基于SCADA 系統(tǒng)的制藥行業(yè)智能化車間建設與探討

常彥松 范洵

華潤三九醫(yī)藥股份有限公司 廣東深圳 518000

隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略[1]的不斷推進，智能制造[2]在制藥行業(yè)中的應用會更加廣泛和深入。在“兩化融合”方針的指引下制藥工業(yè)逐漸實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化，并進一步向智能化發(fā)展。為促使制藥行業(yè)智能化工作的順利展開，通過運用新的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術使制藥生產(chǎn)更加智能化、管理方式更加智慧化。華潤三九集團觀瀾基地乳膏車間（簡稱“乳膏車間”）在智能制造升級前，生產(chǎn)線以孤立的控制設備為主，智能設備裝備率及使用率低，生產(chǎn)管理傳統(tǒng)。雖然已建設有MES 等信息化系統(tǒng)，但各個信息系統(tǒng)互相獨立，無法進行數(shù)據(jù)交流，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應用處于初級階段，無法為企業(yè)生產(chǎn)能力進步、增加經(jīng)濟效益提供更多支持。同時，國家對藥品質(zhì)量要求日益嚴格，對過程質(zhì)量要求更為嚴格，故當前需要充分利用智能制造時代新技術，提升信息化管理水平，以應對當前挑戰(zhàn)，構(gòu)建深度的行業(yè)解決方案，為行業(yè)發(fā)展賦能。

在新的“兩化融合”技術發(fā)展理念下，實施兩化深度融合、推進智能制造的實踐。以SCADA 系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)集成的平臺，將OT數(shù)據(jù)通過模型化的方式與IT 系統(tǒng)集成，實現(xiàn)IT 和OT 的充分融合，解決生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)“數(shù)從何來”、“數(shù)存何處”、“數(shù)有何用”，為車間精益管理、工藝參數(shù)優(yōu)化、設備預防性維護提供支持，由原來的單純數(shù)據(jù)采集監(jiān)控建設為高度集成的數(shù)據(jù)集成運營平臺，連接各個信息系統(tǒng)孤島、設備系統(tǒng)孤島，打通IT 系統(tǒng)和OT 系統(tǒng)之間的鴻溝，形成管控一體化的新型生產(chǎn)運營能力。

1 智能化車間數(shù)據(jù)集成平臺建設的關鍵路徑

進行車間建設整體戰(zhàn)略規(guī)劃，確定制造升級核心方向。在智能化技術的支持下，全面提升制造水平，打造自動化、信息化“兩化融合”的標桿，以技術提升、裝備升級和信息化建設為突破口，實現(xiàn)制造升級[3]。首先在車間布局改造上，優(yōu)化工藝路線設計，做好生產(chǎn)加工的過程控制和產(chǎn)品質(zhì)量控制。其次，進行設備自動化升級，在車輛投料、制造流程、在線稱重、自動傳輸、包裝刻碼、數(shù)據(jù)采集等多個方面提高乳膏車間設備的技術水平。最后是進行信息化整合，運用數(shù)據(jù)搜集、分析、處理系統(tǒng)，將系統(tǒng)縱向、橫向進行整合，做到數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實現(xiàn)設備集中控制，數(shù)據(jù)采集分析可視化。

以乳膏車間為例，主要痛點分析如下：

（1）數(shù)據(jù)斷層：部分設備數(shù)據(jù)沒有采集，生產(chǎn)制造執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）部分數(shù)據(jù)依靠手工錄入，未做到實時采集，MES 系統(tǒng)和設備之間數(shù)據(jù)斷層。

（2）數(shù)據(jù)孤島：生產(chǎn)設備運行的數(shù)據(jù)、電子監(jiān)管碼、在線質(zhì)量檢測、能源管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控、上層信息化等系統(tǒng)數(shù)據(jù)是彼此獨立的。

（3）數(shù)據(jù)空置：因為信息孤島的存在，各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)難以進行關聯(lián)分析，無法有效指導工藝、質(zhì)量的有效提升。

因此，數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、分析、處理系統(tǒng)的建設是智能車間實施并且實現(xiàn)“兩化融合”的關鍵。

2 智能化車間數(shù)據(jù)集成平臺系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 智能化車間數(shù)據(jù)集成平臺系統(tǒng)建設目標及原則

2.1.1 建設目標

（1）數(shù)據(jù)采集及存儲。形成數(shù)據(jù)池：采集各生產(chǎn)設備、環(huán)境、電子監(jiān)管碼、視頻監(jiān)控等實時數(shù)據(jù)；將實時數(shù)據(jù)用信息模型封裝，對IT 系統(tǒng)提供OT 數(shù)據(jù)服務。

（2）生產(chǎn)監(jiān)控。關鍵數(shù)據(jù)設置特定監(jiān)控界面，監(jiān)控視頻整合到數(shù)據(jù)集成平臺，直接和工藝聯(lián)動。生產(chǎn)設備可以通過平臺進行啟停機。

（3）數(shù)據(jù)分析。對采集的數(shù)據(jù)進一步處理和挖掘，生成各種分析報表，為工藝優(yōu)化、設備預防性維護、生產(chǎn)精益管理提供數(shù)據(jù)支持。

（4）可視化系統(tǒng)。建設一個展示中心，展示生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)狀態(tài)、數(shù)據(jù)分析指標等，進行全流程數(shù)據(jù)管理。

2.1.2 建設原則

（1）適用性。根據(jù)華潤三九觀瀾基地乳膏車間現(xiàn)狀和目標，結(jié)合業(yè)務需求，解決核心問題。

（2）易用性。復雜的機理模型，轉(zhuǎn)化為簡介的人機接口，簡單、方便、易操作，信息簡潔易懂，綜合性分析。

（3）安全性。嚴格遵循醫(yī)藥行業(yè)規(guī)范要求，保證數(shù)據(jù)安全性和完整性，保證信息系統(tǒng)安全。

（4）擴展性。整體規(guī)劃，標準化設計，系統(tǒng)可擴展、易推廣。

2.2 智能化車間數(shù)據(jù)集成平臺架構(gòu)設計

2.2.1 軟件選型

從企業(yè)實力、產(chǎn)品技術實現(xiàn)、項目實施能力、售后服務能力、咨詢服務能力等方面進行綜合考察，選擇了中國領先的自動化與信息技術解決方案供應商和利時。選用和利時邊緣物聯(lián)平臺HiaSCADA4．0，此平臺為和利時的第四代產(chǎn)品，具有以下優(yōu)勢：

（1）技術先進：采用先進的 OPC UA 的數(shù)據(jù)服務架構(gòu)；統(tǒng)一的系統(tǒng)訪問能力和被訪問能力。

（2）平臺安全性：功能方面：軟件平臺通過了德國TUV 萊茵SIL2 安全認證；數(shù)據(jù)方面：采用基于數(shù)據(jù)庫的安全機制，阻斷非法訪問。

（3）快速實施能力：專業(yè)的實施團隊；基于多個工廠的實施經(jīng)驗，很多過程產(chǎn)出及設計都可以重復利用（3D 模型、數(shù)據(jù)分析算法等），具備快速推廣的條件。

2.2.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)設計

乳膏制造車間數(shù)據(jù)集成平臺系統(tǒng)主要有四部分組成：設備層、網(wǎng)絡層、應用層、展示層。充分發(fā)揮技術優(yōu)勢，設計有為大數(shù)據(jù)分析服務的分析數(shù)據(jù)庫。如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)設計

2.3 網(wǎng)絡架構(gòu)設計

HiaSCADA4．0 采用跨平臺的技術，支持Unix/Windows，同時支持C/S 架構(gòu)和B/S 架構(gòu)，可進行虛擬化部署，故采用的了實體+虛擬部署方式，節(jié)約了服務器等硬件投資。網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2 所示：

圖2 網(wǎng)絡架構(gòu)設計

2.3.1 乳膏車間數(shù)據(jù)集成平臺功能設計

（1）數(shù)據(jù)采集及存儲。全面采集乳膏車間內(nèi)的各生產(chǎn)設備、車間環(huán)境系統(tǒng)溫濕度等設備儀表的實時數(shù)據(jù)以及MES 系統(tǒng)、電子監(jiān)管碼系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等相關系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)。建立設備信息模型、產(chǎn)線模型、工藝模型，通過模型為MES 系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務，形成電子批記錄；質(zhì)量數(shù)據(jù)長期儲存，為工藝參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持；設備運行參數(shù)為設備預防性維護提供指導。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以連續(xù)壓縮存儲，自動備份到指定服務器，備份數(shù)據(jù)支持導入查詢。當實時數(shù)據(jù)庫存儲滿了的時候，數(shù)據(jù)可以覆蓋舊值，保證最新值的存儲不受影響。對于數(shù)據(jù)庫管理，至少保存10 年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分類保存并支持備份導出。當通訊中斷或者傳輸故障發(fā)生的情況下，本地存儲的歷史數(shù)據(jù)和生產(chǎn)事件等，在恢復通訊后，可自動將數(shù)據(jù)恢復到數(shù)據(jù)庫中，保證數(shù)據(jù)完整。存檔的記錄不可編輯，數(shù)據(jù)是可追溯的，并且在采集過程中，不能影響乳膏車間設備的正常運轉(zhuǎn)。

（2）生產(chǎn)監(jiān)控。對乳膏車間內(nèi)各個設備和子系統(tǒng)的實時狀態(tài)進行監(jiān)控，并可以遠程控制生產(chǎn)設備啟動和停機。溫濕度等環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示在車間布局圖上，通過生產(chǎn)監(jiān)控畫面可以設置溫濕度等預警值，可查看趨勢曲線。按照工藝流程，設備界面可通過三維動態(tài)畫面生動展示設備運行情況，包括設備運行參數(shù)及運行、故障、停止狀態(tài)等相關信息。制定操作權(quán)限，有相應授權(quán)的人員可以遠程操作生產(chǎn)設備的開停機，參數(shù)設置等操作進行嚴格權(quán)限管理。

（3）數(shù)據(jù)分析。針對采集的數(shù)據(jù)進行進一步的挖掘處理，生成各類分析數(shù)據(jù)表，為工藝優(yōu)化、設備預防性維修、生產(chǎn)精益管理提供數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)可提取數(shù)據(jù)庫或者接受人工錄入數(shù)據(jù)以及Excel 導入數(shù)據(jù)，根據(jù)需要生成各類分析表，并且通過圖表曲線等形式展示出來。通過結(jié)合實際需求，雙方共同進行業(yè)務梳理，開發(fā)了個性化的數(shù)據(jù)分析模塊：設備效率分析、人工效率分析、物料耗用分析、能源耗用分析、質(zhì)量數(shù)據(jù)分析。通過大數(shù)據(jù)相關性分析，突破了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)了處理方式。例如能源數(shù)據(jù)和消耗金額相關性分析，通過查詢年度各項能源耗用金額進行去年及今天的費用對比，把能源消耗轉(zhuǎn)換為財務指標，為不同部門的決策提供了支持。如圖3所示。

（4）可視化系統(tǒng)。建設數(shù)據(jù)展示中心，展示乳膏車間全工藝流程圖和實時運行數(shù)據(jù)、各類分析報表、視頻監(jiān)控畫面等。用戶可以自定義展示內(nèi)容，也可以拷貝展示內(nèi)容到移動設備，可展示用戶接入的各類文件，如Word、Excel、PPT、視頻等。屏幕可選用拼接屏，多塊屏幕顯示內(nèi)容可根據(jù)需要自由組合。展示系統(tǒng)可以與多個操作終端協(xié)同，支持單機雙屏操作。

2.3.2 智能化車間數(shù)據(jù)集成平臺建設效果

（1）產(chǎn)線數(shù)字化。對乳膏車間生產(chǎn)線進行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，將復雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，再基于這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當?shù)臄?shù)字化模型。

（2）過程可視化。對質(zhì)量、工藝、設備運行等過程參數(shù)進行分析和三維動態(tài)展示，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的透明可視。

（3）管理精細化。大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，為車間精益管理、工藝參數(shù)優(yōu)化、設備預防性維護提供數(shù)據(jù)支持。

（4）接口標準化。通過對項目的總結(jié)，形成了接口、服務、集成方式標準化技術規(guī)范。功能使用和展示分析標準化，為后續(xù)華潤三九集團內(nèi)部智能工廠建設奠定了技術規(guī)范標準。

本項目經(jīng)過嚴格GMP 規(guī)范性測試，已正式上線運行。經(jīng)對比，總體工作效率提升10%，設備利用率提升了5%。同時取得了原創(chuàng)性成果，形成了軟件著作權(quán)：華潤三九數(shù)據(jù)采集與分析軟件V1．0。

圖3 數(shù)據(jù)分析

3 結(jié)語

綜上所述，智能制造車間通過基于智能化技術的數(shù)據(jù)集成平臺的建設，打通了IT 系統(tǒng)和OT 系統(tǒng)信息孤島，充分實現(xiàn)IT 和OT的融合，最終實現(xiàn)了“兩化融合”目標，提升了價值，并形成了個性化的大數(shù)據(jù)分析解決方案，取得了軟件著作權(quán)等成果。實現(xiàn)了精細化、標準化管理，后續(xù)為不斷提高乳膏車間管理水平，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了強大的信息化管理手段。同時為傳統(tǒng)的藥品生產(chǎn)車間向信息化、數(shù)字化、智能化車間轉(zhuǎn)型提供了參考與借鑒。