基于5G網絡技術的中藥制造智能監控系統的設計

呂宏

藥品生產關系到千家萬戶的用藥安全，因此對藥品生產的全過程的監控和智能調度的重要性不言而喻。中藥制造企業又面臨著傳統工藝的復雜性、不規范性，以及資源保護和質量控制的難題，還有老字號品牌的企業生命的復興命題。

過去沒有5G技術，中藥制藥行業的SCADA系統全都從設計上考慮本地部署方案，但屬地的網絡安全環境薄弱，對于重要的生產制造系統，無法做到高質量防御、實時監測、實時響應，若要改造或升級一次性投入成本較高，后期維護成本也大。所以企業面臨非核心業務的高成本，而且國家新版GMP要求企業對業務數據的可追溯提出了更高要求，基本藥物、醫保報銷藥物等患者普遍關注的藥品，需盡快建立藥品全產業鏈追溯體系，這樣技術上要確保萬無一失，所以企業為控制風險不得不承擔相應的高額運維成本。而現階段隨著5G技術的應用，企業如何既享受到云端服務的安全、可靠、便捷，同時還不損失工藝對業務數據的要求。本文將結合在上海某中型中藥制造企業中，5G技術在中藥智能監控系統中的應用案例進行探討，提供行業應用示范參考。

一、現狀痛點

（一）中藥制藥行業SCAD系統現狀

SCADA是監控控制與數據采集的英文縮寫，是一種用于監控和控制工業過程的計算機系統。SCADA系統通常由一臺或多臺遠程終端單元（RTU）、操作站、數據庫、通信設備和軟件等組成，可以實時監控和管理工業過程中的各個參數和設備，如溫度、壓力、流量、電力負荷等。

醫藥工業引入SCADA系統的主要目的是實現對生產過程的實時洞察和控制，提高生產效能和質量，降低生產成本和風險。具體來說，SCADA系統+MES生產執行系統可以幫助醫藥工業實現，實時監控生產過程，優化生產過程，遠程控制和管理，提高生產安全性和可靠性。

（二）傳統醫藥工業SCADA系統的痛點

傳統醫藥工業SCADA系統主要是通過DCS和PLC來洞察和控制，生產過程中的各類參數，比如溫濕度、流速、壓力、轉速等。這些數據可以通過SCADA系統實時采集、處理和分析，從而實現對生產過程的實時監控和管理。然而，傳統醫藥工業SCADA系統在實際應用中，大多數醫藥企業仍然采用本地部署的方式，即將SCADA系統安裝在企業內部的服務器上，由企業自己負責系統的運維和維護。本地部署的方式可以保證系統的安全性和穩定性，但需要企業投入大量的資金和人力資源。

二、技術方案

5G網絡技術相較于前幾代移動通信網絡，實現了各方面能力的飛躍性發展。這一切使得我們進入了一個充滿機遇的時代，滿足了人們對各種萬物互聯的想象。5G網絡技術的主要特點包括更快的網速，可以滿足大數據量的快速傳輸需求；更低的時延，滿足了實時性的要求；更廣的連接范圍，可以滿足多站點并發采集的需求。正因為如此，5G網絡技術的到來為提高中藥制造智能化監控水平提供了更多的可能性。

基于5G云部署的方式是將SCADA系統部署在云平臺上，通過互聯網連接到各個生產設備，實現對生產過程的實時監控和管理。具體技術方案如下。

（一） 云平臺選擇

選擇一個可靠的云平臺供應商，如AWS、Azure、阿里云等，根據實際需求選擇適合的云平臺服務。

（二） 虛擬化環境搭建

在云平臺上創建虛擬機實例，安裝SCADA系統所需的操作系統和軟件，并進行相應的配置和優化。

（三） 數據采集設備連接

將生產設備連接到SCADA系統，通過網關或串口等方式將數據傳輸到云平臺上。

（四） 數據存儲和處理

將采集到的數據存儲在云平臺上的數據庫中，并進行實時處理和分析，生成實時監控數據和報表。

（五） 遠程訪問和控制

通過互聯網連接到SCADA系統，實現對生產過程的遠程訪問和控制，包括實時監控、數據查詢、報警處理、遠程控制等功能。

（六） 安全性保障

采取各種安全措施，如數據加密、身份認證、防火墻等，確保SCADA系統的數據和操作安全可靠。

三、 優勢分析

使用5G技術進行云部署方式具有很多優勢，可以幫助企業降低部署和維護成本，提高系統的擴展性、穩定性、安全性和性能。當然，企業也需要注意選擇可靠的云服務提供商和5G網絡運營商，以確保系統的穩定性和安全性。

（一） 擴展性方面

使用5G技術進行云部署方式可以提供更高的擴展性，因為5G網絡具有高帶寬和低延遲的特點，可以支持更多的用戶和應用。同時，5G網絡還支持廣連接，可以連接更多的設備，從而實現更大規模的部署。

（二）部署和維護成本方面

使用5G技術進行云部署方式可以減少部署和維護成本，因為企業不需要購買和維護昂貴的硬件設備、軟件系統以及人力資源投入，只需要支付云服務提供商的租用費用即可。此外，使用5G技術進行云部署方式還可以通過自動化管理和監控來降低維護成本。

（三）系統升級難度方面

使用5G技術進行云部署方式可以降低系統升級難度，因為云服務提供商可以通過云平臺來實現系統升級，企業只需要按照云服務提供商的升級流程進行操作即可。此外，云服務提供商還可以提供自動化升級工具，幫助企業快速完成系統升級。

（四）系統穩定性方面

使用5G技術進行云部署方式可以提高系統穩定性，因為5G網絡具有更強的容錯性和健壯性，可以在網絡故障和設備故障的情況下保持系統的可用性和穩定性。此外，云服務提供商還可以提供容災和備份機制，確保系統數據和應用的備份和恢復，從而提高系統的可靠性和穩定性。

（五）數據安全性方面

使用5G技術進行云部署方式可以提高數據安全性，因為5G網絡具有更高的安全性和可靠性，可以保護數據傳輸的安全性。此外，云服務提供商還可以提供安全性管理和監控工具，幫助企業實時監控系統的安全性，并及時發現和處理安全威脅。

（六）系統運行速度方面

使用5G技術進行云部署方式可以提高系統運行速度，因為5G網絡具有低延遲和高帶寬的特點，可以支持更多的并發請求和數據處理。此外，云服務提供商還可以提供分布式計算和負載均衡技術，將請求分散到多個計算節點上進行處理，從而提高系統的響應速度和處理能力。

四、 應用案例

國內5G網絡技術的快速普及和商用，給中藥制造業SCADA數據的采集和通信提供了一種很好的解決方案。5G 無線網絡的監控系統組網方式設計在上海某中型中藥制藥企業，進行了測試應用，通信良好且數據傳輸穩定，起到了示范作用。

（一） 高帶寬

目前，該企業共有生產車間5個，倉庫1個，辦公樓1棟，輔助工程樓1棟，合計樓宇共計8棟，總面積約3.3萬m2，采集總點數13767點，其中制劑7233 點 ，提取4868點 ，前處理1666 點。采集設備范圍包括：提取、濃縮、噴霧干燥機、帶式干燥機、總混機、制粒機、包裝機等。數據包括各類溫度、壓力、轉速、工作時間、報警信息等。

由于各個車間建設的時期不一樣，之前的通信網絡受限于早期的技術條件，有自建以太網連接，自建簡易機房，網絡狀態不佳，數據通信不穩定，數據庫安全性差，機房無備災措施、維護工作量大，已經不能滿足現有業務對數據采集和智能化調度的需求。5G網絡技術改造方案的提出和實施，很好地解決了上述問題，同時為后續的企業智能制造打下了堅實的基礎，增強了寬帶創造出了更快的網絡速率，解決了之前帶寬低、數據擁堵、刷新慢的問題，可以集成DCS和PLC系統，滿足對多設備、多產線、多機型的大數據采集需求，為中藥企業的數字化轉型提供了基礎數據支撐，如圖1所示。

（二）低時延

改造之前，整個SCADA網絡通信時延較大，時有發生丟包的現象。因此，系統的數據刷新頻率較低，個別采集點每隔一段時間還會出現網絡卡死或假死的現象，導致數據不刷新，需要維護人員到現場站點重啟復位網絡設備。該問題處理起來不僅工作量大，還給支持整個企業日常運營的信息化系統的安全運維帶來隱患。該項目采用5G技術并結合SCADA軟件DNP協議的主動上報功能，不僅讓數據達到毫秒級的實時上傳，數據傳輸的穩定性和可靠性也得到質的提升。

延時測試，通過專線訪問屬地設備，延時較低，滿足采集業務要求。生產工藝人員能更加及時地了解到產線上各個節點參數的變化情況，關鍵設備溫度、壓力、轉速等的變化情況，結合產線的智能仿真系統，可及時有效地對產線的危險情況做出預警。整個SCADA的監控調度更加流暢，數據刷新頻率更快，實時性更高，各生產設備控制點遠程監控命令更加高效和可靠，為今后有人值守崗位減員 增效打下了很好的基礎，提升中藥制造企業自動化控制的整體水平。

（三）廣連接

SCADA系統面臨的最大問題就是采集點位多，分布廣。改造之前不同通信方式接入的時間缺乏統一的規劃，IP資源分配不合理，面臨IP資源枯竭的問題。另外，2G/3G 無線通信卡撥號時候一般都是動態IP的方式，每次重啟后重新撥號IP都會發生變化，因此，網絡中配置了1臺通信服務器用來做數據轉發。通信服務器上有固定IP，每個車間無線設備撥號后作為 TCP client，連接到通信服務器的固定IP上，SCADA軟件再和通信服務器進行通信，完成數據采集和遠程監控。5G技術引入后，設備覆蓋更廣，數據采集更廣，遠程協作更廣，可以支持制藥企業內部和外部的遠程協作，實現營銷管控向下游延伸，保持與800家渠道經銷商和終端藥店銷售業務和庫存數據的協同，提升了精準制造能力和庫存周轉率。通過5G網絡，可以實現更加高效的協作和溝通。

（四） 高可靠

隨著5G技術的應用，企業可以享受云端服務的安全可靠便捷，同時還不損失工藝對業務數據的要求。除了利用5G網絡技術提高數據通信的穩定性和可靠性，上云后，企業私有云網絡安全可滿足等級保護三級要求，可以實現全層次，全方位安全防護。業務數據的備災方面，企業私有云主數據中心部署于羅涇，同城災備數據中心部署于張江，具備同城6級容災能力，異地災備數據中心部署于重慶，其中主機層禁止同網段其他主機的通信，主機層禁止同網段其他主機的通信。

（五）車間網絡拓撲結構圖

改造前，本地部署SCADA方式的車間網絡拓撲結構通常是一個封閉的局域網，所有的設備和服務器都集中在車間內部，通過有線網絡連接起來。這種拓撲結構存在的問題是，由于所有設備都集中在車間內部，一旦網絡出現故障，整個車間的生產線都會受到影響，造成生產中斷和損失，而且由于網絡拓撲結構比較封閉，難以進行遠程管理和維護，一旦設備出現故障，需要派人到現場進行排查和修復，耗費時間和人力成本較高，如圖2所示。

改造后，運用5G技術上云部署方式的車間網絡拓撲結構采用了分布式的架構，所有的設備和服務器都通過5G網絡連接到云端的服務器上，形成一個云-邊緣-終端的架構。這種拓撲結構有以下優勢是，可以實現設備的遠程管理和維護，大大降低了維護成本和風險，同時分布式的架構可以支持更多的設備連接，滿足生產線的擴容需求，并且云端的服務器可以提供強大的計算和存儲能力，支持更多的應用場景和業務需求變更，如圖3所示。

五、其他場景應用

5G技術除了可以為制藥企業提供高速、低延遲和高可靠性的通信網絡，實現智能制造，提高生產效率和質量，還可以在如下幾個場景有較好的發展前景。

（一）設備遠程診斷

關鍵性設備的停機將打亂企業的正常生產秩序，據上海某中型中藥制藥廠測算，停產一天的直接經濟損失就達50萬元，這還不包括影響交期給用戶帶來的負面用戶滿意度下降等非直接經濟損失。所以關鍵性設備的及時修復或日常巡護就要求非常高，過去這種情況只能請設備供應商上門維修，時間的機會成本非常高，運用5G技術，佩戴配有音視頻的頭盔解放雙手，可以實現遠程多媒體的指導，快速解決故障，為企業減少損失。

（二） 對委托生產企業遠程巡檢

根據相關法規，委托方必須對委托生產企業的生產過程和產品質量進行監督和檢查，確保委托生產的藥品符合國家藥品質量標準和相關法律法規要求。如果委托生產的藥品存在質量問題或者違反相關法律法規，委托方也將承擔相應的法律責任。運用5G技術，可以實現遠程監管，轉過去出差現場檢查，變成隨機實時抽查，避免為應付檢查而檢查不到實際情況的問題，提高了監管的有效性，也節約了監管成本，控制了企業委托生產的風險。

（三）技防措施提升

在企業安全生產，5G技術可以與虛擬現實技術結合，實現對防爆車間電子圍欄，制藥生產線的虛擬仿真和培訓，提高生產人員的技能水平，對高危的風險鎖死預警提示等，防止重大安全事故的發生。

六、小結

在傳統的網絡模式下，由于各種網絡通信協議的種類繁多，并且彼此之間存在一定的局限性和封閉性，因此互聯互通在工業設備中是一個挑戰，這對于工業公司的生產設備進行智能化改造構成了巨大的阻礙。因此，我們迫切需要建立一種新型的網絡技術系統，它能夠適應多種協議。我們應該充分利用5G技術的高帶寬、多并發和低延遲等優勢，將其有效、穩定、安全地應用于現代化的中藥智能制造領域。推動傳統中藥產業向技術數字化轉型。

作者單位：上海雷允上藥業有限公司

基金項目：上海市工業互聯網創新發展專項，項目編號：2020-GYHLW-02002。