中藥智能制造平臺系統建設

文 / 何濱 戎兵 苑韶倫

中藥智能制造平臺系統建設

文 / 何濱 戎兵 苑韶倫

本文從中藥智能制造平臺建設的角度介紹了運用數字化三維設計平臺——進行總體設計、關鍵工藝流程及布局；運用先進的批控制系統（Batch）、生產制造執行系統（MES），建立中藥產品質量追溯系統，實現物料100%可追溯性；通過控制、管理系統的功能的集成，實現對人、機、料、環、法、檢測等的全面管理，并最終實現中藥產品生產全流程的智能制造。

中藥產品所含成份十分復雜，其有效成份的分析與定量也非常困難，相同的原材料因產地不同、采收季節不同、生產工藝參數控制水平不同而導致產品質量穩定性較差。中藥的質量是其療效的關鍵所在，要保持產品質量的均一性、穩定性，除原材料的采收要穩定外，還必須保障生產過程控制的穩定性。

中藥生產無論在研究方面或在生產方面與西方先進藥業比較還有相當大的差距，中藥產品很難進入世界主流市場，為世界廣大群眾所接受。因此，中藥現代化的過程就是被世人接受、走向世界的過程。

圖1 中藥智能制造系統總體架構圖

圖2 中藥智能制造三維全景設計圖

中藥智能制造平臺系統建設

中藥現代化是將傳統中醫藥的優勢、特色與現代科學技術相結合，以適應當代社會發展需求的過程。

中藥智能制造平臺必須符合GMP要求，是一套涉及面廣，并且業務非常復雜的系統，涉及的數據源很廣，包括生產過程控制信息、生產過程質量信息、生產倉庫物料信息、生產設備維護信息、生產管理信息，可實現多元異構系統的集成。

誠益通提供的中藥智能制造平臺采用高度集中的生產信息管理和數據采集方式來管理生產工藝系統、樓宇環境監視系統、能源系統、公用工程系統、倉儲物料系統的設備，采用集中接入和下達生產作業指令、采集生產過程實時工藝、質量、設備、物料信息，統一協調控制實驗室信息、質量管理信息的方式，實現車間柔性化、智能化、集成化生產運作，能提高系統生產協調性和運行效率。

（1）遵循質量源于設計Qbd理念的數字化三維設計，真實還原生產現場狀態，優化生產工藝；

（2）運用大數據挖據工具，定量指紋圖譜和生物評價等技術手段，制訂藥材、關鍵中間體、關鍵工藝、成品的質量控制規范；

（3）基于PAT技術的過程控制策略，實現中藥制劑、中藥配方顆粒劑提取工藝的在線檢測；動態調整工藝參數，實現工藝質量參數和過程終點的精準控制等，確保中藥制劑產品質量的一致性。

（4）建立中藥生產過程實時數據庫與過程監控平臺。通過實時數據庫軟件建立中藥生產過程的實時數據庫系統與過程監控平臺，為中藥生產過程提供了統一而完整的實時數據采集、存儲、監視和Web瀏覽功能。

（5）規范中藥制劑制造過程，建設以物料追溯、工藝、質量、設備管理、電子批記錄為核心的生產管理信息平臺，實現生產智能化管理，滿足GMP符合性、數據完整性、工藝一致性要求，保障藥品生產質量。通過內部各個系統的信息集成以及各種數字化裝備的集成與數據采集，實現各種系統和裝備的互聯互通；實現中藥制劑產品生產全流程的智能制造；形成中藥制劑生產全流程可追溯質量管控系統。

（6）生產管理系統通過信息集成技術，把中藥生產運作中涉及的管理、生產、物料、設備系統的功能單元連接為一個整體，在動態變化的原料和產品市場等條件下，通過功能單元建立信息集成與任務集成，實現企業生產運作、物流整體優化。

圖3 中藥智能制造控制系統拓撲圖

先進控制系統智能制造平臺的基礎

中藥制劑生產過程數字化控制系統，實現對生產數據的自動采集、存儲、分析，以及自動化生產和電子化的監控管理，對生產工藝關鍵參數與質控指標的相關性進行研究，并建立數據模型，對每一批中藥制劑所用藥材的質量情況進行分析，用更可靠、更安全的關鍵參數對生產過程進行控制。

系統采用集中管理、綜合調度、分散控制，其技術先進、開放性強、易擴展、可互操作、方便升級；降低生產過程人為參與，克服人工操作技術水平及責任心差異影響產品質量和生產效率；縮短每批產品的生產周期，提高生產效率；由計算機進行參數管理，實現數據存儲、查詢、報表打印和事故追憶；生產過程聯鎖控制及參數越限報警，保證生產安全。

控制策略

●工藝參數控制：溫度、壓力、流量、密度等；

●加料控制：固體物料、液體物料；

●物料轉移控制：反應罐之間物料轉移；

● 設備運行時間控制；

● 安全保護控制；

● 過程報警的觸發。

BATCH控制

批量控制程序包括單元程序、操作以及操作階段。可以根據需要以串行或并行方式設置配方元素，并循環操作。配方帶有相關的參數，這些參數通常用于過程設置點、原材料數量、路徑信息以及過程變量的存儲和報告。

BATCH控制過程

> 創建和管理配方庫操作

> 規劃批生產過程

> 批生產控制

●過程控制；

●順序控制；

● PLC 控制；

●批量控制；

●故障分析：故障報警、記錄、分析、處理權限明確；

●設備狀態管理：跟蹤設備的可用狀態以及所有用戶定義的操作狀態（比如清潔、未清潔、無菌等）。可以設置狀態跟蹤的有效期，在設定的有效期過去后會自動停止監控設備狀態。

> 批生產數據管理：采集、存儲和記錄批生產數據

圖4 中藥智能制造Bstch控制系統架構圖

MES智能制造平臺的靈魂

MES可保證藥品的質量和安全,更好地滿足合規性

MES系統是一套面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統，它通過對整個企業生產過程中實時、準確的數據來調整生產，可以及時了解到從生產計劃到最終產品的各個環節的數據，從而有利于企業指定合理的生產計劃，減少生產資料的浪費、提高產品質量、減少庫存，從整體上提高企業的生產效益。

制造執行系統（MES）由于能顯著提高生產效率，增加過程透明度和可靠性，在制藥生產中，MES更能保證產品的質量和安全，更好地滿足合規性。

（1）基礎數據管理

（2）生產工單管理

（3）工藝路線管理

（4）生產物料管理

（5）生產過程控制

（6）批數據采集

（7）產品批數據追蹤

（8）電子批次記錄

使用MES所能帶來的好處主要有以下幾點：

（1）通過引導操作員提高生產過程的安全性和可靠性；

（2）及早發現生產過程中的偏差以便及時實施糾錯措施；

（3）及時、完整的文檔記錄，以符合法規要求；

（4）關注偏差事件增加生產過程的透明度，不需要把精力放在所有步驟的詳細檢查上，而只要求“例外審查”；

（5）更高質量的生產和產品數據；

（6）通過“第一時間正確”原則減少損失批次的數量。

支持典型的手工操作

然而，我們常常會聽到這樣的觀點：由于中國現行工業自動化水平的限制，MES技術似乎對本土市場過于先進。而且，人們總是認為這樣的信息化生產管理對于中藥企業來說過于昂貴。

從技術角度來看，MES是位于企業資源計劃系統（ERP）和過程控制層之間的中間系統，是智能制造的靈魂。但是，在中國目前很多中藥企業既沒有使用ERP系統也沒有高度自動化的設備。因此，有人會問如果沒有ERP和控制系統存在，怎樣能把一個中間系統獨立引入并應用起來呢？參照西方國家的工業現狀，會發現在制藥生產中MES已經被很好地確立并且標準化了。而事實上，制藥生產的自動化水平即使在西方國家也普遍較低，很多操作都由手工完成。例如，作為制藥生產的起始步驟，原始物料的稱取。很多情況下，這是一個手動操作，而且這也是一個至關重要的步驟，因為若使用了錯誤的物料或錯誤的量都將對產品質量和病人安全產生直接的影響。根據GMP有關規定，生產和處理操作應該在所指定的區域內進行，或者需要引進其他控制機制來保證其不被污染或混淆。

圖5 系統功能總體流程圖

圖6 物料稱重系統工作流程圖

由MES支持的稱重的典型工作流如圖所示：首先識別用戶，然后操作員選擇并開始一個生產訂單，通過掃描條形碼來識別生產設備。MES將檢驗設備可用性，例如其狀態是否為“已清洗”。隨后從物料清單（BOM）中選擇物料進行稱重，操作員掃描需要處理的物料的條形碼，MES系統將核對所選的物料是否可用于所選的生產訂單，且已經被放行生產。若完全符合要求，操作員才可以進行下一步衡器的選擇，同樣可以通過掃描衡器的條形碼來進行。MES核對衡器的校驗狀態，以確保所選衡器的可用性，隨后，系統將生成目標容器的標簽，并執行稱重。稱重結果通過接口傳入MES系統中，并且系統將對實際稱取的量與配方要求進行比對，最后將其記錄在電子批記錄（EBR）中。然后重復這些步驟直到物料滿足進入下一個生產步驟的要求。

在上述情境中，MES的主要作用是在稱重過程中引導操作員，并保證操作符合GMP規范。由于這是一個手工操作的生產步驟，MES的引導至關重要。

當然，合規制造也可以通過基于紙質的管理系統來實現，但是這與基于計算機的管理系統相比需要付出更多的精力也存在更高失敗的風險，因為紙張無法及時對錯誤進行反饋。因此，通過恰當的技術來減少被擠出市場的風險，這樣做的效果是立竿見影的。

圖7 系統集成示意圖

全流程智能制造信息集成中心

全流程制造信息集成中心為工廠級別的綜合管控平臺，利用設備互聯與集中監控系統、門禁系統、視頻監視系統、MES、LIMS、WMS、QMS、PMS、 設備管理系統等在設計時預留的第三方信息接口進行集成。

信息集成中心根據實時數據庫系統中的數據進行分析整理，形成分析數據，如統計圖表、預測預警信息、質量分析、生產安全等決策數據。生產視頻監控系統、車間門禁系統等系統通過預留的接口與業務管理系統進行集成。

通過各個系統的信息集成以及各種數字化裝備的互聯與數據采集，實現各種系統和裝備的互聯互通；通過數字化智能車間的建設，實現對人、機、料、環、法、檢驗的全面管理，實現制劑生產全流程的智能制造。

自動化設備、MES與ERP系統的協同與集成

MES位于ERP系統和自動化設備的中間層，通過系統在設計時預留的信息接口進行集成，自動化設備，MES和ERP三層結構的數字化工廠。

通過和ERP的交互，MES系統可以獲取物料的信息和整體生產計劃來制定批生產指令，同時物料消耗信息也可回傳，供ERP制定物料采購計劃。

通過和自動化系統的交互，MES系統可以控制自動化批次生產步驟，并根據不同批次確定生產參數，自動化設備或系統可把時間、狀態、過程參數、報警等數據回傳給MES完成電子批記錄。

通過內部各個系統的信息集成以及各種數字化裝備的集成與數據采集，實現各種系統和裝備的互聯互通，實現MES、ERP等系統的協同與集成。

生產工藝可預測優化和過程參數放行

對產品的關鍵質量屬性CQA進行實時的或周期性的監測，通過數據分析對關鍵工藝參數CPP進行自動化的反饋調節，從中間產品經檢測合格，成品QC檢測且檢驗結果符合法定質量標準；批記錄符合要求，生產過程符合GMP要求的放行依據，轉變為用過程參數來確保生產結束時的產品質量并進行放行。

全流程智能制造信息集成中心

系統通過一網到底技術將現場DCS/PLC與集中監控層連接起來，完成生產任務的接收，生產實時監控及對生產線的數據采集和處理，生產過程的在線質量控制。

> 實現三層結構工廠模型，一體化生產管理完全數字化車間/工廠；

> 通過和自動化系統的交互，系統可以完全控制自動化批次生產步驟，并根據不同批次確定生產參數；

> 自動化可把時間，狀態，過程參數等數據回傳給系統完成電子批記錄和質量、工藝參數智能分析。

> 通過消除所有環節上的不增值活動，來達到降低成本、縮短生產周期和改善質量的目的。

全流程智能制造信息集成中心通過系統的統計分析，對采集的信息進行歸類、整理和綜合分析，向下對生產過程作統一的調度，并對各個生產環節、現場關鍵設備及工藝點進行監視、控制和管理，通過控制、管理系統的功能的集成，實現對人、機、料、環、法、檢測等的全面管理，并最終實現中藥生產全流程的智能制造。

北京誠益通控制工程科技股份有限公司

誠益通在過去的近20年取得了輝煌的成績，他們應用領先的控制技術和儀器、設備，幫助和協助用戶在青霉素、頭孢、紅霉素、阿霉素等抗生素及抗腫瘤藥物，多種氨基酸、維生素的生產技術水平上創造了中國制造在世界的領先，他們從20噸罐開始，一直做到了500噸罐的全過程、全方位自控，推動中國大產量API制造技術水平走在了世界的最前列。

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誠益通提供自動化/信息化/智能化中藥智能制造整體解決方案服務，其目標不僅是要建設“國際先進，國內領先”的信息化和智能化工廠管理系統，更是協助客戶創建并培養一支既懂得信息化和智能化控制技術，又了解如何優化企業管理流程的復合型管理人才團隊的機會。

本文由北京誠益通控制工程科技股份有限公司提供。