基于无线互联架构的MES在中药企业信息化升级中的应用

周 明，张燕群，段念林，周金海

(1.南京中医药大学 中医学院·中西医结合学院，江苏 南京 210023；2.杭州海善制药设备股份有限公司，浙江 杭州 311401；3.南京中医药大学 人工智能与信息技术学院，江苏 南京 210023)

0 引言

在中医药发展的历史长河中，很长一段时期，中药材的加工生产都停留在作坊式的手工作业阶段。新中国成立之后，随着国家工业制造业的不断发展以及市场对中药材需求量的持续增加，20世纪70年代，机械设备开始应用到中药材的加工生产中，现已非常普遍[1]。但长期以来，加工过程一直依靠老药工的人为把握，药效质量波动较大，在生产过程的信息化管控方面还比较薄弱。

国家药品监督管理部门为了有效规范中药企业的生产，制定《药品生产质量管理规范GMP》，中药企业需按照GMP要求进行管理。因此，研究应用现代信息技术对企业信息化进行升级改造以保障中药生产过程可靠有序、确保产品质量稳定、强化企业科技含量和市场竞争力已是一种必然趋势。本文基于无线互联架构的MES应用研究，希望在中药生产质量管控方面寻找更经济、更高效的方法。

1 中药企业生产管理信息技术的研究和应用现状

通用管理类软件，如办公自动化、财务管理、仓储管理系统等，直接用于中药企业的人、财、物管理已经十分常见，且融合性较好[2]。但是，面向中药材及饮片生产执行层的信息化管理系统，即工业制造中的MES系统，在中药企业中的应用屈指可数。针对中药制药的MES系统，最主要的特点就是监督，包括对生产流程的监督、生产品质的监督以及对生产设备的监督，外加控制与管理功能，可构成完整的自动化系统，综合地发挥作用[3]。黄海松等[4]讨论了以优化整个生产过程为核心，提出通过对生产经验的提取，实现生产过程的最优调度，并对系统具体模块设计进行了阐述。洪艳萍等[5]提出综合信息集成平台的构建，强调了企业数据的核心地位。通过实地考察，南京海昌中药集团早在十年前就在中药饮片生产过程中开发使用遵循GMP要求且符合SOP流程的MES系统，并成为行业示范[6]。大数据、人工智能是目前较为热门的信息技术，如有针对商业智能方面的研究，力求实现中药企业管理者对企业运营信息的深度了解，提升生产决策水平[7-9]。但是，目前中药企业生产过程信息化系统的应用并不普及，新技术没有真正地应用于中药企业的实际生产，只是一定程度上保证了中药质量安全[10-15]。

2 “保和堂”净切生产线智能物联管控信息化升级方案应用设计

“保和堂”是一家中药饮片中大型企业。长期以来，中药材净切生产设备多以传统电气开关及部分PLC控制为主，操控机制略显单一，生产线整体缺少对数据的及时准确采集，难以追溯。生产质量主要依赖老药工人为把控，生产管理规范性差，产品质量易波动。为了企业发展，生产信息化智能升级改造需求迫在眉睫。

升级改造方案重点是构建中药材净切生产智能设备对应管控信息化系统。通过参照洗药、润药、去皮、切制等加工工艺标准流程，运用计算机在线定制操作规程，控制工艺参数，收发生产任务，管控加工过程，实现加工过程规范化、中药材质量标准化、生产成本节约化及数据可追溯分析。

2.1 系统框架及功能

中药材净切生产智能化设备对应管控信息化系统总体框架如图1所示，具体功能如下。

(1)生产计划管理：企业生产计划、操作规范等，通过信息化方式下达工区，工人可根据要求操作相应设备执行加工任务。

(2)参数精确控制：通过智能控制器管理净切设备，采用过程控制手段，充分保证各种参数的精确控制。例如，通过PID等温控方式控制润药机温度，使温度误差小于±5℃。

图1 系统框架

(3)实时监控功能：通过智能控制器实时采集关键数据，及时发现超警戒值数据，并且进行上传及报警。

(4)参数跟踪、保存：中药材净切生产过程中，对所有重要数据进行跟踪保存，便于质量信息处理、历史记录查询及追溯。

(5)远程实时设备监控：利用无线通信或5G网络，通过虚拟网络控制台(Virtual Network Console，VNC)技术实时监视加工设备，远程控制净切加工设备的参数、运转和停止。

(6)数据云端存储：各部分通过工业控制线或无线局域网连接，生产数据实时汇总在云端服务器，便于智能分析处理。

2.2 技术措施及描述

2.2.1 主程序架构

中药材净切生产智能化设备对应管控系统，服务器端主程序采用浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)模式进行设计，主体架构分为3层，从低到高分别为数据库访问层、业务逻辑层和界面层，层与层之间通过接口进行连接。其中，界面层使用Model-View-Controller(MVC)框架，架构清晰，维护方便。业务逻辑层使用工作流理念，规范工区操作流程，利于实现中药材加工的标准化。根据系统分布式部署需求，界面层与业务逻辑层之间使用Windows Communication Foundation(WCF)框架嵌入服务层，使得界面层各功能模块可以与主程序完全分离，根据需要部署到不同设备上。主程序架构如图2所示。

2.2.2 工区无线客户端设计

工区客户端采用微信小程序开发，通过接口与主程序服务层进行通信，可实现查看生产任务、录入加工记录、检测成品质量等功能，主界面如图3所示。微信小程序是一种全新的连接用户与服务的方式，可以在微信内便捷地获取和传播，无需下载安装，具有出色的使用体验。其轻量化、随需随用，可以实现工区客户端的无线布局，降低以往工区固定式箱体客户端布置、排线、维护上的难度，方便中药材加工企业对生产过程的升级改造。

2.2.3 远程设备监控

涉及中药材生产的部分设备要进行自动化升级，利用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)对设备控制方式的改造是工业自动化的标志。PLC以弱电控制取代了传统电气化的强电控制，通过预先设计并存储在其内部的执行逻辑，调控机械设备的运行。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、电力、汽车制造等行业。中药材生产设备的升级改造主要涉及PLC的开关量逻辑控制、模拟量控制以及通信联网功能。通过开关量逻辑对设备的启动和停止进行控制；通过模拟量控制对设备运行的温度、压力、速度等模拟数据进行设备运行状态监控；通过通信联网功能实现PLC控制器间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。

采用虚拟网络控制台(Virtual Network Console，VNC)关联生产设备，实现对设备生产数据的远程监视和对设备的远程控制。VNC是基于UNIX和Linux操作系统的开源软件，远程控制能力强大，高效实用，主要由客户端应用程序(vncviewer)和服务器端应用程序(vncserver)两部分组成。VNC客户端通过浏览器或vncviewer连接至vncserver，经过简单设置即可实现对设备的远程访问。

2.2.4 云服务器部署

系统主程序使用云服务器部署。通过第三方租赁服务配置符合需求的云服务器，进行相关设计软件安装、参数设置，建立远程连接。将本地的项目发布文件夹上传至服务器端，IIS管理器中添加网站，配置服务器出入站规则。最后进行服务器安全组设置，即可在外网实时访问主程序包括数据库。云服务器部署方案，降低了本地服务器维护成本和难度，便于远程终端的随时访问，多地共享数据，便于智能分析处理。

图2 主程序架构

整个系统的软件设计遵循中药生产GMP要求，加工过程完全按照标准操作步骤(SOP)设置，通过上端控制室统筹下达生产任务，各工区人员通过可移动设备接收并完成生产，任务单在工区自动流转。系统总的工作流程如图4所示。以“净选=>洗药=>去皮”为例，工区流转过程如图5所示。

3 结语

针对“保和堂”公司，现代信息新技术在中药材生产管控中的融合应用，可以更好地实现生产过程规范化、标准化、无纸化及数据可追溯分析，在更大程度上达到了生产的自动化、智能化目标，确保了产品质量更加稳定，促进了经济效益的提高。作为案例，也可以在中药制药行业积极推广应用。

图3 小程序工区操作界面

图4 系统工作流程

国家《中国制造2025》及《中医药发展战略规划纲要(2016—2030年)》已明确将“加快推进智能制造，注重信息化、智能化与工业化的融合”列为主攻方向。国家也已经把中药饮片质量标准产业列为当前我国优先发展的高新技术产业化重点领域之一。相信经过一个时期的努力，现代信息新技术与中药生产各环节的不断深入结合，一定会在规范生产管理、提高中药质量、提升产业竞争力等方面显现突出效果，从而使中药这一古老的传统产业重焕青春，为中药产业和大健康产业发展做出新的贡献。

图5 工区流转