一种废气浓度实时监测与异常排放预警方法、系统及装置与流程

本发明涉及废气监测，具体为一种废气浓度实时监测与异常排放预警方法、系统及装置。

背景技术：

1、半导体晶圆厂在光刻、刻蚀、沉积及清洗等数百道工序中需使用大量酸碱化学品、特种气体及有机溶剂，产生含氟化氢、氯化氢、氨气、氯气及挥发性有机物等复杂组分的废气，上述废气按照化学性质分为酸排、碱排、有机排及全氟化物排四套物理上相互独立的排气管道系统，各套系统自工艺机台排气口起完全分离，废气经本地处理单元、排气管道及中央洗涤塔至排放口集中处理后排放。

2、半导体制造工艺具有强时变特性，不同工艺数据排放的废气在组分、浓度、流量及温度上差异显著，正常工艺数据切换可引起废气浓度在数十秒内数倍的瞬变，而管道破损引起的缓慢泄漏可能数小时内浓度仅小幅爬升。正常工艺波动与真实异常本质上是同一种物理量在不同成因下的表现，在单一浓度阈值判据下无法有效区分，导致固定阈值方案误报率高且漏报率高，排气管道内通常维持负压运行，管道出现缝隙时废气未必向外泄漏，外界空气也可能经缝隙被吸入管道内部，被吸入的空气一方面稀释管内废气，另一方面预示管道密封性已经受损，虽然由于负压尚未造成废气外泄，但若不及时发现并处理，缝隙扩大后将演变为废气外泄，为此发明了一种废气浓度实时监测与异常排放预警方法、系统及装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种废气浓度实时监测与异常排放预警方法、系统及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：所述实时监测与异常排放预警方法包括：

3、确定监测点，监测点包括与工艺机台排气口直接连接且无上游监测点的初始监测点和处于初始监测点下游的普通监测点，基于工艺机台的工艺数据确定初始监测点的自适应阈值区间，针对任一普通监测点，根据当前监测点的所有相邻上游监测点的实测废气浓度值、废气浓度阈值和风力数据确定当前监测点的动态浓度基线和自适应阈值区间，在工艺数据切换时，沿废气管网流向逐级触发监测点进入过渡态并扩展自适应阈值区间；

4、当任一普通监测点的实测废气浓度值超出对应的自适应阈值区间并达到预设时长时，根据浓度越限方向和辅助物理量特征组合识别异常类型，并基于废气管网结构与物理量守恒的假设验证方法，逐一假设上游支路管段发生异常，逐一比对所有相邻上游支路管段的理论状态与实测状态，将理论状态与实测状态相匹配的上游支路管段判定为异常管段，并触发异常排放预警。

5、更进一步地，确定初始监测点的自适应阈值区间包括：调取所述工艺机台当前执行的工艺数据，获取工艺数据在历史统计数据中的特征废气组分的基准浓度和正常波动范围，将所述基准浓度和所述正常波动范围结合获得初始监测点的自适应阈值区间，自适应阈值区间随工艺数据的切换而同步更新；

6、所述风力数据包括监测点处气体的气压和排风量，所述排风量为经温压补偿换算得到的标准状态下的标准排风量，所述异常类型包括外部空气吸入和废气外泄，将各监测点采集的工况排风量结合管道绝对压力和气体绝对温度，换算为标准状态下的标准排风量，所述辅助物理量包括氧含量和温度。

7、更进一步地，当任一普通监测点的实测废气浓度值低于对应的自适应阈值区间的下限时，获取当前监测点的辅助物理量监测值，当所述辅助物理量监测值中氧含量较正常状态升高且混合气体温度较正常状态下降，同时当前监测点的各相邻上游监测点的实测废气浓度值未超出对应的自适应阈值区间时，则判定任一相邻上游监测点与当前监测点之间的管段发生外部空气吸入异常，根据氧质量守恒推算空气吸入量，并通过热平衡混合模型与稀释关系对所述空气吸入量进行假设验证，假设验证方法包括：分别假设空气自各相邻上游监测点与当前监测点之间的管段侵入，按流量守恒与热平衡计算各假设下对应管段的理论温度，将假设情况下理论温度与实测温度相匹配的对应管段判定为异常管段。

8、更进一步地，针对任一普通监测点，基于质量流量守恒利用所有相邻上游监测点的废气浓度实测值和排风量确定动态浓度基线，利用所述相邻上游监测点的废气浓度阈值和排风量确定传递浓度上限，根据当前监测点在历史稳定运行时段内的浓度波动生成以所述动态浓度基线为中心的统计阈值区间，将所述统计阈值区间的上限与所述传递浓度上限中的较小值作为自适应阈值区间的上限，确定当前监测点的自适应阈值区间。

9、更进一步地，当任一普通监测点的实测排风量与所有相邻上游监测点的总排风量之间的差值超过预设流量阈值，且对应管段的管道静压较正常负压状态向正压方向偏移时，判定任一相邻上游监测点与当前监测点之间的管段发生废气外泄异常，结合洁净室内的环境监测数据对废气外泄异常进行环境侧确认，假设验证方法包括：分别假设废气自各相邻上游监测点与当前监测点之间的管段外泄，按流量守恒、热平衡和稀释关系计算假设下当前监测点的理论温度与理论浓度，将假设下理论温度及理论浓度与实测值相匹配的对应管段判定为异常管段。

10、更进一步地，在工艺机台进行工艺数据切换时，与发生工艺数据切换的工艺机台直接相邻的初始监测点进入过渡态，当任一监测点的实测废气浓度值出现朝向对应理论稳态浓度基准的趋势性改变时，触发与当前监测点直接相邻的下游监测点进入过渡态并扩展下游监测点的自适应阈值区间，当下游监测点自身检测到所述趋势性改变时，继续触发当前下游监测点所直接相邻的下游监测点进入过渡态；所述理论稳态浓度基准包括初始监测点理论稳态浓度基准和普通监测点理论稳态浓度基准；初始监测点理论稳态浓度基准根据工艺数据发生切换后，初始监测点所连接工艺机台的切换后工艺数据中各特征废气组分的质量流量设定值，与工艺机台当前的实时总排风体积流量之间的比值确定；普通监测点理论稳态浓度基准根据相邻上游监测点的理论稳态浓度基准，乘以当前监测点与相邻上游监测点之间支路管段的流量分配系数，并结合该支路管段的实时气压与实时温度进行气体状态修正后获得；趋势性改变包括监测点的实测废气浓度值呈现连续若干个采样周期内方向一致地偏离切换前原有浓度基准的变化特征，且偏离方向和偏离幅度均与切换后的工艺数据所对应的理论稳态浓度基准的预期趋近方向相吻合。

11、更进一步地，对进入过渡态的当前普通监测点根据相邻上游监测点更新后的自适应阈值区间、实测废气浓度值、实时气压、标准排风量、支路管段的管径和监测点之间的传输距离，确定过渡态动态浓度基线和传递浓度上限，并扩展浓度波动裕量形成过渡态自适应阈值区间；任一处于过渡态的监测点的实测废气浓度值在预设稳定时长内的波动幅度满足预设稳定条件时，退出过渡态并恢复常规自适应阈值区间。

12、一种废气浓度实时监测与异常排放预警系统，采用了上述的一种废气浓度实时监测与异常排放预警方法，所述实时监测与异常排放预警系统：

13、实时监测模块：确定监测点，监测点包括与工艺机台排气口直接连接且无上游监测点的初始监测点和处于初始监测点下游的普通监测点，基于工艺机台的工艺数据确定初始监测点的自适应阈值区间，针对任一普通监测点，根据当前监测点的所有相邻上游监测点的实测废气浓度值、废气浓度阈值和风力数据确定当前监测点的动态浓度基线和自适应阈值区间，在工艺数据切换时，沿废气管网流向逐级触发监测点进入过渡态并扩展自适应阈值区间；

14、预警模块：当任一普通监测点的实测废气浓度值超出对应的自适应阈值区间并达到预设时长时，根据浓度越限方向和辅助物理量特征组合识别异常类型，并基于废气管网结构与物理量守恒的假设验证方法，逐一假设上游支路管段发生异常，逐一比对所有相邻上游支路管段的理论状态与实测状态，将理论状态与实测状态相匹配的上游支路管段判定为异常管段，并触发异常排放预警。

15、一种废气浓度实时监测与异常排放预警装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现上述的一种废气浓度实时监测与异常排放预警方法。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、该废气浓度实时监测与异常排放预警方法、系统及装置，通过在浓度判据基础上引入氧含量、温度、排风量及管道静压等多维辅助物理量构建特征组合判据：当实测浓度低于自适应阈值区间下限且辅助物理量呈现氧含量升高、混合气体温度下降时识别外部空气吸入异常，当实测排风量与上游总排风量差值超过预设流量阈值且管道静压向正压方向偏移时识别废气外泄异常；并进一步基于废气管网结构与质量、能量守恒的假设验证方法，通过逐一假设各相邻上游支路管段发生异常并推演理论状态与实测状态进行比对，实现异常类型的精准辨识与异常管段的精确定位，克服了单一浓度监测无法区分不同成因异常的局限性。

18、同时，通过为各监测点建立与工艺数据同步更新的自适应阈值区间，使判别基准能够随工艺状态动态调整；在工艺数据切换时沿废气管网流向逐级触发过渡态并扩展自适应阈值区间，利用上游监测点实测浓度朝向理论稳态浓度基准的趋势性改变作为前馈事件，提前触发下游监测点进入过渡态以包容正常工艺切换引起的浓度瞬变，有效防止因正常工艺波动导致的误报，并在过渡完成后自动恢复常规窄区间判别，保证稳态下的检测灵敏度。

19、通过阈值参与机制对下游动态浓度基线实施基线截断与上限锚定：当上游监测点实测废气浓度值超过其废气浓度阈值时，以该阈值替代实测值参与下游加权混合计算，防止异常上游排放持续抬高下游动态浓度基线及统计阈值区间而导致低侧异常漏检；同时利用传递浓度上限对统计阈值区间的上限进行锚定约束，避免上游异常传递导致自适应阈值区间出现下限高于上限的区间失效情形，确保在存在上游异常排放传递时，下游监测点仍能维持正常的检测能力与合理的保护范围，并通过异常上游监测点标记与异常传递溯源避免对完好管段的误定位。