基于貝加萊解決方案的制藥廠管控一體化系統的實現

左蘇平

(貝加萊工業自動化(中國)有限公司，上海　200233)

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基于貝加萊解決方案的制藥廠管控一體化系統的實現

左蘇平

(貝加萊工業自動化(中國)有限公司，上海200233)

“中國制造2025”戰略的核心內容是實現智能制造，而實現智慧工廠的基礎則是包含自動化和信息化的工廠管控一體化。以某制藥廠為例，闡述了工廠管控一體化系統的實現過程。介紹了該制藥廠改造升級的背景，分析了數據采集系統改造的需求和實施難點，重點描述了基于貝加萊解決方案的管控一體化系統的架構、組成、特點、數據通信方式及其所使用的各類信息平臺。通過數據通信和信息融合，將多家廠商的低層子系統整合到了貝加萊的APROL一體化軟件開發平臺中，并構建了MES 和ERP 系統。該系統自投入運行一年多以來，顯著提高了生產和維護效率，解決了制藥行業中因多系統孤立、信息離散而導致的制造環節脫節和資源浪費、效率低下等問題。

制藥廠智慧工廠自動化信息化管控一體化數據采集智能制造通信APROLEthernet POWERLINK

Intelligent manufactureCommunicationAPROLEthernet POWERLINK

0　引言

德國倡導的“工業4.0”是當前各行各業的熱議話題。與此同時，我國也提出了“中國制造2025”戰略，旨在通過智能制造的技術來優化產品性能和質量，提高制造效率和強化市場競爭力，促進制造業的健康發展，使“中國制造”向“中國智造”邁進。

目前，大部分企業都還停留在對實現方案的討論和研究中，尚未付諸于行動。“工業4.0”企業(或稱其為“智能化企業”)需要實現消費者與企業的直接掛鉤，也就是說，客戶可以直接定制個性化的產品。這其中將涉及到三大板塊技術，分別為智能制造、智能生產和智能物流，且可能應用到諸如人工智能、機器人、移動互聯網、物聯網、大數據、云計算、3D 打印和智能化生物技術等先進科技。對現有企業進行全面改造升級，不但需要大量的人力、物力，而且需要攻克各個技術難關，尤其是國內目前還沒有成功的案例可供參考。因此，要把一家企業快速打造成為標準的“工業4.0”企業是一件非常困難的事。

包含自動化和信息化的管控一體化(或稱數字化)工廠是智慧工廠的基礎。本文將以一家制藥廠作為實際案例，介紹實現工廠管控一體化的過程。通過采用貝加萊APROL數據采集系統，將多種設備和系統通過不同的通信方式整合在一個平臺上，解決了制藥行業中因多系統孤立、信息離散而導致的制造環節脫節、資源浪費和效率低下等問題。

1　制藥廠改造升級的背景

隨著社會進步和科技發展，某制藥廠的技術和管理水平已跟不上行業和市場發展的形勢，需要進行相應的提升，實現工廠的自動化、信息化和局部智能化。

具體來說，該制藥廠的改造升級主要出于以下兩方面的原因。

①多系統維護造成成本上升。

改造升級前，該制藥廠包含1套分布式控制系統(distributed control system, DCS)、1套數據采集與監控(supervisory control and data accquisition, SCADA)系統、獨立的污水站系統、10多臺制藥單體設備、局部環境信息、能源系統等。這些系統、設備配置已能滿足自動化生產的需求，但它們分別由10多家自動化設備廠商提供，分布在中藥提取生產過程、空調控制、污水處理、能源消耗等四大部分的各個環節。這四大部分的控制系統獨立運行、分散監控，勢必造成專業維護人員隊伍龐大、成本增加。另外，各控制系統獨立運行，沒有能夠從制藥廠層面建立一個綜合系統；對各項數據進行采集、統計、上報和反饋，不能形成內部閉合循環和對外數據銜接，不利于生產的長遠發展。

②原有系統不能滿足產品出口需求。

該制藥廠的業務和戰略布局有所調整，正在拓展海外市場。由于各個國家對出口產品的質量追溯和相關技術要求，迫使企業提升信息化管理的配置。企業需要建立一套集中數據采集系統，以采集并存儲工廠內的所有數據，并可以與制造執行系統(manufacturing execution system, MES)實現無縫連接。

制造執行系統(MES)為企業提供包括制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析和上層數據集成分解等管理模塊。

數據采集系統，既可為MES提供必要的工藝、生產數據(開放數據接口)，又可連接各個廠商的自動化設備，實現數據大集成。它是一切智慧工廠的根基所在。

除了上述的兩個主要因素之外，制藥廠升級改造還包括了系統種類多、維護人員多、信息孤立等因素，如圖1所示。

圖1　制藥廠改造升級的各種因素示意圖

2　數據采集系統的改造升級

2.1系統需求

現代工廠需要實現全局優化，必須基于數據與信息的集成，實現從設備至產線、產線至工廠、工廠至集團的全局數據采集。因此，必須實現互聯互通、語義互操作。而在實現過程中，每個行業又有其個性化的需求。在制藥行業中，審計追蹤、質量追溯、電子簽名與電子認證必須納入整個數據采集的信息模型中。

數據采集系統改造的主要需求如下。

①提高開放性。系統可以與各家不同主流廠商的系統和儀表實現數據通信。

②滿足藥品生產管理規范(good manufacture practice,GMP)。

③遠程維護和監控功能。工廠總部可以實時監控現場狀況，維護工程師在遠程端就可以對系統參數進行修改。

④可擴展性。后期可不斷增加其他采集模塊和信號。

2.2系統改造的難點

實現工廠管控一體化的第一步是數據采集。數據采集也是實現數字化工廠的基礎。制藥廠包含多個子系統，而且每個子系統的制造年代、系統集成商不同，所采用的可編程邏輯控制器[1-3](programmable logic controller, PLC)和DCS的品牌也可能不同。作為將所有設備的數據采集起來的系統，應該具有較好的開放性和兼容性。設備自身情況不同，實現采集的程度也是有區別的。

從多個現場考察的結果來看，目前數據采集面臨的問題大致有以下幾種。

①多代設備共存。工廠通常來說并非是一次性建成，中間可能經歷過擴充和改造，因此，即便是同一總線也可能出現不同的版本。

②多廠商設備。由于每家儀表、自動化、傳感器廠商均具有各自的優勢，對于不同的產品線，工廠往往需要采購來自不同廠商的產品，其通信接口、數據類型、協議都可能有所不同。

③無通信接口。在工廠初期建設時并未考慮到如今的互聯需求，因此，原設備、設施上沒有配置相應的接口。

④無源程序。設備制造商為了對自身技術進行保密，通常不會提供源程序給用戶。況且，源程序中也沒有對接口進行配置，所以該源程序不能直接使用。

⑤不能提供變量配置表。無法提供變量配置表，數據訪問的地址、變量名就無法進行軟件互聯。

3　基于貝加萊解決方案的管控一體化系統

3.1系統架構

典型的管控一體化系統架構如圖2所示。它包含四層，呈金字塔架構。

最底層(Level1)為現場設備層，包括驅動控制和測量儀表。第二層(Level2)為監控層，具有數據采集、過程控制、系統監控和人機界面等功能。貝加萊的APROL平臺處于該層，主要含人機接口(human machine interface, HMI)和DCS系統。APROL以I/O和數據直接通信的方式，從現場設備層采集數據，并對這些數據進行分析、處理，實現了顯示、報警、趨勢圖表輸出和用戶管理等功能。同時，它也為MES系統提供生產運營管理所需的基礎數據。第三層(Level3)為制造運營管理(manufacturing operations management，MOM)系統，具有生產計劃和生產制造系統管理、維修運作管理、庫存運作管理和質量運作管理等功能，其核心是MES系統。頂層(Level4)為企業資源計劃(enterprise resource planning，ERP)系統，具有訂單管理、策略分析和其他高級企業管理功能。

第三層和頂層都屬于信息化系統的范疇， 由MES與ERP、客戶關系管理(customer relation management，CRM)、供應鏈的管理(supply chain management，SCM)等系統進行交互。它們的數據通信鏈路均采用以太網。從工廠生產管理的角度來看，MES是最關鍵的一層。

圖2　管控一體化系統架構圖

3.2系統構成

某制藥廠管控一體化系統的組成如圖3所示。分布式I/O站分別對蒸汽處理單元、配電單元、純水、污水處理、壓片機等加工設備單元進行控制和數據采集。雖然，現場設備層和監控層的各子系統分別采用了貝加萊、西門子、三菱、松下和浙江中控等多家廠商的產品，但該系統的骨干通信鏈路采用了貝加萊的Ethernet POWERLINK和以太網，它們都通過數據通信整合到了基于貝加萊APROL系統的一體化軟件開發平臺中。同時，由自動化系統采集的數據也將通過數據通信進入MES系統，為生產管理提供依據和支持。

圖3　制藥廠管控一體化系統組成圖

該系統分別采用了開關量輸入模塊、模擬量輸入模塊、RS-485通信模塊、Modbus TCP通信模塊，連接了工廠內的空調SCADA系統、中藥提取DCS系統、污水處理站，以及蒸汽監測、電力信號采集、設備狀態、包衣機和壓片機等工藝數據采集系統。通過虛擬專用網絡(virtual private network,VPN)，該系統實現了對工廠生產狀況的實時監控。

3.3系統特點

除了在通信互聯方面具有良好的開放性以外，該系統在針對智慧工廠創建的需求方面還具有以下技術特點。

①在距離較遠的I/O站上使用光纖，增加傳輸距離，減少PLC站數，降低成本。

②高速實時Ethernet POWERLINK總線系統支持總線型、樹型、環型、星型等拓撲結構，避免了其他現場總線因單一結構(總線型或其他)帶來的不便，具備傳輸距離遠、速度快的優點。

③系統對外提供標準的結構化查詢語言(structured query language, SQL)查詢接口。第三方軟件可通過簡單的SQL查詢，獲取數據庫中存儲的歷史數據；使用標準的OPC通信、XML文件，獲取系統的實時數據。

④基于SUSE LINUX系統的貝加萊APROL一體化軟件開發平臺，具有開放、穩定和安全的特性。一體化的編程結構，使軟件開發和維護更簡單。不同于一般的SCADA架構，APROL支持多人協同開發。

⑤全局分布式系統如圖4所示。對于多個分布在各地、獨立的分廠，總廠可以實現對所有分廠的設備和數據監控，必要時進行報警。還能實現項目下載，不用去各個分廠即可完成項目的更新，節省了大量時間和人力。對于大型項目，可多人、不同地域、不同國家協同開發，實現了資源共享和人力資源全球優化配置，縮短了項目開發時間。

圖4　全局分布式系統圖

3.4各子系統的數據通信

3.4.1各子系統的通信方式

制藥廠各子系統分別采用以下數據通信方式。

①蒸汽表自帶RS-485接口，支持標準的Modbus RTU通信協議。

②電表自帶RS-485接口，支持DL/T-645 -1997電力行業標準。電表通信采用底層操作編寫協議(DvFrame庫)。

③包衣機的主控為三菱FX系列PLC，其具有一個RS-232口與觸摸屏通信，無其他接口。

而在性能方面，全新航海家依舊提供兩種動力總成。其中，2.7升V6雙渦輪增壓發動機可爆發329馬力的最大功率和528牛·米的峰值扭矩，數據看著漂亮，動力表現用著扎實；2.0升4缸渦輪增壓發動機無疑是更適合中國市場的選擇，最大輸出235馬力、392牛·米。兩款動力系統均標配全新8速自動變速箱，盡管其綜合素質距離著名的ZF 8速產品尚有差距，比如降擋響應方面，但平順性和經濟性足以讓人忘記MKX的6速自動變速箱了。

④壓片機的主控為松下FPG系列PLC，其具有一個RS-232口與觸摸屏通信，無其他接口。

⑤制粒機的主控為西門子S7-300 PLC，其具有Profibus-DP口，與WinCC主機通信。該PLC為Profibus-DP 主站，為無源程序。

⑥提取系統采用浙大中控DCS系統，采用OPC DA方式通信。

⑦空調系統采用西門子WinCC監控組態平臺，采用OPC DA方式通信。

⑧污水處理站采用貝加萊控制系統。

⑨純水子系統流量計輸出范圍為4～20 mA的電流信號。

3.4.2各通信接口的處理方式

盡管該系統包含了多種設備、總線協議，但利用貝加萊系統的開放性，能夠很好地解決這些問題。各子系統的通信接口，分別按以下方式進行處理。

這種處理方式不影響原有觸摸屏和三菱PLC之間的通信，無需原設備廠家的支持。但是，取出來的數據和觸摸屏界面上的數據需要經一一比對后才能確認，因此，僅適用于點數不多的設備。

②壓片機采用松下PLC，無空置通信接口。處理方式與包衣機方式類似，不影響原有觸摸屏與松下PLC之間的通信，無需原設備廠家的支持。不同的是，兩個廠家的通信協議不一樣，在通信轉換盒中的程序代碼不同。

③制粒機采用西門子S7-300 PLC[4-5]。采用Profibus-DP通信，一般都需要提前在程序中配置好DP接口，否則盡管有空余的接口也無法使用。經測試，西門子PLC自帶的DP通信口并未配置，所以不得不采用北辰轉接頭，將其插在MPI口上，轉換成標準的Modbus TCP協議，并用以太網口輸出。

該方法所選用的通信口協議轉換設備自帶MPI端口和以太網輸出端口，無需占用任何接口資源，而且將傳輸距離較近的MPI協議轉換成了傳輸距離較遠的Modbus TCP。

④監控系統采用浙江中控的DCS和西門子的WinCC。由于二者皆自帶OPC 協議，APROL平臺也支持OPC協議，所以采用標準的OPC DA通信方式即能實現通信。這種方式最簡單，而且不需要廠家支持，根據OPC的標準協議就可以完成配置。

3.5信息平臺

隨著2G、3G和4G手機網絡的快速發展，網速越來越快，數年前通過手機辦公的理想，而今已經實現。人們使用手機就可以完成日常工作。

本系統通過搭建VPN網絡，使得采用手機或筆記本電腦，就可以實時監控運行中的系統，了解生產情況。

3.5.1顯示終端

為了方便不同人員的查看需求，該系統不僅支持本地操作員站或終端HMI顯示，還支持iOS/Andriod一類的智能終端遠程訪問。本地方式和遠程方式查看的內容均相同，對操作權限的管理也相同。

3.5.2人機界面畫面

該平臺配置了多幅顯示畫面，用于實現系統硬件監視、工藝數據設置、運行數據與工藝流程顯示、設備狀態監視和生產操作等功能。

3.5.3報表系統

報表是整個系統運行狀態和參數的總結，也是企業管理人員最關心的部分。貝加萊的報表系統集成了Java開源商業智能跨平臺報表JasperReport，支持瀏覽器瀏覽、手機端APP訪問。

JasperReport是目前最受歡迎并廣泛使用的開源報表工具之一。其基于GPL開源許可協議，可創建復雜的報表，包含表格、圖表、子報表、交叉表等的布局，具有自動生成、發送報表到指定郵箱的功能。

比如在污水參數監控中，通過數字表格、趨勢圖和棒狀圖，操作人員可以直觀地觀察污水參數是否合理。這類常規報表在JasperSoft中經簡單設置就可以完成，也可以開發個性化報表模板，以滿足客戶的個性化需求。

通過貝加萊的APROL平臺[6]，將廠內多個系統和各種信息整合在一起，僅需數人即可保證全廠正常生產，大大降低了運行和維護人員的數量。將能源數據集成到APROL平臺后，無需運行人員定時抄錄數據，系統將自動、定時生成能源消耗報表并發送至有關管理部門。VPN網絡的搭建，使總廠可以實時掌控各子廠的生產狀況、項目維護工程師能夠遠程完成程序的修改和下載，顯著提高了維護效率。系統投入運行一年多來，客戶滿意度較高。二期項目還會進一步將其他信息納入APROL平臺，并將APROL平臺作為唯一的信息展示平臺。

4　結束語

貝加萊的APROL數據采集系統具有較好的開放性和兼容性，將多種設備和系統通過不同的通信方式整合在一個平臺上，解決了制藥行業中由于多系統孤立、信息離散而導致的制造環節脫節和資源浪費、效率低下等問題。

隨著“中國制造2025”戰略的推進，越來越多的企業已經認識到，為了提升市場競爭力，就必須從生產制造的裝備水平、成本、效率和產品的質量和性能等方面著手實施升級。工廠所有信息的數字化是必不可少的。相信在近幾年中，將會有更多的企業加大設備改造和系統升級換代方面的資金投入。現場設備、監控、制造運營管理和企業資源計劃四層結構的完美配合，將更好地實現從訂單到生產、生產到訂單的信息交互，真正實現工廠管控一體化，并為進一步創建智慧工廠[7-8]奠定基礎。

[1] 齊蓉. 可編程計算機控制器原理及應用[M]. 西安：西北工業大學出版社，2002：60-62.

[2] 齊蓉，肖維榮. 可編程計算機控制器技術[M] .北京：電子工業出版社，2005：56-58.

[3] 樊惠芳.一種新型可編程序控制器 PCC[M]. 北京：電子工業出版社，2007：117-120.

[4] 劉光倫，張兆毅.S7-300 PLC在自動配方生產過程中的應用[J]. 自動化信息，2014(1)：50-52.

[5] REICHINGER M.從工業工廠到生產車間[J].自動化博覽，2015(4)：98-99.

[6] 周曉霞.APROL-實現逐步遷移[R].2014中國數字工廠推進大會文集匯編,北京：2014.

[7] 宋華振.過程控制實現遷移風險管理[J].自動化博覽，2015(8)：46-47.

[8] 彭瑜.智慧工廠/智慧制造系統的核心標準和關鍵技術[R].上海智能工業解決方案論壇,上海：2016.

Implementation of the Integrated Management and Control System Based on B&R’s Solution for Pharmaceutical Factory

The core content of strategy of “Made in China 2025” is the realization of intelligent manufacturing, while the realization of integration of management and control at factory is the foundation of realizing smart factory, in which automation and informatization are included. With certain pharmaceutical factory as example, the implementation procedures of the integrated management and control system is expounded. The background of the transformation and upgrade at this pharmaceutical factory are introduced and the demands and difficulties in implementing transformation of data acquisition system are analyzed; especially, the architecture, composition, characteristics, data communication modes of the integrated management and control system based on B & R’s solution as well as the various information platforms being used are described emphatically. By means of data communication and information fusion, various sybsystems in low layers supplied by multiple vendors are integrated into B&R’s APROL integrated software development platform, and the MES and ERP systems are built. Having been put into operation, the efficiencies of production and maintenance are remarkably improved, and the problems of the disjointed manufacturing links, wasting of resources, and low efficiency, etc., in pharmaceutical industry which are caused by multiple isolated systems and discrete information, are resolved.

Pharmaceutical factorySmart factoryAutomationInformatizationIntegration of management and controlData acquisition

TH-39;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609010

修改稿收到日期：2016-07-25。

作者左蘇平(1980—) ，女，2004年畢業于中國礦業大學(北京)測控儀器與儀表專業，獲學士學位，工程師；主要從事基于貝加萊APROL和PCC 的過程控制系統設計和調試方向的研究。