GMS教育训练气体监控系统介绍

1、气体监控系统介绍2012年3月GMS教育训练2TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1、特气供应系统引言-特气供应系统概述1.1-气体的分类1.2-特气供应系统1.3-BSGS简介1.4-GC/GR简介1.5-VDB/VDP简介1.6-VMB/VMP简介 3TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number引言、特气供应系统概述 在目前生产工艺较为先进的半导体晶圆代工厂的制造过程中，大概需要使用50种不同种类的气体。一般把气体分为大宗气体（Bulk Gas）和特种气体（Special Gas）两种。 大宗气体一般指集中供应及用量较

2、大的气体，涵盖制程用气如PO2、PH2、Ar、PHe 及非制程用气CDA、GN2等；特种气体指用量较少且有一定危害性的气体，如易燃易爆气体SiH4、PH3等 所以针对工业用气中气体特性及用处的不同，需要设计出不同的气体输送系统来满足不同设备的需求，本章我们就集中介绍特殊气体供应系统。 4TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.1、气体的分类 半导体制造业等相近行业所使用的气体一般按其使用时的特性（图1-1）可分为五大类 图1-1 气体的分类5TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.1、气体的分类 毒性气体（Toxi

3、c Gas） 工业用气中很多是对人体有害、有毒的。其中又以AsH3、B2H6、PH3等的毒性最大，它们的阀限值（TLV：Threshold Limited Valve）分别只有50ppb、100ppb、300ppb.这些气体在空气中允许的浓度及微，因此在储存、运输及使用中都需特别小心。一般都需采用特定的技术措施来控制使用这些气体。腐蚀性气体（Corrosive Gas） 这些腐蚀性气体通常也具有较强的毒性。腐蚀性气体一般在干燥状态下不容易腐蚀金属，但是一遇到水就有很强的腐蚀性，如HCL、HF、SiF4、WF6等等。易燃性气体（Flammable Gas） 把自燃、易燃、可燃气体等都定义为这一类

4、气体。如常温下的SiH4气体只要与空气接触就会燃烧，当温度达到一定时，PH3和B2H6等气体也会产生自燃。可燃、易燃气体有一定的着火燃烧爆炸范围，及上限值与下限值。此范围越大的气体，其爆炸燃烧危险性就越高。如B2H6的爆炸上限为98%，下限为0.9%。6TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.1、气体的分类 惰性气体（Inert Gas） 惰性气体本省一般不会直接对人体产生伤害。在气体运输过程中在安全上没有以上其他几种气体严格。但惰性气体具有窒息特性，在密闭空间发生泄漏会使人窒息而发生伤亡事故。氧化性气体（Oxide Gas） 这类气体具有较强的氧化性，

5、一般同时还有其他特性，如毒性或腐蚀性等，属于这类气体的如CL2、O2、CLF3等。7TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.2、特气供应系统 高 纯工业气体供应方式一般有多种，如现场制气，用管道输送供气，槽车输送供气，外购钢瓶或者钢瓶组输送供气等。具体采用哪种方式公司，设计人员主要考虑的因素是工厂的生产规模和用气需求及周边地区的气体供应情况等。综合所有条件经过认真的技术及经济比较后方可确定。我们的设计原则是既要做到确保供气的质量、运行管理方便，还要降低产品的生产成本，以便安全、可靠、高 效地供应气体。 对于特种气体的供应方式，目前应用最为广泛的是采用外购

6、气体钢瓶或钢瓶组来输送供气。因为它具有投资较少，使用方式灵活的优点，电耗及制气成本也相对比较低廉。但在气体输送的过程中气体比较容易烧到污染，这就要求整个供应系统得到严格的管理及维护。 8TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.2、特气供应系统 图1-2 特殊气体供应流程图9TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.2、特气供应系统 气瓶柜一般分区域的设置在主厂房的一楼的气体房内，在气体房中技术人员要进行钢瓶更换及日常维护保养工作。对于毒性气体还要求有各种废气处理装置（Scrubber），以便及时处理各种作业过程中产生

7、的有毒气体，处理后的尾气在进入中央处理装置（Central Scrubber），已确保工作环境的安全。 特殊气体从气瓶出发，先经过各种阀、配件以及压力调节器等，由特殊气体输送管道供应到位于厂房二楼SubFab或者洁净室的多个阀分配箱（VMB：Valve Manifold Box)中。然后再由VMB的各个Stick点供应到生产区域的设备使用。而用气设备的尾气也还要进入现场尾气处理装置（Local Scrubber）进行处理。10TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.3、BSGS简介 BSGS即Bulk Special Gas System，针对有些气体的

8、用量很大，为了减少更换钢瓶的频率，减少运营成本。设计者会考虑使用BSGS。其系统构成请见图1-3图1-311TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.4、GC、GR简介：气柜或BSGS等供气设备在SGS系统主要用于给气体需求设备供气。：一般气柜分为全自动式或半自动式及手动式三种。全自动式气柜一般都有PLC控制，半自动式气柜一般为纯电路控制。手动式气柜一般为非电路控制；BSGS设备一般都有PLC控制。：气柜或BSGS等供气设备都属于SGS系统，客户为运营的方便一般都将SGS系统的设备信号采集到GMS系统中。全自动式气柜和BSGS设备都有PLC控制，GMS系统

9、可通过抓取供气设备PLC的通讯或抓取供气设备PLC的信号点来实现通讯和监控。 半自动式和手动式气柜只能通过直接抓取供气设备仪表自身的信号来实现监控。一般GMS系统抓取供气设备的管路压力信号，气动阀的阀门状态信号，以及磅秤信号等。：使用网络线将供气设备信号传送到上层网络中，或用控制线直接将供气设备的信号连接到GMS系统中的PLC上。12TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.4、GC、GR简介图1-4GC即Gas Cabinet,气瓶柜/GR即Gas Rack，气瓶架13TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.5、V

10、DB、VDP/VMB/VMP 简介图1-5VDB即Valve Distribution Box、VDP即Valve Distribution PanelVMB即Valve Manifold Box、 VMP即Valve Manifold Panel14TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number1.5、VDB、VDP/VMB/VMP 简介图1-5：多管路阀箱VMB&VDB&MIB&JVB等供气设备在SGS系统主要用于给气体需求设备供气，将从气柜出来的供气管路分成若干只管路，供气给下游设备。：一般多管路阀箱等设备分为全自动式或半手动式两种。

11、全自动式设备一般都有PLC控制，手动式设备一般为非电路控制。：多管路阀箱等供气设备都属于SGS系统，客户为运营的方便一般都将SGS系统的设备信号采集到GMS系统中。全自动式设备都有PLC控制，GMS系统可通过抓取供气设备PLC的通讯或抓取供气设备PLC的信号点来实现通讯和监控。手动式设备只能通过直接抓取供气设备仪表自身的信号来实现监控。一般GMS系统抓取供气设备的主管路或主管路加分管路压力信号，主阀或主阀加分阀的阀门状态信号等。若气体为加热式气体，还可将管路加热温度信号传送到GMS系统中。：使用网络线将供气设备信号传送到上层网络中，或用控制线直接将供气设备的信号连接到GMS系统中的PLC上。1

12、5TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number2、气体侦测系统引言-气体侦测系统简介2.1-侦测器的作用与简介2.2-报警灯的作用与简介2.3-紧急停止按钮的作用与简介2.4-PLC的作用与简介2.5-SCADA的作用与简介16TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number引言、气体侦测系统概述UPS UnitPLC UnitCom Converter UnitSGS System UnitGDS System UnitOther System UnitCommunication UnitDisplay Unit图2-1 气体监控系

13、统17TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number引言、气体侦测系统概述 气体监控系统(GMS)主要包含特制品气体设备监控(GIS)和气体侦测系统(GDS)。 对于气体供应系统(SGS)而言，气体监控系统为其正常运作提供了一整套安全监控功能。所有涉及到气体供应系统的监控信息都将被整合到独立管理控制和数据分析系统(SCADA)中。 优化后的软件提供了一套及其简易的模式进行人机界面操作(HMI)。 而且，气体监控系统有能力完成多项远程控制功能，例如远程启动报警单元(LAU)，远程关闭供气设备(RSD)等。 根据系统的功能划分，气体监控系统还可分为自动型和非自动型。

14、创建一套PLC控制单元将实现整个系统的监视和控制功能，另外工程师站电脑完成了SCADA的相关信息显示、气体监控系统相关实时信息显示，并为用户提供了一套简便的操作流程用于完成系统数据分析报告。18TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number2.1、气体侦测器的作用与简介：气体侦测器在GMS系统主要用于针对供气设备进行连续不间断的采样分析，判断供气设备是否有气体泄漏。：气体侦测器一般选用电化学泵吸式侦测器，侦测器输入电力24VDC。当侦测器正常工作时，侦测器采样流量达到500mL/min。对于加热式气体需要安装气体加热单元，达到辅助加热功效。侦测器的采样长度一般为3

15、0m，具体采样尺寸可参见Midas Manual。：每种气体侦测器都可提供控制单元(PLC)一段报警输出信号、二段报警输出信号，以及仪表故障输出信号。同时气体泄漏读值可通过侦测器本身自带的420mA模拟量输出接点提供给控制单元(PLC)。：气体侦测器一般安装在供气设备上或其附近，以尽量缩短侦测器的采样管路为基准。这样可加快采样的速率也可减少采样泵的寿命损耗。对于防爆区域的侦测器需要配置防爆箱体，达到防爆的要求。对于环境点侦测器的安装，主要考量厂房的排风路径和厂房面积，可参考欧盟标准EN50073-200019TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number2.2、报

16、警灯的作用与简介：报警指示灯在GMS系统主要用于指示现场报警情况，由报警灯和蜂鸣器组成，报警灯包含黄色报警灯和红色报警灯。当泄漏报警达到一段报警时，本地报警单元黄灯和蜂鸣器启动；当泄漏报警达到二段报警时，本地报警单元红灯和蜂鸣器启动。 ：报警指示灯一般选用塔式报警灯，报警灯需求电力24VDC，指示灯选用黄色灯、红色灯，蜂鸣器声响需达到80分贝或更高。：每种报警指示灯都可由控制单元(PLC)来控制其起停。一般报警指示灯都需要控制单元(PLC)提供两组信号：一段报警输出信号、二段报警输出信号。：报警指示灯一般安装在供气设备旁边或厂房中显眼位置，方便现场人员在第一时间得知报警的发生。指示灯的排列方式

17、为红色灯在上，黄色灯在下。20TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number2.3、紧急停止按钮的作用与简介：紧急切断按钮在GMS系统主要用于远程关闭现场供气设备的气动阀门。当泄漏报警达到二段报警时，中控室人员可对供气设备进行远程手动关闭操作，及时的关闭供气设备的气动阀门。 ：紧急切断按钮一般选用带防护罩型，可防止现场人员误操作。：每种紧急切断按钮都可提供控制单元(PLC)一组无源接点信号。：紧急切断按钮一般安装在中控室内或气体房外墙上，方便现场人员紧急操作。21TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number2.4、PLC的作用与简介

18、：PLC控制单元对于气体监控系统而言具有极强的可信赖性。所有的信号都将传输到PLC系统，经PLC处理后传输到人机界面。PLC系统根据人机界面输入的信号可进行相应的联动控制。所有气体监控系统的输入信号、输出信号和设备状态信号都通过控制线缆传输到PLC系统。：高安全性、高稳定性、强实时性、易分布性、可扩展性、可冗余性。：PLC控制单元具有AI、AO、DI、DO、Pulse等信号，可完成所有终端设备的信号传输和控制。PLC控制单元也支持Ethernet TCP/IP、Modbus TCP/IP、Profibus、COM Port等通讯协议，实现终端设备的网络信号的传输。：为PLC控制单元制作控制盘体

19、，保证PLC控制单元的正常运行。将终端设备的信号通过控制线缆或通讯线缆传输到GMS的PLC控制单元上。AI-Analog Input 模拟量输入 AO-Analog Output 模拟量输出 DI-Digital Input 数字量输入 DO-Digital Output 数字量输出Pulse-Pulse Signal 脉冲信号Ethernet TCP/IP-以太网 TCP/IP协议 Modbus TCP/IP-基于Modbus技术的TCP/IP协议Profibus-现场总线技术 COM Port-串行通讯口注注22TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number2

20、.5、SCADA的作用与简介：系统显示单元(人际界面单元)是整个系统的显示终端，是用户最终面对的一种操作界面。透过人机界面单元，用户将了解到整个气体监控系统相关现场设备的运作情况；同时实时的数据采集刷新、及时的信号报警提示，方便了用户的紧急事件处理。此外，系统提供的数据分析与数据汇总，方便了用户的报告制作。：极强的画面编辑，可视化效果优良和可控制操作灵活。为工程师提供了一种易用的开发环境和广泛的功能，使工程师能够快速地建立、测试和部署强大的连接和传递实时信息的自动化应用。并为定制应用程序设计提供了灵活性，同时为工业中的各种自动化设备提供了连接能力 。：通过协议转换软件(IO Server)将信

21、号转换成上位机软件可识别的信号传输到上位机中，从而达到数据通讯。：通过通讯线缆将系统显示单元与主网络之间连接，实现网络的硬件连接。23TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number3、电力系统图1-5引言-电力系统简介3.1-UPS的作用与简介3.2-主电盘的作用与简介3.3-市电分电盘的作用与简介3.4-UPS电力分电盘的作用与简介24TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number引言、电力系统简介 气体供应系统中的很多设备如GC/GR/VMB/Heater/Control Panel等都需要提供电力，以供应其内部的相关控制单元电力

22、。针对不同的设备有不同的电力要求，例如气柜、VMB等供气设备，由于其工艺的重要性，它们的电力要求比较高，不光是需要不间断的电力供应，由于其内部的控制元器件都是精密器件，对电力的品质也有要求，不能受到电力波峰、波谷及相关谐波的影响。所以电力系统需要UPS等辅助电力设备。电力系统包含主电力盘、市电分电盘、UPS电力分电盘及UPS几部分组成 25TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number3.1、UPS的作用与简介：UPS电力供给单元对于气体监控系统而言提供了可持续运行的电力，使GMS系统能24小时无间断工作，保证了现场气体监控的完整性，安全性。：高安全性、高稳定性、

23、可扩展性、可热备性。：对于气体监控系统来说，UPS的运行监控，可方便运营工程师及时发现电力故障的发生，进一步的提高气体监控系统电力运行的安全性。UPS可提供GMS系统的信号包括故障信号、逆变信号、电池使用信号、切换信号等，可通过COM Port通讯方式或直接提供接点信号方式传送给GMS系统。：将UPS的信号通过控制线缆或通讯线缆传输到GMS的PLC控制单元上。 26TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number3.2、主电盘的作用与简介 主电力盘是电力系统的源头，业主一般会针对我们的系统提供给我们一路主电源，在通过主电力盘转换，分配到每个区域的市电分电盘及UPS电

24、力分电盘。 正对中小型系统（主开关在200A以下），主电盘还承载者UPS电力转换的功能，当UPS需要移除维修的时候，通过电力盘内部的相关切换开关，达到维修的功能。对于大型系统（主开关在200A以上的），主电盘只是分配电力的作用，UPS的切换开关单独设计一个UPS操作盘。 主电盘上必须有电流表及电压表，方便用户观察各相的用电量及电力品质。盘体内部的接线需使用铜牌分线及接线。100A以上的开关需使用塑壳开关，100A以下的使用微型空气开关。 27TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number3.3、市电分电盘的作用与简介 市电分电力盘主要用于系统中需要使用市电的设备，

25、其分配主要是考虑区域分配。 市电分电力盘内部布局需要合理，符合相关的标准。 28TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number3.4、UPS电力分电盘的作用与简介 UPS电力分电力盘主要用于系统中需要使用UPS电力的设备，其分配主要是考虑区域分配。 UPS电力分电力盘内部布局需要合理，符合相关的标准。 29TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number4、通讯系统图1-5引言-通讯系统简介4.1-以太网通讯简介4.2-RS485/RS232通讯简介30TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number引言、通

26、讯系统简介图1-5TCP/IP网络监控专机控制组件-主站控制组件-从站控制组件-从站控制层网络设备层网络设备层网络气柜设备气柜设备VMB设备VMB设备控制型线缆控制型线缆通讯层通讯层控制层控制层其他设备其他设备显示层显示层系系统统举举例例31TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number4.1、以太网通讯简介以太网最早由Xerox（施乐）公司创建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网，采用的是CS

27、MA/CD访问控制法，它们都符合IEEE802.3。 标准以太网标准以太网开始以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的访问控制方法，这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接，并且在IEEE 802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m

28、），Base表示“基带”的意思，Broad代表“宽带”。 32TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number4.1、以太网通讯简介 10Base5 使用直径为0.4英寸、阻抗为50粗同轴电缆，也称粗缆以太网，最大网段长度为500m，基带传输方法，拓扑结构为总线型；10Base5组网主要硬件设备有：粗同轴电缆、带有AUI插口的以太网卡、中继器、收发器、收发器电缆、终结器等。 10Base2 使用直径为0.2英寸、阻抗为50细同轴电缆，也称细缆以太网，最大网段长度为185m，基带传输方法，拓扑结构为总线型；10Base2组网主要硬件设备有：细同轴电缆、带有BNC插口的

29、以太网卡、中继器、T型连接器、终结器等。 10BaseT 使用双绞线电缆，最大网段长度为100m，拓扑结构为星型；10BaseT组网主要硬件设备有：3类或5类非屏蔽双绞线、带有RJ-45插口的以太网卡、集线器、交换机、RJ-45插头等。 1Base5 使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps； 10Broad36 使用同轴电缆（RG59/U CATV），网络的最大跨度为3600m，网段长度最大为1800m，是一种宽带传输方式； 10BaseF 使用光纤传输介质，传输速率为10Mbps。 33TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number4.1、

30、以太网通讯简介快速以太网快速以太网100BASETX：是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT 1类布线标准。使用同10BASET相同的RJ45连接器。它的最大网段长度为100米。它支持全双工的数据传输。 100BASEFX：是一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多模光纤（62.5和125um）。多模光纤连接的最大距离为550米。单模光纤连接的最大距离为3000米。在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MH

31、z。它使用MIC/FDDI连接器、ST连接器或SC连接器。它的最大网段长度为150m、412m、2000m或更长至10公里，这与所使用的光纤类型和工作模式有关，它支持全双工的数据传输。100BASEFX特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或高保密环境等情况下的适用。 34TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number4.1、以太网通讯简介 光纤通讯（Fiber-optic communication）也作光纤通信,是指一种利用光与光纤（optical fiber）传递资讯的一种方式。属于有线通信的一种。光经过调变（modulation）后便能携带资讯。自19

32、80年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性 ，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。 光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息 图1-5光光纤纤光光纤纤电电端端机机调调制制光光检检测测判判决决再再生生光光源源光光源源光光检检测测放放大大电电端端机机光光发发信信机机光光收收信信机机中中继继器器35TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number4.2、RS485/RS232通讯简

33、介RS232简介简介RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。 在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。 RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。 RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载

34、，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 36TUONENG TECH - CONFIDENTIALFile Number4.2、RS485/RS232通讯简介RS485简介简介 智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，

35、后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(26)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。 RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。 RS-485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离