视点| 中药生产智能工厂集成框架设计

    1　引言

    随着我国经济的发展和人民生活水平的日益提升，为满足人民群众日益增长的健康需求，中医药作为我国独特的资源越来越受到国家和人民群众的重视。2016年12月国务院发布的《中国的中医药》白皮书中指出，全国共有2088家通过GMP认证的中成药制药企业，2015年中药工业总产值达到7866亿元[1] ，中药产业已成为我国具有独特优势和广阔市场前景的战略性产业。在《中国制造2025》的大背景下，提升中药工业自动化、信息化和智能化水平，实现中药生产关键工艺过程自动化，广泛获取和挖掘中药生产过程的数据和信息，为生产过程的自动优化和决策提供支撑，能显著带动中药工业升级转型，更好地服务于人民群众健康。

    2　中药生产现状

    2.1　中药生产工艺

    中药生产包括前处理、提取、浓缩、干燥、制粒和包装等工序[2]。中药前处理阶段包括对中药材检验、炮制和粉碎等步骤，将中草药加工成满足后续工艺要求的待加工原料药材；然后经过投料、提取、过滤、浓缩、醇沉、过滤、灭菌、干燥等工序；最后加工制粒，并按照一定规格标准进行包装。典型的中药生产工艺流程如图1所示。

    图1 中药生产工艺流程

    中药厂的生产一般都要涉及药材的前处理（药材前处理车间），提取、浓缩、干燥（即提取车间），中药提取物的制剂车间，产品包装车间和原材料仓库、成品仓库，品质检验等各个环节。中药生产流程从原料材料前处理到产品包装完成，是一个复杂的动态变化系统。在上述生产过程中，伴随生产物料在各工序上的流动，各控制系统之间、生产操作者之间、以及生产操作者与控制系统之间为了实现准确、高效的生产协同，必须实时地交互大量的控制信息、生产批次调度信息等各种生产现场指令信息。

    2.2　典型中药厂自动化现状

    作为特别讲究质量和规范的行业，中药行业与航天、轨道交通等先进制造行业相比，在自动化、信息化基础水平上都存在一定的差距[3]。虽然大部分中药企业在提取、浓缩等关键工序都配套了自控系统，但整个生产依然以现场人工操作和手工记录为主，智能化系统应用水平不高。下面以国内某典型中药制药企业的生产现状为例来讨论和分析。

    该药厂按先进中药制药厂设计和建设，主要工艺设备自带PLC控制系统，并由专业控制系统厂家配套了涵盖提取、浓缩、喷雾干燥、清洗、出渣控制为一体的自动化应用方案。整个工厂的自动化系统或装置主要包括：

    •  现场仪表，包括阀门、流量计、变送器、真空泵等；

    •  DCS控制系统，实现对提取、浓缩等工段的温度、压力、流量等关键工艺参数的实时检测和自动调节控制；

    •  离心机、浓缩器、干燥机等设备自带的PLC系统；        

    •  CIP清洗系统；

    •  在线灭菌系统；

    •  纯化水制水系统；

    •  符合ISA S88 标准的BATCH 批次控制软件，实现控制配方的管理和产品批次生产的计划和监控。

    经过近2年的运行，自动化系统整体运行良好，但也存在控制、仪表、工艺、数据、集成等方面的问题，主要有：

    （1）与其它现场手动操作工厂相比，该工厂实现了关键工序的自动控制，生产工人明显感觉效率有很大提升。但同时也暴露出个别关键仪表和阀门选型不合理、仪表安装位置不合理、缺乏仪表维护规程等问题，导致工艺参数检测错误、阀门漏水、自动控制失败等。现场无专职仪表工程师，平时更换仪表由生产班长完成，不会判断仪表故障、不能及时对仪表进行维护（机械保养和校准）。

    （2）系统使用培训不到位及用户缺乏必需的系统维护人员，导致用户不能理解系统产生的报警及如何处理报警。比如：阀门反馈故障，系统反复报警，无人处理也没有人知道该如何处理以及对生产有什么影响。

    （3）工厂建设时没有考虑信息化规划，缺乏工厂综合管理平台。现在考虑新增能源管理、设备维修、远程监控等系统，面临如何把更多的数据整合在一起以及如何对企业相关管理系统进行集成的问题。

    （4）各控制系统和软件都分别提供了报表功能，但都只能提供单个系统的数据，目前现有软件无法真正提供生产管理需要的汇总和整合的报表信息。数据报表需求已经超出常规控制系统操作层面固定格式的日报表、月报表，需要更为灵活的批次生产报表以满足制药批量性、间隙性的生产特性。

    （5）目前的BATCH软件仅提供了批次调度功能，没有提供电子批记录功能。车间现场操作人员目前主要工作之一是定时记录各个生产工艺的实时数据，支持后续产品追溯以满足GMP监管要求。另外，车间现场人员早、中、晚3个班次轮换，每个班次交接时都需要记录前一班次的生产工艺和生产批次运行数据，作为下一班工作的起始。所有这些数据其实都已经在控制系统中实时采集和长期保存，这部分工作如果实现电子化，能提升工作效率和减少生产现场人员。

    （6）整个生产组织完全依赖于纸质文件和报表的人工传递，缺乏系统支撑，比如：生产计划的拟制、批准和执行，依靠纸质报表文件来记录、传达和归档；实验室对生产现场的原料检验、中间品检验以及成品检验结果，完全靠纸质报表记录和存档；生厂区主控室的生产报表（Excel文件），需要通过U盘拷贝传递至IT管理平台再录入系统，供管理人员了解生产情况。

    上述现状基本代表了当前绝大部分中药制药企业的自动化和信息化应用水平，以《智能制造能力成熟度模型白皮书1.0版》定义的生产作业评价标准来衡量，处于1级，也即具备了自动化的设备以及现场控制系统。当然，目前我国仍有一部分中小药厂还完全以手动作业为主，仅配置了必要的现场手动阀门、仪表和就地操作箱。中药行业作为工艺控制复杂、监管严的民生行业，智能化、信息化基础薄弱，在设备及生产过程智能化控制、工艺指标自动记录分析、生产效率提升、追溯系统建立等方面均存在较大提升空间。

    2.3　中药厂面临的问题

    中药制药企业本质的任务是生产出优质、安全以及价格适中的中药成品或半成品。当前中药企业面临着质量、效率和安全等方面的一些挑战，包括产品生产周期长，难以满足市场需求的快速变化；能源成本越来越高，水、电、蒸汽成本分解到各工序分析困难，无法有效控制；税负增加，财务系统与质量系统联合飞行检查，违规生产成本越来越高；劳动力成本上涨严重，人才培养和稳定困难，技术含量低、劳动条件恶劣或有毒有害岗位将面临无人可用的窘境；土地成本增加，偏远地区建立工厂，发达地区整体控制需求增加等。

    显然，自动化、信息化技术的应用将有助于中药厂克服当前面临的挑战，但当前很多中药厂仍然持观望态度，谨慎采用各种计算机智能化系统，特别是生产管理和信息化相关的软件系统，原因何在？

    整个药品的生产应符合药品生产质量管理规范（简称GMP）监管的要求，并对药品生产过程中应用的自动化和信息化等计算机化系统有专门的验证要求，以确保计算机化系统的应用不会降低产品的质量或增加风险。除满足常规的功能、性能要求外，制药行业对自动化和信息化系统还提出了相应的特殊要求，包括：

    （1）符合GMP关于计算机化系统验证的要求，验证材料能满足药厂获取GMP证书的需要；

    （2）系统可操作性强，能保证数据完整性，药品批次生产记录和相关数据能长期稳定保存，满足药品追溯管理要求和工艺优化要求；

    （3）具备完善的权限控制和审计追踪功能，防泄密要求高，能确保工艺参数、产品配方等药厂核心机密和知识产权的安全；

    （4）为满足中药产品走出国门的发展需要，中药制药厂需要满足不同国家的监管要求，包括我国GMP、美国FDA、欧盟GMP等，这些认证体系有很多共性，但具体的要求又不完全一致，有各自的侧重点。这就要求为药厂提供自动化和信息化等计算机系统的厂商必须熟练和了解制药行业的要求，常规的通用产品不经过风险分析和行业化应用设计很难直接应用于制药行业。

    制药行业对计算机化系统的这些特殊要求使得药厂上自动化系统相对更谨慎，与计算机化系统相比，人工操作和手工记录更灵活、更符合当前很多中药厂的生产实际需要。以生产批次记录为例，绝大部分药厂仍采用人工手动填写纸质记录的方式，这是因为手工记录更加灵活、真实，错误重写、遗忘后补、替人签名、系统纠正等更加方便，可不留痕迹。但计算机系统首先要求审计追踪、权限分配，要求生产高度规律性、正规化才行。

    3　中药生产集成框架设计

    3.1　建设智能工厂

    应用自动化、信息化和智能化技术建设中药生产智能工厂是中药制药行业升级发展的突破口，以下方面的提升将有助于增强中药企业的竞争力，包括：

    （1）提升中药产品质量，对中药生产过程关键控制点施行有效控制，采用计算机系统自动记录、生成工艺参数趋势分析图，从细节中提升中药药品批次指标均一性，提高工艺参数稳定性；

    （2）增强产品的合规性，所有变更有审计追踪，权限控制严密，可信度高；

    （3）全程追溯，供应商、原料、辅料、生产过程控制、检验、放行全流程电子信息录入，所有批次产品信息可追溯查找；

    （4）绿色生产，减少劳动暴露，实现有毒有害岗位和高温高湿岗位远程操作，各生产工序污水合理有序排放，减少环保处理压力；

    （5）降低对人员的依赖性，生产指标透明、生产进度实时显示、设备运行效率实时显示，提高设备、工艺控制的智能化程度。

    为贯彻落实国家“十三五”规划纲要和《中国制造2025》，工信部编制了《医药工业发展规划指南》（工信部联规〔2016〕350号），指出：“到2020年，医药生产过程自动化、信息化水平显著提升，大型企业关键工艺过程基本实现自动化，制造执行系统（MES）使用率达到30%以上，建成一批智能制造示范车间。”

    2015年实施GMP计算机化系统附录，制药企业自动化、信息化道路已经开启。制药企业在新建、改扩建项目中是否具有智能工厂规划将关系企业长远发展。中药制药企业智能工厂的建设，应围绕制药设备、生产过程控制、生产环境控制、生产计划、质量管理、实验室管理、能源管理、设备管理、追溯性管理、仓储物流管理、安全监管等全范围进行测、控、管、监一体化整体设计和建设，包括：

    （1）提升中药生产底层制药装备的自动化和网络化水平，实现开放互联的数字化制药装备，典型包括中药提取装置、中药浓缩装置、中药干燥装置、中药制粒装置等，实现设备级的“机械+电控”集成。这些装置典型的特征不再是机械设备和控制系统分别设计、采购和安装调试，而是采用设备级CPS[4]体系架构，根据制药设备的功能、性能、安全、能耗等各方面要求，从基本的机械和电气设计开始，将设备的机械结构、传感器和仪器仪表、控制器、执行机构等进行整体一体化设计，以电控系统为核心进行设备自动化、智能化集成，对内实现测量、采集和控制的闭环，满足现场制药装置高实时性、高可靠性和合规性要求；对外提供标准、开放的数据通讯接口，实现设备与设备之间、底层设备与上层自动化和信息化系统之间的双向数据交互，满足互联互通要求。

    （2）根据中药厂规划的产品类型和工艺路径，以及生产效率和柔性生产的要求，对制药设备、机器人、视觉等进行联动集成，实现产线级的“设备+联动”集成。

    （3）建立中药生产数据集成平台，实现中药生产系统集成框架，将制药相关设备、控制系统、软件系统的信息无缝地整合为一个虚拟药厂模型，实现全厂从工艺设备、工段/生产线、车间到工厂甚至整个企业各类数据、设备和系统的互联互通和互操作。

    （4）基于中药生产数据集成平台构建各类生产管理应用功能模块，包括全厂生产综合监控系统、批次管理系统和电子批记录软件、生产执行系统、全面质量管理系统、能源管理系统、设备管理系统等，实现数字化工厂和透明工厂。

    （5）采用虚拟化、复杂事件处理、大数据分析等信息化技术进行生产数据的分析、预测，实现中药生产工艺研发、生产过程反馈、工艺优化的大闭环，改变当前中药生产工艺参数以人工经验为主的现状，实现中药制药智能化。