藥品制劑生產智能工廠建設方案探討

文/林志展

制藥企業希望通過智能生產裝備、數字化物聯網絡、信息化管控系統等建立起智能化的制劑生產工廠——因此，近年來中藥及原料藥生產企業在新建或改造原有制劑車間等方面大幅增加投入。但由于每家企業的數字化基礎不同、實施人員技術水平不同、投入力度不同，造成實際的實施效果良莠不齊，難以滿足智能工廠設計要求。針對制藥企業的這一痛點，本文進行了探討，并給出了一種切實可行的解決方案。

通過對數十個已實施項目的經驗進行總結，筆者在本文設計、歸納、總結出了一套相對完整、可控、實用、有效的制劑生產車間生產信息化管理整體解決方案。該方案旨在實現制劑生產全流程的自動化、數字化、智能化管理控制，實現藥品生產全流程的可追溯、電子化指導生產等現化代數字制藥過程，實現工業化與信息化的“兩化融合”，從而使生產過程得到全面規范化的管控，實現真正合規、高效、智能的藥品制劑生產信息化。

方案設計原則

安全性：采用安全等級保護2.0體系規范，設計生產控制網絡、數據采集網絡、生產信息化管理網絡、視頻監控網絡、辦公管理網絡。網絡之間進行物理隔離，并安裝通信網關、數據網閘、安全審計單元、防火墻等裝置；采用分區域分等級用戶權限驗證，并對數據進行加密處理，確保數據安全性。

可靠性：系統設計既要采用先進技術和系統工程方法，使之具備思維的合理性、技術的可行性、方法的正確性，還要確保使用過程中系統運行的穩定性，減少系統故障對實際生產的影響。

規范性：遵照制藥行業的法律法規，參照cGMP（動態藥品生產管理規范）實施指南，要求生產過程與藥品質量管理的規范進行緊密結合。同時充分考慮驗證需求，確保系統設計符合cGMP 計算機系統驗證規范，提供系統設計、IQ（安裝確認）、OQ（運行確認）、PQ（性能確認）等相關資料。

經濟實用性：智能化建設方案需本著節約成本、提高效率以及降低能耗的原則，減少不必要的硬件和軟件的使用，在合理的經濟投入前提下完成建設。

系統建設目標

生產裝備數據集成：全面采用先進工藝及智能裝備，確保工藝布局合理，智能裝備應全面具備聯網和數據采集功能，關鍵重要裝備還應具備遠程控制和運維功能。

自動倉儲物流管控：建立原輔料、半成品、成品、包材倉儲和物流管控系統，通過生產線實際生產計劃實時拉動物料的精準配送，采用智能AGV（自動導引運輸車）、自動傳送裝置，實現倉儲和配送的可視化管理，應用智能裝備實現關鍵件的倉儲和配送。

智能綜合管控：將MES（制造執行系統）作為管控核心，以生產計劃與執行為主線，基于統一平臺，實現計劃、執行、現場、物流、質量、設備、資源的集中管控。

全產業鏈質量追溯管控：在原料基地、藥材前處理、生產加工、物流運輸和最終使用端廣泛采用條形碼、二維碼電子標簽等識別技術，實現對物料、半成品、成品流動的追蹤與追溯。

系統建設方案

超融合機房與數字監控中心

數據中心資源采用云計算技術，通過超融合一體機組成統一資源池，構建超融合架構云數據中心資源池，為企業應用系統及信息化管控系統提供計算、存儲、網絡資源，提高企業對系統數據的安全性管理以及可靠性維護管理，如圖1 所示。構建新型數據中心，并整合現有的資源，建立基于資源池層的基礎軟件、硬件資源池，并進行動態調度、自動管控和共享使用，為各類業務應用提供標準化、可定制化的運行環境，提高整體運營效率和IT 設施的可靠性、安全性，并有效降低運營成本，促進智慧應用建設的跨越式發展。

圖1 應用超融合軟硬件技術建設藥品制劑智能工廠數據中心（注：VM 與CVM 為控制虛擬機，EXSi、KVM、Hyper-V 為虛擬機監控程序）

工業物聯網與網絡安全

采用冗余光纖網絡，建設生產控制網絡、數據采集網絡、生產信息化管理網絡、視頻監控網絡、辦公管理網絡。整個網絡系統構成可分為核心層、匯聚層、接入層交換機部署，辦公和視頻局域網絡。在綜合樓設置信息中心機房，在網絡機房為中心設置核心交換機實現一級數據交換，網絡形式采用星型結構形式。

采用等級保護2.0 規范設計網絡安全方案，包括網絡結構安全方案、網絡安全審計方案、網絡設備防護方案、網絡可信接入方案等，通過軟件、硬件結合的網絡安全方案建設安全的網絡體系。

SCADA（數據采集與監控系統）

SCADA 系統是一套通過網絡實現各生產區域、公共區域等設備設施聯網的物聯網監控系統，它是采用物聯網技術實現設備設施的狀態、運行、工藝數據的采集與存儲，利用2D 和3D 可視化技術以及數據分析技術實現數據的遠程圖表展示、工藝流程展示、趨勢與分析、報警管理與分析等功能的設備監控系統；它打通了生產現場設備設施級數據，通過物聯網平臺實現了生產現場的監控與管理。

SCADA系統結構如圖2所示，底層為車間各單機設備，單機設備控制系統需進行改造或增加通信模塊，通過以太網接入網關，網關支持多種協議通信，同時支持接口開發，實現單機設備的集成。各網關通過系統網絡連接到數據中心服務器，系統組態、數據處理、腳本編輯等工作在工程師站完成后下載到服務器，服務器上的數據可通過終端網絡發布到各系統終端，如監控客戶端、大屏幕、遠程終端等。

圖2 采用工業物聯網建設藥品制劑生產智能工廠系統集成

系統具有50 000 點實時數據庫和歷史數據庫，可采集濕法制粒機、流化床、整粒機、總混機、壓片機、膠囊填充機、包衣機、塑瓶包裝線、鋁塑包裝線、BMS（建筑設備管理系統）、EMS（環境在線監測系統）、WMS（倉庫管理系統）等相關系統關鍵生產數據。

AGV與WMS系統

采用AGV 實現原材料、半成品、成品與包材倉庫及生產車間的物流傳輸，采用WMS 系統實現倉儲物流管理體系建立。AGV 調度控制系統通過計算機進行集中調度、監控、管理系統運行狀態。還可配備相應的通信模塊，與工作區域內卷簾門、電梯實現對接通信和聯動、開關控制。在MES 的配合控制下，可實現托盤存放位置的自動擺放和移動，實現托盤暫存管理。而且調度系統具有數據對接功能，能夠對接MES系統、與之相關的工藝設備的控制系統及SCADA 系統、ERP（企業資源計劃）系統等。能夠處理系統運行過程中的任務，包括搬運任務的執行、充電任務的執行、任務的啟動取消和變更等，并對任務執行的信息進行記錄和統計。

MES（用于制劑的生產與執行系統）

通過制藥專用的MES，按照符合GMP（藥品生產質量管理規范）規范要求的SOP（標準作業程序）對生產流程進行管控，實現對生產訂單、物料管控、生產執行、質量管理、電子簽名、追溯分析等關鍵環節的全方面管理。

物料管理模塊通過打印和掃描條碼標簽的形式記錄和讀取關聯信息，實現物料、中間體、成品的綜合管控。配方管理模塊的功能包括生產工藝規程定義，以及對生產過程中每個工序需要的各種原輔料、內外包材、中間體、成品的基本信息，設備和人員信息等進行配置和建模，并可隨著公司SOP 的更新，自動更新處方、工藝操作流程、文件內容格式。工單管理審核模塊則通過為處方和生產任務創建工單，生成具體的生產步驟；其功能具體包括控制房間、工序、物料、工藝、設備等，對生產執行過程進行控制，追蹤生產物料批次。生產計劃管理模塊從ERP 獲取月度計劃后，便會選擇生產線，并依據生產線配置數據進行自動排產，同時支持人工調整生產日期。生產排程定下后，系統會自動生成批生產指令，下發給各生產崗位執行；稱量管理模塊會再根據配方進行稱量并復核稱量誤差，在每次稱量完成后自動打印標簽，并判斷是否完成所有稱量任務。系統可以在確保批生產正常進行的同時，同步記錄數據，最終所有生產要求的信息將以電子記錄呈現給生產人員。質量管理模塊實現了質量控制與偏差管理，在出現偏差、自檢、外審等相關問題后，系統可輸入相關內容執行CAPA（糾正和預防措施）流程；電子數據可以采用電子簽名的方式，電子簽名遵循相應法律法規的要求，對所有電子批記錄實現電子簽名管理，可進行質量管理和電子追溯。

系統應用效果

藥品制劑生產車間智能工廠建設方案遵照規范性、成熟性、可靠性、經濟技術合理性以及模塊化、開放性和安全性的原則，實現了車間內部與外部信息系統的互聯互通和數據集成，保證了藥品制劑生產過程得到科學、有效的監測和控制，實現了產品生產的自動化、數字化和智能化，現已經過多個項目的實施驗證，實施效果良好，有望在制藥行業進一步普及推廣應用。