微電子工廠建筑智能化設計論文
1.序言
當前,人們普遍談論的建筑智能化，主要是指民用建筑，如高層辦公樓、綜合樓、商住樓及建筑群，此外住宅小區(qū)智能化也是熱點之一。實際上，工業(yè)建筑,特別是研究生產(chǎn)高新技術(shù)產(chǎn)品的現(xiàn)代化工廠和實驗室，其智能化系統(tǒng)應用是相當廣泛的。民用建筑與工業(yè)建筑的智能化技術(shù)有相同相似之處。當然，由于工業(yè)建筑的許多功能要求與民用建筑不同，因此其智能化系統(tǒng)也有其相應的設計特點。工業(yè)建筑的范圍很廣，要求各不相同，本文僅就微電子工廠與民用建筑在智能化方面不同之處進行闡述，相同之處不在此敘述。
2.智能化的定位
2.1微電子工廠的基本特點
微電子工廠一般都是由生產(chǎn)廠房及支持區(qū)、動力廠房、倉庫(含化學品庫)、辦公樓(辦公區(qū))、廢水廢物處理區(qū)、室外罐區(qū)，有的還有生活區(qū)等組成的現(xiàn)代化大型工廠，其主要特點是：
(1)有很多貴重的精密儀器和設備，廠房造價昂貴，十幾億、幾十億、甚至上百億;
(2)對生產(chǎn)環(huán)境有嚴格的要求，因此有相當一部分為潔凈廠房;
(3)對生產(chǎn)原材料要求嚴格，一部分由工廠自己生產(chǎn)，因此自動化程度要求高;
�、纫蛏a(chǎn)需要,要使用各種可燃氣體(蒸汽)、有毒氣體，有腐蝕性的液體。
2.2智能化系統(tǒng)的定位
民用建筑智能化是向人們提供一個安全、舒適、方便、高效的生活和工作環(huán)境的重要技術(shù)措施之一工廠是生產(chǎn)產(chǎn)品的，因此，如何達到生產(chǎn)產(chǎn)品所需的環(huán)境要求，符合要求的原材料及動力條件，以及工廠安全、高效、可靠、經(jīng)濟的運行，以確保產(chǎn)品的成品率和產(chǎn)品的可靠性、長壽命及達到設計的產(chǎn)量，則是建設者們追求的目標。作為滿足這些功能、技術(shù)要求的重要措施之一的智能化系統(tǒng)，就必須是成熟的、實用的、可靠的及先進的技術(shù)和產(chǎn)品，這里所指的先進，主要不是指新技術(shù)，而是指開放性、可擴展性、可升級及兼容性。
另外，由于產(chǎn)品都有其生命周期，因此工廠的建設期較短，時間都是很緊張的。因此那種功能齊全，看起來技術(shù)先進而還需要研究實驗的設計是不能應用于此類建筑的。
3.智能化系統(tǒng)總體方案的確定
智能化系統(tǒng)的總體方案實際上涉及到系統(tǒng)集成及總體結(jié)構(gòu)，關(guān)系到方案的進一步設計、實施，涉及到智能化系統(tǒng)能否達到要求的功能及技術(shù)指標，符合建設周期及投資額要求。因此，確定適合于工程項目的總體方案是設計者需要認真對待的。
3.1幾種方案的比較
(1)各子系統(tǒng)內(nèi)部集成
通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)CNS、辦公自動化系統(tǒng)OAS、建筑設備自動化系統(tǒng)BAS、消防自動化系統(tǒng)FAS、安全防范系統(tǒng)SAS以及微電子廠房特有的有害物質(zhì)檢測系統(tǒng)HPM()各子系統(tǒng)內(nèi)部有集成，但上述系統(tǒng)之間沒有集成。這種方案雖然各系統(tǒng)都能很好地完成相應的工作，但對于現(xiàn)代化工廠的整體管理不利，因此不宜采用。
�、平ㄖ悄芄芾硐到y(tǒng)IBMS
這是將CNS、OAS、BAS、FAS、SAS及HPM通過高速網(wǎng)絡進行統(tǒng)一集成，由一體化集成管理系統(tǒng)實現(xiàn)對整個工廠的綜合智能管理。在某些項目雖然有運用實例，但是對于微電子這種大型工廠來說，需要監(jiān)測控制的點數(shù)相當龐大而且十分重要。另外，雖然工廠也有原材料、設備、產(chǎn)品的物流管理，有財務、人事、設計等辦公自動化需要，有語音、數(shù)據(jù)、會議系統(tǒng)等方面需求，但這些與確保全廠高效、安全、可靠的生產(chǎn)產(chǎn)品沒有太大的必然聯(lián)系，因此進行一體化集成在目前來說不是最佳選擇。
�、墙ㄖO備綜合管理系統(tǒng)BMS(或工廠管理控制系統(tǒng))
消防自動化系統(tǒng)F^S是直接關(guān)系到避免和減少因火災而造成的人身和財產(chǎn)損失的系統(tǒng),有特殊重要的位置，另外，因為中國國情的原因，需要作為獨立的子系統(tǒng)，而且要有專門人員24小時值班。HPM系統(tǒng)是僅次于FAS系統(tǒng)的重要系統(tǒng)，也需要作為一個子系統(tǒng)。安全防范SAS系統(tǒng)是涉及到整個工廠保密及維持正常工作、生產(chǎn)秩序所必須的，作為一個子系統(tǒng)是適宜的。
FAS系統(tǒng)、HPM系統(tǒng)、SAS系統(tǒng)及建筑設備自動化系統(tǒng)BAS之間，都有許多聯(lián)動要求，需要實現(xiàn)對設備的分布控制和集中監(jiān)視管理，以便更好地協(xié)調(diào)工作，提高設備運行效率和提高節(jié)能效果，因此有必要把FAS、HPM、SAS及BAS集成起來，這就形成了BMS系統(tǒng)。對于微電子工廠來說，在目前階段，BMS系統(tǒng)是較好的選擇。
至于工廠需要的各種生產(chǎn)經(jīng)營管理、辦公自動化及各種通信，可以另外建立通信網(wǎng)絡系統(tǒng)CNS、辦公自動化系統(tǒng)OAS。需要而且條件成熟時與BMS一起集成為IBMS。
3.2BMS(FMCS)設計中的幾個問題
⑴系統(tǒng)構(gòu)成
主干網(wǎng)為采用TCP/IP協(xié)議，符合IEEE802.3標準的.以太網(wǎng)或FDDI，滿足10/100Mbps;根據(jù)情況現(xiàn)場總線采用10Mbps以太網(wǎng)、Profibus總線、LonWork總線等。
應配備與工程相適應的BMS集成管理系統(tǒng)。
通常情況下，主干網(wǎng)可通過路由器與公司上級管理層MIS網(wǎng)絡相連，以便管理層了解情況。
消防自動化系統(tǒng)FAS、安全防范系統(tǒng)SAS及有害物質(zhì)檢測控制系統(tǒng)HPM的主機均有與BMS集成的接口，并保證與中央管理機的可靠通信。
�、茙讉�監(jiān)控中心位置的確定
監(jiān)控中心設置在負荷中心，方便管理及符合相關(guān)的規(guī)范是確定位置的基本原則。微電子工廠經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃，智能化系統(tǒng)的幾個控制中心的設備常常不能集中設在一個中央監(jiān)控室內(nèi)。BMS管理中心通常設在動力廠房內(nèi)，BAS的中央站通常與BMS管理中心合用，消防總控室設在主廠房一層主入口附近，安防總控室可以設在主廠房一層主入口，當位置合適時可與消防總控室合用。在某些情況下，安防總控室可以設置在廠區(qū)的主人口門衛(wèi)里。
除各子系統(tǒng)的總控室外,FAS、HPM、SAS的分控室及BAS的分站應合用，方便管理及電源等設備的配置。
(3)BMS的布線系統(tǒng)
雖然計算機網(wǎng)絡中使用的光纜和8芯的雙絞線可以應用于BMS系統(tǒng)，但是工業(yè)用雙絞線，根據(jù)不同的現(xiàn)場情況通常使用多種雙絞線，如屏蔽的、非屏蔽的、防腐蝕性的等。另外電纜芯數(shù)也是根據(jù)連接的設備不同而不同，并非都要使用光纜或8芯的雙絞線。此外，BMS布線系統(tǒng)的路由通常與管理用計算機網(wǎng)絡布線的路由不同。再有，F(xiàn)AS、HPM及SAS系統(tǒng)的線纜需要單獨敷設，因此BMS系統(tǒng)單獨布線為好,而不與CNS、0AS統(tǒng)一為一套布線系統(tǒng)。
當然對于工廠的智能化系統(tǒng)的所有布線的路由和維護空間應進行綜合考慮，統(tǒng)一規(guī)劃,并與其它專業(yè)管線協(xié)調(diào)。
4.建筑設備自動化系統(tǒng)BAS
民用建筑中的BAS系統(tǒng)通常是針對舒適性空調(diào)、給水排水系統(tǒng)、冷熱源、電力、照明及電梯等設備的監(jiān)控。，對于微電子類工廠來說，除上述系統(tǒng)外，由于生產(chǎn)的需要，增加了許多內(nèi)容，如凈化空調(diào)系統(tǒng)、潔凈區(qū)風機髙效過濾器系統(tǒng)，各種氣體系統(tǒng)、各種工業(yè)用水系統(tǒng)、工藝冷卻水系統(tǒng)、各種排風系統(tǒng)(如工藝排風、洗滌排風、有機溶劑排風等)、工業(yè)廢水、廢氣處理系統(tǒng)等。
根據(jù)項目具體情況確定是否全部子系統(tǒng)受中央站的監(jiān)控。
有許多成熟可靠的技術(shù)和產(chǎn)品用于上述的BAS系統(tǒng)。盡管各廠家的產(chǎn)品不盡相同，但基本上都是由DDC、PLC、工業(yè)控制機、網(wǎng)絡控制器、各種模塊及現(xiàn)場設備構(gòu)成。目前，這種采用分散控制集中管理的集散系統(tǒng)，可靠性高、經(jīng)濟、靈活、易于擴展。而全分布控制系統(tǒng)還有許多工作要做。
5.有害物質(zhì)檢測控制系統(tǒng)HPM
5.1構(gòu)建HPM系統(tǒng)的必要性
由于生產(chǎn)需要，常常使用各種危險物品，例如多種可燃氣體(蒸汽)、有毒氣體，還使用多種腐蝕性液體。在儲存、使用場所及輸送管道中均可能發(fā)生泄漏或液位異常情況。如果一旦泄漏或液位異常而未及時發(fā)現(xiàn)和處理，則可能發(fā)生火災、人員中毒或破壞生產(chǎn)，造成人身和財產(chǎn)損失的重大事故，因此有必要對氣體、液體的泄漏、某些液體的液位進行監(jiān)測和控制。由于這是僅次于火災消防的重要系統(tǒng)，而且需要監(jiān)測的點數(shù)多，監(jiān)控比較復雜，因此應單獨構(gòu)建一個子系統(tǒng)。
5.2系統(tǒng)構(gòu)成
該系統(tǒng)雖然很重要，但需要檢測的是泄漏氣體的濃度，達到限值時進行報警，檢測液體的泄漏和液位，而控制的對象是機電設備，檢測點、控制點多而分散。這些特點與BAS系統(tǒng)相似，因此采用BAS技術(shù)是合適的。將現(xiàn)場的各種探測器、傳感器、開
關(guān)、模塊、執(zhí)行機構(gòu)(有的地方還包括電機控制中心MCC)等設備連接到集采集和控制功能于一體的程序邏輯控制器PLC，各PLC再通過網(wǎng)絡與HPM系統(tǒng)主機相連。
5.3設計要點
(1)如前所述，該系統(tǒng)應有與BMS系統(tǒng)集成的接口，以便BMS監(jiān)管中心的人員管理。由于該系統(tǒng)的重要性，在BMS系統(tǒng)監(jiān)管中心應設置專門用于HPM系統(tǒng)的工作站。
�、艸PM系統(tǒng)中，有一部分是涉及可燃氣體(蒸汽)的檢測，根據(jù)我國規(guī)范是屬于火災消防范疇，因此HPM系統(tǒng)的總控室應與消防總控室合用。如果因為某種原因使HPM系統(tǒng)總控室單獨設置時，應在消防總控室設置可燃氣體(蒸汽)的顯示報聱裝置，并安裝相應的手動、自動聯(lián)動控制及顯示設備狀況的裝置。
(3)各種現(xiàn)場設備至PLC設備應采用星形拓撲結(jié)構(gòu)布線，并根據(jù)不同設備選用相應的線纜，以便提高可靠性。
(4)在有毒、可燃氣體的儲存間，使用場地及輸送管道沿線都應設置相應的探測器，并根據(jù)氣體特性、環(huán)境條件及探測器的技術(shù)性能進行合理布置。
(5)對于工藝使用的一般液體化學品，通常采用單層管進行輸送，應在化學品分配處及輸送管道的最低點集液盤處設置液體探測器。
(6)對于有嚴重腐蝕性的液體化學品及某些重要的燃料通常采用雙層管輸送，應在化學品分配處及輸送管道的最低位置的外管壁處設置T型接頭，在接頭處設置液位開關(guān)進行檢測。
(7)腐蝕性的工業(yè)廢液通常用管道輸送到處理池，因此在輸送管道的較低處的集液盤處設置液體探測器。
(8)有的液體化學品儲量較少，為了檢測其泄漏，常在儲存間地面設淺地溝，此時應在溝內(nèi)敷設泄漏檢測電纜，以便檢測泄漏的液體。
(9)由于使用化學品，可能發(fā)生濺射到眼睛內(nèi)的事故，因此通常設置了洗眼器和安全噴淋，因此應將管道上的水流開關(guān)連接到PLC上，以便有情況發(fā)生時，及時發(fā)現(xiàn)及時進行處理。
(10)除上述探測器、傳感器、開關(guān)等獲取信號外，在一些重要位置還要設置人工手動報警點，緊急情況時進行報瞀。
(11)有防爆和腐蝕性的地方，管線敷設和設備選-型、安裝應按相關(guān)要求進行。
(12)發(fā)生泄漏事故后，應聯(lián)動相關(guān)的閥門、栗、風機，啟動相應的泄漏聲光警報裝置(與火災瞀報有區(qū)別)，并打印相關(guān)記錄。對某些特別重要的設備，應采用硬接線，可以從總控室人工控制。某些地方應采用探測器(傳感器)直接聯(lián)動控制相應的設備。
6.消防自動化系統(tǒng)FAS
6.1潔凈廠房的消防特點
由于生產(chǎn)工藝對生產(chǎn)環(huán)境的特殊要求，因此微電子工廠通常都有許多潔凈度等級不同的潔凈室。潔凈廠房內(nèi)相對封閉，火情不易被外面發(fā)現(xiàn)，消防人員較難接近。另外潔凈室內(nèi)的人員較少，如果有火情，內(nèi)部人員也較難發(fā)現(xiàn)。潔凈廠房內(nèi)人員進出迂回曲折，人員疏散比較困難。一旦失火將造成巨大的人身和財產(chǎn)損失，而且要恢復生產(chǎn)也很困難。因此設置一套髙效可靠的火災報警及聯(lián)動控制系統(tǒng)就顯得非常重要。
6.2系統(tǒng)設計
由于這類工廠火災探測點多，需要聯(lián)動的設備多，且可靠性要求髙，因此采用控制中心報警系統(tǒng)。
在每個較大的建筑內(nèi)設置相應的智能型火災報警控制器，各報警控制器之間形成環(huán)型網(wǎng)絡。這種系統(tǒng)與采用一臺大容量的火災報警控制器覆蓋全廠或集中——區(qū)域報警系統(tǒng)相比可靠性更髙。
消防總控室的主機應有與BMS集成的接口，保證可靠通信。
應配備消防聯(lián)動控制設備、圖形顯示設備、打印設備、火災應急廣播系統(tǒng)、消防專用電話、UPS電源等。
6.3潔凈廠房內(nèi)選擇火災探測器霑要考慮的幾個因素
可燃物質(zhì)初期火災的特點和發(fā)展特性、環(huán)境條件(如高度、面積、溫濕度、空氣流向、流速、有無對火災探測器的干擾源等)是我們選擇火災探測器要考慮的基本因素。
潔凈室內(nèi)除可燃氣體外的火災屬于普通火災，其燃燒過程一般要經(jīng)歷火災醞釀期的不可見煙霧(陰燃)、可見煙霧、可見光和劇烈燃燒四個階段。如何盡早在不可見煙霧(陰燃)階段發(fā)現(xiàn)火情贏得時間是很關(guān)鍵的。
對于潔凈室來說，影響火災探測器探測火災的主要因素是空氣流向及流速。
6.4空氣流向及流速對火災探測器的彩響
為了滿足生產(chǎn)工藝對生產(chǎn)環(huán)境的潔凈要求，對室內(nèi)的氣流流型、送風量、換氣次數(shù)都有嚴格要求。潔凈度等級為1~5級的一般采用單向流，平均風速為0.2-0.5m/s;潔凈度等級為6~9級的通常采用非單向流，層高小于4米的潔凈室其換氣次數(shù)在10~60次/h，在某些情況下，換氣次數(shù)在1〇〇次/h以上。
舒適性空調(diào)房間內(nèi)的換氣次數(shù)較低可以不考慮火災時對煙霧粒子探測的影響。而較髙的換氣次數(shù)將減少煙霧粒子到達火災探測器的幾率。美國NFPA72標準中表明當換氣次數(shù)為10次/h時，探測器的保護面積是標準狀況的0.833,當換氣次數(shù)為30次/h時，其保護面積僅為原來的0278。
6.5探測器的選擇及布置
根據(jù)潔凈室構(gòu)造特點、氣流流型、風速、換氣次數(shù)及對各種火災探測器性能特性的綜合考慮，探測器的選擇和布置宜按下列要點進行：
(1)對于吊頂上布滿高效過濾器，利用技術(shù)下夾層、技術(shù)夾道、技術(shù)夾墻作回風通道的，應選擇采樣管+激光探測裝置+吸氣泵結(jié)構(gòu)的吸氣式感煙探測報警系統(tǒng)(也稱極早期煙霧探測預警系統(tǒng)、空氣采樣式煙霧偵測系統(tǒng))。靈敏度達〇.〇〇4%-0.005%obS/m，比常規(guī)的探測器高約1〇〇〇倍，其報警時間比常規(guī)探測器提早30-120分鐘，這對于不宜啟動自動滅火裝置的潔凈廠房來說極為重要。
采樣管網(wǎng)應布置在技術(shù)下夾層、技術(shù)夾道、技術(shù)夾墻內(nèi)。如何設計采樣管網(wǎng)有許多因素要考慮，但最根本的一點就是使得該系統(tǒng)能有效的采集到火災煙霧粒子，并將這些“樣本”在10-90s內(nèi)，最好是在60s內(nèi)從采樣管上最遠的采樣孔傳輸?shù)教綔y器并產(chǎn)生響應，并使整個系統(tǒng)可靠工作。
(2)對于在吊頂上既有送風口、又有回風口的潔凈室，可選擇點型激光探測器，其靈敏度可達0.1%obs/m，雖然不如上述探測器靈敏度高，但相對常規(guī)探測器提髙了40-50倍。對面積較小且潔凈度等級不太高的潔凈室來說，既可早期報警又有安裝方便經(jīng)濟的特點。
(3)風管內(nèi)的火災探測
由于潔凈廠房的構(gòu)造和環(huán)境情況較復雜，潔凈房間之間通過風管相連。因此除對潔凈房間進行火災探測外，對風管內(nèi)的火災煙霧進行檢測是十分有必要的。
根據(jù)回風支管內(nèi)的風速，回風管截面狀況、安裝位置、對檢測火災的重要程度，可分別選用主動吸氣式空氣采樣探測器、被動吸氣式空氣采樣探測器。
7.綜合布線系統(tǒng)
7.1關(guān)于布線系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃的問題
有一種方法是將智能化系統(tǒng)中的所有布線采用一套整體布線系統(tǒng)TBIC，這種“即插即用”的布線系統(tǒng)還不成熟，因此微電子工廠目前不應采用這種集成布線系統(tǒng)。
另外，如本文BMS系統(tǒng)布線一節(jié)所述，微電子工廠目前也不宜將通信網(wǎng)絡系統(tǒng)CNS、辦公自動化系統(tǒng)0AS和建筑設備綜合管理系統(tǒng)BMS統(tǒng)一規(guī)劃為一套綜合布線系統(tǒng)。因此，目前情況下微電子工廠的結(jié)構(gòu)化布線主要是支持通信網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡的應用。
7.2干線子系統(tǒng)
(1)光纖配置
通常這類工廠的干線采用光纜和銅纜混合組網(wǎng)。在光纖干線的配置中，通常的布線可按每48個電氣工程應用信息插座配置2芯光纖，但這是規(guī)范規(guī)定的最低配置要求。由于微電子類工廠產(chǎn)品變化大，工作區(qū)信息點的數(shù)量比較大，而干線的變動對工廠來說影響是比較大的。為了避免今后變化帶來的影響，干線光纖配置通常是上述標準的2至3倍，有時還會更高。
(2)路由
如果停產(chǎn)一天，將會造成巨大的損失，因此對可靠性要求很高。微電子工廠是由層數(shù)不多的幾個建筑組成的，有的還是單層建筑，建筑內(nèi)沒有專門的豎井敷設干線，而是水平敷設干線系統(tǒng)。因此某些重要工廠，從設備間至各交接間的干線采用兩個不同的路由敷設相同的光纜,以保證某個路由出了問題不影響整個系統(tǒng)的運行。
如果采用這種方法有困難，則應在交接之間敷設干線光纜及相應的接插件,以便某根光纜有問題時用此光纜代替。
光纖干線的敷設雖然干線系統(tǒng)與配線系統(tǒng)在工廠中很多地方都是水平敷設的，路由也有相當部分相同，但是不宜合用一個橋架。配線電纜的敷設、調(diào)整、檢修都會對干線尤其是光纜造成不利影響。
在室外敷設時，如果在大口徑管中敷設多根光纜時，則每根光纜應穿PVC子管保護。
上述這些辦法雖然使投資增大一些，但占總投資的比重不大，而可靠性卻大為提高。
7.3設備間、交接間的布置
在按照設計時的條件確定好機柜數(shù)量并進行布置時，應適當預留今后布置機柜的位置;另外在交接間還應考慮配電箱和UPS電源的位置,比用插座配電更好。
7.4線纜選型
這類工廠的主要廠房是潔凈廠房，應選擇FEP和PEA氟塑料樹脂制成的電纜，其他地方可選用LSHF-FR低煙無鹵阻燃型電纜。
【微電子工廠建筑智能化設計論文】相關(guān)文章：