基于S88标准的生物制药自动化系统设计

作者:朱博 文章来源:PHT《制药业》 点击数:48 发布时间:2018-07-31
本文介绍了批量过程控制 ISA S88标准,以及如何据此设计适用于生物制药生产的自动化系统,并以其中的缓冲液配置工段为例,详细阐述了如何搭建S88模型、编制配方,来实现模块化设计。
基于S88标准的生物制药自动化系统设计

国际标准S88为批次控制提供了标准化模型的定义和规范——本文介绍了批量过程控制 ISA S88标准,以及如何据此设计适用于生物制药生产的自动化系统,并以其中的缓冲液配置工段为例,详细阐述了如何搭建S88模型、编制配方,来实现模块化设计。

近年来我国制造业持续高速发展,有力推动工业化和现代化进程。在国务院新发布的“中国制造2025”中,生物医药被列为十大重点领域之一,这就对企业的生产管理提出了更高要求。自动化系统是提高生产效率、保障生产质量并提高管理水平的有力平台。鉴于医药行业的生产属于批次类别,国际标准S88为批次控制提供了标准化模型的定义和规范,使得系统设计标准化并且保证了系统的柔性,可以极大地提高开发效率,保证开发质量。

本文以作者参与的项目为例,介绍如何根据S88标准为某生物制药工厂的缓冲液配置工段构建物理模型和生产过程模型。

S88标准介绍

S88.01 是一个国际工业标准,在世界范围内都得到了非常广泛的运用。它的全名是ANSI/ISA-88.01-1995,批处理控制部分1:模型和术语。它主要定义了两类模型:物理模型和过程模型。

物理模型

如图1所示,物理模型有七个层级:

图1 S88物理模型

图1 S88物理模型

企业(Enterprise):安排一个或多个工厂生产活动的组织。

工厂(Site): 企业的批量生产组成部分之一。

区域(Area): 工厂的批量生产组成部分之一。

工艺单元(Process Cell): 一组单元的集合,来实现一组或多组的批次生产活动。

单元(Unit): 一组设备模块和控制模块的集合,用它们来完成规定的操作。

设备模块(Equipment Module): 一组控制模块,用于执行某个特定的活动。

控制模块(Control Module): 一组传感器、执行机构或其它控制机构,执行一个基本的活动。

需要注意的是,通常情况下,最上面三个层级属于企业的业务层,不在生产制造之列。因此在实际应用中,一般都把系统定义到工艺单元层为止。

过程模型:

如图2,S88过程模型分为4个层级。

图2 S88过程模型

图2 S88过程模型

过程(Procedure): 一组设备单元过程,用来规定操作顺序。

单元过程(Unit Procedure):是一组操作的集合,这些操作按照一定顺序执行。

操作(Operation): 由若干个阶段组成。

阶段(Phase): 过程模型中的最小元素,调用物理模型中的控制模块/设备模块,给予命令。

这些过程元素都遵循一套状态定义,并且相互之间形成转换关系如图3。

图3 S88过程模型状态转换图

图3 S88过程模型状态转换图

图4 缓冲液1号罐B01工艺管道图

图4 缓冲液1号罐B01工艺管道图

配方及公式

配方是在ISA S88中一个非常重要的概念,其定义为:唯一的用来规定一个产品生产所要求的一系列必要的信息。ISA S88指定 了以下4种类型的配 方:通用配方(general recipe),现场配方(site recipe),主配方(master recipe)和控制配方(control recipe)。

配方包含着 4种信息:

标题(header)——提供有关配方的用途、来源和版本等信息。

公式(formula)——与产品生产程序有关的一组数据,包括过程输入、过程输出和过程参数。

设备要求 (equipment requirement)——规定了产品生产的需要和设备类型、尺寸以及材质等要求。

过程(procedure )——过程是配方的一部分,这部分中规定了一种产品生产的通用策略,包括必需的生产操作以及顺序、相应的控制要求。

缓冲液配置系统开发

本文谈及的系统对象是某制药企业新建的生物制药生产车间中的缓冲液配置工段。此工段包含2个1000 L和1个500 L的配置罐。它们结构类似,工艺流程相同。本文便以其中1号罐B01为例,进行详述。

物理模型搭建

不难看出,可以将此系统图内的全部部件定义为一个单元。其最小执行机构也就是“控制单元”主要有阀门、电机、仪表信号输入。可定义“设备模块”如表1和图5所示。

表1 缓冲液1号罐B01设备模块表

表1 缓冲液1号罐B01设备模块表

图5 B01设备模块划分

图5 B01设备模块划分

过程模型搭建

首先缓冲液配置的工艺流程如下:

显然,“缓冲液配置”定义为一个“过程”,而图6中每一个步骤则定义为“单元过程”,其中“加物料”,“加纯水”和“加蒸馏水”逻辑类似,“温度控制”和“压力控制”逻辑类似,因此可以定义为同一种“单元过程”,通过调整参数来区分。而“搅拌控制”则可以合并到平行的“单元过程”中。这样总共只要创建3中“单元过程”即可,如图7所示。

图6 缓冲液配置工艺

图6 缓冲液配置工艺

图7 缓冲液配置“过程”

图7 缓冲液配置“过程”

然后每个“单元过程”内再创建“操作”,以上图中的“调节”为例:

以此类推,搭建好所有的“单元过程”、“操作”和“阶段”,最后“阶段”再调用“设备模块”,给予相应的命令,使设备按照工艺要求运行起来,实现过程模型和物理模型的联结。

配方搭建

物理模型和过程模型搭建好之后,配方便相应生成了。其主架构便是在“过程”中决定要用哪些“单元过程”,每个“单元过程”中又需要哪些“操作”,依此类推,每决定好一种组合,便是一种配方。而同一种配方,又可以通过调整配方参数形成不同的“公式”,一旦决定,便可以存储以方便生产时调用。既保证了可重复性,也保证了柔性。图9为配方操作界面示例。

图8 缓冲液配置“调节”“单元过程”

图8 缓冲液配置“调节”“单元过程”

图9 配方操作界面

图9 配方操作界面

结语

批量生产是一门独立的、有自身特点的、在制药领域广泛应用的技术。ISA S88标准的模块化特点可以避免许多重复工作,并且减少错误发生,提高了系统的可靠性、柔性和开发的便利性。

【参考文献】

[1] 21CFR Part11 美国联邦法规21章第11款

[2] ANSI/ISA.S88.01-1995

[3] 周震宇,张彦斌,基于ISA S88标准批量控制策略的研究与实现,自动化仪表,2004

[4] DeltaV Books Online Version 11.3.1. Copyright © 1994-2010, Fisher-Rosemount Systems, Inc.

本文作者来自于泽尼斯自动化设备(上海)有限公司。