DE69122357T2

DE69122357T2 - Diagnostisches Verfahren zur Überwachung von Gas

Info

Publication number: DE69122357T2
Application number: DE69122357T
Authority: DE
Inventors: Mark Leonard Malczewski
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1991-11-25
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2011-11-26
Also published as: ES2091848T3; US5265031A; KR970007065B1; KR920010278A; EP0488120A2; EP0488120B1; DE69122357D1; EP0488120A3

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ständigen Gasflußüberwachung in einem Prozeßgasstrom und genauer auf ein Verfahren zur Analyse des Gasverunreinigungspegels in einem Prozeßgasstrom und zur Identifikation fehlerhafter Analysebedingungen sowie in der einem Bediener bereitgestellten Abhilfemaßnahmen zur Behebung dieser fehlerhaften Bedingungen.

Hintergrund der Erfindung

Bei der Herstellung vieler Werkstoffe und Anordnungen wie Halbleitern und optischen Fasern gemäß dem Stand der Technik sind extrem reine Gase äußerst wichtig. Die Eigenschaften dieser Anordnungen sind von der absoluten Reinheit der Prozeßgase entscheidend abhängig, so daß eine erfolgreiche Herstellung die ständige Überwachung der Verunreinigungen im Prozeßgasstrom erfordert. Reduzierende Gase wie Wasserstoff und Kohlenmonoxid sind Beispiele für in einem Prozeßgasstrom aus beispielsweise Stickstoff vorhandenen Verunreingungen. Diese Verunreinigungen, vor allem Kohlenmonoxid, sind in flüssigem Massenstickstoff vorhanden. Stickstoff aus einer Produktionsstätte vor Ort wird geringe Wasserstoff- und Kohlenmonoxidpegel aufweisen. Aus der Sicht eines Halbleiterherstellers sind selbst so minimale Spurenverunreinigungspegel wie 200 Teilchen pro Milliarde (ppb) eines Verunreinigungsbestandteils, der entweder eine gasförmige Verunreinigung oder ein Feststoffteilchen darstellt, relevant, da sie für den Herstellungsprozeß schädlich sind. Bei diesen Verunreinigungspegeln einer Verunreinigung benötigen gewöhnliche Prozeßanalysatoren eine beträchtliche Bedienungserfahrung und Sachkenntnisse für die Datenbewertung. Der Bediener muß für die Einschätzung der von gewöhnlichen Analyseinstrunienten erzeugten Daten über beträchtliche Kenntnisse hinsichtlich der instrumentellen Fehlerdiagnose, der Kalibrierung der Analysatoren und hinsichtlich der Datenanalyse verfügen, um zwischen der Identifizierung eines "realen" Problems aufgrund der Daten und schlicht fehlerhaften Daten unterscheiden zu können.
Die ständige Prozeßgasüberwachung erfordert für die Überwachung der interessierenden Verunreinigungen zur Zeit die Verwendung von einzelnen Analysatoren. Ein zur Überwachung eines Einsatzgasstroms innerhalb eines Prozeßreaktors geeignetes Analysesystem wird in US-A-4 891 186 offenbart und beschrieben, wobei auf deren Offenbarung im folgenden Bezug genommen wird. Das System verwendet zur getrennten Analyse einzelner Gasproben aus einem Einsatzgasstrom eine Mehrzahl an Gasanalysatoren und weist Durchflußregelungsventile auf, um Gasproben zu den individuellen Analysen zu leiten und um die nicht analysierten Gasproben abzulassen. Ein typisches analytisches System kann ebenfalls einen Computer zur Datenerfassung und -darstellung beinhalten.
Obwohl technisch hochentwickelte Analysegeräte für die Erfassung von Verunreinigungen in einem Prozeßgasstrom für die interessierenden Verunreinigungspegel kommerziell verfügbar sind, ist deren Fähigkeit zur Unterscheidung zwischen Verfahrensunstimmigkeiten und analysierten Phänomenen ohne beträchtliche Eingriffe des Bedieners streng begrenzt. Jeder nicht erfaßte Zuwachs an Spurenverunreinigungen in dem Prozeßgas kann extrem schädlich sein, und ein "scheinbarer" Zuwachs an Spurenverunreinigungen durch verfahrensfremde Ereignisse oder momentane "Störungen" in der Datenübertragung können sich sogar noch schädlicher auswirken, da zur Behebung des de facto nicht existenten Problems der Herstellungsvorgang beendet werden muß. Ein falsches oder "scheinbares" Problem kann durch Fehlfunktionen des Computers oder Analysators, durch ungeeignete Kalibrierung, durch eine Betrieb außerhalb der vorgesehenen Parameter oder einfach durch fehlerhafte Datenanalyse zustande kommen. Im wesentlichen ist die Fähigkeit zur Abschätzung der Gültigkeit der analytischen Daten, die von kommerziell verfügbaren Prozeßanalysatoren erzeugt werden, genauso wichtig wie die analytischen Daten selbst.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt im weiteren Sinn ein Verfahren zur kontinuierlichen Analyse von Spurenverunreinigungen in einem Prozeßgasstrom aus O&sub2;, N, Ar und H&sub2; dar, sowie zum Identifizieren, Speichern und Aufzeichnen von Daten, die für solche Spurenverunreinigungen in dem Prozeßgasstrom kennzeichnend sind, zum Analysieren der gespeicherten Daten zur Identifizierung von fehlerhaften Analysedaten sowie zur Identifizierung von Abhilfemaßnahmen, um den die fehlerhafte Analysedaten verursachenden Umständen abzuhelfen, wobei im Zuge des Verfahrens:
Proben des Prozeßgasstromes entnommen werden, um einen Strom eines Probegases zu schaffen;
der Strom des Probegases durch eine Mehrzahl von Analysatoren geleitet wird, um die Anwesenheit von einer oder mehreren Spurenverunreinigungen zu bestimmen, die aus der aus O&sub2;, H&sub2;, CO und CO&sub2;, Kohlenwasserstoffen, Feuchte (H&sub2;O) und teilehenförmigen Stoffen bestehenden Gruppe ausgewählt sind;
ein Ausgangssignal von jedem Analysator erzeugt wird, welches dem Verunreinigungspegel für jede Spurenverunreinigung in dem Prozeßgasstrom entspricht;
ein Statussignal erzeugt wird, welches für die vorausgewählten Parameter des Analysatorbetriebes kennzeichnend ist und dem Betriebsstatus von einem oder mehreren der Analysatoren entspricht;
die Statussignale und die Ausgangssignale zwecks Speicherung in Form von Datenwerten an einen Computer geliefert werden;
ein Regelbasisprogramm bereitgestellt wird, um eine Problemanalyse der Datenwerte auszuführen, um, basierend auf einer Untersuchung einer jeden Regel in dem Regelbasisprogramm, Probleme zu identifizieren, wobei eine oder mehrere Regeln eine unterscheidende Aussage eines Problems definiert, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Problems festzustellen;
eine Expertensystem-Oberfläche bereitgestellt wird, um das Regelbasisprogramm in einer computerkompatiblen Sprache auszuführen;
ein Datenfile von Abhilfemaßnahmen für eine vorgewählte Anzahl von Problemzuständen gespeichert wird; und
ein Befehlsprogramm zum Anleiten der Oberfläche des Expertensystems bereitgestellt wird um die Untersuchung der Regeln in dem Regelbasisprogramm in einer vorbestimmten Hierarchie auszuwählen und durch Ausführung des Regelbasisprogramms erkannte Probleme in Übereinstimmung mit vorbestimmten Abhilfemaßnahmen in dem Abhilfemaßnahmen-Datenfile zu bringen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt ein gesamtes schematisches Blockdiagramm des diagnostischen Gasüberwachungssystems der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 2 ist ein ausführlicheres Blockdiagramm des Verunreinigungsanalysatormoduls aus Fig. 1;
Fig. 3A bis 3F stellen ein logisches Ablaufdiagramm des Regelbasisprogramms zur Diagnose analytischer Daten eines Flammenionisationsdetektors in Relation zum Kohlenwasserstoff-Verunreinigungsanalysator dar; und
Fig. 4A und 4B sind ein logisches Ablaufdiagramm des Kommandoprogramms zur Leitung der Expertensystem-Oberfläche aus Fig. 1.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Wie in Fig. 1 und 2 der Zeichnungen gezeigt, wird eine von einer Anlage vor Ort oder einem Massengastank (nicht dargestellt) stammende Massengasquelle 10 durch einen Reiniger 12 geleitet, um als Quelle hochreinen Gases 14 zu dienen, welches als Produkt für eine Verbraucheranlage durch eine Versorgungsleitung 16 angeliefert wird. Das hochreine Gas 14 enthält ein oder mehrere Gase wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Argon und Wasserstoff. Typische Verunreinigungen können Wasser, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe und teilchenförmige Substanzen einschließen. Die teilchenförmige Substanzen können suspendierte Feststoffe wie Metallteilchen oder Staub sein. Das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen kann durch das für die Reinigung der Tieftemperaturanlage, die die hochreinen Gase oder Verteilerrohrleitung erzeugt, verwendete Reinigungsmittel zustande gekommen sein. Die Gasverunreinigungen sollten bei Pegeln unter einem ppm zu entdecken sein, die teilchenförmigen Substanzen bei 0,02 Mikrometer.
Eine Gasprobe 18 wird zur Analyse in einem Gasüberwachungssystem 20 von der Versorgungsleitung 16 abgezogen. Ähnlich wird eine zweite Gasprobe 22 zur Analyse der teilchenförmigen Substanzen von der Versorgungsleitung 16 abgezogen. Ein Druckregler 15 wird zur Regelung des Drucks des Gasprobenstroms 18 verwendet. Das Gasüberwachungssystem 20 weist ein Prozeßanalysesystem 21, ein E/A-Modul 23 und einen internen Computer 25 auf. Das Prozeßanalysesystem 21, das detaillierter in Fig. 2 dargestellt ist, weist eine Mehrzahl von Prozeßanalysatoren 24, 35, 40, 45, 50, 61 und 62 auf, deren jeweilige Aufgabe die Analyse einer spezifischen Spurenverunreinigung mit Ausnahme von Wasserstolt und Kohlenmonoxid ist, deren Analyse von einem einzigen Analysator geteilt wird. Prozeßanalysatoren sind für die Detektion von Wasserfeuchte, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe und teilchenförmige Stoffe kommerziell verfügbar.
Der Sauerstoffanalysator 24 kann, wie in Fig. 2 gezeigt, beispielsweise ein handelsüblich verfügbarer Sauerstoffprozeßanalysator sein, der einen elektrochemischen Wandlers enthält, welcher sauerstoffspezifische wässrige Elektrolyten wie z.B. den Teledyne Sauerstoffanalysator der Teledyne Inc. verwendet. Die elektrochemische Zelle fungiert hier als kleine Batterie, in der der Sauerstoff chemisch reagiert und einen kleinen Stromfluß verursacht. Der Stromfluß zwischen der Kathode und der Anode im Elektrolyten ist zur Sauerstoffkonzentration direkt proportional. Die Kalibrierung des Analysators wird durch die Durchleitung einer Probe von "Meßgas" 19 und einer Probe von "Nullgas" 21 durch den O&sub2;-Analysator 24 als Ersatz für die Gasprobe 18 bewerkstelligt. Das "Meßgas" stellt eine Gasprobe aus einer unveränderlichen Quelle wie einem Zylinder mit einem festen Gasverunreinigungspegel dar und wird als Kalibrierungsstandard für den Analysator 24 verwendet. Eine abweichende Meßgasprobe wird als Standard für jeden im Gasüberwachungssystem 20 befindlichen Analysator verwendet. Die Zuleitung von Meßgas wird durch ein Absperrventil 26 gesteuert. Das Absperrventil 26 ist ein von einem internen Computer 25 gesteuertes Magnetventil oder es kann getrennt von einem Bediener angesteuert werden. Die Probe des "Nullgases" 21 wird zwecks Erzeugung einer gereinigten Gasprobe aus der Hindurchleitung der Gasprobe 18 durch einen Getter 27 abgeleitet. Die nicht verunreinigte Gasprobe 21 (Nullgasprobe) wird, durch das Absperrventil 29 gesteuert, in den O&sub2;-Analysator eingeleitet. Der interne Computer 25 im Gasüberwachungssystem 20 steuert den Betrieb des Meßgasabsperrventils 26 und des Nullgasabsperrventils 29. Die kalibrierten Meßgas- und Nullgasproben werden gemäß einem der vorliegenden Erfindung nicht zugehörigem Kalibrierungsprogramm sequentiell und in vorbestimmten Zeitintervallen eingeleitet, um den Analysator 24 zu kalibrieren. Auf eine im wesentlichen identische Weise, wie der unter der Steuerung des Computers 24 stehende O&sub2;- Analysator, werden alle anderen Analysatoren im Gasüberwachungssystem 20 durch Absperrventile mit Kalibrierungsproben von Meßgas- und Nullgas gespeist. Ist die Kalibrierungssequenz vollständig, wird die Gasprobe 18 unter der Steuerung des internen Computers zu jedem Analysator geleitet. Die dem Sauerstoffanalysator 24 eingespeiste Gasprobe 18 wird durch das Absperrventil 23 gesteuert. Der Gasprobenstrom 18 wird durch den Entlüftungsverteiler 32 abgelassen.
Für die Feuchtigkeitsanalyse kann ein kommerziell verfügbarer Feuchtigkeitsanalysator 35, beispielsweise der DuPont 5700 der Dupont Corporation angewendet werden. Der Analysator 35 ist ein mikroprozessorgesteuertes Instrument, das Spurenkonzentrationen von Wasserdampf in flüssigkeitsfreien Gasen messen kann. Der Sensor ist hierbei ein mit einem dünnen hydroskopischen Film beschichteter piezoelektrischer Kristalloszillator, und ein zweiter unbeschichteter Kristalloszillator dient als Referenz. Kommt Feuchtigkeit mit dem Arbeitskristall in Kontakt, verändert sie dessen Beschichtungsmasse, die die Hochfrequenz, auf die der Arbeitskristall eingestellt ist, dämpft. Alle 30 Sekunden wird eine Gasprobe durch den Kristall mit einem trockenen Referenzgas periodisch abgewechselt um einen Deltawert zwischen den Werten für Trockenheit und Feuchtigkeit zu erzeugen. Die Frequenz des Arbeitskristalls wird zur Bildung eines gesamten, zum Feuchtigkeitsgehalt proportionalen Oszillationssignal mit dem Referenzkristall vermischt und in ppm-Werte umgerechnet, die von einem Mikroprozessor ausgelesen werden. Die Zufuhr der Kalibrierungsproben 33 und 34 des H&sub2;O-Meßgases und Nullgases werden durch die Magnetventilabsperrventile 37 bzw. 38 gesteuert. Der Gasprobenstrom 18 wird durch das Magnetventilabsperrventil 36 gesteuert.
Der H&sub2;/CO-Analysator 40 ist ein handelsüblich erhältlicher gemeinsamer analytischer Reduktionsgasanalysator, bestehend aus einem mikroprozessorgesteuerten. Gaschromatographen, in dem die Bestandteile der Gasprobe innerhalb eines Säulenofens chromatographisch separiert und in ein erhitztes Quecksilberoxidbett geleitet werden, um dort, wo der Quecksilberdampf erzeugt wird, eine Reaktion auszubilden. Zur Reaktionsmessung wird der Quecksilberdampf durch einen ultravioletten Photometer geleitet. Der H&sub2;/CO-Analysator 40 wird durch magnetgesteuerte Absperrventile 43 bzw. 44 mit einer Meßgas- und Nullgasprobe 41 und 42 kalibriert, wobei der Gasprobenstrom 18 durch das magnetgesteuerte Absperrventil 46 geleitet wird.
Der CO&sub2;-Analysator 45 ist ein von der Horiba Corporation kommerziell erhältlicher nicht dispersiver Infrarotanalysator. Der Analysator wird unter Beteiligung eines Drehventils mit einem Querstrommodulationsverfahren betrieben, um wechselweise Probengas und ein hochreines Referenzgas wie N&sub2; in die Zellen im Analysator einzuleiten. Die Menge der von den Zellen absorbierten Infrarotenergie wird in ein Ausgangssignal übersetzt, das ein Maß für die CO&sub2;-Konzentration zwischen dem Proben- und dem Referenzgas darstellt. Zur Kalibrierung wird unter der Steuerung vom Computer 25 eine Meßgas- und Nullgasprobe durch magnetgesteuerte Ventile 47 und 48 eingespeist. Die Gasprobe 18 wird durch das magnetgesteuerte Ventil 49 zugeführt.
Das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen im Gasprobenstrom 18 wird unter Verwendung eines Flammenionisations-Gesamtkohlenwasserstoffanalysators "THC" 50 festgestellt. Ein bevorzugter THC-Kohlenwasserstoffanalysator ist der von Beckman Instruments kommerziell erhältliche Beckman 400A. Die Abtastung geschieht durch die Hindurchleitung eines geregelten Probengasstroms 18 durch eine Brennerflamme. Eine Ionisation der Kohlenwasserstoffbestandteile im Probenstrom erfolgt mittels Erzeugung von Elektronen und positiven Ionen beim Erhitzen des Stroms durch die Flamme. Die Ionen werden von polarisierten Elektroden erfaßt und erzeugen einen Strom im elektronischen Meßstromkreis. Dieser Strom fällt proportional zur Rate aus, mit der die Kohlenstoffatome in die Flamme eintreten (Kohlenwasserstoffzählung), und wird in eine digitale Ausgabe 52 als Maß der Kohlenwasserstoffkonzentration im Probengas umgewandelt. Der Analysator 50 weist ebenfalls ein (nicht dargestelltes) automatisches Brennstoffabsperrventil für den Fall eines Brennschlusses auf. Zur Erkennung einer Brennschluß-Fehlerbedingung wird ein Brennschluß-Statussignal 54 erzeugt. Meßgas- und Nullgasproben werden dem "THC"-Gesamtkohlenwasserstoffanalysator 50 durch magnetbetriebene Absperrventile 56 und 58 zugeführt, wobei der Probengasstrom 18 durch ein Absperrventil 89 eingespeist wird.
Eine separate Gasprobe 22 wird für den Analysator für teilchenförmige Substanzen der Versorgungsleitung 16 entnommen. Die Gasprobe 22 wird in den Teilchenzähler des Analysatorsystems eingespeist, das einen Standard-Teilchenzähler "LPC" 61 und einen parallel betriebenen Kondensationskeimzähler "CNC" 62 aufweist. Der Laserzähler 61 ist ein auf Standradlichtstreuung basierender Teilchenzähler, der zur Zählung der über 0,1 Mikrometer großen Teilchen und zur Sortierung der gezählten Teilchen einen Laser mit passivem Resonator verwendet.
Der Kondensationskeimzähler 62 zählt bei einer festen Abfragesequenz jedes Teilchen bis zu einer Größe von 0,02 Mikrometer.
Die Teilchenzähldaten des Kondensationskeimzählers 62 werden in Form eines Impulsausgangs 63 bereitgestellt, wobei jeder Impuls jedem gezählten Teilchen entspricht. Zusätzliche analoge Ausgänge 64 und 65 des Kondensationskeimzählers 62 identifizieren die Stichprobendurchflußrate bzw. den Instrumentenstatus.
Der Laserzähler 61 stellt über einen gewöhnlichen RS-232C-Port dem internen Computer 25 direkt die digitale Information 66 bereit. Die Statusinformation 66 bestimmt zusätzlich zu den Zählwerten der teilchenförmigen Stoffe die Referenzausgangsspannung des Lasers, die Instrumententemperatur und den Fluß/Nichtfluß-Fehlerstatus.
Jeder der Gasanalysatoren 24, 35, 40, 45 bzw. 50 stellen entsprechend analoge Ausgangssignale 70, 71, 72, 73 bzw. 74 zur Verfügung, die den Verunreinigungspegel von jedem der analysierten Gase darstellen. Die Gasanalysatoren können zur Identifizierung einer spezifischen Fehlerbedingung in Zusammenhang mit dem Analysator ebenfalls Statusausgangssignale bereitstellen. Beispielsweise stellt der O&sub2;-Analysator 24 ein Statusausgangssignal 76 zur Verfügung, das angibt, ob der O&sub2;-Analysator im festgelegten Betriebsbereich arbeitet, wobei ein Betrieb außerhalb des Bereichs eine Fehlerbedingung darstellt. Die analogen Ausgangssignale 70, 71, 72, 73 und 74 werden als variable Spannungssignale durch die Ein- /Ausgabe-Schnittstelleneinheit 23 eingespeist, die einen (nicht dargestellten) Analog/Digital- Konverter zur Umwandlung der den analogen Signalen entsprechenden digitalen (vierstelligen) Signale aufweist. Die Statuseingangssignale des Analysators und die Dateneingänge der Teilchenzähler werden ebenfalls in die Ein-/Ausgabe-Schnittstelleneinheit 23 eingespeist. Die Ein-/Ausgabe-Schnittstelleneinheit 23 stellt dem Computer 25 für jeden Eingangskanal der Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 23 Dateneingänge 81 breit. In jedem Fall, in dem das Instrument direkt Daten in binärer Form zu erzeugen imstande ist, werden diese dem Computer 25 durch einen gewöhnlichen RS232-Port direkt eingespeist. Dies trifft für die vom Laserteilchenzähler 61 zugeführte Teilchenzählrate zu. Allerdings liegt der Ausgang 63 des Kondensationskeimzählers als gepulstes Signal vor, und die digitalen Statusausgänge 64 und 65 des Kondensationskeimzählers 62 sind die Stichprobendurchflußrate bzw. den Instrumentenstatus darstellenden analoge Signale.
Zusätzliche Statuseingänge 82-86 werden zur Bereitstellung eines den Druck von jedem der Gasanalysatoren 24, 35, 40, 45 bzw. 50 darstellenden Statussignals von den Druckmeßinstrumenten P1-5 zur Verfügung gestellt. Die Statuseingänge 82-86 werden in die Ein-/Ausgabe- Schnittstelleneinheit 23 eingespeist und in binärem Format zu dem internen Computer 25 übertragen. Ebenso werden zur Stromversorgung für jeden der Gasanalysatoren bzw. für die Teilchenzähler (nicht dargestellte) elektrische Hilfseinrichtungen bereitgestellt, und die Verfügbarkeit von elektrischem Strom für jeden Analysator (nicht gezeigt) wird gleichfalls als Statuseingangssignal (nicht gezeigt) der Ein-/Ausgabe-Schnittstelleneinheit 23 und damit wiederum dem Computer 25 eingespeist. Der interne Computer 25 ist derart programmiert, daß die von der Ein-/Ausgabe-Einheit 23 erhaltene Zeicheninformation in entsprechende Datenwerte konvertiert wird, welche geeignete mit der analogen Information respektive der Statusinformation korrespondierende technische Einheiten darstellen können. Der Computer 25 ordnet jedem vorbestimmten Speicherplatz einer zugeordneten Datenwert einer Variable bzw. einem Kenn-Namen zu, damit ein Expertensystem 90 darauf zugreifen kann. Die den Eingangsdateninformationen zugeordneten Datenwerte können intern im Computer 25 oder in einem separaten PC-Computer 91 zur Datenarchivierung abgespeichert werden. Die Umwandlung der Eingangsdaten zu technischen Einheiten ist gebräuchlich und es existiert eine Vielzahl von für die Erledigung dieser Aufgabe geeigneten kommerziell erhältlichen Computerprogrammen. Auf den Archivierungscomputer kann durch ein Expertensystem 90 unter Verwendung einer dazugehörigen Tastatur 110 mit eigenem Drucker 112 und Bildschirm 113 zugegriffen werden.
Das Expertensystem 90 stellt eine Programmerweiterung dar, die es ermöglicht, die von den Gasanalysatoren und Teilchenzählern gemessenen Daten sowie der Statuseingänge zu interpretieren und Abhilfemaßnahmen zur Korrektur fehlerhafter Bedingungen bereitzustellen. Das Expertensystem 90 weist eine Expertensystem-Oberfläche 92, ein Regelbasisprogramm 93, ein Kommandoprogramm 94 und ein Bildschirmfile 95 auf. Zusätzliche Hilfsfiles wie ein graphisches Hilfsprogramm und ein Datenfile können ebenfalls mit eingeschlossen werden. Das Expertensystem 90 wird vorzugsweise für den Betrieb in einem selbständigen PC- Computer 96 programmiert, der vom internen Computer 25 wie vom Archivierungs-PC- Computer 91 getrennt ist.
Die Expertensystem-Oberfläche 92 ist ein kommerziell verfügbares Computerprogramm, das Wissensrepräsentationen von einer Wissensbasis verwendet, um zu Schlußfolgerungen zu gelangen, die normalerweise von einem menschlichen Experten getroffen werden. Eine übliche Form der Wissensrepräsentation besteht in der Form von WENN....DANN-Regeln für jedes Problem, das eine Auswahl aus einer definierbaren Gruppe von Auswahlmöglichkeiten beinhaltet und wobei die Entscheidung auf der Basis logischer Regeln entweder WAHR oder FALSCH ist. Die Regeln können mit relativen Wahrscheinlichkeiten einer richtigen Auswahl verbunden sein. Die Expertensystem-Oberfläche 92 enthält einen Übersetzer oder Compiler zur Ausführung der von der Oberfläche 92 bereitgestellten Sprachkonstrukten, die die Oberfläche 92 anschließend in eine vom Computer ausführbare binäre Sprache der hohen Ebene zur Ausführung im Computer 96 konvertiert. Die Oberfläche definiert die Syntax und Struktur zur Vorbereitung einer Wissensbasis, die vom Regelbasisprogramm in der vorliegenden Erfindung repräsentiert wird.
Die bevorzugte bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung verwendete Expertensystem- Oberfläche 92 ist die "EXSYSP Professional", ein verallgemeinertes Expertensystempaket und von der EXSYS Inc. erhältlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Expertensystem-Oberfläche 92 in Ansprechen auf das Kommandoprogramm 94 zur Ausführung des Regelbasisprogramms 93 betrieben. Das Kommandoprogramm 94 weist die Expertensystem- Oberfläche 92 an, einer vorbestimmten Sequenz zur Ausführung der kegeln zu fölgen, das heißt, es identifiziert die Hierarchie für die Regeln im Regelbasisprogramm 93, und nach der Identifizierung der Probleme beim Ausführen des Regelbasisprogramms 93 stellt das Kommandoprogramm 94 für die Systemoberfläche 92 die Methodik bereit, die von dem Regelbasisprogramm 94 identifizierten Probleme mit einer entsprechenden Abhilfemaßnahne im Bildschirmfile 95 in Verbindung zu bringen. Das Bildschirmfile 95 besteht aus einer Auflistung vorbestimmter Abhilfemaßnahmen, die ein Bediener zur Lösung einer von einem Problem identifizierten Fehlerbedingung ausführen kann. Das Kommandoprogramm 94 bringt das bei der Ausführung des Regelbasisprogramms identifizierte Problem mit einer der im Bildschirmfile 95 vorbestimmten Abhilfemaßnahmen in Verbindung und bringt die Abhilfemaßnahme bei Vorhandensein eines Bedieners in einem Bildschirm 97 zur Anzeige und/oder druckt die aus der Liste der identifizierten Probleme bestehende Diagnoseinformation auf einem Drucker 98 aus. Als Schnittstelle zwischen einem Bediener und dem Expertensystem 90 dient eine Tastatur 99. Das Kommandoprogramm 94 weist die Expertensystem-Oberfläche 92 in der vorliegenden Erfindung an, bei der Durchführung des Regelbasisprogramms 93 einer "Vorwärts/Nichtrückwärts"-Sequenz zu folgen. Dementsprechend wird die Expertensystem-Oberfläche 92 das Regelbasisprogramm 93 in einer linearen Sequenz von der ersten Regel bis zur Fertigstellung abarbeiten.
Das Regelbasisprogramm 93 besteht aus einer Mehrzahl von Regeln in der Gestalt von WENN....DANN-Aussagen, die die zu identifizierenden Probleme einer Diagnose zuweisen, die darauf basiert, ob die WENN....DANN-Aussage wahr oder falsch ist. Die Diagnose gestattet eine mehrfache Anzahl von zu treffenden Entscheidungen, die auf den Interaktionen mit einem Bediener beruhen, um zu einer spezifischeren Diagnose des Problems zu gelangen. Die WENN-Bedingungen in der Regelbasis können als "ODER"-Gate oder als "UND"-Gate ausgeführt sein, so daß zur Bestimmung eines Problems eine Mehrzahl von WENN-Bedingungen erfüllt sein muß.
Fig. 3 ist ein logisches Ablaufdiagramm des Regelbasisprogramms zur Problemdiagnose in der Flammenionisation des Gesamtkohlenwasserstoffanalysators (THC) 50. Der entsprechende Abschnitt des Regelbasisprogramms zur Durchführung der im logischen Ablaufdiagramm der Fig. 3 identifizierten Diagnose wird wie folgt beschrieben: Regelbasisprogramm für Kohlenwasserstoffanalysator
Das Regelbasisprogramm wird besser verständlich, wenn es im Zusammenhang mit dem logischen Ablaufdiagramm der Fig. 3 gelesen wird. Das Regelbasisprogramm wird in einer linearen Sequenz ausgeführt, wobei die Analyse des Gesamtkohlenwasserstoffanalysators 50 direkt auf die Analyse des H&sub2;O-Analysators 35 folgt. Ein Kreis 100 beschreibt das Blockende der Aussagen für den H&sub2;O-Analysator 35 und ein Kreis 101 gibt den Start des Regelblockes für den Kohlenwasserstoffanalysator 50 an. Die erste Aussage ist für alle Analysatordiagnosen identisch. Die das Vorhandensein von "globalen Problemen" definierenden Regeln setzen die Analysatordiagnosen außer Kraft und stellen Probleme dar, die nicht auf einen spezifischen Analysator oder Teilchenzähler zurückführbar sind, sondern eher durch ein allgemeines Problem wie geringen Druck, was einen Abfall des Probeflusses darstellt, oder das Fehlen von Hilfseinrichtungen zustande kommen, was von der dem internen Computer übermittelten Statuseingangsinformation bestimmt wird. Solange kein globales Problem besteht, werden alle derartigen Probleme auf "NICHTS" gesetzt und dem Regelbasisprogramm wird es ermöglicht, mit der Analyse des Gesamtkohlenwasserstoffanalysators 50 fortzufahren. Die Regel Nr.59 identifiziert eine abnormale Bedingung, wenn die Brennerflamme im Kohlenwasserstoffanalysator 50 nicht gezündet ist und bestimmt das Problem als "BRENNSCHLUSS". Das Verfahren der vorliegenden Erfindung bestimmt das Vorhandensein eines Problems und stellt dem Bediener, so er anwesend ist, eine Analyse des ermittelten Problems in Form einer oder mehrerer Abhilfemaßnahmen zur Verfügung, mit der/denen er dem Problem abhelfen kann. Das Kommandoprogramm führt diese Funktion im Zusammenhang mit dem Bildschirmfile der Abhilfemaßnahmen aus, wie im follgenden ausführlicher beschrieben.
Ist ein Bediener nicht anwesend, was automatisch vorausgesetzt wird, wenn die Ausführung des Regelbasisprogramms zu einem festgesetzten Zeitintervall anstatt zu einer Bedieneranmeldung bei dem Programm gestartet wird, fährt das Regelbasisprogramm mit dem nächsten Analysator in der Sequenz fort. Wenn der Bediener anwesend ist, gestattet dessen, durch einen Dialog mit dem Bediener bestimmte, bejahende Antwort auf eine spezifischere Diagnose im Ansprechen auf spezifischere technische Fragen im Zusammenhang mit beispielsweise Brennstoff und Luftdruck die spezifischere Diagnose des Problems, wobei die spezifischere Diagnose als abschließendes Kohlenwasserstoff-Problem (THC PROBLEM) identifiziert wird, bevor zum nächsten Analysator übergegangen wird.
Wird die Brennerflamme gezündet, entscheidet das Regelbasisprogramm, ob der Betrieb des geeigneten Druckmeßinstruments auf im Computer gespeicherten, dem Meßinstrumentendruck entsprechenden Datenwerten basiert, und bestimmt bei Nichtzutreffen das Problem "ÜBERTRAGUNGSVERSAGEN THC/MESSINSTRUMENT", bevor es mit dem nächsten Analysator fortfährt. Liegt kein THC-Problem vor, entscheidet das Regelbasisprogramm, ob der THC-Analysatorausgang innerhalb des Betriebsbereichs liegt, was ebenfalls auf in dem Computer gespeicherten und mit dem diese Informationen bereitstellenden analogen Analysatoreingang zugehörenden Datenwerten basiert, und bestimmt bei Nichtzutreffen den Betriebsbereich des Analysatorausgangs als Problem. Kann kein THC-Problem ermittelt werden, betrifft die nächste darauf folgende Regel, mit den gespeicherten Datenwerten bezüglich des Analysatorverteilerdrucks die Entscheidung zu treffen, ob der Verteilerdruck des Analysators niedrig ist. Falls nicht, fährt das Regelbasisprogramm mit der Bestimmung fort, ob die "Autokalibrierung" beim Nullgas fehlgeschlagen ist. Die Autokalibrierung legt eine automatische Kalibrierungssequenz fest, die vom internen Computer 25 einem Betriebskalibrierungsprogramm nachfolgt, das selbst nicht Teil der Erfindung ist. Wie weite oben erläutert, wird zwecks Kalibrierung von jedem der Analysatoren 24, 35, 40, 45 bzw. 50 anstelle des Probegases eine Meßgas- und eine Nullgasprobe in jeden Analysator eingeleitet. Jeder Analysator sollte auf vorhersehbare Weise auf die Meßgas- bzw. auf die Nullgasprobe ansprechen, was einfach diagnostiziert werden kann, um die richtige Kalibrierung jedes Analysators beizubehalten. Das Expertensystem der vorliegenden Erfindung bestimmt das mögliche Fehlschlagen des Arbeitsgangs der Autokalibrierung und die Diagnose dieses Versagens, um die Probleme zu bestimmen, die aufgrund der Diagnose als am wahrscheinlichsten geschlußfolgert werden können. Daher bestimmt, wie im logischen Ablaufdiagramm von Fig. 3D angegeben, ein Entscheidungskasten 105 das Vorliegen eines Autokalibrierungsversagens zunächst mit Nullgas, und bestimmt bei Zutreffen das Versagen bei Nullgas als Problem. Dies entspricht der REGEL NUMMER 71 im Regelbasisprogramm, wobei die Variable bzw. die Festlegung des Kenn-Namens "ZSI102" den Status der Autokalibrierung bestimmt, indem durch die variable Ganzzahl im Kenn-Namen feststellt, welcher der Analysatoren, wenn überhaupt, bei der Autokalibrierung versagt hat. Die der Ganzzahl folgenden einstelligen Ziffern bestimmen, ob das Versagen bei Null- oder bei Meßgas aufgetreten ist. Ist tatsächlich ein Versagen aufgetreten, wird zur Bestimmung der Anwesenheit des Bedieners eine Nachfrageentscheidung gefällt. Der Bediener muß auf das Regelbasisprogramm zum ren, um weitere Diagnosen bereitzustellen. Anderenfalls geht das Regelbasisprogramm reagienächsten Analysator über und hinterläßt das identifizierte Problem als Autokalibrierungs- Versagen bei Nullgas. Ist ein Bediener anwesend und reagiert bejahend, kommuniziert das Regelbasisprogramm in Dialogform mit dem Bediener, um das aus dem Versagen der Autokalibrierung resultierende Problem genau zu definieren und beispielsweise als Folge eines leeren Zylinders oder einer Bezugspunktverschiebung zu bestimmen. In jedem Fall stellt nicht das Regelbasisprogramm, sondern das Kommandoprogramm eine Abhilfemaßnahme zur Verfügung.
Schlägt die Autokalibrierung bei Nullgas nicht fehl, fährt das Regelbasisprogramm mit der Entscheidung eines Versagens bei Meßgas fort. Die Diagnose ist ähnlich der für Nullgas durchgeführten Diagnose, indem zunächst die Anwesenheit eines Bedieners abgefragt wird. Ist der Bediener anwesend, kommuniziert das Regelbasisprogramm in Dialogform mit dem Bediener, um das Problem genau festzulegen, bevor mit dem nächsten Analysator fortgefahren wird.
Das Regelbasisprogramm wird in einer logischen und vorbestimmten Sequenz fortgesetzt, um zu versuchen, das Bestehen eines Problems zu bestimmen und es in logischen Schlußfolgerungen genauer zu diagnostizieren. Wird ein Problem gefunden und dessen Diagnose bestimmt, fährt das Regelbasisprogramm mit dem nächsten Analysator oder Teilchenzähler zur Durchführung einer ähnlichen Analyse fort. Dementsprechend wird, wenn ein Autokalibrierungsversagen bei Meßgas gefunden wurde, die Diagnose nach der genauen Problembestimmung beendet.
Nachdem beispielsweise das Problem einer Sensitivitätsveränderung des Analysators herausgefunden wurde, fährt das Regelbasisprogramm mit der weiteren Problemdiagnose fort, indem zu einem nächsten Entscheidungskasten 108 übergegangen wird, um zu entscheiden, ob die Brennstoff/Luft-Mischung für den Kohlenwasserstoffanalysator geeignet ist, und falls nicht, wird dieser Umstand als Problem identifiziert. Ist das Brennstoff/Luft-Mischungsverhältnis korrekt, geht das Regelbasisprogramm zu einem letzten Entscheidungskasten 109 über, um zu entscheiden, ober der Probengasdruck zu gering ausfällt. Ist der Probengasdruck gering, wird dies als Problem identifiziert, bevor mit dem nächsten Analysator fortgefahren wird. Werden keine Probleme entdeckt, verbleibt das Problem bei einem Wert von "NICHTS" und die Regelbasis fährt mit dem nächsten Analysator fort.
Die Ausführung des Regelbasisprogramms geschieht unter der Befehlsanweisung des Kommandoprogramms 94. Das logische Ablaufdiagramm des Kommandoprogramms 94 ist im Ablaufdiagramm der Fig. 4 wiedergegeben, wobei das folgende Programm einen Ausschnitt aus dem Kommandoprogramm zur Steuerung der Oberfläche darstellt, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung hinsichtlich einiger Beispiele von globalen Problemen und des Gebrauchs von Abhilfemaßnahmen für den Gesamtkohlenwasserstoffanalysator 50 durchzuführen. KOMMANDOPROGRAMM
Wie aus dem logischen Ablaufdiagramm der Fig. 4 ersichtlich ist, wird das Kommandofile zur automatischen Ausführung der Oberfläche automatisch zu vorgewählten Zeitintervallen ausgeführt, solange die zuvor gescannten Daten nicht unrichtig eingelesen werden. Bei Ungültigkeit der gescannten Daten wird die Ausführung der Oberfläche abgebrochen, bis die Scandaten des internen Computers 25 als gültig gelesen werden oder durch einen Bediener vom Hauptmenü des PC's aus eine spezifische Aktion ausgewählt wird. Ist der Datenscan gültig, wird die Analysatordiagnostik unabhängig davon, ob ein Bediener anwesend ist oder nicht, ausgefuhrt. Der Unterschied besteht in der Bereitstellung von Abhilfemaßnahmen, die nur im Fall der Anwesenheit eines Bedieners stattfindet. Wie durch die Aussagen der Kommandoregeln angezeigt, besteht das Anfangskommando in der Ausführung des als VPOS identifizierten Programms zur Bestimmung, welcher der den Durchfluß des entweder den Proben-, den Null- oder den Meßgas steuernden Verteilerventile aktiviert ist, basierend auf den Computerdatenwerten S1917D, S1917E und S1917E, die zur Identifizierung der Strömungsventilpositionen zugewiesen wurden. Nach der Bestimmung des Vorhandenseins eines Bedieners fährt das Kommandoprogramm mit der Bereitstellung von Abhilfemaßnahmen fort die auf dem Bestehen eines globalen Problems wie beispielsweise einem Meßinstrumentenversagen, einem Versagen der Stromquelle oder geringem Druck beruhen. Das Bestehen eines globalen Problems wird in einer logischen Hierarchie bestimmt, wobei jedes globale Problem einer linearen Prioritätsreihe folgend bewertet wird, um dessen Vorhandensein zu ermitteln und um bei einem Zutreffen das Problem mit einer Abhilfemaßnahme im Abhilfemaßnahmenfile in Übereinstimmung zu bringen. Eine Abhilfemaßnahme ist für jedes Problem vorhanden, und ein Abhilfemaßnahme-Bildschirm stellt eine graphische Darstellung des identifizierten Problems zusammen mit der entsprechenden Abhilfemaßnahme bereit. Die Abhilfemaßnahmen werden als Daten dargestellt, denen im PC-Computer ein Variablenwert zugewiesen worden ist. Die Bildschirmdarstellung der Abhilfemaßnahme stellt dem Bediener eine Problemlöserichtung oder eine tiefgreifende Analyse der Art der Problemlösung zur Verfügung. Wird das Problem beispielsweise im Gesamtkohlenwasserstoffanalysator identifiziert, das auf dem außerhalb des Betriebsbereich befindlichen Brennstoffdrucks beruht, stellt das Kommandofile einen Zugang zum Bildschirmfile bereit, um einen angemessenen Abhilfetextblock für das spezifische identifizierte Problem darzustellen. Zusätzlich steuert das Kommandofile die Oberfläche an, sämtliche der von dem Regelbasisprogramm bestimmten Probleme in ein Computerdatenfile zum Ausdruck niederzuschreiben. Sämtliche vorgängigen Informationen werden anschließend zurückgesetzt und für eine nachfolgende Ausführung werden alle Probleme auf den Wert "NICHTS" initialisiert. Bei Nichtanwesenheit eines Bedieners werden keine Abhilfemaßnahmen bereitgestellt; statt dessen werden alle aufgedeckten Probleme zu einem Computerdatenfile gesendet und ausgedruckt.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Analyse von Spurenverunreinigungen in einem Prozeßgas, das aus der aus O&sub2;, N, Ar und H&sub2; bestehenden Gruppe ausgewählt ist, sowie zum Identifizieren, Speichern und Aufzeichnen von Daten, die für solche Spurenverunreinigungen in dem Prozeßgas kennzeichnend sind, zum Analysieren der gespeicherten Daten zur Identifizierung von fehlerhaften Analysedaten sowie zur Identifizierung von Abhilfemaßnahmen, um den die fehlerhafte Analyse verursachenden Umständen abzuhelfen, wobei im Zuge des Verfahrens;

Proben des Prozeßgases entnommen werden, um einen Strom eines Probegases zu schaffen;

der Strom des Probegases durch eine Mehrzahl von Analysatoren geleitet wird, um die Anwesenheit von einer oder mehreren Spurenverunreinigungen zu bestimmen, die aus der aus O&sub2;, H&sub2;, CO und CO&sub2;, Kohlenwasserstoffen, Wasserfeuchte (H&sub2;O &sub2;0) und teilchenförmigen Stoffen bestehenden Gruppe ausgewählt sind, wobei sich diese Auswahl von der Auswahl des Prozeßgases unterscheidet;

ein Ausgangssignal von jedem Analysator erzeugt wird, welches dem Verunreinigungspegel für jede untersuchte Spurenverunreinigung entspricht;

ein Statussignal erzeugt wird, welches für die vorausgewählten Parameter des Analysatorbetriebes kennzeichnend ist und dem Betriebsstatus von einem oder mehreren der Analysatoren entspricht;

die Statussignale und die Ausgangssignale zwecks Speicherung in Form von Datenwerten an einen Computer geliefert werden;

ein Regelbasisprogramm bereitgestellt wird, um eine Problemanalyse der Datenwerte auszuführen, um, basierend auf einer Untersuchung einer jeden Regel in dem Regelbasisprogramm, Probleme zu identifizieren, wobei eine oder mehrere Regeln eine unterscheidende Aussage eines Problems definiert, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Problems festzustellen;

eine Expertensystem-Oberfläche bereitgestellt wird, um das Regelbasisprogramm in einer computerkompatiblen Sprache auszuführen;

ein Datenfile von Abhilfemaßnahmen für eine vorgewählte Anzahl von Problemzuständen gespeichert wird; und

ein Befehlsprogramm zum Anleiten der Oberfläche des Expertensystems bereitgestellt wird, um die Untersuchung der Regeln in dem Regelbasisprogramm in einer vorbestimmten Hierarchie auszuwählen und durch Ausführung des Regelbasisprogramms erkannte Probleme in Übereinstimmung mit vorbestimmten Abhilfemaßnahmen in dem Abhilfemaßnahmen-Datenfile zu bringen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jedes erkannte Problem und die entsprechende Abhilfemaßnahmem in Anwesenheit eines Bedieners auf einem Anzeigemonitor angezeigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem jedes Ausgangssignal von dem Analysator den analytischen Daten in analoger oder digitaler Form entspricht, die kennzeichnend für den Pegel der untersuchten Spurenverunreinigung sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die analogen Daten zwecks Speicherung in dem Computer in ein digitales Datensignal umgewandelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem ein Statussignal erzeugt wird, das für mindestens einen der folgenden Parameter kennzeichnend ist: Gasprobendruck für jeden Analysator, Betriebsbereich des Analysators, Temperatur, Strömungsbedingungen Lind Ventilstellungen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Prozeßanalysatoren einen Sauerstoffanalysator, einen Wasserfeuchteanalysator, einen Wasserstoff- und Kohlenmonoxidanalysator, einen Analysator für die Gesamtmenge an Kohlenwasserstoffen sowie einen Analysator für teilchenförmige Stoffe aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Analysatoren für teilchenförmige Stoffe einen gewöhnlichen Laserteilchenzähler und einen Kondensationskeimzähler aufweisen.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Regelbasisprogramm in einer linearen Vorwärts/Nichtrückwärts-Sequenz ausgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das Regelbasisprogramm ein interaktives Programm ist, welches nach der Identifikation eines Bedieners verlangt und einen Dialog mit dem Bediener liefert, um zusätzliche Statuseingangsinformationen zu erhalten wie sie von dem Regelbasisprogramm erkannt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem dann, wenn die Nichtanwesenheit eines Bedieners festgestellt wird, alle erkannten Probleme einem Computerdatenfile zugeordnet werden, um ausgedruckt zu werden.