施耐德電氣：電子行業科創中心系列白皮書六電子廠房智能配電數字化應用場景（19頁）.pdf

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1、 年加入施耐德電氣，對電子廠房和數據中心數字化智能配電監控系統有較深刻的了解。熟悉半導體集成電路工廠電力監控系統和數字化智能配電系統的應用和方案設計。Project Management Institute(簡稱 PMI)PMP 認證項目管理師。Chinese Institute of Electronics 中國電子學會工程分會會員。02通過多年對電子工廠廠務系統的研究及現場經驗，基于施耐德電氣數字化產品的性能與特點，我們認為以下功能特點能切實幫助到客戶的實際應用。在目前電子廠房常用監控系統架構中，往往存在著 2 個主要問題：1、服務器的配置相對固化，并且多系統前置服務器嵌套的架構，導致系統

2、可靠性低，時效性差，系統到了一定運行時間出現數據延遲，卡頓，服務器宕機等問題；最主要的是專業性不強，缺乏電力數據關聯分析及性能預測；比如，軟件和硬件規約的匹配問題，導致電力系統故障錄波、SOE 事件記錄、電能質量分析及斷路器老化分析等軟硬件融合的應用無法滿足；2、目前多數半導體工廠的監控系統相對獨立，拋開 FMCS 系統暫且不提，單單對于電力系統來說，就分為電力監控、抄表系統（或能源管理）、壓降監測系統，這些系統部署獨立，數據也沒有打通，在運維端需要投入大量的人力資源進行值班監視，同時故障發生時，系統無法綜合分析，大都是獨立顯示和報警，運維人員對故障的判斷和處理會投入更多的時間和精力。智能配電

3、數字化應用場景和解決方案a)一體化的電力監控系統架構：由此，針對半導體行業，施耐德電氣在傳統配電的基礎上不斷進行迭代升級，提出了更加契合電子行業實際應用場景的 EcoStruxure Power 一體化智能配電架構，該架構分為 3 層，包括互聯互通的產品層、邊緣控制層和應用分析與服務。其中，配電系統涵蓋了半導體工廠從市電、中壓、柴發、到低壓末端配電的全覆蓋，監控系統通過融合傳統的電力監控、還整合了電能質量監測和能效管理，實現電子廠房智能配電監控系統的三合一。一方面從建設階段，減少多系統獨立部署帶來的不必要投資，另一方面整合系統資源有助于減少運維人員的投入和提升系統對電氣故障的綜合分析。軟件架構

4、層面：*系統平臺架構簡潔，部署方式靈活，可集中式部署也可分布式部署。*冗余方案豐富，支持軟件端的雙機冗余，N+1 冗余以及 2N 冗余，同時支持單網，環網，雙網多種網絡冗余部署方案，確保后期工程的靈活擴展。*多集群負載均衡技術，可快速響應 30-50 萬點海量數據處理，以及報警事件的快速相應和定位。功能層面：通過軟硬件融合的專業系統，助力運維效率提升，比如告警事件智能分組、半導體工廠壓降事件波形捕捉與還原分析、擾動方向判定、合規曲線分析、關鍵電氣設備的性能診斷、能效管理等等，確保我們的一體化電力監控系統是可監、可控、可分析的一體化平臺。綜上所述，結合我們對一體化架構的解析，綜合考慮適用于不同規

5、模特性的電子工廠應用場景，可提供覆蓋全區域、全場景、全周期的半導體工廠供配電數字化解決方案。031、在供電可靠性有限的情況下，發生停電事故，如何判定責任方？b)電子行業智能配電數字化完整解決方案中壓配電2、如何簡化中壓電源負載投切系統的設計復雜度，縮短工程周期，提高運營效率？3、如何配置母線保護，實現故障快速切除，保障設備與人身安全？4、有無必要對中壓開關柜和斷路器采取監測措施？需要監測哪些內容？04半導體制程復雜，供電的可靠性直接影響產品的良率和殘次品率，甚至產線的停產等，會帶來嚴重的經濟損失。用戶需了解供用電的品質并通過技術手段準確記錄毫秒級的事件發生；做到電網側和用戶側供電系統界面責任判

6、定，以作為保險公司理賠依據。當系統出現停電或電能質量事故，用戶首先要準確判斷事故類型，擾動方向，責任認定。其次，準確記錄數據以及波形；最后進行全面分析，給出改進方向。擾動方向判定在以上問題的解決方案中，施耐德電氣可提供全球范圍內采樣精度最高的電能質量儀表結合我們 PO 電力監控系統的數字化解析，對電能質量事件，驟升、驟降、瞬變、中斷等擾動進行高精度波形捕捉，實現擾動方向的判定，并能夠提供擾動分析報告，記錄事故發生時候的準確事件和波形還原，給出合理化建議，幫助我們的用戶解決電網擾動方向監測與責任判定的難題，支撐損失索賠或者改善提升供電可靠性的建議。05在中壓母線，中壓柜運行過程中很可能由于的操作

7、失誤、接頭松脫、動物侵入，以及長時間運行后 PT 絕緣老化、套管老化導致嚴重短路故障。對于中壓母線未像高壓母線那樣安裝母線差動保護，中壓母線短路故障依賴上級進線的后備保護切除，切除時間長，而根據測試結果數據，母線燃弧后 0.1s 就會燃燒，0.15s 后母線損毀，柜體在 0.2s 后爆炸。對 10kV 和 6.6kV 開關站內部署整站式弧光保護系統，配置單獨的弧光保護系統（獨立于微機保護，可以不影響現有保護系統），包含主單元、輔助單元和弧光傳感器?；」鈧鞲衅骺裳b在開關柜的三個隔室內（母線室、斷路器室和電纜室），能夠全面保護整站內的開關柜。通過檢測電弧光信號，整套母線的保護動作時間可達 5 7m

8、s，主單元可顯示弧光發生點位置，在主斷路器拒動時發出跳閘指令跳上一級斷路器，提高保護系統的安全性監測數據。中壓整站弧光保護06為了保障供電連續性，中壓市電和柴發之間的電源負載自動切換是半導體工廠發必不可少的應用場景，由于半導體工廠的 UPS 容量和發電機容量都不是滿負荷配置，通常配置容量在總容量的 15%30%左右，且半導體工廠中壓母線段較多，實現快速的自動化投切成為了客戶在設計、部署和運維階段始終關注的難題。實現市電、柴發以及重要負載之間的切換邏輯方式有多種，施耐德電氣采用數字通訊技術構建了中壓全站電源負載自動控制系統，實現電子廠房多段母線備用電源投切的四化:設計標準化，工程簡約化，維護數字

9、化，運行仿真化。另一方面，數字化雙胞胎，自動投切邏輯不需要啟動柴發增加額外的運行成本，也不需要受現場進度條件限制直接輸出到控制對象，即可實現模擬仿真驗證投切邏輯?？蓭椭娮訌S房解決多母線段得投切遇到的以下問題：1、施工需高定制化（現場接線復雜無法工廠預置，施工質量難控制，接錯線的情況常發生）2、維護難追溯（邏輯信號無法在線監視，信號線松脫會造成誤動或者據動）3、運行信息不對成（調試和維護人員面對復雜邏輯和 120 多根柜間線查詢維護困難，加上設計、施工、竣工圖面不一致，有時一個問題要找 3 到 4 天）中壓多母線段電源投切中壓開關柜是半導體工廠廠房配電系統重要的電氣設備，中壓柜的可靠運行是保證

10、供電連續性的基礎，如果在施工或者操作過程中中壓開關柜內的母排、斷路器觸頭、電纜接頭存在連接耦合不緊密的情況，以及投運之前未清理干凈施工過程積聚的大量灰塵，則會導致接觸電阻值大于正常電阻值，加速設備通流后的熱量積累，影響開關柜的運行，造成事故產生意外停電。另一方面，電子廠房目前對中壓一次斷路器剩余壽命暫無有效的方式進行評估。所以，數字化配電解決方案是通過在開關柜關鍵位置上（母排、斷路器上觸頭、斷路器下觸頭及電纜連接處）安裝測溫傳感器，結合監控系統實現全天候連續溫升監測，結合 SCADA 監控系統實現全天候連續溫升監測，實時呈中壓資產健康現基于負載電流的溫升報警曲線，異常溫升預警和報警，以便及早發

11、現可能因為溫升引起火災風險。另外，現在 Micom P3 綜保就可以直接實現檢測斷路器的電壽命，還可以通過在傳統的設備上加裝傳感元件，做到二次側的分閘線圈、合閘線圈以及儲能線圈的健康狀態監測，結合軟件上面的操作和運行數據的收集結合監控軟件的算法和分析，使開關柜，斷路器，二次控制器件這樣的黑盒設備，能夠通過數字說話，由被動運維變為主動運維。這些數據還可有效指導客戶在未來備品備件和檢修維護上的預算支出更加合理，同時還可做到風險提前感知，減少電氣事故發生風險和頻率。07低壓配電1、對于低壓配電，有哪些運行風險，低壓母線有沒有比較進行數字化監視？2、低壓成套方案斷路器保護動作采用智能脫扣器還是綜保實現

12、？3、如何判斷關鍵制程設備對暫態電能質量事件的耐受能力，有沒有治理手段？低壓母線是半導體工廠重要的資產設備并且被大量使用。低壓母線通常母線安裝在 fab 廠房內下夾層，由于空間環境復雜，母線槽通常是和水管、氣體管道等相互交叉部署，這樣就容易發生水管凝露和漏水滴在母線上情況，長時間的運行會對外絕緣造成極大的影響,導致其絕緣強度大大降低,不僅可能在過電壓的情況下產生閃絡,還可能在長期運行電壓下產生污閃,造成電氣設備絕緣故障停機事故。另外，低壓母線在安裝時，由于工人水平參差不齊，安裝不當導致搭接面積不夠，在大電流通過時導致母線發熱，同樣溫度升高是造成絕緣老化的重要因素，可能導致熱穩定的破壞，嚴重時造

13、成絕緣的熱擊穿?；?于 以 上 兩 大 核 心 問 題，施 耐 德 電 氣 PO 一 體 化 監 控 平 臺 通 過PO/BUSWAY 模塊，整合智能母線專用監控系統，整合軟硬件一體化價值，提供標準功能、組件、界面、模板；全圖形化工具操作，降低使用門檻。平臺同時可對關鍵負荷點位溫度、溫升狀態以及母線各級可視化監控，快速歸集和定位故障報警，提前發現隱患，防止計劃外停電，保障供電連續性。08針對于低壓設備斷路器方案，在設備層配置高性能的數字控制單元，能夠低壓設備資產健康實時監測低壓開關運行狀態，搜集觸頭磨損、機構磨損、線圈磨損、運行容量等多個設備運行參數，同時結合軟件端的專業算法給出剩余使用壽命，

14、實時跟蹤和分等級預警。同時為了降低電氣火災的安全風險，對于溫度監測的需求已經從高壓覆蓋到低壓，我們通過在低壓柜的母線連接處、斷路器上下口連接處、并柜連接處、饋電回路出線電纜處及抽屜一次接插處等關鍵位置加裝接觸式無線測溫傳感器，結合監控系統實現實時在線監測、實時報警與故障定位，保障配電網絡的連續可靠運行。09SEMI F47 標準是由國際半導體設備材料產業協會制定，在設備供應商、終端用戶、測試實驗室和相關方之間廣泛使用。要求半導體加工設備對通常發生在交流電網上的電壓驟降耐受能力。實際上，電能質量是目前半導體工廠關注的重中之重。其中壓降是半導體行業最為嚴重的問題，根據權威機構對國內最大的液晶屏制造

15、企業調研數據，在 3 萬片/月產能規模車間，若 2 個周波內，發生 20%電源的下降，將會導致直接損失 300 萬（產品損失），間接損失 500 萬（設備損失），也就是電源閃落一次要損失 800 萬。壓降監測合規曲線 SEMI F47 和電壓暫降治理SEMI F47 標準實施后，避免了數億美元的晶圓廠和設備因電壓驟降而停工。通常電壓的波動可能來自于外部電網側、也可能來自于內部設備側影響，針對于外部電網側的擾動，我們在前面中壓側的方案中已進行了闡述，而在擾動來自于內部大功率設備沖擊以及諧波影響的場景下，施耐德電氣主張在低壓關鍵母線段，配置 PM8000 電能質量監測儀結合軟件系統的電能質量功能模

16、塊。通過軟件+硬件融合的整體方案還原電能質量事件波形，生成 SEMI F47 合規曲線報告，幫助客戶綜合掌握暫態電能質量事件產生的影響，為選擇電能質量治理設備提供如：壓降發生的頻次，嚴重程度，諧波含量等多維度的參數支撐，實現精準有效治理，避免電壓暫降而造成不可預期的損失。另一方面，這種軟硬件結合方式還能夠幫助用戶分析監管工藝設備對暫態電能質量耐受能力的評估，判斷是否能后達到 SEMI F47 要求的標準，從而預防和保證客戶生產的可靠連續性生產要求，為提高良品率保駕護航。10半導體行業是制造芯片的特殊高科技產業,生產的產品種類繁多、加工步驟繁多、屬于重復混合加工的制造形式，因此芯片制程中的每一道

17、加工工藝都顯得尤為關鍵。常規的動態存儲內存的加工工藝約需要 200 道以上的工序,其中任何一步的出錯都會直接影響產品的良率,讓昂貴的芯片一文不值。制造中大量使用有毒有害的氣體及化學品,為避免意外泄露事件的發生都會使用緊急停機連鎖功能。在發生電壓暫降時,緊急停機連鎖功能的電氣控制回路中的繼電器會因電壓低而觸發,從而導致設備的停機。同時，半導體工廠中 UPS 帶載重要工藝設備，部分企業目前輔助系統無UPS 保護措施，成為系統短板。當抽真空系統、制程冷卻水系統、純水系統 UWP 等發生電壓暫降時，系統會發生芯片掉落或者連鎖機制，導致系統不穩定，機臺停機，損失嚴重。2009 年 6 月，國內上海某大型

18、集成電路制造廠，由于 UPW 壓力波動所導致 5 臺刻蝕設備停機、8 臺化學機械研磨設備停機,并導致在一次 100 片芯片轉運過程中，其中 54 片芯片報廢。2011 年 2 月 23 日,UPW 純水系統發生三相電壓暫降其中 C 相降到額定電壓的 74.7%,持續時間 101 毫秒。按照以往情況,以上電壓暫降會導致 UPW 水壓波動以及制程設備的異常停機。但經過治理后由于 DVR 的電壓輸出波形完全符合循環泵及壓力提成泵的電力品質要求,UPW 系統未受到電壓暫降的影響。施耐德電氣目前可通過提供電壓暫降治理裝置，實現 3ms 快速全補償，0-130%全電壓輸出；保證全系統電壓穩定，不存在薄弱環

19、節。99%工作效率，約 0 維護，約 0 成本維護。通過軟件+硬件一體化融合，設備支持數字化軟件平臺互聯互通，實時監視電壓曲線合規，形成壓降監測從監視、到分析再到治理的閉環方案。1112報警事件順序記錄，也就是通常說的 SOE 功能，監控系統對于值班人員最直接的價值體現就是實時報警，在故障發生時，第一時間響應，快速鎖定故障位置。半導體工廠由于配電回路數量多，當故障分析時，報警時間精度低（目前的低壓報警時間基本是服務器接收到報警的時間，不像中壓綜保支持 SOE功能），事件排序不準確，導致運維人員無法根據監控系統的報警信息快速分析事故根因，增加了故障排查難度。目前電子廠房低壓側，通常通過硬接線的方

20、式，采用小型 PLC 或者 RTU設備收集開關故障報警，這種方式雖然比傳統的 RS485 方式響應的速度快，且信號傳輸可靠，但是無論是小型 PLC 還是 RTU 設備都無法滿足故障信號的時間戳傳輸需求，也就導致系統在監控層面無法實現 SOE 的獲取。施耐德數字化解決方案采用硬件與軟件融合方案，幫助運維人員更準確、更高效的故障排查。硬件層面建議用戶安裝支持 NTP、PTP 網絡高精度對時的 PM8000 儀表，通過 I/O 模塊實現低壓配電設備精準事件捕捉，PM8000 的部署可與前面提到的 SEMI F47 曲線共用，可有效利用設備資源降低部署成本。軟件功能層面，系統則可以根據負載的重要程度進

21、行報警分級，還可以根據故障種類進行分組（例如：電能質量事件，保護異常動作等）。出現異常后，監控系統會觸發報警功能?？赏ㄟ^報警回路上配備高端表計 PM8000，可獲取和還原發生故障時的電能質量波形。幫助值班人員快速鎖定故障位置和故障原因，實現快速故障切除。報警事件順序記錄 SOE一個大型的半導體工廠，中壓層級多，電壓等級多，一直到末端配電環節回路數量多，產生的數據量級也大，通常在系統投運初期，配電系統會存在一系列的數據可靠性和可用性問題，如果運維人員要手動排查，難度和強度很大，至少花費 2-3 個月，隨著后期陸續投入生產，這個問題會愈加明顯，比如系統數據校核會產生能耗數據誤差，通訊掉線，功率因數

22、超前或之后，跳電信息誤報警等問題。針對以上這些問題，我們是否有更好的數字化手段進行解決呢？答案是肯定的，施耐德電力監控系統可以很好的實現智能診斷工作，通過Power Advisor 電力顧問系統，采用大數據分析手段，自動分析校驗邊緣控制層采集的海量數據，這主要帶來了數據可靠性和可用性兩大解決問題的優勢。1、可靠性方面：零值、負值、通訊質量差，數據丟包和掉線問題。2、可用性方面，是否有施工階段產生的低級失誤引起的數據不準確，比如安裝接線的問題，比如 CT 變比錯誤導致的數據不準，儀表少報或者多報的數據能耗數據不守恒問題。針對同樣規模的回路，通過系統分析，預計用時 2-3 天即可，較傳統人工排查可

23、節省超過 90%以上的人工時。我們可以再通過一則案例進行理解：某客戶在新建的項目上，在通過對電力監控系統使用中發現，數據不穩定，經常出現掉線情況，數據讀取上來，發現很多錯誤數據，排查故障和分析原因，數據也不穩定。針對于這種情況，我們提供了電力顧問服務，通過線上+線下的模式，生成了電力報告，幫助客戶發現電力系統的隱患，主要驗證數據。第一批接入 100 多臺表計，接入了千里眼系統，幫助客戶做電力報告，每個月生成一張報告，查接線錯誤，查 CT 變比錯誤，查經常掉線的儀表。在系統趨于穩定后，系統還會持續的出具電力健康報告，幫助電子廠房客戶優化系統健康，比如評定全廠電能質量情況（這部分不需要配合高端表計

24、），功率因數，電壓、電流運行趨勢。所以說，邊緣融合，軟硬件融合的思路，最終是讓海量數據會發生會說話，讓我們的運維更主動、更高效、更精準。13141516半導體工廠是能耗大戶，能耗的高低則直接影響了產品成本及市場競爭力。半導體工廠對于能效管理和設備效率管理的需求日益上升，主要來源于兩個驅動力有：國家政策要求和企業本身管理要求。值得一提的是國家政策方面：在工業和信息化部的指導下，微半導體集成電路制造業晶圓 綠色工廠評價要求等 18 項電子行業綠色工廠評價要求團體標準完成制定并于 2020 年 6 月底發布。這里涵蓋了集成電路、液晶面板、多晶硅制造等從上游、中游到下游半導體行業的全產業鏈，此外，東南

25、沿海多省市已開展高能耗企業能耗數據上傳政府平臺工作。同時，隨著半導體的發展，其芯片越來越??；當半導體技術發展為更小尺寸的芯片時，晶圓廠的能耗則必然增加。這里我們看一個數據：5 納米生產線現在需要 54 億美元，而 10 納米生產線的晶圓廠只需要 17 億美元。隨著芯片越來越小，競爭將會越來越激烈。要符合國家政策需求和解決能耗問題，施耐德電氣電子行業科創中心針對于半導體集成電路廠房量身定制數字能效管理系統 POEM。數字能效管理與分析，幫助電子廠房對能源在電力/純水/惰性氣體/特殊氣體等多維度、購入/輸送/消費/排放等多流程、集團/全廠/科室/建筑/系統/設備等多層級的高效、經濟、可視化管理。能

26、源使用高效：以單一設備用能效率為分析基礎，分析和評估單一能源的高效率運行和消費策略，最終實現在整個管理體系內的能源高效利用，以降低產品單耗、減少碳排放。能源成本經濟：以歷史能源費用構成、未來能源消耗預測為參考，分析和評估各種能源在不同計量方式、不同購入費率、不同計費方案背景下的綜合成本，幫助調整運行方式、降低漏損等。能源可視化：采用大屏/二維/三維/流向圖/熱力圖等多種可視化手段，面向全廠人員，將能源消耗、能效指標、超標預警、報警通知、系統流程、工藝流程等可視化呈現，提升全民能源管理意識。數字能效管理17結語我們相信通過數字化技術可以保障半導體工廠供電更加安全、更加可靠的發展。未來，施耐德電氣

27、也將繼續憑借對行業的深入洞察以及對產品和解決方案的持續創新，不斷完善中低壓一體化的智能配電解決方案，深化與產業鏈伙伴的合作，繼續服務于中國國家戰略，助力科技創新，為加快半導體設備國產替代注入一抹 綠色動力。本手冊采用生態紙印刷客戶關愛中心熱線：400 810 1315施耐德電氣（中國）有限公司Schneider Electric(China)Co.,Ltd北京朝陽區望京東路6號施耐德電氣大廈郵編：100102電話：(010)8434 6699傳真：(010)8450 1130Schneider Electric Building,No.6,East Wangjing Rd.,Chaoyang DistrictBeijing 100102 P.R.C.Tel:(010)8434 6699Fax：(010)8450 1130www.schneider-由于標準和材料的變更，文中所屬性和本資料中的圖像只有經過我們的業務部門確認以后，才對我們有約束ECATA10682019 11