Phòng sạch tự động hoá: hạt phát sinh theo nhịp máy, và cửa sổ một phút có thể xoá dấu vết

Bản đồ điểm giám sát hạt trong hầu hết nhà máy được vẽ theo mặt bằng: chia đều diện tích, đặt cảm biến ở chỗ dễ đi dây. Cách này hình thành từ thời phòng sạch chủ yếu có con người di chuyển bên trong. Trong một xưởng đã tự động hoá — robot gắp, băng tải chạy, xe tự hành đi theo lộ trình cố định — nguồn phát hạt lớn nhất không còn phân bố theo diện tích nữa mà bám theo nhịp máy: nó lặp lại đúng chu kỳ, xuất hiện trong vài giây, rồi biến mất. Bài viết bàn về hệ quả đo lường của điều đó, và về một dòng thông số mà không hãng nào công bố đầy đủ trên catalogue.

Máy phát hạt khác người phát hạt ở ba điểm

Con người phát hạt liên tục và tương đối đều: mỗi cử động làm bong tế bào da và sợi vải, mức phát tăng giảm theo cường độ hoạt động nhưng hiếm khi tắt hẳn trong lúc có mặt. Thiết bị tự động thì ngược lại, và khác ở ba điểm quyết định cách bố trí phép đo:

Đặc điểm	Nguồn phát là con người	Nguồn phát là thiết bị tự động
Diễn biến theo thời gian	Gần như liên tục trong suốt ca, biến thiên chậm	Xung ngắn, lặp lại theo chu kỳ máy; giữa hai xung có thể rất sạch
Vị trí	Di chuyển khắp phòng theo lộ trình công việc, khó dự đoán chính xác	Cố định theo hình học của máy, hoặc di chuyển theo lộ trình đã lập trình — nghĩa là dự đoán được
Cơ chế sinh hạt	Bong tróc từ da và trang phục	Mài mòn cơ khí ở ổ trượt, dây đai, bánh xe; hạt bong từ vật liệu bao bì; hạt bị khuấy lên do dòng khí do chuyển động tạo ra

Điểm thứ hai là tin tốt: nếu nguồn phát dự đoán được thì việc đặt điểm đo trở nên có căn cứ chứ không phải phỏng đoán. Điểm thứ nhất là tin xấu: một cảm biến báo dữ liệu mỗi phút có thể ghi lại một môi trường trung bình rất đẹp trong khi tại đúng vài giây mỗi chu kỳ, nồng độ tại chỗ vượt xa giới hạn.

Cần phân biệt với hạt bị hút bởi tĩnh điện — cơ chế đó có logic riêng và đã bàn trong nội dung về kiểm soát nhiễm bẩn ở nhà máy PCBA và SMT. Ở đây chỉ xét phần cơ khí và phần khí động.

Sự kiện thoáng qua và điều Annex 1 yêu cầu

EU GMP Annex 1 mục 9.17 viết cho khu vực Grade A một yêu cầu mà ngành điện tử cũng nên đọc, vì logic của nó không phụ thuộc ngành. Nội dung gồm bốn vế:

1. Grade A phải được giám sát liên tục, ở cả hai ngưỡng lớn hơn hoặc bằng 0,5 µm và 5 µm.
2. Với lưu lượng phù hợp, tối thiểu 28 lít mỗi phút (1 ft³/phút).
3. Sao cho mọi can thiệp, mọi sự kiện thoáng qua và mọi biểu hiện xuống cấp của hệ đều được ghi nhận.
4. Hệ phải đối chiếu từng kết quả mẫu riêng lẻ với ngưỡng cảnh báo và mức hành động, ở một tần suất đủ để phát hiện và xử lý kịp thời mọi vượt ngưỡng tiềm tàng; cảnh báo phải kích hoạt khi vượt ngưỡng.

Vế thứ ba và thứ tư mới là phần khó. Sự kiện thoáng qua nghĩa là hệ phải bắt được cái ngắn, và từng kết quả mẫu riêng lẻ nghĩa là kết luận đặt trên từng bản ghi chứ không phải trên trung bình ngày. Yêu cầu về lưu lượng tối thiểu 28 lít mỗi phút cũng phục vụ chính mục tiêu đó: lưu lượng lớn cho phép rút ngắn thời gian mỗi mẫu mà vẫn giữ được thể tích đủ để con số có ý nghĩa.

Một nhà máy điện tử không chịu ràng buộc pháp lý của Annex 1, nhưng nếu mục tiêu là truy được nguyên nhân sự cố về đúng công đoạn thì bài toán kỹ thuật giống hệt.

Số học của việc pha loãng: một đợt bùng phát năm giây trong cửa sổ một phút

Đây là phần đáng tự tính cho hệ của mình. Giả thiết một cảm biến 1 CFM, tức 28,3 lít mỗi phút, đặt cạnh một trạm gắp có chu kỳ 60 giây, và giả sử đợt phát hạt kéo dài 5 giây trong mỗi chu kỳ.

Đại lượng	Giá trị giả định
Nồng độ nền giữa hai đợt (55 giây)	100.000 hạt/m³ ở ngưỡng 0,5 µm
Nồng độ trong đợt bùng phát (5 giây)	4.000.000 hạt/m³
Thể tích lấy trong 55 giây	25,9 lít
Thể tích lấy trong 5 giây	2,36 lít

Số hạt đếm được trong một phút bằng tổng của hai phần: 0,02594 m³ × 100.000 = 2.594 hạt, cộng 0,002358 m³ × 4.000.000 = 9.433 hạt, tổng 12.028 hạt trong 0,0283 m³. Quy đổi ra nồng độ: khoảng 425.000 hạt/m³.

Con số đó nằm dưới giới hạn ISO Class 7 ở ngưỡng 0,5 µm là 352.000 hạt/m³ hay không? Không — nó vượt. Nhưng chỉ vượt khoảng 1,2 lần, trong khi nồng độ thật tại thời điểm bùng phát vượt hơn 11 lần. Với một đợt bùng phát ngắn hơn, ví dụ 2 giây thay vì 5, phép tính tương tự cho khoảng 230.000 hạt/m³ — nằm gọn trong giới hạn, và bản ghi phút đó hoàn toàn sạch trên báo cáo, dù cứ mỗi chu kỳ máy lại có hai giây mà môi trường tệ hơn giới hạn hàng chục lần.

Đây là toàn bộ vấn đề, gói trong một phép tính: cửa sổ lấy mẫu càng dài thì sự kiện càng ngắn càng bị pha loãng, cho tới lúc nó biến mất khỏi hồ sơ. Cảm biến không sai, phần mềm không sai, dữ liệu không bị sửa — chỉ là độ phân giải thời gian không đủ để nhìn thấy thứ đang xảy ra.

Hai hệ quả thực hành:

• Ở các vị trí cạnh thiết bị chuyển động, chu kỳ báo dữ liệu nên ngắn hơn chu kỳ máy, để mỗi bản ghi rơi vào một pha xác định của chu kỳ thay vì trộn nhiều pha.
• Nếu buộc phải giữ cửa sổ dài vì lý do dung lượng lưu trữ, thì phải biết mình đang chấp nhận điều gì và ghi giả định đó vào tài liệu thiết kế hệ giám sát, thay vì để người đọc báo cáo sau này hiểu nhầm rằng phòng luôn sạch.

Ba tham số phải chốt với hãng trước khi ký

Ba câu hỏi dưới đây quyết định hệ có bắt được sự kiện ngắn hay không, và cả ba đều không có mặt đầy đủ trên bảng thông số công khai của bất kỳ hãng nào. Đó chính là lý do phải hỏi bằng văn bản trong giai đoạn đấu thầu, chứ không suy từ catalogue:

Tham số	Câu hỏi cụ thể gửi hãng	Vì sao quan trọng
Chu kỳ mẫu nhỏ nhất	Cảm biến báo dữ liệu về phần mềm được ở chu kỳ ngắn nhất là bao nhiêu giây, và ở chu kỳ đó phần mềm có ghi đủ mọi bản ghi vào cơ sở dữ liệu không?	Quyết định độ phân giải thời gian của toàn hệ. Cảm biến có thể đọc nhanh nhưng phần mềm chỉ ghi mỗi phút, và giới hạn thật nằm ở phần mềm
Ứng xử của mẫu đang dở khi có cảnh báo	Khi vượt ngưỡng ở giữa một chu kỳ, hệ báo động ngay hay đợi hết chu kỳ mới đối chiếu?	Với sự kiện năm giây, khác biệt giữa hai cách này là khác biệt giữa bắt được và không bắt được
Bộ đệm khi mất kết nối	Cảm biến giữ được bao nhiêu bản ghi khi mất mạng, và khi chu kỳ mẫu ngắn hơn thì bộ đệm đầy sau bao lâu?	Rút ngắn chu kỳ mẫu làm bộ đệm đầy nhanh hơn theo đúng tỉ lệ — một cái giá phải tính trước

Câu hỏi thứ ba có một phép tính đơn giản đi kèm. Một cảm biến công bố lưu 3.000 mẫu dự phòng: với chu kỳ 1 phút, bộ đệm đầy sau khoảng 50 giờ, tức hơn hai ngày; với chu kỳ 10 giây, chỉ còn khoảng 8 giờ; với chu kỳ 5 giây, khoảng 4 giờ. Nếu chính sách bảo trì mạng của nhà máy cho phép ngắt kết nối một buổi cuối tuần, cấu hình chu kỳ ngắn có thể tạo ra chính khoảng trống dữ liệu mà nó được lắp để tránh.

Ba hãng công bố gì, và cột nào để trống

Bảng dưới chỉ ghi những gì có trong tài liệu kỹ thuật công khai của từng hãng. Ô để trống nghĩa là tài liệu không nêu, không phải thiết bị không có tính năng đó — và chính các ô trống mới là danh sách câu hỏi cần gửi đi.

Tiêu chí	PMS Airnet II / IsoAir Pro-E	Lighthouse ApexR	TSI AeroTrak dòng cầm tay 9306
Chu kỳ báo dữ liệu nhỏ nhất	Không nêu trên trang sản phẩm	Không nêu trong kết quả tra cứu công khai	Bảng thông số nêu thời gian lấy mẫu từ 1 giây tới 99 giờ, số chu kỳ 1 tới 9999 hoặc liên tục
Giữ dữ liệu khi mất kết nối	Airnet II có hàng đợi dữ liệu tiếp tục thu thập khi mất liên lạc; IsoAir Pro-E công bố lưu dự phòng 3.000 mẫu kèm dữ liệu lưu lượng	Tài liệu nêu lưu trữ 3.000 bản ghi	Lưu 10.000 bản ghi mẫu gồm ngày giờ, sáu kênh, trạng thái lưu lượng và trạng thái thiết bị
Giám sát lưu lượng	Airnet II có hệ Dynamic Flow Sensing, báo động khi lưu lượng đổi 15%	Không nêu ngưỡng cụ thể trong kết quả tra cứu	Điều khiển lưu lượng điện tử vòng kín, có đèn báo trạng thái lưu lượng
Vỏ	IsoAir Pro-E: thép không gỉ 316L, IP65	Tài liệu nêu vỏ thép không gỉ 304	Nhựa ép phun chịu va đập cao
Nguồn và truyền thông	Ethernet, Modbus TCP/IP, tuỳ chọn 4-20 mA; cấp nguồn tập trung, nguồn tại chỗ hoặc PoE	Ethernet, có mã hàng PoE	Modbus TCP qua Ethernet hoặc USB
Nguồn hút	IsoAir Pro-E dùng quạt tích hợp, không cần chân không ngoài; Airnet II tuỳ mã hàng	Tài liệu nêu cần chân không danh định 1 CFM ở 18 inch thuỷ ngân với dòng ApexR5	Bơm tích hợp, khí xả lọc HEPA

Hai điều rút ra. Thứ nhất, không hãng nào coi chu kỳ báo dữ liệu nhỏ nhất là một thông số bán hàng — nó nằm trong tài liệu tích hợp hệ thống, và người mua phải chủ động đòi. Thứ hai, dòng nguồn hút là dòng dễ bị bỏ qua nhất khi so giá: một cảm biến cần chân không ngoài kéo theo hệ bơm, đường ống chân không và bảo trì bơm, trong khi một cảm biến có quạt tích hợp thì không. Chênh lệch này không hiện trên đơn giá thiết bị nhưng hiện rất rõ trong tổng chi phí, như đã phân tích trong bài về chi phí sở hữu hệ giám sát hạt nhiều điểm.

Với các vị trí cạnh thiết bị chuyển động, hai cấu hình PMS hay được dùng là thiết bị đếm hạt tiểu phân PMS Airnet II 501-4 cho các điểm cần bốn kênh cỡ hạt trên dây chuyền, và máy đếm hạt tiểu phân PMS Airnet II 310-4 khi cần ngưỡng nhỏ hơn ở khu vực có yêu cầu cao hơn.

Đồng bộ thời gian: ghép dữ liệu hạt với nhật ký máy

Nếu nguồn phát hạt lặp theo chu kỳ máy thì bằng chứng mạnh nhất không phải một con số vượt ngưỡng, mà là mối tương quan giữa chuỗi dữ liệu hạt và nhật ký hoạt động của thiết bị: mỗi lần trạm gắp thực hiện thao tác X thì 3 giây sau số đếm tăng. Tương quan đó chỉ nhìn thấy được khi hai chuỗi thời gian dùng chung một mốc thời gian.

Trên thực tế đây là chỗ hay hỏng nhất, vì hệ giám sát hạt và hệ điều khiển sản xuất thường do hai nhà thầu khác nhau lắp, đồng bộ với hai nguồn thời gian khác nhau. Lệch vài giây là đủ để phá tương quan với sự kiện dài vài giây. Ba việc cần đưa vào yêu cầu kỹ thuật:

1. Một nguồn thời gian duy nhất cho cả hệ giám sát môi trường và hệ điều khiển, thường là một máy chủ thời gian nội bộ của nhà máy.
2. Ghi rõ múi giờ và cách xử lý giờ mùa hè trong hồ sơ hệ thống, để dữ liệu xuất ra không lệch một giờ khi so với hệ khác.
3. Một điểm ghép dữ liệu đã định trước: hoặc hệ giám sát nhận tín hiệu trạng thái máy qua Modbus, hoặc cả hai cùng đổ về một kho dữ liệu chung. Cách ghép bằng Modbus đã được mô tả trong bài về tích hợp hệ giám sát hạt vào mạng nhà máy qua Modbus.

Khi hai chuỗi đã ghép được, việc phân tích trở thành công việc bình thường của phần mềm: lọc theo khoảng thời gian, chồng biểu đồ, tìm chu kỳ lặp. Công cụ chuyên dụng như phần mềm đếm hạt tiểu phân PMS DataAnalyst tồn tại đúng cho loại công việc này, và giá trị của nó chỉ hiện ra khi dữ liệu đầu vào có độ phân giải thời gian đủ mịn.

Đặt điểm theo nhịp máy chứ không theo mặt bằng

Nguyên tắc chung là đặt điểm theo đánh giá rủi ro chứ không rải đều theo diện tích, và cách chọn số điểm cho hồ sơ phân loại đã được trình bày riêng trong bài kế hoạch lấy mẫu phân loại phòng sạch theo ISO 14644-1. Với xưởng tự động hoá, có bốn bổ sung đặc thù:

Loại vị trí	Lý do	Lưu ý khi lắp
Cuối hành trình của trục chuyển động	Điểm dừng và đảo chiều là nơi mài mòn cơ khí tập trung	Đặt ở phía xuôi dòng khí so với trục, không đặt sát để tránh nhiễu do dòng khí do chuyển động tạo ra
Vùng chuyển giao giữa băng tải và trạm thao tác	Va chạm và ma sát giữa vật mang và bề mặt tiếp nhận	Chiều cao đầu dò nên ngang tầm mặt sản phẩm, không ngang tầm sàn
Lộ trình xe tự hành, đặc biệt tại chỗ rẽ và chỗ cửa	Bánh xe mài sàn; cửa mở tạo dòng khí ngang	Một điểm cạnh lộ trình cộng một điểm chứng kiến ở khu vực nhạy phía sau cửa
Khoang kỹ thuật của máy khi mở ra để bảo trì	Bảo trì là sự kiện phát hạt lớn nhưng hiếm, dễ rơi ngoài dữ liệu thường lệ	Không cần điểm cố định; dùng máy xách tay theo quy trình bảo trì và ghi vào cùng hồ sơ

Vị trí cuối trong bảng nhắc một điều dễ quên: không phải nguồn phát nào cũng cần một cảm biến cố định. Sự kiện hiếm nhưng lớn được xử lý tốt hơn bằng một phép đo có kế hoạch, còn sự kiện thường xuyên nhưng ngắn mới là thứ cần độ phân giải thời gian của hệ liên tục. Phân biệt đúng hai loại này tiết kiệm được nhiều điểm đo mà vẫn không mất thông tin.