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半导体制造用到的气体,原来是这样操作的!

电子科技,以及整个信息技术行业这些年的发展,对任何一个行业都产生了极大的促进作用。这些年,大量传统行业都在宣传“数字化”,像是金融、医疗、交通等等。有趣的是,信息技术行业垂直链条上的不同环节,彼此之间也在产生影响。

比如说半导体材料与制造很靠上游的气体,这些年正受到下游数字化技术的推进——这就让垂直行业上的每个点都在相互作用。前不久我们参观了林德东亚区的远程控制中心(ROC)。林德是一家专门从事工业气体业务,发端自德国的企业;公司的历史,已经超过百年。林德的业务实际上不止是电子和半导体,但就半导体、显示面板而言,林德属于行业相当上游的存在:台积电京东方三星、长江存储等都是林德的下游客户。

不过这个位处上海的远程控制中心,却充斥着十足的工业4.0味道,用林德公司大中华区远程运行中心总监陆贤的话来说,这是建立的“数字档案”,气体走的也是“数字化管道系统”,加上还有各种数字化模拟系统、远程纯数字化操作,这就是典型的信息技术行业下游对上游的影响了,也是这次我们参观林德远程控制中心的最切身体会。

林德(Linde)原本是全球四大气体公司之一,随着去年10月美国联邦贸易委员会批准林德与普莱克斯(Praxair)的90亿美元对等合并协议,四大已经成为三大。国外gasworld BI估算“新林德”已经拿下了33%的市场,在全球气体业务方面也已超过液化空气(Air Liquide)。

中国对林德的价值有多大?

从林德(Linde plc,包含Praxair)2018的财报来看,这家公司目前的整体营收水平仍然是在上涨的:无论是营收、营业利润(Operating profit)还是现金流,都相当健康。截至2018年12月31日的年销售额为149亿美元(八成以上是气体),相较前一年上涨了30.28%(营业利润可能因为结算方式而不具有太大参考价值)。这部分增长中,6%的驱动力来自北美和亚洲。

就地理区域来看,北美在基数上仍然是林德毫无争议的最大市场,其北美市场2018年销售额为64.2亿美元,亚洲则为19.64亿美元。不过亚洲区在销售额中的占比,在林德的整体营收中同比增加了13%,而亚洲区的营业利润份额在其全球市场占比则大涨了28%。林德亚洲区的主要工业气体运作在中国大陆、印度、韩国和泰国,另外还包括中国台湾和中东地区。其中9%的增量来自中国、韩国、印度,以及“中国的新项目”。中国驱动更高价格带来销售额2%的增长。

林德自己相关中国区的市场预测中,有关气候变化的部分提到,中国这类新生经济体开始采用更加严格的水质标准,这对于类似废水处理氧气一类的大量气体,都提供了市场成长空间。

来源:林德2018财报,注意这个销售数字并非财报最终数字,且不包含林德的工程与其他业务

如果按照气体销售的应用来划分,林德的主要应用领域分成了生产(manufacturing)、化学与能源、医疗健康、金属与玻璃、食品与饮料(可乐中的二氧化碳也是林德的一个重要业务)、电子(electronics)。电子在林德总销售额中只占到了8%的份额——这个数值数年来都是比较稳定的(但我们暂不清楚财报中“生产”业务的具体组成)。

在参观活动开始前,联华林德中国区总裁唐瑞平告诉我们:“在电子行业,新林德的市场份额大概有28%左右。”这个数字是包括了大宗气体(典型如氧氮氩氢氦)的。“联华林德”是台湾工业气体制造商联华神通集团,与林德集团在中国大陆的合资子公司,成立于80年代末、90年代初。“但整个林德集团电子业务我估计就占到10%左右。”这和前述林德公司财报中8%的数字基本相符。“但联华林德(这家合资企业)100%都是电子业务,我们大概40%是做半导体,40%是显示面板,还有20%不到是LED、太阳能。”

“半导体是联华林德接下来一个增长的主要市场。”“在半导体行业,特种气体和大宗气体的需求,从价值上来说大概是一半一半。如果一个半导体工厂要花一块钱的大宗气体,就要花一块钱的特种气体。这是我们两个着重的发展方向。”这里的特种气体有几百种,不同的制程对此也有不同的要求;特种气体中包含了电子气体。

“对电子行业而言,设备投资很贵,工艺要求很复杂,良率是竞争力的保证。要怎样得到好的良率,除了工艺保证之外,工业气体的纯度、稳定性、可靠性都是先决条件。业内最近两年发生过一些良率事故,都是因为气体纯度出了问题。”

比如几乎所有制造过程中都需要使用大量氮气,用以净化和抑制化学敏感工序。“工业气体是半导体发展必不可少的血液。”唐瑞平说,“在过去3-5年,我们主要是配合国家大力发展半导体和显示产业。我们过去3年,在中国陆续投资了30亿人民币的工业气体设备和装置。服务的客户除了中芯国际、长江存储、长鑫科技以外,也有Intel大连、Samsung苏州等;显示业务像是京东方、华星光电等等。”

“我们看到半导体和电子行业,有13-14%的增长率。我也知道中国2017年半导体进口总额比石油都大。中国半导体行业现在的本土化率大概是20%左右,未来如何从20%提升到30%,从30%提升到50%,甚至到70%,这其中的潜力都是非常巨大的。”这对更上游的工业气体供应商林德而言自然是重要的机会。“我们增加了很多研发力量,来推进中国先进制程的发展。”

联华林德中国区总裁唐瑞平

走进林德远程控制中心

中国政府近两年对半导体行业的大力扶持,包括“大基金”的存在,也就无怪乎林德开始越来越多地加大在中国的宣传力度,包括这次的林德大中华区远程控制中心(ROC)之行。所谓的远程控制中心,就是所有远端设备设施都在一个控制室进行控制,“由我们经验丰富的工程师去集中化操作,做技术支持,确保装置运行最佳状态。”陆贤说。

远程控制中心有两个作用,其一是装置的操作,其二是解决装置工艺上的瓶颈并优化装置的运行。那么在远程控制中心可以做什么呢?“我们林德内部称作PRO,分别表示绩效优化、对装置警报的响应,以及24x7的实时远程操作。“林德设立远程控制中心的目标,就是装置绩效,让能耗越来越低,让可靠性越来越高。”这在我们参观过程中,也能明显感觉出来。

这里一直在说的可远程控制的“装置”包括了四个类型。第一类是空气分离装置(air separation unit)——这是数量最多的操作装置,是可远程操控的绝大多数;其中包括了大型空分装置(“包括液体空分、电子气的制氮等,我们称作空气分离,因为他们的原理是一样的”);其次是制氢装置;另外,还有食品级的二氧化碳提纯,“产品可以供给可乐”。

上面这张图左下角的部分是管道监控。“在整个中国大陆范围内,我们总共有350公里的管道,8大工业园区,通过管道将气体供应给客户。”这种庞大的管道系统,对安全性和可靠性要求因此变得很高,所以要对“高效的运行做出监控”。

针对上述四类装置做远程控制和监控,就需要管理系统,充分利用所有远程位置的数据。包括远程显示这些装置的运行效率和状态,同时还能对数据进行分析,甚至通过对数据的分析“预测装置三个月后的情况。当发现这个数据趋势在往上走了,虽然现在没有报警,但我就要开始准备备件了。”这和我们前不久采访BISTel的智能制造解决方案理念如出一辙。

这其中的核心部分也是现在工业4.0时代的主旋律:数字化。不止是实时检测出管道泄漏之类的数据,大数据分析还能够产生预测模型,以及“把所有管道信息、客户信息都纳入我们的系统中,比如通过客户用气量的多少,来实时调配装置负载,减少放空等。”

与此同时,数字化还有更高阶的应用,早前我们参加Cadence Forum论坛时,就了解了西门子对于智慧工厂(digital factory)全链条的把控,这其中的一个技术核心就是打造某种物理世界的digital twin(数字复刻版),然后通过数字模拟来针对生产或者产品,在虚拟和现实世界之间形成某种连接关系。在生产前期,生产者就可以模拟和优化产品、设备设施,确保生产效率更高。这里的digital twin是帮助生产者理解、预测真实对象的性能特性的。

“我们的远程控制中心也在运用数字化工厂模拟,现在已经应用到了操作人员的培训方面。我们有一套子系统叫OTS(operating training system),新招聘的操作人员可以在模拟机上进行装置的开停机、操作。这样就能迅速培养起操作人员了。”“将来我们会把数字化模拟运用到装置实际运行中去,用来进一步提高效率。”

整个远程控制中心都是对林德大宗气体产品的监测。参观过程中给我们留下最深刻印象的是宁波的数字化管网控制,如上图所示,这是去年才上线的。“宁波有82公里长的氮气、氧气、氢气系统装置。从大榭岛通到这边的最终端。”陆贤指了指,“沿着这条湾,沿着永江,穿越市区。如何确保安全性、可靠性,还要符合当地安全部门的监管规定,很重要。”“比如出现较大压差,或者不匹配的时候,出现报警,我们可以及时提醒现场巡检。”

这张图的实景俯瞰部分据说是用无人机去拍下的,“我们借助当地设计院的资质,用无人机去飞行拍摄,再建模以后,我们就把它这样呈现出来。”在实际操作中,这张图可以像谷歌地图那样放大、缩小,并且实时查看管道的所有详细数据,包括材料、管道直径、压力、高度等。

甚至可以看到埋地的管道,“虚线就是埋地的,实线就是架空的。比如我们要查某个客户在哪里,界面上点击弹出就有了。针对管道数据,随便一个点,就可以查找他的参数。”甚至连永江的湖底管道都可以查看。除了这种纯数字化的操作,另外还有巡检。“每次巡检都可以上传到系统中。有什么情况我们在这里就可以点开看。巡检特别要检查一些阀门的状态。现场差不多一周有两次的巡检。”

“这套数字档案现在在宁波已经有了。我们下一个目标是苏州工业园。我们苏州工业园有五十多公里的管道,苏州新区还有三十多公里。两部分组合起来就能形成类似的数字化管道系统。苏州大部分是埋地的,除了过桥走明管,苏州工业园就几乎看不到管道,都是埋地的。我们为此投入了大量资金。”此外,常州、厦门、天津后续都会建起这样的管道数字化系统。

而在真正的远程控制部分,控制中心的工程师手动输入几个参数,远端装置就会做出响应。”“一般像小型制氮现场是无人的,而大型空分现场则配备了最少的人员,白天一般配两个人,晚上一个。”唐瑞平说,“光是这边的屏幕就监视55个装置。比如有现场制氮无人装置,装置在远端自动运行,我们会监控装置的运行情况。”现场的很多参数都能在屏幕中反映出来,一个人就能控制五十几个小型空分。

“比如像纯度参数,纯度是实时控制的。操作人员一般不需要干预,在偏差大报警时才会跟踪调查。”陆贤介绍说,”一些大型空分、液体空分,会有一套‘先进控制系统’。它能根据客户的压力、纯度等波动,自动调整装置负荷。我们设定一个值,如果超过这个指标,客户那边就会切换到备用系统。我们收到报警后,就会尝试去处理、解决问题。”“像这样一个大型空分,操作人员只需要简单输入需要多少氧气目标值,整个系统就能自动跑起来。“

包含位于上海张江的管道系统,其中就有接入中芯国际的部分

此外,如前文所述,这种数字化运作还能做到绩效管理。远程控制中心的工程师介绍说:“我们工厂每分每秒都会产生海量数据,将这些数据利用起来形成绩效管理。对操作而言,能够起到反馈的作用;对企业管理层,可以及时了解工厂运行情况。比如前一天全国工厂的运行情况,所有独资、合资工厂每天的开停状态,产品产量,曲线走势,能耗分布,管理层可以很直观地看到概况。”“工厂出问题,比如短期停止的,马上就会在屏幕上通过不同的颜色反馈出来。”

这种绩效管理,真正反映出林德远程控制中心对林德自身的价值:效率最优化,尤其是对于气体供给的能耗、效率,毕竟这对林德而言就是成本本身。有了数字化监测、呈现、分析之后,效率高低才真正有所展现。

安全,分享与合作

我们参观的这个林德东亚区远程控制中心是早在2008年就成立的,只不过达到如此规模后续是一步步,通过模块化的方式发展而来的。包括2014年将镇江的中央控制室合并到上海远程控制中心。像上海这样的远程控制中心,在林德集团06年的规划中总共是9个,上海即是其中之一。

早在2004年,林德就已经在苏州规划网络建设,所以目前我们看到的这套远程控制系统,从规划之初至今也已经有十多年历史了。即便仅是通讯网络的搭建就不大一般。“我们这里其实有两套网络在运转,一种是装置控制网络,另一种是办公室邮件通讯类的网络,两者在物理上隔离开,确保安全性和及时性。毕竟一弹出报警就需要响应。”装置控制网络物理层面接入是中国电信,安全性部分则由AT&T提供专线。此外物理层面还有中国联通的冗余方案,确保网络的可靠性。

林德被Top Employers Institute评为2019中国杰出雇主

这种对可靠性和安全性的要求实际上从我们踏入林德办公室的那一刻就能体会到。在参观活动开始以前,首先进行的并不是领导讲话,而是安全内容培训,由专员告诉所有参观人员紧急集合点在哪里,逃生通道的路线是什么样,并明确当天没有消防演习——所以一旦听到消防警报,所有人都需要尽快撤离。

办公室所过之处都可以见到各种安全标识。“我们有两大要素,一是安全safety,这是业务持续运行的保证;二是合规性compliance,这是公司系统长期运行的保证。”唐瑞平说,“林德一百多年在行业内积累了很多经验、教训,我们叫黄金法则,life saving policy。从不同国家地区、不同行业学来的。”“我们所有site门口都会有个牌子,写上连续安全多少天。年终我们还会颁发林德精神奖,安全是第一位的。”

所以在公司介绍中,林德和普莱克斯同时都很强调安全原则,“我们的员工、承包商,如果认为现场不安全就可以拒绝工作。”

这部分经验似乎是林德为中国带来的最宝贵的组成部分之一。“我们有两个平台,亚洲气体协会和中国气体协会,政府、科研机构、友商。在协会里面,我们原则上是不讨论业务的,就主要讨论安全标准。”“林德的很多成员,现在就在国家制定标准的专家委员会中。我们乐于分享生产运行、工艺设计中的安全标准。”“我们希望把高标准的安全要求,带到中国。”

在我们看来,虽然林德也强调在为中国培养本地人才,以及持续为气体协会输出技术和可靠性的建议,同时投入大量资金在中国本地搭建设备设施,为半导体制造服务——但就中国本地仍气体行业的发展现状,这是个缓慢的过程。安全可能才是林德现阶段能够为中国带来的最宝贵资源。

· 2019-09-29 09:50  本新闻来源自:面包板社区,版权归原创方所有

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