制药工厂OEE系统的应用

2020-06-02 11:06:00 栏目:Parsec Traksys 查看()

摘    要:

针对制药工厂自动化应用的发展, 以及工厂管理层对车间管理的进一步要求, 提出了车间管理的一些典型问题并采用了OEE (Overall Equipment Effectiveness, 全面设备效率) 系统。利用当今的一些自动化应用技术、软件编程技术以及系统集成技术, 部分给出了较合理的问题解决手段, 为后续全面实施MES (Manufacturing Execution System, 制造执行系统) 积累了经验。同时还满足了有关CSV (Computer System Validation, 计算机系统验证) 的规范。

0 引言

工厂系统实施前的状况:

制造执行系统 (MES, Manufacturing Execution System) 是最近国内外研究的非常热门的领域之一。目前不同的工厂根据自身的情况, 对这一领域有不同的应用侧重点。

我们工厂希望解决以下问题: (基本的MES功能共11个方面[1,2])

a.生产线和加工设备有多少时间在生产, 多少时间在停转和空转?影响设备生产潜能的最主要原因是:设备故障?调度失误?材料供应不及时?工人培训不够?还是工艺指标不合理?

b.能否对产品的质量检测数据自动进行统计和分析, 将质量隐患消灭于萌芽之中?

c.能否废除人工报表, 自动统计每个过程的生产数量、合格率和缺陷代码?

同时,

a.自动统计全面设备效率--OEE (Overall Equipment Effectiveness) 。

b.按批次班次统计绩效。

c.帮助寻找生产设备瓶颈, 提供决策依据。

因此, 需要设计实施一套系统, 以便很好地实现上述功能。

1 系统架构

该系统采用WINDOWS为操作平台, .net为开发平台, 后台数据库为MICROSOFT SQL SERVER 2005, 这种架构易于实现和扩展。具体架构, 如图1所示:

OEE统计结果比较

图1 系统架构 

在高速包装线上, 如果采用直接读取PLC (Programmable Logic Circuit) 设备信号的方式, 将涉及原有的设备验证。所以, 综合考虑, 采用传感器 (电眼) 探测计数。在其它瓶颈区域, 采用触摸屏软件按键输入¨&[的方式, 用户操作起来非常省事并且流畅。

根据工厂生产的实际流程, 整个系统可分为两大部分:第一部分是前工段的, 即制粒、流化床及包衣, 采用触摸屏一键输入的方式, 尽管手工操作给员工增加一点点额外负担, 但后续的数据分析结果满足了车间管理的要求;第二部分是后工段 (自动包装线) 的传感器自动数据收集部分, 该部分只是占用了生产线的一点安装空间, 对原有系统无任何影响, 即可用来进行产品计数, 报警探测等。两者都通过网络将数据传送给服务器。

从技术角度来看简单地讲就是, 传感器获取信号, 经过模块转换, 送给局域网, 再传给服务器处理。或者, 触摸屏收集, 其本身就是一台客户端电脑, 也相当于一个工作站, 收集数据给服务器。管理者可以通过各种网页浏览器, 在办公室里浏览到实时数据及查看相关报表等。

2 方案选择

由于直接采用PLC设备读取数据涉及到相关设备的重新验证 (GMP所要求) , 再加上进度和成本方面的考虑, 最终采用了基于传感器 (电眼) 的数据采集方式。

根据GMP的要求, 药品生产相关的设备都属于与GMP相关的关键设备, 投入使用前需要验证, 符合要求才能正式使用。而且设备在生产使用过程中, 如果有任何变更, 而且该变更会对药品生产质量的任何环节造成影响, 那该设备就必须重新验证并通过。考虑到这一因素, 如果从现有的设备中通过PLC通讯来获取必要的数据, 将必然对原来的设备造成直接影响, 该影响将扩展到药品生产质量的某环节, 因此需要设备重新验证通过, 这将耗费更大的人力物力财力等, 甚至还将影响到正常的生产。采用基于传感器的方式, 也就是重新构造一套系统, 伴随原有的生产设备, 即对原有的系统没有任何影响, 同时又能达到解决问题的效果。只是原有的生产设备智能数据及参数等不能得到重复利用, 适当降低了系统的一些扩展功能。综合考虑还是合算的。

3 软硬件的配置

硬件包括4个部分, 分别是:1) .TPC-1570H:Touch Panel Computer (平板电脑) , 该平板电脑具有的优势有:工业级的防水防尘功能, 同时具备主流电脑的配置及性能, 而且是触摸式操作, 方便了产线生产员工, 不至于由于系统的上线给他们增加不少额外的操作时间 (同时配合软件的一键式触摸软按钮操作) 。2) .电眼传感器:用于自动生产线所生产药品的数量统计, 同时, 在系统出错报警时, 提示位置信息, 供现场维护人员快速定位故障位置。3) .电眼输入转换模块:用于收集各传感器的数据, 并转换为能在局域网上传输的信号, 供系统服务器读取。4) .网络设备及布线:本应采用工业以太网的标准, 但由于工厂生产各项环境数据比较恒定, 非常接近办公或商业环境, 于是, 就同办公网络整合为同一网络但采用不同的IP网段。

软件包括:操作系统平台--WINDOWS SERVER 2003, 数据库系统--MICROSOFT SQL SERVER 2005, 以及开发平台--MICROSOFT.NET。系统采用B/S.net架构, 由于数据存储量为中小规模, 所以数据库采用了SQL SERVER 2005, 使用灵活方便。

4 系统实施

系统按照项目化的管理运作模式[3], 计算机全生命周期的开发和验证方法, 让系统在生命周期的各个阶段均可以很好的控制。其项目主要任务有客户化定制及编码、系统安装、验证、培训和试运行等, 分述如下:a.客户化定制及编码:系统的主体部分采用PARSEC AUTOMATION公司的TrakSYS主要组件[4], 触摸屏一键式功能模块为客户化定制部分, 并且跟其它模块无缝集成。b.系统安装部分包括:硬件 (触摸屏、电眼传感器、传感器转换模块和服务器等) 地安装、网络布线及软件安装 (操作系统、数据库软件、应用系统组件及客户端软件等) 。c.系统验证:严格按照GMP有关CSV的要求[5], 系统评估为非GMP (Non-GMP) 系统, 按照要求只需执行“Quality Plan”计划, 主要验证文档为URS (User Requirement Specification, 用户详细需求) 和SAT/UAT (Site/User Acceptance Test, 所在地/用户接收测试) 。d.系统培训:系统严格按照GMP有关CSV的要求, 需要制定相关SOPs (Standard Operation Procedure) , 如:“OEE全自动数据收集系统”操作员指南 (SOPPM-279) , OEE系统 (TrakSYS) 管理员指南 (WIMPMS-1) , OEE系统 (TrakSYS) Webtrak使用指南 (WIMPMS-2) 等, 其编号为公司内部文档编号。e.系统试运行:系统试运行一个月, 状况良好, 转入正式运行。

5 运行维护

包装线:连续的生产线, 有时间可控性, 直接与设备连接并取数。

09年初统计的08年的数据, 如图2所示:

OEE统计结果比较

图2 OEE统计结果比较 

OEE系统和手工统计两种方法统计的OEE结果差距越来越小。其中10月份, 两者相差只有0.2%。从数据分析的结果来看, 高速线OEE系统越来越趋向稳定。系统上的数据具有可信度。

所以, 系统本身的可用性和可信度是比较高的, 关键在于员工是否认真使用了该系统。前工段也有类似的结果, 但人为因素不可忽略, 因操作人员操作不当所造成的一些不必要的错误, 应该加强培训和教育。同时, 系统可以增加一些防呆机制, 以避免这些人为错误的发生, 作为软件改进的方向之一。

升级扩展:系统正常运行一年后, 对工厂其它生产包装线 (“快线”及“法玛线”) 成功扩展实施了该系统。

6 结束语

该系统很好地实现了一开始所述的那些功能, 达到了预期的目的。由于系统没有能够采用直接与设备PLC通讯的方式, 所以, 关于设备的参数及其它非常有价值的数据无法获得, 以至于设备的状态及错误代码统计, 只能停留于相对表浅的层次, 难以发现设备的隐患。再加上, MES系统最核心的部分就是如何完成执行层的任务, 当前的系统还做得不够, 比如:根据产品号码追溯这批产品的所有生产过程信息, 以及自动校验和操作提示以防止工人部件装配错误等功能, 因此仍无法实现。所以, 这是为了系统继续完善的方向。我们正往这方面积极探索, 比如:系统能够采集到加工工序的工艺参数、PLC组态工作单管理模组、设备参数与故障代码结合设备隐患分析、质量的随机波动与异常波动结合质量隐患分析, 等, 期待后续能尽快有成果出来。