制藥工業(yè)是一個(gè)對(duì)自動(dòng)化有較高要求的領(lǐng)域，其覆蓋了制藥環(huán)節(jié)的流程和批處理，在離散的后道制劑和包裝環(huán)節(jié)，本文以制藥行業(yè)的自動(dòng)化需求，結(jié)合貝加萊自動(dòng)化的解決方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖1 制藥的制劑與包裝環(huán)節(jié)分類

圖1所示，制藥分為制藥前道流程工業(yè)，后道包括制劑（與劑量有關(guān)），有各種制劑方式，片劑、粉劑、丸劑、液體制劑、氣霧劑、生物制劑等多種，而分別有壓片機(jī)壓制藥片、顆粒或粉劑進(jìn)入膠囊或小袋，并被封裝為泡罩，而液體又分為安瓿瓶、西林瓶、口服液、大輸液等多種形式，還有燈檢、凍干等檢測(cè)與工藝設(shè)備，然后再進(jìn)入裝盒環(huán)節(jié)。

整個(gè)制藥裝備包含了各種制劑類、燈檢、包裝類設(shè)備，而制藥行業(yè)又有其特殊性，尤其是在“可追溯性”方面的審計(jì)追蹤需求，這些對(duì)其自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件也提出了一些特殊需求。

1　硬件的特殊需求

從對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求來(lái)說(shuō)，包括滿足Gamp認(rèn)證的硬件，如不銹鋼外殼、平面的HMI（沒有積灰的死角）、以及IP防護(hù)等級(jí)的需求，都是制藥行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與其它行業(yè)顯著的差異。

1.1　HMI特殊需求

以貝加萊的Panel PC為例，它滿足制藥行業(yè)的要求。IP69K防護(hù)等級(jí)的HMI，表面純平設(shè)計(jì)，外殼為316SS規(guī)格不銹鋼成型，整體包括高防護(hù)的電柜，搖臂安裝，便于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與操作。

1.2　ACOPOSmotor——緊湊型運(yùn)動(dòng)控制

貝加萊的ACOPOSmotor系列伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)一體化設(shè)備，在制藥行業(yè)里，也被稱為“背包式”電機(jī)，它就是基于IP65的防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)一體，可以直接部署在現(xiàn)場(chǎng)，減少電柜與接線的成本，而且，通過(guò)高性能的POWERLINK網(wǎng)絡(luò)，獲得高動(dòng)態(tài)性能場(chǎng)景的應(yīng)用。

圖2 ACOPOSmotor伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)一體設(shè)計(jì)

1.3　潔凈環(huán)境要求的電機(jī)

8WS電機(jī)是貝加萊不銹鋼外殼的伺服電機(jī)，其轉(zhuǎn)速高達(dá)9000RPM，并且有著非常大的堵轉(zhuǎn)輸出能力，對(duì)于燈檢環(huán)節(jié)特別適合。

圖3 潔凈環(huán)境需求的電機(jī)8WS系列

2　制藥行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件需求

2.1　合規(guī)性要求

制藥工業(yè)全流程都有著合規(guī)的要求，在制藥環(huán)節(jié)，必須滿足審批要求的配方及批號(hào)才能生產(chǎn)，而在后道也牽扯到制劑一致性、劑量、藥品污染等要求，因此，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程必須在嚴(yán)格的監(jiān)控之下，并且，系統(tǒng)具有生產(chǎn)可追溯性的合規(guī)要求。

圖4 審計(jì)追蹤相關(guān)功能

如圖4所示，在制藥生產(chǎn)中，需要對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的工藝配方確認(rèn)、變更、操作班次人員、時(shí)間線進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，即，滿足Why/What/Who/When/How等信息進(jìn)行記錄，并以不可篡改形式保存，并獲得數(shù)據(jù)報(bào)告，以便后續(xù)追蹤。通常需要滿足FDA Gamp 21CFR Part 11—這是針對(duì)電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范的規(guī)約，在控制系統(tǒng)里，需要有經(jīng)過(guò)FDA Gamp認(rèn)證的電子簽名。

圖5 審計(jì)追蹤所需的軟件模塊

在貝加萊軟件中，有幾個(gè)mapp的模塊用于實(shí)現(xiàn)這些功能，如圖5，包括mappAudit，用于編輯并存儲(chǔ)所有操作數(shù)據(jù)于安全數(shù)據(jù)庫(kù)，必須配置注冊(cè)的數(shù)據(jù)，包括過(guò)程數(shù)據(jù)、操作信息，在注冊(cè)架構(gòu)中自動(dòng)識(shí)別參數(shù)變更，對(duì)所有事件進(jìn)行記錄（UserID、日期和時(shí)間戳、舊的和新的數(shù)值），以加密的PDF或加密的Zip文件包含XML或CSV文件保存。

mappUser用于記錄用戶的操作（登入/登出、用戶ID的輸入及出錯(cuò)，多次嘗試登錄錯(cuò)誤密碼鎖定），以及mappAlarmX用于記錄報(bào)警歷史并加密記錄，報(bào)警必須電子簽名認(rèn)證的記錄。

2.2　機(jī)器的快速開發(fā)能力

制藥行業(yè)的設(shè)備具有較強(qiáng)的變化能力，因?yàn)椋巹┑姆N類多種多樣是一方面，即使同一種制劑，它本身的藥物對(duì)應(yīng)的密度、粘度等物理指標(biāo)不同，也會(huì)影響到機(jī)器的控制參數(shù)，因此，需要較強(qiáng)的建模與模塊化開發(fā)能力。另一個(gè)問(wèn)題在于制藥裝備制造商通常會(huì)有多種機(jī)型，為了提升開發(fā)效率，需要抽取共性模塊以讓機(jī)型的開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)用，即，軟件的復(fù)用模塊，而貝加萊的mapp模塊完全基于CBD開發(fā)（Component-Based Development），可以讓制藥裝備商快速開發(fā)配置機(jī)器，節(jié)省重復(fù)的開發(fā)工作。

2.3　數(shù)據(jù)集成中的信息建模

制藥行業(yè)的數(shù)據(jù)集成，相對(duì)于其它行業(yè)而言，要更為嚴(yán)格。除了本身滿足監(jiān)管的數(shù)據(jù)需求，另外，制藥行業(yè)也需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中影響品質(zhì)的因素進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并且制定改善措施，因此，制藥行業(yè)本身就有非常嚴(yán)格的數(shù)據(jù)分析需求。

圖6 工廠數(shù)據(jù)連接的層級(jí)

在制藥行業(yè)，其后道與包裝工業(yè)相同，因此有設(shè)備與整個(gè)產(chǎn)線集成的數(shù)據(jù)信息交互問(wèn)題，而PackML是目前制藥行業(yè)正在廣泛應(yīng)用的信息建模方法，PackML包括了幾個(gè)方面的工作目標(biāo)與任務(wù)：

· 統(tǒng)一的狀態(tài)讓機(jī)器開發(fā)更為高效；

PackML基于模塊化軟件設(shè)計(jì)思想，將機(jī)器分為底層的模塊（推薦基于PLCopen開發(fā)），專業(yè)模塊，如機(jī)器的熱成型、裁切、張力、定位專業(yè)控制模塊，第三層是全局的功能，構(gòu)成一個(gè)泡罩機(jī)、小袋機(jī)、壓片的整體機(jī)器功能設(shè)計(jì)，即，整機(jī)由專業(yè)的模塊配置而成，而這些專業(yè)模塊由不同的底層模塊開發(fā)而成。

· 基于統(tǒng)一的UI設(shè)計(jì)，讓您的客戶降低培訓(xùn)和學(xué)習(xí)成本；

圖7是PackML的UI設(shè)計(jì)界面，其由11種不同的狀態(tài)構(gòu)成，操作員只學(xué)習(xí)這一個(gè)頁(yè)面來(lái)操作機(jī)器，而后臺(tái)由模塊化的程序自動(dòng)執(zhí)行。

圖7 PackML的統(tǒng)一UI設(shè)計(jì)

OPC UA統(tǒng)一的信息模型讓機(jī)器與數(shù)字化系統(tǒng)快速連接；PackML已經(jīng)為OPC UA的垂直行業(yè)信息模型，其信息模型，由OPC UA的統(tǒng)一框架來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括支持不同的通信模式支持接口、信息結(jié)構(gòu)、方法、屬性、地址空間的規(guī)范等。在PackML信息交互中包括了機(jī)器的OEE計(jì)算所需參數(shù)、品質(zhì)參數(shù)、機(jī)器的基本數(shù)據(jù)等。用于制藥裝備與MES/ERP進(jìn)行交互。

貝加萊Automation Studio中包含了mappPackML的模塊，用于配置出PackML的信息模型，使得機(jī)器可以與管理系統(tǒng)進(jìn)行高效的交互工程配置。

3　應(yīng)用舉例

3.1　壓片機(jī)——高速壓力閉環(huán)控制

圖8是壓片機(jī)的機(jī)械原理，通過(guò)填充藥粉后，預(yù)壓、主壓的流程，定量的藥片被壓制成型，但是，這里的壓力、位置必須被精準(zhǔn)的采樣并閉環(huán)控制，為了獲得更高的采樣頻率，貝加萊使用了專用的AI模塊，對(duì)于速度更高的可采用reACTION技術(shù)，以獲得超級(jí)采樣及控制能力，并對(duì)實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)，以及分析應(yīng)用。

圖8 壓片機(jī)結(jié)構(gòu)

首先，必須是有非常高速而高精度的測(cè)量，以確保準(zhǔn)確獲得上沖和下沖凸輪曲線切線處的最大壓力，然后用于計(jì)算片重、片厚，據(jù)此調(diào)節(jié)上沖、下沖、上預(yù)壓、下預(yù)壓以及填充幾個(gè)伺服軸的調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)的給出整個(gè)機(jī)器的最佳質(zhì)量控制，貝加萊的X20AI模塊達(dá)到了5kHz/16位精度的采樣，并帶有緩存，能夠?yàn)闇y(cè)量提供高速而精準(zhǔn)的保障，另外，在更高速度的情況中，貝加萊的reACTION功能也可以解決這個(gè)問(wèn)題，reACTION是基于FPGA開發(fā)的高速處理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)最快可達(dá)到1μS的任務(wù)，而且，它也同樣支持IEC61131-3的編程，原本需要非常高速的控制器僅通過(guò)I/O點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)了。

3.2　吹灌封BFS

相較于玻璃瓶的洗烘灌軋錢而言，BFS是目前制藥裝備里較新的設(shè)備，如圖9所示，它直接進(jìn)行吹塑成型，然后藥物灌針灌裝藥物，并直接熱封封口。它最大的優(yōu)點(diǎn)在于藥物與空氣接觸時(shí)間僅在10余秒的時(shí)間，能有效避免藥物的污染。并且，它的灌裝速度也較之傳統(tǒng)方式更高，因此成為比較有效的制劑方式。

圖9 BFS運(yùn)行原理

正是因?yàn)锽FS的優(yōu)點(diǎn)，因此，它也需要更快的生產(chǎn)周期，避免藥品的接觸性污染，這是對(duì)其速度的控制要求，而對(duì)于設(shè)備而言，其控制精度，也關(guān)乎質(zhì)量，因此，需要更為精準(zhǔn)的采樣與控制。貝加萊的Panel PC和軟件中mappAudit、PackML綜合，也使得滿足制藥裝備的需求。

圖10 BFS控制系統(tǒng)架構(gòu)

3.3　燈檢——機(jī)器視覺與高速旋轉(zhuǎn)

燈檢對(duì)于非常多的藥物檢測(cè)來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵一環(huán)，在整個(gè)燈檢中，針對(duì)無(wú)菌的各種安瓿、西林、吹灌封產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這個(gè)環(huán)節(jié)包括了多重檢測(cè)，在瓶蓋、瓶體裂紋、異物（金屬、纖維）等多重檢測(cè)下，才能確保生產(chǎn)的產(chǎn)品未經(jīng)污染，安全出廠。

生產(chǎn)速度的要求也是該環(huán)節(jié)的一個(gè)重要考量，600瓶的檢測(cè)速度下，包括了多個(gè)方面的要點(diǎn)：

（1）如何讓瓶子獲得更為完整的拍照效果？

（2）如何確保準(zhǔn)確地識(shí)別缺陷，而不是一個(gè)劃痕？

（3）針對(duì)變化的檢測(cè)，如何快速的設(shè)置參數(shù)？

（4）智能的視覺系統(tǒng)如何自主地學(xué)習(xí)缺陷？

圖11 燈檢機(jī)-伺服電機(jī)與機(jī)器視覺的集成

圖11顯示了燈檢機(jī)的視覺檢測(cè)，針對(duì)瓶蓋、瓶身、懸浮物、金屬異物、裂紋等進(jìn)行缺陷檢測(cè)，貝加萊的解決方案架構(gòu)如圖12所示，包括了集成機(jī)器視覺，用于缺陷的檢測(cè)和分析，而基于PC架構(gòu)可以處理這些信號(hào)，并及時(shí)做出判斷。而在每個(gè)瓶子的旋轉(zhuǎn)上，采用了ACOPOSmicro控制的不銹鋼電機(jī)（也被稱為拇指電機(jī)，因需滿足燈檢機(jī)及緊湊的空間需求），也包括貝加萊軟件中的軟件功能。

圖12 燈檢機(jī)解決方案架構(gòu)

綜上所述，制藥裝備自動(dòng)化在數(shù)據(jù)可追溯性、機(jī)器的快速建模與實(shí)現(xiàn)能力、視覺檢測(cè)方面都有著較高的要求。貝加萊有硬件和軟件解決方案適配該領(lǐng)域的機(jī)器控制需求。

精彩對(duì)話

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司技術(shù)傳播經(jīng)理 宋華振

自動(dòng)化博覽：貝加萊主要服務(wù)于醫(yī)藥行業(yè)的哪些具體領(lǐng)域？2021年取得了怎樣的業(yè)績(jī)？

宋華振：貝加萊主要聚焦在制藥裝備領(lǐng)域的業(yè)務(wù)，覆蓋多種制劑類（片劑、膠囊劑、液體制劑、粉劑）、包裝類和檢測(cè)類設(shè)備。片劑主要是壓片機(jī)設(shè)備，膠囊劑就是膠囊填充類，這兩種制劑完成后經(jīng)過(guò)檢測(cè)后進(jìn)行泡罩包裝設(shè)備，乃至直接的裝盒一體機(jī)。另外一個(gè)大類就是液體制劑如西林瓶、安瓿瓶類設(shè)備。另外就是粉體制劑類直接包裝的小袋機(jī)，制藥后道制劑和包裝，主要是這幾個(gè)大類，基本上貝加萊都覆蓋。

2021年貝加萊在制藥機(jī)械領(lǐng)域、在BFS吹灌封一體機(jī)和高速燈檢機(jī)領(lǐng)域取得了突破。而原有的壓片、泡罩機(jī)等領(lǐng)域也在繼續(xù)保持著快速的增長(zhǎng)。制藥裝備市場(chǎng)的整體成長(zhǎng)性相對(duì)于其它通用裝備市場(chǎng)如印刷、塑料、包裝而言，一直保持穩(wěn)定的高增長(zhǎng)。

自動(dòng)化博覽：新冠疫情背景下，您感受到醫(yī)療制藥行業(yè)正在發(fā)生怎樣的變化？對(duì)于自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了哪些新的需求？

宋華振：制藥行業(yè)對(duì)數(shù)字化的要求一直要高于其他行業(yè)，這個(gè)行業(yè)仍然有非常多的發(fā)展機(jī)會(huì)與空間。整體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的制藥裝備領(lǐng)域與國(guó)際知名廠商還有一定差距。但近年來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)開始注重在自主創(chuàng)新方面提升自身的研發(fā)效率，以及對(duì)物理與數(shù)據(jù)建模方面的研究，這也給了貝加萊這樣的自動(dòng)化廠商以更多的機(jī)會(huì)，因?yàn)?，這也正是我們的優(yōu)勢(shì)所在。基于開放的平臺(tái)架構(gòu)，持續(xù)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，而這正是貝加萊Automation Studio平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)的裝備企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)聚焦于應(yīng)用軟件，以及可持續(xù)的創(chuàng)新，以應(yīng)對(duì)快速變化的市場(chǎng)，貝加萊集成開發(fā)平臺(tái)Automation Studio基于開放自動(dòng)化理念，將IT與智能（AT）的技術(shù)融合，尋求為制造業(yè)的裝備開發(fā)提供基礎(chǔ)的平臺(tái)架構(gòu)，它使得軟件可以被復(fù)用的方式來(lái)開發(fā)機(jī)器，提高效率，并通過(guò)模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活性與機(jī)器開發(fā)成本的平衡。

自動(dòng)化博覽：您認(rèn)為自動(dòng)化技術(shù)在醫(yī)藥行業(yè)未來(lái)會(huì)有怎樣的發(fā)展趨勢(shì)？

宋華振：制藥行業(yè)除了在原有的物理建?；A(chǔ)上將更多借助于人工智能技術(shù)，例如視覺缺陷檢測(cè)、品質(zhì)分析、質(zhì)量迭代，這些都是貝加萊開放自動(dòng)化技術(shù)可以提供支撐的。另外，在機(jī)器連線生產(chǎn)方面，OPC UA PackML的支持能力，也是一些OEM廠商關(guān)注的，對(duì)于OPC UA的支持，使得機(jī)器可以被快速地融入到工廠，實(shí)現(xiàn)協(xié)作。第三方面，即在柔性輸送技術(shù)，這應(yīng)用于更為個(gè)性化的產(chǎn)品生產(chǎn)，例如我們已經(jīng)在胰島素泵的制造領(lǐng)域，提供針對(duì)這類產(chǎn)品的組裝過(guò)程，采用貝加萊的ACOPOStrak柔性輸送技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的效率、更高的靈活性。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年5月刊