电子洁净厂房洁净空调自控设计

电子洁净厂房洁净空调自控设计

张莹1 刘章波2 

中国电子系统工程第四建设有限公司 北京市 100071

摘要

本文以电子洁净厂房内洁净空调为主题，介绍了电子洁净厂房常用的fmcs系统架构，并结合实际工程经验，阐述了洁净空调及洁净室环境控制原理，以供洁净室自控设计师参考。

关键词：电子洁净厂房、FMCS、mau、控制原理

关键词

0. 引言

在电子制造业中，洁净室能够保护电子产品免受污染，提高产品质量和可靠性。洁净室的设计和建造需要考虑到多个因素，包括室内温度、湿度、照明、通风和噪声等，其建筑材料和表面材料也需要经过精心挑选和特殊处理，以避免出现微生物和尘埃的积累。此外，洁净室还需要配备高效的空气净化系统，包括高效过滤装置、换气系统和气流组织等部分，以确保室内空气的清新和洁净。

不同于普通空调，洁净空调设计重点在于过滤和净化空气中的微生物、尘埃等污染物，确保室内空气质量达到特定标准，为满足特定工艺或环境的需求，对温度和湿度的也有较高的控制要求，因为其设计复杂、过滤系统高效以及维护需求高等特点，通常成本较高。洁净空调作为电子洁净厂房的重要设备，它的这些特点也对自控系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求。

1. FMCS系统介绍

电子洁净厂房通常设置FMCS(Facility Management and Control System)系统，FMCS是一个综合性管理系统，对生产中的一些关键性参数进行自动控制，当这些参数受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能够被自动地调节而回到工艺所要求的数值范围内。该系统主要对电子生产厂房中的空调系统和动力系统进行监控和管理，以提高生产效率、降低生产成本，并实现节能减排。

1.1控制器

在民用自控设计中，一般采用DDC（直接数字控制系统），DDC控制器是专为楼宇自动化环境而设计的，这意味着它内置了针对楼宇设备和系统（如空调、照明、通风等）的特定控制逻辑和程序。这种设计使得DDC控制器能够很好地适应民用级楼宇的需求，提供简单、高效且易于集成的控制解决方案。用户无需进行复杂的编程工作，只需进行简单的配置和参数设置即可，这降低了系统的实施难度，且操作界面通常较为直观，功能明确，使得运维人员能够更快地掌握其操作和维护方法。同时，也带来了DDC控制器的一些局限性，由于DDC控制器是基于功能块进行设计的，其编程灵活性相对较差，难以实现复杂的控制逻辑和算法，限制了DDC控制器在需要高级控制策略的应用中的使用。对于需要快速响应的控制系统，DDC控制器的模拟量刷新速度可能无法满足要求，导致系统在实时性方面存在一定的局限性。并且难以实现冗余控制，这可能使得系统在出现故障时无法快速切换到备用控制器，从而影响系统的可靠性和稳定性。

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。PLC具有极高的可靠性和稳定性，能够在各种恶劣的工业环境中长时间稳定运行，这对于需要24小时不间断运行的洁净厂房来说至关重要。并且PLC能够处理复杂的控制逻辑和算法，实现对空调系统的精确控制，这包括温度、湿度、压力、风速等多个参数的实时监控和调节。

并且具有非常高的编辑灵活性，可以根据具体需求进行定制化的开发，这意味着可以实现各种复杂的控制策略和功能，以满足洁净厂房的特殊需求。对于关键性的控制系统，PLC也可以实现冗余配置，这意味着当某个PLC出现故障时，备用PLC可以立即接管控制任务，确保系统的连续运行。而且PLC系统具有良好的扩展性和升级性，随着技术的发展和厂房规模的扩大，可以方便地添加新的控制模块和功能，以满足不断变化的需求。

综上所述，PLC控制系统以其高可靠性、灵活性、网络通信能力、冗余以及扩展性等优点，在大型电子工业洁净厂房的自控系统中得到了广泛应用。

1.2 FMCS架构

一般采用三层架构，管理层、网络层和现场设备层。管理层（SCADA）包括操作员站、工程师站、主服务器等设备，负责整个系统的协调运行和综合管理。控制层包括操作的软件和硬件，实现对底层设备的数据采集、下发控制命令和监视现场控制情况的功能。现场设备层包括各类传感器、变送器、探测器等，实现对现场数据的上传和控制器命令的执行。

以某个项目的FMCS架构图为例，见图1。

图一 FMCS架构图

系统主要应用于对洁净室环境及洁净空调、公用动力等设备的运行参数、状态等进行监视与控制。采用环形网络，核心交换机及现场控制器均考虑冗余备份，以提高系统可靠性，第三方系统（如超精密空调、冷机等）应能够通过网关接入FMCS系统。

2.洁净空调系统控制及洁净室环境监控

电子洁净厂房的洁净空调一般采用MAU+FFU+DCC的形式，洁净室内空气通过风机过滤器单元（FFU）进行循环，由干式冷盘管（DCC）对室温进行控制，MAU对室内相对湿度进行控制并保证室内正压，洁净室生产区内的设备、人员和照明发热以及围护结构传热等的冷负荷由干表冷盘管承担。气流组织如下：回风→干表冷盘管→和MAU新风混合→FFU→生产区→回风。

2.1洁净空调系统控制原理

常见mau控制原理图如图2所示

图2 MAU控制原理图

净化空调新风机组控制说明：

1.系统温湿度全年控制：

 1） 根据室外新风露点温度Tdp、湿球温度Twb调节预热段、一级加热段、高压微雾加湿器、一级表冷、二级表冷段、二级加热段的电动调节阀，维持出风的露点温度Tdp恒定（此露点值可重新设定)。

 2） 新风机组停止或运行时，当加热盘管后的温度<5°C时，应将加热段热水管道上的电动两通阀开至最大,防冻水泵开启，并报警。

 3） 新风机组出风温度控制二级加热段，控制出风温度维持在Tdp=23°C（可调）。

 4）每台新风机组在相应的送风区域内设置相对湿度控制点，以室内相对湿度修正新风机组出口的露点温度值。

2.变频控制：

  风机配变频器，根据新风集管内的静压传感器控制送风机的变频器，维持送风管静压值稳定。

3.联锁：

 1）高压微雾加湿器为成套设备，自带控制箱，能完成对泵的控制、保护，水质及水位的监控，自动补水等工作。

 2）与本系统有关的电动密闭阀与新风机组风机连锁。风机开，阀开；风机关，阀关。

 3）与本系统有关的防火阀与新风机组风机连锁。阀关，风机停。

 4）与本系统有关的水管管路上的电动阀与新风机组风机连锁，风机停止运行，电动阀应关闭。

4.差压报警：

  过滤器设置压差报警。

5. 送风机差压报警

  送风机进出口之间设置差压报警，送风机启动60秒后，压差仍低于设定值，报警，并切断风机电源，关闭该机组进、出风阀。

6.消防控制：

  火灾时，由消防中心确认火情后，切断MAU电源。

7.采用PLC控制系统进行监控，同时纳入SCADA系统。监控参数包括（且不限于）：

  室外温度、相对湿度, 各功能段后空气温、湿度,MAU出风温度、露点;

  MAU风机启停状态；

  MAU风机变频器运转频率；

  在PLC界面上可以启停；

  进口风阀状态； 

  高压微雾加湿器工作状态（包括启停、故障、电导率、液位等）。

2.2 洁净室环境监控

洁净室内环境监控主要包含三个部分，DCC调节室内温度，FFU保证室内洁净度，以及靠调节电动风阀维持洁净室内正压。

2.2DCC

DCC干盘管（Dry Cooling Coil）是洁净室制冷部分的重要设备，主要通过金属板的传热和对流原理进行散热。机组制冷时，以水为排热源，空气从板间穿过，使得热量被传递给空气从而实现散热。控制原理图如图3所示。

图3 DCC控制说明

若干个干盘管设1个控制阀组及1个温度传感器；温度传感器精度一般为±0.1°C;相对湿度传感器精度一般为±2%；根据各控制区域的温度传感器，控制相应的干盘管冷水控制阀的开度使室内温度在设定范围内。

2.3FFU

根据工艺需要，洁净室内空气的洁净度需要符合相应的标准，洁净度要求越高，对FFU布置数量的需求就越大，在半导体制造领域，洁净度要求往往非常严格，因此需要布置大量的FFU以满足生产需求。为了实现对多个FFU的精确控制和管理，提高生产效率、降低能耗、减少维护成本，FFU一般采用群组控制，通过集中控制和监测，群控系统能够实现对不同系统的FFU分区分系统控制，以及单台FFU的监控，从而达到节能效果，实现设备批量控制和管理。

2.4室内正压控制

根据房间压力传感器，控制相应的新风电动风阀的开度，使室内压力维持在设定范围内。每个电动风阀对应一个房间设置的压差传感器吧，并且在洁净区每个房间入口处设就地压差显示。

3.总结

在电子洁净厂房中，洁净空调的自控设计是确保生产环境达到高标准洁净度、温度、湿度等要求的关键环节。本文介绍电子洁净厂房中常用的FMCS系统架构，以及采用MAU+FFU+DCC形式的洁净空调系统的特点和设计要点。

参考文献

［1］王晓璐,郑慧凡.暖通空调技术［M］.北京: 中国建材工业出版社，2016

［2］忻瑛.洁净空调系统-新风机组+循环风机系统在医院洁净室的设计［J］．建筑技术开发，2018，45( 14) :111-113．

［3］ 中国电子工程设计院. GB 50073 - 2013 洁净厂房设计规范［S］. 北京：中国计划出版社，2013.

［4］ 中国电子工程设计院. GB 50472 - 2008 电子工业洁净厂房设计规范［S］. 北京：中国计划出版社，2009.