藥品制劑生產(chǎn)智能工廠建設(shè)方案探討

文/林志展

制藥企業(yè)希望通過智能生產(chǎn)裝備、數(shù)字化物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息化管控系統(tǒng)等建立起智能化的制劑生產(chǎn)工廠——因此，近年來中藥及原料藥生產(chǎn)企業(yè)在新建或改造原有制劑車間等方面大幅增加投入。但由于每家企業(yè)的數(shù)字化基礎(chǔ)不同、實(shí)施人員技術(shù)水平不同、投入力度不同，造成實(shí)際的實(shí)施效果良莠不齊，難以滿足智能工廠設(shè)計要求。針對制藥企業(yè)的這一痛點(diǎn)，本文進(jìn)行了探討，并給出了一種切實(shí)可行的解決方案。

通過對數(shù)十個已實(shí)施項目的經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)，筆者在本文設(shè)計、歸納、總結(jié)出了一套相對完整、可控、實(shí)用、有效的制劑生產(chǎn)車間生產(chǎn)信息化管理整體解決方案。該方案旨在實(shí)現(xiàn)制劑生產(chǎn)全流程的自動化、數(shù)字化、智能化管理控制，實(shí)現(xiàn)藥品生產(chǎn)全流程的可追溯、電子化指導(dǎo)生產(chǎn)等現(xiàn)化代數(shù)字制藥過程，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化與信息化的“兩化融合”，從而使生產(chǎn)過程得到全面規(guī)范化的管控，實(shí)現(xiàn)真正合規(guī)、高效、智能的藥品制劑生產(chǎn)信息化。

方案設(shè)計原則

安全性：采用安全等級保護(hù)2.0體系規(guī)范，設(shè)計生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)信息化管理網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、辦公管理網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行物理隔離，并安裝通信網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)網(wǎng)閘、安全審計單元、防火墻等裝置；采用分區(qū)域分等級用戶權(quán)限驗證，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，確保數(shù)據(jù)安全性。

可靠性：系統(tǒng)設(shè)計既要采用先進(jìn)技術(shù)和系統(tǒng)工程方法，使之具備思維的合理性、技術(shù)的可行性、方法的正確性，還要確保使用過程中系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)故障對實(shí)際生產(chǎn)的影響。

規(guī)范性：遵照制藥行業(yè)的法律法規(guī)，參照cGMP（動態(tài)藥品生產(chǎn)管理規(guī)范）實(shí)施指南，要求生產(chǎn)過程與藥品質(zhì)量管理的規(guī)范進(jìn)行緊密結(jié)合。同時充分考慮驗證需求，確保系統(tǒng)設(shè)計符合cGMP 計算機(jī)系統(tǒng)驗證規(guī)范，提供系統(tǒng)設(shè)計、IQ（安裝確認(rèn)）、OQ（運(yùn)行確認(rèn)）、PQ（性能確認(rèn)）等相關(guān)資料。

經(jīng)濟(jì)實(shí)用性：智能化建設(shè)方案需本著節(jié)約成本、提高效率以及降低能耗的原則，減少不必要的硬件和軟件的使用，在合理的經(jīng)濟(jì)投入前提下完成建設(shè)。

系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

生產(chǎn)裝備數(shù)據(jù)集成：全面采用先進(jìn)工藝及智能裝備，確保工藝布局合理，智能裝備應(yīng)全面具備聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集功能，關(guān)鍵重要裝備還應(yīng)具備遠(yuǎn)程控制和運(yùn)維功能。

自動倉儲物流管控：建立原輔料、半成品、成品、包材倉儲和物流管控系統(tǒng)，通過生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)計劃實(shí)時拉動物料的精準(zhǔn)配送，采用智能AGV（自動導(dǎo)引運(yùn)輸車）、自動傳送裝置，實(shí)現(xiàn)倉儲和配送的可視化管理，應(yīng)用智能裝備實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵件的倉儲和配送。

智能綜合管控：將MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）作為管控核心，以生產(chǎn)計劃與執(zhí)行為主線，基于統(tǒng)一平臺，實(shí)現(xiàn)計劃、執(zhí)行、現(xiàn)場、物流、質(zhì)量、設(shè)備、資源的集中管控。

全產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量追溯管控：在原料基地、藥材前處理、生產(chǎn)加工、物流運(yùn)輸和最終使用端廣泛采用條形碼、二維碼電子標(biāo)簽等識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對物料、半成品、成品流動的追蹤與追溯。

系統(tǒng)建設(shè)方案

超融合機(jī)房與數(shù)字監(jiān)控中心

數(shù)據(jù)中心資源采用云計算技術(shù)，通過超融合一體機(jī)組成統(tǒng)一資源池，構(gòu)建超融合架構(gòu)云數(shù)據(jù)中心資源池，為企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)及信息化管控系統(tǒng)提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源，提高企業(yè)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性管理以及可靠性維護(hù)管理，如圖1 所示。構(gòu)建新型數(shù)據(jù)中心，并整合現(xiàn)有的資源，建立基于資源池層的基礎(chǔ)軟件、硬件資源池，并進(jìn)行動態(tài)調(diào)度、自動管控和共享使用，為各類業(yè)務(wù)應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)化、可定制化的運(yùn)行環(huán)境，提高整體運(yùn)營效率和IT 設(shè)施的可靠性、安全性，并有效降低運(yùn)營成本，促進(jìn)智慧應(yīng)用建設(shè)的跨越式發(fā)展。

圖1 應(yīng)用超融合軟硬件技術(shù)建設(shè)藥品制劑智能工廠數(shù)據(jù)中心（注：VM 與CVM 為控制虛擬機(jī)，EXSi、KVM、Hyper-V 為虛擬機(jī)監(jiān)控程序）

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)安全

采用冗余光纖網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)信息化管理網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、辦公管理網(wǎng)絡(luò)。整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成可分為核心層、匯聚層、接入層交換機(jī)部署，辦公和視頻局域網(wǎng)絡(luò)。在綜合樓設(shè)置信息中心機(jī)房，在網(wǎng)絡(luò)機(jī)房為中心設(shè)置核心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)一級數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)形式采用星型結(jié)構(gòu)形式。

采用等級保護(hù)2.0 規(guī)范設(shè)計網(wǎng)絡(luò)安全方案，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全方案、網(wǎng)絡(luò)安全審計方案、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備防護(hù)方案、網(wǎng)絡(luò)可信接入方案等，通過軟件、硬件結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)安全方案建設(shè)安全的網(wǎng)絡(luò)體系。

SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）

SCADA 系統(tǒng)是一套通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)區(qū)域、公共區(qū)域等設(shè)備設(shè)施聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，它是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)、運(yùn)行、工藝數(shù)據(jù)的采集與存儲，利用2D 和3D 可視化技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程圖表展示、工藝流程展示、趨勢與分析、報警管理與分析等功能的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；它打通了生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施級數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)控與管理。

SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，底層為車間各單機(jī)設(shè)備，單機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)需進(jìn)行改造或增加通信模塊，通過以太網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)支持多種協(xié)議通信，同時支持接口開發(fā)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)設(shè)備的集成。各網(wǎng)關(guān)通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)處理、腳本編輯等工作在工程師站完成后下載到服務(wù)器，服務(wù)器上的數(shù)據(jù)可通過終端網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到各系統(tǒng)終端，如監(jiān)控客戶端、大屏幕、遠(yuǎn)程終端等。

圖2 采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)藥品制劑生產(chǎn)智能工廠系統(tǒng)集成

系統(tǒng)具有50 000 點(diǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，可采集濕法制粒機(jī)、流化床、整粒機(jī)、總混機(jī)、壓片機(jī)、膠囊填充機(jī)、包衣機(jī)、塑瓶包裝線、鋁塑包裝線、BMS（建筑設(shè)備管理系統(tǒng)）、EMS（環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)）、WMS（倉庫管理系統(tǒng)）等相關(guān)系統(tǒng)關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

AGV與WMS系統(tǒng)

采用AGV 實(shí)現(xiàn)原材料、半成品、成品與包材倉庫及生產(chǎn)車間的物流傳輸，采用WMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)倉儲物流管理體系建立。AGV 調(diào)度控制系統(tǒng)通過計算機(jī)進(jìn)行集中調(diào)度、監(jiān)控、管理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。還可配備相應(yīng)的通信模塊，與工作區(qū)域內(nèi)卷簾門、電梯實(shí)現(xiàn)對接通信和聯(lián)動、開關(guān)控制。在MES 的配合控制下，可實(shí)現(xiàn)托盤存放位置的自動擺放和移動，實(shí)現(xiàn)托盤暫存管理。而且調(diào)度系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)對接功能，能夠?qū)覯ES系統(tǒng)、與之相關(guān)的工藝設(shè)備的控制系統(tǒng)及SCADA 系統(tǒng)、ERP（企業(yè)資源計劃）系統(tǒng)等。能夠處理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的任務(wù)，包括搬運(yùn)任務(wù)的執(zhí)行、充電任務(wù)的執(zhí)行、任務(wù)的啟動取消和變更等，并對任務(wù)執(zhí)行的信息進(jìn)行記錄和統(tǒng)計。

MES（用于制劑的生產(chǎn)與執(zhí)行系統(tǒng)）

通過制藥專用的MES，按照符合GMP（藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范）規(guī)范要求的SOP（標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序）對生產(chǎn)流程進(jìn)行管控，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)訂單、物料管控、生產(chǎn)執(zhí)行、質(zhì)量管理、電子簽名、追溯分析等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的全方面管理。

物料管理模塊通過打印和掃描條碼標(biāo)簽的形式記錄和讀取關(guān)聯(lián)信息，實(shí)現(xiàn)物料、中間體、成品的綜合管控。配方管理模塊的功能包括生產(chǎn)工藝規(guī)程定義，以及對生產(chǎn)過程中每個工序需要的各種原輔料、內(nèi)外包材、中間體、成品的基本信息，設(shè)備和人員信息等進(jìn)行配置和建模，并可隨著公司SOP 的更新，自動更新處方、工藝操作流程、文件內(nèi)容格式。工單管理審核模塊則通過為處方和生產(chǎn)任務(wù)創(chuàng)建工單，生成具體的生產(chǎn)步驟；其功能具體包括控制房間、工序、物料、工藝、設(shè)備等，對生產(chǎn)執(zhí)行過程進(jìn)行控制，追蹤生產(chǎn)物料批次。生產(chǎn)計劃管理模塊從ERP 獲取月度計劃后，便會選擇生產(chǎn)線，并依據(jù)生產(chǎn)線配置數(shù)據(jù)進(jìn)行自動排產(chǎn)，同時支持人工調(diào)整生產(chǎn)日期。生產(chǎn)排程定下后，系統(tǒng)會自動生成批生產(chǎn)指令，下發(fā)給各生產(chǎn)崗位執(zhí)行；稱量管理模塊會再根據(jù)配方進(jìn)行稱量并復(fù)核稱量誤差，在每次稱量完成后自動打印標(biāo)簽，并判斷是否完成所有稱量任務(wù)。系統(tǒng)可以在確保批生產(chǎn)正常進(jìn)行的同時，同步記錄數(shù)據(jù)，最終所有生產(chǎn)要求的信息將以電子記錄呈現(xiàn)給生產(chǎn)人員。質(zhì)量管理模塊實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量控制與偏差管理，在出現(xiàn)偏差、自檢、外審等相關(guān)問題后，系統(tǒng)可輸入相關(guān)內(nèi)容執(zhí)行CAPA（糾正和預(yù)防措施）流程；電子數(shù)據(jù)可以采用電子簽名的方式，電子簽名遵循相應(yīng)法律法規(guī)的要求，對所有電子批記錄實(shí)現(xiàn)電子簽名管理，可進(jìn)行質(zhì)量管理和電子追溯。

系統(tǒng)應(yīng)用效果

藥品制劑生產(chǎn)車間智能工廠建設(shè)方案遵照規(guī)范性、成熟性、可靠性、經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性以及模塊化、開放性和安全性的原則，實(shí)現(xiàn)了車間內(nèi)部與外部信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)集成，保證了藥品制劑生產(chǎn)過程得到科學(xué)、有效的監(jiān)測和控制，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化、數(shù)字化和智能化，現(xiàn)已經(jīng)過多個項目的實(shí)施驗證，實(shí)施效果良好，有望在制藥行業(yè)進(jìn)一步普及推廣應(yīng)用。