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矽島構想。早在政府提倡的綠矽島前，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。
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無塵室內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。
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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。
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2.1.3 兩種MAU優缺點比較表
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
姚晨生子(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;
中国第一悍匪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;
罗莎 卡拉乔洛
TCV_05 = 0;
TCV_07 = 0;
ENDIF