（上海至纯洁净系统科技股份有限公司 200241）
摘要：目前国家大力发展半导体产业，特殊气体（可燃气体、毒性气体等）被大量应用到工艺生产中，特殊气体泄漏侦测系统（GDS，Gas Detector System）的发展也在迅速改变，基于网络供电技术（POE ，Power Over Ethernet）悄悄的被应用到GDS系统中来[1]，传统气体侦测器采用电缆信号连接将被基于网络供电的超五类网线（Cat5e）替代，传统PLC模拟量(4~20mA)信号采集也将被以太网通讯方式替代。POE技术在特气侦测系统中的应用，缩短了工程施工周期，降低了系统建设成本，促进了产业发展。
关键词：POE技术；气体侦测；轮循通讯
引言：
POE (Power Over Ethernet)是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，为一些IP的终端设备(如网络摄像机、气体侦测器等)传输数据的同时，还能为此类设备提供直流DC48V供电的技术。一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE，Power Sourcing Equipment)和受电端设备(PD，Powered Device)两部分。PSE是指基于以太网的供电设备，主要指支持POE功能的交换机、集线器等设备。PD是指接受供电的负载设备，气体泄漏侦测就是受电设备。
1 GDS系统现状
1.1常规GDS系统架构
目前半导体行业的GDS系统主要还是采用传统模拟信号（4~20mA）方式与气体侦测器通讯，当侦测器探测到气体泄漏浓度超过规定限值时，PLC控制器根据事先编写的程序逻辑处理，启动声光报警灯和自动切断供气设备，保障生命财产安全。监控电脑显示泄漏点具体位置和当前浓度值，方便及时处理和故障分析。
图1 传统网络架构
1.2.GDS设计的重点
常规特殊气体侦测系统（GDS）设计工作很多，包括：设备定位图，电缆桥架布置图，控制逻辑表，PLC控制柜原理图等。其中PLC控制柜原理图的工作量比较大，因为气体侦测器采用模拟信号（4~20mA）通讯，需要大量的PLC模拟量模块，通常一个大的12寸集成电路生产厂有2000~9000台左右气体侦测器，大概需要20~90台左右的PLC柜控制柜，绘图工作量比较大。基本设计流程是：先根据侦测器点位规划到不同的PLC柜，建立IO点位分配表，然后根据点位表开始绘制每台PLC盘图纸，现场工人根据PLC柜图纸接线，把每台侦测器信号电缆接入对应接线端子，调试和线路检查的工作量大，难度高。
1.3系统扩展的方式
半导体厂最常见的现象就是系统扩建，前期因投入资金等各种因素制约，建厂规模不会一步到位，后面生产稳定，资金到位后开始系统扩建，扩建过程中侦测器数量必然增加，因此PLC柜数量也会相应增加，PLC一般采用通讯总线方式，主从站网络架构，系统扩展对接时GDS系统会停止监控，等系统对接完成后才可以正式启用，否则可能会误报警，影响正常生产。
2 POE技术的应用
2.1.POE网络架构模式
随着国际POE标准IEEE802.3af建立，POE技术开始飞速发展，国际主流的气体侦测器企业也开始研发自己的POE功能侦测器，并迅速推向市场。POE功能的侦测器通过超五类网线（CAT5）与POE功能交换机连接，交换机给气体侦测器提供网线供电方式，并把数据传送给PLC控制器，PLC根据侦测器IP地址与每台侦测器通讯，当PLC采集到侦测器报警数据，启动声光报警灯，自动切断供气设备，保障生命财产安全。
图2 POE网络架构
2.2施工和安装更方便
POE技术应用使气体侦测器安装更方便，原来的电缆接线，现在只需要一根超五类网线与POE功能交换机连接，就能满足侦测器供电需求，同时，通过以太网建立侦测器与PLC交换数据。侦测器通过唯一IP地址进行识别，区分不同侦测点。POE交换机端口没有固定地址要求，侦测器网线可以连接任意端口，工人施工难度比较小，施工进度较快，工期大大缩短。
交换机相对PLC柜成本较低，安装比较灵活，可以根据侦测器空间布局就近安装，然后通过网线或光纤进行整个系统通讯连接，设计和安装比较方便。
2.3系统成本降低
POE技术应用到GDS系统后，系统集成成本会降低很多，主要表现在：PLC柜数量减少，施工周期缩短，安装调试比较方便。 因侦测器与PLC通过以太网通讯交换数据，PLC柜减少大量模拟量模块，这样PLC柜数量就会减少很多，PLC柜加工周期会大大缩短，定位和安装工作量也会减少很多。
因PLC柜数量减少，PLC柜安装和接线工作减少很多。同时，侦测器通过网线与交换机连接，没有固定端口束缚，网线施工比较方便，工人施工效率大大提升。因此，项目施工和安装周期会缩短很多，节省了大量的人力成本和管理成本。
因侦测器采用POE技术，只有网线连接，调试时只需要进行IP地址通讯检测，如果检测不通过，重新压接对应网线就可以，减少了大量电缆接线检查工作。同时可以通过Web网页进入侦测器内部进行参数设置和报警功能测试，比现场逐台功能测试快很多，因此，调试周期会缩短很多。
2.4数据信息更丰富
POE侦测器通过以太网通讯，数据量更大，信息更丰富。监控电脑可以通过Web网页功能进入侦测器内部检查，查看侦测器故障信息，参数设置，报警功能测试等。而且，网络通讯方式读取的数据更稳定，更可靠。原来4~20mA信号需要量程转换，进行限值比较后，产生对应报警信息和联动，程序判断环节比较多，现在直接读取侦测器报警数据，当侦测器报警信号被读取，直接启动声光报警和远程关断功能，更直接，更准确。
3 POE技术的发展
3.1.POE技术现状
2003年IEEE发布了POE标准802.3af，规定了交换机端口电压DC44~57V之间，典型电压DC48V。规定了端口输出电流10~350mA，典型输出功率15.4W。2009年IEEE又补充发布了802.3at标准，工作电压直流50~57V之间，典型输出功率30W，目的是满足一些大功率受电设备需求。各交换机厂家开始迅速研发并生产自己的产品，目前Cisco、MOXA、D-Link等几大主流交换机厂家都有对应的POE交换机推出，价格相对较贵，其中工业级的POE交换机价格都在1万人民币以上。
目前市场上有标准POE交换机和非标POE交换机，标准交换机供电端口电压不会直接输出DC48V，交换机先检测受电设备是否满足IEEE802.3af标准，如果符合标准，才会提升输出电压至DC48V供电。而一些非标POE交换机没有检测功能，端口一直输出DC48V，工人压接网线时很容易短路，烧坏供电设备。
受电设备（PD）发展比较快的是视频监控设备，目前市场上销售的工业摄像头很多具有POE功能，安装方便。气体侦测系统（GDS）也开始陆续推出POE功能侦测器，目前国内半导体行业三大侦测器品牌（Honeywell、Riken、New Cosmos）都有成熟的POE功能侦测器产品，其中Honeywell最早推出具有POE功能的侦测器。价格也基本不变，目前电化学侦测器自带三种信号模式：干接点、模拟量、POE端口，各GDS集成厂商自行根据设计选择对应信号方式。
3.2项目应用案例
国际集成电路制制造领军企业（台积电）已经大规模使用POE技术，台积电新建设的工厂所有电化学气体侦测器都采用POE技术设计、安装。我们公司是国内比较早把POE技术应用到GDS系统里的，从2011年到现在已经在LED、光伏、集成电路等多个领域推广，侦测器安装数量达到上万台，系统运行良好，为公司节省上千万的系统集成成本，现在已经广泛受到行业客户认可，很多招标文件明确要求以太网方式。
2011年在LED项目开始应用POE技术，当时有一个改造项目，项目引进的是美国Honeywell控制技术，侦测器通过POE方式供电，但逻辑控制器不是PLC，而是Honeywell自己开发的单片机模块，价格比较昂贵，交货期长。当时国内基本没有POE技术，引进这项技术也是为了推广新技术。但，实际使用下来发现定制的单片机模块经常出现故障，国外交货期又比较长，严重影响业主生产，公司讨论决定不惜成本改造这个系统。
PLC模块是工控行业常用的控制设备，性能稳定，编程方便。因此，用PLC模块代替定制的单片机控制模块是最佳方案，但，需要解决通讯问题，怎样利用现有的技术，通过编程实现侦测器与PLC通讯，采集侦测器数据，实现联动控制。经过通讯协议分析，和多次反复实验，最终采用轮循方式实现侦测器通讯。西门子和AB都有微型PLC支持Modbus-TCP方式通讯，价格比Honeywell定制的单片机模块便宜很多，采购渠道十分广泛。方案确认后开始执行改造任务，全厂500多颗侦测器，只用了10万元人民币就完成了整个系统改造，整个调试和改造时间只用了2周，业主十分满意，为公司节约了200多万的改造成本。
3.3未来发展趋势
目前制约POE技术在国内GDS系统中应用的原因有两个：1，PSE设备（工业POE交换机）相对比较贵，目前更多的还是使用商用POE交换机。2，客户的接受度，国内大型集成电路制造企业还在观望态度，担心网络不稳定，更多相信传统电缆接线。随着POE技术逐渐成熟，产业链设备也会趋于完善，POE功能交换机成本也会降低，GDS系统将大量使用POE技术。POE技术带来的施工成本低，施工周期短，扩展方便等优势必然会被延续，推动产业技术发展，更成熟更稳定。
4 结束语
一项新的技术发展发展必然有一个过程，随着POE技术逐渐成熟，对应的PSE和PD设备技术也会逐渐成熟，成本也会越来越降低，经过市场一段时间检验，人们的接受程度也会越来越高，POE技术优势会被充分发挥出来，POE技术在GDS中的广泛应用指日可待。
参考文献：
[1]国标. 特种气体系统工程技术规范. GB 50646 – 2011.
论文作者:冯明
论文发表刊物:《科技研究》2019年4期
论文发表时间:2019/6/18
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