CN109405198B - 厂务系统洁净室运维节能系统及相应的运维节能优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厂务系统洁净室运维节能系统，包括数据采集传感器、物联网传感器、决策器逻辑电路、现场控制器、远端计算机；数据采集传感器包括第一～第五传感器，第一～第五传感器一方面与决策逻辑电路相连、另一方面与现场控制器相连；所述物联网传感器的输出端与决策器逻辑电路输入端相连，决策逻辑电路与现场控制器相连，现场控制器与远端计算机相连，远端计算机包括策略库存储器，远端计算机内设置有能耗分析平台，能耗分析平台上设置有能耗管理信息系统。本发明还公开了一种厂务系统洁净室运维节能优化方法。本发明实时数据采集和精确控制的优化装置，在保障洁净系统新风覆盖和洁净度指标要求下节能降耗，适用于优化厂务系统的洁净室运维系统。
Description
技术领域
本发明属于厂务洁净技术领域，用于优化厂务系统的洁净室运维系统，具体地说是一种厂务系统洁净室运维节能系统及相应的运维节能优化方法。
背景技术
在很多厂务系统（尤其是半导体厂务系统）中，洁净室发挥着控制室内环境的重要作用。由于具备多项功能，洁净室运行时会消耗大量的能源，而其中大部分的能耗都是由室内的空调通风系统运行产生的。所以，研究洁净室空调通风系统的节能优化是一项关键的问题。
洁净室的特性是湿、度设定点低，而且温、湿度需要控制在精准规格内，再加上外气补充量与循环气量非常庞大，使得洁净室耗能巨大。另外，洁净室对于热负荷并无法准确估计，且需长期稳定运行，因此设计了宽裕的安全系数。从节能而言，并非最佳，需在运维时根据洁净室的耗能分布，制定节能策略，并调节。
根据对半导体厂耗能调查的统计，厂务系统的耗能占了整厂耗能的56.6%，而空调系统约占了全部耗能的40%，是最大的部分。空调系统中又以冰水主机的耗能占了全厂的27.2%，这显示外气除湿与洁净室循环气流的冷却是最耗能的部分。核心生产部分光刻用电的比例较高。
现有技术中，洁净室节能，首先需要采集温湿度等数据，根据气流循环与热平衡计算热负荷，再制定节能方案，一般有几种节能措施：（1）降低外气空调箱的送风温度；（2）降低废气排放量；（3）降低洁净室正压的设定值；（4）使用热管设计的外气空调箱、（5）办公室空调节能；（6）办公室与停车场照明节能。在各项节约能源的方案中，以空调方面的措施效果最显著。其中又以外气空调箱的降低送风温度与排气合理化调整及减量是最有价值的做法。在外气空调箱的设计上，如能应用热管(冷媒或水为介质)可节省冰水与热水的需求，如此可大幅降低运转成本及冰机的容量。现有技术方案中，主要通过外气空调箱的降低送风温度与排气合理化调整来实现节能降耗。但是降低送风温度，减少排气量可能会导致不能满足洁净室运行的温度和正压的情况，而且同时采用两种方法是因目标不同，而产生冲突，如何协调两种方法是目前存在的主要问题。另外，外部环境的不同，季节、时间的差异，进行节能优化的策略、方式与参数都有区别。
随着物联网和智能远程运维信息技术的发展，人们对厂务系统洁净室的运维节能系统的节能降耗效果有了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种厂务系统洁净室运维节能系统，其基于实时数据采集和精确控制的优化装置，在保障洁净系统新风覆盖和洁净度指标要求下节能降耗。本发明的另外一个目的是提供一种厂务系统洁净室运维节能优化方法。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种厂务系统洁净室运维节能系统，包括数据采集传感器、物联网传感器、决策器逻辑电路、至少一个现场控制器、远端计算机；
所述每一个现场控制器对应一组数据采集传感器，每组数据采集传感器包括用于采集新风系统补充外气量的第一传感器、用于采集新风系统循环气量的第二传感器和第三传感器、用于采集新风系统排气量的第四传感器用于采集洁净室的洁净度数据的第五传感器，第一～第五传感器一方面与决策逻辑电路相连、另一方面与现场控制器相连；
所述物联网传感器的输出端与决策器逻辑电路输入端相连，决策逻辑电路与现场控制器相连，现场控制器与远端计算机相连，远端计算机包括策略库存储器，远端计算机内设置有能耗分析平台，能耗分析平台上设置有能耗管理信息系统。
作为限定：所述厂务系统洁净室运维节能系统还包括显示终端、手持终端相连，显示终端、手持终端分别与远端计算机相连，远端计算机还包括监控显示器。
作为第二种限定：所述物联网传感器、决策逻辑电路和现场控制器设置于洁净室内。
一种厂务系统洁净室运维节能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、通过数据采集传感器和物联网传感器进行数据采集，获得洁净室所需能耗；
二、确立洁净室节能降耗的措施，根据现有技术形成知识库并存储于策略库存储器中；
三、在能耗分析平台上建立能耗模型库，通过仿真设定告警阈值；
四、在能耗分析平台上建立洁净室能耗管理信息系统，对能耗和成本进行统计；
五、通过“启发式最优能耗管理算法”，形成能耗智能管理功能。
作为限定，所述步骤一中，通过第一传感器采集新风系统的补充外气量Q1，通过第二传感器、第三传感器分别采集新风系统中两个不同位置的循环气量Q3，通过第四传感器采集新风系统的排气量应Q1；
根据质量平衡方程公式①，计算出洁净室所需气量q
其中hm为含水气的总焓值，按照式②计算
其中，C是干燥空气的比热、T是空气温度、d是此状态的绝对湿度、hv为此温度下水蒸气的饱和蒸气焓值，其中洁净室所需气量q与洁净室所需能耗成正比关系；
最后根据洁净室所需气量q及其与洁净室所需能耗之间的倍数关系得出洁净室所需能耗。
作为进一步限定，所述步骤二包括以下过程：
A.将多种现有技术中的节能方式形成知识库并存储于策略库存储器中；
B.计算各种节能方式可节约的能源，再计算各种节能方式节约的费用或成本，二者循环迭代，得到节能最优和费用最优的平衡点。
作为再进一步限定，所述步骤三包括以下过程：
a.根据生产规划，确定能耗目标；
b.结合能耗目标，确定告警阈值，实现告警提示；
c.参考能耗成本预算及降耗策略，形成能耗预算模型。
作为更进一步，所述步骤四包括以下过程：
（一）能耗采集；
将物联网传感器、数据采集传感器采集到的数据经接口处理后，进行采集调度，然后转换为系统统一的数据格式和协议；
（二）故障告警；
根据步骤（一）中采集的数据进行能耗及洁净度质量的分析，出现故障，则报警提醒；
（三）能耗查询；
通过能耗数据库的记录进行能耗查询；
（四）节能评估；
能耗管理平台的节能评估模块具备智能算法的引擎功能，对采集的数据进行汇总，统计、分析能耗的构成和耗能原因，对能耗做同比、环比和比较分析，针对数据分析结果，调用知识库的节能策略进行实施，根据知识库的模型对节能效果进行评估；
（五）能耗预算；
能耗管理软件平台与工业大数据平台配合使用，定期进行数据导入、数据统计、数据清洗，为管理决策提供数据支撑；通过能耗管理信息系统对能耗进行预算，分析可以节能的措施，采用节能策略后，对节能效果进行评估；通过能耗管理信息系统根据洁净室的能耗预算，将其与实际运行能耗进行对比，超过能耗预算则进行预警；
（六）系统管理
根据步骤（五）的节能效果评估结论，通过能耗管理信息系统采取进一步的优化措施。
作为第二种限定，所述“启发式最优能耗管理算法”包括以下步骤：
Ⅰ、采用最短路径算法计算每对节点间的主风路和备用风路；
Ⅱ、按照洁净度和风量对每对节点的洁净度及风量进行排序；
Ⅲ、按照风量排序依次确定每条风路，先按照主路径分配风量和风速，若阻塞则使用备用风路，如果全部备用风路分配失败，则报错并反馈报错信息，否则执行步骤Ⅳ；
Ⅳ、计算系统总能耗。
作为进一步限定，所述按洁净度要求进行排序即，按洁净度的耗能需求从大到小进行排序，首先满足洁净度要求高的部位，对其保障能源供给并优化风路；
按照风量进行排序即，按排气量和风路从大到小进行排序，首先满足排气量大和风路长的区域，对其分配风路和气流资源。
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
（1）本发明的针对现有洁净室节能技术进行分析，相比传统技术未保障洁净效果，减小了能源消耗的裕度，结合现有信息技术的配合，根据不同环境、时间选择最优的节能策略或策略组合，减少了不必要的能源浪费；
（2）本发明将信息系统与控制系统相结合，通过数据采集、数据分析、最优控制算法的组合，形成完整的洁净室节能方案体系，可以自适应地根据环境、季节选择最优方法，并通过实时数据采集，及时调整方案；
（3）本发明厂务系统洁净室运维节能系统，可以达到节能20%-30%，节约洁净室运行成本20%-30%的效果，对于中等规模的半导体生产企业，通过实施本发明，可为其洁净室节约能耗成本1000万元以上。
本发明适用于优化厂务系统的洁净室运维系统。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例1的结构框图；
图2为本发明实施例1的洁净室循环气流方向，能耗采集点示意图；
图3为本发明实施例2的洁净室节能降耗措施及选取策略示意图；
图4为本发明实施例1和2的能耗管理信息系统架构图；
图5为本发明实施例1和2的洁净室能耗分析管理信息系统架构图；
图6为本发明实施例2的基于启发式策略的能耗优化算法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1 一种厂务系统洁净室运维节能系统
本实施例包括数据采集传感器、物联网传感器、决策器逻辑电路、至少一个现场控制器、远端计算机；
每一个现场控制器对应一组数据采集传感器，每组数据采集传感器包括用于采集新风系统补充外气量的第一传感器、用于采集新风系统循环气量的第二传感器和第三传感器、用于采集新风系统排气量的第四传感器用于采集洁净室的洁净度数据的第五传感器，第一～第五传感器一方面与决策逻辑电路相连、另一方面与现场控制器相连；
物联网传感器的输出端与决策器逻辑电路输入端相连，决策逻辑电路与现场控制器相连，现场控制器与远端计算机相连，远端计算机包括策略库存储器，远端计算机内设置有能耗分析平台，能耗分析平台上设置有能耗管理信息系统。
厂务系统洁净室运维节能系统还包括显示终端、手持终端相连，显示终端、手持终端分别与远端计算机相连，远端计算机还包括监控显示器。
物联网传感器、决策逻辑电路和现场控制器设置于洁净室内。
如图2所示，洁净室的新风系统需要采集的数据点为在图2标识的A、B、C、D点，C点为补充外气量Q1，A点和D点为循环气量Q3，B点为排气量Q1。
本实施例中，远端计算机内设置有能耗分析平台，该能耗分析平台上运行有洁净室能耗管理软件，软件的架构如图5所示。
实施例2 一种厂务系统洁净室运维节能优化方法
本实施例采用实施例1来实现，包括以下步骤：
一、通过数据采集传感器和物联网传感器进行数据采集，获得洁净室所需能耗，本步骤包括以下过程，
通过第一传感器采集新风系统的补充外气量Q1，通过第二传感器、第三传感器分别采集新风系统中两个不同位置的循环气量Q3，通过第四传感器采集新风系统的排气量应Q1；
根据质量平衡方程公式①，计算出洁净室所需气量q
其中hm为含水气的总焓值，按照式②计算
其中，C是干燥空气的比热、T是空气温度、d是此状态的绝对湿度、hv为此温度下水蒸气的饱和蒸气焓值，其中洁净室所需气量q与洁净室所需能耗成正比关系；
最后结合二者的比例系数k就可以计算得出洁净室所需能耗，不同的洁净室的k值不同，需要根据实际曲线图得出；
二、确立洁净室节能降耗的措施，根据现有技术形成知识库并存储于策略库存储器中
在此过程中，首先将多种现有技术中的节能方式形成知识库并存储于策略库存储器中；然后计算各种节能方式可节约的能源，再计算各种节能方式节约的费用或成本，二者循环迭代，得到节能最优和费用最优的平衡点；
如图3所示，为在现有技术中，行之有效的节能方式包含但不限于：1）降低外气送风温度、2）降低排气量、3）降低正压设定阈值、4）采用流线型气流方式；这几种方式及其具体实施步骤在知识库中设置，并通过选取策略，从中选定一种或多种方式的组合；
三、在能耗分析平台上建立能耗模型库，通过仿真设定告警阈值，本步骤包括以下三个步骤，它们通过洁净室能耗管理软件实现，
a.根据生产规划，确定能耗目标；
b.结合能耗目标，确定告警阈值，实现告警提示；
c.参考能耗成本预算，及降耗策略，形成能耗预算模型；
四、在能耗分析平台上建立洁净室能耗管理信息系统，对能耗和成本进行统计，如图4和图5所示，本步骤包含以下过程，
（一）能耗采集；
将物联网传感器、数据采集传感器采集到的数据经接口处理后，进行采集调度，然后转换为系统统一的数据格式和协议；
（二）故障告警
根据步骤（一）中采集的数据进行能耗及洁净度质量的分析，出现故障，则报警提醒；
（三）能耗查询
通过能耗数据库的记录进行能耗查询；
（四）节能评估
能耗管理平台的节能评估模块具备智能算法的引擎功能，对采集的数据进行汇总统计、分析能耗的构成和耗能原因、对能耗做同比、环比和比较分析、针对数据分析结果，调用知识库的节能策略进行实施，根据知识库的模型对节能效果进行评估；
（五）能耗预算
能耗管理软件平台与工业大数据平台配合使用，定期进行数据导入、数据统计、数据清洗，为管理决策提供数据支撑；通过能耗管理信息系统对能耗进行预算，分析可以节能的措施，采用节能策略后，对节能效果进行评估；通过能耗管理信息系统根据洁净室的能耗预算，将其与实际运行能耗进行对比，超过能耗预算则进行预警；
（六）系统管理
根据步骤（五）的节能效果评估结论，通过能耗管理信息系统采取进一步的优化措施；
五、通过“启发式最优能耗管理算法”，形成能耗智能管理功能，“启发式最优能耗管理算法”包括以下步骤：
Ⅰ、采用最短路径算法计算每对节点间的主风路和备用风路；
Ⅱ、按照洁净度和风量对每对节点的洁净度及风量进行排序；
Ⅲ、按照风量排序依次确定每条风路，先按照主路径分配风量和风速，若阻塞则使用备用风路，如果全部备用风路分配失败，则报错并返回，否则执行步骤Ⅳ；
Ⅳ、计算系统总能耗。
在本实施例中，按洁净度要求进行排序即，按洁净度的耗能需求从大到小进行排序，首先满足洁净度要求高的部位，对其保障能源供给并优化风路；按照风量进行排序即，按排气量和风路从大到小进行排序，首先满足排气量大和风路长的区域，对其分配风路和气流资源。具体算法步骤按照图6实施如下：
(1)按洁净度要求进行排序
按洁净度进行排序通常按洁净度的耗能需求从大到小进行排序。首先满足洁净度要求高的部位，对其保障能源供给并优化风路。该策略优势在于分配成功率高，开始阶段能源和风路网络资源较多，适合洁净度要求高的大风量能耗要求严格区域的分配；随着能源的分配，能耗和风路资源逐渐变少，适合小风量洁净度分配，整体而言通风阻塞率较低；
(2)按照排气量进行排序
按照排气量和风路进行排序，通常按排气量和风路从大到小进行排序。首先满足排气量大和风路长的区域，对其分配风路和气流资源。该策略优势在于对风路较长、排气量大，能耗占用要求比较高，应当优先使其得到满足，同样，整体而言通风阻塞率较低。
排气量和风路分配问题的启发式算法主要分为四步：
首先，采用最短路径算法计算每对节点间的主风路和备用风路；
其次，按照洁净度对风量对每对节点的洁净度及风量进行排序；
然后，按照风量排序依次确定每条风路的确定，先按照主路径分配风量和风速。若阻塞则使用备用风路，如果全部备用风路分配失败，则报错并反馈，否则执行下一步；
最后，计算系统总能耗。
在本实施例中，启发式策略包括三种，（A1）按洁净度风量对业务进行排序；（A2）按业务主风路长度对通风进行排序；（A3）按业务各路风道的使用频率对通风进行排序。
Claims (6)
1.一种厂务系统洁净室运维节能系统的优化方法，所述厂务系统洁净室运维节能系统包括数据采集传感器、物联网传感器、决策器逻辑电路、至少一个现场控制器、远端计算机；
每一个所述现场控制器对应一组数据采集传感器，每组数据采集传感器包括用于采集新风系统补充外气量的第一传感器、用于采集新风系统循环气量的第二传感器和第三传感器、用于采集新风系统排气量的第四传感器、用于采集洁净室的洁净度数据的第五传感器，第一～第五传感器一方面与决策逻辑电路相连、另一方面与现场控制器相连；
所述物联网传感器的输出端与决策器逻辑电路输入端相连，决策逻辑电路与现场控制器相连，现场控制器与远端计算机相连，远端计算机包括策略库存储器，远端计算机内设置有能耗分析平台，能耗分析平台上设置有能耗管理信息系统；
所述厂务系统洁净室运维节能系统还包括显示终端、手持终端相连，显示终端、手持终端分别与远端计算机相连，远端计算机还包括监控显示器；
所述物联网传感器、决策逻辑电路和现场控制器设置于洁净室内；
其特征在于，所述厂务系统洁净室运维节能系统的优化方法包括以下步骤：
一、通过数据采集传感器和物联网传感器进行数据采集，获得洁净室所需能耗；
二、确立洁净室节能降耗的措施，根据现有技术形成知识库并存储于策略库存储器中；
三、在能耗分析平台上建立能耗模型库，通过仿真设定告警阈值；
四、在能耗分析平台上建立洁净室能耗管理信息系统，对能耗和成本进行统计；
五、通过“启发式最优能耗管理算法”，形成能耗智能管理功能；
所述“启发式最优能耗管理算法”包括以下步骤：
Ⅰ、采用最短路径算法计算每对节点间的主风路和备用风路；
Ⅱ、按照洁净度和风量对每对节点的洁净度及风量进行排序；
Ⅲ、按照风量排序依次确定每条风路，先按照主路径分配风量和风速，若阻塞则使用备用风路，如果全部备用风路分配失败，则报错并反馈报错信息，否则执行步骤Ⅳ；
Ⅳ、计算系统总能耗。
2.根据权利要求1所述的厂务系统洁净室运维节能系统的优化方法，其特征在于，所述步骤一中，通过第一传感器采集新风系统的补充外气量Q1，通过第二传感器、第三传感器分别采集新风系统中两个不同位置的循环气量Q3，通过第四传感器采集新风系统的排气量应Q1；
根据质量平衡方程公式①，计算出洁净室所需气量q
其中hm为含水气的总焓值，按照式②计算
其中，C是干燥空气的比热、T是空气温度、d是此状态的绝对湿度、hv为此温度下水蒸气的饱和蒸气焓值，其中洁净室所需气量q与洁净室所需能耗成正比关系；
最后根据洁净室所需气量q及其与洁净室所需能耗之间的倍数关系得出洁净室所需能耗。
3.根据权利要求2所述的厂务系统洁净室运维节能系统的优化方法，其特征在于，所述步骤二包括以下过程：
A.将多种现有技术中的节能方式形成知识库并存储于策略库存储器中；
B.计算各种节能方式可节约的能源，再计算各种节能方式节约的费用或成本，二者循环迭代，得到节能最优和费用最优的平衡点。
4.根据权利要求3所述的厂务系统洁净室运维节能系统的优化方法，其特征在于，所述步骤三包括以下过程：
a.根据生产规划，确定能耗目标；
b.结合能耗目标，确定告警阈值，实现告警提示；
c.参考能耗成本预算及降耗策略，形成能耗预算模型。
5.根据权利要求4所述的厂务系统洁净室运维节能系统的优化方法，其特征在于，所述步骤四包括以下过程：
（一）能耗采集；
将物联网传感器、数据采集传感器采集到的数据经接口处理后，进行采集调度，然后转换为系统统一的数据格式和协议；
（二）故障告警；
根据步骤（一）中采集的数据进行能耗及洁净度质量的分析，出现故障，则报警提醒；
（三）能耗查询；
通过能耗数据库的记录进行能耗查询；
（四）节能评估；
能耗管理平台的节能评估模块具备智能算法的引擎功能，对采集的数据进行汇总，统计、分析能耗的构成和耗能原因，对能耗做同比、环比和比较分析，针对数据分析结果，调用知识库的节能策略进行实施，根据知识库的模型对节能效果进行评估；
（五）能耗预算；
能耗管理软件平台与工业大数据平台配合使用，定期进行数据导入、数据统计、数据清洗，为管理决策提供数据支撑；通过能耗管理信息系统对能耗进行预算，分析可以节能的措施，采用节能策略后，对节能效果进行评估；通过能耗管理信息系统根据洁净室的能耗预算，将其与实际运行能耗进行对比，超过能耗预算则进行预警；
（六）系统管理
根据步骤（五）的节能效果评估结论，通过能耗管理信息系统采取进一步的优化措施。
6.根据权利要求1所述的厂务系统洁净室运维节能系统的优化方法，其特征在于，所述按洁净度要求进行排序即，按洁净度的耗能需求从大到小进行排序，首先满足洁净度要求高的部位，对其保障能源供给并优化风路；
按照风量进行排序即，按排气量和风路从大到小进行排序，首先满足排气量大和风路长的区域，对其分配风路和气流资源。
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