半導(dǎo)體廠廢氣處理模糊故障診斷系統(tǒng)研究

魏強(qiáng) 劉躍旭 韓志強(qiáng) 張建海

摘? 要：針對(duì)以往半導(dǎo)體廠廢氣處理設(shè)備故障診斷缺陷，提出了一種模糊故障診斷方案。根據(jù)廢氣處理設(shè)備的工作特征參數(shù)，對(duì)故障成因和特點(diǎn)進(jìn)行分析?；谀：评淼脑瓌t，建立了自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)。實(shí)踐應(yīng)用表明采用模糊推理原則可以改善工作狀態(tài)時(shí)的故障預(yù)判，減少了故障發(fā)生，提高了半導(dǎo)體廠生產(chǎn)的效率。

關(guān)鍵詞：廢氣處理;模糊推理;故障診斷

中圖分類號(hào)：? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

Fuzzy-inference Based Fault Diagnosis System for Waste Gas Treatment of

Semiconductor

Wei qiang， Liu Yue-xue， Han Zhi-qiang， Zhang Jian-hai

（TJPR Environmental Engineering Technology Co.， Ltd， Tianjin 300402， China）

Abstract： In order to make up for deficiencies of the traditional fault diagnosis method of waste gas treatment system， an automatic fault diagnosis method was studied based on fuzzy inference. This paper analyzed the feature parameters of the waste gas system， utilized the fuzzy inference rule to extract the fault symptom and fault cause， then built a fault diagnosis system and raised the inference efficiency after establishing fuzzy relationship. The practice test results showed that the accuracy of fault diagnosis and forecast were improved and the fuzzy reference algorithm could satisfy the system requirements of security and stabilization as well as higher precision and rapid speed.

Keywords ：waste gas treatment; fuzzy inference; fault diagnosis system

一、引言

近幾年國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅速， 2017年以來國內(nèi)新建的晶圓廠超過了20家，投資額超過1000億美元[1]。

半導(dǎo)體廠制程中的排氣系統(tǒng)和廢氣處理設(shè)備連為一體，廢氣處理設(shè)備發(fā)生故障將可能導(dǎo)致機(jī)臺(tái)的意外宕機(jī)，損失巨大。所以半導(dǎo)體廠的廢氣處理多配置在線備用系統(tǒng)，以保證出現(xiàn)故障能快速切換。由于對(duì)廢氣系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性要求高，設(shè)備的故障檢測(cè)顯得格外重要。絕大多數(shù)半導(dǎo)體廠在故障判斷及故障預(yù)測(cè)上仍多采用人工檢測(cè)、經(jīng)驗(yàn)分析或采用設(shè)定故障參數(shù)的方式。對(duì)設(shè)備故障漸變過程的預(yù)判，以及這種漸變?cè)斐傻脑颍瑐鹘y(tǒng)故障診斷方式還有很大的局限性和滯后性。如果將模糊推理引入到現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)中，可以有效發(fā)現(xiàn)信號(hào)與故障原因的聯(lián)系，準(zhǔn)確及時(shí)的排除，把故障發(fā)生的概率進(jìn)一步降低，極大的降低維保人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和能耗的損失，提升生產(chǎn)效率。

二、故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊推理理論

模糊推理理論反映了故障征兆信號(hào)和故障原因之間的隸屬關(guān)系，通過某些故障征兆信號(hào)的隸屬度求出各個(gè)故障原因的隸屬度。符合復(fù)雜狀態(tài)環(huán)境中故障判斷中對(duì)度的要求。在判斷概念上更接近人類思維[2]。

模糊推理首先要取得狀態(tài)征兆集和故障原因集，對(duì)于征兆集中的每一個(gè)征兆因素Xi，根據(jù)實(shí)際工藝的需要確定其隸屬度函數(shù)。由隸屬度函數(shù)得到征兆模糊向量式（1）。

（1）式中，元素是狀態(tài)征兆Xi的隸屬度。由狀態(tài)征兆和故障原因與之間的模糊關(guān)系方程可得到故障原因模糊向量作為模糊決策的依據(jù)。

再依據(jù)最大隸屬度原則或閾值原則，從故障原因模糊向量中判別出故障原因。

2.2 廢氣處理系統(tǒng)故障特征分析

半導(dǎo)體廠制程中產(chǎn)生的廢氣一般機(jī)臺(tái)端會(huì)先采用 Local scrubber 處理，再將初級(jí)凈化后的廢氣分類引至各自處理設(shè)備中。這其中酸堿性廢氣占到了較大比例。以常見的濕式洗滌塔為例。處理流程為，廢氣引至洗滌塔內(nèi)，通過填料的作用，讓氣液兩相充分混合，將廢氣中的水溶性酸堿成分吸收，并以廢水的形式排放到廢水處理系統(tǒng)中。處理后的氣體通過除霧區(qū)消除多余的水分，經(jīng)風(fēng)機(jī)通過煙囪排放。

在處理流程中故障發(fā)生情況分布在處理前端、處理區(qū)和排放端三個(gè)部分。運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示處理區(qū)發(fā)生故障的比例占到了總故障的76%。這其中又以管路故障、儀表故障、風(fēng)機(jī)故障、風(fēng)壓波動(dòng)為主，占到了處理區(qū)故障的60%以上。這幾類故障對(duì)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生立即性影響。循環(huán)水量異常、酸堿度失衡、閥門失靈等發(fā)生的幾率較小，對(duì)系統(tǒng)影響不是直接的，但會(huì)造成處理效果減弱。

故障診斷的前提是采集系統(tǒng)各部分的征兆信號(hào)。對(duì)于不同的征兆信號(hào)特征量，根據(jù)其采集的方式、頻率和信號(hào)種類可以采用基于濾波值、短期均值、變化率、震蕩幅值等幾種方式確定。

除了這些征兆信號(hào)還有一些開關(guān)量信號(hào)，例如儀表故障、設(shè)備停機(jī)等。它們屬于系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行判斷信號(hào)，出現(xiàn)故障系統(tǒng)自動(dòng)停止。對(duì)于此類信號(hào)設(shè)計(jì)為最高優(yōu)先級(jí)故障報(bào)警。其他征兆信號(hào)在進(jìn)行模糊處理后再?zèng)Q定是否報(bào)警。

2.3 征兆信號(hào)的隸屬度函數(shù)求取

征兆信號(hào)隸屬度函數(shù)的確定本質(zhì)應(yīng)該是客觀的，但也需要一定的專家經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試，對(duì)應(yīng)不同征兆的隸屬度函數(shù)有特定分析的方法，但都有賴于大量數(shù)據(jù)采集及具體分析。

從表1中可以看出系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，統(tǒng)計(jì)所得數(shù)據(jù)顯示壓力監(jiān)測(cè)的線性度為約±1.4%FS，重復(fù)精度±1.5%FS。壓力監(jiān)測(cè)最大允許誤差要求±2%，響應(yīng)時(shí)間最大允許誤差30%。從滿足系統(tǒng)要求和易于計(jì)算考慮，隸屬度函數(shù)可以采用梯形隸屬度函數(shù)。在處理流程中，廢氣各成分的濃度和氣量都可能變化，系統(tǒng)對(duì)于不同的對(duì)象其狀態(tài)參數(shù)是不同的（例如壓力差期望值、采集位置等）。對(duì)狀態(tài)參量不同的值設(shè)定出正常工作范圍，然后可得到隸屬度函數(shù)。最后基于上述考慮得到各征兆信號(hào)的隸屬度函數(shù)。

對(duì)壓力信號(hào)期望會(huì)出現(xiàn)壓力過大或壓力過小。由此可得信號(hào)過大和過小的隸屬度函數(shù)。

2.4 模糊推理和判斷

通過廢氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和機(jī)理分析[3][4]，確定每種故障征兆的原因。例如出現(xiàn)壓差期望值的波動(dòng)，其主要原因是通道不暢或泄漏。造成通道不暢的原因又涉及到風(fēng)機(jī)、填料、閥門、管路等。再細(xì)化，風(fēng)機(jī)皮帶、電氣元件、填料菌落失衡、水量不足、閥門泄漏等都存在可能。這其中填料出現(xiàn)故障頻率較多，相對(duì)權(quán)重就大。綜合多次運(yùn)行試驗(yàn)，就可以確定在設(shè)備運(yùn)行過程中故障征兆域、故障原因域和它們之間的關(guān)系。故障征兆域?yàn)椋收显蛴驗(yàn)?。每一故障征兆?duì)應(yīng)每個(gè)故障原因進(jìn)行了具體驗(yàn)證和試驗(yàn)修正取得關(guān)系因子，可以建立模糊關(guān)系矩陣，如下式所示。

測(cè)得故障征兆數(shù)據(jù)在經(jīng)過隸屬度函數(shù)模糊化后，得到故障征兆模糊向量。通過公式得到的故障原因模糊向量作為模糊決策的依據(jù)。式中的模糊算子“”表示為式（2）

這種算子中不會(huì)丟失大量信息，同時(shí)在比較各個(gè)征兆因素后，能最大限度突出單個(gè)因素的作用。

工作過程中信號(hào)監(jiān)測(cè)的動(dòng)作速度易受負(fù)載變化的影響出現(xiàn)非線性變化。但這種非線性的變化并不是故障引起，如果單純采用最大隸屬度原則很容易誤判，所以在診斷判別時(shí)結(jié)合最大隸屬度原則和閾值原則。根據(jù)理想模型多次驗(yàn)證后選取合適的閾值。對(duì)于已取得故障原因模糊向量，首先和閾值水平比較得到初步判斷，如果初步判斷則通過認(rèn)定，如果不是則判定為正常擾動(dòng)。如沒有拒判按中最大值判定故障原因。

三、驗(yàn)證

以集管壓力2500Pa，處理風(fēng)量50000m3/h的某半導(dǎo)體廠酸堿廢氣處理系統(tǒng)為例。測(cè)取60次各部分征兆信號(hào)，以每10次的綜合特征值（無量綱）為一組。

將每個(gè)樣本的征兆值分別代入其對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)中，得到了6組個(gè)樣本的征兆模糊向量 ，，將以及分別代入式（4），從而得到6組故障原因模糊向量，。如表2所示。

由閾值=（0.3，0.4，0.2，0.5，0.4，0.4，0.3，0.4）判斷，樣本2和樣本6有故障預(yù)兆。由最大隸屬度原則確定樣本2故障原因?yàn)轱L(fēng)機(jī)異常，樣本6的故障為儀表故障。通過人工復(fù)檢，故障預(yù)測(cè)與實(shí)際一致。

四、結(jié)論

本文根據(jù)半導(dǎo)體廠酸堿廢氣處理設(shè)備要求穩(wěn)定性好，安全性高的特點(diǎn)，基于模糊推理原理設(shè)計(jì)了酸堿廢氣處理模糊故障診斷系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的故障征兆和故障原因的關(guān)系進(jìn)行分析。通過對(duì)酸堿廢氣處理設(shè)備的長期測(cè)試與跟蹤，證實(shí)采用模糊原則后故障診斷速度明顯加快，同時(shí)減少了錯(cuò)判和誤判率，并可以故障預(yù)測(cè)，事故率明顯降低。試驗(yàn)結(jié)果表明基于模糊推理的故障診斷方法在導(dǎo)體廠酸堿廢氣處理系統(tǒng)上的應(yīng)用是行之有效的，能滿足生產(chǎn)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]李彎彎. 國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備發(fā)展綜述[J].廣東科技，2018：55～57

[2]吳今培. 模糊診斷理論及其應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，1995.

[3]陳玉峰，楊驥. 半導(dǎo)體制程廢氣處理技術(shù)實(shí)踐[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008年 33卷 9期：752～755.

[4]楊昕，高艾偉，Dr. Frenzel. 關(guān)于半導(dǎo)體行業(yè)廢氣處理的解決方案[J].集成電路應(yīng)用，2002年 2月：43-45.

作者簡介：魏強(qiáng)（1981-），男，工程師，碩士。現(xiàn)從事自動(dòng)控制系統(tǒng)集成研究。郵箱：65108753@163.com。