淺析制藥企業(yè)的自動(dòng)化、信息化發(fā)展

聶 晶劉景灝果 敢

（1.中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京100120；2.工業(yè)和信息化部電信研究院，北京100191）

1 制藥行業(yè)信息化建設(shè)突飛猛進(jìn)、勢(shì)在必行

生物制藥行業(yè)是朝陽(yáng)行業(yè)，作為生物工程研究開發(fā)和應(yīng)用中最活躍、進(jìn)展最快的領(lǐng)域，被公認(rèn)為21世紀(jì)最有前途的產(chǎn)業(yè)之一。我國(guó)生物制藥行業(yè)在2000的年銷售增長(zhǎng)率達(dá)到21.6%，預(yù)計(jì)每年能保持20%～25%的年增長(zhǎng)速度，但是面臨國(guó)外生物制品對(duì)我國(guó)市場(chǎng)的沖擊，我國(guó)大多數(shù)企業(yè)由于生產(chǎn)管理不規(guī)范，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不過(guò)關(guān)，無(wú)法與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。

制藥行業(yè)同其他現(xiàn)代化工業(yè)一樣，為確保生產(chǎn)的穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)能、低耗、環(huán)保，需要用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。因此，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制和規(guī)范化管理，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，成為本行業(yè)亟需解決的問(wèn)題。

2 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代后期，流程工業(yè)過(guò)程控制與生產(chǎn)管理發(fā)生了巨大變化，多學(xué)科間的相互滲透與結(jié)合，使過(guò)程控制與生產(chǎn)管理朝著一體化的方向發(fā)展，形成了企業(yè)綜合自動(dòng)化的發(fā)展新模式。

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、應(yīng)用軟件技術(shù)、多媒體技術(shù)和控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、智能化和信息化綜合管理和控制的系統(tǒng)，包括生產(chǎn)可視化、信息管理系統(tǒng)化、管理優(yōu)化、計(jì)劃優(yōu)化和調(diào)度、操作優(yōu)化和過(guò)程控制及智能優(yōu)化管理與決策的技術(shù)環(huán)境。

3 工廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在制藥企業(yè)中的應(yīng)用

在以原料藥生產(chǎn)和成品藥生產(chǎn)為主的大中型制藥企業(yè)中，企業(yè)綜合智能自動(dòng)化信息系統(tǒng)通常具有3層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：即企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）?；贛ES的大中型制藥企業(yè)智能ERP信息系統(tǒng)實(shí)施方案模型如圖1所示。

圖1 大中型制藥企業(yè)智能ERP信息系統(tǒng)實(shí)施方案模型圖

其中，ERP層主要完成生產(chǎn)管理決策與生產(chǎn)計(jì)劃；MES層的主要功能是動(dòng)態(tài)地進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析；PCS層主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與初步分析。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線為重要組成部分，可完成工廠通訊、數(shù)據(jù)通訊和過(guò)程/現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化通訊等不同層次、不同性能的復(fù)雜聯(lián)網(wǎng)任務(wù)。車間全自動(dòng)信息采集及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車間全自動(dòng)信息采集及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

各車間底層信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)使用了先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，這些控制設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制程序，將控制信號(hào)傳遞給生產(chǎn)設(shè)備控制器件完成控制動(dòng)作，同時(shí)將采集的參數(shù)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，以供管理層查看并實(shí)現(xiàn)信息共享。

3.1 控制層（PCS）

生產(chǎn)車間的底層控制的子系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)控制單元，根據(jù)各自車間或?qū)嶋H需要通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與各自車間的控制層主機(jī)構(gòu)成二級(jí)分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.1.1 控制層系統(tǒng)組成

現(xiàn)以某制藥產(chǎn)業(yè)基地為例，進(jìn)行各控制子系統(tǒng)功能說(shuō)明。該產(chǎn)業(yè)基地工程中控制層系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)子系統(tǒng)、全廠能源管理子系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視與管理子系統(tǒng)等。

3.1.2 控制層各子系統(tǒng)的功能

3.1.2.1 生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)

生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)的功能包括：

（1）工藝過(guò)程控制功能：根據(jù)工藝要求自動(dòng)控制其作業(yè)流程、介質(zhì)壓力、溫度、pH值和液位等。工藝流程中配液、油佐劑處理、投料、滅活、濃縮純化等工序?qū)崿F(xiàn)了管道化和自動(dòng)化。

（2）環(huán)境控制功能：主要由HVAC自控、冷站自控構(gòu)成。其主要功能為控制生產(chǎn)環(huán)境的溫度、濕度和壓力，保證生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度，以滿足GMP指標(biāo)要求。

（3）人流、物流控制功能：GMP要求不同的人流、物流僅允許其在相應(yīng)的潔凈環(huán)境下活動(dòng)，通過(guò)門禁控制，可使擁有不同權(quán)限和工作性質(zhì)的工作人員只能活動(dòng)在被允許的范圍之內(nèi)。

3.1.2.2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)子系統(tǒng)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)子系統(tǒng)主要由機(jī)械和控制2部分構(gòu)成：機(jī)械部分包括貨架、輸送部分和碼垛部分等,控制部分包括傳感器、條碼閱讀器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)庫(kù)等。

采用計(jì)算機(jī)控制和現(xiàn)代自動(dòng)化機(jī)械，使出入庫(kù)的效率和效益大幅度提高，可自動(dòng)結(jié)算庫(kù)存的貨物種類和數(shù)量，并控制各種貨物的流通速度。

3.1.2.3 能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)包括全廠供汽設(shè)備即鍋爐控制，主要控制參數(shù)是爐膛溫度、壓力、冷卻水水位、鼓風(fēng)、引風(fēng)及送煤系統(tǒng)等，全廠供水供電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要是對(duì)水壓、水流量、氣壓、氣流量、電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因素等參數(shù)監(jiān)測(cè)。

3.1.2.4 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視與管理子系統(tǒng)（工業(yè)電視）

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視與管理子系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)的攝像系統(tǒng)構(gòu)成。在工藝生產(chǎn)過(guò)程中，許多關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)必須實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控。為了確保無(wú)人管理的有效性，本系統(tǒng)采用了數(shù)字圖像監(jiān)視系統(tǒng)。此外，圖像監(jiān)視系統(tǒng)為客戶展示了現(xiàn)代化工廠的風(fēng)采，加大了企業(yè)的宣傳力度。

以上生產(chǎn)車間底層控制單元的監(jiān)控臺(tái)，可在圖形監(jiān)視器上完整、直觀地動(dòng)態(tài)顯示各生產(chǎn)車間的生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程總圖、各工序設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、質(zhì)量和工藝參數(shù)報(bào)表、實(shí)時(shí)趨勢(shì)及歷史趨勢(shì)畫面、故障及越限報(bào)警，可以利用在線數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出主要生產(chǎn)指標(biāo)的完成情況，可以作為MES執(zhí)行層監(jiān)控、決策和動(dòng)態(tài)調(diào)度的基礎(chǔ)。

不同級(jí)別的管理人員按照相應(yīng)的權(quán)限，通過(guò)所在局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽，以便隨時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀況，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)準(zhǔn)確決策提供必要的數(shù)據(jù)以指導(dǎo)生產(chǎn)。

3.2 執(zhí)行層（MES）

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）位于企業(yè)上層企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）和底層工程控制系統(tǒng)（PCS）之間，系統(tǒng)向下具有豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集接口支持各種DCS、PLC、SCADA系統(tǒng)，向上提供標(biāo)準(zhǔn)憑證，可與通用財(cái)務(wù)系統(tǒng)和OA系統(tǒng)集成。

3.2.1 執(zhí)行層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

MES系統(tǒng)主要由MES管理軟件、MES數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、MES調(diào)度臺(tái)、車間作業(yè)信息顯示屏等構(gòu)成，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)接線方式簡(jiǎn)單，便于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和資源配置以及系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

3.2.2 執(zhí)行層系統(tǒng)的功能

MES為企業(yè)生產(chǎn)管理人員進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控與管理、保證生產(chǎn)正常運(yùn)行、控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本提供了靈活有力的工具。其主要包括以下功能：實(shí)時(shí)信息監(jiān)控、生產(chǎn)計(jì)劃與統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度綜合協(xié)調(diào)、管理生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、能源管理、生產(chǎn)物流管理、批量生產(chǎn)管理、進(jìn)銷存管理等。

以某制藥產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目為例，對(duì)于生產(chǎn)車間，可根據(jù)生產(chǎn)線人力和物力的資源信息對(duì)車間進(jìn)行排產(chǎn)，安排相應(yīng)的計(jì)劃。執(zhí)行層系統(tǒng)可以獲取控制層的有關(guān)控制參數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)管理。

動(dòng)力站可由生產(chǎn)計(jì)劃部門根據(jù)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)任務(wù)所需的動(dòng)力能源下達(dá)供應(yīng)計(jì)劃。建立成品藥進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)和生產(chǎn)所需原料進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)的管理系統(tǒng)，隨時(shí)根據(jù)備料計(jì)劃執(zhí)行情況的反饋和成品庫(kù)存配套的缺料信息，為管理人員提供制定排產(chǎn)計(jì)劃和備料計(jì)劃提供決策依據(jù)。

總之，基于實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化，可自動(dòng)編制生產(chǎn)進(jìn)度、工時(shí)利用、產(chǎn)品實(shí)耗和質(zhì)量統(tǒng)計(jì)等報(bào)表，并為產(chǎn)品生產(chǎn)成本的核算提供定量依據(jù)。根據(jù)控制層的實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋數(shù)據(jù)及作業(yè)計(jì)劃進(jìn)度情況，提供直觀、靈活的產(chǎn)品生產(chǎn)動(dòng)態(tài)跟蹤查詢，并可進(jìn)行生產(chǎn)進(jìn)度的預(yù)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的生產(chǎn)指揮調(diào)度。

3.3 計(jì)劃層（ERP）

3.3.1 計(jì)劃層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

計(jì)劃層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用基于Web的C/S與B/S混合結(jié)構(gòu)的多層分布式信息平臺(tái)。

面向上層經(jīng)營(yíng)計(jì)劃管理的ERP層主要采用C/S結(jié)構(gòu)模式，只能由各功能模塊管理人員使用，包括數(shù)據(jù)的錄入、憑證和各種報(bào)表的打印、查詢和分析等，增加了系統(tǒng)的安全性和可伸縮性。面向車間生產(chǎn)調(diào)度管理的MES層主要采用B/S結(jié)構(gòu)模式，提供物料跟蹤，成品半成品的狀態(tài)、庫(kù)存、價(jià)格、項(xiàng)目用料以及調(diào)度的實(shí)時(shí)跟蹤等，這樣既方便領(lǐng)導(dǎo)和一般客戶的查詢，又可發(fā)布企業(yè)的信息等。

3.3.2 計(jì)劃層系統(tǒng)的功能

計(jì)劃層系統(tǒng)的功能主要包括：進(jìn)行廠級(jí)的生產(chǎn)管理決策和績(jī)效指標(biāo)考核；人力資源管理；財(cái)務(wù)、銷售管理；企業(yè)公共信息發(fā)布，電子商務(wù)服務(wù)管理；成品、半成品、原料的庫(kù)存管理、為車間級(jí)管理提供物料信息支持、工廠維護(hù)；生產(chǎn)工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)管理；接受客戶訂單，制定周/日生產(chǎn)計(jì)劃，向下傳遞給制造執(zhí)行系統(tǒng)。

基于MES的大中型制藥企業(yè)智能ERP信息系統(tǒng)，加強(qiáng)了大中型制藥企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)計(jì)劃的可執(zhí)行性，可對(duì)生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)采集和分析，可對(duì)整個(gè)車間的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的在線監(jiān)控，完成了生產(chǎn)計(jì)劃和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)的調(diào)度，從而縮短生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)周期，減少物料浪費(fèi)，降低成品及在制品的庫(kù)存，保證生產(chǎn)交貨期。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前針對(duì)生物制藥行業(yè)提出的以生產(chǎn)過(guò)程制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為核心的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案，在MES層面的基礎(chǔ)上，探索以過(guò)程控制層（PCS）、企業(yè)管理層為基本框架的工廠自動(dòng)化解決方案，研究企業(yè)工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)局域網(wǎng)之間的先進(jìn)管理模式和工程實(shí)施方法，開發(fā)建立了人流、物流、資金流、能量流、質(zhì)量流、工作流和數(shù)據(jù)流全集成平臺(tái)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件工具集成，形成了適合中國(guó)國(guó)情的生物制藥行業(yè)MES管理軟件系統(tǒng)。

在此基礎(chǔ)上，逐步建立數(shù)據(jù)管理/企業(yè)資源管理（PDM/ERP）、供應(yīng)鏈信息管理（SCM）、客戶關(guān)系管理（CRM）等技術(shù)的集成，用于提高企業(yè)的研發(fā)能力和管理水平，節(jié)約能源，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高售后服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生物制藥行業(yè)企業(yè)的設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造自動(dòng)化、管理網(wǎng)絡(luò)化、資源集約化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)信息化建設(shè)的跨越式發(fā)展。

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