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制药行业的MES智能制造

发布时间:2020-09-21 点击数:155

合规性和计算机化系统验证

    在将来的智能制造模式下,制药行业从生产设备的形式、生产控制与管理的模式、企业管理的模式以及制造系统的结构都可能会发生极大的变化,在这种情况下,各类智能化设备与系统及其应用的合规性要求会更加复杂和严格。因此,探索在“智能制造”模式下如何确保这些智能化设备与系统的GxP合规性和如何科学、合理地对这些系统进行所谓计算机化系统验证CSV(Computerize System Validation),必然将是实现制药行业“智能制造”过程中一个特别重要课题。(其中包括:根据在智能化制造模式形态下,针对不同类型的计算机化系统,研究制订相应科学、完整与可操作的计算机化系统验证标准,同时,在新的智能制造与智能工厂的模式下,建立在原来传统生产模式基础上的有关的GxP规范本身也可能会有作必要的合理调整的需求。)

信息安全与工业控制安全

    由于制药行业的质量监管部门对于与药品质量密切相关的有关数据的真实、可靠、安全与可追溯性特别重视与关注,然而随着工业互联网、物联网、工业大数据、云计算等新一代的信息化技术的广泛应用,在大范围网络平台下的各种资源信息共享与协同服务的作业则可能大规模打破了原来各方面的封闭性,大大增加了各种人为与病毒侵入的机会和危险性。原来的GxP有关电子签名、电子记录等法规的要求措施在确保数据和系统安全性方面有可能已经无法完全满足要求。因此,如何从安全技术与安全管理等方面,研究和采取有效措施,确保智能化系统的硬件安全、软件安全、运行服务安全和数据安全,以切实保障在将来的“智能制造”模式下的信息安全(包括数据安全)与工业控制安全也将是实现制药行业“智能制造” 过程中的一个至关重要的课题。

制药工业如何与工业4.0达到较好的融合?

    “工业4.0”的意义在某种角度上讲,是使制造业模式可以从传统的以产品为中心向以用户为中心转变,其中包括生产模式从大规模流水线生产转向定制化规模生产转变,而产业形态从生产型制造向服务型制造的转变。但是由于制药行业产品(药品)的特殊性,一般不可能依据消费者(患者)的喜好来定制化生产(制药装备业可能略有需求),所以它的定制化需求不是很强烈。

制药行业也有它的两个最大特点:

    1.不管是原料药还是制剂药生产,不管它们的流程化或离散化程度如何,它们所有的产品基本都是按照“批次”的概念来安排生产和管理的,因此,所谓“批管理(Bach Management)”与“批控制(Bach Control)”的概念、可追溯性与柔性化要求都将贯穿在药品智能化生产的全过程。因此,在将来的智能化生产模式下,药品生产的批控制、批管理以及产品、工艺和设备的柔性化控制与管理会得到充分的发挥。

    2.由于药品质量本来就有一个严格的从药品的研发、生产、流通到使用的全生命周期质量的GxP合规性监管要求,而智能制造从产品全生命周期的端对端的集成要求正好与药品质量全生命周期的监管与追溯要求是密切相符。因此制药行业的智能制造模式将为实现药品全生命周期质量的监管与追溯创造了得天独厚的条件。

国内制药装备如何与国外缩短差距?

    在制药行业,无论是从智能制造的纵向集成概念,还是智能工厂或制造系统的构成,所谓设备层的制药装备及其智能化都是基础的基础。对于我国制药行业来说,要实现真正的“智能制造”与“智能工厂”的关键就是首先必须打好两个基础:从上充分采用工业互联网、物联网、工业大数据、云计算等新一代的信息化技术,建立以这些技术为基础的数据中心和支撑服务平台;从下提升制药生产底层制药装备和制药过程的自动化、数字化、网络化和智能化的水平,从而建立所谓的信息物理系统CPS的智能化物理基础。

    对于制药装备而言(尤其是制剂设备),目前的首要任务就是必须在改进装备本身基本性能的基础上,进一步提高制药设备的集成化、连续化、自动化、数字化、网络化和智能化水平。改进制药装备的合规性与开放性、增强制药装备信息上传下控和网通互联功能,形成真正的智能化制药装备,以为实现药品生产全过程的自动化与柔性化的批控制与批管理,建立真正完整的生产执行系统MES和实现智能制造和智能工厂创造好底层的基础。

    值得注意的是必须搞清楚所谓“智能装备”的概念与要求。根据《国家智能制造标准体系建设指南》对所谓“智能装备”定义是:“智能装备是指在其基本功能以外具有数字通信和配置、优化、诊断、维护等附加功能的设备或装置,一般具有感知、分析、推理、决策、控制能力,是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合。”

    所谓的智能制药装备一般应该具备以下特征能力:

    1.具有网络通信功能(包括标准和开放的数据接口)。

    2.对自身状态、环境和过程的自感知能力(包括故障诊断功能)。

    3.具有分析、推理、决策和执行能力(包括对身状态、环境和过程)。

    4.具有一定的自适应与优化能力,(能够根据感知、分析、推理、决策的结果,优化装备/产品的运行模式和状态)。

    5.能够提供各类有关数据,支撑数据分析与挖掘。(实现服务与创新性应用)。所以,目前我国制药装备的智能化水平都需要按照提升这些方面能力的方向努力。

    虽然国外的制药装备在性能、质量、自动化和数字化水平等方面普遍要比国内同类设备要进步一些,但从智能化要求角度来看,实际上同样都有个进一步提高和改进的过程。各类具体的制药装备技术差异,可能具体从事制药装备研究与制造厂商更为了解一些。

    另外,除了提升原有的制药装备的质量、自动化、数字化、网络化和智能化水平以外,也应该根据实际情况,高度重视探索一些新的配套技术与装置在制药装备的应用,例如:PAT技术、机器人(包括AGV车)、增强现实AR技术、虚拟现实VR技术、柔性化人机交互技术、3D打印技术等,进一步提高制药装备实际智能化水平。同时,目前我国部分制药装备企业(例如楚天科技、东富龙、新华医疗集团等公司)也已在提升单一制药装备性能的同时,充分利用自身对CPS系统最基础的设备与控制的物理层方面的主导权优势,开始按照制药工程配套的要求,注意通过企业兼并、整合与业务扩展,提高和扩展在信息化软件开发、工程设计与工程实施能力,探索提升从下到上的纵向综合集成和构建实现智能制造的系统构架的能力。我个人认为这不能不是一个聪明之举,也是一种有益的尝试与创新。)

原料药生产智能化的改进方向与建议

    制药工业在我国是一个传统的产业,由于行业的特殊性,使制药行业在生产、经营和管理等方面的自动化水平与信息化水平都处在相对比较落后的状态。它的智能制造的水平基本还处在重点探索实现和完善单纯的纵向集成中的底下三层。

    从工业自动化系统的应用来说,除了中小规模、单体的自动控制器(主要是PLC和SCADA系统)被广泛应用于自动化制药装备之外,大部分的比较正规一些的DCS控制系统主要应用于原料药的生产。由于与现代化的石油、化工等领域的大规模、连续化生产方式不同,我国原料药的生产过程基本上是采用小规模、单元化、批量化和间歇式的生产方式(尤其是生物制药和中药)。因此,这些自动化控制系统的应用目前也仅局限在某些常见的局部工段、单元或辅助系统上(如:化学制药的反应、抗生素发酵、中药提取、浓缩和分离、无菌和水系统在线灭菌、消毒和清洗等),很少看到真正比较完整和全过程的自动化控制系统应用。虽然可以普遍见到一些通常的PID控制或程序控制的应用模式,但是制药行业真正希望的全过程的自动化批控制模式普遍没有真正实现。“两化融合”所要求的“普及先进过程控制和制造执行系统”(APC、MES) 的要求也没有普遍真正实现。

    要逐步实现制药工业的智能制造,对于原料药的生产来说,就是首先要提高原料药生产设备层的自动化化水平,提高自动控制系统的应用水平,其中包括在提高原料药生产连续性的基础上,充分发挥自动化控制系统的功能作用,努力实现原料药生产全程的自动化和柔性化的批控制( Batch Control )模式,建立包括ERP\MES\PCS在内的IACS综合控制系统,为实现原料药生产的执行系统MES和智能制造打好基础。