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施耐德电气批次控制与管理系统在生物制药智能制造的应用
  • 企业:     行业:制药/医疗     领域:智能制造    
  • 点击数:1135     发布时间:2018-12-13 11:23:11
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1 项目背景

此项目是全球首个为个体患者定制药品的全自动、智能制造工厂。工厂的设计目标是,每天由全国各地的医生开具药方,由生产管理系统接收这些药方,再由生产管理系统驱动工厂的各个环节如仓库、生产等设施的自动运行,为每天数以万计的患者生产定制化的药品,再由快递送达患者手中。即以工业级的成本,实现高度个性化的定制生产;在确保灵活性的同时,还要符合制药行业的法规要求,为每个批次提供数据完整可追溯的电子批记录。

每个患者药品的原料配比、生产设备路径、工艺参数都不相同,如何使数千种原料,在接收订单后迅速挑选、称重、转运至生产车间,并按照医生处方要求的设备类型、生产流程、工艺参数进行加工和包装,同时迅速到达患者手中?这是对生产灵活性的一个巨大挑战,也是人类制药工业史上的一次重大创新。

2 项目原则

项目要符合两个基本原则:一是智能制造的核心价值——低成本的定制;透明工厂,把工厂融入物联网,打破生产的黑盒子,实现从订单、生产、到物流的全自动高效流转。二是合规。制药工厂受行业法规的强制监管,数据完整性是强制要求,所以数据需要全程追溯,并自动生成电子批记录。

3 解决方案

面对创新与挑战,施耐德电气向用户提供了整体工厂的全面解决方案,包括订单业务系统、订单管理系统、设备集成平台和批次控制系统,四个子系统紧密配合,实现了从客户到生产再到客户的整个过程,实现工厂高效,智能,柔性化运行。四个子系统各自完成如下功能:

(1)订单业务系统

从远程/移动客户端接收客户订单,并提供客户信息、产品名称、物料清单、提取工艺等数据给订单管理系统。

(2)订单管理系统

订单管理系统接收来自订单业务系统的信息,并按照优先级排定生产顺序,按照顺序把订单发送给设备集成平台的订单管理模块;同时,订单管理系统也接收来自设备集成平台订单管理模块的数据,主要是订单生产进度,完成状态,配送状况等数据,并把这些数据发送给订单业务系统,客户就可以在远程/移动客户端查看订单生产进度,完成状态,配送情况等信息。

(3)设备集成平台

集成所有的生存设备,采集来自设备的过程数据,集成订单管理系统和批次控制系统来进行生产排程和生产状态的管理。订单管理模块接收来自订单管理系统的订单信息,按照当前设备状态进行生产排程;同时,实时更新订单执行状态,并更新到订单管理系统。

(4)批次控制系统

接收来自设备集成平台的订单管理模块的订单下达指令,并根据当前设备状态排定生产计划。当有空闲提取设备时,启动使用相应配方的生产批次,设备在批次控制服务器的控制下全自动完成所有生产动作。同时,在批次数据库中保存所有批次生产历史。

3.1 数据集成平台

本项目中,设备集成平台采用施耐德电气Wonderware System Platform软件平台,它集成配料系统,所有车间的生产和灌装设备和设备的通信以采集数据,采用Modbus TCP协议。设备集成平台统一建立设备和工厂模型,把上述所有子系统的全部设备集成到一个统一的平台,批次控制系统通过设备集成平台来控制设备按照工艺配方运行。

3.2 批次控制与管理系统

批次控制系统是本项目生产控制与管理的核心软件系统,它严格按照ISA88的规范搭建,在配方的控制下,根据当前的设备和物料状态,完全自动化地完成生产过程,充分发挥设备的效率,具有极大的柔性和灵活性,实现了个体定制化生产。

在本项目中,批次控制软件采用施耐德电气Wonderware InBatch,它把配料系统、物流系统、生产车间的所有设备结合在一起,在工艺配方的控制和协调下,自动化地完成整个提取过程。

批次控制从设计、开发到生产,包括以下几个部分:

(1)建立过程模型;

(2)设备集成;

(3)建立配方;

(4)生产排程;

(5)生产看板;

(6)电子批记录。

在本项目中,设备集成平台和批次控制系统是一个有机的整体,具有灵活的分布式部署架构,结合实际的厂房和IT设计,设计系统网络和部署架构图如图1所示。

20.jpg

 图1  系统网络和部署架构图

在此架构中,设置了服务器用于数据采集、控件、批次控制、历史数据库/批次历史数据库等。每个车间,分别设立一台终端电脑用于看板显示。在集中监控室,设置集中监控站、工程师站、生产管理终端,功能分别为:

(1)数据采集/设备集成服务器

2台,互为冗余,设备集成平台主服务器。数据采集,设备集成建模,所有SCADA监控功能,也是批次控制服务器和设备之间的通信网关。

(2)批次控制服务器

2台,冗余配置。批次控制引擎,管理、调度所有的配方运行,控制设备控制器按照配方规定工艺过程工作,同时向批次历史数据库传送批次运行数据。

(3)历史数据库服务器

2台,冗余配置。保存所有来自设备集成服务器的过程数据,用于后续工艺分析和设备诊断。

(4)批次历史数据库服务器

1台,保存所有来自批次控制服务器的批次生产数据,包括工艺、物料、设备、人员、时间等信息。

(5)车间看板

每个车间设备一台,用于显示本车间所有提取设备的运行状态和生产数据、批次执行状态、批次执行进度和报警信息以及灌装设备运行状态、生产数据和报警信息等。

(6)集中监控站

1~2台,设置在集中监控室。监控整个工厂的运行状况,包括配料和所有车间的所有设备和生产过程,批次执行情况,物料和产品等生产信息。

(7)生产管理工作站

1台,作为和订单管理系统的接口,接收来自订单管理系统的订单信息,并且根据当前生产车间设备状态排定生产计划。

(8)工程师站

1台,系统维护工程师站,用于对本系统包括设备集成平台和批次控制系统的维护。同时,它也作为配置服务器保存本系统所有的工程文件和系统设置信息。

3.3 设备控制
在批次控制与管理系统的下层,是每个车间与所有设备的具体控制系统。这些控制器,接受来自上级批次控制与管理系统的指令,完成所有设备的全自动生产;并把生产过程的数据信息,反馈给上次批次控制与管理系统,供其生成电子批记录之用;还会把设备的可用状态信息反馈给上级批次控制与管理系统,供其实现智能调用设备之用。设备控制采用施耐德电气的Modicon控制器。局部结构如图2所示。

21.jpg

图2  设备控制局部结构

4 项目意义

批次控制系统是本项目实现智能柔性制造的核心系统,在批次控制系统的指挥和调度下,充分发挥设备和产线的生产能力,最大限度地提高生产效率。通过与订单管理系统的整合,自动按照客户的需求选择不同的配方,工艺,可实现个性化的调整,真正把订单、工艺、物料、设备、物流结合起来,建立完全智能化、柔性、高效的智慧工厂。

作者简介:

蒋能群,博士,施耐德电气(中国)有限公司制药行业负责人,在制药行业有18年的经验,全程、全面参与了全球第一个工业4.0制药项目的顶层设计与落地,并长期致力于以自动化和信息化的手段,结合针对特定工艺的要求,适应不断升级的法规要求,推动中国制药行业从量到质、从粗放到高效的进步与升级。

精彩问答

自动化博览:施耐德电气为制药行业提供哪些产品或解决方案?

蒋能群:施耐德电气为制药行业提供遵循ISA95架构的完整的产品和解决方案,包括以下方面:

(1)Level 1:仪表、传感器、驱动、伺服、配电产品等;

(2)Level 2:控制系统,包括设备和药机的控制系统Modicon系列控制器、过程控制系统PES、楼宇自控和环境监控等;

(3)Level 2.5:自动化整合层,包括Wonderware System Platform,Wonderware InBatch等;

(4)Level 3:生产管理与制造执行系统,例如Wonderware MES等。

自动化博览:施耐德电气在制药行业的主要特点和优势是什么?

蒋能群:施耐德电气把世界领先的智能制造平台与深入落地的行业应用充分结合,形成了高效、合规的解决方案。在创造一个又一个成功案例的同时,与合作伙伴、用户合作共赢,为更多的用户带去价值。

施耐德电气拥有众多的明星产品,例如上述提到的Modicon、Wonderware、PES等品牌,在各行各业均有出色的表现。我们针对制药行业的各类工艺,遵循法规要求,搭建了各种解决方案模块,具有成熟可靠的特点,可以帮助用户迅速建设项目,达成制造的KPI要求。

自动化博览:您感受到我国制药市场正在发生着哪些变化,呈现出哪些特点?

蒋能群:中国制药工业正在经历一个发展与挑战十分巨大的时代,涵盖以下特点:

(1)人口基数巨大,老龄化趋势,使得制药行业的体量增长十分迅速;

(2)智能制造的大环境,对制药行业提出了新的品质与效率的要求;

(3)法规升级,严管药品质量,例如最近的热点话题“数据完整性”,杜绝数据造假,造假数据就等于造假药,是严重的违法行为,驱动了制药行业对自动化整合层和电子批记录的爆发式需求。

应对这些机遇与挑战,施耐德电气早已准备好相应的解决方案,致力于与伙伴、用户携手面对,合作共赢,共谋制药市场的发展。

自动化博览:在您看来,制药行业的发展前景如何?施耐德电气在此方面有何规划?

蒋能群:制药行业的发展前景十分广阔,既有量的增长,又有质的提升,而且制药行业是刚性需求、不受经济波动的影响,这都为我们创造了很好的发展空间和机会。施耐德电气将继续借助EcoStruxureTM领先平台与成熟产品,大力培养行业生态圈,搭建行业应用模块,与有志于行业进步的合作伙伴一起,为用户提供更多、更好的解决方案。

摘自《自动化博览》2018年11月刊

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