制藥行業(yè)SCADA系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

李隆浩 張立臻

（山東新華醫(yī)療器械股份有限公司，山東淄博255000）

0 引言

隨著德國“工業(yè)4.0”[1]概念的提出，智能制造成為全球制造業(yè)的研究熱點，柔性制造、敏捷制造、數(shù)字化車間[2]等先進(jìn)的制造理念層出不窮。為此，我國制定了以工業(yè)化、信息化融合為主線的“中國制造2025”計劃”[3]，以實現(xiàn)制造業(yè)由工業(yè)化、自動化向信息化、智能化的轉(zhuǎn)型升級。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)主要用于對現(xiàn)場控制層和采集執(zhí)行層的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制，一般應(yīng)用于管理調(diào)度層、網(wǎng)絡(luò)通信層和集中監(jiān)控層[4]。該系統(tǒng)通過對生產(chǎn)車間的生產(chǎn)設(shè)備和公用工程等生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實現(xiàn)集中監(jiān)控。同時，把實時數(shù)據(jù)存儲到實時數(shù)據(jù)庫，以便進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析與追溯，消除目前存在的信息孤島現(xiàn)象，使企業(yè)決策層、管理人員及操作人員能夠及時方便地獲取相關(guān)信息，為加強生產(chǎn)、工藝質(zhì)量和設(shè)備管理提供技術(shù)支持。

1 大輸液產(chǎn)品制造車間存在的問題

制藥行業(yè)具有產(chǎn)品工藝復(fù)雜、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)管控點多、底層自動化水平差別較大等特點。以大輸液產(chǎn)品為例，其生產(chǎn)過程中存在以下問題：

（1）缺乏有效的工業(yè)環(huán)網(wǎng)支持，沒有對設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成，不能監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，難以實現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化管理；

（2）制藥產(chǎn)品工藝要求極高，生產(chǎn)過程參數(shù)數(shù)值的變化會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，造成產(chǎn)品合格率低、廢品率高等嚴(yán)重現(xiàn)象；

（3）產(chǎn)品生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)主要通過紙質(zhì)批次記錄作為載體進(jìn)行管理，依賴于人工收集，工作效率低下；

（4）產(chǎn)品質(zhì)量管理大多采取事后檢驗的方式，缺乏對產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的實時管控，出現(xiàn)問題不能及時進(jìn)行調(diào)整，影響最終產(chǎn)品質(zhì)量。

總而言之，現(xiàn)有的管理模式缺乏對藥品生產(chǎn)車間設(shè)備運行狀態(tài)、加工環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量的數(shù)字化監(jiān)控，嚴(yán)重影響大輸液產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)可視、實時、精細(xì)、可追溯的數(shù)字化車間的整體建設(shè)進(jìn)程。

2 大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)及設(shè)計原則

2.1 設(shè)計目標(biāo)

（1）項目符合國家食品藥品監(jiān)督管理局的現(xiàn)行GMP[5]及其附錄《計算機化系統(tǒng)》的要求；

（2）項目實施遵循ISPEGAMP5指南，提供整套計算機化系統(tǒng)驗證文檔；

（3）可實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和存儲；

（4）可實現(xiàn)部分設(shè)備的遠(yuǎn)程開/關(guān)機控制；

（5）可實現(xiàn)報警記錄和報警管理；

（6）用戶可定制HMI人機界面；

（7）可實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化分析；

（8）整合與強化現(xiàn)場作業(yè)管理；

（9）具備完善的人員權(quán)限管理功能及審計追蹤功能；

（10）可實現(xiàn)系統(tǒng)的安全管理和服務(wù)器數(shù)據(jù)的災(zāi)難備份；

（11）可實現(xiàn)對MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持及功能擴展。

2.2 設(shè)計原則

（1）可靠性原則：保障生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行；

（2）可擴展性原則：適應(yīng)未來業(yè)務(wù)發(fā)展的需要；

（3）實用性原則：突出實用，確保管理理念和技改目標(biāo)的達(dá)成；

（4）先進(jìn)性原則：引入先進(jìn)技術(shù)和理念，提升項目整體水平；

（5）集成性原則：生產(chǎn)全覆蓋，結(jié)合周邊系統(tǒng)構(gòu)建整體集成；

（6）靈活性原則：確保系統(tǒng)良好的適應(yīng)性，應(yīng)對業(yè)務(wù)的持續(xù)變化需求；

（7）標(biāo)準(zhǔn)化原則：參照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用商品軟件建設(shè)示范性系統(tǒng)。

3 大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)框架

大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)一般由三部分組成：

（1）為系統(tǒng)提供硬件支撐的硬件設(shè)備；

（2）由操作系統(tǒng)、開發(fā)平臺、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等構(gòu)成的系統(tǒng)軟件；

（3）SCADA系統(tǒng)功能和應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

其系統(tǒng)組成示意如圖1所示。

圖1 SCADA系統(tǒng)組成

SCADA系統(tǒng)憑借傳感器、智能儀表、條碼/RFID自動識別器、現(xiàn)場操作終端等實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)及公用工程的數(shù)據(jù)采集，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的傳輸，并存儲于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。通過應(yīng)用軟件平臺集成的功能軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以實現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)現(xiàn)場管理、生產(chǎn)過程監(jiān)控報警、生產(chǎn)統(tǒng)計分析功能。通過SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控以及制造資源的互聯(lián)互通，為MES系統(tǒng)設(shè)備管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理等功能模塊提供數(shù)據(jù)支撐。

4 大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)功能設(shè)計

大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)是一個針對產(chǎn)品生產(chǎn)周期進(jìn)行多方位監(jiān)控的系統(tǒng)（面向數(shù)字化車間的SCADA系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)），主要通過對設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)備運行參數(shù)、生產(chǎn)過程環(huán)境數(shù)據(jù)等多項生產(chǎn)過程信息進(jìn)行實施監(jiān)測，可以實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的簡單控制以及生產(chǎn)過程環(huán)境控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)功能。

4.1 架構(gòu)設(shè)計

SCADA系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

SCADA系統(tǒng)采用局域網(wǎng)設(shè)計方式，與外部網(wǎng)絡(luò)完全隔離。設(shè)置SCADAWeb應(yīng)用服務(wù)器以實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)人員訪問SCADA系統(tǒng)。通過設(shè)備層對生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)信息、報警信息、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)信息、物料信息進(jìn)行采集。物料信息主要通過掃描槍或者RFID識別器進(jìn)行采集并上傳至服務(wù)器，其他信息則通過PLC、傳感器、工控機等設(shè)備進(jìn)行采集。工控機除了收集生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)信息、報警信息、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)信息、物料信息外，還需要將SCADA系統(tǒng)的控制指令下達(dá)給相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備。監(jiān)控中心安裝SCADA監(jiān)控大屏，管理人員可以通過監(jiān)控大屏的SCADA客戶端實現(xiàn)對車間生產(chǎn)活動的監(jiān)視，并根據(jù)需求對車間生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

SCADA系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

4.2 模塊設(shè)計

4.2.1 監(jiān)控模塊

實時監(jiān)控模塊包含流量監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、質(zhì)量監(jiān)控四個子模塊。其中，流量監(jiān)控模塊監(jiān)控各車間電力、水、壓縮空氣及蒸汽使用情況，用于成本分析；設(shè)備監(jiān)控模塊對車間灌裝機、滅菌柜、包裝機等設(shè)備進(jìn)行實施監(jiān)測，適時對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控；環(huán)境監(jiān)控模塊對車間當(dāng)前生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，追蹤車間環(huán)境參數(shù)的變化情況；質(zhì)量監(jiān)控模塊根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前產(chǎn)品質(zhì)量是否在正常范圍，脫離受控范圍則進(jìn)行預(yù)警。

4.2.2 查詢模塊

數(shù)據(jù)查詢模塊包含實時數(shù)據(jù)畫面展示、歷史數(shù)據(jù)查詢、實時報警、人工報警四個子模塊。其中，實時數(shù)據(jù)畫面展示模塊可以快速訪問生產(chǎn)設(shè)備和公用系統(tǒng)實時的參數(shù)運行畫面，直觀表達(dá)生產(chǎn)系統(tǒng)與公用系統(tǒng)的穩(wěn)定性；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊可以查看瀏覽實時過程數(shù)據(jù)，以及歷史的數(shù)據(jù)報表和趨勢；實時報警模塊可以實時顯示當(dāng)前出現(xiàn)的報警信息，報警內(nèi)容包含日期、時間、地點、內(nèi)容描述、確認(rèn)情況等，報警方式可以通過顏色、閃爍等，根據(jù)報警的嚴(yán)重程度可劃分報警級別；人工報警模塊是指操作人員可借助各崗位操作平臺實現(xiàn)消息傳遞，提交工序段生產(chǎn)及設(shè)備異常信息，相關(guān)設(shè)備維修保養(yǎng)人員可收到提醒并在功能界面查看到報警提示。

4.2.3 統(tǒng)計分析模塊

統(tǒng)計分析模塊包含能源分析、設(shè)備利用率、計劃完成率三個子模塊。其中，能源分析模塊可以根據(jù)能源采集信息，對能耗進(jìn)行統(tǒng)計分析，完成單批次能耗統(tǒng)計；設(shè)備利用率模塊根據(jù)設(shè)備運行情況核算設(shè)備利用率；計劃完成率則根據(jù)設(shè)備運行數(shù)據(jù)計算產(chǎn)品完成情況。

圖3 SCADA系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計

5 大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)應(yīng)用案例

本文利用羅克韋爾SCADA通用平臺完成了大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。用戶通過用戶名和密碼登錄系統(tǒng)后進(jìn)入大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA監(jiān)控首頁，如圖4所示。用戶可以查看設(shè)備狀態(tài)、報警信息、環(huán)境信息以及統(tǒng)計分析功能，同時提供相應(yīng)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制操作。

用戶根據(jù)不同的需求選擇不同的設(shè)備監(jiān)控畫面，查看當(dāng)前設(shè)備運行情況，如圖5所示。

當(dāng)前實時報警及歷史報警信息，如圖6所示。

通過不同的功能及其相應(yīng)的HMI界面，用戶可以實現(xiàn)對大輸液產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程的全方位的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)監(jiān)控。

6 結(jié)語

本文通過分析大輸液產(chǎn)品制造車間存在的問題，結(jié)合大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)及設(shè)計原則，提出了一套較為完善的SCADA系統(tǒng)框架。在SCADA系統(tǒng)框架內(nèi)設(shè)計了合適的硬件架構(gòu)方案及合理的軟件功能方案，實現(xiàn)了大輸液產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)監(jiān)控，為MES系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。同時，將SCADA系統(tǒng)應(yīng)用于某制藥企業(yè)的大輸液產(chǎn)品生產(chǎn)車間中，有效提升了該車間的自動化程度和監(jiān)控管理水平，為傳統(tǒng)的藥品生產(chǎn)車間向信息化、數(shù)字化、智能化車間轉(zhuǎn)型提供了參考與借鑒。

圖4 大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)首頁

圖5 大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控畫面

圖6 大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)報警畫面