微电子工厂建筑智能化设计

　　1.序言

　　当前,人们普遍谈论的建筑智能化，主要是指民用建筑，如高层办公楼、综合楼、商住楼及建筑群，此外住宅小区智能化也是热点之一。实际上，工业建筑,特别是研究生产高新技术产品的现代化工厂和实验室，其智能化系统应用是相当广泛的。民用建筑与工业建筑的智能化技术有相同相似之处。当然，由于工业建筑的许多功能要求与民用建筑不同，因此其智能化系统也有其相应的设计特点。工业建筑的范围很广，要求各不相同，本文仅就微电子工厂与民用建筑在智能化方面不同之处进行阐述，相同之处不在此叙述。

　　2.智能化的定位

　　2.1微电子工厂的基本特点

　　微电子工厂一般都是由生产厂房及支持区、动力厂房、仓库(含化学品库)、办公楼(办公区)、废水废物处理区、室外罐区，有的还有生活区等组成的现代化大型工厂，其主要特点是：

　　(1)有很多贵重的精密仪器和设备，厂房造价昂贵，十几亿、几十亿、甚至上百亿;

　　(2)对生产环境有严格的要求，因此有相当一部分为洁净厂房;

　　(3)对生产原材料要求严格，一部分由工厂自己生产，因此自动化程度要求高;

　　⑷因生产需要,要使用各种可燃气体(蒸汽)、有毒气体，有腐蚀性的液体。

　　2.2智能化系统的定位

　　民用建筑智能化是向人们提供一个安全、舒适、方便、高效的生活和工作环境的重要技术措施之一工厂是生产产品的，因此，如何达到生产产品所需的环境要求，符合要求的原材料及动力条件，以及工厂安全、高效、可靠、经济的运行，以确保产品的成品率和产品的可靠性、长寿命及达到设计的产量，则是建设者们追求的目标。作为满足这些功能、技术要求的重要措施之一的智能化系统，就必须是成熟的、实用的、可靠的及先进的技术和产品，这里所指的先进，主要不是指新技术，而是指开放性、可扩展性、可升级及兼容性。

　　另外，由于产品都有其生命周期，因此工厂的建设期较短，时间都是很紧张的。因此那种功能齐全，看起来技术先进而还需要研究实验的设计是不能应用于此类建筑的。

　　3.智能化系统总体方案的确定

　　智能化系统的总体方案实际上涉及到系统集成及总体结构，关系到方案的进一步设计、实施，涉及到智能化系统能否达到要求的功能及技术指标，符合建设周期及投资额要求。因此，确定适合于工程项目的总体方案是设计者需要认真对待的。

　　3.1几种方案的比较

　　(1)各子系统内部集成

　　通讯网络系统CNS、办公自动化系统OAS、建筑设备自动化系统BAS、消防自动化系统FAS、安全防范系统SAS以及微电子厂房特有的有害物质检测系统HPM()各子系统内部有集成，但上述系统之间没有集成。这种方案虽然各系统都能很好地完成相应的工作，但对于现代化工厂的整体管理不利，因此不宜采用。

　　⑵建筑智能管理系统IBMS

　　这是将CNS、OAS、BAS、FAS、SAS及HPM通过高速网络进行统一集成，由一体化集成管理系统实现对整个工厂的综合智能管理。在某些项目虽然有运用实例，但是对于微电子这种大型工厂来说，需要监测控制的点数相当庞大而且十分重要。另外，虽然工厂也有原材料、设备、产品的物流管理，有财务、人事、设计等办公自动化需要，有语音、数据、会议系统等方面需求，但这些与确保全厂高效、安全、可靠的生产产品没有太大的必然联系，因此进行一体化集成在目前来说不是最佳选择。

　　⑶建筑设备综合管理系统BMS(或工厂管理控制系统)

　　消防自动化系统F^S是直接关系到避免和减少因火灾而造成的人身和财产损失的系统,有特殊重要的位置，另外，因为中国国情的原因，需要作为独立的子系统，而且要有专门人员24小时值班。HPM系统是仅次于FAS系统的重要系统，也需要作为一个子系统。安全防范SAS系统是涉及到整个工厂保密及维持正常工作、生产秩序所必须的，作为一个子系统是适宜的。

　　FAS系统、HPM系统、SAS系统及建筑设备自动化系统BAS之间，都有许多联动要求，需要实现对设备的分布控制和集中监视管理，以便更好地协调工作，提高设备运行效率和提高节能效果，因此有必要把FAS、HPM、SAS及BAS集成起来，这就形成了BMS系统。对于微电子工厂来说，在目前阶段，BMS系统是较好的选择。

　　至于工厂需要的各种生产经营管理、办公自动化及各种通信，可以另外建立通信网络系统CNS、办公自动化系统OAS。需要而且条件成熟时与BMS一起集成为IBMS。

　　3.2BMS(FMCS)设计中的几个问题

　　⑴系统构成

　　主干网为采用TCP/IP协议，符合IEEE802.3标准的以太网或FDDI，满足10/100Mbps;根据情况现场总线采用10Mbps以太网、Profibus总线、LonWork总线等。

　　应配备与工程相适应的BMS集成管理系统。

　　通常情况下，主干网可通过路由器与公司上级管理层MIS网络相连，以便管理层了解情况。

　　消防自动化系统FAS、安全防范系统SAS及有害物质检测控制系统HPM的主机均有与BMS集成的接口，并保证与中央管理机的可靠通信。

　　⑵几个监控中心位置的确定

　　监控中心设置在负荷中心，方便管理及符合相关的规范是确定位置的基本原则。微电子工厂经过统一规划，智能化系统的几个控制中心的设备常常不能集中设在一个中央监控室内。BMS管理中心通常设在动力厂房内，BAS的中央站通常与BMS管理中心合用，消防总控室设在主厂房一层主入口附近，安防总控室可以设在主厂房一层主入口，当位置合适时可与消防总控室合用。在某些情况下，安防总控室可以设置在厂区的主人口门卫里。

　　除各子系统的总控室外,FAS、HPM、SAS的分控室及BAS的分站应合用，方便管理及电源等设备的配置。

　　(3)BMS的布线系统

　　虽然计算机网络中使用的光缆和8芯的双绞线可以应用于BMS系统，但是工业用双绞线，根据不同的现场情况通常使用多种双绞线，如屏蔽的、非屏蔽的、防腐蚀性的等。另外电缆芯数也是根据连接的设备不同而不同，并非都要使用光缆或8芯的双绞线。此外，BMS布线系统的路由通常与管理用计算机网络布线的路由不同。再有，FAS、HPM及SAS系统的线缆需要单独敷设，因此BMS系统单独布线为好,而不与CNS、0AS统一为一套布线系统。

　　当然对于工厂的智能化系统的所有布线的路由和维护空间应进行综合考虑，统一规划,并与其它专业管线协调。

　　4.建筑设备自动化系统BAS

　　民用建筑中的BAS系统通常是针对舒适性空调、给水排水系统、冷热源、电力、照明及电梯等设备的监控。，对于微电子类工厂来说，除上述系统外，由于生产的需要，增加了许多内容，如净化空调系统、洁净区风机髙效过滤器系统，各种气体系统、各种工业用水系统、工艺冷却水系统、各种排风系统(如工艺排风、洗涤排风、有机溶剂排风等)、工业废水、废气处理系统等。

　　根据项目具体情况确定是否全部子系统受中央站的监控。

　　有许多成熟可靠的技术和产品用于上述的BAS系统。尽管各厂家的产品不尽相同，但基本上都是由DDC、PLC、工业控制机、网络控制器、各种模块及现场设备构成。目前，这种采用分散控制集中管理的集散系统，可靠性高、经济、灵活、易于扩展。而全分布控制系统还有许多工作要做。

　　5.有害物质检测控制系统HPM

　　5.1构建HPM系统的必要性

　　由于生产需要，常常使用各种危险物品，例如多种可燃气体(蒸汽)、有毒气体，还使用多种腐蚀性液体。在储存、使用场所及输送管道中均可能发生泄漏或液位异常情况。如果一旦泄漏或液位异常而未及时发现和处理，则可能发生火灾、人员中毒或破坏生产，造成人身和财产损失的重大事故，因此有必要对气体、液体的泄漏、某些液体的液位进行监测和控制。由于这是仅次于火灾消防的重要系统，而且需要监测的点数多，监控比较复杂，因此应单独构建一个子系统。

　　5.2系统构成

　　该系统虽然很重要，但需要检测的是泄漏气体的浓度，达到限值时进行报警，检测液体的泄漏和液位，而控制的对象是机电设备，检测点、控制点多而分散。这些特点与BAS系统相似，因此采用BAS技术是合适的。将现场的各种探测器、传感器、开

　　关、模块、执行机构(有的地方还包括电机控制中心MCC)等设备连接到集采集和控制功能于一体的程序逻辑控制器PLC，各PLC再通过网络与HPM系统主机相连。

　　5.3设计要点

　　(1)如前所述，该系统应有与BMS系统集成的接口，以便BMS监管中心的人员管理。由于该系统的重要性，在BMS系统监管中心应设置专门用于HPM系统的工作站。

　　⑵HPM系统中，有一部分是涉及可燃气体(蒸汽)的检测，根据我国规范是属于火灾消防范畴，因此HPM系统的总控室应与消防总控室合用。如果因为某种原因使HPM系统总控室单独设置时，应在消防总控室设置可燃气体(蒸汽)的显示报聱装置，并安装相应的手动、自动联动控制及显示设备状况的装置。

　　(3)各种现场设备至PLC设备应采用星形拓扑结构布线，并根据不同设备选用相应的线缆，以便提高可靠性。

　　(4)在有毒、可燃气体的储存间，使用场地及输送管道沿线都应设置相应的探测器，并根据气体特性、环境条件及探测器的技术性能进行合理布置。

　　(5)对于工艺使用的一般液体化学品，通常采用单层管进行输送，应在化学品分配处及输送管道的最低点集液盘处设置液体探测器。

　　(6)对于有严重腐蚀性的液体化学品及某些重要的燃料通常采用双层管输送，应在化学品分配处及输送管道的最低位置的外管壁处设置T型接头，在接头处设置液位开关进行检测。

　　(7)腐蚀性的工业废液通常用管道输送到处理池，因此在输送管道的较低处的集液盘处设置液体探测器。

　　(8)有的液体化学品储量较少，为了检测其泄漏，常在储存间地面设浅地沟，此时应在沟内敷设泄漏检测电缆，以便检测泄漏的液体。

　　(9)由于使用化学品，可能发生濺射到眼睛内的事故，因此通常设置了洗眼器和安全喷淋，因此应将管道上的水流开关连接到PLC上，以便有情况发生时，及时发现及时进行处理。

　　(10)除上述探测器、传感器、开关等获取信号外，在一些重要位置还要设置人工手动报警点，紧急情况时进行报瞀。

　　(11)有防爆和腐蚀性的地方，管线敷设和设备选-型、安装应按相关要求进行。

　　(12)发生泄漏事故后，应联动相关的阀门、栗、风机，启动相应的泄漏声光警报装置(与火灾瞀报有区别)，并打印相关记录。对某些特别重要的设备，应采用硬接线，可以从总控室人工控制。某些地方应采用探测器(传感器)直接联动控制相应的设备。

　　6.消防自动化系统FAS

　　6.1洁净厂房的消防特点

　　由于生产工艺对生产环境的特殊要求，因此微电子工厂通常都有许多洁净度等级不同的洁净室。洁净厂房内相对封闭，火情不易被外面发现，消防人员较难接近。另外洁净室内的人员较少，如果有火情，内部人员也较难发现。洁净厂房内人员进出迂回曲折，人员疏散比较困难。一旦失火将造成巨大的人身和财产损失，而且要恢复生产也很困难。因此设置一套髙效可靠的火灾报警及联动控制系统就显得非常重要。

　　6.2系统设计

　　由于这类工厂火灾探测点多，需要联动的设备多，且可靠性要求髙，因此采用控制中心报警系统。

　　在每个较大的建筑内设置相应的智能型火灾报警控制器，各报警控制器之间形成环型网络。这种系统与采用一台大容量的火灾报警控制器覆盖全厂或集中——区域报警系统相比可靠性更髙。

　　消防总控室的主机应有与BMS集成的接口，保证可靠通信。

　　应配备消防联动控制设备、图形显示设备、打印设备、火灾应急广播系统、消防专用电话、UPS电源等。

　　6.3洁净厂房内选择火灾探测器霑要考虑的几个因素

　　可燃物质初期火灾的特点和发展特性、环境条件(如高度、面积、温湿度、空气流向、流速、有无对火灾探测器的干扰源等)是我们选择火灾探测器要考虑的基本因素。

　　洁净室内除可燃气体外的火灾属于普通火灾，其燃烧过程一般要经历火灾酝酿期的不可见烟雾(阴燃)、可见烟雾、可见光和剧烈燃烧四个阶段。如何尽早在不可见烟雾(阴燃)阶段发现火情贏得时间是很关键的。

　　对于洁净室来说，影响火灾探测器探测火灾的主要因素是空气流向及流速。

　　6.4空气流向及流速对火灾探测器的彩响

　　为了满足生产工艺对生产环境的洁净要求，对室内的气流流型、送风量、换气次数都有严格要求。洁净度等级为1~5级的一般采用单向流，平均风速为0.2-0.5m/s;洁净度等级为6~9级的通常采用非单向流，层高小于4米的洁净室其换气次数在10~60次/h，在某些情况下，换气次数在1〇〇次/h以上。

　　舒适性空调房间内的换气次数较低可以不考虑火灾时对烟雾粒子探测的影响。而较髙的换气次数将减少烟雾粒子到达火灾探测器的几率。美国NFPA72标准中表明当换气次数为10次/h时，探测器的保护面积是标准状况的0.833,当换气次数为30次/h时，其保护面积仅为原来的0278。

　　6.5探测器的选择及布置

　　根据洁净室构造特点、气流流型、风速、换气次数及对各种火灾探测器性能特性的综合考虑，探测器的选择和布置宜按下列要点进行：

　　(1)对于吊顶上布满高效过滤器，利用技术下夹层、技术夹道、技术夹墙作回风通道的，应选择采样管+激光探测装置+吸气泵结构的吸气式感烟探测报警系统(也称极早期烟雾探测预警系统、空气采样式烟雾侦测系统)。灵敏度达〇.〇〇4%-0.005%obS/m，比常规的探测器高约1〇〇〇倍，其报警时间比常规探测器提早30-120分钟，这对于不宜启动自动灭火装置的洁净厂房来说极为重要。

　　采样管网应布置在技术下夹层、技术夹道、技术夹墙内。如何设计采样管网有许多因素要考虑，但最根本的一点就是使得该系统能有效的采集到火灾烟雾粒子，并将这些“样本”在10-90s内，最好是在60s内从采样管上最远的采样孔传输到探测器并产生响应，并使整个系统可靠工作。

　　　(2)对于在吊顶上既有送风口、又有回风口的洁净室，可选择点型激光探测器，其灵敏度可达0.1%obs/m，虽然不如上述探测器灵敏度高，但相对常规探测器提髙了40-50倍。对面积较小且洁净度等级不太高的洁净室来说，既可早期报警又有安装方便经济的特点。

　　(3)风管内的火灾探测

　　由于洁净厂房的构造和环境情况较复杂，洁净房间之间通过风管相连。因此除对洁净房间进行火灾探测外，对风管内的火灾烟雾进行检测是十分有必要的。

　　根据回风支管内的风速，回风管截面状况、安装位置、对检测火灾的重要程度，可分别选用主动吸气式空气采样探测器、被动吸气式空气采样探测器。

　　7.综合布线系统

　　7.1关于布线系统统筹规划的问题

　　有一种方法是将智能化系统中的所有布线采用一套整体布线系统TBIC，这种“即插即用”的布线系统还不成熟，因此微电子工厂目前不应采用这种集成布线系统。

　　另外，如本文BMS系统布线一节所述，微电子工厂目前也不宜将通信网络系统CNS、办公自动化系统0AS和建筑设备综合管理系统BMS统一规划为一套综合布线系统。因此，目前情况下微电子工厂的结构化布线主要是支持通信网络和计算机网络的应用。

　　7.2干线子系统

　　(1)光纤配置

　　通常这类工厂的干线采用光缆和铜缆混合组网。在光纤干线的配置中，通常的布线可按每48个电气工程应用信息插座配置2芯光纤，但这是规范规定的最低配置要求。由于微电子类工厂产品变化大，工作区信息点的数量比较大，而干线的变动对工厂来说影响是比较大的。为了避免今后变化带来的影响，干线光纤配置通常是上述标准的2至3倍，有时还会更高。

　　(2)路由

　　如果停产一天，将会造成巨大的损失，因此对可靠性要求很高。微电子工厂是由层数不多的几个建筑组成的，有的还是单层建筑，建筑内没有专门的竖井敷设干线，而是水平敷设干线系统。因此某些重要工厂，从设备间至各交接间的干线采用两个不同的路由敷设相同的光缆,以保证某个路由出了问题不影响整个系统的运行。

　　如果采用这种方法有困难，则应在交接之间敷设干线光缆及相应的接插件,以便某根光缆有问题时用此光缆代替。

　　光纤干线的敷设虽然干线系统与配线系统在工厂中很多地方都是水平敷设的，路由也有相当部分相同，但是不宜合用一个桥架。配线电缆的敷设、调整、检修都会对干线尤其是光缆造成不利影响。

　　在室外敷设时，如果在大口径管中敷设多根光缆时，则每根光缆应穿PVC子管保护。

　　上述这些办法虽然使投资增大一些，但占总投资的比重不大，而可靠性却大为提高。

　　7.3设备间、交接间的布置

　　在按照设计时的条件确定好机柜数量并进行布置时，应适当预留今后布置机柜的位置;另外在交接间还应考虑配电箱和UPS电源的位置,比用插座配电更好。

　　7.4线缆选型

　　这类工厂的主要厂房是洁净厂房，应选择FEP和PEA氟塑料树脂制成的电缆，其他地方可选用LSHF-FR低烟无卤阻燃型电缆。