中药智能制造平台系统建设

文 / 何滨 戎兵 苑韶伦

中药智能制造平台系统建设

文 / 何滨 戎兵 苑韶伦

本文从中药智能制造平台建设的角度介绍了运用数字化三维设计平台——进行总体设计、关键工艺流程及布局；运用先进的批控制系统（Batch）、生产制造执行系统（MES），建立中药产品质量追溯系统，实现物料100%可追溯性；通过控制、管理系统的功能的集成，实现对人、机、料、环、法、检测等的全面管理，并最终实现中药产品生产全流程的智能制造。

中药产品所含成份十分复杂，其有效成份的分析与定量也非常困难，相同的原材料因产地不同、采收季节不同、生产工艺参数控制水平不同而导致产品质量稳定性较差。中药的质量是其疗效的关键所在，要保持产品质量的均一性、稳定性，除原材料的采收要稳定外，还必须保障生产过程控制的稳定性。

中药生产无论在研究方面或在生产方面与西方先进药业比较还有相当大的差距，中药产品很难进入世界主流市场，为世界广大群众所接受。因此，中药现代化的过程就是被世人接受、走向世界的过程。

图1 中药智能制造系统总体架构图

图2 中药智能制造三维全景设计图

中药智能制造平台系统建设

中药现代化是将传统中医药的优势、特色与现代科学技术相结合，以适应当代社会发展需求的过程。

中药智能制造平台必须符合GMP要求，是一套涉及面广，并且业务非常复杂的系统，涉及的数据源很广，包括生产过程控制信息、生产过程质量信息、生产仓库物料信息、生产设备维护信息、生产管理信息，可实现多元异构系统的集成。

诚益通提供的中药智能制造平台采用高度集中的生产信息管理和数据采集方式来管理生产工艺系统、楼宇环境监视系统、能源系统、公用工程系统、仓储物料系统的设备，采用集中接入和下达生产作业指令、采集生产过程实时工艺、质量、设备、物料信息，统一协调控制实验室信息、质量管理信息的方式，实现车间柔性化、智能化、集成化生产运作，能提高系统生产协调性和运行效率。

（1）遵循质量源于设计Qbd理念的数字化三维设计，真实还原生产现场状态，优化生产工艺；

（2）运用大数据挖据工具，定量指纹图谱和生物评价等技术手段，制订药材、关键中间体、关键工艺、成品的质量控制规范；

（3）基于PAT技术的过程控制策略，实现中药制剂、中药配方颗粒剂提取工艺的在线检测；动态调整工艺参数，实现工艺质量参数和过程终点的精准控制等，确保中药制剂产品质量的一致性。

（4）建立中药生产过程实时数据库与过程监控平台。通过实时数据库软件建立中药生产过程的实时数据库系统与过程监控平台，为中药生产过程提供了统一而完整的实时数据采集、存储、监视和Web浏览功能。

（5）规范中药制剂制造过程，建设以物料追溯、工艺、质量、设备管理、电子批记录为核心的生产管理信息平台，实现生产智能化管理，满足GMP符合性、数据完整性、工艺一致性要求，保障药品生产质量。通过内部各个系统的信息集成以及各种数字化装备的集成与数据采集，实现各种系统和装备的互联互通；实现中药制剂产品生产全流程的智能制造；形成中药制剂生产全流程可追溯质量管控系统。

（6）生产管理系统通过信息集成技术，把中药生产运作中涉及的管理、生产、物料、设备系统的功能单元连接为一个整体，在动态变化的原料和产品市场等条件下，通过功能单元建立信息集成与任务集成，实现企业生产运作、物流整体优化。

图3 中药智能制造控制系统拓扑图

先进控制系统智能制造平台的基础

中药制剂生产过程数字化控制系统，实现对生产数据的自动采集、存储、分析，以及自动化生产和电子化的监控管理，对生产工艺关键参数与质控指标的相关性进行研究，并建立数据模型，对每一批中药制剂所用药材的质量情况进行分析，用更可靠、更安全的关键参数对生产过程进行控制。

系统采用集中管理、综合调度、分散控制，其技术先进、开放性强、易扩展、可互操作、方便升级；降低生产过程人为参与，克服人工操作技术水平及责任心差异影响产品质量和生产效率；缩短每批产品的生产周期，提高生产效率；由计算机进行参数管理，实现数据存储、查询、报表打印和事故追忆；生产过程联锁控制及参数越限报警，保证生产安全。

控制策略

●工艺参数控制：温度、压力、流量、密度等；

●加料控制：固体物料、液体物料；

●物料转移控制：反应罐之间物料转移；

● 设备运行时间控制；

● 安全保护控制；

● 过程报警的触发。

BATCH控制

批量控制程序包括单元程序、操作以及操作阶段。可以根据需要以串行或并行方式设置配方元素，并循环操作。配方带有相关的参数，这些参数通常用于过程设置点、原材料数量、路径信息以及过程变量的存储和报告。

BATCH控制过程

> 创建和管理配方库操作

> 规划批生产过程

> 批生产控制

●过程控制；

●顺序控制；

● PLC 控制；

●批量控制；

●故障分析：故障报警、记录、分析、处理权限明确；

●设备状态管理：跟踪设备的可用状态以及所有用户定义的操作状态（比如清洁、未清洁、无菌等）。可以设置状态跟踪的有效期，在设定的有效期过去后会自动停止监控设备状态。

> 批生产数据管理：采集、存储和记录批生产数据

图4 中药智能制造Bstch控制系统架构图

MES智能制造平台的灵魂

MES可保证药品的质量和安全,更好地满足合规性

MES系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统，它通过对整个企业生产过程中实时、准确的数据来调整生产，可以及时了解到从生产计划到最终产品的各个环节的数据，从而有利于企业指定合理的生产计划，减少生产资料的浪费、提高产品质量、减少库存，从整体上提高企业的生产效益。

制造执行系统（MES）由于能显著提高生产效率，增加过程透明度和可靠性，在制药生产中，MES更能保证产品的质量和安全，更好地满足合规性。

（1）基础数据管理

（2）生产工单管理

（3）工艺路线管理

（4）生产物料管理

（5）生产过程控制

（6）批数据采集

（7）产品批数据追踪

（8）电子批次记录

使用MES所能带来的好处主要有以下几点：

（1）通过引导操作员提高生产过程的安全性和可靠性；

（2）及早发现生产过程中的偏差以便及时实施纠错措施；

（3）及时、完整的文档记录，以符合法规要求；

（4）关注偏差事件增加生产过程的透明度，不需要把精力放在所有步骤的详细检查上，而只要求“例外审查”；

（5）更高质量的生产和产品数据；

（6）通过“第一时间正确”原则减少损失批次的数量。

支持典型的手工操作

然而，我们常常会听到这样的观点：由于中国现行工业自动化水平的限制，MES技术似乎对本土市场过于先进。而且，人们总是认为这样的信息化生产管理对于中药企业来说过于昂贵。

从技术角度来看，MES是位于企业资源计划系统（ERP）和过程控制层之间的中间系统，是智能制造的灵魂。但是，在中国目前很多中药企业既没有使用ERP系统也没有高度自动化的设备。因此，有人会问如果没有ERP和控制系统存在，怎样能把一个中间系统独立引入并应用起来呢？参照西方国家的工业现状，会发现在制药生产中MES已经被很好地确立并且标准化了。而事实上，制药生产的自动化水平即使在西方国家也普遍较低，很多操作都由手工完成。例如，作为制药生产的起始步骤，原始物料的称取。很多情况下，这是一个手动操作，而且这也是一个至关重要的步骤，因为若使用了错误的物料或错误的量都将对产品质量和病人安全产生直接的影响。根据GMP有关规定，生产和处理操作应该在所指定的区域内进行，或者需要引进其他控制机制来保证其不被污染或混淆。

图5 系统功能总体流程图

图6 物料称重系统工作流程图

由MES支持的称重的典型工作流如图所示：首先识别用户，然后操作员选择并开始一个生产订单，通过扫描条形码来识别生产设备。MES将检验设备可用性，例如其状态是否为“已清洗”。随后从物料清单（BOM）中选择物料进行称重，操作员扫描需要处理的物料的条形码，MES系统将核对所选的物料是否可用于所选的生产订单，且已经被放行生产。若完全符合要求，操作员才可以进行下一步衡器的选择，同样可以通过扫描衡器的条形码来进行。MES核对衡器的校验状态，以确保所选衡器的可用性，随后，系统将生成目标容器的标签，并执行称重。称重结果通过接口传入MES系统中，并且系统将对实际称取的量与配方要求进行比对，最后将其记录在电子批记录（EBR）中。然后重复这些步骤直到物料满足进入下一个生产步骤的要求。

在上述情境中，MES的主要作用是在称重过程中引导操作员，并保证操作符合GMP规范。由于这是一个手工操作的生产步骤，MES的引导至关重要。

当然，合规制造也可以通过基于纸质的管理系统来实现，但是这与基于计算机的管理系统相比需要付出更多的精力也存在更高失败的风险，因为纸张无法及时对错误进行反馈。因此，通过恰当的技术来减少被挤出市场的风险，这样做的效果是立竿见影的。

图7 系统集成示意图

全流程智能制造信息集成中心

全流程制造信息集成中心为工厂级别的综合管控平台，利用设备互联与集中监控系统、门禁系统、视频监视系统、MES、LIMS、WMS、QMS、PMS、 设备管理系统等在设计时预留的第三方信息接口进行集成。

信息集成中心根据实时数据库系统中的数据进行分析整理，形成分析数据，如统计图表、预测预警信息、质量分析、生产安全等决策数据。生产视频监控系统、车间门禁系统等系统通过预留的接口与业务管理系统进行集成。

通过各个系统的信息集成以及各种数字化装备的互联与数据采集，实现各种系统和装备的互联互通；通过数字化智能车间的建设，实现对人、机、料、环、法、检验的全面管理，实现制剂生产全流程的智能制造。

自动化设备、MES与ERP系统的协同与集成

MES位于ERP系统和自动化设备的中间层，通过系统在设计时预留的信息接口进行集成，自动化设备，MES和ERP三层结构的数字化工厂。

通过和ERP的交互，MES系统可以获取物料的信息和整体生产计划来制定批生产指令，同时物料消耗信息也可回传，供ERP制定物料采购计划。

通过和自动化系统的交互，MES系统可以控制自动化批次生产步骤，并根据不同批次确定生产参数，自动化设备或系统可把时间、状态、过程参数、报警等数据回传给MES完成电子批记录。

通过内部各个系统的信息集成以及各种数字化装备的集成与数据采集，实现各种系统和装备的互联互通，实现MES、ERP等系统的协同与集成。

生产工艺可预测优化和过程参数放行

对产品的关键质量属性CQA进行实时的或周期性的监测，通过数据分析对关键工艺参数CPP进行自动化的反馈调节，从中间产品经检测合格，成品QC检测且检验结果符合法定质量标准；批记录符合要求，生产过程符合GMP要求的放行依据，转变为用过程参数来确保生产结束时的产品质量并进行放行。

全流程智能制造信息集成中心

系统通过一网到底技术将现场DCS/PLC与集中监控层连接起来，完成生产任务的接收，生产实时监控及对生产线的数据采集和处理，生产过程的在线质量控制。

> 实现三层结构工厂模型，一体化生产管理完全数字化车间/工厂；

> 通过和自动化系统的交互，系统可以完全控制自动化批次生产步骤，并根据不同批次确定生产参数；

> 自动化可把时间，状态，过程参数等数据回传给系统完成电子批记录和质量、工艺参数智能分析。

> 通过消除所有环节上的不增值活动，来达到降低成本、缩短生产周期和改善质量的目的。

全流程智能制造信息集成中心通过系统的统计分析，对采集的信息进行归类、整理和综合分析，向下对生产过程作统一的调度，并对各个生产环节、现场关键设备及工艺点进行监视、控制和管理，通过控制、管理系统的功能的集成，实现对人、机、料、环、法、检测等的全面管理，并最终实现中药生产全流程的智能制造。

北京诚益通控制工程科技股份有限公司

诚益通在过去的近20年取得了辉煌的成绩，他们应用领先的控制技术和仪器、设备，帮助和协助用户在青霉素、头孢、红霉素、阿霉素等抗生素及抗肿瘤药物，多种氨基酸、维生素的生产技术水平上创造了中国制造在世界的领先，他们从20吨罐开始，一直做到了500吨罐的全过程、全方位自控，推动中国大产量API制造技术水平走在了世界的最前列。

诚益通公司过去以大规模生产过程自动化业务为主，从2011年开始，逐步进入了以设备为基础的无菌原料药和固体制剂领域。在无菌干燥、隔离包装，固体制剂的粉体计量、输送、混合、全自动配料等方面的高端市场做到了领先。同时在制剂车间的整体工艺自动化、BMSEMS中以通过美国FDA验证为目标的项目上取得了优异的业绩。在两化融合和智能制造方向上，以及在制剂和原料药、中药生产领域，以MES为代表的信息化技术应用都形成了技术和市场优势。

诚益通提供自动化/信息化/智能化中药智能制造整体解决方案服务，其目标不仅是要建设“国际先进，国内领先”的信息化和智能化工厂管理系统，更是协助客户创建并培养一支既懂得信息化和智能化控制技术，又了解如何优化企业管理流程的复合型管理人才团队的机会。

本文由北京诚益通控制工程科技股份有限公司提供。