视点| 中药生产智能工厂集成框架设计

    （6）构建中药制药工业云应用平台，实现SoS级CPS[4]，提供制药设备远程运维、中药生产过程远程质量监控、药品批次产品全流程追溯、先进工厂对标等远程数据服务和智能服务，为中药智能制造各环节的自动优化和决策提供数据支撑和决策支持服务，实现中药制药企业智能工厂。

    （7）按照国内外有关药品质量法规的要求，探索制订在智能制药模式下，各类与药品质量有关的计算机化系统验证标准，实现对上述智能中药厂各类自动化、信息化和智能化设备和系统的计算机化系统验证。

    互联互通是实现智能工厂的基础，系统集成是实现互联互通的有效手段，系统集成的核心是建立开放系统的数据集成平台[5]。中药生产数据集成平台位于设备层与生产调度层，如图2所示，实现中药生产全流程生产设备及辅助设备的集成，实现各类专业设备和数据的互联互通，实现同一平台下集中管控、集中监测、协同控制和优化调度，提高正常工况下的生产效率并增强突发事件或异常工况时的宏观判断和决策响应速度。利用累积的历史数据，结合业务模型建模，实现更强大的智能分析。

    图2 中药生产集成框架

    3.2　集成范围定义

    中药生产数据集成实现的集成范围涵盖中药生产的仓储、前处理、投料、提取、出渣、浓缩、干燥、制粒和包装等全工序生产设备的集成，将中药的生产工艺设计与现代设备相结合，通过各种传感器、仪器仪表和自控系统来自动控制关键生产工艺参数，使得整个生产过程按照预定流程和工艺参数进行，使产品质量稳定可控，减少人为因素影响。另外，还可集成包括物流、视频监控、广播通讯、空调通风、供配电、供排水、安全、环保、能耗等各个子系统。整个集成系统将以声光信号、看板、LED显示屏以及监控计算机等显示装置，形象直观地动态反映车间实际生产情况和设备运行情况，辅助生产及管理者发现和及时处理生产过程中出现的问题和偏差，做到对生产现场的监测、控制、数据共享和系统联动。

    中药生产集成系统将通过与以下控制系统或设备的双向数据交换，实现数据采集和控制命令的下发。

    （1）中药提取系统：提取系统由提取罐、油水分离器、冷凝器、冷却器、双联过滤器、循环泵及配套的传感器和阀门等组成。提取罐一般自带控制系统，通过自带触摸屏可实现设备的生产控制，接收集成系统的批次管理信息以实现数字化生产。

    （2）中药浓缩器：浓缩器主要由蒸发室、气液分离器、蒸汽压缩机、换热器、真空泵及附属设备组成。浓缩器一般自带PLC控制系统，实现对料液的温度、蒸发压强、蒸汽的压缩比以及冷凝水温度等的实时采集、调节和异常报警。

    （3）干燥设备：中药生产中常用的干燥设备包括真空带式干燥机和离心喷雾干燥机。干燥机一般自带PLC控制系统，实现生产自动控制。

    （4）制粒设备：中药制粒工艺及其设备种类繁多，主要分为湿法制粒和干法制粒两种不同的工艺类型，控制上一般采用可编程控制，可自动运行，也可手动操作。

    （5）包装机及电子监管系统。

    （6）CIP清洗系统：含注射水罐、CIP罐、板式换热器、管道过滤器、送液泵、回液泵、温度控制仪、液位控制仪及电气控制系统等辅助设备组成。CIP清洗系统自带控制系统，通过程序编程由系统自动配置清洗液，经气动控制阀与送液泵、回液泵来完成清洗液的输送及回流循环清洗、排放、回收整个清洗过程，整个清洗过程采用顺序控制方式控制各个启动阀和泵的启停，实现自动在线清洗生产自动控制。

    （7）能源管理系统：包括天然气、电、自来水、纯化水等。

    （8）公共系统：包括通风空调系统、供电系统、照明系统、门禁系统、视频监控系统等。

    除上述车间现场的各类控制系统或设备外，中药生产集成系统还将与工厂的实验室管理系统、仓储管理系统、ERP等信息化系统进行数据交互。

    3.3　数据集成平台

    数据集成平台具有开放、安全、可靠的特点，支持异构系统集成，可以将来自现场的各种设备、自动化系统和信息管理系统的信息无缝地整合为一个虚拟药厂模型，如图3所示，实现互联互通和互操作。

    图3  虚拟药厂模型

    通过建立制药厂虚拟模型实现了药厂生产的数字化和模型化，整个虚拟药厂模型包括工艺数据模型、设备对象模型、产品数据模型、逻辑数据模型以及非结构化数据模型，数据种类包括设计数据、配置数据、实时数据和历史数据。数据集成平台提供以下功能：

    （1）适配各种接口类型和协议，为智能制药工厂中的各专业设备提供统一的数据接入和交换；

    （2）基于工厂快速建模工具，采用对象化方法整合碎片化的设备数据、生产实时和历史数据、产品数据、管理数据，形成层次化的虚拟工厂模型，实现中药厂公共数据的全生命周期管理；

    （3）支持生产过程实时数据、报警、事件和历史数据；

    （4）支持扩展产品数据、设备数据、设计数据、地理位置数据、音视频多媒体数据，实现与多种类型系统的集成融合；

    （5）在同一个数据平台上完成对各专业设备的展示和管控，便于实现跨专业的监控和联动（尤其在报警发生时）；

    （6）从多个维度（运营管理、质量管理、绩效管理、设备管理等）统一展示工厂的当前运行状态和历史统计分析，实现在异构环境下的协同制造、生产监控、生产调度和生产管理，可支持各种终端（如大屏、看板、电脑、手机、平板等）；

    （7）提供应用开发工具和开放运维管理工具功能，支持创新应用。

    数据集成平台实现了中药生产工厂级的“自动化+数字化”集成，系统通过对产品、生产资源、生产流程的建模构建虚拟的数字化药厂，通过采集工厂的各种数据，以数据为中心实现了药厂虚实映射。以数字化工厂为基础，数据集成平台将与企业资源管理、供应链管理、客户资源管理等信息化管理软件进行集成，实现企业级的“数字化+信息化”集成，为企业运营、决策提供大数据统计、分析和预测服务。

    3.4　中药生产全面管理

    具体实现上，围绕中药生产数据集成平台可形成多个不同的专业应用软件，实现涵盖中药生产的计划调度、运营管理、质量管理、设备管理、绩效管理、人员管理、成本管理、能耗管理和安全管理的生产全面管理功能，整体上构成了中药智能工厂应用软件包，如图4所示。

    图4 中药智能工厂应用软件

    具体来讲，中药生产全面管理可包括：

    （1）计划调度：根据订单、设备、人员、零部件、原料等资源的准备情况，实时制定生产计划并调度相关资源即时到位进行生产；并能根据生产过程中的意外情况进行调整。

    （2）运营管理：监视、管理、跟踪和提高生产作业过程准确性，实现对生产现场关键工序控制点（工艺、安全、环保、质量）指标的动态掌握和实时控制。

    （3）质量管理：在线进行质量检测、统计、显示，系统自动分析、统计整理，制成动态曲线图、质量控制图，并对实时的质量报警进行处置。

    （4）设备管理：对现场的设备运行情况进行实时监控和统计，以便安排生产计划、优化生产过程、调度维修保养计划等。

    （5）绩效管理：对各级管理者关心的关键绩效指标，自动进行统计、考核、展示和报警。

    （6）人员管理：对工厂中的各类人员（生产管理者、系统管理者、设备管理者、质量管理者、普通操作者等）进行统一管理，并实时监控其工作状态，以及后序统计和管理。

    （7）成本管理：实时收集成本信息，动态计算工单或单台产品成本，分析作业成本效益关系、评价作业环节的价值，进一步优化生产成本。

    （8）能耗管理：中药生产的提取、浓缩设备的能耗是中药生产能耗控制的关键。能源与环境监控系统完成生产加工制造过程中的水、电、蒸汽能耗记录，实现车间生产环境（温度、湿度等）的统一监控，构建安全生产和能源管理一体化管控系统和集中监视平台，实现能效在线分析评价和能源平衡调度。

    （9）安全管理：既考虑涉及人、设备、环境等方面的功能安全问题，也要考虑全面数字化之后的信息安全问题。

    4　应用前景展望

    智能制造为制造业规划了美好的蓝图，指明了发展方向，如何将智能制造在中医药行业落地还没有固定的模式和方案，同时国内相关企业已率先开始了相关的尝试，一些中药制药行业智能制造试点示范项目、新模式应用项目已完成或正在进行中，这些项目的实施总体上都取得了良好的效果，增强了企业的竞争力。智能工厂的建设不可能一蹴而就，需要总体规划、分阶段分步骤实施并随着对智能制造的理解不断深入而持续改进和优化完善，在这个过程中构建一个能持续发展的中药生产智能工厂集成框架就显得尤为重要，中药生产厂虚拟工厂模型的建立能实现智能制造所要求的横向集成和综合集成，实现互联互通和数据综合集成，满足企业生产、质量管理全过程自动化、信息化系统持续发展的需要。基于我国自主知识产权的DCS、PLC、SCADA、MES等自主产品，能够帮助中药企业用户建立适合中国人使用习惯、符合国家药品监管的智能制药工厂，实现中药生产过程信息系统和过程控制系统无缝对接，实现生产全流程追溯和批次记录无纸化，提高柔性生产能力，提高设备利用率，去人工化，合规生产，提高工作效率。

    中药生产集成框架提供了药厂互联互通的技术措施，可实现中药制药企业全厂工业数据更广泛、更灵活、更精准的采集，促进工业数据无缝集成，满足中药智能工厂的严苛工业应用。中药生产集成框架以数据为核心，基于数据统一建模，建立数据服务平台，提供数据统一服务，有利于应用的模块化、积木化构建。