脊髓灰質炎滅活疫苗數字化車間設計與應用

張承 劉喜松 徐鑫 劉磊

摘要：依據數字化疫苗車間建設指引的要求，通過對現有脊髓灰質炎滅活疫苗（簡稱：IPV）全部車間工藝、公用工程設備建立SCADA、PCS系統，建立整個車間管理級MES系統，實現電子批記錄、車間績效、自動排產、工單分解、過程追溯等功能，并改造現有MRP、WMS、QMS系統同時集成其輸出數據到MES系統，形成以MES系統為核心的數字化車間。

關鍵詞：MES;SCADA; PCS;數字化車間

中圖分類號：TP311. 52

文獻標識碼：A

文章編號：1672 - 9129（ 2018） 12 - 0104 - 03

引言：按照我國每年出生1600 -1800萬新生兒計算，IPV疫苗總需求量為8000 - 10000萬劑，由于疫苗供應嚴重短缺，因此只能實施一劑IPV的序貫免疫計劃。目前國內僅2家企業生產IPV，由于工藝問題，實際上市產量遠遠低于預期。急需通過數字化車間的建設，實現IPV工藝規程的精準操作，確保持續穩定的生產出符合預定用途和注冊要求的藥品，精準的偏差控制和審核放行，審計追蹤和族譜管理等功能的開發應用，全面提升質量管理效率和產品質量;實現精益排產的功能，提升工作效率;滿足計算機化系統驗證和數據完整性要求，大幅降低GMP合規經營的風險，客戶和監管部門對產品質量的認可度也必將得到大幅提升。

我司目前IPV疫苗年產量4000萬劑，生產任務繁重，現有的生產及管理模式對工藝穩定性、質量保證帶來了巨大壓力。特別是手工批記錄在2018年“疫苗造假事件”的影響下，已經被各方面的監管高度質疑，實施數字化車間，特別是打通MES系統的數據流轉時不我待。我司已實施基于公司級的ERP系統，立體庫WMS系統，實驗室LIMS系統，IPV部分工藝實現PCS系統，部分工藝單體自動控制，具備實施數字化車間的基礎。

1 設計目標

實現IPV疫苗生產過程與信息系統的無縫對接，對各應用系統的數據進行集中存儲和分析，最終達到全面感知生產過程，對實現工藝流程的連續化提供準確的數據基礎，業務提升，節約能源，提高產品質量，精益生產的目標。使智能化IPV疫苗車間生產數字化車間真正落地。業務流程圖如下：

2 數字化車間整體框架設計

IPV疫苗數字化車間整體分為4個層級。ERP系統是公司級管理層，與車間級管理層MES系統交互數據。MES系統與工藝過程控制系統PCS及工藝、公用工程監視系統SCADA系統交互數據。生產設備接入相應的PCS或SCADA系統。同時把立體庫wms系統和實驗室LIMS系統的結果傳人ERP。系統框架圖如下：

3 MES系統功能設計

MES系統是優化整個車間制造過程，不僅僅解決某個生產瓶頸。MES提供實時收集生產過程中數據的功能，并作出相應的分析和處理。MES需要與計劃層和控制層進行信息交互，通過企業的連續信息流來實現企業信息全集成[1]。

3.1 車間級倉儲管理。首先實現主要物料的條碼管理，然后逐步實施輔料部分。MES與SAP物流模塊、MRP模塊對接，車間從SAP系統請料，成品/半成品車間投放。主要包括：物料入車間庫管理，車間庫存管理，車架物料出庫管理，車間物料報廢管理，車間物料退庫管理。

3.2 物料投放管理。MES系統對投入IPV車間的物料批次、供應商、效期、效價、抽樣、狀態等屬性嚴格管控。物料主數據由ERP系統管理，通過數據接口發送MES系統，MES定義物料車間級的更為詳細的信息。主要包含基礎信息，批次庫存，稱量信息等等。MES支持全程的物料追蹤追溯和物料平衡計算。

3.3 IPV疫苗配方管理。IPV疫苗配方是對完成單位產出品所需原輔料的配比關系。主要包含：單位產出品定義，原輔料數量及單位數量，效價定義，填充料定義等。配方提供變更及驗證控制，需定義有效時間、處方狀態等。

3.4 IPV疫苗生產過程管理。

（1） IPV疫苗車間生產工單管理。工單是車間制造疫苗的核心，疫苗生產過程中的信息由工單系統的連接為一體，也是與其他信息系統集成的和信念。工單來自ERP系統生產模塊的生產指令，按預定格式導入MES系統。工單管理記錄IPV疫苗制造的全部過程狀態，對于任一子狀態，工作流程由信息系統和操作人員處理。

（2）物料稱重管理。支持多種稱量模式：手動，凈重，毛重，混合，計數，支持開包即用。IPV疫苗車間需購置電子天平，嚴格依據處方對物料的精確稱量和計算稱量。實現標準的提示性圖標和稱量流程，提供稱量和復核報告，從而提升了合規性。

（3）電子簽名和審計追蹤。ME系統S遵循FDA法規第21條第11部分電子記錄和電子簽名的要求。具備完全的審計追蹤功能。按照IPV工藝過程控制權限定義系統標準事件是否需要電子簽名以及電子簽名種類，操作員所有活動/操作被完全審計追蹤，包含單人簽名，雙人簽名等。

（4）IPV疫苗制造精準執行。嚴格按照IPV生產工藝及對應的SOP，應用E - BATCH模塊，PCS系統、SCADA系統、手工輸入等方式執行。建立顯示制造指導子系統，依據SOP在生產過程中規范操作員;實時完成數據采集和生產標記;實時控制在線檢測任務;實時上報偏差;結合LIMS系統最終自動產生批記錄，整個過程實現透明化管理。包括菌毒種領用、細胞培養、單價收獲、純化、滅活、三價配液等所有工藝環節。

（5）電子批記錄審核。電子批記錄主要審查：偏差處理，族譜查看，審計追蹤這三個部分，稱量報告和電子批記錄批準放行IPV疫苗制造過程中所有和主批記錄不相符合的內容都需要實時上報。電子批記錄完整反映IPV全部工藝流程所有控制數據，工藝流程及關鍵點過程參數如下圖：

（6） IPV制造過程在線質量管理。MES系統按照取樣規則通過 LIMS系統數據接口對原輔料倉庫待檢物料創建檢驗單，LIMS系統根據檢驗結果做出批次質量判定，結果發送到ERP系統。應用電子指導書把生產工藝規程定義到MES系統中，然后分解各個生產步驟，指導并控制自動化系統及操作人員嚴格按工藝規程生產。同時SCADA系統讀取過程和環境質量數據發送到MES系統，并根據判定標準給出批次質量結果。另外，MES對半成品和成品創建檢驗單據給LIMS系統，LIMS按照檢驗結果完成質量判定。

（7）IPV車間設備管理。MES對設備主要有生產相關的功能，設備的維護管理在另外模塊中實施。包括：設備移動及位置管理;設備的CIP/SIP狀態變化控制管理;稱量儀表的校驗狀態及效期管理;物料占用狀態及設備內物料類別和數量管理;設備容量和相關屬性的管理。

4 IPV工藝過程及公用工程SCADA系統設計

生產工藝過程數據監視SCADA系統的通過統一的接口軟件記錄生產緊密相關的控制系統的生產數據、生產環境數據、關鍵設備運行參數及其狀態、能源數據等。按照法律法規及管理人員的要求組合對應的報表，并發送到MES系統用于生成電子批記錄。IPV車間主要工藝設備有：脈動真空滅菌柜、消毒鍋、干烤箱、百級凈化熱風循環風箱，配液罐，發酵罐，洗瓶機，都由SCADA系統收集、監測、存儲數據。

SACADA客戶端瀏覽當前制藥設備及生產運行情況，通過表格和趨勢對生產過程比較、分析，用以指導生產，查找事故原因;實時瀏覽、打印、查看相應的生產數據報表。

公用工程、純化水、蒸汽、供電系統，環境檢測EMS系統，普通空調、K級空調系統均由上位機或各自的SCADA系統直接集成到MES系統。

5 IPV工藝過程PCS系統設計

部分實現流程化的工藝需要保證系統的PCS系統與設備PLC系統的交互，實現流程的自動化控制。針對IPV項目的間歇式生產流程，應用批量控制軟件E - Batch管理生產配方和參數。對于沒有接入PCS而接入SCADA系統的工藝設備，先收集運行數據，再根據大數據分析為變更流程提供數據支持，經驗證合格后，再逐步接人PCS系統，IPV車間最核心的工藝設備藍式反應器、純化設備在第一階段先接入PCS系統。

6 網絡架構設計

公司網絡已經實現辦公網、工控網物理隔離，工控網只接人工藝設備、控制系統、視頻監控等。升級現有的核心層和匯聚層，由單核心星型網改為雙路熱備星型網;重建車間接人層網絡，設計為工業級SDH光纖雙環網;MES、PCS、SCADA服務器采用DELL的超融合模式，為未來全公司MES系統上線和接人集團公司工業私有云奠定基礎;制定網絡訪問規則級管理辦法，部署工業級網絡安全設備，跨網訪問的應用。

7 實踐應用

IPV數字化車間按照計劃逐步實施?，F階段已完成離散型工藝的SCADA平臺集成并正式投入使用，正在實施環境監測EMS、水、電、蒸汽等系統接人SCADA;新建車間接入網絡，SCADA系統先在現有網絡運行，等工控環形網建好之后再切換;連續工藝的PCS系統，MES系統的工單管理、稱重管理、設備管理模塊已實施完成，處于模擬測試階段;其它MES模塊依據在集成系統中的定位，重視信息的準確及時、規范流程、利用工具、管理創新，根據MES成熟度模型對自身的執行能力進行分析，按照信息集成、事務處理、制造智能三階段循序漸進地實施MES系統[2]。SCADA系統已實時上傳設備運行數據、報警信息，下圖是SCADA系統中CIP在線清洗模塊運行監視畫面截圖。

8 結束語

通過已經上線試運行的SCADA和PCS系統，實現了IPV生產全工藝流程的監視和部分連續性流程的監控。MES系統電子批記錄所需近80%數據實現自動記錄，剩余數據需要MES系統整體整成后從其它模塊獲取，結合少量手工數據，形成完整的電子批記錄，更及時、準確的反映生產過程的數據。最終以MES系統為核心，向上支撐企業經營管理，向下與生產過程的實時數據高度集成，將各自獨立的信息系統連接成為一個完整可靠和有效的整體，達到整個IPV疫苗生產車間數字化的目的。

參考文獻：

[1]盛步云蘇佳奇盧其兵丁毓峰肖婷.面向MES的生產線數據采集系統的研究.計算機測量與控制，2015（9）：2，3.

[2]饒運清李培根李淑霞朱傳軍張超勇金愿華張晴.制造執行系統的現狀與發展趨勢.機械科學與技術，2002（ 06）：3，5，6.