外氣空調箱溫濕度控制系統

外氣空調箱溫濕度控制系統 陳文漢 *, 胡石政 * 擎達企業有限公司國立台北科技大學冷凍空調工程系 1. 前言近一 二十年來國際局勢改觀, 許多新興發展中國家開始致力於經濟發展, 一切以經濟掛帥, 提供廉價勞力成本及土地成本, 並竭盡所能吸引外資 反觀國內勞資衝突不斷, 環保意識高漲, 廠商在勞工 土地 法令規章 成本考量下紛紛外移, 能夠繼續留下來的, 不是轉型成功 技術提昇, 不然就是所謂高科技產業, 即近年來政府提倡的綠色矽島構想 早在政府提倡的綠色矽島前, 臺灣高科技產業已蓬勃發展, 只是早年臺灣高科技半導體廠房大多由有經驗的外商 ( 德商 日商 美商 ) 承建, 甚至有些廠房設計還完全與美國矽谷一模一樣 ( 似整廠輸出模式 ), 無塵室空調控制系統也多採用這些外商慣用控制系統 (DDC DCS PLC ) 國內半導體廠隨著多年建廠及運轉經驗累積, 控制系統之穩定性 執行效率 價格功能比等多因素考量之下,PLC 控制系統遂從眾多控制系統中脫穎而出, 成為大多數半導體廠所青睞 此時, 各種控制系統之優勝劣敗已昭然清楚, 時自今日 PLC(programmable logic controller) 控制系統已成為市場主流 SCADA(supervisory control and data acquisition) 挾個人電腦優勢, 提供價格便宜 親切操作環境, 最適合當控制器與操作人員間橋樑的人機介面 本專題即以 PLC 為控制系統討論無塵室之溫濕度控制, 並藉由 SCADA 歷史記錄曲線功能來分析問題, 以進一步改善控制邏輯 本專題即使用 PLC 為控制系統,SCADA 為人機介面, 針對科學園區半導體廠廠務空調系統探討 MAU 對無塵室溫濕度及壓力控制, 還有無塵室乾 冷排熱交換器泵浦 (MIXING STATION) 之控制 2. MAU 空調箱溫濕度 PID 控制 2.1 MAU 架構介紹外氣空調箱縮寫.. MAU, 亦有用 MUA 來表示, 兩者指的都是外氣空調箱 (MAKE-UP AIR UNIT), 以下簡稱外氣空調箱為 MAU 在無塵室空調系統需要由外界引入恆溫恆濕之新鮮空氣, 通常 MAU 吐出端溫度控制在 18, 濕度則控制在 8g/kg, 空氣潔淨度大約在 CLASS10~100, 但並非每一 IC 廠皆有固定之控制值, 視其生產產品機台特性而略有差異, 不過 MAU 雖然提供 18, 8g/kg 新鮮空氣, 但此 S.A 與 R.A 混合及無塵室人員 機台 等空調負荷溫升使無塵室空調環境維持在溫度 22.5 相對濕度 45% 另外, 在無塵室內溫度變異尚有 dry coil 可做溫度調整而濕度則無任何設備再做調整, 因此 MAU 吐出端濕度控制便相形重要, 某些廠房雖有 local steam generator 做無塵室濕度二次調整, 但僅限於局部控制 無塵室內條件的控制當從對無塵室環境影響最大的外氣空調箱 (MAU) 談起,MAU 控制品質直接影響到無塵室環境, 其最主要功能在維持室內正壓 提供潔淨空氣及無塵室內溫溼度的控制 ; 而其消耗之能源也最大, 一般在半導體廠空調負載用電約佔 40% 左右, 冰水主機又佔空調負載的 50% 左右,MAU 又大約消耗冰水主機的一半以上負載 ; 因此竹科半導體廠在選用 MAU 時多考慮到供氣品質與節能兩主要因素, 雖然 MAU 廠牌種類型式繁多, 但若以冷熱排排列方式來分, 大致可分兩種, 其說明如下 : 2.1.1 第一種 MAU ( 蒸汽加濕系統 )

冷熱排 風車及加濕設備由吸入端依序到吐出 端之排列方式為 : 先第一道冷卻除濕盤管, 再第二 道冷卻除濕盤管, 經加熱盤管, 風車, 最後是蒸汽加濕器 如圖 2.1 所示 圖 2.1 由於臺灣地屬亞熱帶海島型氣候天氣溫暖潮溼, 近年來年平均溫度 23~24, 相對濕度 76~78%; 全年度幾乎皆要除濕, 少有加濕, 只有當冬季極地冷氣團南下時需要加濕 ; 因此 MAU 濕度控制平常以除濕為主, 遇特殊天氣則以加濕為重點工作 若是控制無塵室溫濕度條件於 22.5, 45%, 則除濕完成必須再加熱使溫度達到要求, 所以空調箱風機本身之發熱量擺放於除濕盤管後方, 可代替部份加熱盤管能量以減少熱盤管之熱負荷達到節能效 果 MAU 吐出端前最後一道設備是蒸汽加濕器, 蒸汽加濕器於外氣低濕時提供水汽提高出口濕度使濕度達到需求量 2.1.2 第二種 MAU ( 水加濕系統 ) 冷熱排 風車及加濕設備由吸入端依序到吐出端之排列方式為 : 外氣進來先經預熱盤管 風車, 再到第一道冷卻除濕盤管, 經水霧加濕, 第二道冷卻除濕盤管, 最後是再加熱盤管 如圖 2.2 所示 圖 2.2 加入系統之水為液相要想混合到氣相空氣中, 提高空氣濕度需吸收汽化潛熱, 預熱管排存在目的即在提供顯熱去提高空氣溫度以便加濕 臺灣 夏天空氣高溫高濕, 預熱管排通常都關閉著 ; 但在冬天外氣溫度偏低故露點溫度偏低如不將外氣預熱到所需溫濕度值的露點溫度, 水就無法加到空氣

中, 會形成加濕器拼命噴噴到結露, 濕度卻加不上去 近年來半導體及光電廠因製程的精進, 對環境的要求不只是溫濕度及 PARTICAL 而已, 空氣中所含的 ppb 濃度的化學成份也會對產品產生影響, 此即 AMC( Airborne Molecular Contaminations ) 由外 2.1.3 兩種 MAU 優缺點比較表 氣經空調帶入無塵室的 AMC, 可在 MAU 加處理設備解決, 如果是水溶性的話可用 WATER SHOWER 水洗處理, 因此 WATER SHOWER 除了加濕外尚有此功能且不增加成本, 故最近新的無塵室 MAU 大多採此設計 比較類型建置成本營運成本氣密要求控制穩定度控制邏輯空氣品質 第一種 MAU ( 蒸汽加濕系統 ) 較低較低較高較不穩定較單純較差 第二種 MAU ( 水加濕系統 ) 較高較高高較穩定較複雜較優 A. 建置成本..由於第一種 MAU 管排數量較第二種少, 相對的管路數量 長度 控制閥件用量亦較少, 建置成本相對較低 B. 營運成本..又由於第一種 MAU 管排數量較第二種少, 所以風機風損少, 可以降低風機負荷 ; 以台灣氣候言, 第二種 MAU 預熱管排幾乎備而不用, 所以絕大部份時間閒置但又會造成風機風損 若從空氣線圖所劃空調過程可了解第二種 MAU 反覆來回在昇高 降低焓值, 因此較為耗能 C. 氣密要求..為了利用空調箱風機本身之發熱量代替部份加熱盤管能量, 第一種 MAU 將風機擺設在空調箱中段, 使風機前段空調箱產生負壓, 使外氣容易侵入, 因此需要更高的氣密要求 D. 控制穩定度..第一種 MAU 簡易控制方式只有兩道 PID 控制, 對冷排之除濕或降溫控制採高選擇方式, 使得特殊氣候條件時濕度溫度控制 難以兩全其美, 尤其是遇到高溫低濕天候, 系統濕度將失控 ; 而第二種 MAU 有預熱預冷卻 加濕 除濕及再熱溫度控制等多道 PID 控制, 但受控元件不重複, 沒有高選擇模式, 所以較容易控制 此等控制方式將在後面章節詳細敘述 E. 控制邏輯..為解決第一種空調箱控制上的缺點, 程式設計上多了許多判斷邏輯 F. 空氣品質..第二種空調箱使用水霧, 水霧不只提供高相對濕度之空氣, 尚有水洗空氣中無法由 HAPA 過濾掉的細菌病毒功能及水洗掉空氣中的水溶性化學成份, 所以第二種空調箱有較佳空氣品質 2.2 MAU 控制設計 2.2.1 控制模式及 P&ID 如下 : 2.2.1.1 第一種 MAU( 蒸汽加濕系統 ) 空調控制模式 P&ID, 如圖 2.3 所示

溫度控制..由溫度控制器控制 PV-181 冰水閥與 PV-182 熱水閥開度使空調箱出口溫度符合溫度設定值 濕度控制..由濕度控制器控制 PV-181 冰水閥與 PV-183 蒸汽閥開度使空調箱出口濕度符合濕度設定值 由於溫度控制與濕度控制都須要用到 PV-181 冰水閥來冷卻降溫或冷卻除濕, 若以台灣氣候言一部份時間用 PV-181 來冷卻除濕, 但偶爾會遇到一些特殊天氣, 需要降溫又要除濕, 意即溫度控制器對 PV-181 輸出而濕度控制器同時也對 PV-181 輸出, 那麼這時到底 PV-181 要聽哪一組控制器的指令? 所以我們在兩控制器輸出端加上一 高選擇器 ", 用來選擇到底需要降溫多一點還是除濕多一 點 但在這種簡單的設計下卻會出現因高溫而降溫控制器輸出大於除濕控制器輸出, 造成空調箱出口濕度過低, 於是濕度控制器除濕輸出再度減少, 一直到除濕輸出等於零之後開始開啟蒸汽閥, 當蒸汽閥打開濕度回復正常了, 但卻因蒸汽高顯熱又使空調箱出口溫度昇高, 溫度昇高再使溫度控制器降溫輸出增加, 如此將使得系統不穩定 再者因為無塵室內有機台 人員等熱負荷, 所以尚有乾冷排 (Dry Coil) 可再對溫度調控 ; 而濕度則否, 即 S.A 出了空調箱就不再有任何濕度調控設備, 因此空調箱便成為無塵室空調唯一的濕度控制設備, 所以上述 高選擇 " 應改為 濕度優先 " 較能符合實際運轉情況 圖 2.3

2.2.1.3 第二種 MAU( 水加濕系統 ) 空調控制模式 P&ID, 如圖 2.4 所示本空調箱 TT-02, TT-03, TT-05, TT-07 等 4 只溫度計都是乾球溫度計, 大抵因 TT-02, TT-03, TT-05 量測空氣性質接近飽和點, 其乾球 濕球及露點溫度都蠻接近的可用乾球溫度計取代, 且乾球溫度計亦較為便宜又不易故障, 故 4 只溫度計皆使用乾球溫度計 水加濕控制空氣流程 : 當乾冷天氣, 藉由 PRE-HEATING VALVE(TCV-01) 提高空氣顯熱藉 以蒸發水液為水汽, 使空氣自水霧加濕器後乾球溫度計 (TT-02) 達到設定值 ; 但若遇濕熱天氣則先經 PRE-COOLING VALVE(TCV-03) 降溫至乾球溫度計 (TT-03) 達到設定值, 再經水霧加濕器, 洗淨空氣 空氣再經第二道冷排, 此冷排為除濕冷排, 由 DE-HUMIDIFICTION VALVE(TCV-05) 控制除濕後溫度 (TT-05) 最後空氣經由再熱熱排作顯加熱處理, 控制系統視 S.A 溫度 (TT-07) 調整 RE-HEATING VALVE (TCV-07) 開度 以程式語言符號表示 MAU 溫濕度控制程式如下.. MAU_TC03_PID== 空調箱預熱溫度控制器 MAU_TC03_PID.CV == 空調箱預熱溫度控制輸出 ; UNIT..%, MAU_TC02_PID== 空調箱預冷卻溫度控制器 MAU_TC02_PID.CV == 空調箱預冷卻溫度控制輸出 ; UNIT..%, MAU_TC05_PID== 空調箱除濕溫度控制器 MAU_TC05_PID.CV == 空調箱除濕溫度控制輸出 ; UNIT..%, MAU_TC07_PID== 空調箱再熱溫度控制器 MAU_TC07_PID.CV == 空調箱再熱溫度控制輸出 ; UNIT..%, TCV_01 = MAU_TC03_PID.CV; IF (MAU_TC03_PID.CV >= 5) THEN MAU_TC02_PID.CV = 0; ENDIF TCV_03 = MAU_TC02_PID.CV; TCV_05 = MAU_TC05_PID.CV; TCV_07 = MAU_TC07_PID.CV; IF (FAN_STOP) THEN TCV_01 = 0; TCV_03 = 0; TCV_05 = 0; TCV_07 = 0; ENDIF

圖 2.4

2.3 控制模式顯示在空氣線圖 2.3.1 第一種 MAU( 蒸汽加濕系統 ) 空調控制空氣線圖如圖 2.5 所示 : OA Summer 36/32 Cooling& De-Humidificatio Re-heating Room Condition 23,45%RH OA Winter 5.0/3.6 Heating Humidification 圖 2.5 2.3.2 第二種 MAU( 水加濕系統 ) 空調控制空氣線圖如圖 2.6 所示 : Pre-Cooling & De-Humidification OA Summer 36/32 De-Humidificatio Room Condition 23,45%RH Water shower OA Winter 5.0/3.6 Pre-Heatin 圖 2.6

3. MAU 出口端濕度比與無塵室相對濕度串級控制 (CASCADE) 3.1 無塵室相對濕度計選擇與空調箱之對應關係一般半導體廠同一期之 MAU 數量通常有 5~10 部, 每一 MAU 都有各自的溫濕度控制, 再將各 MAU 出口端匯合在一共同風管供應到無塵室, 理論上空調送風應在共同風管內平均混合, 但因空間限制 風管管路長度限制, 常有各 MAU 出口 S.A 混合不均現象, 使某些 MAU 對某特定無塵室區域影響特別顯著, 因此當我們在處理無塵室相對濕度與 MAU 出口端濕度比之串級控制時必須先將 MAU 與 C/R ZONE 之對應關係找出來 由於蒸汽加濕系統控制元件較少, 當加濕除濕轉換過程時控制不易, 在實測過程中, 我們發現編號 :MAU-03 空調箱對 PHOTO AREA( 黃光區 ) 影響最為顯著 因此就針對 MAU-03 執行串級控制程式修改測試, 做出下述歷史曲線圖, 及分析改善作業 無塵室相對濕度計選用策略 (strategy): 數量兩支, 具 REDUNDANT 功能, 平時兩支均正常時取平均值, 若有一支相對濕度計故障尚有一支相對濕度計可供控制, 但若遇年度排定之 SENSOR CALIBRATION 時可將正在校正的 SENSOR 隔離不 做控制, 當然此時就如同只有一支相對濕度計一樣, 一直到校正完畢取消隔離才又恢復取平均值方式 3.2 與無塵室相對濕度串級控制 MAU S.A PID 控制參數之 SCADA 畫面, 如圖 3.1 所示改善前 : MAU S.A humidity PID setpoint controlled by C/R RH cascade PID output (reset mode): 趨勢圖分析 : 綠色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 設定值 ( 受 CASCADE PID 輸出所控制調整 ) 紅色曲線 :C/R RH 藍色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 輸出值紫色曲線 :MAU S.A 溫度 PID 輸出值 * 註 : 當藍色曲線與紫色曲線交會時, 若交會前藍色曲線在 50% 以上表示除濕轉加濕 ( 如圖 3.2 交會前藍色曲線在 50% 以下表示加濕轉除濕 缺點 : 此控制模式未能滿足 C/R RH 變化量小於 ± 1%, 尤其當天氣乾冷需要加濕時 圖 3.1

紅色曲線 :C/R RH 在除濕轉加濕過程變化劇烈 黑色曲線 :cascade PID 運算輸出使用 RESET 模式 改善前失控畫面, 如圖 3.3 所示綠色曲線 : C/R RH ( 第一只 ) 紅色曲線 : C/R RH ( 第二只 ) 圖 3.2 圖 3.3

改善中 : 為改善圖 3.3 缺失, 我們試著改變控制模式 (CASCADE PID 輸出 no reset): MAU S.A humidity PID setpoint controlled by C/R RH cascade PID output (no reset) 趨勢圖分析 : 綠色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 設定值 ( 受 CASCADE PID 輸出所控制調整 ) 紅色曲線 :C/R RH 藍色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 輸出值紫色曲線 :MAU S.A 溫度 PID 輸出值 * 註 : 當藍色曲線與紫色曲線交會時, 若交會前藍色曲線在 50% 以上表示除濕轉加濕 ( 如圖 3.4); 若交會前藍色曲線在 50% 以下表示加濕轉除濕 缺點 : 此控制模式未能滿足 C/R RH 變化量小於 ± 1%, 尤其當天氣乾冷需要加濕時 紅色曲線 :C/R RH 在除濕轉加濕過程變化仍然劇烈 圖 3.4 改善完成 : 為改善圖 3.4 缺失, 我們再試著改變控制模式, 在圖 3.4 中 cascade control 控制曲線 ( 綠色曲線 ) 正常反應無塵室相對濕度,cascade control 已達到應有功能, 所以不再考量 ; 但加除濕期間仍不穩定, 此問題應來自於控制閥 ( 冰水除濕閥在低開度時有無效 開度, 而蒸汽加濕閥在低開度時有轉換傳輸延遲 ), 因此我們修改軟體, 讓除濕閥與加濕閥於低開度時直接跳過此開度, 甚至有預開預關除濕閥與加濕閥, 使濕度控制更平穩 趨勢圖分析 : 綠色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 設定值 ( 受 CASCADE

PID 輸出所控制調整 ) 紅色曲線 :C/R RH 藍色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 輸出值紫色曲線 :MAU S.A 溫度 PID 輸出值 * 註 : 當藍色曲線與紫色曲線交會時, 若交會前藍色曲線在 50% 以上表示除濕轉加濕 ( 如圖 3.5); 若交 會前藍色曲線在 50% 以下表示加濕轉除濕 * 註 : 藍色曲線垂直上升 下降即是直接跳過閥體低開度區所得結果 此控制模式不只滿足 C/R RH 變化量小於 ±1%, 甚至變化量小於 ±0.5% ( 正常控制在 45.0%, 圖 3.5 變化量僅 45.2%~44.9%) 紅色曲線 :C/R RH 不論是否除濕轉加濕或加濕轉除濕過程, 無塵室相對濕度都很平穩圖 3.5 圖 3.5 連續 7 天歷史曲線圖顯示, 無塵室相對濕度 ( 紅色曲線 ) 不論天氣如何變化, 皆可平穩控制 改善完成 ( 放大圖 ), 如圖 3.6 所示 : 放大除濕轉加濕期間曲線變化 綠色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 設定值 ( 受 CASCADE PID 輸出所控制調整 ) 灰色曲線 :C/R RH 藍色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 輸出值紫色曲線 :MAU S.A 溫度 PID 輸出值

圖 3.6 改善完成 ( 放大圖 ), 如圖 3.7 所示 : 放大加濕轉除濕期間曲線變化 綠色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 設定值 ( 受 CASCADE PID 輸出所控制調整 ) 灰色曲線 :C/R RH 藍色曲線 :MAU S.A 濕度 PID 輸出值紫色曲線 :MAU S.A 溫度 PID 輸出值 圖 3.7

4. 結論常見 PLC 應用於半導體廠 光電廠之系統有 C/R(MAU DRY COIL MIXING PUMP STATION) EXHAUST PCW UPW DE-SMOKE 在無塵室空調自動控制應用領域上, 不外乎溫度 濕度 壓力控制, 但無論如何, 萬變不離其宗的守則就是要穩定 透過本專題介紹已能了解無塵室空調系統控制, 就算是最簡單架構的蒸汽加濕空調箱, 我們一樣可以將無塵室溫 濕度控制在極盡平穩狀態 PLC 控制系統擁有高穩定性 高執行效率 功能強大等多重優勢, 早已成為今日控制系統市場之主流控制器, 再輔以 SCADA 人機介面及 SPC( 品管軟體 ) 等 PC 軟體, 不啻為無塵室空調自動控制最佳選擇 溫度 濕度控制採用 PLC 內建 PID 功能方塊方式設計, 只要在中控室 SCADA 電腦調整 PID 參數, 又有 Trend Char 記錄調整過程之溫度 濕度變化, 使 PID 調整十分方便, 在現場變頻器只要合適的參數設定值, 即可獲得滿意的控制效果 ; 另外 PLC 通訊網路能力強, 可支援數種標準的通訊協定, 可和多種它廠牌設備連線, 進行現場狀態監控, 廠務值班工程師只是在中控室便可掌握全廠設備運轉狀態, 因此控制系統往通訊網路架構走已是目前新建廠房熱門趨勢 5. PLC-5 programmable controller Instruction set reference",rockwell Automatio 參考文獻 1. Control system for heating,ventilating and air conditioning", by Roger W. Haines & Douglas C. Hittle,Chapman & Hall Publishing Co. 2. Refrigeration and Air Conditioning", 2nd edition, by Stock,W. F & J. W Jones, McGraw-Hill,Inc. 3. Principles of Refrigeration, by Roy J. Dossat,Hall International,Inc. 4. 恒壓供水系統的模糊控制 : 溫州大學工業工 程學院申桂英 馬光, 浙江大學工業控制 技術國家重點實驗室孫斌