本文針對(duì)制藥企業(yè)的生產(chǎn)特性，依據(jù)S88及S95標(biāo)準(zhǔn)，建立基于MES（Manufacturing Execution System）的生產(chǎn)制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)制藥生產(chǎn)及經(jīng)營(yíng)過(guò)程DCS及ERP系統(tǒng)的集成，應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)及管理技術(shù)改變并優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)模式，就上述問(wèn)題提出切實(shí)可行的技術(shù)方法。
制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）是對(duì)生產(chǎn)操作層的監(jiān)督管理與控制，對(duì)企業(yè)從計(jì)劃到最終產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。利用實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)指導(dǎo)、管理、記錄企業(yè)各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)，為企業(yè)經(jīng)營(yíng)提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息，使企業(yè)及時(shí)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(guó)外MES系統(tǒng)已被成功的應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、制造工業(yè)和生物制藥等廣泛的領(lǐng)域。其管理范圍涵蓋了生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)督與控制以及相關(guān)物料和能源的傳輸與存儲(chǔ)。解決了生產(chǎn)控制系統(tǒng)（DCS）與企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）之間的斷層問(wèn)題，MES系統(tǒng)在國(guó)外制藥領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，然而，其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用剛剛起步， 為了提高企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力， 應(yīng)加快MES系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)施。
1 總體思路
20世紀(jì)90年代初信息系統(tǒng)（CIMS）結(jié)構(gòu)開(kāi)始改變，制造過(guò)程從以前的面向企業(yè)內(nèi)部轉(zhuǎn)為面向客戶需求，來(lái)自于全球性的競(jìng)爭(zhēng)壓力使得制造商必須提高對(duì)市場(chǎng)及客戶需求的響應(yīng)速度，增強(qiáng)企業(yè)制造過(guò)程的靈活性和敏捷性，以滿足客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、特性、時(shí)間的要求，從而提高企業(yè)的忠誠(chéng)度，贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
1992年英國(guó)劍橋大學(xué)基于國(guó)際先進(jìn)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(wèn)題定義為：計(jì)劃、執(zhí)行及過(guò)程控制三個(gè)區(qū)域。通過(guò)建立企業(yè)制造執(zhí)行過(guò)程（MES）將企業(yè)的計(jì)劃過(guò)程及生產(chǎn)控制過(guò)程連接起來(lái)，簡(jiǎn)化了信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。國(guó)際企業(yè)制造解決方案聯(lián)盟MESA制定了S95標(biāo)準(zhǔn)， 規(guī)定了MES（Manufacturing Execution System）的與企業(yè)計(jì)劃及調(diào)度系統(tǒng)接口的11項(xiàng)功能模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)資源的優(yōu)化調(diào)度及跟蹤管理和控制，建立一個(gè)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(chǎng)需求。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)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(jì)劃管理達(dá)到較緊密的連接，符合S88、S95標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的系統(tǒng)集成性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)操作層的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管理，完成由生產(chǎn)計(jì)劃到生產(chǎn)操作控制的規(guī)范化管理，可達(dá)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(duì)市場(chǎng)需求的響應(yīng)速度的目的。
2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)
2.1 依據(jù)S88標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，重復(fù)優(yōu)良生產(chǎn)過(guò)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(duì)市場(chǎng)及客戶靈活多變的需求。通過(guò)對(duì)制藥行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行的分析，認(rèn)為應(yīng)采用S88標(biāo)準(zhǔn)將企業(yè)生產(chǎn)模型定義為：SITE（場(chǎng)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(chǎng)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(duì)獨(dú)立的批過(guò)程生產(chǎn)單元（UNIT）。通過(guò)建立各所屬單元（UNIT）的EQUIPMENT MODULE（設(shè)備模塊）及相應(yīng)的CONTROL MODULE（控制模塊），實(shí)現(xiàn)際與批生產(chǎn)過(guò)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(wù)，將任務(wù)按批制定到生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，生成生產(chǎn)配方各生產(chǎn)線的相應(yīng)控制單元，規(guī)范了生產(chǎn)計(jì)劃、執(zhí)行及跟蹤的過(guò)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(dòng)，滿足了GMP對(duì)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(shí)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(jì)劃與生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)信息共享。按照S95標(biāo)準(zhǔn)對(duì)企業(yè)信息系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)系統(tǒng)間的信息互通，使得企業(yè)各生產(chǎn)部門(mén)或生產(chǎn)單元之間達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一，增加操作的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，避免了由于誤操作為企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)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(guò)程控制實(shí)現(xiàn)模型；LEVEL 0（層0）為實(shí)際物理設(shè)備層。
2.2 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，改變生產(chǎn)操作模式
2.2.1 實(shí)現(xiàn)配方驅(qū)動(dòng)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(jì)劃及生產(chǎn)原材料、設(shè)備、人員等制造資源的狀況，制定詳細(xì)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，編制生產(chǎn)配方，并進(jìn)行發(fā)布，各崗位主操作人員接到配方后進(jìn)行生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了面向生產(chǎn)訂單的細(xì)化管理，保證了生產(chǎn)工藝過(guò)程的可重復(fù)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(shí)，通過(guò)激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)崗位操作人員競(jìng)爭(zhēng)上崗，使簡(jiǎn)單勞動(dòng)與復(fù)雜勞動(dòng)有效分離，極大地調(diào)動(dòng)了員工學(xué)習(xí)向上的積極性，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)能力及水平的進(jìn)一步提高。
2.2.2 建立了符合FDA要求的批記錄
系統(tǒng)自動(dòng)生成符合GMP和FDA要求的電子批記錄（Electronic Batch Record），實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的工藝參數(shù)、報(bào)警情況及超限處理情況及操作人員的實(shí)時(shí)跟蹤記錄，方便將來(lái)的歷史追蹤，符合GMP提出的：實(shí)時(shí)及如實(shí)記 錄生產(chǎn)操作的全過(guò)程。同時(shí)，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(cuò)提供了可靠的保障。
2.3 依據(jù)S95標(biāo)準(zhǔn)建立企業(yè)信息系統(tǒng)集成模型
2.3.1 通過(guò)OPC（OLE for Process Control）實(shí)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(guò)對(duì)OPC服務(wù)端（OPC CLIENT）DCOM的安全配置，在OPC客戶端（OPC CLIENT）進(jìn)行OPC變量標(biāo)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(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指揮中心對(duì)各車間生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中管理，滿足生產(chǎn)調(diào)度實(shí)時(shí)監(jiān)控及快速響應(yīng)的需求以及不同車間及不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)訪問(wèn)，使企業(yè)各生產(chǎn)平臺(tái)之間協(xié)調(diào)一致。
采用如上技術(shù)后，不僅解決了對(duì)歷史信息的實(shí)時(shí)記錄及分析，進(jìn)行生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，同時(shí)還保證了不同車間、不同系統(tǒng)之間生產(chǎn)過(guò)程的協(xié)調(diào)性和銜接性，提高生產(chǎn)過(guò)程操作的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，加快了系統(tǒng)對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)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(yíng)成本。
2.3.2 依據(jù)XML標(biāo)準(zhǔn)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(guó)際數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)文檔。依據(jù)S95標(biāo)準(zhǔn)，它以模型方式為MES定義了各種簡(jiǎn)單的和復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，它包括設(shè)備信息 （設(shè)備、設(shè)備類型、設(shè)備能力測(cè)試）、維護(hù)信息（維護(hù)請(qǐng)求、維護(hù)響應(yīng)、維護(hù)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(yàn)證報(bào) 告）、人員信息（人員類別、人員、崗位專業(yè)技能認(rèn)證）、工序信息（生產(chǎn)工序、搬運(yùn)工序、檢驗(yàn)工序、工序相關(guān)人員、工序相關(guān)設(shè)備、工序相關(guān)物料）、產(chǎn)品定義 （物料清單、生產(chǎn)過(guò)程信息、生產(chǎn)能力信息、）、生產(chǎn)性能評(píng)測(cè)信息（生產(chǎn)響應(yīng)指標(biāo)、工序效能指標(biāo)、人員適用情況、設(shè)備占用情況、物料實(shí)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(shè)備需求）。
依據(jù)S95標(biāo)準(zhǔn)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(shí)別的信息?？梢杂糜谂涡畔?duì)比和分析。
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(kù)，按照ANSI/ISA-95.01（S95）設(shè)計(jì)工廠模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配方管理、生產(chǎn)計(jì)劃、資源調(diào)度、批次控制以及電子批紀(jì)錄，建立與之相匹配的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)與企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)——ERP及DCS系統(tǒng)的連接，達(dá)到信息的集成。
通過(guò)對(duì)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(gè)類型的信息平臺(tái)。企業(yè)管理人員、質(zhì)量管理 人員、系統(tǒng)維護(hù)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(tái)中進(jìn)行業(yè)務(wù)處理與查詢分析。實(shí)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(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)過(guò)程中資源的狀態(tài)數(shù)據(jù)。所管理的資源包括機(jī)器、設(shè)備、原材料和操作技能。
3.2 操作與詳細(xì)計(jì)劃
根據(jù)與生產(chǎn)設(shè)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(jí)、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(fù)勞動(dòng)。按照操作的可替代性、并行性和重疊性，計(jì)算出詳細(xì)精確的時(shí)間表、設(shè)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(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行管理，將生產(chǎn)指令分配給指定的設(shè)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(dāng)時(shí)的情況及有效規(guī)則對(duì)所制定的計(jì)劃進(jìn)行修改。生產(chǎn)指令的分配還包括對(duì)任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中的工作進(jìn)行返工及自救管理的能力。
3.4 文件控制
保存生產(chǎn)部門(mén)必須控制記錄及表單，它包括工作指令、標(biāo)準(zhǔn)工作過(guò)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(duì)計(jì)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(duì)生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)整、環(huán)境、安全保健規(guī)章的管理，同時(shí)記錄修正過(guò) 程的SOP（Standard Operation Procedure）信息。
3.5 數(shù)據(jù)采集
獲取與生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的產(chǎn)品及過(guò)程參數(shù)信息，負(fù)責(zé)提供生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品及過(guò)程參數(shù)的歷史信息。
3.6 勞動(dòng)力管理
提供最近的人員情況表，包括時(shí)間及出勤情況報(bào)告、人員技能許可證，同時(shí)還包括輔助操作人員能力，如：材料準(zhǔn)備、機(jī)修間等參與成本項(xiàng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析， 以確保對(duì)產(chǎn)品成產(chǎn)過(guò)程恰當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制，可迅速發(fā)現(xiàn)需引起注意的問(wèn)題，它將問(wèn)題、行為、結(jié)果關(guān)聯(lián)起來(lái)，以便于提供相應(yīng)的解決方案。它包括對(duì)離線檢驗(yàn)操作跟蹤管理及在實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中的分析。
3.8 進(jìn)程管理
監(jiān)督生產(chǎn)過(guò)程，并自動(dòng)地糾正生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，能為操作人員修正和改進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題提供決策支持。這些功能集成在生產(chǎn)控制設(shè)備中完成監(jiān)視和管理， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行操作，并跟蹤每一步操作的執(zhí)行過(guò)程。具有報(bào)警管理機(jī)制，以確保生產(chǎn)人員了解生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的超出偏差允許范圍的情況。
3.9 維護(hù)管理
包括對(duì)生產(chǎn)設(shè)備及工具的維護(hù)， 確保生產(chǎn)中使用的設(shè)備及工具的可用性， 同時(shí)它還包括維護(hù)周期或預(yù)維護(hù)計(jì)劃的編制與執(zhí)行，以及對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)，維護(hù)管理保存著歷史事件和問(wèn)題的記錄，以輔助問(wèn)題的診斷。
3.10 生產(chǎn)計(jì)劃與追蹤
監(jiān)督設(shè)備、產(chǎn)品批次的生產(chǎn)過(guò)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(dāng)前生產(chǎn)情況以及所有的報(bào)警、返工和 與生產(chǎn)相關(guān)的意外情況和采取的相應(yīng)改進(jìn)措施。記錄所有生產(chǎn)信息，以便對(duì)所有最終產(chǎn)品所關(guān)聯(lián)的操作及適用的原材料進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的追蹤。
3.11 性能分析
提供實(shí)際生產(chǎn)操作結(jié)果與歷史操作記錄及期望值對(duì)照的最新報(bào)告，性能評(píng)估結(jié)果包括資源使用情況統(tǒng)計(jì)、資源有效性、產(chǎn)品生產(chǎn)周期、計(jì)劃及標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)完成情況。性能分析是從不同的功能中所測(cè)量的數(shù)據(jù)里收集信息進(jìn)行分析。
4 設(shè)計(jì)實(shí)例
依據(jù)ISA S88標(biāo)準(zhǔn)定義設(shè)備對(duì)象和進(jìn)行功能組合的劃分，將批生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的設(shè)備和功能同標(biāo)準(zhǔn)模型相對(duì)應(yīng)， 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(shè)備模塊（EQUIPMENT MODULE）、控制模塊（CONTROL MODULE）。
圖4 系統(tǒng)設(shè)備功能模型
編制各生產(chǎn)過(guò)程的順序控制程序模塊， 在BATCH中根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)批控制過(guò)程的需求調(diào)用相應(yīng)的程序過(guò)程，生成基于生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的生產(chǎn)配方（RECIPE），配方經(jīng)驗(yàn)證后進(jìn)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(dòng)命令，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)定的操作，且在出現(xiàn)異常情況時(shí)，操作人員可進(jìn)行干預(yù)。批操作結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生符合GMP要求的電子 批記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的操作情況、工藝參數(shù)情況、報(bào)警情況、關(guān)鍵工藝點(diǎn)的歷史趨勢(shì)、隨機(jī)發(fā)生問(wèn)題的處理情況及操作人員身份進(jìn)行記錄，以便進(jìn)行將來(lái)的 審計(jì)追蹤，完全符合FDA對(duì)食品藥品生產(chǎn)過(guò)程的要求。同時(shí)，從記錄中提取的信息可用于工藝分析，以便進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化。