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摘 要：智能化建设是一个系统性工程，特别是在制药行业，更是需要考虑法规、质量与效率等诸多方面因素，因此，制药行业智能化建设的步伐相比其他行业要更缓慢。但面对国际形势和国家政策对制药行业成本和质量要求的快速提升，智能化建设又是每个制药企业必须尽快做的一项重要工作。如何在满足法规与质量要求的前提下，以最经济的成本实现制药行业智能化建设是一个亟待解决的问题。现尝试利用精益六西格玛工具，对某制药企业的公用工程系统进行全面分析，推出以自动化和信息化的技术手段进行智能化升级改造，加快提升公用工程系统管理效率，在保证质量的同时降低生产成本的方案。
关键词：制药智能化;公用工程管理;精益管理;SCADA
0 引言
公用工程系统是制药企业药品生产的基础。一般公用工程系统为制药生产提供电力、动力压缩空气、冷冻水等冷热媒介，工业蒸汽或纯蒸汽、工艺用气体如洁净压缩空气或氮气，纯化水与注射用水及空气处理系统等，几乎囊括了除药品生产工艺系统以外所有的支持系统。因此，制药公用工程系统对于保障制药生产效率和产品质量起着举足轻重的作用。
然而，与车间一般生产设备相比，公用工程设备存在以下3个问题：
（1）公用工程设备由于数量多、布局分散，无法像一般生产设备那样随时有人操作和观察。因此，对公用工程设备的管理，特别是大型制药企业，往往难以做到快速发现问题并及时响应和处理，以保证生产的稳定性和产品质量的可靠性。
（2）很多公用工程设备受外部环境和供应介质变化的影响，无法长期恒定维持产出的稳定可靠，需要视其状况进行干预调整。
（3）随着制药企业国际化脚步的加快和国家的质量监管越来越严格，制药企业对公用工程系统的质量要求和数据完整性要求越来越高，而公用工程系统一般寿命较长，很多老旧设备无法满足数据完整性的要求，无法对生产数据进行记录和存储，从而无法进行公用系统的质量回顾——这在目前国际甚至国内的GMP检查中都会作为“缺陷项”被提出。
同时，国家近几年推出的药品带量采购政策，对制药企业的成本控制提出了极高的要求，大量药品价格下降幅度超過50%乃至90%以上。如何在质量法规要求不断提高又需要极度压缩成本的情况下生存，是目前各药企面临的首要问题。
面对以上问题，本文尝试利用精益六西格玛工具，对某制药企业的公用工程系统进行全面分析，推出以自动化和信息化的技术手段进行智能化升级改造，加快提升公用工程系统管理效率，在保证质量的同时降低生产成本的方案。
1 精益六西格玛分析方法简介
精益六西格玛的改善步骤可概括为“DMAIC”过程：（1）定义（Define），根据客户的要求，利用价值流图等方法识别价值和目标;（2）测量（Measure），利用过程流图、测量系统分析等方法测量当前过程的相关数据;（3）分析（Analyze），根据测量的数据分析因果关系，尽量考虑所有因素，利用实验设计、失效模式等方法进行分析，以发现产生缺陷的根本原因;（4）改进（Improve），根据分析结果，利用防错、标准化等方法对流程进行改进;（5）控制（Control），利用控制图、过程文件化等方法，对未来的状态进行控制，以保证与目标间的缺陷已经纠正，并不断重复该过程，直到获得期望的结果[1]。
2 精益六西格玛模式在公用工程智能化改造中的应用案例
2.1 定义阶段
某制药企业运行中心，包含厂区内两个厂房的空调系统、水系统、空压系统、制冷系统、环境监测系统等所有公用系统，运行中心操作人员实行4班2运转制度，每班3个人，需要完成所有运行设备设施的巡视、操作、记录和异常与报警的处理，存在以下管理难点：
（1）设备设施多，共108台/套，且分布散、距离远，分布在厂区各个角落多个区域的多个不同楼层，巡视一遍行程约2.5 km;
（2）人工记录多，共需填写各种运行、操作记录82份;
（3）自动化不足，部分关键设备仍需要人工干预;
（4）质量保证难，无法24 h关注各个设备运转情况，异常情况无法及时发现，不能满足国际化认证需求。
综上所述，目前该运行中心存在的问题有两点：
（1）工作量大，每日所需工时较多，人员略显不足;
（2）质量管理不能满足国际化认证需求，对于系统异常未能实现24 h实时监测和响应。
针对以上问题，制订了两项项目目标（Y）：
（1）每24 h人员工时降低;
（2）关键工艺数据监测时间比例提升。
通过SIPOC图（图l），对L流水线的输入和输出过程进行分析，确定改善范围，包括空调机组、水系统和其他公用介质系统。
2.2 测量阶段
统计项目范围内所有系统相关工作的工时数据和记录情况，计算出目前每24 h人工工时为78工时，关键数据监测时间比例为4%。
根据现状数据，结合运行中心对于人员工作标准的提高和国际化质量要求的提升，制订了项目目标为每24 h人工工时从78工时降低到26工时，关键数据监测时间比例从4%提高到100%。
2.3 分析阶段
为达成项目目标，首先绘制出工时的帕累托图（图2），找到对于工时量影响最大的工作项目。
根据帕累托图的分析，找到对工时量影响最大的因子，如表1所示。
对于以上因子再进行深入分析，找出每项工作中无价值的部分，如表2所示。
2.4 改进阶段
根据分析结果，针对性地制订了以下改进措施： （1）消除行走时间→数据远程集中显示;
（2）有价值工作实现自动化→人工判断操作变自动程序控制;
（3）实现远程巡视→现场视频监控;
（4）两个监控室工作合并→两个监控室系统合并到一个监控室。
以以上改进措施为基础，计划建立一套公用系统的信息化管理系统，包含SCADA系统和CCTV监控系统，另外需要对水分配系统和蒸馏水机实行自动化改造。
2.4.1 公用工程信息化系统建设
系统建设按照以下步骤实施：
步骤一：与公用系统管理部门和质量部进行充分沟通，确定系统的用户需求说明即URS。
步骤二：获得所有需要采集的设备数据的地址表（地址表是系统建立的基础）。在采购设备的前期，除了要求配置通信接口硬件，还应当尽可能地获得系统的可编辑的程序，包括PLC、触摸屏或上位机，这不仅可以用于建立信息化系统，也有利于后期设备的改造和灾难恢复。如果供应商不能提供可编辑的程序，至少需要提供不可编辑的恢复程序和数据地址表。这些信息需要在设备验证的时候确认其正确性。
步骤三：编写设计文件，包括风险评估、追溯矩阵、功能设计说明、电路图等。
步骤四：进行设计确认。
步骤五：将必要的机械仪表更换为电子仪表，并建立仪表的采集系统。
步骤六：建立设备局域网。由于涉及两个厂房两个监控室，每个厂房单独建立公用系统局域网，连接各自区域所有设备，然后再通过公司内部专用工业网络将两个监控室连接起来。
步骤七：建立设备接口。对于PLC控制的自动化设备，采用各自通信协议转以太网接口模块建立接口。对于原系统具有上位机数据采集的，开通上位机软件的OPC接口，然后接入新建的专用网络。
步骤八：建立上位机系统。根据GAMP5对于软件分类和验证的原则，为了降低系统风险，上位机采用西门子WinCC软件，组态公用系统SCADA工程软件，用于采集到的设备数据的显示与存储。这样的软件根据GAMP5可以归类为4类，它们可以降低验证的难度。在两个厂房的监控室各建立一套上位机系统，其中主监控室不仅连接本厂房所有系统，还通过OPC将另一个厂房监控室上位机系统数据全部抓取过来，实现一个监控室监控两个厂房的数据。
步骤九：对系统进行安装运行确认，确保系统的文件、硬件、软件和功能满足用户需求。
步骤十：操作与维护SOP的编写以及培训，更新计算机化系统清单。
2.4.2 设备自动化改造
改造1：注射用水分配系统液位自动调节的改造。
改造前：（1）蒸馏水机需要给3个储罐补水，其中一个储罐体积较大，补水较慢，会对其他两个小储罐的补水造成影响，可能导致出现缺水停泵情况。（2）需要根据储罐耗水情况，人工去修改3个储罐的补水液位。
改造后：在系统的西门子MP277触摸屏中增加脚本程序，模拟人工补水液位的思路。当两个小储罐需水时，自动修改大储罐的补水液位，停止大储罐补水。当两个小储罐不需要补水时，将大储罐水量维持在较高液位，留有充分的缓冲量。
改造2：多效蒸馏水机进水流量自动调节的改造。
多效蒸馏水机在线监测工业蒸汽进汽温度，根据工业蒸汽温度和进水流量对照表，工业蒸汽温度值反馈进水流量，泵变频器改变频率达到设定的流量，保证产量最大化。但是采用工业蒸汽温度作为进水流量的控制依据效果不好，具体表现在以下3个方面：
（1）阶梯的控制参数控制精度不够，导致产水温度波动很大。
（2）实践表明，工业蒸汽温度与产水量两者之间并没有固定的比例关系，同样的温度，在不同的季节、不同的天气，蒸汽的质量不同，也会造成产水量不同。所以，无法根据工业蒸汽温度确定一个固定的流量值。因此，需要经常根据实际产水温度，去调节工业蒸汽温度对应的进水流量值。
（3）人工参与调节，无法实现实时调节，造成水温波动大，温度常过高或偏低，可能造成车间工艺设备水温过高报警，也可能造成蒸馏水机低温排放停机。
该项改造实施后，公用工程系统信息化系统上线，有了信息化系统，即可对蒸馏水机的各项数据进行分析，发现进水流量和一效温度以及产水温度之间的函数关系，根据这一函数关系修改对应的控制程序，实现进水流量的自动控制，降低产水温度的波动，从而降低平均水温，也避免了出现水温过高或过低的情况。
2.4.3 改进结果
在信息化系統上线和自动化改造后，运行中心的人工工时降低到了26工时/24 h，从过去的每班需要3名操作人员减少到了1名。对于关键工艺数据的监测从过去的4%时间占比提高到了100%。
2.5 控制阶段
经过DMAI这4个阶段后，公用工程系统的整体管理效率大幅提升，直观反映指标也有了明显上升，一些关键工艺数据波动区间也有了显著收缩。为保持改善成果，需对改善结果进行固化。
根据改善结果，对各因子的优化进行固化，编制和修订了相应的SOP，确保改善结果的持续有效。
3 结语
在此次公用工程系统智能化改造前，公用工程系统需要3名操作人员每4 h对全部公用系统设备进行一次巡视和抄表，每次巡视路线长达2.5 km，还无法保证所有系统24 h监测。在此次改造后，只需要1名操作人员就可以在控制室对所有设备的工艺数据进行24 h监测，同时所有数据每15 min记录一次，而对于数据异常则实时报警，一旦异常发生，控制室操作人员可以立刻通知现场维修人员进行处理。此次智能化改造，极大地提高了设备管理效率，更好地保证了公用介质的质量和数据完整性，为生产出更高质量的药品打下了坚实的基础。
[参考文献]
[1] 江志斌，周利平.精益管理、六西格玛、约束理论等工业工程方法的系统化集成应用[J].工业工程与管理，2017，22（2）：1-7.
收稿日期：2021-05-12
作者简介：谢光宇（1984—），男，江苏徐州人，工程师，研究方向：制药工业自动化与信息化。
关键词：制药智能化;公用工程管理;精益管理;SCADA
0 引言
公用工程系统是制药企业药品生产的基础。一般公用工程系统为制药生产提供电力、动力压缩空气、冷冻水等冷热媒介，工业蒸汽或纯蒸汽、工艺用气体如洁净压缩空气或氮气，纯化水与注射用水及空气处理系统等，几乎囊括了除药品生产工艺系统以外所有的支持系统。因此，制药公用工程系统对于保障制药生产效率和产品质量起着举足轻重的作用。
然而，与车间一般生产设备相比，公用工程设备存在以下3个问题：
（1）公用工程设备由于数量多、布局分散，无法像一般生产设备那样随时有人操作和观察。因此，对公用工程设备的管理，特别是大型制药企业，往往难以做到快速发现问题并及时响应和处理，以保证生产的稳定性和产品质量的可靠性。
（2）很多公用工程设备受外部环境和供应介质变化的影响，无法长期恒定维持产出的稳定可靠，需要视其状况进行干预调整。
（3）随着制药企业国际化脚步的加快和国家的质量监管越来越严格，制药企业对公用工程系统的质量要求和数据完整性要求越来越高，而公用工程系统一般寿命较长，很多老旧设备无法满足数据完整性的要求，无法对生产数据进行记录和存储，从而无法进行公用系统的质量回顾——这在目前国际甚至国内的GMP检查中都会作为“缺陷项”被提出。
同时，国家近几年推出的药品带量采购政策，对制药企业的成本控制提出了极高的要求，大量药品价格下降幅度超過50%乃至90%以上。如何在质量法规要求不断提高又需要极度压缩成本的情况下生存，是目前各药企面临的首要问题。
面对以上问题，本文尝试利用精益六西格玛工具，对某制药企业的公用工程系统进行全面分析，推出以自动化和信息化的技术手段进行智能化升级改造，加快提升公用工程系统管理效率，在保证质量的同时降低生产成本的方案。
1 精益六西格玛分析方法简介
精益六西格玛的改善步骤可概括为“DMAIC”过程：（1）定义（Define），根据客户的要求，利用价值流图等方法识别价值和目标;（2）测量（Measure），利用过程流图、测量系统分析等方法测量当前过程的相关数据;（3）分析（Analyze），根据测量的数据分析因果关系，尽量考虑所有因素，利用实验设计、失效模式等方法进行分析，以发现产生缺陷的根本原因;（4）改进（Improve），根据分析结果，利用防错、标准化等方法对流程进行改进;（5）控制（Control），利用控制图、过程文件化等方法，对未来的状态进行控制，以保证与目标间的缺陷已经纠正，并不断重复该过程，直到获得期望的结果[1]。
2 精益六西格玛模式在公用工程智能化改造中的应用案例
2.1 定义阶段
某制药企业运行中心，包含厂区内两个厂房的空调系统、水系统、空压系统、制冷系统、环境监测系统等所有公用系统，运行中心操作人员实行4班2运转制度，每班3个人，需要完成所有运行设备设施的巡视、操作、记录和异常与报警的处理，存在以下管理难点：
（1）设备设施多，共108台/套，且分布散、距离远，分布在厂区各个角落多个区域的多个不同楼层，巡视一遍行程约2.5 km;
（2）人工记录多，共需填写各种运行、操作记录82份;
（3）自动化不足，部分关键设备仍需要人工干预;
（4）质量保证难，无法24 h关注各个设备运转情况，异常情况无法及时发现，不能满足国际化认证需求。
综上所述，目前该运行中心存在的问题有两点：
（1）工作量大，每日所需工时较多，人员略显不足;
（2）质量管理不能满足国际化认证需求，对于系统异常未能实现24 h实时监测和响应。
针对以上问题，制订了两项项目目标（Y）：
（1）每24 h人员工时降低;
（2）关键工艺数据监测时间比例提升。
通过SIPOC图（图l），对L流水线的输入和输出过程进行分析，确定改善范围，包括空调机组、水系统和其他公用介质系统。
2.2 测量阶段
统计项目范围内所有系统相关工作的工时数据和记录情况，计算出目前每24 h人工工时为78工时，关键数据监测时间比例为4%。
根据现状数据，结合运行中心对于人员工作标准的提高和国际化质量要求的提升，制订了项目目标为每24 h人工工时从78工时降低到26工时，关键数据监测时间比例从4%提高到100%。
2.3 分析阶段
为达成项目目标，首先绘制出工时的帕累托图（图2），找到对于工时量影响最大的工作项目。
根据帕累托图的分析，找到对工时量影响最大的因子，如表1所示。
对于以上因子再进行深入分析，找出每项工作中无价值的部分，如表2所示。
2.4 改进阶段
根据分析结果，针对性地制订了以下改进措施： （1）消除行走时间→数据远程集中显示;
（2）有价值工作实现自动化→人工判断操作变自动程序控制;
（3）实现远程巡视→现场视频监控;
（4）两个监控室工作合并→两个监控室系统合并到一个监控室。
以以上改进措施为基础，计划建立一套公用系统的信息化管理系统，包含SCADA系统和CCTV监控系统，另外需要对水分配系统和蒸馏水机实行自动化改造。
2.4.1 公用工程信息化系统建设
系统建设按照以下步骤实施：
步骤一：与公用系统管理部门和质量部进行充分沟通，确定系统的用户需求说明即URS。
步骤二：获得所有需要采集的设备数据的地址表（地址表是系统建立的基础）。在采购设备的前期，除了要求配置通信接口硬件，还应当尽可能地获得系统的可编辑的程序，包括PLC、触摸屏或上位机，这不仅可以用于建立信息化系统，也有利于后期设备的改造和灾难恢复。如果供应商不能提供可编辑的程序，至少需要提供不可编辑的恢复程序和数据地址表。这些信息需要在设备验证的时候确认其正确性。
步骤三：编写设计文件，包括风险评估、追溯矩阵、功能设计说明、电路图等。
步骤四：进行设计确认。
步骤五：将必要的机械仪表更换为电子仪表，并建立仪表的采集系统。
步骤六：建立设备局域网。由于涉及两个厂房两个监控室，每个厂房单独建立公用系统局域网，连接各自区域所有设备，然后再通过公司内部专用工业网络将两个监控室连接起来。
步骤七：建立设备接口。对于PLC控制的自动化设备，采用各自通信协议转以太网接口模块建立接口。对于原系统具有上位机数据采集的，开通上位机软件的OPC接口，然后接入新建的专用网络。
步骤八：建立上位机系统。根据GAMP5对于软件分类和验证的原则，为了降低系统风险，上位机采用西门子WinCC软件，组态公用系统SCADA工程软件，用于采集到的设备数据的显示与存储。这样的软件根据GAMP5可以归类为4类，它们可以降低验证的难度。在两个厂房的监控室各建立一套上位机系统，其中主监控室不仅连接本厂房所有系统，还通过OPC将另一个厂房监控室上位机系统数据全部抓取过来，实现一个监控室监控两个厂房的数据。
步骤九：对系统进行安装运行确认，确保系统的文件、硬件、软件和功能满足用户需求。
步骤十：操作与维护SOP的编写以及培训，更新计算机化系统清单。
2.4.2 设备自动化改造
改造1：注射用水分配系统液位自动调节的改造。
改造前：（1）蒸馏水机需要给3个储罐补水，其中一个储罐体积较大，补水较慢，会对其他两个小储罐的补水造成影响，可能导致出现缺水停泵情况。（2）需要根据储罐耗水情况，人工去修改3个储罐的补水液位。
改造后：在系统的西门子MP277触摸屏中增加脚本程序，模拟人工补水液位的思路。当两个小储罐需水时，自动修改大储罐的补水液位，停止大储罐补水。当两个小储罐不需要补水时，将大储罐水量维持在较高液位，留有充分的缓冲量。
改造2：多效蒸馏水机进水流量自动调节的改造。
多效蒸馏水机在线监测工业蒸汽进汽温度，根据工业蒸汽温度和进水流量对照表，工业蒸汽温度值反馈进水流量，泵变频器改变频率达到设定的流量，保证产量最大化。但是采用工业蒸汽温度作为进水流量的控制依据效果不好，具体表现在以下3个方面：
（1）阶梯的控制参数控制精度不够，导致产水温度波动很大。
（2）实践表明，工业蒸汽温度与产水量两者之间并没有固定的比例关系，同样的温度，在不同的季节、不同的天气，蒸汽的质量不同，也会造成产水量不同。所以，无法根据工业蒸汽温度确定一个固定的流量值。因此，需要经常根据实际产水温度，去调节工业蒸汽温度对应的进水流量值。
（3）人工参与调节，无法实现实时调节，造成水温波动大，温度常过高或偏低，可能造成车间工艺设备水温过高报警，也可能造成蒸馏水机低温排放停机。
该项改造实施后，公用工程系统信息化系统上线，有了信息化系统，即可对蒸馏水机的各项数据进行分析，发现进水流量和一效温度以及产水温度之间的函数关系，根据这一函数关系修改对应的控制程序，实现进水流量的自动控制，降低产水温度的波动，从而降低平均水温，也避免了出现水温过高或过低的情况。
2.4.3 改进结果
在信息化系統上线和自动化改造后，运行中心的人工工时降低到了26工时/24 h，从过去的每班需要3名操作人员减少到了1名。对于关键工艺数据的监测从过去的4%时间占比提高到了100%。
2.5 控制阶段
经过DMAI这4个阶段后，公用工程系统的整体管理效率大幅提升，直观反映指标也有了明显上升，一些关键工艺数据波动区间也有了显著收缩。为保持改善成果，需对改善结果进行固化。
根据改善结果，对各因子的优化进行固化，编制和修订了相应的SOP，确保改善结果的持续有效。
3 结语
在此次公用工程系统智能化改造前，公用工程系统需要3名操作人员每4 h对全部公用系统设备进行一次巡视和抄表，每次巡视路线长达2.5 km，还无法保证所有系统24 h监测。在此次改造后，只需要1名操作人员就可以在控制室对所有设备的工艺数据进行24 h监测，同时所有数据每15 min记录一次，而对于数据异常则实时报警，一旦异常发生，控制室操作人员可以立刻通知现场维修人员进行处理。此次智能化改造，极大地提高了设备管理效率，更好地保证了公用介质的质量和数据完整性，为生产出更高质量的药品打下了坚实的基础。
[参考文献]
[1] 江志斌，周利平.精益管理、六西格玛、约束理论等工业工程方法的系统化集成应用[J].工业工程与管理，2017，22（2）：1-7.
收稿日期：2021-05-12
作者简介：谢光宇（1984—），男，江苏徐州人，工程师，研究方向：制药工业自动化与信息化。