制药自动化技术.doc

简述制药自动化技术马仁俊 中国药科大学 制药工程 江苏 南京【摘要】自动化（Automation）是指机器设备、系统或过程在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。本文简述了自动化技术在制药行业中的应用与发展。【关键词】自动化技术；制药行业；自动化与制药自动化是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。自动化技术的发展推动了工业生产的快速发展，在制药行业中起着十分重要的作用，由于采用了自动化仪表和集中控制装置，促进了连续生产过程自动化的发展，大大地提高了劳动生产率，乎的了巨大的社会效益和经济效益。1 制药过程自动化控制系统介绍1.1 简单控制系统简单控制系统结构简单、易于实现和操作, 它是各类复杂、先进控制系统的基础、控制单元，因此, 简单控制系统是在目前制药生产过程中仍被广泛使用的一种自动控制系统，简单控制系统是由一个控制器、一个传感器(测量仪表) 、一个执行器(如控制阀等) 和一个被控对象所组成的定值控制系统, 它的系统组成如图1。1.2 复杂控制系统复杂控制系统是指那些系统的结构复杂, 不同调节目的及解决特殊问题的自动控制系统，复杂控制系统的种类繁多, 根据控制系统的结构和所担负的任务来说, 常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、分程、前馈、取代、三冲量等控制系统。如图2。1.3 计算机控制系统计算机控制系统的工作流程为:生产过程中被控变量的信号经过测量线路测量, 转换成电信号,送入多路开关和采样保持器进行巡回检测,通过模/数转换器(A /D )转换成数字量输入数字控制器，在数字控制器中,将巡回检测的数字量与给定值进行比较,按照一定控制规律进行运算, 输出控制信号，该输出信号经数/模转换器(D /A )、保持器后作用于执行器去调节生产过程，计算机控制系统的组成及工作流程如图3。2 自动化技术在制药生产中的应用制药工业涉及化学合成制药过程、生物代谢制药过程、天然药物分离纯化过程以及各种药物制剂配置加工等过程，具有工艺复杂、设备种类繁多、高温高压、腐蚀、易燃、易爆有毒有害等特性，为了保证生产人员、生产设备、生产环境以及生产原料和产品的安全，更为了用药人的权益和安全，必须有可靠有效的检测与控制手段来确保所需的全部安全。任何一个制药过程都离不开自动检测与自动控制技术。2.1 药物制剂生产中的应用自动控制系统及自动控制技术在药物制剂生产中的应用越来越广泛，例如：物料的加热、灭菌温度的自动测量、记录和控制；洁净车间中空调系统的温度、湿度及新风比的自动调节；多小注射用水机中对所产注射用水的温度、电导率的检测的控制。在制剂生产过程中，需要对某一方面进行自动保护，否则将可能影响产品质量或生产其他不利影响，粉针剂生产中的螺杆式分装机的自动保护有防金属微粒的保护和无瓶保护。在制剂生产过程中的自动检测，在生产过程中需要连续对产品进行检测，以控制和保证产品质量或检测生产状况。在粉针剂生产流水线中，为便于对分装、扎盖、灯检等工序进行考核和计算效率，可在各工序后的输送带上设光电计数器，通过计数器全面掌控各工序生产状况。片剂生产中，片重差异是片剂片剂的重要指标之一，影响片中差异大小的因素很多，不可能对每片进行称重，难于保证不合格的片子不进入合格产品中。就是用了自动剔除片重不合格片子的压片机。在粉针剂生产中，洗净的西林瓶需要在隧道烘箱内干燥和灭菌，灭菌的温度需达到350并保持5min。因此需要保持在温度规定范围内就采用了简单的闭环自动控制系统。2.2 中药提取中的应用中药提取过程的自动控制系统包括硬件和软件两大部分。硬件包括控制计算机、各种自动阀和切换器、自动传感装置、自动检测装置、自动输送装置等。软件则包括计算机信息集成软件平台、集散控制系统及可编程控制器等。自动控制系统对提取过程的温度、流量、鸭梨液位、重量、浓度（含量） 、ph值等工艺参数和质量参数，进行数据采集、分析、显示、报警和控制等，已实现各种工艺操作的自动控制。利用自动化技术实现提取过程中对质量的实时监控，实现高效、稳定、可控、节能的中药提取。中成药生产水提取工序的加水方式一般分为经验估计加水和水表计量加水精度受水压的影响较大。而且操作计量都很麻烦。为此使用了一种任意定量控制加水系统。该装置也采用了简单的闭环控制系统。2.3 净化空调系统中的应用洁净环境区域是制药生产所必须的。洁净环境区域是一综合工程，建筑结构、内部隔断是基础，是根本。而组合式空调箱、冷热源、过滤器、消毒器、自动控制系统则反映了投资档次和管理素质水平。在日常工作中我们习惯把整个净化空调设备系统，作为一项工作处理；整个净化空调的最终的空气参数，作为一项工作处理。这两项工作即有它们的相对独立性又有紧密的联系性。空调机组及风管：该套系统是实现空气净化的必需的基础设备，它的作用就是把自然空气进行处理，以求得符合制药要求的净化空气。为完成工业设计的基本思想，对每一个具体参数，都有一套装备来实现，如： 空气的洁净度参数控制；主要靠各种各级空气过滤器，而过滤器的在线工作性能好坏，就要靠压差式仪表的检测，压差表又分为现场式和远传式。现场式简单价廉，远传式可满足控制的需要。现在我国制药厂广泛使用的是，美国Dwyer公司生产的2000系列微压差表。 空气温度参数的控制；温度的调节主要靠冷热水为介质载体作为热交换的。人工的方法控制，温度的波动性较大。用温度变送器、可调节阀门、PLC调节器组成的闭环系统，可完成自动化控制的目的。 空气的湿度参数控制；湿度的调节相对温度为复杂，增湿可以用喷淋水幕的方法。减湿目前通常是用低温冷却的方法。控制方式同温度方法。仪表的生产厂家较多有限公司维萨拉。E+E、SHINYEI、国内也有些仪器仪表厂做OEM的。 空气的风速和风量参数控制；传统的控制方法是用百叶风阀门进行调节控制，现在通常采用风机电机变频的方法，它具有风压稳定，节能降耗，自动化控制的功能。变频器有日产、德国产、国产等多种品牌。3 制药自动化技术的发展和展望药品生产的发展经历了由简单到复杂，规模不断扩大的过程, 其相应的控制技术也经历了一个不断完善、不断发展的过程, 经历了由简单控制系统、复杂控制系统到计算机控制系统，随着GMP的实施,对药品质量的要求越来越严格, 越来越注重对生产过程的控制,保证各种操作具有重演性、可追溯性而人工操作与传统的生产控制已无法满足现代制药生产的要求，因此,大力发展工业过程自动化技术, 是确保产品质量的重要手段，自动化技术的实施也是确保制药生产过程达到安全生产、降低消耗、高效产出、利于环保等综合生产目标的必经之路。3.1 制药过程自动化技术的发展自动化技术的发展大致经历了自动化技术形成、局部自动化、综合自动化3个时期，18 世纪末到20 世纪30年代是自动化技术形成时期, 应用自动控制的方法来代替人工控制各种机械设备, 是人类发展史上的一大创举。我国在20世纪60 年代, 制药生产过程朝着规模化、连续生产、综合利用方向迅速发展，此时, 在实际生产中应用的自动控制系统主要是温度、压力、流量和液位4大参数的PID的控制系统。20世纪80 年代以来, GMP 的实施,对药品质量要求更高, 先进生产设备的大量引入, 使自动化程度显著提高，自动化技术已成为现代制药工业提高效率、保证产品质量的必不可少的生产技术手段, 并且自动化技术已发展为控制和管理一体化的综合自动化系统, 社会和经济效益也越来越显著。3.2 制药行业自动化技术的展望随着中国经济的发展和全球化进程的加快，中国的制药企业，尤其是大型制药企业集团，更是面临着前所未有的挑战。通过现代IT技术的引入使公司把这些曾经分散的业务和生产过程合并成为一个高效、完整的整体。通过公司内部局域网、互联网和先进的软件应用，公司管理层能全面控制各车间和处室的业务活动。 近年来，在国际上提出流程工业现代集成制造系统框架，即ERP（企业资源规划）/MES（生产执行系统）/PCS（过程控制系统）三层结构。这种结构结合了先进的工艺制造技术、现代管理技术和以先进控制为代表的信息技术，集成了企业的经营管理、生产过程的控制、运行与管理等各个方面，将其作为一个整体进行控制与管理，实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，从而成为提高企业竞争力的重要技术手段。目前，制药工业正在按照这样的三层架构模式进行规划，有计划、有步骤的实施信息化建设。基于流程企业的ERP/MES/PCS三层结构，以提高企业竞争力为目标，建立企业“两个中心”-生产成本控制中心、生产质量控制中心。 DCS系统已经得到了广泛的推广与应用，相当一部分企业已经实施了ERP系统，MES系统的某些功能模块已经得到应用。先进控制技术在关键工艺控制单元的应用在合成生产工艺过程中，生产过程复杂，工艺较长，由于控制点较多，每步操作都需要有人工干预控制，同时，又包含一些复杂的控制对象如pH值控制等。pH过程本身具有严重的非线性；在中和点的附近具有较高的灵敏度；难于建立准确的数学模型；环境（如温度、压力等）的变化以及其他干扰的存在都会改变pH过程特性；一般要求pH值跟踪一条预定的时变曲线。所有这一些表明常规的、采用固定结构、单一的控制器或采用变参数的PID控制，都难以达到工艺要求，不能满足pH值控制的要求。因此对合成工艺生产中的pH值采用先进控制非常必要。 先进控制是实现工艺优化和工厂综合自动化的基础。pH控制系统所涉及的生产装置多、需要控制的工艺参数多，同时存在的耦合性强、非线性严重。为此，人工操作的劳动强度大、人为影响生产的因素多，导致生产产量不稳定、质量不稳定。尽管已经采用计算机控制系统，但是由于没有采用先进控制技术和算法，生产控制仍然以人工操作为主，同现代化企业的要求仍然有较大的差距。为此在现有计算机控制系统的基础上，采用先进算法和模态识别技术进行pH控制系统的先进控制，完成pH过程的自动化，具有十分重要的意义。4 自动化技术带动制药企业快速高效发展据统计数据显示，1978年，我国医药工业总产值只有72.8亿元，到2008年，我国医药工业累计实现总产值8666.82亿元，相当于1978年的123倍，2009年我国医药工业总产值有望超过1万亿元，实现利润总额有望超过1000亿元。一系列市场研究也表明，今后5年中国制药行业将以年均9%10%的速度增长，IMS曾预测，2011年，中国将成为世界第五大药品市场，2020年，中国医药产业将仅次于美国居世界第二位。制药行业发展到今天，日益注重生产的高效以及成本的节约，而自动化信息技术的应用当之无愧成为提高生产效率和优化管理的最强有力的手段，很多业界的成功案例也使我们深刻感受到自动化信息技术为制药业所带来的巨大变化，从某种意义上说，自动化信息技术应用程度的高低决定了一个药厂的竞争力和发展空间，制药行业着眼于过程控制和自动控制仍将是企业取得成功的关键。世界20个顶尖的制药公司及一流生物技术公司，包括辉瑞公司、拜耳保健公司、诺华公司、默克公司、美国健赞公司等都在规划数字化工厂模型，实施MES及BATCH柔性化多品种生产管理系统，其中有些公司已经决定在其全球生产网络中采用该解决方案。我国的制药企业，要想踏上自动化信息技术高速发展的列车，挤身世界强企之林，必须加快以下几个方面的战略规划和建设： 加大基础自动化投资力度，广泛应用先进控制技术。 在制药生产线大力推广BATCH柔性化多品种生产管控系统，是快速适应市场多变的强有力的保证。 应用质量控制管理系统，是保证产品质量的重要手段。 规划实施生产执行系统(MES)，是实现生产过程管理创新的技术手段。 应用ERP（企业资源计划）系统，实现企业业务流程的优化。5 结语药品生产的发展经历了由简单到复杂、规模不断扩大的过程, 其相应的控制技术也经历了一个不断完善、不断发展的过程。随着GMP的实施, 对药品质量的要求越来越严格, 越来越注重对生产过程的控制,保证各种操作具有重演性、可追溯性。大力发展工业过程自动化技术, 是确保产品质量的重要手段，自动化技术的实施也是确保制药生产过程达到安全生产、降低消耗、高效产出、利于环保等综合生产目标的必经之路。参考文献1 孙旨义. 如何应用自动化信息技术