Vertex气体侦测器在GMS中的应用

何运

[摘    要]随着科学技术及智能技术的发展，人们对半导体集成电路芯片需求越来越大。集成电路的生产加工由于工艺的需求，需要使用到一定量的特殊气体，为保证生产线人员的安全及生产过程的稳定可靠，半导体厂务运营中心需要對生产工艺中使用到的气体是否泄漏进行实时监控。针对这一需求，设计了气体监控系统（Gas Monitor System， GMS）。GMS通过在现场气源端、气体分配阀端、机台端、环境端装置气体侦测器，从而检测现场保障气体使用过程中的安全。当现场发生气体泄漏，装置在现场的气体侦测器感应并发出报警，报警信号经PLC逻辑判断后进行相应的联动输出。当检测到的气体浓度达到一定的设定级别时，GMS会联动远程关断供气装置，从而实现GMS的自动控制。主要讲解美国Honeywell公司生产的纸带型Vertex气体侦测器在GMS中的应用。

[关键词]气体侦测器;模拟量信号;数字量信号;PLC 总线;自动控制

[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–00–03

[Abstract]With the development of science and technology and intelligent technology， the demand for semiconductor integrated circuit chips is increasing. Due to the process requirements， a certain amount of special gas is needed in the production and processing of integrated circuits. In order to ensure the safety of production line personnel and the stability and reliability of the production process， the semiconductor factory operation center needs to monitor whether the gas used in the production process leaks in real time. To meet this demand， we designed a gas monitor system （GMS）. GMS system is equipped with gas detector at the gas source end， gas distribution valve end， machine end and environment end， so as to detect the gas on site and ensure the safety in the process of gas use. In case of gas leakage on site， the gas detector of the device on site senses and sends out an alarm， and the alarm signal is output through PLC logic judgment. When the detected gas concentration reaches a certain set level， the GMS system will remotely shut off the gas supply device， so as to realize the automatic control of the GMS system. This paper mainly introduces the application of tape type vertex gas detector produced by Honeywell in GMS system.

[Keywords]gas detector; analog signal; digital signal; PLC bus; auto-control

随着人类的发展革新，人们对工作环境、安全和健康有更高的要求，根据ISO14001环境论证体系及OHSAS18001职业健康安全论证体系的要求，生产环境的安全和人员健康的安全关系到企业的持续稳定的发展。半导体集成电路行业作为日趋成熟的高端制造行业，由于芯片生产的高价值，其生产环境的高洁净要求能提升产品的良率，稳定可靠的生产能提高运营效率。但由于生产工艺的特殊性，需要在特定的工艺生产中使用到一些特殊（有毒性、腐蚀性、可燃性）的气体。为预防和保证工艺过程中使用特殊性气体的安全，保证生产工艺的可靠和保护现场人员的安全，所以需要建立可靠的GMS。采用美国Honeywell公司生产的Vertex纸带型气体侦测器应用于GMS，以保证GMS的侦测器的稳定可靠。

1 GMS架构

GMS是一套集成了现场设备（AI/DI）、PLC控制系统、信号收集及显示的一套完整的自动控制系统。GMS通过在现场气源端、气体分配阀端、机台端、环境端装置气体侦测器，从而监控现场保障气体使用过程中的安全。气体侦测器通过把气体浓度值转换为4～20 mA电流信号输出，电流信号经GMSPLC模拟量输入信号（AI）卡收集处理，当气体浓度值达到一级设定条件，GMS会联动对应的数字量输出信号（DO），从而联动厂区内部的区域声光报警指示灯黄灯点亮，以提醒现场人员进行安全防护，提醒机台工程师尽快检查机台操作是否得当。当侦测到的气体浓度值达到二级设定级别时候，紧急情况下可实现远程关闭供气装置，同时联动区域报警灯黄、红、蜂鸣声，联动厂区内部的语音广播系统通知人员有序、及时疏散。GMS从而实现气体泄漏的自动检测、逻辑判断、联动报警输出的自动控制。

一套完整的GMS集成架构包含现场的气体侦测器及关联的报警装置，PLC控制单元及信号收集的SCADA单元，常见的GMS架构如图1所示。当现场发生气体泄漏，GMS通过现场气体侦测器收集到的气体的浓度值以ppb或者ppm显示，气体浓度值数据通过通讯协议传输到PLC系统，最后把气体浓度信号传递到厂务运营控制中心的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，实现了厂务运营中心24 h、全方位地监控现场安全用气。

2 Vertex气体侦测器在GMS中的应用

2.1 Vertex气体侦测器

Vertex72点纸带型气体侦测器多用于半导体集成电路制造、显示面板、LED、光伏及高端制造产业，尤其以8英寸和12英寸的半导体集成电路制造行业应用比较多。美国Honeywell公司生产的Vertex气体侦测器凭借稳定可靠的性能，报警能留下物理证据的特点，Vertex24点和72点纸带侦测器在行业内应用比较广泛。

Vertex24点和72点纸带型气体侦测器，主要用于检测有害性、腐蚀性气体，可支持最多检测40多种气体。其中，24点Vertex每台设备最多可以侦测24个侦测点，每个气体分析仪含有8个侦测点，最多可以安装3个气体分析仪。72点Vertex每台设备最多可以检测72个侦测点，每个气体分析仪含有8个侦测点，最多可以安装9个气体分析仪。Vertex设备采用真空泵主动抽取采样气体到气体分析仪端，如果通过的采样气体不含有目标气体时，则采样气体和Vertex分析仪上的纸带不发生化学反应。反之，若含有目标气体，则发生化学变化并在纸带上留下反应后的色斑。

Vertex纸带型气体侦测器设备自带一套PLC控制系统，它选用美国Rockwell公司生产的SLC500系列可编程逻辑控制器（PLC）用于处理数据及程序的逻辑控制。

Vertex72点纸带型气体侦测器可以支持多种通讯协议，包含以太网、Profibus、ControlNet和串口通讯。目前，国内GMS中约80%的Vertex气体侦测器的通讯方式为Profibus通讯。Vertex气体侦测器设备端可以配置一套SSTProfibusScanner，通过此模块，实现Vertex气体侦测器和GMS中的西门子PLC进行Profibus通讯，收集Vertex气体侦测器端的通讯状态、设备点位报警状态、设备故障状态、侦测点浓度值的信号。相对于其他的通讯方式，GMS中VertexProfibus通讯的技术已经非常成熟、安全、可靠。

2.2 Profibus通讯

Profibus是一个用在自动化技术的现场总线标准。Profibus通讯线缆采用Profibus线缆，同时对Profibus线缆传输距离进行了定义，其传输速率为9.6 kbps～12 Mbps。

当通讯速率在9.6～93.75 kbps时，Profibus线缆最大的传输距离为1200 m。

当传输速率为187.5 kbps时，Profibus线缆最大传输距离为1000 m。

当传输速率为500 kbps时，Profibus线缆最大传输距离为400 m。

当传输速率为1 500 kbps时，Profibus 线缆最大传输距离为200 m

当传输速率为12 000 kbps时，Profibus 线缆最大传输距离为100 m。

2.3 Vertex侦测器Profibus通讯在GMS中西门子PLC 的配置

（1）Vertex 纸带侦测器与西门子系列的PLC 进行Profibus-DP通讯，建议Profibus-DP线缆采用1.5 Mbps的传输速率。如果速率太高，影响线缆的总长度，GMS设计时可以根据厂区布局及线缆走向进行合适的传输速率。

（2）PLC硬件配置，首先在PLC硬件配置里安装Vertex.gse 文件（资料由Vertex侦测器厂家提供），以便配置Vertex所需的通讯模块信息。

（3）PLC硬件组态，Vertex.gse文件导入后，会有对应的IO 模块，可以直接选取所需的122个字所需的。

2.4 Vertex Profibus 地址定义

Vertex设备内部已经定义了122Word（字（244 Bytes字节）的地址。设备端的地址用于Vertex侦测器的状态报警、設备故障报警、侦测点浓度值报警。GMSVertex Profibus通讯，GMS需要对所需的Vertex状态信息进行地址信息的收集。GMS对Vertex设备提供的地址进行信息抓取，当Vertex Profibus通讯和GMS的PLC Profibus通讯连接后，就可以根据定义后的地址进行信号的收集。

地址定义信息如下：

0-35Word位    Vertex气体侦测器报警状态。

36-40Word位   Vertex仪器故障状态报警。

41-49Word位   Vertex备用。

50-121Word位  Vertex72点气体浓度值信号。

设备端对报警状态数值定义：

“0”Vertex气体侦测器正常运行不存在气体报警。

“1”Vertex气体侦测器存在小于一级报警的（预报警）。

“2”Vertex气体侦测器一级报警。

“3”Vertex气体侦测器二级报警。

设备端72点气体浓度值信号（AI模拟量4～20 mA信号）数值定义：

“0”          Vertex气体侦测器不存在。

“3120”       Vertex气体侦测器设备故障（2 mA信号）。

“6241～31206”Vertex气体侦测器设备正常的4～20 mA信号。

例如，当设定的某一个气体量程范围为（0～100）×10–6，那么当Vertex气体侦测器接受到“6241”数值时，那么Vertex气体侦测器对应气体浓度值显示就是0;当Vertex气体侦测器接收到“31206”数值时，那么Vertex气体侦测器对应的气体浓度值显示就是100×10–6。

2.5GMS 系统PLC编程

西门子PLC编程与常规4～20 mA模拟量输入类似处理，对对应的模拟量PIW值进行量程转换和报警设置。Vertex气体侦测器设备端定义的原始量程值为：6241～31206，采用自己定义的标准的FB‐Vertex功能块，对内部量程转换进行了处理，第50个地址开始是对应的侦测点浓度值，前面是各端口状态地址。部分的GMS组态及程序块如图2所示。

3 应用举例

例如一个半导体项目上，Vertex气体侦测器采用Profibus通讯，客户需要按照所需的NH3气体进行Vertex气体侦测器点位设置，Vertex气体侦测器的目标端的气体信息的定义需要对Vertex侦测点1-1-1到1-1-8设置NH3 气体。

Vertex气体侦测器设备端自带人机界面显示（HMI），Vertex 气体侦测器端点位配置如图3所示，Vertex72点侦测器设备端，需要在HMI界面上对所用到的1-1进行点位配置。保证Vertex设备端定义的地址和GMS对应的NH3气体信息、NH3气体类型、NH3气体量程（0～100）×10–6、NH3气体预报警值为9×10–6，一级报警设置为12.5×10–6，二级报警设置为25×10–6。按照上述的信息对1-1气体分析仪进行配置。

4结束语

提供了一种常用的Profibus通訊，将Honeywell Vertex气体侦测器集成到GMS中。提供了Profibus现场总线在GMS整合中的应用，为GMS集成者提供了相关的Profibus总线的经验。利用Profibus通讯方式将Vertex侦测器整合到GMS中，确保了Vertex气体侦测器设备在GMS中的应用，更好地服务客户现场，保证现场使用气体的安全。

“无危则安，无损则全”，安全无小事，安全关乎人的日常生活和厂区安全生产。GMS中引入高精度、高品质、高稳定的纸带型Vertex气体侦测器，能为企业厂务运营管理人员及环境安全管理人员提供更好的气体泄漏监控管理，能更好地实时监控气体使用状况，能更好地服务企业，创造更高价值。

参考文献

[1] 任一峰，杨志勇，温杰.多层次自动控制原理实验体系的构建与实施[J].教育教学论坛，2020（9）：383-384.

[2] 冯骥.现场总线工业控制网络技术初探[J].电子世界，2018（18）：181，183.

[3] 许紫晗. 基于工业物联网的实验室设备监控系统的设计和实现[D].呼和浩特：内蒙古大学，2016.

[4] 王树祥，宋恩泽，于辉荣.西门子故障安全型PLC在焊管生产线上的应用[J].焊管，2018，41（8）：44-49.