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基于SCADA系统的制药行业智能化车间建设与探讨

浏览21次 时间:2022年3月24日 16:53
  (518110 华润三九医药股份有限公司 广东 深圳)
  【摘 要】随着“中国制造2025”国家战略的不断推进,智能制造成为我国制药行业未来发展的必然选择。本文以华润三九集团乳膏车间为例,阐述了基于SCADA系统实现数据集成平台,从而为信息化、智能化提供数据基础。通过分析业务痛点,完成关键路径规划,进行数据采集与存储、生产监控、数据分析、可视化展示等功能建设,将自动化、信息化与药品生产需求紧密结合,实现两化深度融合。
  【关键词】制药行业;智能化;SCADA
         一、引言随着“中国制造2025”国家战略 [1] 的不断推进,智能制造 [2] 在制药行业中的应用会更加广泛和深入。在“两化融合”方针的指引下制药工业逐渐实现生产的自动化,并进一步向智能化发展。为促使制药行业智能化工作的顺利展开,通过运用新的物联网、大数据、人工智能等新技术使制药生产更加智能化、管理方式更加智慧化。
  华润三九集团观澜基地乳膏车间(简称“乳膏车间”)在智能制造升级前,生产线以孤立的控制设备为主,智能设备装备率及使用率低,生产管理传统。虽然已建设有MES等信息化系统,但各个信息系统互相独立,无法进行数据交流,工业互联网、物联网应用处于初级阶段,无法为企业生产能力进步、增加经济效益提供更多支持。同时,国家对药品质量要求日益严格,对过程质量要求更为严格,故当前需要充分利用智能制造时代新技术,提升信息化管理水平,以应对当前挑战,构建深度的行业解决方案,为行业发展赋能。
  在新的“两化融合”技术发展理念下,实施两化深度融合、推进智能制造的实践。以SCADA系统作为数据集成的平台,将OT数据通过模型化的方式与IT系统集成,实现IT和OT的充分融合,解决生产制造环节“数从何来”、“数存何处”、“数有何用”,为车间精益管理、工艺参数优化、设备预防性维护提供支持,由原来的单纯数据采集监控建设为高度集成的数据集成运营平台,连接各个信息系统孤岛、设备系统孤岛,打通IT系统和OT系统之间的鸿沟,形成管控一体化的新型生产运营能力。
  二、智能化车间数据集成平台建设的关键路径
  进行车间建设整体战略规划,确定制造升级核心方向。
  在智能化技术的支持下,全面提升制造水平,打造自动化、信息化“两化融合”的标杆,以技术提升、装备升级和信息化建设为突破口,实现制造升级 [3] 。
  首先在车间布局改造上,优化工艺路线设计,做好生产加工的过程控制和产品质量控制。其次,进行设备自动化升级,在车辆投料、制造流程、在线称重、自动传输、包装刻码、数据采集等多个方面提高乳膏车间设备的技术水平。最后是进行信息化整合,运用数据搜集、分析、处理系统,将系统纵向、横向进行整合,做到数据互联互通,实现设备集中控制,数据采集分析可视化。
  以乳膏车间为例,主要痛点分析如下:
  ①数据断层:部分设备数据没有采集,生产制造执行管理系统(MES)部分数据依靠手工录入,未做到实时采集,MES系统和设备之间数据断层。
  ②数据孤岛:生产设备运行的数据、电子监管码、在线质量检测、能源管理系统、环境监测、视频监控、上层信息化等系统数据是彼此独立的。
  ③数据空置:因为信息孤岛的存在,各个系统的数据难以进行关联分析,无法有效指导工艺、质量的有效提升。因此,数据采集、监控、分析、处理系统的建设是智能车间实施并且实现“两化融合”的关键 [4] 。
  三、智能化车间数据集成平台系统设计与实现
  (一)智能化车间数据集成平台系统建设目标及原则1.数据采集及存储形成数据池:采集各生产设备、环境、电子监管码、视频监控等实时数据;将实时数据用信息模型封装,对IT系统提供OT数据服务。
  2.生产监控
  关键数据设置特定监控界面,监控视频整合到数据集成平台,直接和工艺联动。生产设备可以通过平台进行启停机。
  3.数据分析
  对采集的数据进一步处理和挖掘,生成各种分析报表,为工艺优化、设备预防性维护、生产精益管理提供数据支持。
  4.可视化系统
  建设一个展示中心,展示生产工艺、生产状态、数据分析指标等,进行全流程数据管理。
  (二)建设原则
  1.适用性
  根据华润三九观澜基地乳膏车间现状和目标,结合业务需求,解决核心问题。
  2.易用性
  复杂的机理模型,转化为简介的人机接口,简单、方便、易操作,信息简洁易懂,综合性分析。
  3.安全性
  严格遵循医药行业规范要求,保证数据安全性和完整性,保证信息系统安全。
  4.扩展性
  整体规划,标准化设计,系统可扩展、易推广。
  (三)智能化车间数据集成平台架构设计
  1.软件选型
  从企业实力、产品技术实现、项目实施能力、售后服务能力、咨询服务能力等方面进行综合考察,选择了中国领先的自动化与信息技术解决方案供应商和利时。选用和利时边缘物联平台HiaSCADA4.0, 此平台为和利时的第四代产品,具有以下优势:
  ①技术先进:②采用先进的 OPC UA 的数据服务架构;②统一的系统访问能力和被访问能力;④平台安全性:⑤功能方面:软件平台通过了德国TUV莱茵SIL2安全认证;⑥数据方面:采用基于数据库的安全机制,阻断非法访问;⑦快速实施能力:⑧专业的实施团队;⑨基于多个工厂的实施经验,很多过程产出及设计都可以重复利用(3D模型、数据分析算法等),具备快速推广的条件。
  2.系统功能架构设计
  乳膏制造车间数据集成平台系统主要有四部分组成:设备层、网络层、应用层、展示层。充分发挥技术优势,设计有为大数据分析服务的分析数据库。如图1所示。
  图1系统功能架构设计
  (四)网络架构设计
  HiaSCADA4.0采用跨平台的技术,支持Unix/Windows,同时支持C/S架构和B/S架构,可进行虚拟化部署,故采用的了实体+虚拟部署方式,节约了服务器等硬件投资。网络架构如图2所示:
  图2网络架构设计
  四、乳膏车间数据集成平台功能设计
  (一)数据采集及存储
  全面采集乳膏车间内的各生产设备、车间环境系统温湿度等设备仪表的实时数据以及MES系统、电子监管码系统、视频监控等相关系统的运行数据。建立设备信息模型、产线模型、工艺模型,通过模型为MES系统提供数据服务,形成电子批记录;质量数据长期储存,为工艺参数优化提供数据支持;设备运行参数为设备预防性维护提供指导。
  系统数据可以连续压缩存储,自动备份到指定服务器,备份数据支持导入查询。当实时数据库存储满了的时候,数据可以覆盖旧值,保证最新值的存储不受影响。对于数据库管理,至少保存10年的生产数据,分类保存并支持备份导出。当通讯中断或者传输故障发生的情况下,本地存储的历史数据和生产事件等,在恢复通讯后,可自动将数据恢复到数据库中,保证数据完整。存档的记录不可编辑,数据是可追溯的,并且在采集过程中,不能影响乳膏车间设备的正常运转 [5] 。
  (二)生产监控
  对乳膏车间内各个设备和子系统的实时状态进行监控,并可以远程控制生产设备启动和停机。温湿度等环境监测数据实时显示在车间布局图上,通过生产监控画面可以设置温湿度等预警值,可查看趋势曲线。按照工艺流程,设备界面可通过三维动态画面生动展示设备运行情况,包括设备运行参数及运行、故障、停止状态等相关信息。制定操作权限,有相应授权的人员可以远程操作生产设备的开停机,参数设置等操作进行严格权限管理。
  (三)数据分析
  针对采集的数据进行进一步的挖掘处理,生成各类分析数据表,为工艺优化、设备预防性维修、生产精益管理提供数据支持。该系统可提取数据库或者接受人工录入数据以及Excel导入数据,根据需要生成各类分析表,并且通过图表曲线等形式展示出来。
  通过结合实际需求,双方共同进行业务梳理,开发了个性化的数据分析模块:设备效率分析、人工效率分析、物料耗用分析、能源耗用分析、质量数据分析。通过大数据相关性分析,突破了传统数据了处理方式。例如能源数据和消耗金额相关性分析,通过查询年度各项能源耗用金额进行去年及今天的费用对比,把能源消耗转换为财务指标,为不同部门的决策提供了支持。如图3所示。
  图3数据分析
  (四)可视化系统
  建设数据展示中心,展示乳膏车间全工艺流程图和实时运行数据、各类分析报表、视频监控画面等。用户可以自定义展示内容,也可以拷贝展示内容到移动设备,可展示用户接入的各类文件,如Word、Excel、PPT、视频等。屏幕可选用拼接屏,多块屏幕显示内容可根据需要自由组合。展示系统可以与多个操作终端协同,支持单机双屏操作。
  (五)智能化车间数据集成平台建设效果
  1.产线数字化
  对乳膏车间生产线进行数据采集与监控,将复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据,再基于这些数字、数据建立起适当的数字化模型。
  2.过程可视化
  对质量、工艺、设备运行等过程参数进行分析和三维动态展示,实现了对生产过程的透明可视。
  3.管理精细化
  大数据分析系统,为车间精益管理、工艺参数优化、设备预防性维护提供数据支持。
  4.接口标准化
  通过对项目的总结,形成了接口、服务、集成方式标准化技术规范。功能使用和展示分析标准化,为后续华润三九集团内部智能工厂建设奠定了技术规范标准。
  本项目经过严格GMP规范性测试,已正式上线运行。经对比,总体工作效率提升10%,设备利用率提升了5%。同时取得了原创性成果,形成了软件著作权:华润三九数据采集与分析软件V1.0。
  五、结束语
  综上所述,智能制造车间通过基于智能化技术的数据集成平台的建设,打通了IT系统和OT系统信息孤岛,充分实现IT和OT的融合,最终实现了“两化融合”目标,提升了价值,并形成了个性化的大数据分析解决方案,取得了软件著作权等成果。实现了精细化、标准化管理,后续为不断提高乳膏车间管理水平,为企业可持续发展提供了强大的信息化管理手段。同时为传统的药品生产车间向信息化、数字化、智能化车间转型提供了参考与借鉴。
  参考文献:
  [1]国务院.国务院关于印发《中国制造2025》的通知[EB/OL].(2015-05-19).http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.
  [2]梁秀璟.制药行业实现智能制造任重道远[J].自动化博览,2016,33(8):42-46.
  [3]刘三平,龚伟,陆平溪.基于物联网的离散制造车间制造数据管理关键技术分析[J].中国新技术新产品,2019(22):36-37.
  [4]金军,田士宝,谭兴伟.探究制造业数字化车间的建设思路[J].科技视界,2018(30):30-31.
  [5]黄少华,郭宇,查珊珊,方伟光,王发麟.离散车间制造物联网及其关键技术研究与应用综述[J].计算机集成制造系统,2019,25(02):284-302.

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