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如何打造制藥工業4.0智慧工廠

Tofflon2020-04-30 15:03:44

隨著德國工業4.0”、“中國制造2025”這些新戰略的推出,越來越多的制藥企業考慮到自動化、信息化的重要性。采用互聯網技術,實現智能生產將是制藥企業必然的發展趨勢。本文主要介紹制藥工業4.0的概念、闡述制藥工業4.0智慧工廠的相關技術以及提出制藥工業4.0智慧工廠的實施方法等,目的是說明如何打造制藥工業4.0智慧工廠并推動整個制藥行業的快速發展。



德國工業4.0
智能化


德國政府于2013年提出了“工業4.0”項目,它描繪了制造業的未來愿景,提出繼蒸汽機的應用、規?;a和電子信息技術等三次工業革命后,人類將迎來以信息物理融合系統(CPS)為基礎,以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志的第四次工業革命[1-3]?!肮I4.0”戰略旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統——信息物理系統(CPS)相結合的手段,將制造業向智能化轉型。

“工業4.0”項目主要分為兩大主題,一是“智能工廠”,重點研究智能化生產系統及過程,以及網絡化分布式生產設施的實現;二是“智能生產”,主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。該計劃將特別注重吸引中小企業參與,力圖使中小企業成為新一代智能化生產技術的使用者和受益者,同時也成為先進工業生產技術的創造者和供應者。



1智慧工廠是實現工業4.0的關鍵


在智慧工廠里,人、機器和資源如同在一個社交網絡里一般自然地相互溝通協作。主要涵義包括:在數字化工廠的基礎上,利用物聯網的技術和設備監控技術加強信息管理和服務;清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上的人工干預、即時正確地采集生產線數據、合理的生產計劃編排與生產進度;集綠色智能的手段和智能系統等新興技術于一體,構建高效節能的、綠色環保的、環境舒適的人性化工廠[4]。下圖為智慧工廠的架構:


圖1 ?智慧工廠的架構


??2智慧工廠的特征

實現智能制造,首先應有智能制造裝備,而這種裝備需具備6個基本特征:自度量、自決策、自適應、自診斷、自修復、自學習(簡稱“六自”)。以此為基礎,作為數字化、智能化工廠的自動化智能生產線還應具備“自組織”特征,即能自行組織生產。

數字化、智能化工廠的智能制造裝備通過外部條件的變化,能“自適應”生產工藝和要求的變化,及時對裝備進行調整。智能制造裝備能“自診斷”運行中發生的故障,及時發現問題,從而有效避免因設備故障而導致生產運行的中斷。智能制造裝備還能“自修復”裝備發生的故障,進行自我維護,以使生產運行達到無須人干預的境界。智能制造裝備還能通過人工智能技術,具備學習功能,能不斷“自學習”而逐漸學會處理新的未曾遇到過的情形,進而像人一樣聰明地進行生產。




中國制造2025
智能制造



?“中國制造2025”項目,應對新一輪科技革命和產業變革,立足我國轉變經濟發展方式的實際需要,圍繞創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展、人才為本等關鍵環節,針對先進制造、高端裝備等重點領域,提出了加快制造業轉型升級、降本增效的重大戰略任務和重大政策舉措,力爭到2025年從制造大國邁入制造強國行列[5]。

“中國制造2025”以體現信息技術與制造技術深度融合的數字化網絡化智能化制造為主線,提出了四大轉變:由要素驅動向創新驅動轉變,由低成本競爭優勢向質量效益競爭優勢轉變,由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉變,由生產型制造向服務型制造轉變。

“中國制造2025”和“德國工業4.0”都是在新一輪科技革命和產業變革背景下針對制造業發展提出的重要戰略舉措,兩者既有很多相同之處,也有很多不同之處。雖然中國和德國工業發展的水平不在一個起點上,也不在一個水平線上,但從目前情況來看,德國要實現工業4.0也需要8至10年的時間,它在時間上和我們的“中國制造2025”大體在一個時間段。從內容上看,德國工業4.0和我國的工業化和信息化深度融合有異曲同工之處。?




制藥工業4.0
智慧工廠



制藥工業4.0的發展趨勢與工業4.0的發展大體相同,但是由于藥品是一種特殊的商品,具有專屬性、兩重性、質量重要性以及限時性這四個方面的特征,再考慮到藥品質量要求特別嚴格,生產過程要求高,藥品供應時間性強,品種多,更新快這些特點,我們容易發現工業4.0的理念不都可以應用在制藥行業。比如定制化設計,如汽車、電子產品的研發更多的依賴于客戶的喜好,而在我們制藥行業,我們都知道藥品的研發到商業化生產一般需要十多年的時間,已經不能從患者的角度出發開始研發,也就是很難做到定制化設計。所以面對工業4.0這個最新的戰略形勢,合理的分析與應用是打造智慧工廠的基本原則。

? ???整個的物聯網和服務網是未來制藥工業4.0智慧工廠的一個基本架構,包括整個生產線相關的控制系統、產品制造技術等。未來智慧工廠將具有完整的制藥體系、設備高度信息化、智能化,下圖展示了制藥工業4.0智慧工廠的基本架構,一般分為設備層、執行層、運營層、決策層(如圖四)。處在上層的是與生產計劃、物流、能源和經營相關的ERP、CRM、SCM等,以及產品設計、技術相關的PLM;處在中間的是與制造生產設備和生產線控制、倉庫管理相關的MES、QMS、WMS功能;處在最下層的是感知層,也是至關重要的一層,我們的數據通過設備層的PLC、DCS傳出,實現產品信息的采集以及追溯等等。


圖2 ?制藥工業4.0智慧工廠基本架構



1制藥工業4.0的發展路線


“制藥工業4.0”解決方案將經歷簡單應用、解決方案整合創新、新型工業互聯、形成強大生態體的演進過程。

第一階段:局部技術試點,對硬件、軟件進行雙向突破,尋求生產線的試點推廣??梢砸詡鞲衅骱蛡鞲衅骶W絡、RFID、制藥工業大數據的應用為切入點,實現過程控制、生產環境檢測、制造供應鏈跟蹤、遠程診斷管理等物聯網應用;

第二階段:車間自動化改造,提高設備性能、提高連續化程度、提高車間自動化程度、減少人員干預、提高車間整體效率;

第三階段:打造數字化工廠,高度數字化、網絡化,實現大數據集成,推動MES與ERP的落地(如圖3所示);

圖3 ?工廠版?


第四階段:實現集團化智慧工廠,推出創新整合的解決方案,打通集團各工廠間的數據網絡,資源調配、產能調配、提高利用率,真正實現智能生產與智能工廠(如圖4所示)。?


圖4 ?集團版



2制藥工業4.0相關技術

1)全自動設備


在我們公司多年的制藥實踐中,我們發現越來越多的客戶采用全自動配液系統、全自動進出料系統、全自動燈檢機、全自動包裝線、智能化水系統以及全自動空調凈化系統等。使用全自動設備可以大大減少人力,降低產品運營成本。

2)軟件

隨著工業4.0的高標準要求,MES、ERP、LIMS、QMS等系統將廣泛應用在制藥行業。例如MES系統,將企業管理信息系統與過程控制系統有效整合,對生產數據采集、傳輸與處理,產品質量跟蹤與動態成品控制,在線質量監控與管理,實施在線優化調度與成本管理等功能進行集成,從而實現了產品制造的全程跟蹤,對制藥企業的信息化管理起到非常重要的作用。

3)自動化立體庫

自動化立體倉庫,是物流倉儲中出現的新概念。利用立體倉庫設備可實現倉庫高層合理化,存取自動化,操作簡便化;自動化立體倉庫,是當前技術水平較高的形式,在管理上采用計算機及條碼技術。自動化立體庫提高了空間的利用率,且便于形成先進的物流系統,提高企業生產管理水平。



3實現制藥工業4.0的三個階段


1)自動化

實現制藥工業4.0的最基本原則就是設備的自動化,然而一般客戶普遍注重成本,但實際上自動化并不是提高成本,相反自動化是降低成本的有效保證。自動化可以避免人工成本帶來的生產偏差和因偏差而引起的一些列成本,使生產出來的產品無差別化,有利于大規模,大批量生產,自動化能向使用者提供穩定的產品。人工操作卻永遠無法避免人為的失誤和偏差。設備自動化在降低成本、保證質量的基礎上還有一個優勢,能夠快速的安裝調試好設備,讓客戶盡快投入到正常生產運營中去,也為客戶節約最大的時間空間,能夠保證客戶快速投入無偏差的可靠生產當中去。

2)信息化——大數據

人類正從IT時代走向DT時代,大數據是工業互聯網的命脈。我們一方面要實現智能生產:通過信息物理系統(CPS)實現工廠/車間的感知層和設備層的數據與企業信息系統融合,使得生產大數據傳到云計算數據中心進行存儲、分析,形成決策并反過來指導生產;另一方面要實現大規模定制:數據采集、數據管理、訂單管理、智能化制造、定制平臺等。定制數據達到一定的數量級,就可以實現大數據應用。通過對大數據的挖掘,實現流行預測、精準匹配、時尚管理、社交應用、營銷推送等更多的應用。同時,大數據更能夠幫助制造業企業提升營銷的針對性,降低物流和庫存的成本,減少生產資源投入的風險[6]。

大數據能夠提高設備效率、提高成品率,將作為智慧工廠的必要元素,在制藥工業得到了廣泛的應用,如系統自動生成電子批記錄、偏差處理、偏差管理、預防性維護、設備遠程托管、動態監視、能源管理等等。下圖是一個凍干粉針車間的監控圖:


圖5 ?凍干粉針車間監控圖


生產車間環境、設備遠程報警:可以將各個車間環境和設備產生的關鍵報警在監控屏幕上滾動顯示,并可自定義發送關鍵報警到指定手機用戶。

WEB方式監控車間狀態:不管您是通過電腦上網還是手機上網,只要有網絡就可以隨時隨地的查看車間設備運行狀態和實時數據。

3)智能化

智能化階段,制藥企業將廣泛使用智能制造裝備并應用計算機網絡技術,實現智能生產,從而構建高效節能、綠色環保的智慧工廠。

未來藥企將普遍使用全自動設備,實現高標準的信息化管理,其生產將更加靈活化,能夠縮短任務轉換時間,允許實時滿足客戶需求的動態產品規劃,這有利于原料和供應鏈的“微調”。同時3D打印技術、自動機器人技術等新技術的應用也將促使能力的變化,簡單的人機交互可以降低對技術工人的需求。一言以蔽之,無人化的生產模式將是制藥工業4.0智慧工廠的終極目標。



4制藥工業4.0的現狀


縱觀制藥工業發展水平,自動化、信息化程度普遍不高、以我們公司多年的制藥經驗,我們發現現階段制藥行業不管在設備方面還是整個軟件工藝方面都存在很多問題。

在技術方面,制藥行業在大規模制造時產量大,多產品共線時規格多,而在設備、設施、工程之間接口又不兼容,沒有統一的設計。這是由于傳統的工程項目實施,客戶一般會尋找很多家供應商,而不同部分的系統又沒有統一的設計,很難做到系統層面的集成,且項目周期較長,項目管理很復雜。

在自動化方面,我國僅極少制藥企業達到一定程度的過程自動化,絕大多數企業還停留在設備控制的單體自動化階段。如在制劑生產方面,生產設備和過程大多是斷離、孤立的;生產過程中的原輔料、中間產物的轉運相當一部分還是以人工為主;相當一部分設備還比具備完整的重要質量參數和工藝條件參數的數據輸出功能,更沒有提供外部系統對其進行統一協調和優化控制的輸入條件。

在信息化方面,很多藥廠的生產過程不可視,不能實時了解生產現場中在制品、人員、設備、物料等制造資源和加工任務狀態的動態變化。藥品生產的特殊性和復雜性(生產過程中包含了高溫、高壓、污染等一系列條件,生產環境復雜多變)也使得關鍵數據難以準確采集。部分藥廠現場數據信息大多依賴人工錄入,增加了出錯的機率,制造過程信息的真實性很難保證。還有一個常見的現象就是現場總線標準不統一,硬件、軟件接口不統一,企業在總線使用上出現“八國聯軍”,不同國家不同廠商的生產總線無法統一,數據信息傳遞出現障礙。

由此可見,現階段還沒有實現“兩化融合”所要求的“生產過程的實時監測、故障診斷、質量控制和調度優化,深化生產制造與運營管理、采購、銷售等核心業務系統的綜合集成”。制藥行業距離“工業4.0”的戰略要求還差得很遠。機遇和挑戰并存,我們在看到機遇的同時,更要考慮好如何應對挑戰。


5制藥工業4.0智慧工廠的實施方法

聚焦中國國情,“中國制造2025”將推進信息化與工業化深度融合,支持有條件的企業由提供設備向提供系統集成總承包服務轉變,由提供產品向提供整體解決方案轉變。由此可見,總包工程將是未來制藥行業解決方案的重要手段。東富龍專業技術服務于制藥工業,具有二十多年的制藥經驗,是具備“智能化制藥工廠”交鑰匙工程的供應商。面對“工業4.0”這個嚴峻的挑戰,東富龍與制藥工業共同面對,將致力于打造制藥工業4.0智慧工廠。

我們認為可以從以下幾個方面進行實施:

  • ?新生產線進行整體歸劃,由具有總包能力的供應商提供成套服務:總包工程可以對接口進行統一的設計,大大縮短項目周期,在提高設備利用率、產品成品率的同時又滿足對信息化管理的要求。在管理上,大項目經理制度可以高效的進行管理,將復雜系統簡單化。

  • ?老的生產線逐步進行改造,集成至整個系統中:隨著整個制藥行業的發展趨勢,老的生產線已呈現出越來越多的問題,需要逐步進行改造,如采用自動化設備,提高設備性能;采用先進技術,提高產品質量等。

  • ?在車間級和工廠級的基礎上完成集團級的整合:處在車間級和工廠級的企業需要借助信息物理系統(CPS),實現集團的智能生產、智能物流。

  • ?更高層次的自動化水平:自動化和信息化的深度融合,將使制藥行業的自動化水平迎來新的高度。

  • ?結合新的技術和新法規,對企業的業務流程進行改造,達到高效、快速、實時、有效應對外部挑戰和提高企業競爭力。

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6新技術對制藥工業的影響


新技術的使用也是技術創新的一部分,將大大提高制藥企業的產品質量、完善制藥體系并增加企業競爭力。例如美國食品與藥品管理局(FDA)近日批準了全球首個使用3D打印機制成的藥物—SPRITAM。這是一種癲癇藥物,該藥物可在10秒不到的時間里就跟人體的血液相溶且開處方的醫生可以更便捷地知道每個藥片的劑量,因為所有藥片都是統一配制。

3D打印技術極大地降低產品研發創新成本,縮短創新研發周期,并且能夠簡化制作提高產品質量與性能;3D打印能制造出傳統工藝無法加工的零部件,極大增強了工藝實現能力;此外3D打印提高了難加工材料可加工性,開拓了綠色的制造模式。

3D打印將會變革傳統制造模式,形成新型制造體系。這也說明新技術的應用在提高企業競爭力的同時將會大大縮短制藥企業實現智慧工廠的時間。




? ??總結 ? ? ?
智慧工廠探索



從當前制造業的發展來看,德國總體處在從3.0到4.0發展的階段,而我們可能還要補上從2.0到3.0發展的課,然后才能向4.0發展。隨著“中國制造2025”、“互聯網+”、“工業4.0”這些新戰略的推出,我們制藥行業只有快速研究、快速適應、快速運用,才能跟上時代發展的步伐。未來的制藥行業是更加自動化、信息化、智能化的,將借助物聯網技術,實現人、設備與產品的實時聯通、精準識別、有效交互與智能控制。面對目前制藥行業自動化、信息化程度普遍不高的現狀,如何實現制藥工業4.0,如何打造制藥工業4.0智慧工廠,將是我們制藥行業共同面臨的問題,只有制藥行業的相關企業協同發展、共同制造,才能應對這個嚴峻的挑戰。

(文/ 東富龍系統方案部)






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