制造業(yè)中氣體監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　在化工企業(yè)或半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)，往往在生產(chǎn)加工過(guò)程中要使用各種毒性或危險(xiǎn)性氣體，比如可燃性氣體ph3、b2h6;腐蝕性氣體cl2，hbr，nf3等等，這些氣體的貯存和運(yùn)輸必須遵守嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。在生產(chǎn)車(chē)間使用這些氣體的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)氣體泄漏的意外情況，當(dāng)某些氣體濃度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)或壓強(qiáng)超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，往往會(huì)發(fā)生爆炸或?qū)е挛＜叭松踩膼毫雍蠊Ｒ虼藢?duì)這些危險(xiǎn)性氣體必須建立一套完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到有效的控制和具備良好的預(yù)警功能，以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行以及人財(cái)物的安全。本文將重點(diǎn)討論在半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)中對(duì)危險(xiǎn)性氣體的監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。

　　2 氣體監(jiān)控系統(tǒng)的基本需求分析

　　對(duì)毒性或危險(xiǎn)性氣體，在與之作用的過(guò)程中必須嚴(yán)格遵守相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，對(duì)其設(shè)計(jì)和施工也必須符合一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，最基本的要求如下：(1)根據(jù)氣體的特性，分區(qū)存放;(2)輸送過(guò)程中抽氣管道需具有耐腐蝕性，傳送管道需具有一定的耐壓、耐腐蝕性;(3)各種氣體儲(chǔ)存室和工作室以及氣瓶柜都應(yīng)該安裝相應(yīng)的監(jiān)測(cè)器件監(jiān)測(cè)氣體濃度或壓力;(4)各個(gè)儀器具有報(bào)警功能，且有較高的靈敏度;(5)位于防爆區(qū)的監(jiān)測(cè)器件需具有防爆功能;(6)為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，各個(gè)監(jiān)測(cè)器件需具有開(kāi)放式接口等等。

　　在某晶片廠(chǎng)中，由于工藝的需要，要用有毒或危險(xiǎn)性氣體，為了對(duì)氣體系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控，防止發(fā)生意外事故。需要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目有晶片制造過(guò)程中使用的危險(xiǎn)性氣體、有機(jī)溶劑是否存在泄漏，以及工作環(huán)境中氧氣的濃度，以及氣瓶柜的狀態(tài)等等，要求監(jiān)控系統(tǒng)在氣體出現(xiàn)泄漏時(shí)，根據(jù)設(shè)定值來(lái)判斷發(fā)生泄漏的區(qū)域，并發(fā)出警示信號(hào)或執(zhí)行連鎖停機(jī)操作，當(dāng)險(xiǎn)情時(shí)通過(guò)廣播傳達(dá)緊急疏散信息。

　　3 氣體監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　在氣體監(jiān)控系統(tǒng)中，涉及到信息監(jiān)控中心、plc控制柜、現(xiàn)場(chǎng)的各種監(jiān)測(cè)儀器、報(bào)警燈以及廣播系統(tǒng)幾個(gè)部分。目前而言，現(xiàn)場(chǎng)各種監(jiān)測(cè)儀器以及其使用的電源線(xiàn)、報(bào)警器控制線(xiàn)以及與氣瓶柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的plc的線(xiàn)路、緊急按鈕都集中連接到plc控制柜中;信息監(jiān)控中心與plc控制柜通過(guò)線(xiàn)路連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集。據(jù)此分析，這拓?fù)鋫€(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。其中，氣體監(jiān)測(cè)器、地震儀以及緊急按鈕的信號(hào)是作為plc的輸入信號(hào)，而報(bào)警燈、廣播系統(tǒng)以及氣瓶柜監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)是plc的輸出信號(hào)，監(jiān)控軟件部分和plc通訊是雙向的。大致的工作流程是：plc實(shí)時(shí)采集氣體監(jiān)測(cè)器的測(cè)量值，并判斷是否達(dá)到了低值報(bào)警和高值報(bào)警的范圍。如果達(dá)到低值報(bào)警范圍，控制報(bào)警黃色燈亮，并在監(jiān)控畫(huà)面上顯示報(bào)警的區(qū)域以及產(chǎn)生報(bào)警的氣體監(jiān)測(cè)器的位置;如果達(dá)到高值報(bào)警條件，控制報(bào)警紅色燈亮，并發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)相應(yīng)的廣播系統(tǒng)發(fā)出語(yǔ)音廣播信息，在監(jiān)控畫(huà)面上顯示報(bào)警的區(qū)域以及產(chǎn)生報(bào)警的氣體監(jiān)測(cè)器的位置，按要求輸出關(guān)閉相關(guān)氣瓶柜的信號(hào)。如果發(fā)生地震，plc會(huì)采集位于不同位置的三個(gè)地震儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)比較確認(rèn)地震的等級(jí)，根據(jù)地震等級(jí)不同，控制相應(yīng)的報(bào)警燈、廣播系統(tǒng)以及關(guān)閉氣瓶柜。在緊急的情況下，可以通過(guò)緊急按鈕來(lái)控制某個(gè)區(qū)域設(shè)備的關(guān)停。

　　3.2 監(jiān)控軟件功能設(shè)計(jì)

　　通過(guò)對(duì)整個(gè)氣體監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析，設(shè)備的狀態(tài)信息以及控制動(dòng)作需要在組態(tài)畫(huà)面中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)考慮到系統(tǒng)將來(lái)集成的需求，在組態(tài)軟件上，選擇了美國(guó)wonderware公司的intouch產(chǎn)品。該產(chǎn)品由數(shù)個(gè)組件所組成，完成可視化、獲取數(shù)據(jù)、擴(kuò)充外接組件/系統(tǒng)、歷史趨勢(shì)、事件處理、報(bào)警記錄、報(bào)表和分析，它是一個(gè)可提供快速創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜且功能強(qiáng)大的操作界面的靈活工具，并易于升級(jí)。

　　在氣體監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控軟件主要完成以下幾方面的功能：

　　l 區(qū)域監(jiān)控

　　l 設(shè)備監(jiān)控

　　l 地震儀監(jiān)控

　　l 報(bào)警燈測(cè)試

　　l 廣播測(cè)試

　　l 歷史警報(bào)查詢(xún)

　　l 安全管理

　　(1)區(qū)域監(jiān)控：根據(jù)廠(chǎng)區(qū)的簡(jiǎn)單平面結(jié)構(gòu)圖，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域的狀態(tài)監(jiān)控;如果某個(gè)區(qū)域發(fā)生氣體泄漏，該區(qū)域應(yīng)該通過(guò)顏色的變化以及閃爍效果提示應(yīng)急工作人員，各個(gè)區(qū)域應(yīng)該有該區(qū)域的詳細(xì)的平面效果圖，而且需要在圖中標(biāo)示氣體檢測(cè)器的位置，發(fā)生毒氣泄漏的時(shí)候，監(jiān)控畫(huà)面中相應(yīng)的檢測(cè)器應(yīng)該通過(guò)顏色的變化來(lái)提示應(yīng)急人員的具體泄漏位置。針對(duì)每一個(gè)氣體檢測(cè)器都可以進(jìn)行參數(shù)的查看，而且可以查看該氣體檢測(cè)器的曲線(xiàn)圖。

　　(2)檢測(cè)設(shè)備監(jiān)控：主要是實(shí)現(xiàn)氣體監(jiān)控系統(tǒng)中檢測(cè)設(shè)備的監(jiān)控，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備的監(jiān)控，了解該檢測(cè)設(shè)備目前的運(yùn)行狀況以及故障狀態(tài)，以便及時(shí)的采取維修措施，同時(shí)根據(jù)需要可以設(shè)定某些檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)，比如報(bào)警的使能或禁止。

　　(3) 地震儀監(jiān)控：反映3個(gè)位置的地震儀的狀態(tài)。

　　(4)報(bào)警燈測(cè)試：提供工作人員對(duì)報(bào)警燈進(jìn)行測(cè)試的功能，根據(jù)不同的區(qū)域來(lái)劃分測(cè)試類(lèi)型。測(cè)試的過(guò)程中，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人員的觀(guān)察了解測(cè)試的效果，同時(shí)在監(jiān)控畫(huà)面中也要反映出在進(jìn)行哪個(gè)區(qū)域的測(cè)試，以便工作人員關(guān)閉該區(qū)域的測(cè)試，一般通過(guò)顏色改變來(lái)表示。

　　(5) 廣播測(cè)試：廣播測(cè)試與報(bào)警燈測(cè)試的功能類(lèi)似，只是對(duì)象不同。

　　(6) 歷史警報(bào)查詢(xún)：在監(jiān)控畫(huà)面中除了顯示各種實(shí)時(shí)報(bào)警以外，還應(yīng)該提供歷史警報(bào)的查詢(xún)功能，通過(guò)設(shè)定查詢(xún)的時(shí)間段進(jìn)行歷史報(bào)警查詢(xún)。

　　(7)安全管理：在氣體監(jiān)控系統(tǒng)中，安全管理特別重要，很多參數(shù)，比如氣體檢測(cè)器的報(bào)警值的設(shè)定、氣體檢測(cè)器報(bào)警功能的使能或禁止等，必須要求系統(tǒng)管理員才能修改，如果沒(méi)有一個(gè)良好的安全管理機(jī)制，一般工作人員的誤操作可能導(dǎo)致巨大的損失。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要對(duì)某些敏感的參數(shù)設(shè)定實(shí)施權(quán)限控制。

　　3.3 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　報(bào)警部分的設(shè)計(jì)主要包括報(bào)警等級(jí)設(shè)計(jì)、區(qū)域報(bào)警設(shè)計(jì)、語(yǔ)音報(bào)警設(shè)計(jì)以及報(bào)警撤銷(xiāo)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。其中，報(bào)警等級(jí)的設(shè)計(jì)，主要考慮到報(bào)警的急迫程度，便于工作人員采取不同的應(yīng)急措施，比如報(bào)警等級(jí)比較低時(shí)，需要工作人員對(duì)某些重要設(shè)備采取應(yīng)急保護(hù)性措施;而在報(bào)警等級(jí)比較高時(shí)，需要工作人員緊急撤離，以保護(hù)工作人員安全為主。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種報(bào)警等級(jí)，同時(shí)設(shè)定了一個(gè)預(yù)警階段，當(dāng)氣體濃度監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)到氣體的濃度達(dá)到最低設(shè)定下限值的時(shí)候，監(jiān)控軟件將自動(dòng)顯示發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)以及其檢測(cè)到的濃度值并記錄存檔。第一階段報(bào)警設(shè)計(jì)為：當(dāng)氣體濃度檢測(cè)儀器檢測(cè)到氣體濃度達(dá)到設(shè)定報(bào)警值得1/2時(shí)，監(jiān)控軟件自動(dòng)顯示警告信息、發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)以及其檢測(cè)到的濃度值并記錄存檔，信息監(jiān)控警笛鳴叫以及安裝的閃光燈(黃色)動(dòng)作，預(yù)警區(qū)域閃光燈(黃色)動(dòng)作并顯示報(bào)警區(qū)域。第一階段報(bào)警設(shè)計(jì)為：當(dāng)氣體濃度檢測(cè)儀器檢測(cè)到氣體濃度達(dá)到設(shè)定報(bào)警值時(shí)，監(jiān)控軟件自動(dòng)顯示警告信息、發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)以及其檢測(cè)到的濃度值并記錄存檔，信息監(jiān)控中心警笛鳴叫以及安裝的閃光燈(紅色)動(dòng)作，預(yù)警區(qū)域閃光燈(紅色)動(dòng)作并顯示報(bào)警區(qū)域，緊急啟動(dòng)相關(guān)的連鎖操作。

　　區(qū)域報(bào)警設(shè)計(jì)根據(jù)出現(xiàn)報(bào)警的區(qū)域來(lái)決定采取區(qū)域性的應(yīng)急措施，比如在某個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，在沒(méi)有影響到其他區(qū)域的工作前提下，可以只觸發(fā)報(bào)警所在區(qū)域的區(qū)域報(bào)警，以免造成其他區(qū)域人員的恐慌。在本系統(tǒng)中，根據(jù)相對(duì)封閉的區(qū)域作為單獨(dú)的報(bào)警區(qū)域，在該區(qū)域中的檢測(cè)儀器的檢測(cè)結(jié)果就是發(fā)生區(qū)域報(bào)警條件。

　　語(yǔ)音報(bào)警，包括系統(tǒng)廣播以及警報(bào)聲音。系統(tǒng)廣播只是在發(fā)生高值報(bào)警以及發(fā)生一定強(qiáng)度的地震時(shí)使用。警報(bào)聲音應(yīng)該根據(jù)報(bào)警類(lèi)型而變化。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　在化工企業(yè)或電子生產(chǎn)企業(yè)，需要對(duì)生產(chǎn)加工過(guò)程中要使用各種毒性或危險(xiǎn)性氣體實(shí)施安全可靠的監(jiān)控。據(jù)此建立的氣體監(jiān)控系統(tǒng)可以在發(fā)生氣體泄漏或其他危險(xiǎn)情況的時(shí)候，快速作出判斷并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，保護(hù)人財(cái)物的安全。現(xiàn)場(chǎng)初步運(yùn)行表明，該設(shè)計(jì)的構(gòu)思是正確的，監(jiān)控效果較好。