制药行业MES 产品的设计与实现*

梁永宏，张 昊，黄康培，谢 霞

（广州中浩控制技术有限公司，广州 510070）

0 引言

制造执行系统MES 作为企业信息化建设的重要组成部分，可以填补ERP 和现场自动化系统间的空白［1］。在MES领域，虽然MESA、ISA等国际组织定义了通用的MES 功能模型和ISA-95标准，但MES 与生产工艺及管理流程密切相关，不同行业的生产工艺和管理模式差异很大，因此MES具有鲜明的行业特色，不同行业的MES侧重点和应用普及程度各不相同。

药品质量关系到人们的生命健康，制药行业一直受到严格的监管。GMP（Good Manufacturing Practice）在国内名为“药品生产质量管理规范”，是国内所有制药企业必须遵循的规范，其核心内容是全面质量管理［2］。近几年，国内每年均有很多制药企业因为违反GMP 规范，而被吊销GMP 证书。MES系统应用在制药企业，能够进行在线质量监控与管理，实施在线优化调度［3］，帮助企业持续合规，提高生产效率，因此具有广阔的应用前景。

相比于电子、汽车等行业，目前制药行业MES系统的应用普及率并不高，其原因在于：一方面，国外品牌的MES产品价格过于昂贵，和国内使用习惯也存在一定差异，难以大面积推广应用；另一方面，由于较高的法规和技术门槛，目前国内自主研发的制药行业通用MES产品还很少。本文结合实际研发经验，介绍了制药行业MES 产品应关注的关键需求，并提供了一种产品的设计和实现方案。

1 关键需求

药品种类繁多，生产工艺流程复杂，质量管控要求十分严格［4］。而法规的严格监管，更是制药行业的最大特色。目前国家实行的2010 版GMP，包含了质量管理、机构与人员、人员与卫生、厂房与设施、设备、物料与产品、确认与验证、文件和生产管理等14个章节，并包含无菌药品、原料药、生物制品、计算机系统、确认和验证等11个附录［5］，对药品的生产制造过程进行了严格细致的规定。制药行业的通用MES产品，必须与该法规高度统一，并与制药生产工艺相匹配，因此应满足以下几个关键需求。

1.1 覆盖整个制药生产环节

制药行业从工业类型上来讲，属于流程工业的一种，通常以批量、连续的方式进行生产。其包含生物、化学、物理变化等过程，如发酵、萃取等，生产流程长，工艺复杂［6-7］。

通用MES产品在功能上应覆盖制药企业的整个生产环节，包括原料的称量、配制、物料转移、包装等，同时支持配方管理、计划排定、质检等管理流程。产品应将GMP的操作规范与软件深度融合，以最大限度地利用计算机监管生产过程，提高制造效率和产品质量。

1.2 满足计算机化系统相关法规要求

2015 年发布的《计算机化系统附录》，进一步对2010 版GMP进行了补充。该附录对计算化系统进行了规范，包括电子记录、电子签名的定义，以及系统权限、建设、运维等阶段的要求。由于国内制药行业的具体技术规范不够明确，因此MES产品一般也需遵循美国FDA 21 CFR Part 11 关于电子记录和电子签名的具体技术要求。

1.3 灵活性要求

事实上，虽然都为制药行业，但制药行业的产品包含了很多剂型，不同剂型在生产工艺仍然存在很大差异，如固体片剂和液体注射针剂就差异巨大。即使是同一种剂型，由于设备、厂房、配方的不同，不同工厂在现场操作和具体管理流程也存在差异。这就要求MES软件产品必须具有很高的灵活性，才能在制药企业通用。

1.4 确认与验证要求

用于制药行业的计算机系统，如果属于关键业务系统，则必须在工厂实施过程中进行计算机化系统验证，这是和其他行业一个很大的不同。MES 系统显然属于关键业务系统，且功能比较复杂。确认和验证活动一般覆盖项目的整个实施过程，需要产生大量的过程文档。为了降低实施成本，相应的软件产品除完备的技术说明文档，还应配套相应的确认与验证文档模板。

按照确认与验证规范要求，在项目实施过程中，如果采用编码模式进行项目定制开发，则要采用最严格的5 类软件验证，验证过程繁琐，成本更高；而如果采用模块化结构，以配置方式实施项目，则可以采用成本较低的4 类软件验证方式，这也要求产品在实施时尽量避免二次编码。

如何很好地满足这些需求，是制药MES产品设计的核心与难点。

2 系统架构

基于这些需求设计的整个MES 系统总体架构如图1所示。

图1 MES系统总体架构

整个MES系统是一个多层次的体系架构，底层是电子称、条码扫描枪、条码打印机、工业PC 等硬件设备构成的硬件平台；中间层是MES软件平台，主要是提供实现不同业务逻辑的组件，完成业务逻辑；最上层是呈现给最终用户的具体软件功能模块。其中，MES 软件平台和软件功能模块构成了MES软件产品的核心。

MES软件产品在设计中采用了多种技术手段，包括以下内容。

2.1 采用SOA架构

SOA架构可以最大限度地隔离不同的业务逻辑操作，实现系统间的松耦合［8］。通过对不同剂型现场生产流程和工人典型操作的分析，抽象出大量的原子操作，如扫描物料条码、读取设备参数、下达运行参数、启动工单、确认异常等，形成业务组件，并以Web AP 的方式对之进行封装。不同的前端如PC、PDA、手机等均可调用这些组件，在前端执行相应操作。

2.2 应用工作流技术

工作流可以定义任务的触发顺序和触发条件，通过引入工作流技术，可以将多个业务组件进一步进行组合，共同配合完成现场特定的业务流程。例如要实现这样一个生产过程：（1）判断反应釜温度达到80 ℃； （2）扫描物料条码投料；（3）启动设备搅拌10 min。系统可将读取设备读数、扫描物料条码、下达运行参数这3 个业务组件组合，形成1 个工作流来完成整个过程。

2.3 组合式框架

为了便于现场站点的部署，所有现场站点的软件模块采用了组合式框架，不同模块都可以通过简单配置自由进行组合。如用于称量间的计算机站点将只具有称重和分配功能；用于投料点的站点将只具有投料功能；但如一个投料点具有称量功能，则可以快速进行功能合并。

采用以上设计，使整个产品具有很好的灵活性，可以通过配置实现业务流程，大量的业务组件使其能适应不同工艺的要求。

3 软件功能实现

整个产品实现了以下一些主要软件功能模块。

（1）工厂模型

主要用于定义工厂、车间、操作间、设备等物理实体和相应的属性，不但包括主生产设备，还包括储存和搬运物料的容器等辅助设备。

（2）产品配方

配方作为基础数据，定义了产品的原料配比，用于安排生产指令和备料指令，同时会作为物料管控和核算的依据，系统提供配方编辑功能，包括版本和状态控制。

（3）工艺信息

系统应用图形化的方式编辑产品的加工路径、工艺参数和物料的传送路径等信息，以适应工艺流程的差异。

（4）计划和工单

系统通过和ERP 接口，获取车间生产计划，建立工单，使每个操作工序和工位都清楚自己的工作计划和任务。系统可下发生产指令和领料指令，并能够按照工单追踪物料、产品在生产过程中的详细情况。

（5）称重和分配

根据配方、工单进行物料的称重与分配是制药过程的关键操作，系统支持多种称量模式，如减重称重、整包称重等，并对物料、电子称等进行核对。

（6）物流管控

以实体为依托进行物料的进出管理，对物料的暂存、领用等进行严格的记录和管理，确保物料流向严格受控。

（7）投料配制

根据生产任务，指导工人进行投料配制作业，包括投料、出料、设定工艺参数等，系统核对物料和设备状态，记录物料的消耗、产出信息、关键工艺参数等信息。

（8）质量报检

支持整个质量检验流程，包括检验标准的定义、采样的管理、检验结果的录入等。

（9）器具管理

对容器、电子称、模具等器具进行身份标识和属性定义，对可用状态进行管理，对校验过程进行记录。

（10）工作绩效

对操作工及其所做的工作和活动进行及时登记，使管理者更及时地掌握动态绩效班组的现状及动态，降低现场管理成本。

（11）清场清洗

清场清洗是非常重要的操作环节，清场是对每批产品的每一个生产阶段结束后所进行的清理与小结工作，其目的是为了防止混淆和污染，系统对整个清场清洗过程进行记录。

（12）电子批记录

系统提供电子批记录模板编辑功能，在生产过程中显示工作指令，自动汇集各种生产数据，形成电子批记录，并支持批记录的审核和偏差管理。其中电子批记录和电子签名符合FDA 21 CFR Part 11的具体技术要求，能够确保数据完整性。

（13）审计追踪

系统可以记录一系列关于用户操作及应用程序等的事件，用户可以从原始数据追踪到有关的记录、报告或事件，也可从记录、报告、事件追溯到原始数据。

（14）系统集成工具

提供一个通用的IT 系统间集成工具，可以通过图形化配置方式，轻松完成系统和外部系统如ERP间的数据接口。

（15）智能化展示

将实时采集记录的各种生产信息进行归并和处理，最终以报表、看板、移动电话应用等便捷的方式实现智能化展示，帮助各级生产管理人员了解生产实绩。

（16）权限管理

采用了基于角色的权限控制机制，确保只有经过授权的人员才能在系统中进行相应的特定操作。

以上这些主要功能，涉及了人、机、料、法、环等关键要素，从原料到成品，可以对制造过程提供完整支持，并符合GMP 等规范要求。

4 验证文档

除了常规的产品功能说明书、操作说明书等技术文档外，基于ISPE GAMP的“V”字型验证策略，产品还配套了一系列验证文档模板，以更好地支持确认与验证活动。这些文档模板包括：（1）项目及质量计划（QPP）；（2）用户需求说明（URS）；（3）设计确认（DQ）；（4）安装确认方案及报告（IQ）；（5）运行确认方案及报告（OQ）；（6）性能确认方案及报告（PQ）；（7）验证总结报告（VSR）等。

5 应用情况

该软件产品已在多个大型药厂顺利实施应用。这些药厂的产品不同，工艺也存在显著差异，项目实施范围覆盖了从原材料仓到成品仓的整个加工过程。

从实施过程看，通过对产品的简单配置，实施人员可以灵活快速地构建MES 系统，并能适应不同工厂工艺上的差异。由于产品功能已针对法规进行了专门设计，加上相关的验证文档模板，项目以较低的成本完成了验证。

从实施效果看，软件功能能够满足工厂的实际需要。工厂在上线系统后，加快了车间信息传递速度，降低了质量风险，提高了生产效率，获得了良好的收益。MES 产品运行稳定，整体达到了设计目标。

图2 所示为产品在工厂实际运行的实施案例图。

图2 实施案例图

6 结束语

多个工厂的实施情况进一步证实，覆盖整个制药生产环节、计算机化系统相关法规、灵活性、确认与验证要求，是一个制药行业通用MES产品应满足的关键需求。本文介绍的MES产品设计实现方法，通过采用多层次的体系结构，同时结合法规和生产工艺实现完善的功能模块，并配套相关的验证文档，可以很好地满足以上关键需求。从应用情况看，采用这种方法设计实现的产品，可以覆盖整个制造过程，具有较强的灵活性，符合法规要求，实施成本低，能够适应制药行业需要。

未来，MES产品还可以进一步轻量化，实现基于云的多租户集中部署，以SaaS方式对外提供服务，以更低的成本帮助更多中小企业管理升级。