★杭州優(yōu)穩自動(dòng)化系統有限公司

1　背景

石藥控股集團有限公司是一家集創(chuàng )新藥物研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售為一體的國家級創(chuàng )新型企業(yè)，為了豐富產(chǎn)品類(lèi)型、提高產(chǎn)品質(zhì)量，石藥集團積極踐行智能制造，打造高度智能化和柔性化的運營(yíng)模式，推動(dòng)醫藥產(chǎn)業(yè)轉型升級。經(jīng)過(guò)激烈的競爭和角逐，杭州優(yōu)穩自動(dòng)化系統有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)優(yōu)穩）憑借雄厚的技術(shù)積累，成為其合格供應商，為其子公司華榮制藥、歐意藥業(yè)、維生制藥、常盛制藥提供自動(dòng)化與信息化的整體自動(dòng)化解決方案。

2　項目實(shí)施與應用

項目主要包括維生素B12、阿莫西林、氨芐西林原料藥及相關(guān)醫藥中間體的生產(chǎn)，優(yōu)穩為其提供DCS集散控制系統、SIS安全控制系統、GDS有毒/可燃氣體報警管理系統、UWinBatch批次控制與配方管理軟件、電子布線(xiàn)系統及GMP認證等一體解決方案。維生素B12的生產(chǎn)包括發(fā)酵、提取、液糖、動(dòng)力工段，I/O點(diǎn)數3694點(diǎn)，配置DCS系統控制站7臺，操作站13臺，根據發(fā)酵工藝的特點(diǎn)，采取如下控制策略：

（1）溫度控制：生物發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵溫度的控制是一個(gè)很重要的微生物生長(cháng)環(huán)境參數，必須嚴格地加以控制。影響發(fā)酵溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電機攪拌熱、冷卻水本身的溫度。對于小型的發(fā)酵罐溫度控制系統是以發(fā)酵罐溫度為被控參數，冷卻水流量為控制參數的單回路控制方案。對于大型的發(fā)酵罐系統，則采用發(fā)酵罐溫度為主回路，以冷卻水系統為副回路的串級控制或前饋-反饋控制方案。

（2）壓力控制：通過(guò)調節排出氣體的量來(lái)控制。采用單回路控制即可，對于發(fā)酵罐內壓力變化對溶解氧濃度的影響，則由溶解氧濃度調節回路來(lái)處理，當然，溶解氧濃度的調節將考慮罐內壓力對其的影響。

（3）pH值控制：通過(guò)控制調整液的加入量來(lái)控制pH值。

（4）溶解氧濃度控制：影響溶解氧濃度的主要因素有供給的空氣量、攪拌器轉速和發(fā)酵罐的壓力。對于攪拌器轉速恒定不變的情況，只有通過(guò)調節供給的空氣量來(lái)控制溶解氧濃度。當然，也有同時(shí)對發(fā)酵罐轉速和供應的空氣量進(jìn)行綜合調節的做法。

（5）消泡控制：消泡控制采用雙位式的控制方法，當發(fā)酵液液面達到一定的高度時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)消泡劑的閥門(mén)，當液面降回到正常時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉消泡劑閥門(mén)。

（6）補料控制：基于出口氣體二氧化碳的釋放率來(lái)控制補料速率、用化學(xué)元素的平衡方法來(lái)調整補糖量、用控制呼吸商的方法來(lái)控制補料等方法。

此外，優(yōu)穩還為該項目提供計算機化系統驗證服務(wù)，嚴格按照GAMP5提出的生命周期模型（Life Cycle Model）“V-Model”，進(jìn)行了控制系統的整個(gè)驗證過(guò)程，包括硬件和軟件的驗證。驗證包括計劃階段、規范階段、確認測試階段、報告總結階段，交付給客戶(hù)的文件資料包括URS用戶(hù)需求說(shuō)明、VP驗證計劃、GXP關(guān)鍵性評估、QPP質(zhì)量項目計劃、FS功能說(shuō)明、HDS硬件設計說(shuō)明、SDS軟件設計說(shuō)明DDS、詳細設計說(shuō)明FRA、功能性風(fēng)險評估、DQ設計確認方案、FAT工廠(chǎng)驗收測試報告、SAT工廠(chǎng)驗收測試報告、IQ安裝確認方案、OQ運行確認方案、災難恢復、TM可追溯矩陣、VSR驗證總結報告，幫助客戶(hù)順利通過(guò)GMP的規范審查。

常盛制藥項目主要包括提取、工業(yè)鹽輔助和6-APA等工段，現場(chǎng)距離中控室的距離較遠，如果采用傳統的控制系統做法，一是線(xiàn)纜成本太高，二是施工周期長(cháng)，不符合客戶(hù)希望盡快進(jìn)行生產(chǎn)的期望，所以針對這些問(wèn)題，優(yōu)穩為其設計部署的是新一代電子布線(xiàn)系統，項目的I/O點(diǎn)數約1000點(diǎn)，配置1臺控制站、9臺電子布線(xiàn)SMART節點(diǎn)、8臺操作站，網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示。

圖1 電子布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構圖

3　應用創(chuàng )新性

制藥生產(chǎn)大部分屬于多批次、小批量的間歇生產(chǎn)，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，不斷研發(fā)新配方，生產(chǎn)流程和設備通用性強，對數據的完整性和可追溯性要求高，因此也帶來(lái)一些難點(diǎn)：排產(chǎn)難，訂單延誤、漏單經(jīng)常發(fā)生，生產(chǎn)進(jìn)度不透明，給業(yè)務(wù)和跟單帶來(lái)諸多不變；原料總類(lèi)多，配方多，配方管理難；人工操作多，質(zhì)量把控難；批次繁多，過(guò)程復雜，數據追溯難。針對這些難點(diǎn)，優(yōu)穩研發(fā)的DCS+UWinBatch批次控制與配方管理軟件可完美地匹配這種生產(chǎn)模式，支持快速開(kāi)發(fā)配方并投入生產(chǎn)、縮短產(chǎn)品的上市周期；提高設備利用率，實(shí)現從單產(chǎn)品單路徑到多產(chǎn)品多路徑生產(chǎn)的轉換，批次記錄可以對各批次的生產(chǎn)進(jìn)行比較分析，找出“黃金批次”，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

另外，該項目在實(shí)施方面也存在一些難題，電纜用量大，成本高，施工難度大，后期維護不方便；機柜間占用面積大，且根據安監規范要求，距離要遠，且要抗爆，建設成本高；備件類(lèi)型多，管理麻煩，變更不便；工程周期長(cháng)，機柜采用定制化設計，需要等待發(fā)貨，工程組態(tài)調試為串行流程，時(shí)間長(cháng)。針對上述問(wèn)題，優(yōu)穩公司為其部署基于電子布線(xiàn)技術(shù)的新一代控制系統。電子布線(xiàn)是在現有DCS的基礎之上，融合了軟件定義數據連接、軟件定義I/O信號類(lèi)型和光通信代替電纜連接三大核心技術(shù)的新技術(shù)，具有如下創(chuàng )新性：

（1）控制器與I/O解耦可重定義，電子布線(xiàn)I/O單元支持連接多達4對控制器，后期變更維護方便，投資長(cháng)期有效；即I/O組件可靈活分配，在不移動(dòng)任何I/O接線(xiàn)的情況下，可分配到指定控制器或多控制器；

（2）16路智能信號模塊，多類(lèi)型混合配置，模塊間完全隔離，支持單點(diǎn)熱插拔，可快速更換安裝；

（3）支持全通用型I/O模塊，AI/AO/DI(SOE)/DO/RTD/TC/PI/NAMUR等多種信號類(lèi)型免開(kāi)箱在線(xiàn)配置；

（4）I/O模塊集成安全柵功能，可直接與爆炸性氣體危險場(chǎng)所0區、1區、2區中的本安型設備連接；

（5）具備完整的自診斷功能，不僅可以實(shí)現模塊內部診斷，還能實(shí)現回路診斷；

（6）符合功能安全TüV SIL3認證，可用于安全相關(guān)回路控制；

（7）防爆箱通過(guò)一體化認證防爆認證，可放置在2區，防爆標志Ex eb ec nC nR [ia Ga] IIC T4  Gc。

4　效益分析

本項目實(shí)現了自動(dòng)化與信息化的融合，工廠(chǎng)自動(dòng)化程度高，是邁向智能工廠(chǎng)建設的重要一步。具體體現在：

（1）自動(dòng)化程度提高，本項目的自動(dòng)化控制系統配置浙大優(yōu)穩的高端控制系統UW500a DCS、UW500s SIS，實(shí)現一鍵啟停，對生產(chǎn)過(guò)程參數進(jìn)行全面監控，自動(dòng)控制現場(chǎng)閥門(mén)、電機，生產(chǎn)過(guò)程溫度控制、安全聯(lián)鎖控制等，并對接上層ERP系統，實(shí)現數據共享；

（2）排產(chǎn)清晰，生產(chǎn)進(jìn)度透明，生產(chǎn)現場(chǎng)的信息可以及時(shí)反饋到ERP系統，第一時(shí)間了解現場(chǎng)生產(chǎn)的情況，方便進(jìn)一步排版計劃；

（3）建立批次追溯體系，提高產(chǎn)品質(zhì)量，每一個(gè)批次生產(chǎn)完成，會(huì )生成批次報表，記錄該批次生產(chǎn)過(guò)程的所有信息，包括工藝參數、采用設備、生產(chǎn)人員、批號等，可根據批號進(jìn)行快速查詢(xún)，并進(jìn)行批次間的對比，找到“黃金批次”，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量；

（4）防止物料錯投，DCS有物料對比確認功能，防止人工投料時(shí)犯錯；

（5）CIP自動(dòng)在線(xiàn)清洗，自動(dòng)清洗更高效，防止交叉感染；

（6）配方保密，整個(gè)流程數據化管理，無(wú)需紙質(zhì)傳遞，配方更容易實(shí)現保密。

在工程施工方面，由于采用了電子布線(xiàn)技術(shù)：節省電纜90%，減少機柜間80%，軟件定義I/O，維護變得更簡(jiǎn)便，解耦實(shí)施流程，縮短工期30%，支撐智能制造的柔性重組重構。

5　項目意義

石藥集團作為一家大型的綜合性制藥集團，優(yōu)穩能為其提供自動(dòng)化產(chǎn)品服務(wù)，對我們來(lái)說(shuō)是挑戰也是機遇，在項目實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)與客戶(hù)的不斷交流，加深對制藥工藝及工程的理解，可以進(jìn)一步提升我們制藥業(yè)務(wù)部團隊的整體專(zhuān)業(yè)技能，對公司產(chǎn)品的優(yōu)化及完善也有非常重要的意義。另外，優(yōu)穩公司在自動(dòng)化領(lǐng)域有30年的技術(shù)積累，尤其對智能控制裝備有著(zhù)非常先進(jìn)的技術(shù)水平及長(cháng)遠的規劃，加上浙大的綜合性學(xué)科優(yōu)勢，可以為客戶(hù)的工廠(chǎng)智能化建設提供支持幫助。

精彩觀(guān)點(diǎn)

杭州優(yōu)穩自動(dòng)化系統有限公司醫藥行業(yè)經(jīng)理 肖蕓

記者：優(yōu)穩的產(chǎn)品主要應用在醫藥產(chǎn)業(yè)鏈的哪個(gè)環(huán)節？提供哪些技術(shù)和解決方案？為用戶(hù)解決了哪些問(wèn)題？

肖蕓：醫藥產(chǎn)業(yè)鏈主要包括四個(gè)環(huán)節：研發(fā)+生產(chǎn)+流通+終端。優(yōu)穩的產(chǎn)品主要應用在藥品生產(chǎn)環(huán)節，藥品的生產(chǎn)主要包括原料藥和醫藥中間體的生產(chǎn)，醫藥行業(yè)面臨著(zhù)日益嚴格的法規監管，要求企業(yè)合規并保證數據的可靠、真實(shí)、準確、可追溯，因此企業(yè)迫切需要轉型升級，除傳統的自動(dòng)化技術(shù)之外，還需要通過(guò)信息化技術(shù)來(lái)強化生產(chǎn)過(guò)程、落實(shí)質(zhì)量管理等。優(yōu)穩為幫助企業(yè)順利轉型，以工廠(chǎng)的自動(dòng)化、信息化和智能化建設為目標，推出了包括DCS、SIS、BATCH、先進(jìn)控制、電子布線(xiàn)產(chǎn)品及GMP認證服務(wù)的整體解決方案，幫助企業(yè)進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，提高運營(yíng)效率，降低運營(yíng)成本和能源消耗，實(shí)現全流程數據的電子追溯，順利通過(guò)GMP、cGMP、FDA的規范審查。

記者：優(yōu)穩在醫藥行業(yè)如何定位自己的產(chǎn)品？核心優(yōu)勢是什么？

肖蕓：優(yōu)穩30年來(lái)專(zhuān)業(yè)專(zhuān)注于控制系統的研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造和工程服務(wù)，具有完全自主可控的核心技術(shù)，在制藥行業(yè)也累積了豐富的工程經(jīng)驗，通過(guò)對制藥流程、工藝特點(diǎn)及相關(guān)法律法規的透徹分析，推出了具有核心競爭優(yōu)勢的制藥行業(yè)專(zhuān)用控制系統，該系統包括基礎自動(dòng)化控制（比如DCS、SIS）及專(zhuān)用特色功能，如UWinBatch批次控制與配方管理、UWinAMS設備管理軟件、電子布線(xiàn)技術(shù)及GMP文件認證體系。

制藥生產(chǎn)大部分屬于多批次、小批量的間歇生產(chǎn)，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，不斷研發(fā)新配方，生產(chǎn)流程和設備通用性強，對數據的完整性和可追溯性要求高，針對這些點(diǎn)，優(yōu)穩研發(fā)的DCS+UWinBatch批次控制與配方管理軟件可完美地匹配這種生產(chǎn)模式。

UWinAMS智能設備管理軟件，將信息化設備與現代化管理相結合，集數據采集和數據分析于一體，提供對現場(chǎng)設備的在線(xiàn)組態(tài)、遠程診斷、預測性維護等，實(shí)現資產(chǎn)優(yōu)化和校準管理，降低設備維護的成本，確保實(shí)現高效維護，降低意外停機的風(fēng)險，提高工廠(chǎng)穩定性。

優(yōu)穩近年發(fā)布了新一代電子布線(xiàn)技術(shù)，電子布線(xiàn)在現有DCS的基礎之上，融合了軟件定義數據連接、軟件定義I/O信號類(lèi)型和光通信代替電纜連接三大核心技術(shù)，相較于傳統的DCS控制系統，電子布線(xiàn)具有大幅降低線(xiàn)纜成本、減少硬件類(lèi)型、節省機柜空間、縮短項目建設周期等明顯優(yōu)勢。尤其適用于制藥行業(yè)，因為原料藥項目一般規模比較大，信號比較多，從設備到控制室的距離比較遠，采用電子布線(xiàn)技術(shù)，只需要幾根光纖就可以代替大量電纜，大大降低了客戶(hù)的項目投資。

記者：近年來(lái)，醫藥行業(yè)和“大健康”緊密聯(lián)系在一起，它是大健康產(chǎn)業(yè)主要的組成部分，也是大健康產(chǎn)業(yè)的基石。您怎么看這一問(wèn)題？貴公司從中看到了哪些機會(huì )？

肖蕓：醫藥行業(yè)作為大健康產(chǎn)業(yè)的基石，其自身的發(fā)展完善顯得非常重要，經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，大多數制藥工廠(chǎng)及其生產(chǎn)設施不斷進(jìn)化；這些工藝和設施經(jīng)過(guò)了現代化、擴建，并再次現代化以適應生產(chǎn)和控制技術(shù)一代又一代的進(jìn)步。從工程的角度來(lái)看，工藝設備已經(jīng)進(jìn)化成一個(gè)不僅僅關(guān)注個(gè)別設備，更著(zhù)重于整體，并高度定制的成套設備。自動(dòng)化系統及其設計和工程也以同樣的方式發(fā)展打包成一個(gè)整體、專(zhuān)有的、依賴(lài)于大量的客制化和工程總承包定制。隨著(zhù)這些專(zhuān)有的、整體打包而且高度依賴(lài)工程的方法日益成為固定的模式，它也給最終用戶(hù)帶來(lái)了越來(lái)越難以接受的負擔。比如，從工程歷史上看，自動(dòng)化項目很少按時(shí)完成，而且通常超出預算。與此同時(shí)，項目變得越來(lái)越大，越來(lái)越復雜，投資也越來(lái)越膨脹，這些大型的、高度復雜的項目很難管理。鑒于自動(dòng)化歷來(lái)是工程能項目按時(shí)完成的障礙，逐漸變得不再可以接受，最終用戶(hù)開(kāi)始表達對現有自動(dòng)化系統經(jīng)營(yíng)模式的不滿(mǎn)，優(yōu)穩積極探索新思路，提出一種不同以往的自動(dòng)化方法，一個(gè)基于模塊化、可以很方便集成在一起的標準化部件的解決方案，比如通用I/O技術(shù)、電子布線(xiàn)技術(shù)、多領(lǐng)域數字孿生設計開(kāi)放平臺等，并積極參與MTP（模塊類(lèi)型包）的開(kāi)發(fā)，在現有工業(yè)控制系統的基礎上增加MTP功能，實(shí)現徹底的開(kāi)放自動(dòng)化，為用戶(hù)實(shí)現“即插即用”的靈活生產(chǎn)制造過(guò)程打下基礎。

記者：您認為自動(dòng)化技術(shù)在醫藥行業(yè)未來(lái)會(huì )有怎樣的發(fā)展趨勢？對于自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了哪些新的需求？

肖蕓：流程工業(yè)，尤其是精細化工和制藥企業(yè)，長(cháng)期追求的是具有很高靈活性的生產(chǎn)工藝方式，希望通過(guò)標準的、可互操作的模塊化設備快速新建或擴展流程工藝設備，實(shí)現設備的即插即用，達到產(chǎn)品多樣化生產(chǎn)的目的。然而，自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，仍然是軟硬捆綁的局面，一方面遠遠跟不上IT技術(shù)日益深入滲透到OT技術(shù)的趨勢，在基礎自動(dòng)化設施實(shí)施數字化轉型中表現出諸多瓶頸和困難；另一方面系統的升級換代維護因與供應商綁定給用戶(hù)造成極大的不便，因此開(kāi)放自動(dòng)化成為自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢。開(kāi)放自動(dòng)化系統包括四個(gè)方面的特征：（1）模塊化，即系統由模塊化的部件構成，必要時(shí)可以拆分和重組；（2）符合開(kāi)放且公開(kāi)的工業(yè)標準；（3）可互操作性，即軟件的一致性能力能確保集成不費勁、不耗時(shí)；（4）可移植性，即保證應用軟件可在多個(gè)平臺運行。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊