制造执行系统MES 在制药企业的应用*

王彦桂

（广州中浩控制技术有限公司，广州 510070）

0 引言

信息化系统能提高企业的管理与服务水平、降低成本、提升竞争力，这在国内外已经得到了广泛的认同。国内一些制药企业也使用了SAP等公司的ERP系统，用于管理下属企业的人、财、物等资源，但往往仅限于此。

由于药品制造行业的管控特殊性，制药企业信息化有着明显的行业特点，制药企业必须在国家食品药品监督管理总局（CFDA）和《良好生产质量管理规范（2010 年修订）》（简称新版GMP）的严格管理下进行生产［1］，GMP 在厂房设施、生产管理、质量保证系统等方面均有明确规定，药品制造的生产环节必须受到严格的监控。

MES可以对ERP层面的计划进行微观化处理，对生产设备进行协同指挥，同时对生产过程进行及时响应，并对生产过程进行及时调整或干预。制药企业要建立和运行国际管理体系，提升自身产品质量，使其达到国际监管标准，就必须要求制药企业也要实施符合GMP 规范的制造执行系统（MES）。对于MES来说，获得实时数据最重要，这就要求在制药企业在生产过程现场管控中要逐步摒弃纸质记录，并使用电子批记录，兼顾过程管控和生产效率。

在制药企业实施MES系统是一个系统工程，稍有不慎将导致失败。本文基于在多个药品制造企业和营养补充剂制造企业进行MES系统建设积累的经验，详细介绍在这类企业实施MES系统的关键任务、需要的软硬件以及重点功能模块等，以提高MES系统在制药企业的应用成功率。

1 制药行业应用MES的迫切性

目前国家已经对药品制造行业提高了准入门槛，投产必须获得GMP认证。加上市场环境的变化，企业也需要逐步走向国际市场，制药企业内部管理水平的高低决定了企业未来的生存。越来越多的制药企业已经意识到，引进信息化的手段，是提高企业管理水平的有效途径。

1.1 GMP认证后亟需部署信息化系统

企业引入信息化系统，可以使因获得GMP认证后得到的工作成果得到巩固，可以进一步完善优化企业管理制度和流程，提高已有的操作和管理规程标准，并提高整体管理水平。

因为GMP作为药品生产和质量管理的基本准则，其要求的环节，人为控制是很难解决的。因为人员可能产生疏忽和错误，使得手工记录的数据不准确，导致产品质量出现了不可控。人为控制不能实时在线反映关键工序数据和环境信息，无法在出现问题时进行过程的追溯，也无法进行及时报警处理。

只有实现管理信息化，药品生产企业才能降低内部管理成本、规范药品质量管理并提高市场竞争能力，医药企业管理者才能全面了解企业经营状况、对各种信息做出快速反应。

1.2 ERP系统不能进行全生产过程管控

目前许多软件开发商开发的制造企业通用ERP系统主要是建立在组装型生产模式基础上的，这与药品生产企业以质量为核心的混合性批生产模式有着根本区别［2］。

制药企业重视批生产记录，强调生产的全过程操作要形成对应的批次记录，进行生产管理的软件系统要即时及如实记录下生产过程中的物料和控制等参数。药品生产工艺的不同要求配方、工艺参数及步骤都不同，所以需要及时记录与配方相关的工艺参数及生产步骤信息。

因为工艺要求高且质量控制环节多，制药企业需要能通过事前、事中而不是事后的控制来解决生产过程中的质量控制。制药企业的生产成本核算强调的是产品批次核算，而不是ERP体现的产品月核算。

1.3 MES成为生产全面信息化管控的关键

制药企业的质量管理和生产优化活动已紧密地联系在一起，只有认真地分析研究制药行业的个性化需求，重视生产过程的工艺参数和质量控制指标信息的实时采集和处理，密切结合GMP要求，在软件系统上搭建数字化生产线，实现生产过程的信息化控制，形成电子批记录，才能满足产品质量的全面管控。

MES系统兼顾生产管理与信息系统管理，体现了计划和执行并存的管理思想，传递现场信息及承接管理信息，使整个工厂管理信息集成为一个整体［3］。它具有生产管理和执行过程监管，实现生产过程的最优计划与调度、生产工艺优化、操作条件优化、突发事件处理等功能，使生产高效、协调、稳定运行，对生产各个环节进行控制和跟踪，收集重要数据来帮助企业遵从相关法规、控制质量以及改良生产过程，最终达到提高制药企业生产效益的目的。

2 用于制药企业的MES核心任务

MES 在计划层和生产层之间建立实时的信息渠道，使得生产决策下达到生产车间，生产过程的实时信息及变化上达管理层。MES 还是一个横向、纵向系统之间集成的系统。MES就是解决制造怎样执行的问题，其围绕实时和关系数据库两个核心，使用多种通信接口与外部系统通信，MES 拥有生产管理、工艺管理、过程管理和质量管理等几个重点功能。

制造环节的信息化管理是制药企业MES 系统的核心任务，包括整个工厂级别的生产基础信息管理和信息流在各个环节的衔接，也包括各工序级别的信息载体和信息流控制。

2.1 工厂级别的生产信息化管理

生产是一个复杂但协调的过程，作为辅助生产的信息化系统，MES系统将和ERP系统一起完成生产的信息化管理过程。工厂级别的生产信息化管理过程如图1所示。

图1 工厂级别的生产信息化管理过程

（1）工厂的物料信息、产品信息和基础生产规程一般都由ERP系统进行管理，通过企业连接器（接口模块）进行MES系统和ERP系统之间的同步。

（2）生产任务产生以后，一级计划也通过接口同步到MES系统进行进一步的排产计划，然后车间根据计划进行生产调度。

（3）生产指令将通过MES系统从车间办公室下达到仓库进行备料，并同时下达到各个车间进行生产准备。

（4）车间接收到仓库的备料后按照工艺流程进行生产，使用MES系统终端进行工单在操作间之间的协调和流转。

（5）部分工序将生产指令直接下达到反应釜中进行生产操作，操作过程在MES的生产监控功能中进行数据采集和生产监视。

（6）部分生产环节由工人进行手工操作机器进行操作，在MES终端中记录生产过程。

（7）每批次生产完成后由MES进行数据收集，在每个环节填写电子批记录，待生产完成后备查。

（8）重要生产过程数据将适时返回到ERP系统中进行生产实绩分析，帮助管理人员进行辅助决策。

2.2 工序级别的信息化管理

药品生产信息流管理的最小环节是工序，因为每个产品的物料和中间体都会按照工艺流程中规定的工序进行流动，相同的工序可以有多个操作间，生产设备位于每个操作间中。物料管控信息的管控路线按照工艺流程规定的工序进行组织将是最恰当的，当然同时需要记录操作发生的准确操作间。

（1）MES系统准备好了信息化管控所需的基础信息，包括产品、物料、配方等，就可以按照车间生产计划创建工单进行生产。

（2）药品生产指令单可能包括备料指令单、生产指令单、内包指令单和外包指令单等，各生产环节将通过这些指令单的指示进行工作。

（3）原辅料及包材都贴有WMS 系统的条码标签。因为仓库不是符合洁净度要求的环境，故物料进入备料间时需要在拆包间进行拆包，除去外包后在内包上粘贴MES系统打印的条码标签，开始MES系统跟踪。

（4）物料经过按照配方的备料和预混合的工序后，装入料斗或者料桶发往生产车间。这些物料已经与编码的容器进行了系统关联，这时扫描容器就可以获得容器内部的物料信息。

（5）之后物料和过程物料在进入一个工序时都需要扫描记录进入时间和操作人等信息。在离开这个工序使用容器并进行称量时都需要进行工序出料跟踪，记录出料量、出料时间以及操作复核人等信息。

（6）每个批次中某个工序的操作开始和结束时间都要准确记录，以便统计工序生产效能。收料和出料的重量也要准确记录，以便计算每个工序的收率和平衡率。

（7）MES系统根据工艺流程控制物料的流转与防错，同时记录各种工序中产生的信息，生成或者由工人录入批次记录，这些要记录的信息都是GMP规范所要求的。

（8）MES是其他生产管理活动的连接点。MES在每个工序的数据终端都需要把把生产实时状态与其他系统进行连接，这些都通过企业连接器（接口程序）来实现。MES向其他系统提供实时信息，如工序抽样送检在送样的同时MES系统已经向LIMS系统传送了本次送样的详细信息，LIMS 检测完毕后MES系统获得结果决定下一步的操作。

以片剂制造工艺为例示意车间工序信息化过程如图2所示。

图2 车间工序信息化过程示意图

3 必要的设备及技术要件

MES系统运行需要几种必要的硬件设备支持，系统应该具备几台必备的服务器，至少包括应用服务器、数据库服务器以及一台验证服务器。除了服务器，硬件系统还包括操作间数据采集触摸屏计算机、条码扫描器、条码打印机和智能电子称。

因为制药企业的操作间至少是10万级的洁净度，如果使用台式计算机将存在密封不严和难以清洁的问题，所以最好采用功耗较低的一体触摸屏计算机进行数据采集和录入。另外，条码打印机用于进行条码打印；条码扫描器用于读取条形码以减少人工录入工作量；智能电子称用于在备料和操作过程中对原辅料进行称重和复核重量。

MES系统的硬件结构图如图3 所示。

图3 制药企业MES系统硬件结构图

4 制药企业MES功能及应用

MESA定义的MES系统在对整个车间制造过程进行优化的基础上，通过生产过程数据的实时收集，实现企业信息全集成［4］。

ISA95将制造信息化管理功能分为8 类，药品制造行业的MES系统也无出其右。但作为批次和流程混合型的生产模式，该行业MES系统又有其独特的特点，制药企业MES 系统功能模块在制造信息化8类功能中的位置如图4所示。

图4 制药企业MES系统功能图

以下介绍其中几个重点功能模块和其应用。

4.1 基础资料管理

制药企业在生产环节使用的生产资料相当多，MES系统在有效运作前需要将这些基础资料进行分门别类的预先建立或者动态管理，分类的主要方法还是按照“人、机、料”和“法、环、测”来进行。

“人”的信息包括基本属性，还有与人相关的权限信息、RFID射频工卡等信息。“机”包括生产中所使用的设备、模具等生产用具，不但包括制粒、总混等主生产设备，还包括料桶、胶桶、小车、电子秤、托架等储存和搬运物料的容器等辅助设备，打印条码粘贴以方便进行唯一性和使用状态的管理。生产需要的原料、包材、半成品、待检品等都是物料，“料”是MES跟踪的重点内容。

生产过程中所需遵循的规章制度，包括工艺指导书、检验标准和各种操作规程等就是“法”。“环”指环境，药品生产对环境的要求相当严格。生产过程中的检测包括检验和测量两个方面，产品和半成品是否合格要经过必要的检验，其某些特性要进行测量，比如丸子的重量和硬度等。

4.2 配方管理

制药企业用批量生产方式组织生产。其特点是响应市场需求，利用现有生产装置，采用不同的配方，不同的原料，不同的生产工艺来生产不同的产品，从而表现出良好的生产柔性，但其柔性很大程度上依赖于配方管理和配方切换的效率，所以配方管理模块是MES的重要模块［5］。

配方不仅包含产品不同原料的配比情况，还包括生产要使用的工艺规程、操作要点和要经过的加工工序等详细信息，配方管理功能为这些要求提供完善的支持。配方管理功能界面如图5所示。

图5 配方管理功能示意图

4.3 工艺流程管理

工艺流程驱动一个工单的执行，工单包含了产品、物料和配方等信息，在工单执行之前，在配方制定时就指定了其应该遵循的工艺流程，工艺流程一般由工序组成。

MES将每个环节的每种物料和中间物料都进行唯一编码，管控生产时按照设定的工艺流程控制物料的流向，如果物料被移动到了错误的工序或批次，系统将在MES数据终端或者看板上报警提示。

工艺流程管理功能界面如图6所示。

图6 工艺流程管理功能示意图

4.4 称重管理

药品生产企业尤其重视物料重量的称量和复核，MES 将连接电子秤和电子天平来实现自动称重与无纸化记录，预防偏差实现准确性和可追溯性。

生产指令建立后，指令单通过MES系统也下达到仓库、称量间和操作间，同时，物料通过条码扫描进行识别验证，并在操作间MES终端上直接显示SOP，确保物料称重操作快速而准确；每次称重完成后，物料的库存量也会随之调整，这个过程消除了手工流转，提升了过程效率，防止潜在的人工失误。

4.5 生产追溯

制药企业要求有严格的批号记录和跟踪，从原材料、供应商、中间品以及销售出去的产品，都需要记录。一旦出现问题，企业可以通过批号反查出是谁的原料、哪个部门、何时生产的，直到查出问题所在［6］。

正向追溯功能追踪原材料信息，建立由原料、生产、物流、再加工、销售的追踪系统。反向追溯通过成品或者自制半成品的编号，往前追踪该产品使用的物料信息、加工设备、操作人员、工序等详细生产信息，生产的每一个环节都将得到监督。追溯功能界面如图7所示。

图7 追溯功能示意图

4.6 批次记录电子化

生产批记录在GMP认证检查、质量管理和检查、药品申报等活动中都至关重要，随着企业和政府信息化的进一步开展，电子批记录将越来越迫切。GMP信息在药品生产过程中也体现为药品批生产记录，传统的手工管理方式，无法满足制药企业深层次批次管理的需求，需要在MES系统中建立药品的电子批记录［7］。

为了实现批生产记录的电子化，MES系统提供数据终端及终端软件对生产现场质量管理数据的实时记录和填写，及时跟踪和共享。

通过对生产执行、质量检验、物料流转过程中的工艺参数、环境指标、相关操作等信息的实时自动采集或手动录入，将整个生产过程记录到系统中，产生易读且符合GMP 及CFDA要求的准确完整的记录。

5 计算机化系统验证

制药企业的计算机化系统需要进行合规性管理，这是一个显著的特点。GAMP 5 是其指导方针，GAMP 5 指出了计算机化系统必须符合GxP 法规和预定用途，以保证患者安全、产品质量和数据完整性。同时计算机化系统也应满足FDA 21 CFR Part 11中有关电子记录和电子签名的规定［8］。制造执行系统在制药企业落地，需要进行计算机化系统的验证，用详细记录的验证文件证明系统符合法规要求。

6 结束语

制药企业在生产现场管理上的管理水平已严重制约了其发展，但在制药企业顺利应用MES系统也殊为不易。本文提出要让MES成为企业生产管理的有力工具，必须采用合适的MES数据终端设备及开发符合本行业特点的MES软件，选择具有丰富的相关行业信息化项目经验的MES 系统实施团队，尤其要以满足GMP 要求为基本条件，以批记录电子化为重点，辅以配方管理、工单管理、生产过程可视化和称重分配等系统功能进行MES 系统实施，并完成计算机化系统验证，才可以使MES系统的应用获得成功。