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1  引言
    20世紀(jì)90年代，美國管理界針對“計(jì)劃跟不上變化”這一問題，提出制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）的新概念，填補(bǔ)了車間層管理的空白。MES以成本核算為中心，優(yōu)化整個生產(chǎn)過程；收集生產(chǎn)過程中的大量實(shí)時數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)ν话l(fā)事件及時處理；與計(jì)劃層（以ERP為代表的企業(yè)管理系統(tǒng)）和控制層（以DCS、PLC為代表的過程控制系統(tǒng)）保持雙向通信能力，從上、下兩層獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)命令；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度與管理。
    目前，大多數(shù)制藥企業(yè)主要憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管理，計(jì)劃層與控制層相互脫節(jié)，無法適應(yīng)變化多端的外界環(huán)境，極大地制約了生產(chǎn)管理水平的提高。在CIMS的研究與發(fā)展中，對MES還沒有給予足夠的重視，導(dǎo)致針對制藥行業(yè)開發(fā)的MES軟件幾乎沒有，甚至這方面的研究文獻(xiàn)都很難見到。

2  制藥行業(yè)的特點(diǎn)
    制藥工業(yè)主要指生物、化學(xué)藥品的生產(chǎn)部門，由原料藥生產(chǎn)和藥物制劑生產(chǎn)兩部分組成。原料藥是藥品生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，但必須加工制成適合于服用的藥物制劑才成為藥品。
制藥行業(yè)作為流程工業(yè)的一種，既有流程工業(yè)所具有的共性也有特殊性，通過發(fā)酵、萃取、灌裝等生物、化學(xué)、物理變化，產(chǎn)生新物質(zhì)達(dá)到增值目的。通常以批量或連續(xù)的方式進(jìn)行生產(chǎn)，需要嚴(yán)格的過程控制和安全措施。特殊性如下：
    (1)  生產(chǎn)工藝方面：工藝機(jī)理復(fù)雜，同樣的操作條件也很難得到相同結(jié)果，無法對產(chǎn)量準(zhǔn)確預(yù)測；上級物料和下級物料之間的數(shù)量關(guān)系可能隨溫度、濕度、季節(jié)、人員技術(shù)水平、工藝條件不同而不同，例如，發(fā)酵液與微生物代謝物的關(guān)系就不是一個完全確定的關(guān)系；生產(chǎn)過程需要在無菌的條件下進(jìn)行，對設(shè)備嚴(yán)密性、生產(chǎn)操作、環(huán)境的要求很嚴(yán)格；生產(chǎn)過程包含復(fù)雜的物理和生化過程，及各種突變和不確定性因素。
    (2)  生產(chǎn)計(jì)劃方面：制藥企業(yè)主要是大批量生產(chǎn)，只有滿負(fù)荷運(yùn)行，才能將成本降低；生產(chǎn)主要面向庫存，沒有作業(yè)單的概念，年度計(jì)劃更具有重要性；采用過程結(jié)構(gòu)和配方進(jìn)行物料需求計(jì)劃，同時考慮生產(chǎn)能力。
    (3)  調(diào)度管理方面：制藥行業(yè)中體現(xiàn)了以配方為核心的生產(chǎn)模式，以流水線方式組織生產(chǎn)，只存在連續(xù)的工藝流程，不存在與離散企業(yè)對應(yīng)的嚴(yán)格的工藝路線；要考慮產(chǎn)品配方、產(chǎn)品混合、物料平衡和污染防治等問題，蒸汽、冷凍水、壓縮空氣和水電等動力能源輔助系統(tǒng)也要考慮。
    (4)  批號管理方面：藥品生產(chǎn)過程要求有十分嚴(yán)格的批號記錄，從原材料、供應(yīng)商、中間品以及銷售給用戶的產(chǎn)品，都需要記錄，當(dāng)出現(xiàn)問題，可以通過批號反查出是誰的原料、哪個部門何時生產(chǎn)的，直到查出問題所在。
   (5)  生產(chǎn)過程與優(yōu)化方面：生產(chǎn)過程要滿足GMP、FDA等法規(guī)的要求，實(shí)現(xiàn)規(guī)范操作和管理；需要從生產(chǎn)工藝和先進(jìn)控制方面對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化。

3  面向制藥行業(yè)MES
    針對制藥企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行、管理很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，信息傳遞不及時、不全面，管理與生產(chǎn)脫節(jié)，生產(chǎn)指揮滯后等現(xiàn)狀，并依據(jù)其特點(diǎn)提出了以優(yōu)化整個生產(chǎn)過程為核心的制造執(zhí)行系統(tǒng)。發(fā)揮其在整個生產(chǎn)過程中的橋梁和紐帶作用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)計(jì)劃與調(diào)度、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、操作條件優(yōu)化、突發(fā)事件處理等功能，進(jìn)而使生產(chǎn)高效、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定運(yùn)行。
3.1  體系結(jié)構(gòu)
    面向制藥行業(yè)MES主要由生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度與管理、生產(chǎn)運(yùn)行與優(yōu)化、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、批次管理與跟蹤、設(shè)備管理與維護(hù)、職工管理、生產(chǎn)文檔管理7個模塊組成。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  面向制藥行業(yè)MES體系結(jié)構(gòu)

3.2  各個模塊的功能
    (1)  生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度與管理模塊
    包括生產(chǎn)調(diào)度與分析、物料管理與控制、能源管理與控制、成本核算與控制四項(xiàng)功能，作為MES的“大腦”需要根據(jù)ERP下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)生人力、設(shè)備、物料、能源的最優(yōu)調(diào)度方案，滿足成本最低、質(zhì)量最好、效率最高的要求；把調(diào)度計(jì)劃分解為工藝流程下達(dá)給生產(chǎn)運(yùn)行與優(yōu)化模塊，同時監(jiān)督生產(chǎn)操作狀況；根據(jù)當(dāng)前批次生產(chǎn)情況、設(shè)備狀況、職工信息等為下面的生產(chǎn)做好調(diào)度準(zhǔn)備；能夠應(yīng)對各種突發(fā)事件并做好再次調(diào)度；將整個生產(chǎn)狀況記錄到生產(chǎn)文檔管理模塊。
    (2)  生產(chǎn)運(yùn)行與優(yōu)化模塊
    包括工藝參數(shù)管理、控制系統(tǒng)監(jiān)控、生產(chǎn)過程優(yōu)化等功能；將生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度與管理模塊下達(dá)的工藝流程分解為操作指令通過生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)去操作控制系統(tǒng)和設(shè)備，監(jiān)督生產(chǎn)執(zhí)行情況；從生產(chǎn)工藝和操作條件方面優(yōu)化生產(chǎn)過程，能對工藝參數(shù)進(jìn)行修改并傳送給控制系統(tǒng)。
    (3)  生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
    能夠?qū)崟r從控制系統(tǒng)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)也能把生產(chǎn)命令下達(dá)給控制系統(tǒng)；為批次管理與跟蹤、設(shè)備管理與維護(hù)、職工管理模塊提供數(shù)據(jù)；通過手工輸入或各種自動方式獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
    (4)  批次管理與跟蹤模塊
    能夠采集當(dāng)前批次（中間、最終）的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括在線參數(shù)值和離線測量值，對生產(chǎn)質(zhì)量做出評價，決定生產(chǎn)是否繼續(xù)；當(dāng)ERP對某個最終批次的生產(chǎn)情況提出質(zhì)疑時，將根據(jù)此批次的記錄進(jìn)行反沖追查，并把結(jié)果上報(bào)給ERP和生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度與管理模塊。
    (5)  設(shè)備管理與維護(hù)模塊
    指導(dǎo)企業(yè)維護(hù)設(shè)備的工作以保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，并產(chǎn)生階段性、周期性和預(yù)防性的維護(hù)計(jì)劃，也提供對緊急問題的響應(yīng)（報(bào)警）；保留過去所發(fā)生的事件和問題的歷史記錄有助于處理可能要出現(xiàn)的問題。
    (6)  職工管理
    提供職工的狀態(tài)信息，包括工時、出勤、技能等；記錄并規(guī)范職工操作過程；與生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度與管理模塊相互作用來決定優(yōu)化分配；還與ERP中的人事管理模塊相互傳遞信息。
    (7)  生產(chǎn)文檔管理模塊
    管理與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)計(jì)劃、配方、工藝流程、工藝參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)操作程序、生產(chǎn)計(jì)劃變更通知、班組交換信息等；該模塊還完成對生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)的存儲。
    另外，ERP、MES、Controls三個系統(tǒng)的運(yùn)行都依托于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫與實(shí)時數(shù)據(jù)庫通過集成平臺交換數(shù)據(jù)。
3.3  企業(yè)信息集成
    企業(yè)信息集成是實(shí)現(xiàn)MES橋梁和紐帶作用的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)信息的集成，需要知道有哪些企業(yè)信息和數(shù)據(jù)，這些信息和數(shù)據(jù)怎樣才能獲得，怎樣進(jìn)行集成。制藥企業(yè)信息和數(shù)據(jù)包括五部分，一是企業(yè)經(jīng)營管理信息，二是生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，三是質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，四是生產(chǎn)過程優(yōu)化信息，最后一部分是其他信息。
    (1)  信息和數(shù)據(jù)的來源及存儲
    企業(yè)經(jīng)營管理信息包括企業(yè)供應(yīng)與銷售、庫存、財(cái)務(wù)、資金、人事、市場、原料和產(chǎn)品價格、決策、總的生產(chǎn)計(jì)劃與方案以及生產(chǎn)設(shè)備等信息。這些信息大多數(shù)來自企業(yè)內(nèi)部，有些來自外部，屬于管理類型，一般存放在ERP、SCM、CRM等系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。
    在制藥行業(yè)，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息是底層自動化的基礎(chǔ)，其中包括物料流數(shù)據(jù)、能源流數(shù)據(jù)、各種操作條件，如溫度、壓力、pH值等，以及設(shè)備運(yùn)行、停止及事故狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)和信息都是實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)和信息，具有很強(qiáng)的時間特性，通常由實(shí)時數(shù)據(jù)庫存貯。
企業(yè)產(chǎn)品、半成品及原材料的組成和性質(zhì)是企業(yè)質(zhì)量管理的重要信息和數(shù)據(jù)，也是物料流和能源流進(jìn)行質(zhì)量平衡計(jì)算的信息來源。還有一類信息和數(shù)據(jù)是產(chǎn)品配方、生產(chǎn)方案和實(shí)驗(yàn)室（或中試工廠）試驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息。這些信息對于指導(dǎo)生產(chǎn)是非常寶貴的，存儲在實(shí)時數(shù)據(jù)庫，一般可由實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS）采集和管理。
    生產(chǎn)過程優(yōu)化信息通常包括操作參數(shù)、負(fù)荷分配和生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度優(yōu)化信息。操作參數(shù)、負(fù)荷分配優(yōu)化信息存儲在實(shí)時數(shù)據(jù)庫，生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度優(yōu)化信息存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫。
     其他信息包括職工出勤、工時信息，通常通過考勤機(jī)讀取職工胸卡上的條碼自動錄入處理，存儲在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中。也包括各種突發(fā)事件所產(chǎn)生的信息。
    (2)  信息和數(shù)據(jù)的獲取與集成
    MES以實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心，通過OPC、DDE等方式從Controls采集實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)并儲存在實(shí)時數(shù)據(jù)庫，同時也能把操作參數(shù)值傳遞給Controls。廣泛使用的實(shí)時數(shù)據(jù)庫主要有：美國OSISoft公司的PI、美國Honeywell公司的PHD和美國AspenTech公司的IP21。
    MES以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核心，通過ODBC或JDBC等技術(shù)實(shí)現(xiàn)與ERP等經(jīng)營管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。目前常用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫有：Oracle、SQL Server、Sybase和DB2。
    在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，關(guān)系數(shù)據(jù)庫與實(shí)時數(shù)據(jù)庫之間需要交換數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息傳遞，MES中各個應(yīng)用軟件需要互訪，為此構(gòu)建了集成平臺。此平臺具備下述功能：實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的信息集成和功能集成；能適用于各種不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；能實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用軟件和系統(tǒng)內(nèi)所用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立，各類數(shù)據(jù)可以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換；符合各種軟件標(biāo)準(zhǔn)。兩個數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換可以通過ODBC或JDBC接口實(shí)現(xiàn)，各個應(yīng)用軟件互訪也通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)。另外，MES的七個功能模塊分別與關(guān)系數(shù)據(jù)庫和實(shí)時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。
    (3)  信息的傳遞關(guān)系
    在信息傳遞關(guān)系上，MES向上層ERP提交生產(chǎn)能力報(bào)告、物料消耗情況、能源消耗情況、動態(tài)成本核算報(bào)告、職工分配信息、生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況、批次運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀況等；向底層Controls發(fā)送生產(chǎn)操作指令、工藝控制參數(shù)。同時，接受ERP的生產(chǎn)計(jì)劃、物料計(jì)劃、能源計(jì)劃、成本計(jì)劃、設(shè)備狀況信息、人事信息；接受Controls的實(shí)時控制數(shù)據(jù)、離線采集信息、設(shè)備運(yùn)行情況、物料和能源的使用情況等。
    總之，MES與ERP、Controls保持信息暢通，充分利用各種信息資源實(shí)現(xiàn)人員、物料、能源的優(yōu)化調(diào)度圓滿完成生產(chǎn)任務(wù)。
3.4  生產(chǎn)過程優(yōu)化
    信息集成是MES的基礎(chǔ)，生產(chǎn)過程優(yōu)化是MES的靈魂，二者相輔相成。實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和操作的關(guān)鍵是建立優(yōu)化模型和確定尋優(yōu)策略。模型的種類很多，有用數(shù)學(xué)方程形式描述的數(shù)學(xué)模型，也有邏輯關(guān)系等描述的智能模型，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以及使用各種圖形表示的圖形模型等。尋優(yōu)策略主要是指最優(yōu)化技術(shù)，包括動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法、蟻群算法等。生產(chǎn)過程優(yōu)化主要包括工藝優(yōu)化、計(jì)劃與調(diào)度優(yōu)化和操作條件優(yōu)化。
    (1)  生產(chǎn)工藝優(yōu)化
    生產(chǎn)工藝優(yōu)化是基于工藝指標(biāo)的優(yōu)化過程，通過修改配方、工藝技術(shù)路線以及工藝參數(shù)等達(dá)到優(yōu)化目的，例如控制回路設(shè)定值的改變。例如，維生素B12厭氧發(fā)酵過程培養(yǎng)基配方優(yōu)化，工藝目標(biāo)是提高發(fā)酵單位，首先建立培養(yǎng)基各個組分與菌體濃度、產(chǎn)物濃度的關(guān)聯(lián)模型，然后按照一定的尋優(yōu)策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最后把效果最好的培養(yǎng)基配方應(yīng)用到小試。如果小試成功，那么自然應(yīng)用到中試，依次類推最后應(yīng)用到生產(chǎn)；反之，如果某個環(huán)節(jié)沒有達(dá)到預(yù)期效果，在確保此環(huán)節(jié)沒有問題的情況下，則需返回到上一步繼續(xù)試驗(yàn)。
    (2)  計(jì)劃與調(diào)度優(yōu)化
    MES根據(jù)ERP下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃、物料計(jì)劃、能源計(jì)劃和成本計(jì)劃，確定最優(yōu)的生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度策略并組織生產(chǎn)。基于過程仿真的計(jì)劃與調(diào)度優(yōu)化模型一般為：
    Maxgain=Vsell－Cmaterial－Cproduction－Cstock
    Maxgain代表目標(biāo)函數(shù)，即使總利潤最大；Vsell代表產(chǎn)品銷售值；Cmaterial代表原料成本；Cproduction代表生產(chǎn)成本；Cstock代表庫存成本。約束條件包括生產(chǎn)能力約束、生產(chǎn)過程模型、物料平衡約束、能源平衡約束、產(chǎn)品產(chǎn)量約束、產(chǎn)品質(zhì)量約束、貯罐貯量約束、設(shè)備約束等。
    計(jì)劃與調(diào)度優(yōu)化功能由MES中的生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度與管理模塊實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化模型的輸入主要有，ERP下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃、物料計(jì)劃、能源計(jì)劃、成本計(jì)劃；工廠（或車間）的人員與設(shè)備狀況、庫存等。輸出是工廠（或車間）的年、季度、月、日生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度方案。生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度方案能夠應(yīng)對各種突發(fā)事件，如設(shè)備故障、人員缺崗、作業(yè)變更等，在模型中引入了隨機(jī)變量。同時結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)考慮對模型的約束條件，如生產(chǎn)能力。如圖2所示。

圖2  計(jì)劃與調(diào)度優(yōu)化方案框圖

    (3)  操作條件優(yōu)化
    操作條件主要是指物理、化學(xué)、生物反應(yīng)條件，包括溫度、壓力、pH值、溶解氧等，是生產(chǎn)保持高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗水平的關(guān)鍵因素。但是制藥過程機(jī)理復(fù)雜、影響因素眾多、生產(chǎn)環(huán)境變化無常給操作條件優(yōu)化帶來了困難，發(fā)酵過程是典型例子。
    制藥行業(yè)操作條件的優(yōu)化主要通過MES中的生產(chǎn)運(yùn)行與優(yōu)化功能模塊來實(shí)現(xiàn)，此模塊將通過基于優(yōu)化模型的計(jì)算機(jī)仿真模擬，直觀、形象地考察各個變量與優(yōu)化目標(biāo)之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系，尋找一組最佳的生產(chǎn)操作參數(shù)組合。
    操作條件優(yōu)化框圖如圖3所示。生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)積累了大量生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，這些歷史數(shù)據(jù)一部分是從過程控制系統(tǒng)自動采集的，如溫度、壓力；另一部分是實(shí)驗(yàn)室離線測量得到的并由人工輸入此系統(tǒng)中，如生物量。生產(chǎn)運(yùn)行與優(yōu)化模塊綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)等各種數(shù)據(jù)挖掘方法，從歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)指導(dǎo)生產(chǎn)的知識和規(guī)律。操作條件優(yōu)化分為離線優(yōu)化和半實(shí)時優(yōu)化，離線優(yōu)化是指根據(jù)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)尋優(yōu)得到最優(yōu)操作條件；半實(shí)時優(yōu)化是指每隔一段時間采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)（包括實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)）在線尋優(yōu)得到最優(yōu)操作條件。

圖3  操作條件優(yōu)化框圖

4  結(jié)語
    通過分析制藥行業(yè)生產(chǎn)管理的特點(diǎn)，提出了以計(jì)劃調(diào)度為主線、成本控制為核心的制造執(zhí)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)一步闡述了企業(yè)信息集成及生產(chǎn)過程優(yōu)化。面向制藥行業(yè)MES解決了控制信息與管理信息的綜合集成問題，起到將生產(chǎn)信息和經(jīng)營管理的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工和傳遞的作用，是生產(chǎn)活動與經(jīng)營活動的紐帶和橋梁，是實(shí)現(xiàn)CIMS的關(guān)鍵，將為我國制藥行業(yè)提供一個集先進(jìn)管理理念、靈活控制模式、完整應(yīng)用功能、先進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)為一體的MES解決方案和技術(shù)產(chǎn)品，提升國際競爭力。

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