SLC500系列PLC在半导体洁净厂房控制中的应用

1  引言
    SLC500是罗克韦尔自动化公司经典的中小型框架式可编程逻辑控制器，具有强大的处理能力，通讯网络、功能模块、存储容量都可以灵活地进行选择和配置，稳定可靠、高性价比、易用的特点多年来在洁净厂房的控制领域有着广泛的应用。

2  项目概况
2.1 BMS系统控制区域
    芯片装测试智能建筑管理系统BMS（Building Management System）系统主要控制以下几大区域：
    （1）洁净室：提供符合洁净度以及温湿度的生产主厂房；
    （2）动力厂房：提供生产需要的冷冻水、冷却水、热水和纯水；
    （3）仓库：成品堆放周转区；
    （4）办公楼。
2.2 BMS系统工艺与设备
    （1）暖通空调HVAC。（Heating Ventilation and Air-Conditioning），HVAC用于控制洁净室、办公区、仓库区域的温度、湿度、露点以及压力等参数；执行设备有空调机组、调节阀、风机、泵。空调机组分为新风空调、循环风空调、一般空调等设备。根据半导体洁净设计规范，洁净室要求温度20～26℃，露点：9～11℃；办公区要求温度 20～26℃；仓库区要求温度20～26℃，湿度40%～60%。
    （2）冷热源系统。冷冻水系统为工艺冷却水系统和HVAC系统提供低温冷冻水；锅炉和热回收系统则为BMS系统提供热水。
    （3）其它子系统。包括排放热量和水汽的排风系统、压缩空气系统、真空系统、工业水系统、纯水系统、废水系统、应急燃油发电系统等。
为了节能，系统对这些被控的风机和泵采用变频器进行控制。

3  BMS自动控制系统的设计
3.1 系统设计
    参见图1BMS系统整体结构图。

图1  BMS系统整体结构图

    （1）BMS系统功能。工艺过程的画面实时显示和数据记录；过程设备的控制和参数设置；设备诊断和报警，通过GPRS modem以短消息的形式把信息发送到相关人员的移动电话上。BMS系统所有设备的操作分为就地Local（硬手动）和远程Remote两种。在 Local时，只能通过现场的MCC柜对风机和泵进行就地操作，BMS系统仅仅显示其状态；当设备处于远程Remote控制位置时，BMS对此设备的控制有2种模式，即自动模式和手动模式。设备处于自动模式时，由BMS根据逻辑和现场工况自动启动/停止该设备；设备处于手动模式时，操作员可以用画面上的启动/停止按钮启/停该设备，并且需要操作进行确认。
    （2）BMS系统硬件。系统由15套冗余SLC500系统，3套单机SLC500和11套MiroLogix1200微型PLC组成。控制编程软件采用 RSLogix500，HMI软件系统采用RSView32的ADS（服务器/客户端）系统，同时系统使用数据引擎软件RSSQL 将重要的工艺参数记录到SQL数据库供远程维护和管理。
    系统11套冗余的的SLC500的CPU之间采用DH+通讯网络，然后通过双Ethernet/DH+的网关连接到Ethernet网络，再连接到冗余的服务器Server A和Server B，微型PLC经过串口/以太网网关连接到HMI服务器。其它的PLC直接通过CPU的以太网口连接到HMI服务器。三方设备如冷冻机组和锅炉等采用 Modbus通讯接入系统进行监控。
3.2 系统特点
    SLC500控制器＋FLEX远程RIO的结构形式。
    （1）功能强大的处理器。
    l内存容量最多可达64K字，数据/程序内存动态分配，系统资源如定时器等只取决于系统的内存容量；
    l 强大的I/O容量，最大可达8192点I/O；
    l 提供丰富的诊断信息。
    （2）稳定可靠。
    l SLC500提供系统冗余功能；
    l Flex I/O模块可以带电插拔； 
    （3）灵活的系统结构和通讯网络。
    l 远程I/O链RIO通讯速度最快230K/bps，最远距离3300m(57.6K/bps)；适合于分布式应用； 
    l灵活的通讯网络选择：CPU内置有DH+/Ethernet/串口；
    l 广泛的开放的标准现场总线选择：EtherNet/IP、 DeviceNet、 ControlNet。
3.3 控制策略
    （1）HVAC系统控制。HVAC系统主要是为了保持被控区域特定的温度、湿度、露点以确保产品的质量，控制压差以防止洁净室被室外粉尘的污染并采用 VFD技术达到节能的目的；同时也是为了向洁净室补充一定的新风以保证室内空气质量。典型的新风空调MAH控制原理示意如图2所示。新风首先通过预虑网，经过降温除湿（夏天）、加热（冬天）、再经高再热终滤网送入各风管，最后经FFU送风口过滤后送入控制区各房间。

图2  MAH控制原理示意图

    （2）焓值（加热）控制回路。焓值是温度和湿度的综合，是一个能量单位，由温度和湿度经过运算得出。我们设定一个焓值的高限和低限，当室外的焓值剔的数值 <低限时，处于冬季模式，加热回路开始工作；当焓值>高限时，为夏季模式；二者之间认为是过渡死区，保持原先的控制模式。
    在冬季，室外空气比较干冷（温度低，湿度小），经加湿器雾化后的水雾会凝结成水滴，加湿效果很差，因此必须使热水通过加热盘管对室外新风加热使得焓值达到一定数值。这是一个单PID控制调节（图中所示为AC-03控制回路），系统焓值控制的设定点SP＝34kj/kg，其热力学的计算公式如式（1）：
    En=1.01×t+d×（1.84×t+2500）        （1）
    式中：
     En ——焓值（kj/kg）
  t ——加热盘管后的测量温度TET-03（℃）
 d ——室外新风的含湿量NET-04（g/Kg）
    （3）压力控制回路。为了避免室外污物对洁净室的污染，系统要求洁净室和非洁净区之间必须是正压。取两个压力变送器PT-01（设置有A/B两个测点）的平均值或正常无故障的压力变送器的压力值作为PV，根据相关标准通常该压力回路的SP>5Pa，经过PID运算（SC-01）之后，控制变频器的输出频率从而改变风机的转速以达到控制正压的目的。
    （4）露点控制回路。这是一个典型的串级控制回路，多个测点的露点值的平均值（通常会设置多于4个，在剔除坏点信号之后）作为主回路的露点PV，主回路的控制输出CV经过运算之后作为副回路的SP，副回路的PV则采用MAH风管出口的露点。副回路的SP既可以用主回路的直接百分比输出，也可以经过一定的变换来得到代表工程量的数值，比如副回路PID的用工程量的设定值SPs可用表达式2：
    SPs=SPm+（k×CVm-1）×x       （2）
    式中：
     SPs ——副回路的设定值℃
     SPm ——主回路的设定值℃
     CVm ——主回路控制输出（0%～100%）
     x ——露点控制的偏差范围
     k ——调整系数
    假定SPm为10℃，k为1.0，x为1.0℃，则实际的HVAC的露点控制副回路的设定值在 9.0～11.0℃之间。该控制回路是一个典型的分程控制过程，加湿和除湿回路（制冷）互斥不能同时起作用。系统在焓值小于焓值控制低限时会启动加湿过程，大于焓值控制高限时则停止加湿。当在夏季模式由于室外新风湿度会较高，经过冷盘管的除湿过程之后有时会导致MAH出口温度过低从而使得洁净室温度偏低，因此在在风机之后还有一个再热盘管，通过控制流过再热盘管热水量从而使得MAH出口温度保持在某个范围之内，该温度调节作用靠TC-02来实现。
    （5）洁净室内温度控制回路。洁净室温度控制与二次冷冻水子系统相关，其控制示意如图3所示。

 图3  洁净室温度控制

    干冷盘管安装在洁净室的吊顶上，由于封装设备会产生热量，因此较高温度的空气经过干冷盘管换热后再经过滤单元回到洁净室，最终使得控制洁净室内温度空间温度保持在20-℃左右。这个过程是通过图示右侧的TC-20控制回路实现的，每个洁净室通常包含多个这样的冷盘管控制区域。通过冷盘管的二次冷冻水温度被控制在高于洁净室的露点，因此不会产生结露的情况。BMS系统通过将一次冷冻水和干冷盘管的一部分回水混合后将干冷盘管的进水温度控制在合适的范围内（由 TC-10回路实现）。
HVAC子系统通常会有多台MAH，他们之间会采用几用一备的方式轮流工作，我们称之为群控。整个BMS系统有很多子系统的风机/泵都采用群控方式来工作，如排风系统的风机，冷却水、冷冻水、工业水系统、仓库等区域的泵。
    HVAC系统除了MAH之外，通常还包括一般空调AHU和回风空调RAH。一般空调AHU主要对某个单独区域如实验室等进行控制，而回风空调RHU则是可以对回风量和新风量进行控制以达到既保证空气清新又节能的目的，控制比起MAH来相对要简单一些。
3.4 SLC500冗余设计
    （1）冗余系统的结构。SLC500冗余系统的主从机架完全相同，机架上安装有一个CPU和一个或多个BSN模块，其中一对BSN负责DH+通讯的冗余，其它配对的BSN则实现冗余的RIO数据通讯。通常用DH+网络作为HMI通讯，RIO用于连接远程IO。一个冗余SLC500系统最多支持8对BSN模块，亦即最多可接8个RIO通讯链路，每个RIO链最多1024点I/O，因此一个SLC500冗余系统最多可有8192点I/O。典型的SLC500冗余系统的结构图如图4所示。

图4  SLC500冗余系统示意图

    （2）冗余系统的运行。SLC500冗余系统的主处理器框架在以下几种情况下会发生主从的切换：
    l 电源故障或掉电；
    l 处理器主要故障；
    l BSN模块故障（包括RIO链的通讯超时）；
    l 处理器没有处于RUN运行状态。
    通常主从切换的时间在50ms＋1个完整的程序扫描时间，假如主处理器的DH+地址为N,则从机为N+1，当发生主从切换时，处理器会发生地址的交换,这样我们在HMI或编程软件上始终访问的逻辑上的主处理器。处理器之间的数据同步靠同步子程序来实现，主处理器把需要同步的信息传送到BSN的数据交换区，从处理器则从该交换区读取这些数据。
    处理器经过DH+网络后再通过双Ethernet/DH+网关连接到两个服务器上，因此系统一方面提供了服务器到处理器的双通讯线路（通过通讯驱动 RSLinx的OPC通讯别名或RSView32通讯结点切换），另一方面又提供了双服务器，当任一服务器发生故障时，操作员站会自动切换到另外一个服务器上,具有很高的可靠性。

4 结束语
    某公司的芯片封装工厂通过采用SLC500冗余系统，实现了整个BMS系统的正常控制，有力地保证了生产的正常进行。实践证明，该厂的BMS控制系统不失为高可靠性、高性价比、易于使用和维护的自动化控制系统。