FMCS系统在微电子产业工程项目中的应用实践

　　摘 要：制造微电子产品的科技含量高，对专业生产系统的可靠性要求高，引入 FMCS 系统有助于实施精准控制。通过对某微电子产业园项目设计、施工阶段 FMCS 系统与厂房子系统结合应用的研究，对整个系统进行尽可能全面地论述，采用自动化控制理论分析与项目实际应用枚举等方法手段，提纲挈领，让该领域工程一线的专业技术人员对该类项目管理有较为全面的认知。在我国推进工业信息化、产业智能化的背景下，FMCS 系统符合国家发展战略，同时具备成熟的技术应用条件。

　　马杰;， 现代信息科技 发表时间：2021-05-25

　　关键词：FMCS 系统;洁净厂房;微电子产业;工程实践;电子装备制造与自动化

　　0 引 言

　　微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术，是信息化带动工业化、加快传统产业结构优化升级的关键技术。

　　微电子产品生产工艺复杂，科技含量高，设备精密度要求高，对厂房与生产相关的各专业系统要求也非常高：

　　(1)受工艺要求的限制，建筑结构方面对厂房的荷载及跨度有较大要求，作业环境方面有防微震和空气洁净度的要求，生产区需要配备洁净度等级高的净化空调，温湿度控制精度高。

　　(2)需要对生产工艺设备及其配套设施的运行状况进行实时监测，收集记录有关参数、与指标比较预警，进而实现联动、调节等一系列过程控制，因此对中央控制及通信系统的自动化与智能化程度技术先进性要求高。

　　(3)芯片制造过程中，需使用超纯氮等大宗气体，对气体纯度有要求，同时需要纯水系统。

　　(4)生产设备用电量大、用电可靠度要求高，停电将对生产线设备及人员安全造成重大影响。

　　针对上述 MEMS 生产的特点，为保证集成电路厂房现代化、信息化管理需要，我们在微电子产业工程项目设计施工阶段考虑使用 FMCS 厂务设备监控系统，对洁净空调净化系统、工艺冷却水 PCW 系统、超纯水制备处理系统、工艺排气及废水处理系统、特殊及大宗气体供应系统、电力配电及能源计量系统等厂务设备子系统进行控制，实现子系统的远程集中监控，提高各子系统的自动化程度，提升系统整体运行的可靠性。

　　1 FMCS 系统特点

　　1.1 可靠性

　　系统硬件设备和软件配备应具有较高的可靠性。

　　1.2 集成性

　　方案研究及设计阶段充分考虑 FMCS 系统与厂房其他自控系统进行数据集成与信息共享的可能性。

　　1.3 开放与兼容性

　　FMCS 系统应具有较高的开放性，以便于与受控子系统通信;采用模块化结构，便于系统的功能扩展和维护保养。

　　1.4 便于管理

　　中控室人机界面友好，便于操作人员管理，以图形、报表等形象直观的方式进行显示，方便操作。

　　1.5 节能性

　　各动力系统运行能源消耗量大，通过合理的系统设计，实现节能措施，以降低运营成本。

　　2 FMCS 系统的网络架构

　　由于控制对象复杂，且工程招、采阶段系统分包多，对受控子系统的要求为既要独立、可靠运行，又要可互通互联、便于集中调度管理。因此厂房 FMCS 整体系统结构采用集散式分布式控制系统，同时关键设施控制器需设计为冗余热备结构，网络为双冗余网络结构。以某微电子产业园为背景，系统采用两级网络连接，一级网络用于互为冗余的主控制器与工作站之间的连接，二级网络用于各个现场远程 I/O 机架之间的连接。控制器工作环境具有多任务多用户，以基于 TCP/IP 的工业以太网作为控制网络，现场总线采用 ProfibusDP 访问控制方式，网络性能稳定、传输高速稳定，可实时调用和控制所有设备的运行状态和参数。

　　如图 1 所示，系统控制一般采用分层结构，可进行四层划分。第一层是中央管理层，包括所有子系统的中央监控操作工作站，各子系统在此层进行汇聚，通过良好的人机界面，可设定或修改参数、人工远程控制。可监控所有低层设备的运行状况，进而进行趋势分析、能源管理等辅助决策手段，最终可生成低层所有操作的执行报告及图表。第二层是子系统管理层，包括各专业子系统(如变配电、洁净与非洁净空调、送风排气、PCW 冷取水、特殊气体供应等系统)的单元操作层设置对应的软硬件，在此层通过局域工作站，亦可进行参数的设定或更改、人工干预，通过逻辑控制器完成对低层控制环的控制。第三层是现场总线控制层，通过 Profibus 等总线协议，由 PLC 完成单环程序逻辑控制，完成对底层设备的数据采集。第四层是现场工艺设备层，包含传感器、变送器、电磁阀、限位开关等直接连接到现场设备的控制元器件。

　　3 FMCS 系统控制原理

　　FMCS 系统控制对象多为线路复杂的工艺管道设备。由于本文篇幅的限制，在此仅以某在建微电子产业园为背景，选取其中 PCW 工艺冷却水系统为例，对系统工作及控制原理进行简单描述。PCW 系统简单来说起到给工艺生产线降温的功能，根据现场实时监测数据，对工艺设备进行温度调节。报警和监测的内容有：

　　(1)循环泵的工作状态及故障报警，水箱的液位、温度。

　　(2)供水主管的温度、压力、流量。

　　(3)回水主管的温度、压力、流量、导电率。

　　(4)电动阀、电磁阀等控制元器件状态。

　　(5)补水管流量。

　　3.1 工艺冷却水供水温度控制

　　PCW 管道出口安装温度传感器，通过调节冷冻水阀门开度控制出口温度。当供水温度大于 17 ℃时，冷冻水电动调节阀开大;小于 17 ℃时关小，维持供水温度在 17±0.5 ℃。温度传感器设置在 PCW 供水总管，电动调节阀设置在冷冻水回水管道。

　　3.2 工艺冷却水水质控制

　　PCW 回水管安装 pH 值传感器、电导率传感器，控制 pH 值在 7~8 之间，电导率≤ 100 us/cm，当超出指标值时，打开水箱电动排水阀。PH 传感器、电导率传感器设置在 PCW 回水总管。

　　3.3 工艺冷却水压差控制

　　设置 5 台工艺冷却水循环泵，4 用 1 备，循环泵为配置变频器的变频泵，如图 2 所示。在 PCW 供回水总管上分别安装压力传感器，利用压差控制 PCW 水泵运行频率和运行台数，当供水压力达到设定上限时，打开泄压回水阀。压力传感器分别设置在 PCW 供回水总管上。

　　4 PLC 控制

　　FMCS 系统不仅可进行现场设备运行状态的数据采集，更重要的是通过对数据的比对分析，来实现对整个系统的实时控制，而 PLC 作为可编程逻辑控制器，是实现控制功能的重要手段。系统中的每个 PLC 都是完全独立的控制器，可在其所在单元实现独立控制，关键部位设置冗余控制器。PLC 和远程 I/O 之间的通信采用光纤连接，以满足抗干扰要求，同时硬件模块应满足防雷、防腐等标准。PLC 的选型应满足系统要求的前提下，采用主流且稳定的规格配置，如图 3 所示。

　　根据系统控制原理，可列出 FMCS 系统控制点清单，明确数字量输入点、数字量输出点、模拟量输入点、模拟量输出点，清单中对每个控制点编号、安装位置以及控制功能进行描述。

　　以洁净厂房中的新风机组的启—停和温湿度控制为例，PLC 控制流程为：初始化—启动新风系统—判断运行时间最短的两台风机—分别开启新风、送风—电动阀—延时 3 分钟后收集电动风阀开反馈，如果确定已开启，开启运行时间最短的两台风机，否则进行故障告警—比较实际送风含水量与设定送风含水量，进而决定采用除湿模式或者加湿模式。除湿模式下，完全关闭预热电动阀，调用除湿 PID，调节表冷电动阀，当一次表冷阀完全打开时，再进行二次表冷阀的调节;而加湿模式下，完全关闭表冷电动阀，调用加湿 PID，调节预热电动阀，开启水洗段加湿—调用送风温度控制 PID 调节再热电动阀—结束。

　　5 上位机

　　上位机软件是 FMCS 系统软件重要组成部分，它基于平台上功能强大的自动化监视与控制软件解决方案，能够辅助厂房管理方精确监视、严格控制生产过程，优化生产设备和企业资源管理。对生产事件快速反应，减少原材料及燃料消耗，提高生产率，从而加快微电子产品对市场反应速度。

　　上位机的控制任务之一 I/O 驱动进行控制，如图 4 所示，对 I/O 设备读取过程信息，并将其保存至服务器的过程数据库，实时数据库系统通过计算与控制，分析当前设备状态的异常情况，向图形界面系统发送报警通知，并在画面显示对应信息，同时根据分析结果通过 I/O 数据接口，向 PLC 现场控制器传达控制指令，PLC 通过控制程序对设备实行动作。

　　数据库在工业自动化策略中发挥着不可或缺的作用，是主要应用程序过程数据的来源。通过日常数据库的管理，可新增数据定义、数据类型、数据名称和数据地址等。

　　上位机是将电脑技术在工业生产中的具体应用，它使得设备运行数据直观、便于集中管理。上位机根据设定控制程序把采集的数据运算输出，下发控制、调节指令，控制驱动设备，自动管理生产过程。上位机在集成电路生产车间等工艺作业要求高的行业场合自控管理优势明显。

　　上位机在 FMCS 系统中的应用列举如下：

　　(1)可进行锅炉集中管控，循环、补水设施远程自控调节，锅炉系统节能运行，锅炉房可无人值守。

　　(2)配电室高低压柜使用上位机对电力荷载分配远程监控，记录功率、无功损耗等数据，生成相关报表。

　　(3)上位机采集洁净空调系统温湿度、粒子计数器等信号，自动调节阀门开度和风机频率，以保证车间作业环境达到产品需求。

　　6 结 论

　　本文结合某微电子产业园项目 FMCS 厂务设施监视与控制系统的实际需求，从 FMCS 系统设立的必要性论述开始，对系统特点、网络架构、控制原理进行简要阐述，选取有代表性的子系统，对相关控制过程及流程以外，教师还可以使用智能组卷功能来新增试卷。

　　教师用户进入新增考试界面后，可以选择考试所用的试卷，设置考试班级、考试名称和考试开始时间等信息以新增考试任务。

　　3.4 在线考试模块的实现

　　学生用户登录系统后可以使用在线考试功能。如果学生在考试开始前点击“去考试”链接，系统将会显示“当前不在考试时间内”;如果学生在允许的考试时间内进入考试界面，界面将会显示学生的姓名、学号、试题信息和考试剩余时间，如若学生在考试时间终止时尚未提交试卷，系统将自动提交试卷。图 4 显示了某学生用户在考试过程中的证明题答题记录。

　　3.5 自动阅卷模块的实现

　　学生用户提交试卷后，系统会进行自动阅卷并将成绩存入数据库，然后将成绩信息和答卷信息展示给学生和教师。

　　在自动阅卷时，对于选择题和判断题等客观题，系统会遍历学生的答卷，将试卷答案与题库中的标准答案进行比对，若一致则给分，不一致则不给分。

　　证明题的自动阅卷难度较大，系统会遍历学生的答卷，将证明过程中每一步的答案取出，答案中包括当前步骤的结论、证明过程依据的规则、对哪些前期步骤的结论使用该规则、证明过程依据的是等价式还是蕴含式、证明过程依据哪些等价式或蕴含式等信息，通过匹配技术判断当前步骤的证明过程是否正确。如果证明过程所依据的规则是 P 规则，则系统要判断当前步骤的结论是否是已知的前提条件，如果是，则判定当前步骤的证明过程是正确的。如果证明过程所依据的规则是 T 规则，则系统要判断在所依据的等价式或蕴含式的指导下，是否可以从前期步骤的结论推导出当前步骤的结论，如果可以，则判定当前步骤的证明过程是正确的。

　　3.6 成绩分析模块的实现

　　系统完成自动阅卷并将成绩存入数据库后，会对成绩数据进行统计分析，并将分析结果返回到教师用户界面和学生用户界面。

　　教师用户进入考试信息界面后，若某项考试已经结束，则可以查看该考试的成绩分析，包括平均分、最高分、最低分和及格率等信息，在点击查看该考试的详细信息时还可以看到该考试各分数段人数的条形图。学生用户可以在自动阅卷工作结束后，在“成绩趋势分析”中在查看其历次考试的分数以及分数变化折线图，以了解自身的学业进展情况，以便及时优化学习方案。

　　4 结 论

　　笔者分析了研究构建数理逻辑考试及自动阅卷系统的意义，开展了系统的设计工作，采用 Python 编程语言以及相关技术进行系统开发，实现了系统的学生管理、题库管理、考试管理、在线考试、自动阅卷和成绩分析等功能模块。本系统通过题库管理和考试管理功能帮助教师快速完成出卷和考试安排工作，利用匹配技术实现选择题、判断题、填空题和证明题等多种题型的自动阅卷功能，利用数据统计分析和可视化技术对考试成绩进行全面分析，不但可以减轻教师工作量，提升教师工作效率，同时还能够提高学生的学习和考试效率，具有一定的应用和推广价值。