半導體制造業面臨可持續發展的挑戰，包括在精密制造過程中使用大量的水和電；幸運的是，數字化轉型可以幫助半導體制造商。

艾默生機械自動化解決方案全球行業經理Manish Sharma 先生在接受美國CONTROL ENGINEERING 雜志采訪時談到：半導體制造業面臨可持續發展的挑戰，包括在精密制造過程中使用大量的水和電；幸運的是，數字化轉型（DX）可以幫助半導體制造商。數字化轉型還有助于半導體制造以外的制造商實現可持續發展。

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您如何看待數字化轉型，

對半導體制造有何幫助？

數字化轉型已成為大熱門。簡單地說，就是利用各種可用技術如自動化和數據科學帶來的融合力量來實現業務關鍵績效指標，也就是KPI。我們越了解可能性，越能實現數字化轉型。推進DX 成熟度是一個漸進的過程（見圖1），每個制造商都必須從適當的階段開始。這不僅僅是購買控制系統，然后進行自動轉換那么簡單。除了過程控制設備之外，還必須具備DX思維模式，以及從高管到車間工人各級人員的配合。

▎圖1：DX旅程的不同階段分別是監控、診斷、預測、優化和學習。由艾默生提供。

行業接受的路線圖包括通過智能傳感器向智能可編程邏輯控制器（PLC）提供數據，從而實現更好的數字化和數據收集。收集的數據可以存儲在云端，也可以使用企業級數據管理軟件如Emerson Plantweb DataLake 或快速訪問Historian，具體取決于應用的規模。這些數據可以通過不同的自定義或現成的機器學習（ML）算法進行處理，有助于獲得過程和設備的見解。邊緣技術在虛擬化PLC（邊緣控制）或工業 PC（邊緣計算）上執行算法過程，從而就近直接在設備邊緣提供控制干預和見解。這些見解可以是關于過程效率、設備故障，甚至通過數字雙胞胎實現更好的工廠設計，甚至可以在部署之前模擬過程。

數字化轉型幫助高管解決的典型業務KPI 包括提高生產以更好地利用資本支出、減少浪費以降低運營費用，以及不間斷運營以提高整體設備效率（OEE）。工廠經理更感興趣的是預測故障，根據狀況安排設備的維護，而不是基于計劃的維護；對每班產量、庫存控制和其他制造參數進行更確定的控制。

數字化轉型允許制造系統與企業資源規劃（ERP）集成，從而擁有一個整體集成的轉型系統，包括訂購、庫存管理、生產計劃和設備級別的見解。這允許對工廠的各個方面進行持續的整體改進，并能夠更好地監控和協調生產以及其他工廠系統，以確保最佳的工廠性能。

數字化轉型有助于實現可持續發展

DX 的一個重要因素就是其對可持續發展的影響。這一點非常重要，尤其是對于半導體產業。工廠變得越來越大，才能保持競爭力。市場的胃口似乎永不滿足，工廠面臨履行合同義務、滿足新需求和搶占市場份額的巨大壓力。半導體產業的資本支出非常密集。芯片尺寸在納米級別上較勁。為了提供新一代芯片，設備變得越來越復雜。

這些過程使用大量的腐蝕性氣體和超純水的各種混合物，必須滿足進行制造的潔凈室的極高標準。對電和水的需求非常高。優化功耗和再循環超純水的需求必須滿足。用于潔凈室環境的HVAC 系統必須非常可靠，以確保潔凈的環境，并且不會因雜質混入和溫度波動而對在制品造成損害。連接不同子系統并支持廣泛協議以提供工廠中央視圖的集成監控和數據采集（SCADA）系統也非常重要。

任何規模的工廠的數字化轉型都有助于應對這些挑戰和業務K P I。艾默生擁有一系列出色的半導體產業數字化轉型解決方案，包括傳感器、閥門、執行器、調節器、邊緣控制器和運行艾默生PACEdge的工業PC，以及Emerson PlantwebDataLake。EmersonMovicon.NExT SCADA 支持廣泛的協議和用戶開發的第三方驅動程序，以提供完全集成的中央監控。

▎圖2 ：邊緣計算可實現更好的可見性、邏輯、操作和分析。

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半導體工廠的可持續發展包括哪些方面？

與其他行業相比，半導體產業的表現如何？

制造一平方英寸的微芯片需要大約46 升超純水。一平方英寸微芯片的用電量約為7.5 kWh。除了水和電之外，該過程還使用到大量的腐蝕性氣體。半導體制造對電和水的需求如此之高，以至于季節性干旱會危及工廠產量。半導體工廠通常消耗相當于一個中等城市每天的用水量。

半導體工廠的可持續發展舉措不僅涉及降低成本，還涉及運營連續性。隨著技術變得越來越復雜，該過程中的電、水和氣的消耗量也在增加。

由于這種運營連續性因素，我認為與汽車制造、農業等其他資源消耗型傳統產業相比，半導體產業在可持續發展方面更加積極主動。在跟蹤設備級別的能耗指標、減少原材料浪費和其他運營效率參數方面大有可為。工廠的數字化轉型程度越高，對效率的了解就越多。

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半導體制造廠如何跟蹤和降低能耗，

與其他行業有什么差異？

工廠的能源管理是一個日益受到關注的領域。一些制造商真正采用了能源管理原則，而另一些制造商則在他們感到舒適的資源消耗范圍內。這在很大程度上與市場競爭壓力有關。雖然整個行業競爭激烈，但部分產品線表現出寡頭壟斷模式[ 即幾家市場參與者主導市場]。有的可能在內存芯片領域擁有強大的市場份額；有的可能在核心處理器領域擁有強大的控制權，等等。細分市場內競爭的減少會減緩變革的速度。

作為一個資本支出極其密集的行業，半導體制造商往往不會“積極創新”，因為擔心破壞原有的平衡可能會遭受重大損失。這類行業的技術采用曲線非常謹慎，各種因素促成了發展。發展的驅動因素包括政府政策、提高競爭力和盈利的壓力，以及設備原始設備制造商（OEM）在設備層面采用新技術。

半導體產業由于消耗的資源規模巨大，除了擁抱變革和發展之外，并沒有太多的選擇余地。市場引領者指明了方向。

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增加制造正常運行時間和可用性的策略有哪些，

與全廠OEE 有何關系？

一切都會影響制造廠的工廠正常運行時間，包括原材料庫存可用性、設備級別的可用性和內置系統冗余。

設備級別的冗余，每一臺都要花費數百萬美元，這不是一個實用的策略。最好的辦法是提高工廠各個流程和設備的累積可用性。從控制系統的角度來看，可以轉化為：

1) 高度可用的PLC如EmersonPACSystems，即使在固件和硬件升級期間也能提供過程連續性；

2) 邊緣計算功能， 如支持邊緣的PACSystems PLC 和IPC ；

3) 作為行業黃金標準的網絡安全PLC，如PACSystems PLC（Archilles 2 級認證，加密通信）；

4) 能源管理解決方案如Emerson MoviconPro.Energy，有助于監控資源利用率；

5) Movicon Pro.Lean 用于工廠分析、精益制造、減少浪費；

6) MoviconSCADA系統有助于提供中央監控、隨時隨地的警報調度，以及高級報告生成。

當這些控制策略在單個設備和過程級別被采用時，作為數字化轉型的一部分，有助于提高工廠利用率和OEE。可以開發自定義邊緣分析應用程序如設備洞察、能源消耗、頻繁故障以及浪費和資源利用趨勢。得出的見解可以進一步微調。正如以前說過，數字化轉型是一個過程。

▎圖3 ：簡化圖展示了一家半導體制造廠的典型解決方案。

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哪些類型的客戶對這些產品最感興趣？

半導體設備OEM 會發現配備艾默生PACEdge 的IPC 在運行相關核心過程和在設備之間實現邊緣連接方面得心應手。這使單個設備能夠連接到云端并與其他設備和過程進行交互以獲得更好的結果。此外，為工廠提供解決方案的電、氣、水OEM 會對PACSystems 邊緣解決方案感興趣，以提高生產力，獲得對設備和過程的見解。水撬裝設備O E M 可以使用邊緣控制器和Movicon WebHMI 遠程管理星羅棋布的車隊。系統集成商可以在他們提供的系統中包含PACSystems 控制解決方案。

此外，工廠所有者會發現控制系統一應俱全，任君挑選，包括PACSystems、邊緣計算、變頻驅動器（VFD）、能源監控和SCADA 解決方案，都可以用來實現數字化轉型。這些產品是數字化轉型必不可少的，能提供性能、可用性、網絡安全、向后集成，還有一個跨解決方案的配置工具包，可以實現快速切換。

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您認為還有哪些方面需要注意？

這需要一個過程。從建立基礎設施開始。一定要清楚KPI。將根據您想要的業務見解來開發應用程序。

務必明智地選擇您的平臺。您不會希望最終得到一個不向后兼容或者說不兼容未來的系統，并為后續昂貴的升級買單。

選擇易于配置和易于學習的控制系統。隨著事情的進展，您的工程師將開發自定義應用程序。您不會希望系統中采用不同的軟件套件來配置不同的組件。艾默生為所有產品提供了單一的工具鏈，也就是PAC Machine Edition。

系統應該是高度可用的，能夠在不停機的情況下輕松進行硬件或軟件遷移。

關注網絡安全。隨著萬物互聯，控制系統應該足以阻止任何網絡攻擊。

與您的OEM 交流以獲得更好的見解，優化解決方案的開發。利用OEM 對產品利用率的見解來強化控制過程。

審核編輯：劉清