制造執行系統MES 在制藥企業的應用*

王彥桂

（廣州中浩控制技術有限公司，廣州 510070）

0 引言

信息化系統能提高企業的管理與服務水平、降低成本、提升競爭力，這在國內外已經得到了廣泛的認同。國內一些制藥企業也使用了SAP等公司的ERP系統，用于管理下屬企業的人、財、物等資源，但往往僅限于此。

由于藥品制造行業的管控特殊性，制藥企業信息化有著明顯的行業特點，制藥企業必須在國家食品藥品監督管理總局（CFDA）和《良好生產質量管理規范（2010 年修訂）》（簡稱新版GMP）的嚴格管理下進行生產［1］，GMP 在廠房設施、生產管理、質量保證系統等方面均有明確規定，藥品制造的生產環節必須受到嚴格的監控。

MES可以對ERP層面的計劃進行微觀化處理，對生產設備進行協同指揮，同時對生產過程進行及時響應，并對生產過程進行及時調整或干預。制藥企業要建立和運行國際管理體系，提升自身產品質量，使其達到國際監管標準，就必須要求制藥企業也要實施符合GMP 規范的制造執行系統（MES）。對于MES來說，獲得實時數據最重要，這就要求在制藥企業在生產過程現場管控中要逐步摒棄紙質記錄，并使用電子批記錄，兼顧過程管控和生產效率。

在制藥企業實施MES系統是一個系統工程，稍有不慎將導致失敗。本文基于在多個藥品制造企業和營養補充劑制造企業進行MES系統建設積累的經驗，詳細介紹在這類企業實施MES系統的關鍵任務、需要的軟硬件以及重點功能模塊等，以提高MES系統在制藥企業的應用成功率。

1 制藥行業應用MES的迫切性

目前國家已經對藥品制造行業提高了準入門檻，投產必須獲得GMP認證。加上市場環境的變化，企業也需要逐步走向國際市場，制藥企業內部管理水平的高低決定了企業未來的生存。越來越多的制藥企業已經意識到，引進信息化的手段，是提高企業管理水平的有效途徑。

1.1 GMP認證后亟需部署信息化系統

企業引入信息化系統，可以使因獲得GMP認證后得到的工作成果得到鞏固，可以進一步完善優化企業管理制度和流程，提高已有的操作和管理規程標準，并提高整體管理水平。

因為GMP作為藥品生產和質量管理的基本準則，其要求的環節，人為控制是很難解決的。因為人員可能產生疏忽和錯誤，使得手工記錄的數據不準確，導致產品質量出現了不可控。人為控制不能實時在線反映關鍵工序數據和環境信息，無法在出現問題時進行過程的追溯，也無法進行及時報警處理。

只有實現管理信息化，藥品生產企業才能降低內部管理成本、規范藥品質量管理并提高市場競爭能力，醫藥企業管理者才能全面了解企業經營狀況、對各種信息做出快速反應。

1.2 ERP系統不能進行全生產過程管控

目前許多軟件開發商開發的制造企業通用ERP系統主要是建立在組裝型生產模式基礎上的，這與藥品生產企業以質量為核心的混合性批生產模式有著根本區別［2］。

制藥企業重視批生產記錄，強調生產的全過程操作要形成對應的批次記錄，進行生產管理的軟件系統要即時及如實記錄下生產過程中的物料和控制等參數。藥品生產工藝的不同要求配方、工藝參數及步驟都不同，所以需要及時記錄與配方相關的工藝參數及生產步驟信息。

因為工藝要求高且質量控制環節多，制藥企業需要能通過事前、事中而不是事后的控制來解決生產過程中的質量控制。制藥企業的生產成本核算強調的是產品批次核算，而不是ERP體現的產品月核算。

1.3 MES成為生產全面信息化管控的關鍵

制藥企業的質量管理和生產優化活動已緊密地聯系在一起，只有認真地分析研究制藥行業的個性化需求，重視生產過程的工藝參數和質量控制指標信息的實時采集和處理，密切結合GMP要求，在軟件系統上搭建數字化生產線，實現生產過程的信息化控制，形成電子批記錄，才能滿足產品質量的全面管控。

MES系統兼顧生產管理與信息系統管理，體現了計劃和執行并存的管理思想，傳遞現場信息及承接管理信息，使整個工廠管理信息集成為一個整體［3］。它具有生產管理和執行過程監管，實現生產過程的最優計劃與調度、生產工藝優化、操作條件優化、突發事件處理等功能，使生產高效、協調、穩定運行，對生產各個環節進行控制和跟蹤，收集重要數據來幫助企業遵從相關法規、控制質量以及改良生產過程，最終達到提高制藥企業生產效益的目的。

2 用于制藥企業的MES核心任務

MES 在計劃層和生產層之間建立實時的信息渠道，使得生產決策下達到生產車間，生產過程的實時信息及變化上達管理層。MES 還是一個橫向、縱向系統之間集成的系統。MES就是解決制造怎樣執行的問題，其圍繞實時和關系數據庫兩個核心，使用多種通信接口與外部系統通信，MES 擁有生產管理、工藝管理、過程管理和質量管理等幾個重點功能。

制造環節的信息化管理是制藥企業MES 系統的核心任務，包括整個工廠級別的生產基礎信息管理和信息流在各個環節的銜接，也包括各工序級別的信息載體和信息流控制。

2.1 工廠級別的生產信息化管理

生產是一個復雜但協調的過程，作為輔助生產的信息化系統，MES系統將和ERP系統一起完成生產的信息化管理過程。工廠級別的生產信息化管理過程如圖1所示。

圖1 工廠級別的生產信息化管理過程

（1）工廠的物料信息、產品信息和基礎生產規程一般都由ERP系統進行管理，通過企業連接器（接口模塊）進行MES系統和ERP系統之間的同步。

（2）生產任務產生以后，一級計劃也通過接口同步到MES系統進行進一步的排產計劃，然后車間根據計劃進行生產調度。

（3）生產指令將通過MES系統從車間辦公室下達到倉庫進行備料，并同時下達到各個車間進行生產準備。

（4）車間接收到倉庫的備料后按照工藝流程進行生產，使用MES系統終端進行工單在操作間之間的協調和流轉。

（5）部分工序將生產指令直接下達到反應釜中進行生產操作，操作過程在MES的生產監控功能中進行數據采集和生產監視。

（6）部分生產環節由工人進行手工操作機器進行操作，在MES終端中記錄生產過程。

（7）每批次生產完成后由MES進行數據收集，在每個環節填寫電子批記錄，待生產完成后備查。

（8）重要生產過程數據將適時返回到ERP系統中進行生產實績分析，幫助管理人員進行輔助決策。

2.2 工序級別的信息化管理

藥品生產信息流管理的最小環節是工序，因為每個產品的物料和中間體都會按照工藝流程中規定的工序進行流動，相同的工序可以有多個操作間，生產設備位于每個操作間中。物料管控信息的管控路線按照工藝流程規定的工序進行組織將是最恰當的，當然同時需要記錄操作發生的準確操作間。

（1）MES系統準備好了信息化管控所需的基礎信息，包括產品、物料、配方等，就可以按照車間生產計劃創建工單進行生產。

（2）藥品生產指令單可能包括備料指令單、生產指令單、內包指令單和外包指令單等，各生產環節將通過這些指令單的指示進行工作。

（3）原輔料及包材都貼有WMS 系統的條碼標簽。因為倉庫不是符合潔凈度要求的環境，故物料進入備料間時需要在拆包間進行拆包，除去外包后在內包上粘貼MES系統打印的條碼標簽，開始MES系統跟蹤。

（4）物料經過按照配方的備料和預混合的工序后，裝入料斗或者料桶發往生產車間。這些物料已經與編碼的容器進行了系統關聯，這時掃描容器就可以獲得容器內部的物料信息。

（5）之后物料和過程物料在進入一個工序時都需要掃描記錄進入時間和操作人等信息。在離開這個工序使用容器并進行稱量時都需要進行工序出料跟蹤，記錄出料量、出料時間以及操作復核人等信息。

（6）每個批次中某個工序的操作開始和結束時間都要準確記錄，以便統計工序生產效能。收料和出料的重量也要準確記錄，以便計算每個工序的收率和平衡率。

（7）MES系統根據工藝流程控制物料的流轉與防錯，同時記錄各種工序中產生的信息，生成或者由工人錄入批次記錄，這些要記錄的信息都是GMP規范所要求的。

（8）MES是其他生產管理活動的連接點。MES在每個工序的數據終端都需要把把生產實時狀態與其他系統進行連接，這些都通過企業連接器（接口程序）來實現。MES向其他系統提供實時信息，如工序抽樣送檢在送樣的同時MES系統已經向LIMS系統傳送了本次送樣的詳細信息，LIMS 檢測完畢后MES系統獲得結果決定下一步的操作。

以片劑制造工藝為例示意車間工序信息化過程如圖2所示。

圖2 車間工序信息化過程示意圖

3 必要的設備及技術要件

MES系統運行需要幾種必要的硬件設備支持，系統應該具備幾臺必備的服務器，至少包括應用服務器、數據庫服務器以及一臺驗證服務器。除了服務器，硬件系統還包括操作間數據采集觸摸屏計算機、條碼掃描器、條碼打印機和智能電子稱。

因為制藥企業的操作間至少是10萬級的潔凈度，如果使用臺式計算機將存在密封不嚴和難以清潔的問題，所以最好采用功耗較低的一體觸摸屏計算機進行數據采集和錄入。另外，條碼打印機用于進行條碼打印；條碼掃描器用于讀取條形碼以減少人工錄入工作量；智能電子稱用于在備料和操作過程中對原輔料進行稱重和復核重量。

MES系統的硬件結構圖如圖3 所示。

圖3 制藥企業MES系統硬件結構圖

4 制藥企業MES功能及應用

MESA定義的MES系統在對整個車間制造過程進行優化的基礎上，通過生產過程數據的實時收集，實現企業信息全集成［4］。

ISA95將制造信息化管理功能分為8 類，藥品制造行業的MES系統也無出其右。但作為批次和流程混合型的生產模式，該行業MES系統又有其獨特的特點，制藥企業MES 系統功能模塊在制造信息化8類功能中的位置如圖4所示。

圖4 制藥企業MES系統功能圖

以下介紹其中幾個重點功能模塊和其應用。

4.1 基礎資料管理

制藥企業在生產環節使用的生產資料相當多，MES系統在有效運作前需要將這些基礎資料進行分門別類的預先建立或者動態管理，分類的主要方法還是按照“人、機、料”和“法、環、測”來進行。

“人”的信息包括基本屬性，還有與人相關的權限信息、RFID射頻工卡等信息。“機”包括生產中所使用的設備、模具等生產用具，不但包括制粒、總混等主生產設備，還包括料桶、膠桶、小車、電子秤、托架等儲存和搬運物料的容器等輔助設備，打印條碼粘貼以方便進行唯一性和使用狀態的管理。生產需要的原料、包材、半成品、待檢品等都是物料，“料”是MES跟蹤的重點內容。

生產過程中所需遵循的規章制度，包括工藝指導書、檢驗標準和各種操作規程等就是“法”。“環”指環境，藥品生產對環境的要求相當嚴格。生產過程中的檢測包括檢驗和測量兩個方面，產品和半成品是否合格要經過必要的檢驗，其某些特性要進行測量，比如丸子的重量和硬度等。

4.2 配方管理

制藥企業用批量生產方式組織生產。其特點是響應市場需求，利用現有生產裝置，采用不同的配方，不同的原料，不同的生產工藝來生產不同的產品，從而表現出良好的生產柔性，但其柔性很大程度上依賴于配方管理和配方切換的效率，所以配方管理模塊是MES的重要模塊［5］。

配方不僅包含產品不同原料的配比情況，還包括生產要使用的工藝規程、操作要點和要經過的加工工序等詳細信息，配方管理功能為這些要求提供完善的支持。配方管理功能界面如圖5所示。

圖5 配方管理功能示意圖

4.3 工藝流程管理

工藝流程驅動一個工單的執行，工單包含了產品、物料和配方等信息，在工單執行之前，在配方制定時就指定了其應該遵循的工藝流程，工藝流程一般由工序組成。

MES將每個環節的每種物料和中間物料都進行唯一編碼，管控生產時按照設定的工藝流程控制物料的流向，如果物料被移動到了錯誤的工序或批次，系統將在MES數據終端或者看板上報警提示。

工藝流程管理功能界面如圖6所示。

圖6 工藝流程管理功能示意圖

4.4 稱重管理

藥品生產企業尤其重視物料重量的稱量和復核，MES 將連接電子秤和電子天平來實現自動稱重與無紙化記錄，預防偏差實現準確性和可追溯性。

生產指令建立后，指令單通過MES系統也下達到倉庫、稱量間和操作間，同時，物料通過條碼掃描進行識別驗證，并在操作間MES終端上直接顯示SOP，確保物料稱重操作快速而準確；每次稱重完成后，物料的庫存量也會隨之調整，這個過程消除了手工流轉，提升了過程效率，防止潛在的人工失誤。

4.5 生產追溯

制藥企業要求有嚴格的批號記錄和跟蹤，從原材料、供應商、中間品以及銷售出去的產品，都需要記錄。一旦出現問題，企業可以通過批號反查出是誰的原料、哪個部門、何時生產的，直到查出問題所在［6］。

正向追溯功能追蹤原材料信息，建立由原料、生產、物流、再加工、銷售的追蹤系統。反向追溯通過成品或者自制半成品的編號，往前追蹤該產品使用的物料信息、加工設備、操作人員、工序等詳細生產信息，生產的每一個環節都將得到監督。追溯功能界面如圖7所示。

圖7 追溯功能示意圖

4.6 批次記錄電子化

生產批記錄在GMP認證檢查、質量管理和檢查、藥品申報等活動中都至關重要，隨著企業和政府信息化的進一步開展，電子批記錄將越來越迫切。GMP信息在藥品生產過程中也體現為藥品批生產記錄，傳統的手工管理方式，無法滿足制藥企業深層次批次管理的需求，需要在MES系統中建立藥品的電子批記錄［7］。

為了實現批生產記錄的電子化，MES系統提供數據終端及終端軟件對生產現場質量管理數據的實時記錄和填寫，及時跟蹤和共享。

通過對生產執行、質量檢驗、物料流轉過程中的工藝參數、環境指標、相關操作等信息的實時自動采集或手動錄入，將整個生產過程記錄到系統中，產生易讀且符合GMP 及CFDA要求的準確完整的記錄。

5 計算機化系統驗證

制藥企業的計算機化系統需要進行合規性管理，這是一個顯著的特點。GAMP 5 是其指導方針，GAMP 5 指出了計算機化系統必須符合GxP 法規和預定用途，以保證患者安全、產品質量和數據完整性。同時計算機化系統也應滿足FDA 21 CFR Part 11中有關電子記錄和電子簽名的規定［8］。制造執行系統在制藥企業落地，需要進行計算機化系統的驗證，用詳細記錄的驗證文件證明系統符合法規要求。

6 結束語

制藥企業在生產現場管理上的管理水平已嚴重制約了其發展，但在制藥企業順利應用MES系統也殊為不易。本文提出要讓MES成為企業生產管理的有力工具，必須采用合適的MES數據終端設備及開發符合本行業特點的MES軟件，選擇具有豐富的相關行業信息化項目經驗的MES 系統實施團隊，尤其要以滿足GMP 要求為基本條件，以批記錄電子化為重點，輔以配方管理、工單管理、生產過程可視化和稱重分配等系統功能進行MES 系統實施，并完成計算機化系統驗證，才可以使MES系統的應用獲得成功。