制造業中氣體監控系統的分析與設計

　　1 引言

　　在化工企業或半導體生產企業，往往在生產加工過程中要使用各種毒性或危險性氣體，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輸必須遵守嚴格的標準。在生產車間使用這些氣體的過程中，可能會出現氣體泄漏的意外情況，當某些氣體濃度達到一定的標準或壓強超過一定的標準時，往往會發生爆炸或導致危及人生安全的惡劣后果。因此對這些危險性氣體必須建立一套完整的監測系統，達到有效的控制和具備良好的預警功能，以保證生產的正常進行以及人財物的安全。本文將重點討論在半導體生產行業中對危險性氣體的監控系統的分析與設計。

　　2 氣體監控系統的基本需求分析

　　對毒性或危險性氣體，在與之作用的過程中必須嚴格遵守相關的標準和規定，對其設計和施工也必須符合一定的標準和規范，最基本的要求如下：(1)根據氣體的特性，分區存放;(2)輸送過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)各種氣體儲存室和工作室以及氣瓶柜都應該安裝相應的監測器件監測氣體濃度或壓力;(4)各個儀器具有報警功能，且有較高的靈敏度;(5)位于防爆區的監測器件需具有防爆功能;(6)為了實現系統的集成，各個監測器件需具有開放式接口等等。

　　在某晶片廠中，由于工藝的需要，要用有毒或危險性氣體，為了對氣體系統進行統一的監控，防止發生意外事故。需要監測的項目有晶片制造過程中使用的危險性氣體、有機溶劑是否存在泄漏，以及工作環境中氧氣的濃度，以及氣瓶柜的狀態等等，要求監控系統在氣體出現泄漏時，根據設定值來判斷發生泄漏的區域，并發出警示信號或執行連鎖停機操作，當險情時通過廣播傳達緊急疏散信息。

　　3 氣體監控系統設計

　　3.1 網絡設計

　　在氣體監控系統中，涉及到信息監控中心、plc控制柜、現場的各種監測儀器、報警燈以及廣播系統幾個部分。目前而言，現場各種監測儀器以及其使用的電源線、報警器控制線以及與氣瓶柜監測系統的plc的線路、緊急按鈕都集中連接到plc控制柜中;信息監控中心與plc控制柜通過線路連接，實現監控數據的采集。據此分析，這拓撲個監控系統的網絡如圖1所示。其中，氣體監測器、地震儀以及緊急按鈕的信號是作為plc的輸入信號，而報警燈、廣播系統以及氣瓶柜監控系統的信號是plc的輸出信號，監控軟件部分和plc通訊是雙向的。大致的工作流程是：plc實時采集氣體監測器的測量值，并判斷是否達到了低值報警和高值報警的范圍。如果達到低值報警范圍，控制報警黃色燈亮，并在監控畫面上顯示報警的區域以及產生報警的氣體監測器的位置;如果達到高值報警條件，控制報警紅色燈亮，并發出報警聲音，同時相應的廣播系統發出語音廣播信息，在監控畫面上顯示報警的區域以及產生報警的氣體監測器的位置，按要求輸出關閉相關氣瓶柜的信號。如果發生地震，plc會采集位于不同位置的三個地震儀的檢測數據，通過比較確認地震的等級，根據地震等級不同，控制相應的報警燈、廣播系統以及關閉氣瓶柜。在緊急的情況下，可以通過緊急按鈕來控制某個區域設備的關停。

　　3.2 監控軟件功能設計

　　通過對整個氣體監控系統的需求分析，設備的狀態信息以及控制動作需要在組態畫面中實現。同時考慮到系統將來集成的需求，在組態軟件上，選擇了美國wonderware公司的intouch產品。該產品由數個組件所組成，完成可視化、獲取數據、擴充外接組件/系統、歷史趨勢、事件處理、報警記錄、報表和分析，它是一個可提供快速創建一個復雜且功能強大的操作界面的靈活工具，并易于升級。

　　在氣體監控系統中，監控軟件主要完成以下幾方面的功能：

　　l 區域監控

　　l 設備監控

　　l 地震儀監控

　　l 報警燈測試

　　l 廣播測試

　　l 歷史警報查詢

　　l 安全管理

　　(1)區域監控：根據廠區的簡單平面結構圖，實現分區域的狀態監控;如果某個區域發生氣體泄漏，該區域應該通過顏色的變化以及閃爍效果提示應急工作人員，各個區域應該有該區域的詳細的平面效果圖，而且需要在圖中標示氣體檢測器的位置，發生毒氣泄漏的時候，監控畫面中相應的檢測器應該通過顏色的變化來提示應急人員的具體泄漏位置。針對每一個氣體檢測器都可以進行參數的查看，而且可以查看該氣體檢測器的曲線圖。

　　(2)檢測設備監控：主要是實現氣體監控系統中檢測設備的監控，通過檢測設備的監控，了解該檢測設備目前的運行狀況以及故障狀態，以便及時的采取維修措施，同時根據需要可以設定某些檢測設備的狀態，比如報警的使能或禁止。

　　(3) 地震儀監控：反映3個位置的地震儀的狀態。

　　(4)報警燈測試：提供工作人員對報警燈進行測試的功能，根據不同的區域來劃分測試類型。測試的過程中，可以通過現場人員的觀察了解測試的效果，同時在監控畫面中也要反映出在進行哪個區域的測試，以便工作人員關閉該區域的測試，一般通過顏色改變來表示。

　　(5) 廣播測試：廣播測試與報警燈測試的功能類似，只是對象不同。

　　(6) 歷史警報查詢：在監控畫面中除了顯示各種實時報警以外，還應該提供歷史警報的查詢功能，通過設定查詢的時間段進行歷史報警查詢。

　　(7)安全管理：在氣體監控系統中，安全管理特別重要，很多參數，比如氣體檢測器的報警值的設定、氣體檢測器報警功能的使能或禁止等，必須要求系統管理員才能修改，如果沒有一個良好的安全管理機制，一般工作人員的誤操作可能導致巨大的損失。在系統的設計過程中，還需要對某些敏感的參數設定實施權限控制。

　　3.3 報警系統設計

　　報警部分的設計主要包括報警等級設計、區域報警設計、語音報警設計以及報警撤銷設計等內容。其中，報警等級的設計，主要考慮到報警的急迫程度，便于工作人員采取不同的應急措施，比如報警等級比較低時，需要工作人員對某些重要設備采取應急保護性措施;而在報警等級比較高時，需要工作人員緊急撤離，以保護工作人員安全為主。在本系統設計了兩種報警等級，同時設定了一個預警階段，當氣體濃度監測儀器檢測到氣體的濃度達到最低設定下限值的時候，監控軟件將自動顯示發生時間、地點以及其檢測到的濃度值并記錄存檔。第一階段報警設計為：當氣體濃度檢測儀器檢測到氣體濃度達到設定報警值得1/2時，監控軟件自動顯示警告信息、發生時間、地點以及其檢測到的濃度值并記錄存檔，信息監控警笛鳴叫以及安裝的閃光燈(黃色)動作，預警區域閃光燈(黃色)動作并顯示報警區域。第一階段報警設計為：當氣體濃度檢測儀器檢測到氣體濃度達到設定報警值時，監控軟件自動顯示警告信息、發生時間、地點以及其檢測到的濃度值并記錄存檔，信息監控中心警笛鳴叫以及安裝的閃光燈(紅色)動作，預警區域閃光燈(紅色)動作并顯示報警區域，緊急啟動相關的連鎖操作。

　　區域報警設計根據出現報警的區域來決定采取區域性的應急措施，比如在某個區域發生火災的時候，在沒有影響到其他區域的工作前提下，可以只觸發報警所在區域的區域報警，以免造成其他區域人員的恐慌。在本系統中，根據相對封閉的區域作為單獨的報警區域，在該區域中的檢測儀器的檢測結果就是發生區域報警條件。

　　語音報警，包括系統廣播以及警報聲音。系統廣播只是在發生高值報警以及發生一定強度的地震時使用。警報聲音應該根據報警類型而變化。

　　4 結束語

　　在化工企業或電子生產企業，需要對生產加工過程中要使用各種毒性或危險性氣體實施安全可靠的監控。據此建立的氣體監控系統可以在發生氣體泄漏或其他危險情況的時候，快速作出判斷并采取相應的應急措施，保護人財物的安全。現場初步運行表明，該設計的構思是正確的，監控效果較好。