FMCS系統在微電子產業工程項目中的應用實踐

　　摘 要：制造微電子產品的科技含量高，對專業生產系統的可靠性要求高，引入 FMCS 系統有助于實施精準控制。通過對某微電子產業園項目設計、施工階段 FMCS 系統與廠房子系統結合應用的研究，對整個系統進行盡可能全面地論述，采用自動化控制理論分析與項目實際應用枚舉等方法手段，提綱挈領，讓該領域工程一線的專業技術人員對該類項目管理有較為全面的認知。在我國推進工業信息化、產業智能化的背景下，FMCS 系統符合國家發展戰略，同時具備成熟的技術應用條件。

　　馬杰;， 現代信息科技 發表時間：2021-05-25

　　關鍵詞：FMCS 系統;潔凈廠房;微電子產業;工程實踐;電子裝備制造與自動化

　　0 引 言

　　微電子技術是隨著集成電路，尤其是超大型規模集成電路而發展起來的一門新的技術，是信息化帶動工業化、加快傳統產業結構優化升級的關鍵技術。

　　微電子產品生產工藝復雜，科技含量高，設備精密度要求高，對廠房與生產相關的各專業系統要求也非常高：

　　(1)受工藝要求的限制，建筑結構方面對廠房的荷載及跨度有較大要求，作業環境方面有防微震和空氣潔凈度的要求，生產區需要配備潔凈度等級高的凈化空調，溫濕度控制精度高。

　　(2)需要對生產工藝設備及其配套設施的運行狀況進行實時監測，收集記錄有關參數、與指標比較預警，進而實現聯動、調節等一系列過程控制，因此對中央控制及通信系統的自動化與智能化程度技術先進性要求高。

　　(3)芯片制造過程中，需使用超純氮等大宗氣體，對氣體純度有要求，同時需要純水系統。

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

　　針對上述 MEMS 生產的特點，為保證集成電路廠房現代化、信息化管理需要，我們在微電子產業工程項目設計施工階段考慮使用 FMCS 廠務設備監控系統，對潔凈空調凈化系統、工藝冷卻水 PCW 系統、超純水制備處理系統、工藝排氣及廢水處理系統、特殊及大宗氣體供應系統、電力配電及能源計量系統等廠務設備子系統進行控制，實現子系統的遠程集中監控，提高各子系統的自動化程度，提升系統整體運行的可靠性。

　　1 FMCS 系統特點

　　1.1 可靠性

　　系統硬件設備和軟件配備應具有較高的可靠性。

　　1.2 集成性

　　方案研究及設計階段充分考慮 FMCS 系統與廠房其他自控系統進行數據集成與信息共享的可能性。

　　1.3 開放與兼容性

　　FMCS 系統應具有較高的開放性，以便于與受控子系統通信;采用模塊化結構，便于系統的功能擴展和維護保養。

　　1.4 便于管理

　　中控室人機界面友好，便于操作人員管理，以圖形、報表等形象直觀的方式進行顯示，方便操作。

　　1.5 節能性

　　各動力系統運行能源消耗量大，通過合理的系統設計，實現節能措施，以降低運營成本。

　　2 FMCS 系統的網絡架構

　　由于控制對象復雜，且工程招、采階段系統分包多，對受控子系統的要求為既要獨立、可靠運行，又要可互通互聯、便于集中調度管理。因此廠房 FMCS 整體系統結構采用集散式分布式控制系統，同時關鍵設施控制器需設計為冗余熱備結構，網絡為雙冗余網絡結構。以某微電子產業園為背景，系統采用兩級網絡連接，一級網絡用于互為冗余的主控制器與工作站之間的連接，二級網絡用于各個現場遠程 I/O 機架之間的連接。控制器工作環境具有多任務多用戶，以基于 TCP/IP 的工業以太網作為控制網絡，現場總線采用 ProfibusDP 訪問控制方式，網絡性能穩定、傳輸高速穩定，可實時調用和控制所有設備的運行狀態和參數。

　　如圖 1 所示，系統控制一般采用分層結構，可進行四層劃分。第一層是中央管理層，包括所有子系統的中央監控操作工作站，各子系統在此層進行匯聚，通過良好的人機界面，可設定或修改參數、人工遠程控制。可監控所有低層設備的運行狀況，進而進行趨勢分析、能源管理等輔助決策手段，最終可生成低層所有操作的執行報告及圖表。第二層是子系統管理層，包括各專業子系統(如變配電、潔凈與非潔凈空調、送風排氣、PCW 冷取水、特殊氣體供應等系統)的單元操作層設置對應的軟硬件，在此層通過局域工作站，亦可進行參數的設定或更改、人工干預，通過邏輯控制器完成對低層控制環的控制。第三層是現場總線控制層，通過 Profibus 等總線協議，由 PLC 完成單環程序邏輯控制，完成對底層設備的數據采集。第四層是現場工藝設備層，包含傳感器、變送器、電磁閥、限位開關等直接連接到現場設備的控制元器件。

　　3 FMCS 系統控制原理

　　FMCS 系統控制對象多為線路復雜的工藝管道設備。由于本文篇幅的限制，在此僅以某在建微電子產業園為背景，選取其中 PCW 工藝冷卻水系統為例，對系統工作及控制原理進行簡單描述。PCW 系統簡單來說起到給工藝生產線降溫的功能，根據現場實時監測數據，對工藝設備進行溫度調節。報警和監測的內容有：

　　(1)循環泵的工作狀態及故障報警，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、導電率。

　　(4)電動閥、電磁閥等控制元器件狀態。

　　(5)補水管流量。

　　3.1 工藝冷卻水供水溫度控制

　　PCW 管道出口安裝溫度傳感器，通過調節冷凍水閥門開度控制出口溫度。當供水溫度大于 17 ℃時，冷凍水電動調節閥開大;小于 17 ℃時關小，維持供水溫度在 17±0.5 ℃。溫度傳感器設置在 PCW 供水總管，電動調節閥設置在冷凍水回水管道。

　　3.2 工藝冷卻水水質控制

　　PCW 回水管安裝 pH 值傳感器、電導率傳感器，控制 pH 值在 7~8 之間，電導率≤ 100 us/cm，當超出指標值時，打開水箱電動排水閥。PH 傳感器、電導率傳感器設置在 PCW 回水總管。

　　3.3 工藝冷卻水壓差控制

　　設置 5 臺工藝冷卻水循環泵，4 用 1 備，循環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 水泵運行頻率和運行臺數，當供水壓力達到設定上限時，打開泄壓回水閥。壓力傳感器分別設置在 PCW 供回水總管上。

　　4 PLC 控制

　　FMCS 系統不僅可進行現場設備運行狀態的數據采集，更重要的是通過對數據的比對分析，來實現對整個系統的實時控制，而 PLC 作為可編程邏輯控制器，是實現控制功能的重要手段。系統中的每個 PLC 都是完全獨立的控制器，可在其所在單元實現獨立控制，關鍵部位設置冗余控制器。PLC 和遠程 I/O 之間的通信采用光纖連接，以滿足抗干擾要求，同時硬件模塊應滿足防雷、防腐等標準。PLC 的選型應滿足系統要求的前提下，采用主流且穩定的規格配置，如圖 3 所示。

　　根據系統控制原理，可列出 FMCS 系統控制點清單，明確數字量輸入點、數字量輸出點、模擬量輸入點、模擬量輸出點，清單中對每個控制點編號、安裝位置以及控制功能進行描述。

　　以潔凈廠房中的新風機組的啟—停和溫濕度控制為例，PLC 控制流程為：初始化—啟動新風系統—判斷運行時間最短的兩臺風機—分別開啟新風、送風—電動閥—延時 3 分鐘后收集電動風閥開反饋，如果確定已開啟，開啟運行時間最短的兩臺風機，否則進行故障告警—比較實際送風含水量與設定送風含水量，進而決定采用除濕模式或者加濕模式。除濕模式下，完全關閉預熱電動閥，調用除濕 PID，調節表冷電動閥，當一次表冷閥完全打開時，再進行二次表冷閥的調節;而加濕模式下，完全關閉表冷電動閥，調用加濕 PID，調節預熱電動閥，開啟水洗段加濕—調用送風溫度控制 PID 調節再熱電動閥—結束。

　　5 上位機

　　上位機軟件是 FMCS 系統軟件重要組成部分，它基于平臺上功能強大的自動化監視與控制軟件解決方案，能夠輔助廠房管理方精確監視、嚴格控制生產過程，優化生產設備和企業資源管理。對生產事件快速反應，減少原材料及燃料消耗，提高生產率，從而加快微電子產品對市場反應速度。

　　上位機的控制任務之一 I/O 驅動進行控制，如圖 4 所示，對 I/O 設備讀取過程信息，并將其保存至服務器的過程數據庫，實時數據庫系統通過計算與控制，分析當前設備狀態的異常情況，向圖形界面系統發送報警通知，并在畫面顯示對應信息，同時根據分析結果通過 I/O 數據接口，向 PLC 現場控制器傳達控制指令，PLC 通過控制程序對設備實行動作。

　　數據庫在工業自動化策略中發揮著不可或缺的作用，是主要應用程序過程數據的來源。通過日常數據庫的管理，可新增數據定義、數據類型、數據名稱和數據地址等。

　　上位機是將電腦技術在工業生產中的具體應用，它使得設備運行數據直觀、便于集中管理。上位機根據設定控制程序把采集的數據運算輸出，下發控制、調節指令，控制驅動設備，自動管理生產過程。上位機在集成電路生產車間等工藝作業要求高的行業場合自控管理優勢明顯。

　　上位機在 FMCS 系統中的應用列舉如下：

　　(1)可進行鍋爐集中管控，循環、補水設施遠程自控調節，鍋爐系統節能運行，鍋爐房可無人值守。

　　(2)配電室高低壓柜使用上位機對電力荷載分配遠程監控，記錄功率、無功損耗等數據，生成相關報表。

　　(3)上位機采集潔凈空調系統溫濕度、粒子計數器等信號，自動調節閥門開度和風機頻率，以保證車間作業環境達到產品需求。

　　6 結 論

　　本文結合某微電子產業園項目 FMCS 廠務設施監視與控制系統的實際需求，從 FMCS 系統設立的必要性論述開始，對系統特點、網絡架構、控制原理進行簡要闡述，選取有代表性的子系統，對相關控制過程及流程以外，教師還可以使用智能組卷功能來新增試卷。

　　教師用戶進入新增考試界面后，可以選擇考試所用的試卷，設置考試班級、考試名稱和考試開始時間等信息以新增考試任務。

　　3.4 在線考試模塊的實現

　　學生用戶登錄系統后可以使用在線考試功能。如果學生在考試開始前點擊“去考試”鏈接，系統將會顯示“當前不在考試時間內”;如果學生在允許的考試時間內進入考試界面，界面將會顯示學生的姓名、學號、試題信息和考試剩余時間，如若學生在考試時間終止時尚未提交試卷，系統將自動提交試卷。圖 4 顯示了某學生用戶在考試過程中的證明題答題記錄。

　　3.5 自動閱卷模塊的實現

　　學生用戶提交試卷后，系統會進行自動閱卷并將成績存入數據庫，然后將成績信息和答卷信息展示給學生和教師。

　　在自動閱卷時，對于選擇題和判斷題等客觀題，系統會遍歷學生的答卷，將試卷答案與題庫中的標準答案進行比對，若一致則給分，不一致則不給分。

　　證明題的自動閱卷難度較大，系統會遍歷學生的答卷，將證明過程中每一步的答案取出，答案中包括當前步驟的結論、證明過程依據的規則、對哪些前期步驟的結論使用該規則、證明過程依據的是等價式還是蘊含式、證明過程依據哪些等價式或蘊含式等信息，通過匹配技術判斷當前步驟的證明過程是否正確。如果證明過程所依據的規則是 P 規則，則系統要判斷當前步驟的結論是否是已知的前提條件，如果是，則判定當前步驟的證明過程是正確的。如果證明過程所依據的規則是 T 規則，則系統要判斷在所依據的等價式或蘊含式的指導下，是否可以從前期步驟的結論推導出當前步驟的結論，如果可以，則判定當前步驟的證明過程是正確的。

　　3.6 成績分析模塊的實現

　　系統完成自動閱卷并將成績存入數據庫后，會對成績數據進行統計分析，并將分析結果返回到教師用戶界面和學生用戶界面。

　　教師用戶進入考試信息界面后，若某項考試已經結束，則可以查看該考試的成績分析，包括平均分、最高分、最低分和及格率等信息，在點擊查看該考試的詳細信息時還可以看到該考試各分數段人數的條形圖。學生用戶可以在自動閱卷工作結束后，在“成績趨勢分析”中在查看其歷次考試的分數以及分數變化折線圖，以了解自身的學業進展情況，以便及時優化學習方案。

　　4 結 論

　　筆者分析了研究構建數理邏輯考試及自動閱卷系統的意義，開展了系統的設計工作，采用 Python 編程語言以及相關技術進行系統開發，實現了系統的學生管理、題庫管理、考試管理、在線考試、自動閱卷和成績分析等功能模塊。本系統通過題庫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，利用匹配技術實現選擇題、判斷題、填空題和證明題等多種題型的自動閱卷功能，利用數據統計分析和可視化技術對考試成績進行全面分析，不但可以減輕教師工作量，提升教師工作效率，同時還能夠提高學生的學習和考試效率，具有一定的應用和推廣價值。