厂务设施中央监控系统设计指引.docx

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厂务设施中央监控系统设计指引

FacilityMonitoringandControlSystem

DesignGuide

厂务设施中央监控系统设计指引

技术手册

高科技项目/仪电组

1.0系统简介

1.1系统用途

半导体电子厂厂务系统之中央监控系统，是提供半导体电子厂房洁净的工作环境及稳定与安全的Utility供应系统，使工厂生产线运作顺利，维持高良率。

负责供应半导体电子厂之洁净的厂房环境维护及制程上所需之各系统之厂务公用设施，称为“厂务系统”，每个厂务系统大都会有自己独立之监控系统（统称为SCADA，SupervisoryControlAndDataAcquisitionSystem）例如MepSCADA、CleanRoomSCADA、PowerSCADA、WWTSCADA、DIWSCADA….等。

中央监控系统（FMCS），简单的说是将许多不同系统性质之监控子系统（SCADA），进行信息之整合，进而形成一个单一且功能强大的全厂厂务管理系统，成为有效的管理信息，做为厂务系统操作者与管理阶层的有效工具。

1.2主要设备

厂务监控系统，主要之设备如下：

1.控制器

‧PLC（ProgramLogicController）可程控器

‧DDC（DirectDigitalController）直接数字控制器

‧SLC（SingleLoopController）单回路控制器

‧DCS（DistributionControlSystem）分布式控制系统

目前半导体电子厂之FMCS架构大都以PLC或空调用DDC

为Base较多。

2.监控平台﹕

人机界面（HumanMachineInterface，HMI）

广义而言，只要是提供操作者与机器设备沟通、操作，控制及管理的工具接口，都算人机界面（HMI），例如传统的控制盘，MimicBoard，Annunciation，控制台OperationConsole...等。

在FMCS系统,所有以往的操控接口都可在计算机上执行，因此对现代的中央监控系统而言，HMI指的是透过PC及图控软件所执行的厂务监控设施。

一般人机界面包括:

‧监控计算机（Engineer、OperatorandOtherViewerStation）

‧服务器（Data、Alarm、WeborOthersServer）

‧系统软件

‧喷墨或雷色彩色打印机（Trend，Historian）

‧针式打印机（Alarm）

‧网络集线器（SwitchHub）

‧其他（警报系统）

3.通讯网络（CommunicationNetwork）

‧通讯系统标准化

‧目前PLC之通讯网络发展，皆以标准之模块化通讯协议（Protocol），取代以往透过（GateWay）程序编译之软件方式。

‧通讯网络模块（CommunicationModule）之网络阶层。

-信息层（InformationLayer）

-控制层（ControlLayer）

-设备层（DeviceLayer）

4.系统软件

PLC系统软件，目前大多建立在Windows工作环境依其功能/用途可分为:

‧PC作业环境软件

‧PLC编辑软件

‧FMCS图控软件

‧Server软件

‧其他驱动程序/软件

5.传输媒体（PhysicalMedia）—电缆

‧信息层/控制层

-二芯对绞线（TwistedPair）

-同轴电缆（CoaxialCable）

-光纤电缆（FiberOpticCable）

‧设备层

二芯对绞线（TwistedPair）

6.现场仪器设备

‧装置于电子厂房各厂务系统之现场管线（PipeorDuct）、容器（Vessel）、水槽（Tank）、集水坑（Pit）或其他机械设备上之压力、温度、湿度、露点、焓值、差压、流量及液位之仪器开关（Switch）、传送器（Transmitter）及现场传感器（Sensor/Element）等。

‧控制阀类

对制程上流体之差压（压力）、温度、湿度、露点、焓值、流量、液位等，做适当之节流或ON/OFF之控制。

1.3控制功能

FMCS/Scada功能﹕

在FMCS系统，所有的操控接口都可在计算机上执行，因此透过HMI之监控计算机（Engineer、OperatorandOtherViewerStation）及图控软件所执行的厂务监控功能如下：

1.控制-各系统制程上之Pump、Fan运转、设备启停、控制阀开关及压力、差压、温度、湿度、露点、焓值、流量、液位….等之闭回路、开回路、逻辑连锁、批次及警报设定…等之控制。

2.监视/数据收集-各系统制程管线及设备上之（压力、差压、温度、湿度、露点、焓值、流量、液位…等）数据及马达、设备运转、控制阀开关状态及警报…等之数据收集、指示、记录及监视等。

3.监视/分析-各系统制程参数、设备运转及启停、控制阀开关….等之运转参数，可随时Realtime作为报表记录、历史趋势图（Historian、Trend、Log）等，并作为日后维修、校正及异常分析。

2.0设计准则

2.1厂务监控系统之控制器架构设计，并无一定之标准，应以ITB之要求及业主意见为考虑依据。

1.一般大型晶圆厂或LCD之厂务监控大都是PLC为Base。

2.一般模块厂LCM或组装厂，则是以DDC架构，也有只用DDC或SLC之现场控制功能。

3.其他亦有PLC+DDC（如华东S2）或是DCS+PLC（如台朔光电PDP-I厂）。

4.另外必须考虑是否有Redundant之需求及Redundant之方式。

2.2现场仪器设备除了业主ITB之要求外，应考虑制程用途，作适当选择工业级或依一般商业用之空调仪器设备及控制阀类。

2.3仪器电源（如110VAC、24VDCor24VAC）及信号（如4~20mADCor0~10VDC）之种类规划，除了业主ITB之要求外，亦应将控制器型式（PLCorDDC）与仪器电源合并考虑。

2.4本作业应依据下列适用之档、标准及法规﹕

1.本作业依据之文件：

‧业主技术规书－厂务监控（FMCS）系统及仪器设备相关部分

‧项目有关会议记录及备忘录

‧当地国家标准及电气法规

‧仪控设计工作指导书

‧厂区建物位置平面图

‧机电设备平面配置图

‧危险区域划分图

‧机电／仪控界面及电源单线图

‧电缆线槽配置平面图

‧控制器及仪器设备厂家数据等

2.本作业依据之标准及法规﹕

‧NEMA国际电气制造商协会

（NationalElectricalManufacturer’sAssociation）

‧ANSI美国国家标准

（AmericanNationalStandardInstitute）

‧NEC国际电气法规

（NationalElectricalCodes）

‧ISA美国仪表协会

（InstrumentSocietyCodes）

‧UL保险商实验所

（UnderwritersLaboratories）

‧DIN德国工业标准

（DeutshesIntiituteFurNormunge.v.）

‧ASME美国机械工程协会

（AmericanSocietyofTestingMaterials）

‧ASTM美国材料测试协会

（AmericanSocietyofTestingMaterials）

‧IEC国际电机协会

（InternationalElectromechanicalCommission）

‧IEEE电机及电子工程协会

（InstituteorElectricalandElectronicEngineers）

‧CNS中国国家标准

（ChinaNationalStandard）

3.0设计步骤及注意事项

中央监控系统（FMCS）规划设计工作，需依据业主ITB之要求、技术规书及仪控设计工作指导书，逐步完成项目工作围之厂务中央监控系统之设计工作，包含下述步骤﹕

3.1建立厂务监控系统架构图

1.选择控制器型式PLC、DDC、DCSorSLC或多种控制器组合为厂务监控（FMCS）系统之架构。

如附件：

‧PLC控制系统之架构图（附件一）

‧DDC控制系统之架构图（附件二）

‧DCS+PLC控制系统之架构图（附件三）

‧PLC+DDC控制系统之架构图（附件四）

2.控制器之数量需依系统、功能及位置考虑：

‧不同系统之控制器要独立（如CleanRoomHVAC、MEP、DIW、WWT、ProcessExhaust…等控制器应分开）。

‧如仪器或机械设备在相距很远之Building宜选用RemoteI/OPanelor小型PLC（如A-BMicrologic1000/1500）。

3.是否有Redundant之规要求？

Redundant之方式为何？

‧（CPU&PowerSupply）Redundant

‧（CPU、PowerSupply&Communication）Redundant

4.或是其他Backup方式？

‧PLC+SLC（BackupPanel）

‧PLC+DDC（BackupPanel）（附件五）

‧PLC（Redundant）+SLC（BackupPanel）

5.选择适当之模块

a.网络通讯（Protocol）模块

‧一般PLCorDCS与FMCS/HMI图控之信息层都可具备Ethernet之网络通讯接口及TCP/IP之通讯协议（Protocol）模块。

‧PLC与HMI图控之网络通讯接口，也可以控制层（如ModbusorA-B之D-H+）连接之网络架构。

‧PLC与PLCorRemoteI/OPanel之控制层连接，则是以各厂牌之通讯协议（Protocol）模块而定（如Siemens之Profidbus、Modicon之Modubus或A-B之ControlNetorD-H+…等）。

‧各DDC厂家之HMI图控通讯接口，则较为封闭，不开放连接其他厂牌之DDCorPLC控制器。

‧PLC+DDC之架构，需考虑在PLC架构平台之HMI图控（如IntouchoriFix），DDC则要注意需有Ethernet之通讯接口整合器。

‧电力监控之数字电表（PowerMeter）数量之RS-485/Modbus模块需求量。

‧其他独立系统与FMCS/HMI图控之信息层，必需具备Ethernet之网络通讯接口及TCP/IP之通讯协议（Protocol）模块。

b.I/O模块

‧AnalogueInput&OutputModules需配合现场仪器之信号需求，一般是4~20mADCor0~10VDC。

‧DigitalOutputModules需有IsolatedRelay，InputSignal需要求为DryContact。

6.决定HMI之设备功能及数量

‧监控计算机要考虑Engineer、View及Alarm、WEB及SQL等Server之功能及数量。

‧其他相关设备，视业主之需求，如HardCopyPrinter（ColorJetorLasertype）、AlarmPrinter（Matrixtype）、Hub、AnnunciationPanel…等。

7.选择传输媒体

a.一般之传输媒体—电缆：

‧二芯对绞线（TwistedPair）-费用便宜,传输效果佳

‧同轴电缆（CoaxialCable）-费用次之,传输效果更佳

‧光纤电缆（OpticFiberCable）-费用贵,传输效果优异

b.控制器之信息层与控制层需视距离远近与传输数据之负载量而定。

‧一般小厂之监控系统，距离近与传输数据之负载不大，可采用二芯对绞线（TwistedPair）。

‧大厂之信息层传输数据负载大，则可考虑选用光纤电缆（OpticFiberCable），控制层如距离不远，一般都选用二芯对绞线（TwistedPair）。

c.现场仪器与控制器I/O模块之设备层，目前都是用二芯对绞线（TwistedPair），仿真讯号需加遮蔽网（Shield）。

3.2依设备需求制作控制系统之I/OList

1.依P&ID流程图之仪器及机械设备之种类、功能及数量，计算I/O点数。

（附件七）

2.依马达/泵之控制方式，计算I/O点数。

‧1xDoforPumpOn/Off（MaintainContact）

‧2xDoforPumpOnandOff（PulseSignal）

3.依马达控制阀（MOV）之控制方式，计算I/O点数。

‧1xDoforMotorValveOpen/Close（SpringReturnor利用一个Do之输出Relaya/b接点控制MotorValveOpenandClose）

‧2xDoforMotorValveOpenandClose（PulseSignal）

4.被控制设备是否有其他回馈信号?

‧变频器是否有其他回馈信号（如电流、频率等）

‧比例式控制阀是否有其他回馈信号（如Opening%Signal）

‧On/Off式控制阀是否有其他回馈信号（如Open/CloseLimitSwitches）

5.电气组提供高低压盘（如ACB/VCB、AVR、ATS、UPS及DieselGenerator等）之电力监控需求。

6.注意ITB之要求及技术规上SpareI/O及Panel之SpareSpace需求量。

3.3绘制各系统设备之控制流程（概念）图

1.依业主ITB、技术规之要求及机械各系统之流程图或P&ID图，绘制监控系统之控制流程（概念）图。

（如附件八）

2.须注意各制程机械设备、相关仪器及控制阀之信号种类及数量需求，并将它表示于控制系统流程（概念）图上。

3.如为各系统Package之控制设备（盘）或仪器，应以”Note”加以注明”ScopebyXxx”，以区分工程围。

4.仪器设备之编号（TagNo.）应标写于控制流程（概念）图面上，如相似之设备（如空调箱）上之仪器可以表格制作表示之，如无法完全表示于图面上，应于规上统一仪器编号之规则与方法。

5.决定PLC、DDCorDCS控制系统之电力需求

a.PLCorDCS电力需求为110or220VAC50or60Hz（依当地电力系统而定）。

b.PLCorDCS之I/O模块电力需求为24VDC，可提供二线式仪器之24VDCLoopPower。

c.DDC电力需求大多为24VAC（现场DDC盘电源可提供空调仪器24VACPower需求）。

d.PLCRemoteI/OPanel或DDCPanel需可提供现场仪器（24VDC、24VAC、110/220VAC50/60Hz）之电力需求。

3.4选择相关软件

1.依业主ITB或技术规之要求，选择适当之图控软件。

2.所有系统使用之软件（含系统操作、逻辑编写、图控软件…等）都必须具有合法。

3.目前电子厂较常用之图控软件为Intouch或iFix。

4.如业主无特殊要求或规定，则以与控制器同厂牌之Package图控软件为优先考虑，如Siemens之WinCC、A-B之RsviewS.E或GE之Cimplicity…等。

5.需依工作站之功能区分发展（Develop）版（forEngineerStation）与执行（Runtime）版（forView/ControlStation）。

6.如业主规要求专业Server软件，则需另外规划SQL或其他Server软件（一般Develop版图控软件，也可以做Server功能）。

7.其他相关软件，如PC之操作系统Win2000orXPProfessional、Office、PrinterDriver…等。

3.5控制器与仪器平面配置图（除非业主ITB有此要求，否则一般都是由施工承商绘制平面施工图）

1.依机械各系统之管线设备平面图，修改并绘制监控系统之控制器与仪器位置与编号（TagNo.）。

2.上述之图面，套上电气组提供之CableTray配置图。

3.最后加上监控系统之控制器与仪器间之电缆与电管需求，完成厂务监控系统之控制器与仪器平面配置图。

4.需注意电管之规格材质，一般是屋外使用RSG管，屋使用EMT管，预埋使用PVC管。

3.6厂务监控系统规书

厂务监控系统规书，至少应包括下列项目：

‧工程说明

‧工程围

‧工程接口（包括承包商职责）

‧品管

‧厂商图面、文件提送（必须包括工程细部施工与竣工图面）

‧运送、储存与装卸

‧系统架构与功能说明

‧设备功能与规格（包括控制器、工作站、服务器、外围设备、系统软件、UPS供电设备…等）

‧执行计划（包括工程计划、安装施工、测试与验收、教育训练、维护与保固）

3.7仪器规书

一般仪器规书，至少应包括下列项目：

‧工程说明

‧工程围

‧工程接口（包括承包商职责）

‧品管

‧厂商图面、文件提送（必须包括工程细部施工与竣工图面）

‧运送、储存与装卸

‧仪器设备通则说明

‧仪器设备功能与规格

‧执行计划（包括安装施工、测试与校正、仪器命名、教育训练、维护与保固）

3.8完成厂务监控系统图面设计与规

厂务监控系统的设计图说（DesignOutput）须包括下列部分或全部之图面或档﹕

1系统架构图

2输入输出表（I/OList）

3各系统设备控制流程（概念）图

4控制器与仪器平面位置图（如果业主ITB有此要求）

5规书

6材料表

3.9图面设计与规书之校核、审定与核准

图面设计与规书完成后根据所列项目及其权责划分由设计工程师﹑审查者／专长组长（LeadEngineer）逐项校核、审定并作修改记录，再送授权主管核准并签名。

3.10图面设计与规书确认

1设计图面与规书经部门之审定与核准后，送请项目经理（ProjectManager）核准及业主（依合约规定）确认，以确认本设计符合项目及业主要求。

2项目经理或业主如有任何意见，应以书面正式通知原设计者修订，经进版修改及部门之校核、审定与核准程序后，再送请项目经理（ProjectManager）核准及业主（依合约规定）确认。

3将确认完成之核准图及其它相关数据，一并发行供业主发包作业。

（附件一,PLC监控系统架构图）

（附件二,DDC监控系统架构图）

（附件三,DCS+PLC监控系统架构图）

（附件四,PLC+DDC监控系统架构图）

（附件五,PLC+SLC/DDC（BackupPanel）系统架构图）

（附件六-1,I/OList-空调系统）

（附件六-2,I/OList-电力监控）

（附件七-1,MAU控制流程（概念）图）

（附件七-2,PCW系统控制流程（概念）图）