制药企业数字化工厂MES+SCADA设计规划与建设方案

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前面我们分享了众多数字化工厂的相关介绍、系统与解决方案：PPT | 数字化工厂概念、建设与方法

本文提出做好数据采集与监视控制（SCADA）系统和制造执行系统（MES）建设的主要目的是为了实现以下目标：

1.工艺流程数字化：实现系统后台对加工工序、产品工艺流程的数字化配置管理，提高生产制造过程中工艺流程的规范性和精确性，减少客服传统操作引起的人为差错，提升生产执行管理效率。

2.作业可视化：提供工位看板，实现车间作业的可视化，具体包括工艺加工过程、工序、作业安排的可视化；实现车间管理与计划调度的可视化，具体包括工序、物料、进度、产量及质量等的可视化。

3.生产资源识别自动化：对车间/功能区（门禁）、物料、人员、设备等生产资源进行赋码（条码/二维码/RFID等），实现在生产过程中各类资源的自动化管理。

4.设备运行/预警管理自动化：通过设备管理的数据采集与监控系统，实现设备运行、维护、预报警控制的数字化、实时化、自动化管理。

5.数据标准化、结构化：应用主数据描述规范以及主数据管理系统，实现产品制造过程中的KPI（关键绩效指标）数据，包括设备、人员、物料、抽样、检测、记录等数据的标准化、结构化。

6.记录电子化：实现车间现场记录特别是批生产记录、质量追溯数据的数字化、实时化，提供生产作业、产品质量、设备运行、人效、物料平衡等生产过程所涉及的运行分析的数字化报表。

‍为了提高中药前处理生产制造过程的现代化管理水平，本文中的方案将在中药前处理已有系统的基础上，进行前处理车间的MES与SCADA系统建设，旨在通过将信息化和自动化紧密结合的手段，建立中药前处理车间生产现代化和经营管理体系，建立一个集生产控制、优化、调度、管理和经营于一体的综合信息化管控系统，建设自动化、信息化、数字化生产示范车间，具体建设思路如下：

根据中药前处理的管理现状和战略发展需求，按照“整体规划”原则，为中药前处理规划生产信息化建设蓝图，在充分分析需求及约束因素后，合理有序地组织并规划管理信息化建设项目的进程，加强企业对变革进度和成本管理的控制。

基础平台的搭建至关重要，一般由企业信息部主导负责，进行包括网络规划、信息机房、智能展示、信息化平台在内的多方面建设。基础建设应结合蓝图设计，规划未来5到10年的网络、数据情况，保证未来上线的系统有一个安全的网络和流程运行环境。

建立SCADA系统、MES与企业资源计划（ERP）系统、仓库管理系统（WMS）及底层设备控制系统等集成管理平台。

建设中药生产车间信息化管理中心，实现车间数字化监控。配置电子看板、生产监控大屏等可视化硬件，用于生产过程的监控、展示，提高企业信息化建设水平，加强企业参观效果。

提交一套标准的计算机系统验证文档，并为中药企业提供定制化客户培训与资料交付，保证客户可接收、使用和维护整套系统。‍

在过程控制层，系统主要实现了产地药材和中药饮片加工生产线的自动化控制，实现了关键生产工艺参数的在线测量与数据采集。

在制造执行层，系统通过SCADA系统数据库实现了异构系统数据集成、数据存储、统计分析、分类展示等一系列功能；通过MES系统实现了配方管理、生产管理、物料管理、质量管理、电子批记录管理、设备管理、账号管理、报表管理、排产排程、仓库管理、信息显示、工艺参数、系统通信、远程监控等功能；在资源计划层，系统通过ERP系统实现销售管理、采购管理、财务管理和成本核算等功能；通过WMS系统实现进货管理、库存管理、订单管理和配送管理等功能；通过实验室信息管理系统（LIMS）实现样品管理、仪器管理、报告管理及统计分析等功能。

该系统通过数据通信端口的开发，实现了资源计划层和制造执行层之间的数据交互，达成了ERP、WMS、LIMS与MES的集成和DCS/PLC（分散控制系统/可编程逻辑控制器）与MES的集成，从而实现了企业核心业务（产、供、销）的综合集成，建立起了现代化的经营管理体系。

中药前处理车间各生产设备均自带控制系统，项目可通过SCADA系统对底层各单机设备进行数据的采集，并上传到SCADA系统。系统按照GMP计算机化系统验证规范，对生产关键环节的数据实现了全方位的整体覆盖。

SCADA系统结构图如图1所示，底层为车间各单机设备，单机设备的控制系统需进行改造或增加通信模块，以便通过以太网接入网关。网关支持多种协议通信，同时支持接口开发，可以实现单机设备的集成。各网关通过系统网络连接到数据中心服务器，系统组态、数据处理、脚本编辑等工作会在工程师站完成，然后这些工作的数据会被下载到服务器，服务器上的数据可通过终端网络发布到各系统终端，如SCADA客户端、大屏幕、MES服务器及远程终端等。

图1  中药前处理车间SCADA系统架构

该系统以各产线为PLC控制器数据采集单元，通过标准协议将各个PLC实时数据汇总到通信网关上，通信网关会通过OPC（用于过程控制的对象连接与嵌入）接入SCADA系统服务器。在数据中心设有两台SCADA系统服务器，每台服务器具备两块网卡，一块用于连接采集交换机，另一块用于监控交换机，监控站（SCADA客户端）会通过监控交换机与服务器连接。本SCADA系统共设有三层：设备层、采集层、应用层，详细说明如下：

设备层：车间各单机设备、公用工程设备，传统的单机设备控制系统需进行改造或增加通信协议模块，以便通过以太网接入SCADA系统集成网关，网关支持多种协议通信，可连接不同厂家、品牌的单机设备，同时支持接口开发，以实现单机设备的

集成。

采集层：各网关通过系统网络连接到SCADA系统服务器，SCADA系统配置冗余服务器和WEB服务器，两台服务器同时运行、存储数据。若其中一台服务器出现故障，客户端便会自动切换连接另外一台服务器，系统组态、数据处理、脚本编辑等工作会在工程师站完成，然后数据会被下载到服务器。

应用层：服务器上的数据会通过终端网络发布到各系统终端，如SCADA客户端、大屏幕、MES服务器、大数据中心、远程终端等。

（1）原料、包材、辅材管理；

（2）领料、筛选、加工、包装、入库生产线管理；

（3）成品入库管理。

对接系统：ERP、WMS、SCADA、MDMS（主数据管控系统）等。

涉及部门：生产部、仓库/物流、设备部、质检部、信息部、研发部、采购部以及财务部等部门。

根据工艺流程， MES可在整个生产过程中进行应用，MES可将整个生产流程设置为一个工单。

针对这一工单，本文将以图片的形式进行介绍：其中，MES软件开发流程如图2所示；

图2  MES软件开发流程（饮片生产线）

另外，根据中药前处理饮片加工车间的生产工艺、系统需求，以及对业务流程的规划，结合笔者对行业、信息化的理解，本文中的 MES功能范围可整理为如图3所示。

图3  MES功能模块设计

MES包括工厂主数据管理、配方管理、生产管理、电子批记录、物料管理、设备管理、过程控制集成、数据采集等功能模块，并与ERP系统、自动化物流系统、电子看板系统进行了集成。MES的总体框架中还预留了系统扩展的实现接口，可方便企业持续扩展信息化建设。

中药前处理生产车间信息化建设项目涉及到销售、采购、财务、计划、生产、仓库、设备、质量以及信息等全厂各部门，涉及到ERP、MES、WMS、SCADA、DCS、PLC、前处理装备及公用系统等软件。由于项目覆盖范围大，合理的业务流程梳理是项目成功实施的基础，需要经过详尽的需求调研分析确认、项目架构建设和编程调试、GMP计算机化系统验证，配以完善的项目实施团队，才可实现信息化系统的建设预期目标，为制药企业带来理想的经济和社会收益。

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