固體制劑數字化智能生產線的模塊化設計

丁濤

摘 要從固體制劑的數字化、智能化生產入手，引入固體制劑生產線的模塊化設計理念，并對各模塊生產設備的原理、關鍵技術進行介紹，對該項技術的應用進行探討，以供參考。

【關鍵詞】固體制劑 生產線 數字化 智能化 模塊

以歐洲和美國為代表的制藥發達國家已經開始用信息化概念來改造制藥裝備的技術水平。部分公司早已開始借助于云端數據庫技術來分析制藥廠的工藝技術難點和設備需求，用以開發市場上具有代表性的急需的制藥裝備產品。這些制藥裝備產品在所有國際用戶中都配備了開放的管理信息系統協議，逐步實現以工業信息化管理系統為支撐的制藥行業數字化、智能化、無人化生產的目標。基于數字化為基礎的信息化制藥裝備的發展在不遠的將來即將成為國際市場上未來競爭的主要技術趨勢。

現階段的固體制劑制藥工藝生產流程中，制藥企業更加關注的是生產設備是否具有工藝適應性、生產的連續穩定性、生產的密閉性及易于清洗等特點。由此應運而生出一種固體制劑的模塊化設計的國際化流行趨勢。

1 設計理念

模塊化的設計理念是：根據固體制劑數字化智能生產線中各工序性質的不同，分成藥物前處理模塊、粉碎過篩模塊、稱量配料模塊、制粒模塊、混合模塊、包衣模塊、清洗模塊和轉序模塊。這些模塊既能單獨進行系統配置，又能通過相應的手段，如定量稱量、批號打印、密閉轉序、中央集中控制等進行合理的連接，最終組成一個完成的模塊系統——固體制劑數字化智能生產線。

2 設計目標

通過生產線的模塊化設計與改造，初步實現固體制劑生產的數字化、智能化管理以及無人化操作。具體流程為：首先啟動全自動密閉稱量配料模塊系統。在條形碼掃描后，該系統自動識別物料品種的配料程序，在密閉狀態下配好物料，后由AGV導引小車將物料的料桶IBC轉運到制粒模塊，由全自動密閉式的制粒系統制好顆粒，再由AGV轉運到包衣模塊進行包衣，所出的成品再由IBC周轉料桶被AGV轉運到包裝車間進行自動包裝，最后由碼垛機器人完成最后的包裝碼垛。所有的工藝過程采用數字化操作并由中央服務器進行統一的生產調度和指令計劃，以實現MES/ERP管理。模塊化的工藝設備上安裝在線檢測及智能控制系統。智能控制系統包括生產管理信息系統的權限管理、故障自診斷報警糾錯程序、生產過程在線記錄及打印功能、PAT過程分析技術，所有的數據傳輸到中央控制器可以實現在線打印。該系統具備在線故障自動監測功能，一旦出現停機故障，可以根據設定程序的邏輯關系實現安全保護啟動，并由嵌入式的固態以太網將數據傳入制藥設備供應商的用戶服務管理信息系統中進行故障的在線查詢，設備供應商可以根據網上在線視頻，遠程監控指導藥廠的現場人員進行故障的排除。

3 模塊化組成設計

3.1 藥物前處理模塊

不同的原料藥在軟袋包裝或鋼紙桶包裝狀態下由AGV導引車以托盤形式轉入分揀機處，由分揀機的機械手將原料放在輸送軌道上，在輸送軌道的輸送過程中，由貼標機將條形碼粘貼在包裝物外面，之后由安裝在輸送軌道旁的條形碼掃描儀自動識別物料品種后轉入各自不同的軌道。在軌道終端安裝不同的破除包裝系統，軟袋包裝由絞龍式破袋機將內容物集中并由下部料斗密閉地轉入IBC料桶內；鋼紙桶包裝原料由提升機上的錐形斗密閉夾緊后翻轉提升后轉入IBC料桶，由此完成原料藥集中在IBC轉序料桶內的備料過程，整個備料過程全密閉無粉塵。

關鍵技術：

條形碼貼標機和條形碼掃描儀：采用成熟的貼標機和噴碼機技術，外購條形碼掃描終端，與中央控制系統相連接，由PLC和相應的模擬量模塊實現通訊，實現數據存儲和在線打印。

3.2 粉碎過篩模塊

進廠的原料藥的物理性狀即粉末的細度經常是不同的，為了滿足后續工藝生產的穩定性要求，必須要求對原料藥粉進行細度的統一，即通常所說的粉碎與過篩。由提升機將IBC料桶提升后轉到粉碎機的進料口，由旋轉分料閥將原料藥定量送入粉碎機進料口，粉碎后的成品經由關風器批次出料到下面密閉連接的IBC轉序料桶內。設置與料桶下面的電子稱在接收到信號后發指令給AGV導引車，由AGV導引車將IBC料桶轉走。經過批次粉碎后，由帶有在位清洗功能的CIP裝置完成清洗。

關鍵技術：

低溫超微粉碎機：引進國外技術進行研制開發的集超微粉碎技術與制冷技術于一體的低溫超微粉碎設備，解決了常溫下微粉碎效率極低和某些中藥無法粉碎的難題，使微粉碎工藝實現了質的飛躍。

3.3 稱量配料模塊

對于多種復方制劑品種，稱量配料的重要性就顯得尤為重要。全自動稱量配料模塊的工作過程是：由中央工控機集中控制的程序調用并打開稱配模塊的工作程序，為條形碼識別系統輸入指令，開啟掃描程序，掃描的結果會開啟伺服驅動物料傳送車的自動定位及稱量電子稱的程序，由電子稱開啟放料閥體的自動工作程序。所有的工作流程都由程序關聯互鎖，以控制精度和藥品的準確性，計量精度<0.2%。

關鍵技術：

伺服驅動放料閥：由物料的放料量的比例來控制放料閥的開啟頻率及開度。根據放料量接近目標值的程度，可進行多級補償放料。

3.4 制粒模塊

制粒模塊是固體制劑生產的工藝核心，因此該模塊的設備需滿足較高數字化集成功能和模塊化功能的要求。該模塊采用中央集成控制，可實現物料輸送、整機運行的統一控制和監控，各組成設備的工藝參數通過PAT技術管理下的傳感器系統分別編制和采集，保證生產的密閉性、連續性和穩定性，實現生產過程的數字化和智能化。

關鍵技術：

CCS密閉制粒系統：主要由濕法混合制粒機和沸騰干燥機組成，創新性地設計為濕法混合制粒機附加升降功能，可實現濕法混合制粒機的低位制粒、高位出料，真正實現制粒工藝的無人化生產，保證了生產過程的最大效率，并能夠提供縱向或橫向的產品流，兩個設備可以在一個共同的操作界面上進行操作，也可以獨立運行。二者之間采用剛性的可伸縮的輸送管道實現物料輸送，有效避免物料在輸送過程中的堆積、堵塞。

沸騰干燥制粒機的過濾單元在線清洗技術：采用剛性過濾單元取代傳統的過濾布袋，并創新性地為過濾單元附加往復提升旋轉功能，在增設的清洗裝置的輔助下，可在有效保證設備整體密閉性的同時，對過濾單元進行在線清洗。

3.5 混合模塊

混合模塊是通過AGV導引車或專用轉運車將混合桶轉運至主機處，混合桶與主機自動集成（適應不同規格型號的混合桶），鎖緊固定后完成混合動作，混合桶自動從主機上卸載，并由AGV導引車或專用轉運車運送至下道模塊工序，混合桶的進出料可脫離主機完成，使混合機的進出料變得簡單方便，并能從源頭處避免粉塵的逸散。

關鍵技術：

混合機的可換桶結構：混合機的夾持臂或籠架設有專用的夾持和鎖緊機構，能夠適應對不同規格型號的混合桶的夾持固定，使一臺主機可適用于對不同物料量或物料品種進行混合，采用專用的轉運車和/或升降平臺實現混合桶與主機的集成和卸載，實現無人化操作。

混合均勻度在線檢測：通過在混合桶的外壁上安裝近紅外傳感器直接在線檢驗混合的均勻度，并通過工控機的人機界面上的曲線顯示，確定最佳混合時間，并打印出混合偏離值，以此控制各個批號的生產質量穩定性。

3.6 包衣模塊

全自動高速壓片機壓出的藥片儲存在IBC周轉料桶內，經由AGV導引車轉運到包衣模塊，由提升上料機將IBC料桶提升后，藥片密閉輸送至包衣機內，開啟包衣程序進行包衣工作。包衣工作結束后，自動實現密閉出料。包衣機采用中央工控機集中工藝控制，藥片在包衣過程中的風壓及濕度都由在線傳感器和紅外溫度傳感器進行集中控制。包衣機在包衣的各個不同時間段，其轉速、風壓、溫度和濕度都會顯示在工業人機界面上，便于觀察及操作控制。

關鍵技術：

可換滾筒式包衣機：通過滾筒支撐車及輸送軌道實現不同規格型號的包衣滾筒相對應主機的更換，使一臺包衣主機可適應于對不同批量或品種的物料包衣，通過獨特設計的風道結構及包衣滾筒上的通風結構，使不同規格型號的包衣滾筒均能與主機上的風道對接配合，形成通風回路。

物料流動式包衣：包衣滾筒內設置上下兩層正反螺旋葉片，包衣滾筒的旋轉使藥片實現上下翻動，并沿軸向正反螺旋推進，片芯呈空間三維運動，流動性好，包衣效率高，無摔片現象，包衣均勻，藥片表面平滑。

3.7 清洗模塊

CIP清洗是完全建立在每一臺制藥設備內部與物料發生接觸的部位，并且是全覆蓋的。每一臺設備及每一個與藥品接觸的管道配備CIP清洗噴頭及排水口，同時配備進水口、壓力開關和位置傳感器等原件。為IBC料桶配備全自動清洗站。

關鍵技術：

獨立的清洗單元：清洗單元由AGV導引車轉運到各個需要清洗的位置點，在相關的位置點，通過液壓或氣動執行機構進行與被清洗設備的清洗管路密閉連接，進行三重清洗后，用潔凈風進行在位烘干。

料桶清洗站：采用AGV導引車將待清洗料桶轉運至清洗站，實現無人化清洗。料桶清洗完畢后，通過高壓風刀對其上附著的水滴進行吹掃后再進行烘干，降低生產能耗。

3.8 轉序模塊

采用分體式蝶閥技術實現物料在上下工序之間的密閉傳輸，通過AGV導引車完成物料容器的無人化自動轉運。

關鍵技術：

分體式蝶閥：由主動閥和被動閥組成，平時二者處于分離狀態，分別安裝在上下工序設備或物料輸送管道上，物料轉運時，二者對接開啟，實現物料傳輸。

AGV導引車：主要采用SLAM（同步定位和構圖）技術，自行探測現場地形，在其內部工控機中智能顯示地圖，從而準確定位運行位置，運算出合適的行進路線，不再需要依靠地面引導磁條或者反射板及其它任何外部設備來輔助導航，降低滯工風險，提高工作效率。

4 控制管理理論研究

4.1 自動控制及風險預警技術

固體制劑數字化智能生產線中配備了在線故障自動監測系統，生產線設備一旦出現停機故障，可以根據程序的邏輯關系實現安全保護啟動，并由嵌入式的固態以太網將數據傳入設備供應商的用戶服務管理信息系統中，可以進行故障的在線查詢，設備供應商可以根據網上在線視頻，遠程監控并指導藥廠的現場人員進行故障排除。

4.2 生產過程采集與分析系統的建立

各生產模塊的每一種設備上均安裝有適宜的傳感器，如：制粒模塊的濕法混合制粒機與沸騰干燥制粒機之間相配合的位置傳感器、沸騰干燥制粒機的溫度和壓力傳感器、粉碎篩分模塊、清洗模塊以及周轉料桶的近紅外射頻技術、整個生產工藝的視頻傳感器等。各傳感器在感知到相應的信號后，通過PLC指令下位機按程序進行工作，從而保證生產的連續性和穩定性。

生產線通過條形碼識別系統和掃描系統（TPS），實現物料的自動定位、自動跟蹤、自動開啟下位機程序。所有分離的單元運行設備在實現數字化操作的前提下進行現場總線控制并集中在中央服務器進行統一的生產調度和指令計劃，實現MES/ERP管理。在工藝設備上安裝在線監測壓力、溫度、濕度等在線檢測及智能控制系統，所有的數據傳輸到中央控制器可以實現在線打印。所有的設備之間的物料轉序由IBC料桶通過AGV導引車完成從配料到制粒再到混合、包衣等各個模塊，最終實現生產線的數字化操作和信息化管理。

4.3 MES與ERP集成方案

對生產相關的業務流程進行梳理和優化，通過流程來把MES和ERP整合到一起，基于流程在MES和ERP之間的“進”和“出”來設計兩個系統間的接口，并對異構數據庫進行轉換。

采用開放數據庫互連技術和SQL語句，通過驅動程序與不同數據庫進行連接，再通過嵌入的SQL語句對異構數據庫進行轉換。采用此種方式實現實時數據轉換，可實現MES向上層ERP提交生產計劃完成信息、物料信息、生產能力、材料消耗、勞動力和生產線運行性能、庫存狀態及實際訂單執行等涉及生產運行的數據；同時接受ERP層的生產計劃、訂單信息、人力資源、物料清單及工藝路線等。

4.4 通信網絡建設

中央服務器通過CAN總線與各模塊設備的執行機構進行下行通信，各模塊設備通過相應的傳感器與中央服務器進行上行通信，實現上位機與下位機的集成。中央服務器與企業數據庫和人機交互界面通過工業以太網實現雙向通信，進行數據的上傳存儲、顯示和人工指令的下達。另外，中央服務器還通過工業以太網與設備供應商進行信息交互，實現故障上傳和存儲以及解決方案的下發。

信息安全保障通過在各模塊設備的操作系統中設置密碼保護功能的方式，實現對數據進行加密。

5 結束語

模塊化設計的固體制劑生產線在我國尚處于起步階段，本文提出了一種設計構想，并對其硬件及軟件系統進行了分析闡述，為該系統的推廣提供一種參考思路。

未來，固體制劑生產的模塊化設計方案將越來越豐富，也將越來越多地被制藥企業所接受，同時模塊化的固體制劑數字化智能生產線也將更加先進與成熟。

參考文獻

[1]薛丹楓，陳建國.中型固體制劑車間的模塊化設計[J].醫藥工程設計，2013（03）：12-15.

[2]王俊穎.固體制劑模塊化設計在固體制劑車間中的應用[J].企業技術開發，2014（15）：59+68.

作者單位

太極集團重慶桐君閣藥廠有限公司 重慶市 401336