基于無線互聯架構的MES在中藥企業信息化升級中的應用

周 明，張燕群，段念林，周金海

(1.南京中醫藥大學 中醫學院·中西醫結合學院，江蘇 南京 210023；2.杭州海善制藥設備股份有限公司，浙江 杭州 311401；3.南京中醫藥大學 人工智能與信息技術學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

在中醫藥發展的歷史長河中，很長一段時期，中藥材的加工生產都停留在作坊式的手工作業階段。新中國成立之后，隨著國家工業制造業的不斷發展以及市場對中藥材需求量的持續增加，20世紀70年代，機械設備開始應用到中藥材的加工生產中，現已非常普遍[1]。但長期以來，加工過程一直依靠老藥工的人為把握，藥效質量波動較大，在生產過程的信息化管控方面還比較薄弱。

國家藥品監督管理部門為了有效規范中藥企業的生產，制定《藥品生產質量管理規范GMP》，中藥企業需按照GMP要求進行管理。因此，研究應用現代信息技術對企業信息化進行升級改造以保障中藥生產過程可靠有序、確保產品質量穩定、強化企業科技含量和市場競爭力已是一種必然趨勢。本文基于無線互聯架構的MES應用研究，希望在中藥生產質量管控方面尋找更經濟、更高效的方法。

1 中藥企業生產管理信息技術的研究和應用現狀

通用管理類軟件，如辦公自動化、財務管理、倉儲管理系統等，直接用于中藥企業的人、財、物管理已經十分常見，且融合性較好[2]。但是，面向中藥材及飲片生產執行層的信息化管理系統，即工業制造中的MES系統，在中藥企業中的應用屈指可數。針對中藥制藥的MES系統，最主要的特點就是監督，包括對生產流程的監督、生產品質的監督以及對生產設備的監督，外加控制與管理功能，可構成完整的自動化系統，綜合地發揮作用[3]。黃海松等[4]討論了以優化整個生產過程為核心，提出通過對生產經驗的提取，實現生產過程的最優調度，并對系統具體模塊設計進行了闡述。洪艷萍等[5]提出綜合信息集成平臺的構建，強調了企業數據的核心地位。通過實地考察，南京海昌中藥集團早在十年前就在中藥飲片生產過程中開發使用遵循GMP要求且符合SOP流程的MES系統，并成為行業示范[6]。大數據、人工智能是目前較為熱門的信息技術，如有針對商業智能方面的研究，力求實現中藥企業管理者對企業運營信息的深度了解，提升生產決策水平[7-9]。但是，目前中藥企業生產過程信息化系統的應用并不普及，新技術沒有真正地應用于中藥企業的實際生產，只是一定程度上保證了中藥質量安全[10-15]。

2 “保和堂”凈切生產線智能物聯管控信息化升級方案應用設計

“保和堂”是一家中藥飲片中大型企業。長期以來，中藥材凈切生產設備多以傳統電氣開關及部分PLC控制為主，操控機制略顯單一，生產線整體缺少對數據的及時準確采集，難以追溯。生產質量主要依賴老藥工人為把控，生產管理規范性差，產品質量易波動。為了企業發展，生產信息化智能升級改造需求迫在眉睫。

升級改造方案重點是構建中藥材凈切生產智能設備對應管控信息化系統。通過參照洗藥、潤藥、去皮、切制等加工工藝標準流程，運用計算機在線定制操作規程，控制工藝參數，收發生產任務，管控加工過程，實現加工過程規范化、中藥材質量標準化、生產成本節約化及數據可追溯分析。

2.1 系統框架及功能

中藥材凈切生產智能化設備對應管控信息化系統總體框架如圖1所示，具體功能如下。

(1)生產計劃管理：企業生產計劃、操作規范等，通過信息化方式下達工區，工人可根據要求操作相應設備執行加工任務。

(2)參數精確控制：通過智能控制器管理凈切設備，采用過程控制手段，充分保證各種參數的精確控制。例如，通過PID等溫控方式控制潤藥機溫度，使溫度誤差小于±5℃。

圖1 系統框架

(3)實時監控功能：通過智能控制器實時采集關鍵數據，及時發現超警戒值數據，并且進行上傳及報警。

(4)參數跟蹤、保存：中藥材凈切生產過程中，對所有重要數據進行跟蹤保存，便于質量信息處理、歷史記錄查詢及追溯。

(5)遠程實時設備監控：利用無線通信或5G網絡，通過虛擬網絡控制臺(Virtual Network Console，VNC)技術實時監視加工設備，遠程控制凈切加工設備的參數、運轉和停止。

(6)數據云端存儲：各部分通過工業控制線或無線局域網連接，生產數據實時匯總在云端服務器，便于智能分析處理。

2.2 技術措施及描述

2.2.1 主程序架構

中藥材凈切生產智能化設備對應管控系統，服務器端主程序采用瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)模式進行設計，主體架構分為3層，從低到高分別為數據庫訪問層、業務邏輯層和界面層，層與層之間通過接口進行連接。其中，界面層使用Model-View-Controller(MVC)框架，架構清晰，維護方便。業務邏輯層使用工作流理念，規范工區操作流程，利于實現中藥材加工的標準化。根據系統分布式部署需求，界面層與業務邏輯層之間使用Windows Communication Foundation(WCF)框架嵌入服務層，使得界面層各功能模塊可以與主程序完全分離，根據需要部署到不同設備上。主程序架構如圖2所示。

2.2.2 工區無線客戶端設計

工區客戶端采用微信小程序開發，通過接口與主程序服務層進行通信，可實現查看生產任務、錄入加工記錄、檢測成品質量等功能，主界面如圖3所示。微信小程序是一種全新的連接用戶與服務的方式，可以在微信內便捷地獲取和傳播，無需下載安裝，具有出色的使用體驗。其輕量化、隨需隨用，可以實現工區客戶端的無線布局，降低以往工區固定式箱體客戶端布置、排線、維護上的難度，方便中藥材加工企業對生產過程的升級改造。

2.2.3 遠程設備監控

涉及中藥材生產的部分設備要進行自動化升級，利用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)對設備控制方式的改造是工業自動化的標志。PLC以弱電控制取代了傳統電氣化的強電控制，通過預先設計并存儲在其內部的執行邏輯，調控機械設備的運行。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、電力、汽車制造等行業。中藥材生產設備的升級改造主要涉及PLC的開關量邏輯控制、模擬量控制以及通信聯網功能。通過開關量邏輯對設備的啟動和停止進行控制；通過模擬量控制對設備運行的溫度、壓力、速度等模擬數據進行設備運行狀態監控；通過通信聯網功能實現PLC控制器間的通信及PLC與其他智能設備間的通信。

采用虛擬網絡控制臺(Virtual Network Console，VNC)關聯生產設備，實現對設備生產數據的遠程監視和對設備的遠程控制。VNC是基于UNIX和Linux操作系統的開源軟件，遠程控制能力強大，高效實用，主要由客戶端應用程序(vncviewer)和服務器端應用程序(vncserver)兩部分組成。VNC客戶端通過瀏覽器或vncviewer連接至vncserver，經過簡單設置即可實現對設備的遠程訪問。

2.2.4 云服務器部署

系統主程序使用云服務器部署。通過第三方租賃服務配置符合需求的云服務器，進行相關設計軟件安裝、參數設置，建立遠程連接。將本地的項目發布文件夾上傳至服務器端，IIS管理器中添加網站，配置服務器出入站規則。最后進行服務器安全組設置，即可在外網實時訪問主程序包括數據庫。云服務器部署方案，降低了本地服務器維護成本和難度，便于遠程終端的隨時訪問，多地共享數據，便于智能分析處理。

圖2 主程序架構

整個系統的軟件設計遵循中藥生產GMP要求，加工過程完全按照標準操作步驟(SOP)設置，通過上端控制室統籌下達生產任務，各工區人員通過可移動設備接收并完成生產，任務單在工區自動流轉。系統總的工作流程如圖4所示。以“凈選=>洗藥=>去皮”為例，工區流轉過程如圖5所示。

3 結語

針對“保和堂”公司，現代信息新技術在中藥材生產管控中的融合應用，可以更好地實現生產過程規范化、標準化、無紙化及數據可追溯分析，在更大程度上達到了生產的自動化、智能化目標，確保了產品質量更加穩定，促進了經濟效益的提高。作為案例，也可以在中藥制藥行業積極推廣應用。

圖3 小程序工區操作界面

圖4 系統工作流程

國家《中國制造2025》及《中醫藥發展戰略規劃綱要(2016—2030年)》已明確將“加快推進智能制造，注重信息化、智能化與工業化的融合”列為主攻方向。國家也已經把中藥飲片質量標準產業列為當前我國優先發展的高新技術產業化重點領域之一。相信經過一個時期的努力，現代信息新技術與中藥生產各環節的不斷深入結合，一定會在規范生產管理、提高中藥質量、提升產業競爭力等方面顯現突出效果，從而使中藥這一古老的傳統產業重煥青春，為中藥產業和大健康產業發展做出新的貢獻。

圖5 工區流轉