脊髓灰質(zhì)炎滅活疫苗數(shù)字化車間設(shè)計與應(yīng)用

張承 劉喜松 徐鑫 劉磊

摘要：依據(jù)數(shù)字化疫苗車間建設(shè)指引的要求，通過對現(xiàn)有脊髓灰質(zhì)炎滅活疫苗（簡稱：IPV）全部車間工藝、公用工程設(shè)備建立SCADA、PCS系統(tǒng)，建立整個車間管理級MES系統(tǒng)，實現(xiàn)電子批記錄、車間績效、自動排產(chǎn)、工單分解、過程追溯等功能，并改造現(xiàn)有MRP、WMS、QMS系統(tǒng)同時集成其輸出數(shù)據(jù)到MES系統(tǒng)，形成以MES系統(tǒng)為核心的數(shù)字化車間。

關(guān)鍵詞：MES;SCADA; PCS;數(shù)字化車間

中圖分類號：TP311. 52

文獻標識碼：A

文章編號：1672 - 9129（ 2018） 12 - 0104 - 03

引言：按照我國每年出生1600 -1800萬新生兒計算，IPV疫苗總需求量為8000 - 10000萬劑，由于疫苗供應(yīng)嚴重短缺，因此只能實施一劑IPV的序貫免疫計劃。目前國內(nèi)僅2家企業(yè)生產(chǎn)IPV，由于工藝問題，實際上市產(chǎn)量遠遠低于預(yù)期。急需通過數(shù)字化車間的建設(shè)，實現(xiàn)IPV工藝規(guī)程的精準操作，確保持續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)出符合預(yù)定用途和注冊要求的藥品，精準的偏差控制和審核放行，審計追蹤和族譜管理等功能的開發(fā)應(yīng)用，全面提升質(zhì)量管理效率和產(chǎn)品質(zhì)量;實現(xiàn)精益排產(chǎn)的功能，提升工作效率;滿足計算機化系統(tǒng)驗證和數(shù)據(jù)完整性要求，大幅降低GMP合規(guī)經(jīng)營的風險，客戶和監(jiān)管部門對產(chǎn)品質(zhì)量的認可度也必將得到大幅提升。

我司目前IPV疫苗年產(chǎn)量4000萬劑，生產(chǎn)任務(wù)繁重，現(xiàn)有的生產(chǎn)及管理模式對工藝穩(wěn)定性、質(zhì)量保證帶來了巨大壓力。特別是手工批記錄在2018年“疫苗造假事件”的影響下，已經(jīng)被各方面的監(jiān)管高度質(zhì)疑，實施數(shù)字化車間，特別是打通MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)時不我待。我司已實施基于公司級的ERP系統(tǒng)，立體庫WMS系統(tǒng)，實驗室LIMS系統(tǒng)，IPV部分工藝實現(xiàn)PCS系統(tǒng)，部分工藝單體自動控制，具備實施數(shù)字化車間的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計目標

實現(xiàn)IPV疫苗生產(chǎn)過程與信息系統(tǒng)的無縫對接，對各應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行集中存儲和分析，最終達到全面感知生產(chǎn)過程，對實現(xiàn)工藝流程的連續(xù)化提供準確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，業(yè)務(wù)提升，節(jié)約能源，提高產(chǎn)品質(zhì)量，精益生產(chǎn)的目標。使智能化IPV疫苗車間生產(chǎn)數(shù)字化車間真正落地。業(yè)務(wù)流程圖如下：

2 數(shù)字化車間整體框架設(shè)計

IPV疫苗數(shù)字化車間整體分為4個層級。ERP系統(tǒng)是公司級管理層，與車間級管理層MES系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)。MES系統(tǒng)與工藝過程控制系統(tǒng)PCS及工藝、公用工程監(jiān)視系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)。生產(chǎn)設(shè)備接入相應(yīng)的PCS或SCADA系統(tǒng)。同時把立體庫wms系統(tǒng)和實驗室LIMS系統(tǒng)的結(jié)果傳人ERP。系統(tǒng)框架圖如下：

3 MES系統(tǒng)功能設(shè)計

MES系統(tǒng)是優(yōu)化整個車間制造過程，不僅僅解決某個生產(chǎn)瓶頸。MES提供實時收集生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的功能，并作出相應(yīng)的分析和處理。MES需要與計劃層和控制層進行信息交互，通過企業(yè)的連續(xù)信息流來實現(xiàn)企業(yè)信息全集成[1]。

3.1 車間級倉儲管理。首先實現(xiàn)主要物料的條碼管理，然后逐步實施輔料部分。MES與SAP物流模塊、MRP模塊對接，車間從SAP系統(tǒng)請料，成品/半成品車間投放。主要包括：物料入車間庫管理，車間庫存管理，車架物料出庫管理，車間物料報廢管理，車間物料退庫管理。

3.2 物料投放管理。MES系統(tǒng)對投入IPV車間的物料批次、供應(yīng)商、效期、效價、抽樣、狀態(tài)等屬性嚴格管控。物料主數(shù)據(jù)由ERP系統(tǒng)管理，通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送MES系統(tǒng)，MES定義物料車間級的更為詳細的信息。主要包含基礎(chǔ)信息，批次庫存，稱量信息等等。MES支持全程的物料追蹤追溯和物料平衡計算。

3.3 IPV疫苗配方管理。IPV疫苗配方是對完成單位產(chǎn)出品所需原輔料的配比關(guān)系。主要包含：單位產(chǎn)出品定義，原輔料數(shù)量及單位數(shù)量，效價定義，填充料定義等。配方提供變更及驗證控制，需定義有效時間、處方狀態(tài)等。

3.4 IPV疫苗生產(chǎn)過程管理。

（1） IPV疫苗車間生產(chǎn)工單管理。工單是車間制造疫苗的核心，疫苗生產(chǎn)過程中的信息由工單系統(tǒng)的連接為一體，也是與其他信息系統(tǒng)集成的和信念。工單來自ERP系統(tǒng)生產(chǎn)模塊的生產(chǎn)指令，按預(yù)定格式導(dǎo)入MES系統(tǒng)。工單管理記錄IPV疫苗制造的全部過程狀態(tài)，對于任一子狀態(tài)，工作流程由信息系統(tǒng)和操作人員處理。

（2）物料稱重管理。支持多種稱量模式：手動，凈重，毛重，混合，計數(shù)，支持開包即用。IPV疫苗車間需購置電子天平，嚴格依據(jù)處方對物料的精確稱量和計算稱量。實現(xiàn)標準的提示性圖標和稱量流程，提供稱量和復(fù)核報告，從而提升了合規(guī)性。

（3）電子簽名和審計追蹤。ME系統(tǒng)S遵循FDA法規(guī)第21條第11部分電子記錄和電子簽名的要求。具備完全的審計追蹤功能。按照IPV工藝過程控制權(quán)限定義系統(tǒng)標準事件是否需要電子簽名以及電子簽名種類，操作員所有活動/操作被完全審計追蹤，包含單人簽名，雙人簽名等。

（4）IPV疫苗制造精準執(zhí)行。嚴格按照IPV生產(chǎn)工藝及對應(yīng)的SOP，應(yīng)用E - BATCH模塊，PCS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、手工輸入等方式執(zhí)行。建立顯示制造指導(dǎo)子系統(tǒng)，依據(jù)SOP在生產(chǎn)過程中規(guī)范操作員;實時完成數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)標記;實時控制在線檢測任務(wù);實時上報偏差;結(jié)合LIMS系統(tǒng)最終自動產(chǎn)生批記錄，整個過程實現(xiàn)透明化管理。包括菌毒種領(lǐng)用、細胞培養(yǎng)、單價收獲、純化、滅活、三價配液等所有工藝環(huán)節(jié)。

（5）電子批記錄審核。電子批記錄主要審查：偏差處理，族譜查看，審計追蹤這三個部分，稱量報告和電子批記錄批準放行IPV疫苗制造過程中所有和主批記錄不相符合的內(nèi)容都需要實時上報。電子批記錄完整反映IPV全部工藝流程所有控制數(shù)據(jù)，工藝流程及關(guān)鍵點過程參數(shù)如下圖：

（6） IPV制造過程在線質(zhì)量管理。MES系統(tǒng)按照取樣規(guī)則通過 LIMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口對原輔料倉庫待檢物料創(chuàng)建檢驗單，LIMS系統(tǒng)根據(jù)檢驗結(jié)果做出批次質(zhì)量判定，結(jié)果發(fā)送到ERP系統(tǒng)。應(yīng)用電子指導(dǎo)書把生產(chǎn)工藝規(guī)程定義到MES系統(tǒng)中，然后分解各個生產(chǎn)步驟，指導(dǎo)并控制自動化系統(tǒng)及操作人員嚴格按工藝規(guī)程生產(chǎn)。同時SCADA系統(tǒng)讀取過程和環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)送到MES系統(tǒng)，并根據(jù)判定標準給出批次質(zhì)量結(jié)果。另外，MES對半成品和成品創(chuàng)建檢驗單據(jù)給LIMS系統(tǒng)，LIMS按照檢驗結(jié)果完成質(zhì)量判定。

（7）IPV車間設(shè)備管理。MES對設(shè)備主要有生產(chǎn)相關(guān)的功能，設(shè)備的維護管理在另外模塊中實施。包括：設(shè)備移動及位置管理;設(shè)備的CIP/SIP狀態(tài)變化控制管理;稱量儀表的校驗狀態(tài)及效期管理;物料占用狀態(tài)及設(shè)備內(nèi)物料類別和數(shù)量管理;設(shè)備容量和相關(guān)屬性的管理。

4 IPV工藝過程及公用工程SCADA系統(tǒng)設(shè)計

生產(chǎn)工藝過程數(shù)據(jù)監(jiān)視SCADA系統(tǒng)的通過統(tǒng)一的接口軟件記錄生產(chǎn)緊密相關(guān)的控制系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備運行參數(shù)及其狀態(tài)、能源數(shù)據(jù)等。按照法律法規(guī)及管理人員的要求組合對應(yīng)的報表，并發(fā)送到MES系統(tǒng)用于生成電子批記錄。IPV車間主要工藝設(shè)備有：脈動真空滅菌柜、消毒鍋、干烤箱、百級凈化熱風循環(huán)風箱，配液罐，發(fā)酵罐，洗瓶機，都由SCADA系統(tǒng)收集、監(jiān)測、存儲數(shù)據(jù)。

SACADA客戶端瀏覽當前制藥設(shè)備及生產(chǎn)運行情況，通過表格和趨勢對生產(chǎn)過程比較、分析，用以指導(dǎo)生產(chǎn)，查找事故原因;實時瀏覽、打印、查看相應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表。

公用工程、純化水、蒸汽、供電系統(tǒng)，環(huán)境檢測EMS系統(tǒng)，普通空調(diào)、K級空調(diào)系統(tǒng)均由上位機或各自的SCADA系統(tǒng)直接集成到MES系統(tǒng)。

5 IPV工藝過程PCS系統(tǒng)設(shè)計

部分實現(xiàn)流程化的工藝需要保證系統(tǒng)的PCS系統(tǒng)與設(shè)備PLC系統(tǒng)的交互，實現(xiàn)流程的自動化控制。針對IPV項目的間歇式生產(chǎn)流程，應(yīng)用批量控制軟件E - Batch管理生產(chǎn)配方和參數(shù)。對于沒有接入PCS而接入SCADA系統(tǒng)的工藝設(shè)備，先收集運行數(shù)據(jù)，再根據(jù)大數(shù)據(jù)分析為變更流程提供數(shù)據(jù)支持，經(jīng)驗證合格后，再逐步接人PCS系統(tǒng)，IPV車間最核心的工藝設(shè)備藍式反應(yīng)器、純化設(shè)備在第一階段先接入PCS系統(tǒng)。

6 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

公司網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實現(xiàn)辦公網(wǎng)、工控網(wǎng)物理隔離，工控網(wǎng)只接人工藝設(shè)備、控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等。升級現(xiàn)有的核心層和匯聚層，由單核心星型網(wǎng)改為雙路熱備星型網(wǎng);重建車間接人層網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計為工業(yè)級SDH光纖雙環(huán)網(wǎng);MES、PCS、SCADA服務(wù)器采用DELL的超融合模式，為未來全公司MES系統(tǒng)上線和接人集團公司工業(yè)私有云奠定基礎(chǔ);制定網(wǎng)絡(luò)訪問規(guī)則級管理辦法，部署工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，跨網(wǎng)訪問的應(yīng)用。

7 實踐應(yīng)用

IPV數(shù)字化車間按照計劃逐步實施?，F(xiàn)階段已完成離散型工藝的SCADA平臺集成并正式投入使用，正在實施環(huán)境監(jiān)測EMS、水、電、蒸汽等系統(tǒng)接人SCADA;新建車間接入網(wǎng)絡(luò)，SCADA系統(tǒng)先在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運行，等工控環(huán)形網(wǎng)建好之后再切換;連續(xù)工藝的PCS系統(tǒng)，MES系統(tǒng)的工單管理、稱重管理、設(shè)備管理模塊已實施完成，處于模擬測試階段;其它MES模塊依據(jù)在集成系統(tǒng)中的定位，重視信息的準確及時、規(guī)范流程、利用工具、管理創(chuàng)新，根據(jù)MES成熟度模型對自身的執(zhí)行能力進行分析，按照信息集成、事務(wù)處理、制造智能三階段循序漸進地實施MES系統(tǒng)[2]。SCADA系統(tǒng)已實時上傳設(shè)備運行數(shù)據(jù)、報警信息，下圖是SCADA系統(tǒng)中CIP在線清洗模塊運行監(jiān)視畫面截圖。

8 結(jié)束語

通過已經(jīng)上線試運行的SCADA和PCS系統(tǒng)，實現(xiàn)了IPV生產(chǎn)全工藝流程的監(jiān)視和部分連續(xù)性流程的監(jiān)控。MES系統(tǒng)電子批記錄所需近80%數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動記錄，剩余數(shù)據(jù)需要MES系統(tǒng)整體整成后從其它模塊獲取，結(jié)合少量手工數(shù)據(jù)，形成完整的電子批記錄，更及時、準確的反映生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)。最終以MES系統(tǒng)為核心，向上支撐企業(yè)經(jīng)營管理，向下與生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)高度集成，將各自獨立的信息系統(tǒng)連接成為一個完整可靠和有效的整體，達到整個IPV疫苗生產(chǎn)車間數(shù)字化的目的。

參考文獻：

[1]盛步云蘇佳奇盧其兵丁毓峰肖婷.面向MES的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究.計算機測量與控制，2015（9）：2，3.

[2]饒運清李培根李淑霞朱傳軍張超勇金愿華張晴.制造執(zhí)行系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.機械科學與技術(shù)，2002（ 06）：3，5，6.