王東鵬 陳乙鋒 白凌云 左冬 宋悅

摘要：面對(duì)不斷增長(zhǎng)的成本壓力、愈加嚴(yán)格的法規(guī)和安全指南以及日益多樣化的產(chǎn)品線(xiàn)，制藥企業(yè)正不斷尋找改進(jìn)生產(chǎn)工藝的方法。SIMATIC IT eBR為制藥行業(yè)提供了專(zhuān)用的MES解決方案，它實(shí)現(xiàn)了徹底的無(wú)紙化制造和完全電子化的批量記錄。SIMATIC IT eBR包括生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、SIMATIC PCS 7過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS）與SIMATIC Batch的HMI層之間的內(nèi)在集成。現(xiàn)就MES與DCS之間的數(shù)據(jù)交互方式、DCS和MES協(xié)同問(wèn)題的解決方案進(jìn)行梳理和研究。

關(guān)鍵詞：MES;DCS;數(shù)據(jù)交互;協(xié)同問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）01-0011-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.003

0? ? 引言

2015年，《中國(guó)制造2025》規(guī)劃出臺(tái)，劍指“工業(yè)4.0”，其中涉及醫(yī)藥行業(yè)的內(nèi)容成為指導(dǎo)我國(guó)醫(yī)藥行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的行動(dòng)目標(biāo)和綱領(lǐng)。醫(yī)藥工業(yè)在智能化技術(shù)趨勢(shì)的影響下，正在進(jìn)入全面轉(zhuǎn)型升級(jí)的階段。制藥工業(yè)的新紀(jì)元——無(wú)紙化生產(chǎn)即將成為新的標(biāo)準(zhǔn)。借助于西門(mén)子成熟的電子批記錄解決方案（SIMATIC IT eBR）[1]，可實(shí)現(xiàn)完全無(wú)紙化生產(chǎn)。本文針對(duì)SIMATIC IT eBR中的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、SIMATIC PCS 7過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS）[2]，展開(kāi)了對(duì)這兩套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互以及協(xié)同問(wèn)題解決方法的研究。

1? ? DCS與MES數(shù)據(jù)交互方式

1.1? ? MES與DCS通過(guò)OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互

此交互方式適用于MES系統(tǒng)需要讀取第三方設(shè)備數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，同時(shí)也適用于一些狀態(tài)的顯示，如設(shè)備的CIP清洗、SIP滅菌的時(shí)效。如圖1所示，當(dāng)MES系統(tǒng)需要讀取DCS系統(tǒng)某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)OPC訪(fǎng)問(wèn)DCS或WinCC的數(shù)據(jù)庫(kù)直接獲取DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù);當(dāng)MES系統(tǒng)需要下發(fā)某個(gè)數(shù)據(jù)給DCS系統(tǒng)時(shí)，也可通過(guò)OPC將數(shù)據(jù)寫(xiě)入DCS系統(tǒng)。當(dāng)MES需要多次讀取DCS數(shù)據(jù)，或需要判斷讀取數(shù)據(jù)的正確性時(shí)，經(jīng)常采用OPC讀取這種方式。比如在溫度調(diào)整過(guò)程中，MES系統(tǒng)需要多次獲取罐子溫度，直到罐溫滿(mǎn)足要求以后才記錄，這時(shí)就可以選擇OPC讀取這種方式。值得注意的是，在通過(guò)OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，需要明確DCS中OPC服務(wù)器的IP地址以及數(shù)據(jù)的變量名。當(dāng)OPC通信變量獲取出現(xiàn)異常時(shí)，需要查看EBROPC服務(wù)是否開(kāi)啟，若服務(wù)正常開(kāi)啟，則查看DCS中的OPC服務(wù)器是否異常，檢查設(shè)備是否打到仿真狀態(tài)，如打到仿真狀態(tài)，而OPC無(wú)法讀取到仿真值，則查看OPC配置點(diǎn)位是否正確（新增點(diǎn)位出現(xiàn)異常的可能性最大）。

MES直讀DCS或WinCC變量功能是通過(guò)腳本“YA_READ_MAXMIN”讀取一段時(shí)間內(nèi)單個(gè)DCS或WinCC點(diǎn)位的最大/最小值及相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，并且需要在DCS服務(wù)器上運(yùn)行“YAWinCC.EXE”插件。

“YA_READ_MAXMIN”腳本輸入/輸出參數(shù)說(shuō)明：

insTag：輸入WinCC點(diǎn)位;

intStart：輸入讀取時(shí)間段的開(kāi)始時(shí)間點(diǎn);

intEnd：輸入讀取時(shí)間段的結(jié)束時(shí)間點(diǎn);

oudMax：輸出讀取時(shí)間段內(nèi)的最大值;

oudMin：輸出讀取時(shí)間段內(nèi)的最小值;

oulResult：輸出運(yùn)行返回值[建議在PI中放出來(lái)，方便異常情況查看，正確的返回值為“0”，當(dāng)返回值為“1”時(shí)，讀出數(shù)值為空值，檢查配置的點(diǎn)位是否有錯(cuò)誤（非格式錯(cuò)誤）;當(dāng)返回值為“2”時(shí)，檢查DCS服務(wù)器是否有異常，服務(wù)器上“YAWinCC.EXE”插件是否啟用;當(dāng)返回值為“3”時(shí)，檢查配置點(diǎn)位格式是否有錯(cuò)誤];

outMaxTime：輸出最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn);

outMinTime：輸出最小值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

1.2? ? DCS與MES數(shù)據(jù)交互方式——Batch

SIMATIC Batch是一個(gè)模塊化和可升級(jí)的批處理平臺(tái)。Batch在執(zhí)行特定動(dòng)作時(shí)（如批處理訂單啟動(dòng)），MES與Batch可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。MES中的事件PI與Batch中相關(guān)的EPH或QCS綁定，當(dāng)該QCS觸發(fā)特定事件，如Start、Refresh、Completed或者Aborted時(shí)，MES就可通過(guò)事件PI與Batch進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖2所示。

2? ? DCS和MES協(xié)同問(wèn)題的解決

兩個(gè)系統(tǒng)在配合運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)協(xié)同問(wèn)題在所難免。DCS和MES的協(xié)同問(wèn)題主要體現(xiàn)在：

（1）參數(shù)匹配，其中包括Batch的設(shè)定值中是否包含了MES需要下發(fā)的設(shè)定值、MES與Batch的參數(shù)是否在配方啟動(dòng)時(shí)直接傳送、MES與Batch的參數(shù)是否來(lái)自于計(jì)算值、MES與Batch的參數(shù)是否來(lái)自于不同步驟的計(jì)算值;

（2）流程匹配，包括時(shí)序的匹配（具體ROP的激活時(shí)序）、MES中的人工確認(rèn)（采樣、手動(dòng)加料、放行等）、MES與Batch的配合（pH調(diào)節(jié)的次數(shù);與第三方設(shè)備的交互，雖然和Batch沒(méi)有控制上的關(guān)系，但MES需要數(shù)據(jù)，還是需要在Batch上進(jìn)行考慮）;

（3）Master Recipe的影響，例如同一個(gè)Unit的不同操作是否是在同一個(gè)配方中（如緩沖液的配制和出料功能）。

針對(duì)這一系列的協(xié)同問(wèn)題，借助于本公司部分生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計(jì)思路（部分流程進(jìn)行了模糊化處理或替代），于下文中給出了一定的解決方案。

2.1? ? 參數(shù)匹配問(wèn)題

2.1.1? ? Batch的設(shè)定值中是否包含了MES需要下發(fā)的設(shè)定值

針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題的解決，需要MES提供與Batch的接口數(shù)據(jù)表，進(jìn)行Batch配方編輯的人員在拿到這個(gè)數(shù)據(jù)表之后，需要考慮EM的設(shè)定值的創(chuàng)建，具體可以參考MES與Batch的接口數(shù)據(jù)表和協(xié)同工作的流程。

2.1.2? ? MES與Batch的參數(shù)是否在配方啟動(dòng)時(shí)直接傳送

設(shè)定值參數(shù)在Batch訂單中運(yùn)行時(shí)如為固定值，一般該參數(shù)需要上傳到表頭，由MES在啟動(dòng)Batch訂單時(shí)更新表頭參數(shù)。例如在某一生產(chǎn)流程中的溫度控制階段，反應(yīng)罐的溫度設(shè)定值是一個(gè)固定參數(shù)，需要上傳到表頭，具體如圖3所示。

2.1.3? ? MES與Batch的參數(shù)是否來(lái)自于計(jì)算值

當(dāng)某個(gè)QCS觸發(fā)了特定的PI事件，然后計(jì)算的值寫(xiě)入相同的QCS時(shí)，這種寫(xiě)值方式不受Batch流程架構(gòu)影響。如圖4所示，如果想要將MES在進(jìn)生理鹽水階段計(jì)算出的生理鹽水加料量寫(xiě)入到本階段的進(jìn)生理鹽水設(shè)定值中，這時(shí)在DCS的順控中就需要考慮MES的計(jì)算是否已經(jīng)完成，或者是否可以應(yīng)用當(dāng)前的數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)行進(jìn)料程序。

如下幾個(gè)步驟需要在SFC中考慮：

步驟1，在EPH中創(chuàng)建一個(gè)交互設(shè)定值參數(shù)MES_

Unblock（數(shù)據(jù)類(lèi)型為Bool型），其主要的目的是讓MES通過(guò)這個(gè)參數(shù)告訴DCS相關(guān)運(yùn)算已經(jīng)完成;

步驟2，在SFC的Starting中，需要復(fù)位這個(gè)交互設(shè)定值參數(shù)，確保程序運(yùn)行前MES_Unblock值為假;

步驟3，在SFC的Run中，“等待MES操作”這一步置位REFRESH信號(hào)（置位此信號(hào)的主要目的是在SFC運(yùn)行的過(guò)程中還能實(shí)時(shí)接收來(lái)自于MES的設(shè)定值即MES_Unblock的信號(hào)），同時(shí)在“MES操作完成”中設(shè)置檢查MES_Unblock信號(hào)是否被MES置位這一條件，若MES_Unblock信號(hào)為真，則表示MES計(jì)算已經(jīng)完成，可以開(kāi)始執(zhí)行該程序;

步驟4，在SFC的QCS的Completing、Aborting與Stopping中復(fù)位MES_Unblock和REFRESH信號(hào);

步驟5，在配方中該設(shè)定值參數(shù)不能有源，且必須可更改并立即生效，如加生理鹽水階段的加料量設(shè)定值需要MES計(jì)算后寫(xiě)入。

Batch中正確組態(tài)如圖5所示。

2.1.4? ? MES與Batch的參數(shù)是否來(lái)自于不同步驟的計(jì)算值

MES的數(shù)據(jù)通過(guò)EM或者QCS寫(xiě)入。當(dāng)某個(gè)QCS觸發(fā)了一個(gè)PI事件，然后計(jì)算的值寫(xiě)入相同的QCS，接著在Batch底層通過(guò)將MES寫(xiě)入的參數(shù)作為目標(biāo)參數(shù)上傳，再在另一步驟中將上傳的參數(shù)作為源引用。這種方式寫(xiě)值不需要有確定的Batch架構(gòu)。如圖6所示，如果需要將MES在緩沖液進(jìn)料階段計(jì)算出來(lái)的緩沖液的加料量寫(xiě)入緩沖液加料階段的設(shè)定值中，只需在緩沖液進(jìn)料階段的屬性參數(shù)配置中找到緩沖液加料量（PH_WI_SP），為其設(shè)置上傳目標(biāo)參數(shù)（PH_ADD_SP），并在緩沖液加料階段的屬性參數(shù)配置中找到緩沖液加料設(shè)定值（WI_SP），將目標(biāo)參數(shù)（PH_ADD_SP）作為源引用。

2.2? ? 流程匹配問(wèn)題

2.2.1? ? 時(shí)序的匹配（具體ROP的激活時(shí)序）

在很多MES管理的項(xiàng)目中，罐子的CIP清洗是單獨(dú)的訂單，與主流程平行進(jìn)行，所以主流程在占用該罐子之前，需要事先確認(rèn)罐子是否干凈可用。以圖7所示工藝流程為例：PI301在完成制作工序1之后，可以進(jìn)行PI303的制作工序2。在沒(méi)有MES協(xié)調(diào)的情況下，按照?qǐng)D中方式進(jìn)行組態(tài)，在PI301完成工序1后，PI303便被主流程訂單占用。如果此時(shí)PI303為不清潔狀態(tài)，調(diào)用PI303的CIP清洗訂單則無(wú)法啟動(dòng)。要解決此類(lèi)問(wèn)題，只需在PI301完成制作工序1后，增加一條下游設(shè)備PI303確認(rèn)功能，通知MES進(jìn)行設(shè)備檢查確認(rèn)，同時(shí)將PI303的組態(tài)動(dòng)態(tài)單元設(shè)置為條件啟動(dòng)，條件為MES已經(jīng)確認(rèn)設(shè)備（MES將設(shè)備確認(rèn)參數(shù)DevCheck通過(guò)OPC傳遞到DCS，DCS再將其組態(tài)為單元參數(shù)），如圖8、圖9所示。

若設(shè)備已經(jīng)為清潔狀態(tài)，MES確認(rèn)設(shè)備并且下發(fā)參數(shù)通知DCS，DCS主流程啟動(dòng)PI303;若設(shè)備為不清潔狀態(tài)，則MES啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的清洗訂單，待設(shè)備清洗完成后，MES確認(rèn)該設(shè)備并通知DCS，DCS主流程啟動(dòng)PI303。

2.2.2? ? MES中的人工確認(rèn)（采樣、手動(dòng)加料、放行等）

在一些緩沖液的配制過(guò)程中，需要進(jìn)行手動(dòng)加料。此時(shí)，Batch流程通過(guò)特定的EM或QCS觸發(fā)MES進(jìn)行手動(dòng)加料，完成后通知Batch繼續(xù)生產(chǎn)小結(jié)流程。如圖10所示，PI100在進(jìn)行完工序1后需要手動(dòng)進(jìn)行加料，若沒(méi)有MES的干預(yù)，在手動(dòng)加料過(guò)程中訂單將繼續(xù)往下執(zhí)行生產(chǎn)小結(jié)，為避免這種情況，在工序1完成后增加手動(dòng)投料這一過(guò)程，并通過(guò)MES確認(rèn)已經(jīng)添加完成，訂單繼續(xù)向下執(zhí)行。

2.2.3? ? MES與Batch的配合（如多次調(diào)整進(jìn)料）

很多情況需要MES和Batch配合，MES下發(fā)加料量給Batch，Batch自動(dòng)加料完成后通知MES檢測(cè)再調(diào)整。如乙醇配制階段，在預(yù)加一定量的水和乙醇后，需要檢測(cè)乙醇濃度進(jìn)行再次調(diào)節(jié)，直到合格后進(jìn)行后續(xù)步驟。此時(shí)需要MES和Batch配合完成，如圖11所示。

2.3? ? 同一個(gè)Unit的不同操作不在一個(gè)訂單中，需要MES進(jìn)行協(xié)調(diào)解決

如緩沖液的配制和出料操作不在一個(gè)訂單中，如果沒(méi)有MES協(xié)調(diào)，在Buffer配制之后和出料之前有一定的空檔期，可能存在安全隱患等，如圖12所示。此時(shí)只需在配制訂單結(jié)束前增加一步用于等待MES確認(rèn)，在MES準(zhǔn)備啟動(dòng)出料訂單前，才停止配制訂單，保證流程的延續(xù)性和安全性，如圖13所示。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文就MES與DCS數(shù)據(jù)交互方式展開(kāi)了研究，為實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)交互問(wèn)題的及時(shí)解決提供了有力保障，提高了自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)的生產(chǎn)效率。

另外，本文基于本公司實(shí)際生產(chǎn)部分流程對(duì)MES與DCS的一些協(xié)調(diào)問(wèn)題給出了一定的解決方案，可供相關(guān)從業(yè)人員參考學(xué)習(xí)、共同進(jìn)步。

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[2] 利昂·烏爾巴斯，安尼特·克勞澤，延斯·齊格勒.過(guò)程控制系統(tǒng)工程[M].朱振華，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

收稿日期：2021-09-17

作者簡(jiǎn)介：王東鵬（1981—），男，山東鄆城人，工程師，從事工程項(xiàng)目管理及自控調(diào)試工作。

陳乙鋒（1998—），男，四川資陽(yáng)人，技術(shù)員，從事自控信息系統(tǒng)維護(hù)工作。

白凌云（1976—），男，湖北武漢人，工程師，從事自控信息化項(xiàng)目工作。