基于贝加莱解决方案的制药厂管控一体化系统的实现

左苏平

(贝加莱工业自动化(中国)有限公司，上海　200233)



基于贝加莱解决方案的制药厂管控一体化系统的实现

左苏平

(贝加莱工业自动化(中国)有限公司，上海200233)

“中国制造2025”战略的核心内容是实现智能制造，而实现智慧工厂的基础则是包含自动化和信息化的工厂管控一体化。以某制药厂为例，阐述了工厂管控一体化系统的实现过程。介绍了该制药厂改造升级的背景，分析了数据采集系统改造的需求和实施难点，重点描述了基于贝加莱解决方案的管控一体化系统的架构、组成、特点、数据通信方式及其所使用的各类信息平台。通过数据通信和信息融合，将多家厂商的低层子系统整合到了贝加莱的APROL一体化软件开发平台中，并构建了MES 和ERP 系统。该系统自投入运行一年多以来，显著提高了生产和维护效率，解决了制药行业中因多系统孤立、信息离散而导致的制造环节脱节和资源浪费、效率低下等问题。

制药厂智慧工厂自动化信息化管控一体化数据采集智能制造通信APROLEthernet POWERLINK

Intelligent manufactureCommunicationAPROLEthernet POWERLINK

0　引言

德国倡导的“工业4.0”是当前各行各业的热议话题。与此同时，我国也提出了“中国制造2025”战略，旨在通过智能制造的技术来优化产品性能和质量，提高制造效率和强化市场竞争力，促进制造业的健康发展，使“中国制造”向“中国智造”迈进。

目前，大部分企业都还停留在对实现方案的讨论和研究中，尚未付诸于行动。“工业4.0”企业(或称其为“智能化企业”)需要实现消费者与企业的直接挂钩，也就是说，客户可以直接定制个性化的产品。这其中将涉及到三大板块技术，分别为智能制造、智能生产和智能物流，且可能应用到诸如人工智能、机器人、移动互联网、物联网、大数据、云计算、3D 打印和智能化生物技术等先进科技。对现有企业进行全面改造升级，不但需要大量的人力、物力，而且需要攻克各个技术难关，尤其是国内目前还没有成功的案例可供参考。因此，要把一家企业快速打造成为标准的“工业4.0”企业是一件非常困难的事。

包含自动化和信息化的管控一体化(或称数字化)工厂是智慧工厂的基础。本文将以一家制药厂作为实际案例，介绍实现工厂管控一体化的过程。通过采用贝加莱APROL数据采集系统，将多种设备和系统通过不同的通信方式整合在一个平台上，解决了制药行业中因多系统孤立、信息离散而导致的制造环节脱节、资源浪费和效率低下等问题。

1　制药厂改造升级的背景

随着社会进步和科技发展，某制药厂的技术和管理水平已跟不上行业和市场发展的形势，需要进行相应的提升，实现工厂的自动化、信息化和局部智能化。

具体来说，该制药厂的改造升级主要出于以下两方面的原因。

①多系统维护造成成本上升。

改造升级前，该制药厂包含1套分布式控制系统(distributed control system, DCS)、1套数据采集与监控(supervisory control and data accquisition, SCADA)系统、独立的污水站系统、10多台制药单体设备、局部环境信息、能源系统等。这些系统、设备配置已能满足自动化生产的需求，但它们分别由10多家自动化设备厂商提供，分布在中药提取生产过程、空调控制、污水处理、能源消耗等四大部分的各个环节。这四大部分的控制系统独立运行、分散监控，势必造成专业维护人员队伍庞大、成本增加。另外，各控制系统独立运行，没有能够从制药厂层面建立一个综合系统；对各项数据进行采集、统计、上报和反馈，不能形成内部闭合循环和对外数据衔接，不利于生产的长远发展。

②原有系统不能满足产品出口需求。

该制药厂的业务和战略布局有所调整，正在拓展海外市场。由于各个国家对出口产品的质量追溯和相关技术要求，迫使企业提升信息化管理的配置。企业需要建立一套集中数据采集系统，以采集并存储工厂内的所有数据，并可以与制造执行系统(manufacturing execution system, MES)实现无缝连接。

制造执行系统(MES)为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析和上层数据集成分解等管理模块。

数据采集系统，既可为MES提供必要的工艺、生产数据(开放数据接口)，又可连接各个厂商的自动化设备，实现数据大集成。它是一切智慧工厂的根基所在。

除了上述的两个主要因素之外，制药厂升级改造还包括了系统种类多、维护人员多、信息孤立等因素，如图1所示。

图1　制药厂改造升级的各种因素示意图

2　数据采集系统的改造升级

2.1系统需求

现代工厂需要实现全局优化，必须基于数据与信息的集成，实现从设备至产线、产线至工厂、工厂至集团的全局数据采集。因此，必须实现互联互通、语义互操作。而在实现过程中，每个行业又有其个性化的需求。在制药行业中，审计追踪、质量追溯、电子签名与电子认证必须纳入整个数据采集的信息模型中。

数据采集系统改造的主要需求如下。

①提高开放性。系统可以与各家不同主流厂商的系统和仪表实现数据通信。

②满足药品生产管理规范(good manufacture practice,GMP)。

③远程维护和监控功能。工厂总部可以实时监控现场状况，维护工程师在远程端就可以对系统参数进行修改。

④可扩展性。后期可不断增加其他采集模块和信号。

2.2系统改造的难点

实现工厂管控一体化的第一步是数据采集。数据采集也是实现数字化工厂的基础。制药厂包含多个子系统，而且每个子系统的制造年代、系统集成商不同，所采用的可编程逻辑控制器[1-3](programmable logic controller, PLC)和DCS的品牌也可能不同。作为将所有设备的数据采集起来的系统，应该具有较好的开放性和兼容性。设备自身情况不同，实现采集的程度也是有区别的。

从多个现场考察的结果来看，目前数据采集面临的问题大致有以下几种。

①多代设备共存。工厂通常来说并非是一次性建成，中间可能经历过扩充和改造，因此，即便是同一总线也可能出现不同的版本。

②多厂商设备。由于每家仪表、自动化、传感器厂商均具有各自的优势，对于不同的产品线，工厂往往需要采购来自不同厂商的产品，其通信接口、数据类型、协议都可能有所不同。

③无通信接口。在工厂初期建设时并未考虑到如今的互联需求，因此，原设备、设施上没有配置相应的接口。

④无源程序。设备制造商为了对自身技术进行保密，通常不会提供源程序给用户。况且，源程序中也没有对接口进行配置，所以该源程序不能直接使用。

⑤不能提供变量配置表。无法提供变量配置表，数据访问的地址、变量名就无法进行软件互联。

3　基于贝加莱解决方案的管控一体化系统

3.1系统架构

典型的管控一体化系统架构如图2所示。它包含四层，呈金字塔架构。

最底层(Level1)为现场设备层，包括驱动控制和测量仪表。第二层(Level2)为监控层，具有数据采集、过程控制、系统监控和人机界面等功能。贝加莱的APROL平台处于该层，主要含人机接口(human machine interface, HMI)和DCS系统。APROL以I/O和数据直接通信的方式，从现场设备层采集数据，并对这些数据进行分析、处理，实现了显示、报警、趋势图表输出和用户管理等功能。同时，它也为MES系统提供生产运营管理所需的基础数据。第三层(Level3)为制造运营管理(manufacturing operations management，MOM)系统，具有生产计划和生产制造系统管理、维修运作管理、库存运作管理和质量运作管理等功能，其核心是MES系统。顶层(Level4)为企业资源计划(enterprise resource planning，ERP)系统，具有订单管理、策略分析和其他高级企业管理功能。

第三层和顶层都属于信息化系统的范畴， 由MES与ERP、客户关系管理(customer relation management，CRM)、供应链的管理(supply chain management，SCM)等系统进行交互。它们的数据通信链路均采用以太网。从工厂生产管理的角度来看，MES是最关键的一层。

图2　管控一体化系统架构图

3.2系统构成

某制药厂管控一体化系统的组成如图3所示。分布式I/O站分别对蒸汽处理单元、配电单元、纯水、污水处理、压片机等加工设备单元进行控制和数据采集。虽然，现场设备层和监控层的各子系统分别采用了贝加莱、西门子、三菱、松下和浙江中控等多家厂商的产品，但该系统的骨干通信链路采用了贝加莱的Ethernet POWERLINK和以太网，它们都通过数据通信整合到了基于贝加莱APROL系统的一体化软件开发平台中。同时，由自动化系统采集的数据也将通过数据通信进入MES系统，为生产管理提供依据和支持。

图3　制药厂管控一体化系统组成图

该系统分别采用了开关量输入模块、模拟量输入模块、RS-485通信模块、Modbus TCP通信模块，连接了工厂内的空调SCADA系统、中药提取DCS系统、污水处理站，以及蒸汽监测、电力信号采集、设备状态、包衣机和压片机等工艺数据采集系统。通过虚拟专用网络(virtual private network,VPN)，该系统实现了对工厂生产状况的实时监控。

3.3系统特点

除了在通信互联方面具有良好的开放性以外，该系统在针对智慧工厂创建的需求方面还具有以下技术特点。

①在距离较远的I/O站上使用光纤，增加传输距离，减少PLC站数，降低成本。

②高速实时Ethernet POWERLINK总线系统支持总线型、树型、环型、星型等拓扑结构，避免了其他现场总线因单一结构(总线型或其他)带来的不便，具备传输距离远、速度快的优点。

③系统对外提供标准的结构化查询语言(structured query language, SQL)查询接口。第三方软件可通过简单的SQL查询，获取数据库中存储的历史数据；使用标准的OPC通信、XML文件，获取系统的实时数据。

④基于SUSE LINUX系统的贝加莱APROL一体化软件开发平台，具有开放、稳定和安全的特性。一体化的编程结构，使软件开发和维护更简单。不同于一般的SCADA架构，APROL支持多人协同开发。

⑤全局分布式系统如图4所示。对于多个分布在各地、独立的分厂，总厂可以实现对所有分厂的设备和数据监控，必要时进行报警。还能实现项目下载，不用去各个分厂即可完成项目的更新，节省了大量时间和人力。对于大型项目，可多人、不同地域、不同国家协同开发，实现了资源共享和人力资源全球优化配置，缩短了项目开发时间。

图4　全局分布式系统图

3.4各子系统的数据通信

3.4.1各子系统的通信方式

制药厂各子系统分别采用以下数据通信方式。

①蒸汽表自带RS-485接口，支持标准的Modbus RTU通信协议。

②电表自带RS-485接口，支持DL/T-645 -1997电力行业标准。电表通信采用底层操作编写协议(DvFrame库)。

③包衣机的主控为三菱FX系列PLC，其具有一个RS-232口与触摸屏通信，无其他接口。

而在性能方面，全新航海家依旧提供两种动力总成。其中，2.7升V6双涡轮增压发动机可爆发329马力的最大功率和528牛·米的峰值扭矩，数据看着漂亮，动力表现用着扎实；2.0升4缸涡轮增压发动机无疑是更适合中国市场的选择，最大输出235马力、392牛·米。两款动力系统均标配全新8速自动变速箱，尽管其综合素质距离著名的ZF 8速产品尚有差距，比如降挡响应方面，但平顺性和经济性足以让人忘记MKX的6速自动变速箱了。

④压片机的主控为松下FPG系列PLC，其具有一个RS-232口与触摸屏通信，无其他接口。

⑤制粒机的主控为西门子S7-300 PLC，其具有Profibus-DP口，与WinCC主机通信。该PLC为Profibus-DP 主站，为无源程序。

⑥提取系统采用浙大中控DCS系统，采用OPC DA方式通信。

⑦空调系统采用西门子WinCC监控组态平台，采用OPC DA方式通信。

⑧污水处理站采用贝加莱控制系统。

⑨纯水子系统流量计输出范围为4～20 mA的电流信号。

3.4.2各通信接口的处理方式

尽管该系统包含了多种设备、总线协议，但利用贝加莱系统的开放性，能够很好地解决这些问题。各子系统的通信接口，分别按以下方式进行处理。

这种处理方式不影响原有触摸屏和三菱PLC之间的通信，无需原设备厂家的支持。但是，取出来的数据和触摸屏界面上的数据需要经一一比对后才能确认，因此，仅适用于点数不多的设备。

②压片机采用松下PLC，无空置通信接口。处理方式与包衣机方式类似，不影响原有触摸屏与松下PLC之间的通信，无需原设备厂家的支持。不同的是，两个厂家的通信协议不一样，在通信转换盒中的程序代码不同。

③制粒机采用西门子S7-300 PLC[4-5]。采用Profibus-DP通信，一般都需要提前在程序中配置好DP接口，否则尽管有空余的接口也无法使用。经测试，西门子PLC自带的DP通信口并未配置，所以不得不采用北辰转接头，将其插在MPI口上，转换成标准的Modbus TCP协议，并用以太网口输出。

该方法所选用的通信口协议转换设备自带MPI端口和以太网输出端口，无需占用任何接口资源，而且将传输距离较近的MPI协议转换成了传输距离较远的Modbus TCP。

④监控系统采用浙江中控的DCS和西门子的WinCC。由于二者皆自带OPC 协议，APROL平台也支持OPC协议，所以采用标准的OPC DA通信方式即能实现通信。这种方式最简单，而且不需要厂家支持，根据OPC的标准协议就可以完成配置。

3.5信息平台

随着2G、3G和4G手机网络的快速发展，网速越来越快，数年前通过手机办公的理想，而今已经实现。人们使用手机就可以完成日常工作。

本系统通过搭建VPN网络，使得采用手机或笔记本电脑，就可以实时监控运行中的系统，了解生产情况。

3.5.1显示终端

为了方便不同人员的查看需求，该系统不仅支持本地操作员站或终端HMI显示，还支持iOS/Andriod一类的智能终端远程访问。本地方式和远程方式查看的内容均相同，对操作权限的管理也相同。

3.5.2人机界面画面

该平台配置了多幅显示画面，用于实现系统硬件监视、工艺数据设置、运行数据与工艺流程显示、设备状态监视和生产操作等功能。

3.5.3报表系统

报表是整个系统运行状态和参数的总结，也是企业管理人员最关心的部分。贝加莱的报表系统集成了Java开源商业智能跨平台报表JasperReport，支持浏览器浏览、手机端APP访问。

JasperReport是目前最受欢迎并广泛使用的开源报表工具之一。其基于GPL开源许可协议，可创建复杂的报表，包含表格、图表、子报表、交叉表等的布局，具有自动生成、发送报表到指定邮箱的功能。

比如在污水参数监控中，通过数字表格、趋势图和棒状图，操作人员可以直观地观察污水参数是否合理。这类常规报表在JasperSoft中经简单设置就可以完成，也可以开发个性化报表模板，以满足客户的个性化需求。

通过贝加莱的APROL平台[6]，将厂内多个系统和各种信息整合在一起，仅需数人即可保证全厂正常生产，大大降低了运行和维护人员的数量。将能源数据集成到APROL平台后，无需运行人员定时抄录数据，系统将自动、定时生成能源消耗报表并发送至有关管理部门。VPN网络的搭建，使总厂可以实时掌控各子厂的生产状况、项目维护工程师能够远程完成程序的修改和下载，显著提高了维护效率。系统投入运行一年多来，客户满意度较高。二期项目还会进一步将其他信息纳入APROL平台，并将APROL平台作为唯一的信息展示平台。

4　结束语

贝加莱的APROL数据采集系统具有较好的开放性和兼容性，将多种设备和系统通过不同的通信方式整合在一个平台上，解决了制药行业中由于多系统孤立、信息离散而导致的制造环节脱节和资源浪费、效率低下等问题。

随着“中国制造2025”战略的推进，越来越多的企业已经认识到，为了提升市场竞争力，就必须从生产制造的装备水平、成本、效率和产品的质量和性能等方面着手实施升级。工厂所有信息的数字化是必不可少的。相信在近几年中，将会有更多的企业加大设备改造和系统升级换代方面的资金投入。现场设备、监控、制造运营管理和企业资源计划四层结构的完美配合，将更好地实现从订单到生产、生产到订单的信息交互，真正实现工厂管控一体化，并为进一步创建智慧工厂[7-8]奠定基础。

[1] 齐蓉. 可编程计算机控制器原理及应用[M]. 西安：西北工业大学出版社，2002：60-62.

[2] 齐蓉，肖维荣. 可编程计算机控制器技术[M] .北京：电子工业出版社，2005：56-58.

[3] 樊惠芳.一种新型可编程序控制器 PCC[M]. 北京：电子工业出版社，2007：117-120.

[4] 刘光伦，张兆毅.S7-300 PLC在自动配方生产过程中的应用[J]. 自动化信息，2014(1)：50-52.

[5] REICHINGER M.从工业工厂到生产车间[J].自动化博览，2015(4)：98-99.

[6] 周晓霞.APROL-实现逐步迁移[R].2014中国数字工厂推进大会文集汇编,北京：2014.

[7] 宋华振.过程控制实现迁移风险管理[J].自动化博览，2015(8)：46-47.

[8] 彭瑜.智慧工厂/智慧制造系统的核心标准和关键技术[R].上海智能工业解决方案论坛,上海：2016.

Implementation of the Integrated Management and Control System Based on B&R’s Solution for Pharmaceutical Factory

The core content of strategy of “Made in China 2025” is the realization of intelligent manufacturing, while the realization of integration of management and control at factory is the foundation of realizing smart factory, in which automation and informatization are included. With certain pharmaceutical factory as example, the implementation procedures of the integrated management and control system is expounded. The background of the transformation and upgrade at this pharmaceutical factory are introduced and the demands and difficulties in implementing transformation of data acquisition system are analyzed; especially, the architecture, composition, characteristics, data communication modes of the integrated management and control system based on B & R’s solution as well as the various information platforms being used are described emphatically. By means of data communication and information fusion, various sybsystems in low layers supplied by multiple vendors are integrated into B&R’s APROL integrated software development platform, and the MES and ERP systems are built. Having been put into operation, the efficiencies of production and maintenance are remarkably improved, and the problems of the disjointed manufacturing links, wasting of resources, and low efficiency, etc., in pharmaceutical industry which are caused by multiple isolated systems and discrete information, are resolved.

Pharmaceutical factorySmart factoryAutomationInformatizationIntegration of management and controlData acquisition

TH-39;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609010

修改稿收到日期：2016-07-25。

作者左苏平(1980—) ，女，2004年毕业于中国矿业大学(北京)测控仪器与仪表专业，获学士学位，工程师；主要从事基于贝加莱APROL和PCC 的过程控制系统设计和调试方向的研究。