聶 晶劉景灝果 敢

（1.中國航空規(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)、勢在必行

生物制藥行業(yè)是朝陽行業(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。我國生物制藥行業(yè)在2000的年銷售增長率達(dá)到21.6%，預(yù)計每年能保持20%～25%的年增長速度，但是面臨國外生物制品對我國市場的沖擊，我國大多數(shù)企業(yè)由于生產(chǎn)管理不規(guī)范，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，無法與國外產(chǎn)品競爭。

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，需要用自動化技術(shù)實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。因此，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)過程自動化控制和規(guī)范化管理，擴大生產(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)亟需解決的問題。

2 綜合自動化系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代后期，流程工業(yè)過程控制與生產(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)綜合自動化的發(fā)展新模式。

綜合自動化系統(tǒng)是應(yīng)用計算機網(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、計劃優(yōu)化和調(diào)度、操作優(yōu)化和過程控制及智能優(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)資源計劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、過程控制系統(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)計劃；MES層的主要功能是動態(tài)地進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)過程實時監(jiān)控和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析；PCS層主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程的自動控制與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與初步分析。整個網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS現(xiàn)場總線為重要組成部分，可完成工廠通訊、數(shù)據(jù)通訊和過程/現(xiàn)場自動化通訊等不同層次、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)和計算機技術(shù)，這些控制設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的控制程序，將控制信號傳遞給生產(chǎn)設(shè)備控制器件完成控制動作，同時將采集的參數(shù)數(shù)據(jù)上傳給上位機，以供管理層查看并實現(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)于一個控制單元，根據(jù)各自車間或?qū)嶋H需要通過工業(yè)以太網(wǎng)與各自車間的控制層主機構(gòu)成二級分布式控制網(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)車間實時控制子系統(tǒng)、自動化立體倉庫子系統(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)車間實時控制子系統(tǒng)

生產(chǎn)車間實時控制子系統(tǒng)的功能包括：

（1）工藝過程控制功能：根據(jù)工藝要求自動控制其作業(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，通過門禁控制，可使擁有不同權(quán)限和工作性質(zhì)的工作人員只能活動在被允許的范圍之內(nèi)。

3.1.2.2 自動化立體倉庫子系統(tǒng)

自動化立體倉庫子系統(tǒng)主要由機械和控制2部分構(gòu)成：機械部分包括貨架、輸送部分和碼垛部分等,控制部分包括傳感器、條碼閱讀器、計算機網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)庫等。

采用計算機控制和現(xiàn)代自動化機械，使出入庫的效率和效益大幅度提高，可自動結(jié)算庫存的貨物種類和數(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)備的實時監(jiān)測主要是對水壓、水流量、氣壓、氣流量、電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素等參數(shù)監(jiān)測。

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)場的攝像系統(tǒng)構(gòu)成。在工藝生產(chǎn)過程中，許多關(guān)鍵運行狀態(tài)必須實時跟蹤監(jiān)控。為了確保無人管理的有效性，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，可在圖形監(jiān)視器上完整、直觀地動態(tài)顯示各生產(chǎn)車間的生產(chǎn)過程的工藝流程總圖、各工序設(shè)備運行狀態(tài)、質(zhì)量和工藝參數(shù)報表、實時趨勢及歷史趨勢畫面、故障及越限報警，可以利用在線數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以計算出主要生產(chǎn)指標(biāo)的完成情況，可以作為MES執(zhí)行層監(jiān)控、決策和動態(tài)調(diào)度的基礎(chǔ)。

不同級別的管理人員按照相應(yīng)的權(quán)限，通過所在局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或Internet實現(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽，以便隨時掌握現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，為各級領(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)向下具有豐富的實時數(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)庫服務(wù)器、MES調(diào)度臺、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)接線方式簡單，便于網(wǎng)絡(luò)維護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)行過程監(jiān)控與管理、保證生產(chǎn)正常運行、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：實時信息監(jiān)控、生產(chǎn)計劃與統(tǒng)計、生產(chǎn)調(diào)度綜合協(xié)調(diào)、管理生產(chǎn)作業(yè)過程、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)基地項目為例，對于生產(chǎn)車間，可根據(jù)生產(chǎn)線人力和物力的資源信息對車間進(jìn)行排產(chǎn)，安排相應(yīng)的計劃。執(zhí)行層系統(tǒng)可以獲取控制層的有關(guān)控制參數(shù)值，以實現(xiàn)協(xié)調(diào)管理。

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

總之，基于實現(xiàn)車間生產(chǎn)統(tǒng)計的網(wǎng)絡(luò)化，可自動編制生產(chǎn)進(jìn)度、工時利用、產(chǎn)品實耗和質(zhì)量統(tǒng)計等報表，并為產(chǎn)品生產(chǎn)成本的核算提供定量依據(jù)。根據(jù)控制層的實時監(jiān)控和反饋數(shù)據(jù)及作業(yè)計劃進(jìn)度情況，提供直觀、靈活的產(chǎn)品生產(chǎn)動態(tài)跟蹤查詢，并可進(jìn)行生產(chǎn)進(jìn)度的預(yù)測，以實現(xiàn)實時的生產(chǎn)指揮調(diào)度。

3.3 計劃層（ERP）

3.3.1 計劃層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

計劃層系統(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。

面向上層經(jīng)營計劃管理的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)、庫存、價格、項目用料以及調(diào)度的實時跟蹤等，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 計劃層系統(tǒng)的功能

計劃層系統(tǒng)的功能主要包括：進(jìn)行廠級的生產(chǎn)管理決策和績效指標(biāo)考核；人力資源管理；財務(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、原料的庫存管理、為車間級管理提供物料信息支持、工廠維護；生產(chǎn)工藝規(guī)劃設(shè)計管理；接受客戶訂單，制定周/日生產(chǎn)計劃，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)，加強了大中型制藥企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營計劃的可執(zhí)行性，可對生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動采集和分析，可對整個車間的生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的在線監(jiān)控，完成了生產(chǎn)計劃和動態(tài)生產(chǎn)的調(diào)度，從而縮短生產(chǎn)經(jīng)營周期，減少物料浪費，降低成品及在制品的庫存，保證生產(chǎn)交貨期。

4 結(jié)語

綜上所述，目前針對生物制藥行業(yè)提出的以生產(chǎn)過程制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為核心的綜合自動化系統(tǒng)解決方案，在MES層面的基礎(chǔ)上，探索以過程控制層（PCS）、企業(yè)管理層為基本框架的工廠自動化解決方案，研究企業(yè)工廠自動化網(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)流全集成平臺系統(tǒng)和應(yīng)用軟件工具集成，形成了適合中國國情的生物制藥行業(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，實現(xiàn)生物制藥行業(yè)企業(yè)的設(shè)計數(shù)字化、制造自動化、管理網(wǎng)絡(luò)化、資源集約化目標(biāo)，實現(xiàn)信息化建設(shè)的跨越式發(fā)展。

［1］吳躍芳，朱菊紅，呂擁軍.DCS在發(fā)酵過程中的應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2002，23（3）

［2］熊茂華，喻宏慶.基于MES的大中型制藥企業(yè)智能ERP信息系統(tǒng)的研究［J］.計算機與現(xiàn)代化，2006（8）

［3］龍文，李祥全，吳義生，王寧生.藥業(yè)ERP系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.計算機與應(yīng)用化學(xué)，2005（22）