制药业MES如何实现生产与经营的集成
日期：2010-10-3 20:20:39 点击：
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本文针对制药企业的生产特性，依据S88及S95标准，建立基于MES（Manufacturing Execution System）的生产制造系统网络集成平台，实现制药生产及经营过程DCS及ERP系统的集成，应用先进的计算机技术及管理技术改变并优化企业生产运营模式，就上述问题提出切实可行的技术方法。
制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）是对生产操作层的监督管理与控制，对企业从计划到最终产品的整个生产流程中的各个环节进行优化。利用实时、准确的数据指导、管理、记录企业各项生产活动，为企业经营提供及时准确的信息，使企业及时根据内部资源情况及外部需求的变化调整生产。
在国外MES系统已被成功的应用于化学工业、制造工业和生物制药等广泛的领域。其管理范围涵盖了生产过程监督与控制以及相关物料和能源的传输与存储。解决了生产控制系统（DCS）与企业资源计划系统（ERP）之间的断层问题，MES系统在国外制药领域的应用已经取得了可观的经济效益，然而，其在国内的应用刚刚起步， 为了提高企业的综合竞争实力， 应加快MES系统的开发与实施。
1 总体思路
20世纪90年代初信息系统（CIMS）结构开始改变，制造过程从以前的面向企业内部转为面向客户需求，来自于全球性的竞争压力使得制造商必须提高对市场及客户需求的响应速度，增强企业制造过程的灵活性和敏捷性，以满足客户对产品质量、特性、时间的要求，从而提高企业的忠诚度，赢得市场竞争。
1992年英国剑桥大学基于国际先进制造研究组织（AMR）的调查及分析，提出了基于MES的三层模型，它将生产制造系统问题定义为：计划、执行及过程控制三个区域。通过建立企业制造执行过程（MES）将企业的计划过程及生产控制过程连接起来，简化了信息系统的结构。国际企业制造解决方案联盟MESA制定了S95标准， 规定了MES（Manufacturing Execution System）的与企业计划及调度系统接口的11项功能模型，实现对企业资源的优化调度及跟踪管理和控制，建立一个稳定可靠的、灵活的生产执行系统，以满足不断变化的市场需求。
通过对国内外市场MES系统的调研， 基于SIEMENS BATCH、ROCKWELL BATCH的MES架构，能与企业底层控制及上层计划管理达到较紧密的连接，符合S88、S95标准，具有较好的系统集成性，可实现对企业生产操作层的标准化、精细化管理，完成由生产计划到生产操作控制的规范化管理，可达到固化并优化生产操作、提高产品质量、降低生产成本、加快企业对市场需求的响应速度的目的。
2 技术实现
2.1 依据S88标准建立企业生产制造模型
1）大多数制药企业属离散式或混合型制造企业，具有小批量多品种的批生产操作特性，为了能够使产品生产过程标准化，重复优良生产过程，稳定产品质量，降低生产成本，使其满足现代企业对市场及客户灵活多变的需求。通过对制药行业生产过程进行的分析，认为应采用S88标准将企业生产模型定义为：SITE（场所）、AREA（区域）、CELL（单元）、UNIT（单位），建立满足企业不同产品生产的灵活的产品配方。例如：将企业定义为产品制造场所（SITE），将生产车间定义为生产区域（AREA），它包括不同的生产线（CELL），在每一条生产线上包括相对独立的批过程生产单元（UNIT）。通过建立各所属单元（UNIT）的EQUIPMENT MODULE（设备模块）及相应的CONTROL MODULE（控制模块），实现际与批生产过程灵活的、便捷的模块化控制。生产结构模型如图1所示。
图1 制药企业生产结构模型
生产车间接到生产任务，将任务按批制定到生产作业计划，生成生产配方各生产线的相应控制单元，规范了生产计划、执行及跟踪的过程管理，避免了由于管理的粗放，使得产品成本及质量波动，满足了GMP对药品生产的规范要求，提高了企业生产能力及效益。
2）实现企业不同信息系统的数据交换，使得企业产品各生产线及生产计划与生产执行环节之间实现信息共享。按照S95标准对企业信息系统架构进行整合，实现了各个系统间的信息互通，使得企业各生产部门或生产单元之间达到协调统一，增加操作的及时性和准确性，避免了由于误操作为企业带来的经济损失。其分层结构如图2。
图2 企业信息系统数据交换分层结构
其中，S95定义了ERP（LEVEL 3）与MES（LEVEL 4）连接方法以及MES的功能模块；S88定义了LEVEL 1-2（层1-2）中的批过程控制实现模型；LEVEL 0（层0）为实际物理设备层。
2.2 对生产过程进行优化，改变生产操作模式
2.2.1 实现配方驱动的生产操作方式
建立以车间工艺员为生产作业中心的生产操作模式，由工艺员根据生产计划及生产原材料、设备、人员等制造资源的状况，制定详细生产作业计划，编制生产配方，并进行发布，各岗位主操作人员接到配方后进行生产，实现了面向生产订单的细化管理，保证了生产工艺过程的可重复性，优化并固化了生产操作流程，为提高产品质量降低生产成本提供了可靠的技术保证。同时，通过激励机制，鼓励岗位操作人员竞争上岗，使简单劳动与复杂劳动有效分离，极大地调动了员工学习向上的积极性，促进企业生产能力及水平的进一步提高。
2.2.2 建立了符合FDA要求的批记录
系统自动生成符合GMP和FDA要求的电子批记录（Electronic Batch Record），实现对产品生产过程的工艺参数、报警情况及超限处理情况及操作人员的实时跟踪记录，方便将来的历史追踪，符合GMP提出的：实时及如实记 录生产操作的全过程。同时，电子批记录为批生产分析提供了数据依据，为生产工艺优化及快速纠错提供了可靠的保障。
2.3 依据S95标准建立企业信息系统集成模型
2.3.1 通过OPC（OLE for Process Control）实现MES同DCS系统的数据交换以及不同DCS系统间的通讯
通过对OPC服务端（OPC CLIENT）DCOM的安全配置，在OPC客户端（OPC CLIENT）进行OPC变量标签的组态，根据数据特性选择输入型、输出型或者输入输出型，实现各种DCS系统之间以及MES与DCS间的信息的安全交换。
通过OPC技术将不同系统的信息集成到MES操作站中及其他相关操作站中，可实现生产指挥中心对各车间生产过程进行集中管理，满足生产调度实时监控及快速响应的需求以及不同车间及不同系统之间的数据实时访问，使企业各生产平台之间协调一致。
采用如上技术后，不仅解决了对历史信息的实时记录及分析，进行生产工艺的优化，同时还保证了不同车间、不同系统之间生产过程的协调性和衔接性，提高生产过程操作的及时性和准确性，加快了系统对突发事件的响应速度，从而降低生产事故的发生率，降低了企业的经营成本。
2.3.2 依据XML标准建立MES同ERP系统的集成
MES生成的批次数据文件是符合XML的国际数据交换标准文档。依据S95标准，它以模型方式为MES定义了各种简单的和复杂的数据类型，它包括设备信息 （设备、设备类型、设备能力测试）、维护信息（维护请求、维护响应、维护工单）、原材料信息（原材料批、原材料子批、原材料定义、原材料类别、QA验证报 告）、人员信息（人员类别、人员、岗位专业技能认证）、工序信息（生产工序、搬运工序、检验工序、工序相关人员、工序相关设备、工序相关物料）、产品定义 （物料清单、生产过程信息、生产能力信息、）、生产性能评测信息（生产响应指标、工序效能指标、人员适用情况、设备占用情况、物料实际消耗、辅助资源消耗 情况）、生产调度信息（生产需求、人员需求、设备需求）。
依据S95标准功能模型（如图3所示）将ERP与MES相关的XML文档转换成系统可识别的信息。可以用于批次信息对比和分析。
图3 系统功能模型
3 系统功能
制定企业产品数据库，按照ANSI/ISA-95.01（S95）设计工厂模型，实现产品配方管理、生产计划、资源调度、批次控制以及电子批纪录，建立与之相匹配的实时数据库，实现与企业现有系统——ERP及DCS系统的连接，达到信息的集成。
通过对制药行业产品及工艺路线的分析，建立符合制药企业MES功能。这些功能互相配合，提供了适用于管理企业各个类型的信息平台。企业管理人员、质量管理 人员、系统维护人员、文档和调度管理人员以及生产操作人员都可以在MES平台中进行业务处理与查询分析。实施内容主要包括以下几方面功能：
3.1 资源的调配与控制
提供与生产控制及制造相关资源的历史详尽使用记录，保证资源可用并处在最佳状态， 实时显示生产过程中资源的状态数据。所管理的资源包括机器、设备、原材料和操作技能。
3.2 操作与详细计划
根据与生产设备及生产产品特性（包括形状、颜色等）相关的优先级、属性、特征、资源限制和生产规则安排生产，优化生产流程并最大限度地减少重复劳动。按照操作的可替代性、并行性和重叠性，计算出详细精确的时间表、设备利用表。
3.3 生产分配
以工作、生产批及工作订单的形式对生产流程进行管理，将生产指令分配给指定的设备或操作员。以工作流程的形式表示分配信息，其中包括在生产线上出现特殊情 况的处理。在允许的情况下，可根据当时的情况及有效规则对所制定的计划进行修改。生产指令的分配还包括对任意节点进行中的工作进行返工及自救管理的能力。
3.4 文件控制
保存生产部门必须控制记录及表单，它包括工作指令、标准工作过程、组件流程、批次记录、记录图表、工艺变更通知、班次间的信息交换以及对计划及生产中的信 息的修正能力。向操作者发送指令，包括为操作员提供数据、向生产控制装置传递配方。它还包括对生产过程的调整、环境、安全保健规章的管理，同时记录修正过 程的SOP（Standard Operation Procedure）信息。
3.5 数据采集
获取与生产设备及生产过程相关的产品及过程参数信息，负责提供生产设备、生产过程的产品及过程参数的历史信息。
3.6 劳动力管理
提供最近的人员情况表，包括时间及出勤情况报告、人员技能许可证，同时还包括辅助操作人员能力，如：材料准备、机修间等参与成本项目的工作人员。本功能与资源的调配与控制功能相互作用，以确定最佳的资源分配。
3.7 质量管理
从生产中采集实时数据并进行分析， 以确保对产品成产过程恰当的质量控制，可迅速发现需引起注意的问题，它将问题、行为、结果关联起来，以便于提供相应的解决方案。它包括对离线检验操作跟踪管理及在实验室管理系统中的分析。
3.8 进程管理
监督生产过程，并自动地纠正生产中出现的问题，能为操作人员修正和改进生产过程中存在的问题提供决策支持。这些功能集成在生产控制设备中完成监视和管理， 实现自动执行操作，并跟踪每一步操作的执行过程。具有报警管理机制，以确保生产人员了解生产过程中出现的超出偏差允许范围的情况。
3.9 维护管理
包括对生产设备及工具的维护， 确保生产中使用的设备及工具的可用性， 同时它还包括维护周期或预维护计划的编制与执行，以及对突发事件的响应，维护管理保存着历史事件和问题的记录，以辅助问题的诊断。
3.10 生产计划与追踪
监督设备、产品批次的生产过程，提供生产及工作安排的状态，这些状态信息包括被安排工作的人员、生产中使用的原材料、当前生产情况以及所有的报警、返工和 与生产相关的意外情况和采取的相应改进措施。记录所有生产信息，以便对所有最终产品所关联的操作及适用的原材料进行准确及时的追踪。
3.11 性能分析
提供实际生产操作结果与历史操作记录及期望值对照的最新报告，性能评估结果包括资源使用情况统计、资源有效性、产品生产周期、计划及标准指标完成情况。性能分析是从不同的功能中所测量的数据里收集信息进行分析。
4 设计实例
依据ISA S88标准定义设备对象和进行功能组合的划分，将批生产过程相关的设备和功能同标准模型相对应， 建立所需的功能块。如图M 所示，包括车间生产线（CELL）、单元（UNIT）、设备模块（EQUIPMENT MODULE）、控制模块（CONTROL MODULE）。
图4 系统设备功能模型
编制各生产过程的顺序控制程序模块， 在BATCH中根据生产工艺对批控制过程的需求调用相应的程序过程，生成基于生产作业计划的生产配方（RECIPE），配方经验证后进行发布。生产操作人 员根据发布的生产配方发布启动命令，系统自动进行预定的操作，且在出现异常情况时，操作人员可进行干预。批操作结束后，系统自动产生符合GMP要求的电子 批记录，实现对整个生产过程的操作情况、工艺参数情况、报警情况、关键工艺点的历史趋势、随机发生问题的处理情况及操作人员身份进行记录，以便进行将来的 审计追踪，完全符合FDA对食品药品生产过程的要求。同时，从记录中提取的信息可用于工艺分析，以便进行生产过程优化。
［摘要］：本文针对制药企业的生产特性，依据S88及S95标准，建立基于MES（Manufacturing Execution System）的生产制造系统网络集成平台，实现制药生产及经营过程DCS及ERP系统的集成，应用先进的计算机技术及管理技术改变并优化企业生产运营模式，就上述问题提出切实可行的技术方法。
［关键词］：制药业 MES 集成
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本文针对制药企业的生产特性，依据S88及S95标准，建立基于MES（Manufacturing Execution System）的生产制造系统网络集成平台，实现制药生产及经营过程DCS及ERP系统的集成，应用先进的计算机技术及管理技术改变并优化企业生产运营模式，就上述问题提出切实可行的技术方法。
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制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）是对生产操作层的监督管理与控制，对企业从计划到最终产品的整个生产流程中的各个环节进行优化。利用实时、准确的数据指导、管理、记录企业各项生产活动，为企业经营提供及时准确的信息，使企业及时根据内部资源情况及外部需求的变化调整生产。
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在国外MES系统已被成功的应用于化学工业、制造工业和生物制药等广泛的领域。其管理范围涵盖了生产过程监督与控制以及相关物料和能源的传输与存储。解决了生产控制系统（DCS）与企业资源计划系统（ERP）之间的断层问题，MES系统在国外制药领域的应用已经取得了可观的经济效益，然而，其在国内的应用刚刚起步， 为了提高企业的综合竞争实力， 应加快MES系统的开发与实施。
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1 总体思路
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20世纪90年代初信息系统（CIMS）结构开始改变，制造过程从以前的面向企业内部转为面向客户需求，来自于全球性的竞争压力使得制造商必须提高对市场及客户需求的响应速度，增强企业制造过程的灵活性和敏捷性，以满足客户对产品质量、特性、时间的要求，从而提高企业的忠诚度，赢得市场竞争。
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1992年英国剑桥大学基于国际先进制造研究组织（AMR）的调查及分析，提出了基于MES的三层模型，它将生产制造系统问题定义为：计划、执行及过程控制三个区域。通过建立企业制造执行过程（MES）将企业的计划过程及生产控制过程连接起来，简化了信息系统的结构。国际企业制造解决方案联盟MESA制定了S95标准， 规定了MES（Manufacturing Execution System）的与企业计划及调度系统接口的11项功能模型，实现对企业资源的优化调度及跟踪管理和控制，建立一个稳定可靠的、灵活的生产执行系统，以满足不断变化的市场需求。
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通过对国内外市场MES系统的调研， 基于SIEMENS BATCH、ROCKWELL BATCH的MES架构，能与企业底层控制及上层计划管理达到较紧密的连接，符合S88、S95标准，具有较好的系统集成性，可实现对企业生产操作层的标准化、精细化管理，完成由生产计划到生产操作控制的规范化管理，可达到固化并优化生产操作、提高产品质量、降低生产成本、加快企业对市场需求的响应速度的目的。
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2 技术实现
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2.1 依据S88标准建立企业生产制造模型
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1）大多数制药企业属离散式或混合型制造企业，具有小批量多品种的批生产操作特性，为了能够使产品生产过程标准化，重复优良生产过程，稳定产品质量，降低生产成本，使其满足现代企业对市场及客户灵活多变的需求。通过对制药行业生产过程进行的分析，认为应采用S88标准将企业生产模型定义为：SITE（场所）、AREA（区域）、CELL（单元）、UNIT（单位），建立满足企业不同产品生产的灵活的产品配方。例如：将企业定义为产品制造场所（SITE），将生产车间定义为生产区域（AREA），它包括不同的生产线（CELL），在每一条生产线上包括相对独立的批过程生产单元（UNIT）。通过建立各所属单元（UNIT）的EQUIPMENT MODULE（设备模块）及相应的CONTROL MODULE（控制模块），实现际与批生产过程灵活的、便捷的模块化控制。生产结构模型如图1所示。
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图1 制药企业生产结构模型
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生产车间接到生产任务，将任务按批制定到生产作业计划，生成生产配方各生产线的相应控制单元，规范了生产计划、执行及跟踪的过程管理，避免了由于管理的粗放，使得产品成本及质量波动，满足了GMP对药品生产的规范要求，提高了企业生产能力及效益。
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2）实现企业不同信息系统的数据交换，使得企业产品各生产线及生产计划与生产执行环节之间实现信息共享。按照S95标准对企业信息系统架构进行整合，实现了各个系统间的信息互通，使得企业各生产部门或生产单元之间达到协调统一，增加操作的及时性和准确性，避免了由于误操作为企业带来的经济损失。其分层结构如图2。
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图2 企业信息系统数据交换分层结构
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其中，S95定义了ERP（LEVEL 3）与MES（LEVEL 4）连接方法以及MES的功能模块；S88定义了LEVEL 1-2（层1-2）中的批过程控制实现模型；LEVEL 0（层0）为实际物理设备层。
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2.2 对生产过程进行优化，改变生产操作模式
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2.2.1 实现配方驱动的生产操作方式
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建立以车间工艺员为生产作业中心的生产操作模式，由工艺员根据生产计划及生产原材料、设备、人员等制造资源的状况，制定详细生产作业计划，编制生产配方，并进行发布，各岗位主操作人员接到配方后进行生产，实现了面向生产订单的细化管理，保证了生产工艺过程的可重复性，优化并固化了生产操作流程，为提高产品质量降低生产成本提供了可靠的技术保证。同时，通过激励机制，鼓励岗位操作人员竞争上岗，使简单劳动与复杂劳动有效分离，极大地调动了员工学习向上的积极性，促进企业生产能力及水平的进一步提高。
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2.2.2 建立了符合FDA要求的批记录
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系统自动生成符合GMP和FDA要求的电子批记录（Electronic Batch Record），实现对产品生产过程的工艺参数、报警情况及超限处理情况及操作人员的实时跟踪记录，方便将来的历史追踪，符合GMP提出的：实时及如实记 录生产操作的全过程。同时，电子批记录为批生产分析提供了数据依据，为生产工艺优化及快速纠错提供了可靠的保障。
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2.3 依据S95标准建立企业信息系统集成模型
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2.3.1 通过OPC（OLE for Process Control）实现MES同DCS系统的数据交换以及不同DCS系统间的通讯
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通过对OPC服务端（OPC CLIENT）DCOM的安全配置，在OPC客户端（OPC CLIENT）进行OPC变量标签的组态，根据数据特性选择输入型、输出型或者输入输出型，实现各种DCS系统之间以及MES与DCS间的信息的安全交换。
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通过OPC技术将不同系统的信息集成到MES操作站中及其他相关操作站中，可实现生产指挥中心对各车间生产过程进行集中管理，满足生产调度实时监控及快速响应的需求以及不同车间及不同系统之间的数据实时访问，使企业各生产平台之间协调一致。
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采用如上技术后，不仅解决了对历史信息的实时记录及分析，进行生产工艺的优化，同时还保证了不同车间、不同系统之间生产过程的协调性和衔接性，提高生产过程操作的及时性和准确性，加快了系统对突发事件的响应速度，从而降低生产事故的发生率，降低了企业的经营成本。
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2.3.2 依据XML标准建立MES同ERP系统的集成
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依据S95标准功能模型（如图3所示）将ERP与MES相关的XML文档转换成系统可识别的信息。可以用于批次信息对比和分析。
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图3 系统功能模型
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3 系统功能
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制定企业产品数据库，按照ANSI/ISA-95.01（S95）设计工厂模型，实现产品配方管理、生产计划、资源调度、批次控制以及电子批纪录，建立与之相匹配的实时数据库，实现与企业现有系统——ERP及DCS系统的连接，达到信息的集成。
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通过对制药行业产品及工艺路线的分析，建立符合制药企业MES功能。这些功能互相配合，提供了适用于管理企业各个类型的信息平台。企业管理人员、质量管理 人员、系统维护人员、文档和调度管理人员以及生产操作人员都可以在MES平台中进行业务处理与查询分析。实施内容主要包括以下几方面功能：
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3.1 资源的调配与控制
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提供与生产控制及制造相关资源的历史详尽使用记录，保证资源可用并处在最佳状态， 实时显示生产过程中资源的状态数据。所管理的资源包括机器、设备、原材料和操作技能。
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3.2 操作与详细计划
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根据与生产设备及生产产品特性（包括形状、颜色等）相关的优先级、属性、特征、资源限制和生产规则安排生产，优化生产流程并最大限度地减少重复劳动。按照操作的可替代性、并行性和重叠性，计算出详细精确的时间表、设备利用表。
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3.3 生产分配
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以工作、生产批及工作订单的形式对生产流程进行管理，将生产指令分配给指定的设备或操作员。以工作流程的形式表示分配信息，其中包括在生产线上出现特殊情 况的处理。在允许的情况下，可根据当时的情况及有效规则对所制定的计划进行修改。生产指令的分配还包括对任意节点进行中的工作进行返工及自救管理的能力。
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3.4 文件控制
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保存生产部门必须控制记录及表单，它包括工作指令、标准工作过程、组件流程、批次记录、记录图表、工艺变更通知、班次间的信息交换以及对计划及生产中的信 息的修正能力。向操作者发送指令，包括为操作员提供数据、向生产控制装置传递配方。它还包括对生产过程的调整、环境、安全保健规章的管理，同时记录修正过 程的SOP（Standard Operation Procedure）信息。
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3.5 数据采集
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3.6 劳动力管理
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3.7 质量管理
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从生产中采集实时数据并进行分析， 以确保对产品成产过程恰当的质量控制，可迅速发现需引起注意的问题，它将问题、行为、结果关联起来，以便于提供相应的解决方案。它包括对离线检验操作跟踪管理及在实验室管理系统中的分析。
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3.8 进程管理
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监督生产过程，并自动地纠正生产中出现的问题，能为操作人员修正和改进生产过程中存在的问题提供决策支持。这些功能集成在生产控制设备中完成监视和管理， 实现自动执行操作，并跟踪每一步操作的执行过程。具有报警管理机制，以确保生产人员了解生产过程中出现的超出偏差允许范围的情况。
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3.9 维护管理
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包括对生产设备及工具的维护， 确保生产中使用的设备及工具的可用性， 同时它还包括维护周期或预维护计划的编制与执行，以及对突发事件的响应，维护管理保存着历史事件和问题的记录，以辅助问题的诊断。
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3.10 生产计划与追踪
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监督设备、产品批次的生产过程，提供生产及工作安排的状态，这些状态信息包括被安排工作的人员、生产中使用的原材料、当前生产情况以及所有的报警、返工和 与生产相关的意外情况和采取的相应改进措施。记录所有生产信息，以便对所有最终产品所关联的操作及适用的原材料进行准确及时的追踪。
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3.11 性能分析
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提供实际生产操作结果与历史操作记录及期望值对照的最新报告，性能评估结果包括资源使用情况统计、资源有效性、产品生产周期、计划及标准指标完成情况。性能分析是从不同的功能中所测量的数据里收集信息进行分析。
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4 设计实例
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依据ISA S88标准定义设备对象和进行功能组合的划分，将批生产过程相关的设备和功能同标准模型相对应， 建立所需的功能块。如图M 所示，包括车间生产线（CELL）、单元（UNIT）、设备模块（EQUIPMENT MODULE）、控制模块（CONTROL MODULE）。
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图4 系统设备功能模型
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编制各生产过程的顺序控制程序模块， 在BATCH中根据生产工艺对批控制过程的需求调用相应的程序过程，生成基于生产作业计划的生产配方（RECIPE），配方经验证后进行发布。生产操作人 员根据发布的生产配方发布启动命令，系统自动进行预定的操作，且在出现异常情况时，操作人员可进行干预。批操作结束后，系统自动产生符合GMP要求的电子 批记录，实现对整个生产过程的操作情况、工艺参数情况、报警情况、关键工艺点的历史趋势、随机发生问题的处理情况及操作人员身份进行记录，以便进行将来的 审计追踪，完全符合FDA对食品药品生产过程的要求。同时，从记录中提取的信息可用于工艺分析，以便进行生产过程优化。
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