聶 晶劉景灝果 敢

（1.中國航空規(guī)劃建設發(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)信息化建設突飛猛進、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)和應用中最活躍、進展最快的領域，被公認為21世紀最有前途的產業(yè)之一。我國生物制藥行業(yè)在2000的年銷售增長率達到21.6%，預計每年能保持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，我國大多數企業(yè)由于生產管理不規(guī)范，導致產品質量不過關，無法與國外產品競爭。

制藥行業(yè)同其他現(xiàn)代化工業(yè)一樣，為確保生產的穩(wěn)定、優(yōu)質、高產、節(jié)能、低耗、環(huán)保，需要用自動化技術實現(xiàn)對生產過程的控制。因此，實現(xiàn)工廠生產過程自動化控制和規(guī)范化管理，擴大生產規(guī)模，提高產品質量，降低生產成本，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80年代后期，流程工業(yè)過程控制與生產管理發(fā)生了巨大變化，多學科間的相互滲透與結合，使過程控制與生產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)是應用計算機網絡技術、數據通信技術、應用軟件技術、多媒體技術和控制技術等，實現(xiàn)企業(yè)網絡化、系統(tǒng)化、智能化和信息化綜合管理和控制的系統(tǒng)，包括生產可視化、信息管理系統(tǒng)化、管理優(yōu)化、計劃優(yōu)化和調度、操作優(yōu)化和過程控制及智能優(yōu)化管理與決策的技術環(huán)境。

3 工廠綜合自動化系統(tǒng)在制藥企業(yè)中的應用

在以原料藥生產和成品藥生產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層網絡系統(tǒng)結構：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）。基于MES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層主要完成生產管理決策與生產計劃；MES層的主要功能是動態(tài)地進行生產調度、生產過程實時監(jiān)控和現(xiàn)場數據的分析；PCS層主要負責生產過程的自動控制與現(xiàn)場數據的采集與初步分析。整個網絡以工業(yè)以太網和PROFIBUS現(xiàn)場總線為重要組成部分，可完成工廠通訊、數據通訊和過程/現(xiàn)場自動化通訊等不同層次、不同性能的復雜聯(lián)網任務。車間全自動信息采集及控制系統(tǒng)的結構如圖2所示。

圖2 車間全自動信息采集及控制系統(tǒng)結構示意圖

各車間底層信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)使用了先進的工業(yè)控制技術和計算機技術，這些控制設備根據預先設計好的控制程序，將控制信號傳遞給生產設備控制器件完成控制動作，同時將采集的參數數據上傳給上位機，以供管理層查看并實現(xiàn)信息共享。

3.1 控制層（PCS）

生產車間的底層控制的子系統(tǒng)相當于一個控制單元，根據各自車間或實際需要通過工業(yè)以太網與各自車間的控制層主機構成二級分布式控制網絡系統(tǒng)。

3.1.1 控制層系統(tǒng)組成

現(xiàn)以某制藥產業(yè)基地為例，進行各控制子系統(tǒng)功能說明。該產業(yè)基地工程中控制層系統(tǒng)主要包括生產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 生產車間實時控制子系統(tǒng)

生產車間實時控制子系統(tǒng)的功能包括：

（1）工藝過程控制功能：根據工藝要求自動控制其作業(yè)流程、介質壓力、溫度、pH值和液位等。工藝流程中配液、油佐劑處理、投料、滅活、濃縮純化等工序實現(xiàn)了管道化和自動化。

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

（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的潔凈環(huán)境下活動，通過門禁控制，可使擁有不同權限和工作性質的工作人員只能活動在被允許的范圍之內。

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、計算機網絡通訊數據庫等。

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，可自動結算庫存的貨物種類和數量，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)包括全廠供汽設備即鍋爐控制，主要控制參數是爐膛溫度、壓力、冷卻水水位、鼓風、引風及送煤系統(tǒng)等，全廠供水供電設備的實時監(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、功率因素等參數監(jiān)測。

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

設備狀態(tài)監(jiān)視與管理子系統(tǒng)主要由現(xiàn)場的攝像系統(tǒng)構成。在工藝生產過程中，許多關鍵運行狀態(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)代化工廠的風采，加大了企業(yè)的宣傳力度。

以上生產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)顯示各生產車間的生產過程的工藝流程總圖、各工序設備運行狀態(tài)、質量和工藝參數報表、實時趨勢及歷史趨勢畫面、故障及越限報警，可以利用在線數據和數據庫中的數據可以計算出主要生產指標的完成情況，可以作為MES執(zhí)行層監(jiān)控、決策和動態(tài)調度的基礎。

不同級別的管理人員按照相應的權限，通過所在局域網絡系統(tǒng)或Internet實現(xiàn)遠程瀏覽，以便隨時掌握現(xiàn)場生產狀況，為各級領導準確決策提供必要的數據以指導生產。

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據采集接口支持各種DCS、PLC、SCADA系統(tǒng)，向上提供標準憑證，可與通用財務系統(tǒng)和OA系統(tǒng)集成。

3.2.1 執(zhí)行層系統(tǒng)網絡結構

MES系統(tǒng)主要由MES管理軟件、MES數據庫服務器、MES調度臺、車間作業(yè)信息顯示屏等構成，采用星形網絡拓撲結構。這種結構接線方式簡單，便于網絡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)生產管理人員進行過程監(jiān)控與管理、保證生產正常運行、控制產品質量和生產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、生產計劃與統(tǒng)計、生產調度綜合協(xié)調、管理生產作業(yè)過程、質量管理、設備管理、能源管理、生產物流管理、批量生產管理、進銷存管理等。

以某制藥產業(yè)基地項目為例，對于生產車間，可根據生產線人力和物力的資源信息對車間進行排產，安排相應的計劃。執(zhí)行層系統(tǒng)可以獲取控制層的有關控制參數值，以實現(xiàn)協(xié)調管理。

動力站可由生產計劃部門根據生產車間的生產任務所需的動力能源下達供應計劃。建立成品藥進入倉庫和生產所需原料進入倉庫的管理系統(tǒng)，隨時根據備料計劃執(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計劃和備料計劃提供決策依據。

總之，基于實現(xiàn)車間生產統(tǒng)計的網絡化，可自動編制生產進度、工時利用、產品實耗和質量統(tǒng)計等報表，并為產品生產成本的核算提供定量依據。根據控制層的實時監(jiān)控和反饋數據及作業(yè)計劃進度情況，提供直觀、靈活的產品生產動態(tài)跟蹤查詢，并可進行生產進度的預測，以實現(xiàn)實時的生產指揮調度。

3.3 計劃層（ERP）

3.3.1 計劃層系統(tǒng)的結構

計劃層系統(tǒng)的結構采用基于Web的C/S與B/S混合結構的多層分布式信息平臺。

面向上層經營計劃管理的ERP層主要采用C/S結構模式，只能由各功能模塊管理人員使用，包括數據的錄入、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。面向車間生產調度管理的MES層主要采用B/S結構模式，提供物料跟蹤，成品半成品的狀態(tài)、庫存、價格、項目用料以及調度的實時跟蹤等，這樣既方便領導和一般客戶的查詢，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：進行廠級的生產管理決策和績效指標考核；人力資源管理；財務、銷售管理；企業(yè)公共信息發(fā)布，電子商務服務管理；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；生產工藝規(guī)劃設計管理；接受客戶訂單，制定周/日生產計劃，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)生產經營計劃的可執(zhí)行性，可對生產車間數據信息進行自動采集和分析，可對整個車間的生產過程進行監(jiān)控，實現(xiàn)了產品質量的在線監(jiān)控，完成了生產計劃和動態(tài)生產的調度，從而縮短生產經營周期，減少物料浪費，降低成品及在制品的庫存，保證生產交貨期。

4 結語

綜上所述，目前針對生物制藥行業(yè)提出的以生產過程制造執(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)工廠自動化網絡與企業(yè)局域網之間的先進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、質量流、工作流和數據流全集成平臺系統(tǒng)和應用軟件工具集成，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)。

在此基礎上，逐步建立數據管理/企業(yè)資源管理（PDM/ERP）、供應鏈信息管理（SCM）、客戶關系管理（CRM）等技術的集成，用于提高企業(yè)的研發(fā)能力和管理水平，節(jié)約能源，提高產品質量，降低生產成本，提高售后服務質量，實現(xiàn)生物制藥行業(yè)企業(yè)的設計數字化、制造自動化、管理網絡化、資源集約化目標，實現(xiàn)信息化建設的跨越式發(fā)展。

［1］吳躍芳，朱菊紅，呂擁軍.DCS在發(fā)酵過程中的應用[J].化學工業(yè)與工程技術，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］.計算機與應用化學，2005（22）