半導體電子廠房氣體檢測及監視系統的設計

高三壘

中國電子科技集團公司第十三研究 河北石家莊 050051

1 氣體檢測及監視系統的設計

1.1 系統描述

氣體檢測和監控系統（GDS/GMS）是生命安全系統（LSS）的一部分。該系統集成了氣體泄漏警報、安全組合以及各種氣體設備的重要運行狀態監視功能。其配有氣體檢測器，以檢測生產過程中產生的危險氣體是否泄漏。

為了提高系統可靠性和穩定性，GDS/GMS是冗余配置，它的所在位置是在氣化控制室中。系統網絡為雙環網絡，供電是雙回路電源（市電+固定電源）；網絡或電源出現故障將在系統中設置警報并使用另一網絡或其他電源。人機交互客戶端分別在發電廠的中央控制室和生產廠的氣化控制室以及行政大樓的安全控制室中[1]。

1.2 系統構架

詳細的系統架構分為兩部分：數據采集與監控網絡架構圖和PLC網絡架構圖。下圖顯示了數據采集和監視網絡架構圖，其中包括兩個工程師站（ES），兩個操作員站（OS），兩組冗余的I/O服務器（I/OSERVER）和一組冗余的歷史數據服務器，通過網絡跟數據收集與監控相連。

1.3 系統關鍵組成部分

1.3.1 可編程邏輯控制器（PLC）

GDS/GMS它們一個涵蓋了4000多個硬接線I/O點，布置兩組PLC設備，每組由兩個網絡和兩個電源進行供電，完成了整廠所有可編程邏輯控制器的把控邏輯以及聯合功能和監視性能。

1.3.2 人機界面

GDS/GMS在廠房的中心控制室和生產車間氣化控制室以及行政樓里安保控制室里都布置了操作點，可以直接對該系統進行監視和操作，同時在氣化控制室里布置了兩個工程師站點，能夠直接對該系統進行設置和程序的編程等。

2 氣體檢測器的選擇及設計

2.1 可燃和有毒氣體檢測器設置原則

根據石化可燃氣體檢測規范GB50493-2009和有毒氣體報警設計規范，可燃氣體和有毒氣體檢測儀的設置原則如下：

當可燃氣體泄漏時，可燃氣體的濃度可能達到25%LEL，但是當有毒氣體無法達到最大允許濃度時，將安裝可燃氣體檢測器。當有毒或含有可燃氣體泄漏時，有毒氣體的濃度可能達到最大允許濃度，但是當可燃氣體的濃度不能達到25%LEL時，應安裝有毒氣體檢測儀。

當兩者同時存在時，可燃氣體濃度可能達到25%LEL，有毒氣體的濃度也可能達到最高容許濃度時，分別設置可燃氣體和有毒氣體檢測器。

在同時存在可燃氣體和有毒氣體的情況下，可燃氣體的濃度可以達到25%LEL，有毒氣體的濃度可以達到最大允許濃度時，可以分別對它們設置檢測器。

當相同的氣體可燃且有毒時，僅安裝有毒氣體檢測器。

2.2 檢測的氣體種類及檢測原理

氣體種類中使用的13種有毒或可燃氣體，按照規定設置了不同類型的檢測器，和在控制系統里設置兩級警報。

有毒氣體檢測原理：分為電化學、紅外、定點電解以及隔膜離子電極等。

電化學類型：將擴散氣體的電極浸入普通電解液中，通常是濃酸溶液或鹽溶液，方便在工作電極和負電極間進行離子導電。根據電池的特定類型不一樣，被測氣體會在工作電極的表面上被氧化或還原該反應改變了基于參考電極的工作電極的位置。連接到電池的電子驅動電路根據與所測量的氣體濃度成比例的標準在工作電極和對比電極之間傳輸電流，從而反映所測量的氣體濃度[2]。

催化燃燒類型：當可燃氣體/空氣混合物經過熱催化劑的表面時，它將燃燒。燃燒釋放的熱量將改變鉑線圈的電阻值，該線圈在標準電橋電路中用作溫度計來使用和測量。電阻值的變化表示周圍空氣中被測氣體的濃度，可以顯示在氣體檢測器上。根據氣體檢測儀的安裝區域，有必要考慮防護等級和防爆要求。如果安裝在室外開放區域，則應選擇室外類型或添加防護罩；如果安裝在防爆區域，則必須根據不同的防爆等級選擇相應的防爆產品[3]。

3 與其他系統的聯動功能

3.1 與公共廣播系統（CCTV）的聯動

當GDS檢測到氣體泄漏時，它會向CCTV發送泄漏信號，然后CCTV在整個工廠廣播警報并疏散人員。

3.2 與廠務設施管理與控制系統（FMCS）的聯動

當GDS檢測到氣體泄漏時，它將泄漏信號發送給FMCS，FMCS會激活相應區域中的緊急排氣風扇以進行緊急排氣，以確保及時釋放氣體。

3.3 與火警系統（FAS）的聯動

當工廠區域內的建筑物發生火災時，FáS將向GDS發送信號，GDS將自動關閉建筑物中的天然氣運輸設備。

以上討論證明，用于半導體電子工廠的氣體檢測和監控系統的設計經驗證是可行和可靠的。根據工藝和生產要求，分析使用的可燃氣體和有毒氣體的種類和使用的領域、相關的工藝設備以及設備之間的關系；根據氣體種類找出不同氣體的檢測原理和傳感器種類；根據不同領域的功能要求，確定操作站和工程師站的數量和位置等；