本文針對制藥企業(yè)的生產(chǎn)特性，依據(jù)S88及S95標準，建立基于MES（Manufacturing Execution System）的生產(chǎn)制造系統(tǒng)網(wǎng)絡集成平臺，實現(xiàn)制藥生產(chǎn)及經(jīng)營過程DCS及ERP系統(tǒng)的集成，應用先進的計算機技術(shù)及管理技術(shù)改變并優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)運營模式，就上述問題提出切實可行的技術(shù)方法。
制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）是對生產(chǎn)操作層的監(jiān)督管理與控制，對企業(yè)從計劃到最終產(chǎn)品的整個生產(chǎn)流程中的各個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化。利用實時、準確的數(shù)據(jù)指導、管理、記錄企業(yè)各項生產(chǎn)活動，為企業(yè)經(jīng)營提供及時準確的信息，使企業(yè)及時根據(jù)內(nèi)部資源情況及外部需求的變化調(diào)整生產(chǎn)。
在國外MES系統(tǒng)已被成功的應用于化學工業(yè)、制造工業(yè)和生物制藥等廣泛的領域。其管理范圍涵蓋了生產(chǎn)過程監(jiān)督與控制以及相關(guān)物料和能源的傳輸與存儲。解決了生產(chǎn)控制系統(tǒng)（DCS）與企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）之間的斷層問題，MES系統(tǒng)在國外制藥領域的應用已經(jīng)取得了可觀的經(jīng)濟效益，然而，其在國內(nèi)的應用剛剛起步， 為了提高企業(yè)的綜合競爭實力， 應加快MES系統(tǒng)的開發(fā)與實施。
1 總體思路
20世紀90年代初信息系統(tǒng)（CIMS）結(jié)構(gòu)開始改變，制造過程從以前的面向企業(yè)內(nèi)部轉(zhuǎn)為面向客戶需求，來自于全球性的競爭壓力使得制造商必須提高對市場及客戶需求的響應速度，增強企業(yè)制造過程的靈活性和敏捷性，以滿足客戶對產(chǎn)品質(zhì)量、特性、時間的要求，從而提高企業(yè)的忠誠度，贏得市場競爭。
1992年英國劍橋大學基于國際先進制造研究組織（AMR）的調(diào)查及分析，提出了基于MES的三層模型，它將生產(chǎn)制造系統(tǒng)問題定義為：計劃、執(zhí)行及過程控制三個區(qū)域。通過建立企業(yè)制造執(zhí)行過程（MES）將企業(yè)的計劃過程及生產(chǎn)控制過程連接起來，簡化了信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。國際企業(yè)制造解決方案聯(lián)盟MESA制定了S95標準， 規(guī)定了MES（Manufacturing Execution System）的與企業(yè)計劃及調(diào)度系統(tǒng)接口的11項功能模型，實現(xiàn)對企業(yè)資源的優(yōu)化調(diào)度及跟蹤管理和控制，建立一個穩(wěn)定可靠的、靈活的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，以滿足不斷變化的市場需求。
通過對國內(nèi)外市場MES系統(tǒng)的調(diào)研， 基于SIEMENS BATCH、ROCKWELL BATCH的MES架構(gòu)，能與企業(yè)底層控制及上層計劃管理達到較緊密的連接，符合S88、S95標準，具有較好的系統(tǒng)集成性，可實現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)操作層的標準化、精細化管理，完成由生產(chǎn)計劃到生產(chǎn)操作控制的規(guī)范化管理，可達到固化并優(yōu)化生產(chǎn)操作、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、加快企業(yè)對市場需求的響應速度的目的。
2 技術(shù)實現(xiàn)
2.1 依據(jù)S88標準建立企業(yè)生產(chǎn)制造模型
1）大多數(shù)制藥企業(yè)屬離散式或混合型制造企業(yè)，具有小批量多品種的批生產(chǎn)操作特性，為了能夠使產(chǎn)品生產(chǎn)過程標準化，重復優(yōu)良生產(chǎn)過程，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，使其滿足現(xiàn)代企業(yè)對市場及客戶靈活多變的需求。通過對制藥行業(yè)生產(chǎn)過程進行的分析，認為應采用S88標準將企業(yè)生產(chǎn)模型定義為：SITE（場所）、AREA（區(qū)域）、CELL（單元）、UNIT（單位），建立滿足企業(yè)不同產(chǎn)品生產(chǎn)的靈活的產(chǎn)品配方。例如：將企業(yè)定義為產(chǎn)品制造場所（SITE），將生產(chǎn)車間定義為生產(chǎn)區(qū)域（AREA），它包括不同的生產(chǎn)線（CELL），在每一條生產(chǎn)線上包括相對獨立的批過程生產(chǎn)單元（UNIT）。通過建立各所屬單元（UNIT）的EQUIPMENT MODULE（設備模塊）及相應的CONTROL MODULE（控制模塊），實現(xiàn)際與批生產(chǎn)過程靈活的、便捷的模塊化控制。生產(chǎn)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
圖1 制藥企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)模型
生產(chǎn)車間接到生產(chǎn)任務，將任務按批制定到生產(chǎn)作業(yè)計劃，生成生產(chǎn)配方各生產(chǎn)線的相應控制單元，規(guī)范了生產(chǎn)計劃、執(zhí)行及跟蹤的過程管理，避免了由于管理的粗放，使得產(chǎn)品成本及質(zhì)量波動，滿足了GMP對藥品生產(chǎn)的規(guī)范要求，提高了企業(yè)生產(chǎn)能力及效益。
2）實現(xiàn)企業(yè)不同信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，使得企業(yè)產(chǎn)品各生產(chǎn)線及生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)之間實現(xiàn)信息共享。按照S95標準對企業(yè)信息系統(tǒng)架構(gòu)進行整合，實現(xiàn)了各個系統(tǒng)間的信息互通，使得企業(yè)各生產(chǎn)部門或生產(chǎn)單元之間達到協(xié)調(diào)統(tǒng)一，增加操作的及時性和準確性，避免了由于誤操作為企業(yè)帶來的經(jīng)濟損失。其分層結(jié)構(gòu)如圖2。
圖2 企業(yè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換分層結(jié)構(gòu)
其中，S95定義了ERP（LEVEL 3）與MES（LEVEL 4）連接方法以及MES的功能模塊；S88定義了LEVEL 1-2（層1-2）中的批過程控制實現(xiàn)模型；LEVEL 0（層0）為實際物理設備層。
2.2 對生產(chǎn)過程進行優(yōu)化，改變生產(chǎn)操作模式
2.2.1 實現(xiàn)配方驅(qū)動的生產(chǎn)操作方式
建立以車間工藝員為生產(chǎn)作業(yè)中心的生產(chǎn)操作模式，由工藝員根據(jù)生產(chǎn)計劃及生產(chǎn)原材料、設備、人員等制造資源的狀況，制定詳細生產(chǎn)作業(yè)計劃，編制生產(chǎn)配方，并進行發(fā)布，各崗位主操作人員接到配方后進行生產(chǎn)，實現(xiàn)了面向生產(chǎn)訂單的細化管理，保證了生產(chǎn)工藝過程的可重復性，優(yōu)化并固化了生產(chǎn)操作流程，為提高產(chǎn)品質(zhì)量降低生產(chǎn)成本提供了可靠的技術(shù)保證。同時，通過激勵機制，鼓勵崗位操作人員競爭上崗，使簡單勞動與復雜勞動有效分離，極大地調(diào)動了員工學習向上的積極性，促進企業(yè)生產(chǎn)能力及水平的進一步提高。
2.2.2 建立了符合FDA要求的批記錄
系統(tǒng)自動生成符合GMP和FDA要求的電子批記錄（Electronic Batch Record），實現(xiàn)對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)、報警情況及超限處理情況及操作人員的實時跟蹤記錄，方便將來的歷史追蹤，符合GMP提出的：實時及如實記 錄生產(chǎn)操作的全過程。同時，電子批記錄為批生產(chǎn)分析提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，為生產(chǎn)工藝優(yōu)化及快速糾錯提供了可靠的保障。
2.3 依據(jù)S95標準建立企業(yè)信息系統(tǒng)集成模型
2.3.1 通過OPC（OLE for Process Control）實現(xiàn)MES同DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換以及不同DCS系統(tǒng)間的通訊
通過對OPC服務端（OPC CLIENT）DCOM的安全配置，在OPC客戶端（OPC CLIENT）進行OPC變量標簽的組態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)特性選擇輸入型、輸出型或者輸入輸出型，實現(xiàn)各種DCS系統(tǒng)之間以及MES與DCS間的信息的安全交換。
通過OPC技術(shù)將不同系統(tǒng)的信息集成到MES操作站中及其他相關(guān)操作站中，可實現(xiàn)生產(chǎn)指揮中心對各車間生產(chǎn)過程進行集中管理，滿足生產(chǎn)調(diào)度實時監(jiān)控及快速響應的需求以及不同車間及不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實時訪問，使企業(yè)各生產(chǎn)平臺之間協(xié)調(diào)一致。
采用如上技術(shù)后，不僅解決了對歷史信息的實時記錄及分析，進行生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，同時還保證了不同車間、不同系統(tǒng)之間生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)性和銜接性，提高生產(chǎn)過程操作的及時性和準確性，加快了系統(tǒng)對突發(fā)事件的響應速度，從而降低生產(chǎn)事故的發(fā)生率，降低了企業(yè)的經(jīng)營成本。
2.3.2 依據(jù)XML標準建立MES同ERP系統(tǒng)的集成
MES生成的批次數(shù)據(jù)文件是符合XML的國際數(shù)據(jù)交換標準文檔。依據(jù)S95標準，它以模型方式為MES定義了各種簡單的和復雜的數(shù)據(jù)類型，它包括設備信息 （設備、設備類型、設備能力測試）、維護信息（維護請求、維護響應、維護工單）、原材料信息（原材料批、原材料子批、原材料定義、原材料類別、QA驗證報 告）、人員信息（人員類別、人員、崗位專業(yè)技能認證）、工序信息（生產(chǎn)工序、搬運工序、檢驗工序、工序相關(guān)人員、工序相關(guān)設備、工序相關(guān)物料）、產(chǎn)品定義 （物料清單、生產(chǎn)過程信息、生產(chǎn)能力信息、）、生產(chǎn)性能評測信息（生產(chǎn)響應指標、工序效能指標、人員適用情況、設備占用情況、物料實際消耗、輔助資源消耗 情況）、生產(chǎn)調(diào)度信息（生產(chǎn)需求、人員需求、設備需求）。
依據(jù)S95標準功能模型（如圖3所示）將ERP與MES相關(guān)的XML文檔轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可識別的信息?？梢杂糜谂涡畔Ρ群头治觥?/font>
圖3 系統(tǒng)功能模型
3 系統(tǒng)功能
制定企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，按照ANSI/ISA-95.01（S95）設計工廠模型，實現(xiàn)產(chǎn)品配方管理、生產(chǎn)計劃、資源調(diào)度、批次控制以及電子批紀錄，建立與之相匹配的實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)與企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)——ERP及DCS系統(tǒng)的連接，達到信息的集成。
通過對制藥行業(yè)產(chǎn)品及工藝路線的分析，建立符合制藥企業(yè)MES功能。這些功能互相配合，提供了適用于管理企業(yè)各個類型的信息平臺。企業(yè)管理人員、質(zhì)量管理 人員、系統(tǒng)維護人員、文檔和調(diào)度管理人員以及生產(chǎn)操作人員都可以在MES平臺中進行業(yè)務處理與查詢分析。實施內(nèi)容主要包括以下幾方面功能：
3.1 資源的調(diào)配與控制
提供與生產(chǎn)控制及制造相關(guān)資源的歷史詳盡使用記錄，保證資源可用并處在最佳狀態(tài)， 實時顯示生產(chǎn)過程中資源的狀態(tài)數(shù)據(jù)。所管理的資源包括機器、設備、原材料和操作技能。
3.2 操作與詳細計劃
根據(jù)與生產(chǎn)設備及生產(chǎn)產(chǎn)品特性（包括形狀、顏色等）相關(guān)的優(yōu)先級、屬性、特征、資源限制和生產(chǎn)規(guī)則安排生產(chǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)流程并最大限度地減少重復勞動。按照操作的可替代性、并行性和重疊性，計算出詳細精確的時間表、設備利用表。
3.3 生產(chǎn)分配
以工作、生產(chǎn)批及工作訂單的形式對生產(chǎn)流程進行管理，將生產(chǎn)指令分配給指定的設備或操作員。以工作流程的形式表示分配信息，其中包括在生產(chǎn)線上出現(xiàn)特殊情 況的處理。在允許的情況下，可根據(jù)當時的情況及有效規(guī)則對所制定的計劃進行修改。生產(chǎn)指令的分配還包括對任意節(jié)點進行中的工作進行返工及自救管理的能力。
3.4 文件控制
保存生產(chǎn)部門必須控制記錄及表單，它包括工作指令、標準工作過程、組件流程、批次記錄、記錄圖表、工藝變更通知、班次間的信息交換以及對計劃及生產(chǎn)中的信 息的修正能力。向操作者發(fā)送指令，包括為操作員提供數(shù)據(jù)、向生產(chǎn)控制裝置傳遞配方。它還包括對生產(chǎn)過程的調(diào)整、環(huán)境、安全保健規(guī)章的管理，同時記錄修正過 程的SOP（Standard Operation Procedure）信息。
3.5 數(shù)據(jù)采集
獲取與生產(chǎn)設備及生產(chǎn)過程相關(guān)的產(chǎn)品及過程參數(shù)信息，負責提供生產(chǎn)設備、生產(chǎn)過程的產(chǎn)品及過程參數(shù)的歷史信息。
3.6 勞動力管理
提供最近的人員情況表，包括時間及出勤情況報告、人員技能許可證，同時還包括輔助操作人員能力，如：材料準備、機修間等參與成本項目的工作人員。本功能與資源的調(diào)配與控制功能相互作用，以確定最佳的資源分配。
3.7 質(zhì)量管理
從生產(chǎn)中采集實時數(shù)據(jù)并進行分析， 以確保對產(chǎn)品成產(chǎn)過程恰當?shù)馁|(zhì)量控制，可迅速發(fā)現(xiàn)需引起注意的問題，它將問題、行為、結(jié)果關(guān)聯(lián)起來，以便于提供相應的解決方案。它包括對離線檢驗操作跟蹤管理及在實驗室管理系統(tǒng)中的分析。
3.8 進程管理
監(jiān)督生產(chǎn)過程，并自動地糾正生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，能為操作人員修正和改進生產(chǎn)過程中存在的問題提供決策支持。這些功能集成在生產(chǎn)控制設備中完成監(jiān)視和管理， 實現(xiàn)自動執(zhí)行操作，并跟蹤每一步操作的執(zhí)行過程。具有報警管理機制，以確保生產(chǎn)人員了解生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的超出偏差允許范圍的情況。
3.9 維護管理
包括對生產(chǎn)設備及工具的維護， 確保生產(chǎn)中使用的設備及工具的可用性， 同時它還包括維護周期或預維護計劃的編制與執(zhí)行，以及對突發(fā)事件的響應，維護管理保存著歷史事件和問題的記錄，以輔助問題的診斷。
3.10 生產(chǎn)計劃與追蹤
監(jiān)督設備、產(chǎn)品批次的生產(chǎn)過程，提供生產(chǎn)及工作安排的狀態(tài)，這些狀態(tài)信息包括被安排工作的人員、生產(chǎn)中使用的原材料、當前生產(chǎn)情況以及所有的報警、返工和 與生產(chǎn)相關(guān)的意外情況和采取的相應改進措施。記錄所有生產(chǎn)信息，以便對所有最終產(chǎn)品所關(guān)聯(lián)的操作及適用的原材料進行準確及時的追蹤。
3.11 性能分析
提供實際生產(chǎn)操作結(jié)果與歷史操作記錄及期望值對照的最新報告，性能評估結(jié)果包括資源使用情況統(tǒng)計、資源有效性、產(chǎn)品生產(chǎn)周期、計劃及標準指標完成情況。性能分析是從不同的功能中所測量的數(shù)據(jù)里收集信息進行分析。
4 設計實例
依據(jù)ISA S88標準定義設備對象和進行功能組合的劃分，將批生產(chǎn)過程相關(guān)的設備和功能同標準模型相對應， 建立所需的功能塊。如圖M 所示，包括車間生產(chǎn)線（CELL）、單元（UNIT）、設備模塊（EQUIPMENT MODULE）、控制模塊（CONTROL MODULE）。
圖4 系統(tǒng)設備功能模型
編制各生產(chǎn)過程的順序控制程序模塊， 在BATCH中根據(jù)生產(chǎn)工藝對批控制過程的需求調(diào)用相應的程序過程，生成基于生產(chǎn)作業(yè)計劃的生產(chǎn)配方（RECIPE），配方經(jīng)驗證后進行發(fā)布。生產(chǎn)操作人 員根據(jù)發(fā)布的生產(chǎn)配方發(fā)布啟動命令，系統(tǒng)自動進行預定的操作，且在出現(xiàn)異常情況時，操作人員可進行干預。批操作結(jié)束后，系統(tǒng)自動產(chǎn)生符合GMP要求的電子 批記錄，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的操作情況、工藝參數(shù)情況、報警情況、關(guān)鍵工藝點的歷史趨勢、隨機發(fā)生問題的處理情況及操作人員身份進行記錄，以便進行將來的 審計追蹤，完全符合FDA對食品藥品生產(chǎn)過程的要求。同時，從記錄中提取的信息可用于工藝分析，以便進行生產(chǎn)過程優(yōu)化。