基于COMOS软件的医药企业数字化工厂设计与实现

2020-10-16

化工与医药工程 2020年4期

（国药集团重庆医药设计院有限公司，重庆 400042）

工业建设项目是直接用于物质生产或满足物质生产需要的建设项目，包括项目策划、工程设计、工程施工、生产运营等阶段。建设项目的流程是业主根据新产品研发成果，对新产品生产的项目进行策划立项（项目建议书、可行性研究报告），立项批准后进入设计招标进行工程设计，工程设计完成后提交设计成果，业主再根据设计文件进行招标确定施工（总）承包单位，施工完成竣工验收合格后移交业主，进入生产运营阶段。在项目的建设过程中需要业主单位、设计单位、施工总包单位协同工作，但通常是各自用各自的系统，相互之间通过签订技术协议来保证数据的一致性。设计单位是根据业主的设计任务书和需求进行多专业设计，最后向业主提交施工蓝图，但在设计或施工过程中，业主单位可能多次提出新的需求和变更要求进行修改，由于修改次数多、涉及的专业多以及人为的原因则可能造成施工人员不清楚图纸的最新版本,专业之间的衔接不对应、设备的属性数据不一致等现象，给施工带来很大的困难；甚至在施工现场，有的业主可能还会直接向施工单位提出修改要求,进行直接修改而又未留下相应的资料，给生产运营和维护造成更大的难题。而提供一个设计、施工、建设和使用单位共用的平台,构建一个数字化工厂，在同一个平台上进行设计、项目管理、施工调试、工程改造和生产运维，这样就能在很大程度上减少各种错误和风险,保证工程质量和生产质量,提高管理水平。

数字化工厂是在虚拟世界为现实工厂建立的一个“数字化双胞胎”工厂，其原理是基于同一个底层数据库，把所有的信息化系统和自动化系统连通，即提供一个底层数据库、一个集成平台，然后把产品研发、生产、制造、服务阶段的设计、控制内容都嵌入在底层的数据库中，不断扩展数据库，构成一个完整的虚拟工厂[1]。这样既可节省过程步骤、提高生产的灵活性，又缩短了产品的上市时间，同时保证了产品质量。例如生产手机外壳，外壳设计完成后直接生成数控机床程序，程序直接灌注到加工机床，加工机床会直接做出手机外壳。

1 COMOS数字化工厂软件平台的特点

1.1 平台具有唯一的中心数据库

COMOS数据库平台采用模块化结构，在工厂建设的设计、施工、运营到工厂改造升级等生命周期的各个阶段，所有模块都在同一个中心数据库上建立，可以不借助任何接口将工厂生命周期过程中的所有数据完整地从各专业集成到同一数据库中，能够使不同地域的项目组之间实现便捷、高效的合作。

1.2 平台是面向对象的数据库结构

在COMOS平台上，任何人任意时间创建的设备或管道都有一个独一无二的对象属性与之对应，比如位号、安装位置、温度、压力乃至关联关系都会作为设备的属性被保存，只要这个设备被绘制到图纸上、安装在工厂内，就会自动生成一个和图纸相对应的关联关系，无需单独给设备指定图纸的图号等信息，从而简化了关联关系的建立和管理，即只要在COMOS中找到设备也就能得到该设备的相关信息。

1.3 平台能对工厂设施进行全生命周期一体化管理

COMOS解决方案贯穿工厂全生命周期，在工厂项目筹建阶段提供标准化管理平台；在工程设计阶段提供基于唯一数据库的设计平台；在项目施工、安装调试及验证阶段提供智能管理工作流程，提升项目管理质量；在完成项目施工后，以数据库的方式进行电子化交付[2]；业主基于交付的COMOS数字化工厂进行后期的工厂运维管理。COMOS系统打通了设计、施工与业主原有割裂的项目管理模式，真正实现了在统一平台上进行工厂全生命周期的管理。

1.4 COMOS属于多专业、多部门协同工作的平台

现代工厂的规模日趋庞大，设备也日益复杂。新建的工厂或项目不仅流程复杂，对工期也有严格的要求，同时为了减少质量风险，需要配备齐全的专业和部门。但为了提高效率、降低成本，取得更好的经济效益，业主和施工单位都在精简团队、优化人员，力图通过理顺部门职责和各专业间的条件关系，加强跨部门的协同工作。

COMOS作为一体化的工厂设计及管理平台，以及其基于对象化的技术，为工厂全生命周期内的协同工作提供了基础。在设计阶段，各专业能够与其他专业进行继承和分享设计成果；在工厂运营阶段，各部门借由平台对同一对象进行操作。通过管理平台能协同完成项目设计、施工安装管理、运营和维护管理，以及生命周期内信息文档的管理，智能任务推送和电子文档签批等方式能提高工作效率，实现无纸化办公[3]。

1.5 平台能实现三维可视化工厂管理

COMOS Walkinside是一个综合信息的数据系统工程，可以支持流程工厂构建的大型3D模型，也可将其他软件绘制的三维模型转换至此平台上，结合真实感强烈的视图和快速导航功能，让工厂管理人员在3D 环境下进行工厂运维管理、工厂资源信息管理、工厂员工沉浸式培训，以及紧急状况下的空间分析和决策支持等。

1.6 平台能与DCS系统集成，确保设计数据与自动化工程信息的一致

COMOS平台能与外部DCS系统进行集成，及时将自动化工程中更改的信息和数据回传到COMOS系统中，实现设计平台与控制系统的有机融合，保证了COMOS数字工厂的资料始终与工厂的保持一致；当设备出现突发性故障时，如温度、压力异常触发DCS 报警，COMOS可以迅速响应，通过预定义的工作流，触发维护工作管理，并可追踪、查询事因。

2 数字化工厂设计

COMOS软件是一款管理工厂全生命周期的基础数据库平台，在此平台上不采用任何接口就能将工厂生命周期过程中的数据完全无缝地从各专业集成到同一数据库中，实施工程的项目策划、数字化设计和数字化交付、施工过程的项目管理、医药项目GMP验证管理和生产运营的运维管理等一体化工程管理[2]。COMOS软件主要包括数据库Platform、工艺设计模块P&ID，电仪设计模块E&IC，项目验证及项目管理模块PQM，以及设备运维模块MRO 等,根据设计单位、施工单位、业主单位的工程设计、项目管理、运维管理的实际需要分别进行配置各模块的数量，保证各部门的使用要求。

2.1 工程设计

COMOS不仅是工程建设的管理平台、生产运维平台,还是工程的设计软件，在工程设计和图纸绘制过程中，COMOS软件与其他大多数绘图软件类似，采用图例符号、标准模板调用，方法简单、操作方便。此外，COMOS 也是一个包含数据库的设计平台，可供工艺、管道、电气、仪表控制等多专业在该数据库上同时进行设计，数据库Platform是实现整个数据管理高效性的基础，所有应用和数据都以面向对象形式集中存储在COMOS数据中，这样可最大限度地确保数据的一致性。若在一个应用程序中进行更改，所有其他应用程序会立即被告知该变动。例如，在设计过程中工艺设备变更后,其设备属性数据也相应变化,会自动提醒各相关专业进行设计修改和调整,设备的用电负荷变化后也会自动提醒并在电气专业配电回路中标注与原有数据不一致,应根据变化的数据进行修改,以保证数据的一致性[4]。

工程设计根据生产工艺、管道、暖通、给排水等专业和电气、仪表、自控专业人员的需求配置数据库Platform、工艺设计模块P&ID、电仪设计模块E&IC的数量以及三维Walkinside模块的数量，保证工程设计的正常需求，完成工程设计。

2.1.1 工艺设计

采用工艺设计模块 P&ID 进行工艺专业设计，具体的设计内容和设计步骤如下：

（1）根据业主的URS 确定各工艺设计方案

根据业主需求和初步设计工艺方案，细化产品生产主工艺、中间品生产方案以及辅助生产方案，经反复讨论、论证并经业主最终确认后，进行实施方案设计。

（2）设计并绘制工艺流程图

① 利用综合性的对象库

管道和流程图中的所有图例都按国际标准存储在对象库中，绘制时直接调用，简单、方便。

② 采用智能连接技术

P&ID 会自动检测需要的连接部件，并按照正确的流向连接这些部件，不需要人工检查其正确性。

③ 以智能的方式整合Auto CAD和Micro Station图纸

根据实际需要，可以将Auto CAD和Micro Station 绘制的图纸转成适合COMOS平台的图纸。

（3）管道设计

根据流程图的需求进行管道设计和管道布置及敷设。

（4）进行综合的数据设计和管理

在工艺设计中，除了绘制工艺设备、工艺流程和系统图外，主要需要解决的问题是设计数据。无论采用何种设计软件，必定会面对数量巨大、关系复杂的数据，如设备计算数据、公用工程数据、多工况分析优化数据等，这些来自多个系统和数据源、格式互不兼容的数据无法在单一数据平台上进行集中管理和维护，会造成不同用户重复输入数据、无法同步和统一数据，无法有效共享数据。同时，由于反复修改数据造成版本变更，使得数据与文档之间也无法保证一致和最新版本。因此，必须建立统一的工艺设计平台，在工艺规划设计、工艺流程模拟、工艺设备计算、工艺流程和物流数据管理的工艺工程各阶段，利用平台导入模拟数据、定义非模拟数据、设备设计，自动生成各类报表[5]，并实现以下功能：

① 实现数据集中管理，保证数据源唯一性；

② 自动从其他设计软件（如Aspen Plus、PRO/II）获取数据，并支持不同工况流程模拟数据的导入，同时也支持手工输入基本的数据；

③ 各种表格和文档的自动生成，能够自动生成初步PFD（工艺物料平衡图），完整的物料平衡表，设备清单，设备工艺表等；

④ 能够与工艺常用的设计软件，如 HTRI、HTFS、自行开发软件等，进行双向交换数据；

⑤ 多工况数据的导入、分析与比较；

⑥ 多个工作组的并行设计，通过工程数据、工具和方法的标准化，COMOS FEED可实现全球工作组间的并行工程设计，提高了工程效率、保证了质量和一致性[5]。

⑦ 采用基于Excel 计算程序的拖拽方式进行数据连接；

⑧ 平台将数据导出到 XM Plant或从XM Plant中导入数据；

⑨ 对数据变更管理，方便设计人员对数据修改进行追踪，提供版本管理。

（5）进行智能模块管理

使用 COMOS P&ID 创建技术模型库，将专家的知识、经验及专有技术、核心技术储存在模型库中，实现技术的共享与继承，通过简单操作就能复用工厂组件或子单元，极大地节约设计时间。

（6）三维设计

运用 COMOS Walkinside的3D 虚拟现实系统，为生产工艺建模提供三维设计，并与2D设计进行信息关联，达到设备在其工厂环境下的3D视图与表格、文本及2D的信息相互对应。只需在3D视图内点击设备，就可以直接访问设备特性、维护历史记录、文档等所有信息。

（7）设备材料统计

设计图纸可自动进行设备、管道统计，生成各类设备汇总表。

2.1.2 仪表及自控设计

面向对象的E&IC模块能够与其他专业进行并行设计，避免各专业间数据的交换必须借助类似Excel的第三方软件完成。基于COMOS单一数据库设计平台上的所有工艺设备、测点数据、连接关系均为双向连接。因此，使用COMOS 进行的仪表工程设计可以在所有专业之间任意切换，以便各部分、各专业随时调用最新信息。仪表及自控的设计方法和设计内容如下：

（1）绘制控制流程图，创建和管理回路

COMOS平台上，在工艺完成的P&ID 图上直接创建测点，直接从连接的管道或者设备上获取工艺信息，而无需手工录入或通过其他表格导入。采用结构化的数据管理方式，可以轻松管理所有的监测和控制回路，测点信息及现场设备信息。

（2）采用图形化界面进行接线

通过COMOS 面向对象的界面，在图形界面上使用简单的拖拽功能将现场设备、端子和控制器用电缆连接起来。

（3）绘制仪表布置图

在工艺设备及管道的布置图上，根据流程图上各测点、仪表的设置进行仪表设备及管线布置，特别是通过COMOS Walkinside 在三维图中进行仪表的布置。

（4）绘制仪表安装图

COMOS 内建立了大量符合标准的仪表安装图模板，因此在进行仪表安装工程设计时，方便在图库和模板中选择合适的安装类型直接调用或调用后稍作调整即可，并通过模板的自动统计功能，将安装的仪表及材料自动统计出来。

（5）基于2D和3D布局，进行电源柜和控制柜的设计，并自动生成嵌入式盘柜清单。

（6）安装与DCS 连接的接口

E&IC模块具有与DCS之间双向传输的标准接口，在设计后期应进行安装集成，方便与PLC进行连接，通过此接口可进行一致性检查的双向数据交换，在COMOS 操作将项目/数据向DCS 传输工程数据，将过程变量、项目/数据的更改从 DCS 导入至COMOS。

（7）绘制仪表设计的表格

COMOS E&IC模块内具有仪表工程常用的各种表单和文档，根据仪表工程的设计结果，选择需要的各种仪表表格，如仪表索引表、报警表、控制I/O 表、仪表电缆表等自动生成并进行自动统计，在设计过程中如有修改也能进行及时更新。由于COMOS 面向对象的特性，所有的图表上的信息，都可以与设备、图纸以及其他关联信息进行导航操作。

（8）设备表的统计

根据工程中实际使用的设备数量和型号，自动统计出具详细的设备清单；由工程中使用的电缆型号和长度，出具可预留长度的电缆一览表。

2.1.3 电气设计

电气设计与仪表自控设计采用同一个模块E&IC。该模块除了可快速、简单地创建单线电路图、详细原理图和接线图外，由其设计的电路图中各元器件还会拥有不同属性，可通过不同的图形形式在原理图和二维布置图等图纸上分别显示，并以树状结构的形式进行查看和编辑。通过COMOS设计平台的电气设计如下：

（1）全厂配电方案设计

根据各专业提供的用电设备负荷容量、负荷等级等条件，确定全厂配电方案；首先绘制主母线，然后采用典型的配电方式模板绘制全厂配电方案的单线图。

（2）配电系统图设计

根据全厂配电方案进行高、低压配电系统图设计；首先绘制母线，然后绘制各个配电回路，通过库中选择或手动填入给回路中的设备属性赋值或修改其属性，完善配电系统图纸。

（3）绘制二次接线图

根据主接线图可以自动选择相应的二次接线图，并可根据实际情况进行修改和调整。

（4）绘制端子接线图

根据二次接线图，可自动生成相应的端子接线图，并进行修改和调整。

（5）设计计算

根据各专业用电设备的负荷自动进行配电回路、配电柜、车间配电室以及全厂配电的负荷计算，也包括电压损失、短路电流等设计计算。根据回路负荷自动整定配电元件及线路、保护管规格，根据负荷计算结果自动选择变压器容量及低压侧母线规格，根据电压损失、短路电流计算结果进行短路、压降及电机启动校验等。

（6）配电布置图设计

在工艺专业的布置图上完善配电设备及线路布置，特别是通过COMOS Walkinside 在三维图中进行配电设备、电缆桥架以及配电线路的布置。

（7）设备及材料统计

根据工程中实际使用的设备数量和型号，统计出详细的设备清单；由工程中使用的电缆型号和长度，出具可预留长度的电缆清单。

2.2 项目管理

COMOS的项目质量管理（PQM）模块基于数字化结构，采用面向对象的技术，对工厂建设管理流程和工程文档（文档包括各类图纸、技术类文档、操作类文档、3D模型、验证类文档、变更文档等）进行电子化、结构化管理。

为了更好地实施项目管理,在工厂内召集工程技术部、各生产车间（生产部门）、运营维护部等部门人员，对COMOS平台项目管理的方式、流程提出疑问，并根据原有的项目建设工作流程提出各部门的需求（URS），经与业主各部门统一需求并得到业主的确认后，构建工程项目基本架构、工程文档结构、建设项目结构，编制新的工作流程和管理流程，包括项目立项管理（项目建议书、可研报告、项目批复）、项目实施管理（设计招标、施工招标、分包商招标、项目施工）、项目验收管理（安装质量验收、功能验收、性能验收）。在各个阶段的管理中定义项目实施计划、里程碑事件和时间，并且在平台上进行审核和签批管理，实现无纸化办公；在超过规定时间还未签批时系统会自动及时给审批人发送短信进行提醒，保证签批的流程时间满足要求，签批后的文档将自动归档到电子文档库，方便查询工厂管理状态及生成相关统计报表，方便监测各文档的审批状态。

2.3 医药项目GMP验证管理

对于医药项目,在建设项目施工完成后药品正式投产生产之前还需要进行GMP验证，要求企业在原料、人员、设施设备、生产过程、包装运输、质量控制等方面达到国家规定的卫生质量要求，形成一套可操作的作业规范，改善企业的卫生环境，及时发现并解决生产过程中存在的问题，最大限度地降低药品生产过程中污染、交叉污染以及混淆、差错等风险，能持续稳定地生产出符合预定用途和注册要求的药品；验证合格以证明其操作的关键要素得到有效控制。

将制药项目（或制药工厂）通用验证管理工作流、质量风险评估管理、验证管理及验证文档模版与COMOS软件集成，特别是将国际主流的制药工厂通用验证文档模版集成于COMOS 验证管理系统，构建制药项目验证和再验证管理流程，使业主及第三方人员在统一平台上实施各项验证工作，包括验证计划、验证实施、验证文档、电子审批、文档电子归档等环节，确保高标准、合规地完成工厂的验证和再验证工作，满足需要各种GMP验证的法规要求。

2.4 工厂运行维护管理

在COMOS的工厂全生命周期管理中，由于采用同一个数据库，从设计阶段到工厂运营维护阶段使用的数据保证具有一致性、完整性和连续性。通过COMOS数据库构建的工厂设备运维管理平台，在一个系统上执行运营和维护并杜绝介质中断，可以覆盖设备风险评估、运维及校验计划、运维实施、工单签批、工单电子管理等工厂运维管理全部环节，构建工厂设备全生命周期管理平台，实现维护任务智能提醒，大大提高设备运维的效率及有效性。

与工厂建设的项目管理类似，根据生产车间（生产部门）、运营维护部门提出并得到工厂确认的URS构建适应工厂生产运维流程的设备运维平台，编制设备巡检、维护计划及维修流程，实现设备维护计划、巡检及维修一体化管理。

通过COMOS数据库构建的工厂设备运维管理平台，对工厂的设备信息进行关联，配置设备巡检系统,采用移动数据终端PDA 实现对各生产车间内运行设备的工况巡查、数据采集和记录，并生成相应的报表，以便将企业现场生产设备的运行、维护等相关管理规程落到实处,保证生产设备的正常运行以及产品的生产质量,提高企业生产管理水平，减少设备维护和维修的成本，延长设备使用寿命，从而大大提高企业经营效益[6]。运维管理平台实现的功能如下：

（1）基于风险管理的设备维护

平台可以对各个系统设备进行风险分析，结合设备的故障频率、偏差历史、质量相关性、产能影响、安全、供应商手册等进行综合风险评估，得出的结果用于寻找相应的维护方法。基于风险的维护可根据定期进行的安全审核和法律准则等来调整和实施。

（2）预防性维护及巡检计划

根据设备的特点，如机械特点、易损件等情况，设定设备按一定周期进行维护和巡检，系统会根据设定的周期自动提醒计划的负责人按时进行维护，提醒信息可推送到负责人移动手机端，收到提醒的责任人则可以快速调取相关设备的信息，并可使用移动终端调取设备维护工单，在设备维护的同时完成维护记录的电子回填；预防性维护可以有效避免意外故障的发生，有效降低故障率，提高工厂的运营时间。

（3）设备故障性（缺陷）维修

对于生产车间临时发生的设备故障，车间现场人员可通过移动终端或车间客户端进行故障报修，移动端进行图片上传，收到报修任务后，设备主管可以在系统上进行预判并将维修任务推送给现场维修人员，现场维修人员通过客户端或移动终端接收到任务后，通过 COMOS系统一键导航快速获取故障设备相关信息，并根据事先设定的处理流程进行设备维修，维修工单可上传至系统进行电子签批；通过软件系统可有效避免故障漏报、误处理的情况，有效减少故障处理时间，降低设备停机时间。

（4）实施智能工厂设备维护

COMOS系统将工厂设备维护保养计划与工厂设备进行集成，实现设备维护的智能提醒，在统一的平台上实现工厂设备维护管理；通过优化的维护保养，使设备在理想的状态运行，减少关停机的次数，从而降低企业运营及维护成本。

（5）与自动化系统集成实施多方位预防性维护

在生产过程中，通过COMOS管理平台架通运营维护管理系统与控制系统之间的桥梁，可以同DCS系统实现有机的结合，实时将生产设备的关键数据直接读入到COMOS 运营维护管理系统中，使设备的维护保养与实际生产运行状态紧密结合，准确记录设备的运行参数。

当设备出现突发性故障报警时，COMOS可以迅速响应，记录和管理所有类型的事件（消息）；通过预定义的工作流，触发维护工作管理，生成相应的工作票和操作票，通过邮件迅速流转审批；并可完全追踪事件原因。

3 应用效果分析

随着制药行业的蓬勃发展和竞争的日渐加剧，制药行业的项目规模越来越大，要求不断进行产品升级换代及相应的生产改造建设。以某生物制品公司为例，随着生产不断扩大，工厂的工程设备变得复杂，文档成倍增加，运行数据十分庞大，但工程建设的项目管理和生产的运维都采用传统管理模式，工厂信息、数据和文档均采用手工的堆积式管理，导致目前运行保障部门的人员分散，反应速度慢，设备维修和故障排除时间长，无法集中管理、巡查、安排维护和检查维修执行情况，管理效率低，无法满足当前的生产需求。因此，针对上述情况，提出建设数字化工厂项目。

生物制品公司的集中监控项目包含消防集中监控联网、数据采集与监视控制（SCADA）、数字化工厂（COMOS）等10个子系统。经过长达三年的反复论证，数字化工厂终于获得批准。COMOS系统根据业主项目管理、生产运营、维护维修的管理需求及公司管理层、运行保障部、工程技术部、质量保证部等多个部门的使用要求配置各模块（见表1）。COMOS部署在厂内办公网上，为了减少数据泄漏的风险，减少计算机病毒等对系统产生的影响，加强对用户权限的管理，出于对网络稳定性和安全性的考虑，在工厂核心骨干网上设置防火墙、SSL VPN 实施信息网络的安全，如图1～2所示。