用加濕 PID，調(diào)節(jié)預(yù)熱電動(dòng)閥，開(kāi)啟水洗段加濕—調(diào)用送風(fēng)溫度控制 PID 調(diào)節(jié)再熱電動(dòng)閥—結(jié)束。

　　5 上位機(jī)

　　上位機(jī)軟件是 FMCS 系統(tǒng)軟件重要組成部分，它基于平臺(tái)上功能強(qiáng)大的自動(dòng)化監(jiān)視與控制軟件解決方案，能夠輔助廠房管理方精確監(jiān)視、嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程，優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備和企業(yè)資源管理。對(duì)生產(chǎn)事件快速反應(yīng)，減少原材料及燃料消耗，提高生產(chǎn)率，從而加快微電子產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)反應(yīng)速度。

　　上位機(jī)的控制任務(wù)之一 I/O 驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，如圖 4 所示，對(duì) I/O 設(shè)備讀取過(guò)程信息，并將其保存至服務(wù)器的過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算與控制，分析當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)的異常情況，向圖形界面系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警通知，并在畫面顯示對(duì)應(yīng)信息，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果通過(guò) I/O 數(shù)據(jù)接口，向 PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制器傳達(dá)控制指令，PLC 通過(guò)控制程序?qū)υO(shè)備實(shí)行動(dòng)作。

　　數(shù)據(jù)庫(kù)在工業(yè)自動(dòng)化策略中發(fā)揮著不可或缺的作用，是主要應(yīng)用程序過(guò)程數(shù)據(jù)的來(lái)源。通過(guò)日常數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，可新增數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)名稱和數(shù)據(jù)地址等。

　　上位機(jī)是將電腦技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用，它使得設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)直觀、便于集中管理。上位機(jī)根據(jù)設(shè)定控制程序把采集的數(shù)據(jù)運(yùn)算輸出，下發(fā)控制、調(diào)節(jié)指令，控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備，自動(dòng)管理生產(chǎn)過(guò)程。上位機(jī)在集成電路生產(chǎn)車間等工藝作業(yè)要求高的行業(yè)場(chǎng)合自控管理優(yōu)勢(shì)明顯。

　　上位機(jī)在 FMCS 系統(tǒng)中的應(yīng)用列舉如下：

　　(1)可進(jìn)行鍋爐集中管控，循環(huán)、補(bǔ)水設(shè)施遠(yuǎn)程自控調(diào)節(jié)，鍋爐系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行，鍋爐房可無(wú)人值守。

　　(2)配電室高低壓柜使用上位機(jī)對(duì)電力荷載分配遠(yuǎn)程監(jiān)控，記錄功率、無(wú)功損耗等數(shù)據(jù)，生成相關(guān)報(bào)表。

　　(3)上位機(jī)采集潔凈空調(diào)系統(tǒng)溫濕度、粒子計(jì)數(shù)器等信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度和風(fēng)機(jī)頻率，以保證車間作業(yè)環(huán)境達(dá)到產(chǎn)品需求。

　　6 結(jié) 論

　　本文結(jié)合某微電子產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目 FMCS 廠務(wù)設(shè)施監(jiān)視與控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，從 FMCS 系統(tǒng)設(shè)立的必要性論述開(kāi)始，對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、控制原理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，選取有代表性的子系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)控制過(guò)程及流程以外，教師還可以使用智能組卷功能來(lái)新增試卷。

　　教師用戶進(jìn)入新增考試界面后，可以選擇考試所用的試卷，設(shè)置考試班級(jí)、考試名稱和考試開(kāi)始時(shí)間等信息以新增考試任務(wù)。

　　3.4 在線考試模塊的實(shí)現(xiàn)

　　學(xué)生用戶登錄系統(tǒng)后可以使用在線考試功能。如果學(xué)生在考試開(kāi)始前點(diǎn)擊“去考試”鏈接，系統(tǒng)將會(huì)顯示“當(dāng)前不在考試時(shí)間內(nèi)”;如果學(xué)生在允許的考試時(shí)間內(nèi)進(jìn)入考試界面，界面將會(huì)顯示學(xué)生的姓名、學(xué)號(hào)、試題信息和考試剩余時(shí)間，如若學(xué)生在考試時(shí)間終止時(shí)尚未提交試卷，系統(tǒng)將自動(dòng)提交試卷。圖 4 顯示了某學(xué)生用戶在考試過(guò)程中的證明題答題記錄。

　　3.5 自動(dòng)閱卷模塊的實(shí)現(xiàn)

　　學(xué)生用戶提交試卷后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)閱卷并將成績(jī)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，然后將成績(jī)信息和答卷信息展示給學(xué)生和教師。

　　在自動(dòng)閱卷時(shí)，對(duì)于選擇題和判斷題等客觀題，系統(tǒng)會(huì)遍歷學(xué)生的答卷，將試卷答案與題庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行比對(duì)，若一致則給分，不一致則不給分。

　　證明題的自動(dòng)閱卷難度較大，系統(tǒng)會(huì)遍歷學(xué)生的答卷，將證明過(guò)程中每一步的答案取出，答案中包括當(dāng)前步驟的結(jié)論、證明過(guò)程依據(jù)的規(guī)則、對(duì)哪些前期步驟的結(jié)論使用該規(guī)則、證明過(guò)程依據(jù)的是等價(jià)式還是蘊(yùn)含式、證明過(guò)程依據(jù)哪些等價(jià)式或蘊(yùn)含式等信息，通過(guò)匹配技術(shù)判斷當(dāng)前步驟的證明過(guò)程是否正確。如果證明過(guò)程所依據(jù)的規(guī)則是 P 規(guī)則，則系統(tǒng)要判斷當(dāng)前步驟的結(jié)論是否是已知的前提條件，如果是，則判定當(dāng)前步驟的證明過(guò)程是正確的。如果證明過(guò)程所依據(jù)的規(guī)則是 T 規(guī)則，則系統(tǒng)要判斷在所依據(jù)的等價(jià)式或蘊(yùn)含式的指導(dǎo)下，是否可以從前期步驟的結(jié)論推導(dǎo)出當(dāng)前步驟的結(jié)論，如果可以，則判定當(dāng)前步驟的證明過(guò)程是正確的。

　　3.6 成績(jī)分析模塊的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)完成自動(dòng)閱卷并將成績(jī)存入數(shù)據(jù)庫(kù)后，會(huì)對(duì)成績(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將分析結(jié)果返回到教師用戶界面和學(xué)生用戶界面。

　　教師用戶進(jìn)入考試信息界面后，若某項(xiàng)考試已經(jīng)結(jié)束，則可以查看該考試的成績(jī)分析，包括平均分、最高分、最低分和及格率等信息，在點(diǎn)擊查看該考試的詳細(xì)信息時(shí)還可以看到該考試各分?jǐn)?shù)段人數(shù)的條形圖。學(xué)生用戶可以在自動(dòng)閱卷工作結(jié)束后，在“成績(jī)趨勢(shì)分析”中在查看其歷次考試的分?jǐn)?shù)以及分?jǐn)?shù)變化折線圖，以了解自身的學(xué)業(yè)進(jìn)展情況，以便及時(shí)優(yōu)化學(xué)習(xí)方案。

　　4 結(jié) 論

　　筆者分析了研究構(gòu)建數(shù)理邏輯考試及自動(dòng)閱卷系統(tǒng)的意義，開(kāi)展了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，采用 Python 編程語(yǔ)言以及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的學(xué)生管理、題庫(kù)管理、考試管理、在線考試、自動(dòng)閱卷和成績(jī)分析等功能模塊。本系統(tǒng)通過(guò)題庫(kù)管理和考試管理功能幫助教師快速完成出卷和考試安排工作，利用匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)選擇題、判斷題、填空題和證明題等多種題型的自動(dòng)閱卷功能，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和可視化技術(shù)對(duì)考試成績(jī)進(jìn)行全面分析，不但可以減輕教師工作量，提升教師工作效率，同時(shí)還能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和考試效率，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。