张承 刘喜松 徐鑫 刘磊

摘要：依据数字化疫苗车间建设指引的要求，通过对现有脊髓灰质炎灭活疫苗（简称：IPV）全部车间工艺、公用工程设备建立SCADA、PCS系统，建立整个车间管理级MES系统，实现电子批记录、车间绩效、自动排产、工单分解、过程追溯等功能，并改造现有MRP、WMS、QMS系统同时集成其输出数据到MES系统，形成以MES系统为核心的数字化车间。

关键词：MES;SCADA; PCS;数字化车间

中图分类号：TP311. 52

文献标识码：A

文章编号：1672 - 9129（ 2018） 12 - 0104 - 03

引言：按照我国每年出生1600 -1800万新生儿计算，IPV疫苗总需求量为8000 - 10000万剂，由于疫苗供应严重短缺，因此只能实施一剂IPV的序贯免疫计划。目前国内仅2家企业生产IPV，由于工艺问题，实际上市产量远远低于预期。急需通过数字化车间的建设，实现IPV工艺规程的精准操作，确保持续稳定的生产出符合预定用途和注册要求的药品，精准的偏差控制和审核放行，审计追踪和族谱管理等功能的开发应用，全面提升质量管理效率和产品质量;实现精益排产的功能，提升工作效率;满足计算机化系统验证和数据完整性要求，大幅降低GMP合规经营的风险，客户和监管部门对产品质量的认可度也必将得到大幅提升。

我司目前IPV疫苗年产量4000万剂，生产任务繁重，现有的生产及管理模式对工艺稳定性、质量保证带来了巨大压力。特别是手工批记录在2018年“疫苗造假事件”的影响下，已经被各方面的监管高度质疑，实施数字化车间，特别是打通MES系统的数据流转时不我待。我司已实施基于公司级的ERP系统，立体库WMS系统，实验室LIMS系统，IPV部分工艺实现PCS系统，部分工艺单体自动控制，具备实施数字化车间的基础。

1 设计目标

实现IPV疫苗生产过程与信息系统的无缝对接，对各应用系统的数据进行集中存储和分析，最终达到全面感知生产过程，对实现工艺流程的连续化提供准确的数据基础，业务提升，节约能源，提高产品质量，精益生产的目标。使智能化IPV疫苗车间生产数字化车间真正落地。业务流程图如下：

2 数字化车间整体框架设计

IPV疫苗数字化车间整体分为4个层级。ERP系统是公司级管理层，与车间级管理层MES系统交互数据。MES系统与工艺过程控制系统PCS及工艺、公用工程监视系统SCADA系统交互数据。生产设备接入相应的PCS或SCADA系统。同时把立体库wms系统和实验室LIMS系统的结果传人ERP。系统框架图如下：

3 MES系统功能设计

MES系统是优化整个车间制造过程，不仅仅解决某个生产瓶颈。MES提供实时收集生产过程中数据的功能，并作出相应的分析和处理。MES需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成[1]。

3.1 车间级仓储管理。首先实现主要物料的条码管理，然后逐步实施辅料部分。MES与SAP物流模块、MRP模块对接，车间从SAP系统请料，成品/半成品车间投放。主要包括：物料入车间库管理，车间库存管理，车架物料出库管理，车间物料报废管理，车间物料退库管理。

3.2 物料投放管理。MES系统对投入IPV车间的物料批次、供应商、效期、效价、抽样、状态等属性严格管控。物料主数据由ERP系统管理，通过数据接口发送MES系统，MES定义物料车间级的更为详细的信息。主要包含基础信息，批次库存，称量信息等等。MES支持全程的物料追踪追溯和物料平衡计算。

3.3 IPV疫苗配方管理。IPV疫苗配方是对完成单位产出品所需原辅料的配比关系。主要包含：单位产出品定义，原辅料数量及单位数量，效价定义，填充料定义等。配方提供变更及验证控制，需定义有效时间、处方状态等。

3.4 IPV疫苗生产过程管理。

（1） IPV疫苗车间生产工单管理。工单是车间制造疫苗的核心，疫苗生产过程中的信息由工单系统的连接为一体，也是与其他信息系统集成的和信念。工单来自ERP系统生产模块的生产指令，按预定格式导入MES系统。工单管理记录IPV疫苗制造的全部过程状态，对于任一子状态，工作流程由信息系统和操作人员处理。

（2）物料称重管理。支持多种称量模式：手动，净重，毛重，混合，计数，支持开包即用。IPV疫苗车间需购置电子天平，严格依据处方对物料的精确称量和计算称量。实现标准的提示性图标和称量流程，提供称量和复核报告，从而提升了合规性。

（3）电子签名和审计追踪。ME系统S遵循FDA法规第21条第11部分电子记录和电子签名的要求。具备完全的审计追踪功能。按照IPV工艺过程控制权限定义系统标准事件是否需要电子签名以及电子签名种类，操作员所有活动/操作被完全审计追踪，包含单人签名，双人签名等。

（4）IPV疫苗制造精准执行。严格按照IPV生产工艺及对应的SOP，应用E - BATCH模块，PCS系统、SCADA系统、手工输入等方式执行。建立显示制造指导子系统，依据SOP在生产过程中规范操作员;实时完成数据采集和生产标记;实时控制在线检测任务;实时上报偏差;结合LIMS系统最终自动产生批记录，整个过程实现透明化管理。包括菌毒种领用、细胞培养、单价收获、纯化、灭活、三价配液等所有工艺环节。

（5）电子批记录审核。电子批记录主要审查：偏差处理，族谱查看，审计追踪这三个部分，称量报告和电子批记录批准放行IPV疫苗制造过程中所有和主批记录不相符合的内容都需要实时上报。电子批记录完整反映IPV全部工艺流程所有控制数据，工艺流程及关键点过程参数如下图：

（6） IPV制造过程在线质量管理。MES系统按照取样规则通过 LIMS系统数据接口对原辅料仓库待检物料创建检验单，LIMS系统根据检验结果做出批次质量判定，结果发送到ERP系统。应用电子指导书把生产工艺规程定义到MES系统中，然后分解各个生产步骤，指导并控制自动化系统及操作人员严格按工藝规程生产。同时SCADA系统读取过程和环境质量数据发送到MES系统，并根据判定标准给出批次质量结果。另外，MES对半成品和成品创建检验单据给LIMS系统，LIMS按照检验结果完成质量判定。

（7）IPV车间设备管理。MES对设备主要有生产相关的功能，设备的维护管理在另外模块中实施。包括：设备移动及位置管理;设备的CIP/SIP状态变化控制管理;称量仪表的校验状态及效期管理;物料占用状态及设备内物料类别和数量管理;设备容量和相关属性的管理。

4 IPV工艺过程及公用工程SCADA系统设计

生产工艺过程数据监视SCADA系统的通过统一的接口软件记录生产紧密相关的控制系统的生产数据、生产环境数据、关键设备运行参数及其状态、能源数据等。按照法律法规及管理人员的要求组合对应的报表，并发送到MES系统用于生成电子批记录。IPV车间主要工艺设备有：脉动真空灭菌柜、消毒锅、干烤箱、百级净化热风循环风箱，配液罐，发酵罐，洗瓶机，都由SCADA系统收集、监测、存储数据。

SACADA客户端浏览当前制药设备及生产运行情况，通过表格和趋势对生产过程比较、分析，用以指导生产，查找事故原因;实时浏览、打印、查看相应的生产数据报表。

公用工程、纯化水、蒸汽、供电系统，环境检测EMS系统，普通空调、K级空调系统均由上位机或各自的SCADA系统直接集成到MES系统。

5 IPV工艺过程PCS系统设计

部分实现流程化的工艺需要保证系统的PCS系统与设备PLC系统的交互，实现流程的自动化控制。针对IPV项目的间歇式生产流程，应用批量控制软件E - Batch管理生产配方和参数。对于没有接入PCS而接入SCADA系统的工艺设备，先收集运行数据，再根据大数据分析为变更流程提供数据支持，经验证合格后，再逐步接人PCS系统，IPV车间最核心的工艺设备蓝式反应器、纯化设备在第一阶段先接入PCS系统。

6 网络架构设计

公司网络已经实现办公网、工控网物理隔离，工控网只接人工艺设备、控制系统、视频监控等。升级现有的核心层和汇聚层，由单核心星型网改为双路热备星型网;重建车间接人层网络，设计为工业级SDH光纤双环网;MES、PCS、SCADA服务器采用DELL的超融合模式，为未来全公司MES系统上线和接人集团公司工业私有云奠定基础;制定网络访问规则级管理办法，部署工业级网络安全设备，跨网访问的应用。

7 实践应用

IPV数字化车间按照计划逐步实施。现阶段已完成离散型工艺的SCADA平台集成并正式投入使用，正在实施环境监测EMS、水、电、蒸汽等系统接人SCADA;新建车间接入网络，SCADA系统先在现有网络运行，等工控环形网建好之后再切换;连续工艺的PCS系统，MES系统的工单管理、称重管理、设备管理模块已实施完成，处于模拟测试阶段;其它MES模块依据在集成系统中的定位，重视信息的准确及时、规范流程、利用工具、管理创新，根据MES成熟度模型对自身的执行能力进行分析，按照信息集成、事务处理、制造智能三阶段循序渐进地实施MES系统[2]。SCADA系统已实时上传设备运行数据、报警信息，下图是SCADA系统中CIP在线清洗模块运行监视画面截图。

8 结束语

通过已经上线试运行的SCADA和PCS系统，实现了IPV生产全工艺流程的监视和部分连续性流程的监控。MES系统电子批记录所需近80%数据实现自动记录，剩余数据需要MES系统整体整成后从其它模块获取，结合少量手工数据，形成完整的电子批记录，更及时、准确的反映生产过程的数据。最终以MES系统为核心，向上支撑企业经营管理，向下与生产过程的实时数据高度集成，将各自独立的信息系统连接成为一个完整可靠和有效的整体，达到整个IPV疫苗生产车间数字化的目的。

参考文献：

[1]盛步云苏佳奇卢其兵丁毓峰肖婷.面向MES的生产线数据采集系统的研究.计算机测量与控制，2015（9）：2，3.

[2]饒运清李培根李淑霞朱传军张超勇金愿华张晴.制造执行系统的现状与发展趋势.机械科学与技术，2002（ 06）：3，5，6.