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        制藥行業(yè)SCADA系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

        2018-10-17 01:46:56李隆浩張立臻
        機(jī)電信息 2018年29期
        關(guān)鍵詞:生產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)備

        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(guó)“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(diǎn),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(guó)制定了以工業(yè)化、信息化融合為主線的“中國(guó)制造2025”計(jì)劃”[3],以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由工業(yè)化、自動(dòng)化向信息化、智能化的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

        數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)系統(tǒng)主要用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制層和采集執(zhí)行層的現(xiàn)場(chǎng)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(guò)對(duì)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)設(shè)備和公用工程等生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。同時(shí),把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),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(shí)方便地獲取相關(guān)信息,為加強(qiáng)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(wèn)題

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

        (1)缺乏有效的工業(yè)環(huán)網(wǎng)支持,沒(méi)有對(duì)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成,不能監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),難以實(shí)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(guò)程參數(shù)數(shù)值的變化會(huì)對(duì)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(guò)程數(shù)據(jù)主要通過(guò)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(yàn)的方式,缺乏對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)管控,出現(xiàn)問(wèn)題不能及時(shí)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(duì)藥品生產(chǎn)車間設(shè)備運(yùn)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(shí)現(xiàn)可視、實(shí)時(shí)、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(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)原則

        2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

        (1)項(xiàng)目符合國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局的現(xiàn)行GMP[5]及其附錄《計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)》的要求;

        (2)項(xiàng)目實(shí)施遵循ISPEGAMP5指南,提供整套計(jì)算機(jī)化系統(tǒng)驗(yàn)證文檔;

        (3)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ);

        (4)可實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)機(jī)控制;

        (5)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警記錄和報(bào)警管理;

        (6)用戶可定制HMI人機(jī)界面;

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

        (8)整合與強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理;

        (9)具備完善的人員權(quán)限管理功能及審計(jì)追蹤功能;

        (10)可實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持及功能擴(kuò)展。

        2.2 設(shè)計(jì)原則

        (1)可靠性原則:保障生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行;

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

        (3)實(shí)用性原則:突出實(shí)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(xiàng)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(duì)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(kāi)發(fā)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)識(shí)別器、現(xiàn)場(chǎng)操作終端等實(shí)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(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的傳輸,并存儲(chǔ)于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)應(yīng)用軟件平臺(tái)集成的功能軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控報(bào)警、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)分析功能。通過(guò)SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)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(jì)

        大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)是一個(gè)針對(duì)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(jì)開(kāi)發(fā)),主要通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境數(shù)據(jù)等多項(xiàng)生產(chǎn)過(guò)程信息進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的簡(jiǎn)單控制以及生產(chǎn)過(guò)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(jì)

        SCADA系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

        SCADA系統(tǒng)采用局域網(wǎng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)人員訪問(wèn)SCADA系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)備層對(duì)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、報(bào)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(guò)掃描槍或者RFID識(shí)別器進(jìn)行采集并上傳至服務(wù)器,其他信息則通過(guò)PLC、傳感器、工控機(jī)等設(shè)備進(jìn)行采集。工控機(jī)除了收集生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、報(bào)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(guò)監(jiān)控大屏的SCADA客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)活動(dòng)的監(jiān)視,并根據(jù)需求對(duì)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(jì)如圖3所示。

        4.2 模塊設(shè)計(jì)

        4.2.1 監(jiān)控模塊

        實(shí)時(shí)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(gè)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(duì)車間灌裝機(jī)、滅菌柜、包裝機(jī)等設(shè)備進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè),適時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控;環(huán)境監(jiān)控模塊對(duì)車間當(dāng)前生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),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(guò)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫(huà)面展示、歷史數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)報(bào)警、人工報(bào)警四個(gè)子模塊。其中,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫(huà)面展示模塊可以快速訪問(wèn)生產(chǎn)設(shè)備和公用系統(tǒng)實(shí)時(shí)的參數(shù)運(yùn)行畫(huà)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(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù),以及歷史的數(shù)據(jù)報(bào)表和趨勢(shì);實(shí)時(shí)報(bào)警模塊可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前出現(xiàn)的報(bào)警信息,報(bào)警內(nèi)容包含日期、時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容描述、確認(rèn)情況等,報(bào)警方式可以通過(guò)顏色、閃爍等,根據(jù)報(bào)警的嚴(yán)重程度可劃分報(bào)警級(jí)別;人工報(bào)警模塊是指操作人員可借助各崗位操作平臺(tái)實(shí)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(bào)警提示。

        4.2.3 統(tǒng)計(jì)分析模塊

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

        圖3 SCADA系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

        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(tái)完成了大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。用戶通過(guò)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(yè),如圖4所示。用戶可以查看設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息、環(huán)境信息以及統(tǒng)計(jì)分析功能,同時(shí)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(huà)面,查看當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行情況,如圖5所示。

        當(dāng)前實(shí)時(shí)報(bào)警及歷史報(bào)警信息,如圖6所示。

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

        6 結(jié)語(yǔ)

        本文通過(guò)分析大輸液產(chǎn)品制造車間存在的問(wèn)題,結(jié)合大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)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(jì)了合適的硬件架構(gòu)方案及合理的軟件功能方案,實(shí)現(xiàn)了大輸液產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)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(shí),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(dòng)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(yè)

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

        圖6 大輸液產(chǎn)品制造車間SCADA系統(tǒng)報(bào)警畫(huà)面

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