Výrobní informační a řídicí systém jednotky pro výrobu cytostatik

Článek v podobě případové studie přibližuje použití výrobního informačního systému PHARIS® (UNIS) a distribuovaného řídicího systému Modicon Premium (Schneider Electric) ve farmaceutické výrobě.
 

Celkový přehled

Výrobní informační a řídicí systém byl použit ve firmě Pliva – Lachema, a. s., Brno, ve výrobní jednotce aktivních farmaceutických substancí, které se používají na přípravu cytostatik (CTS API). Systém zde zajišťuje řízení výroby jako celku, řízení jednotlivých výrobních prostředků, pořizování kontinuálního záznamu o výrobě, analýzu a archivaci výrobních a technologických dat.
 

Klíčové cíle a přínosy

Na počátku implementace systému bylo vytyčeno několik klíčových cílů:
  • vytvořit jednotné uživatelské rozhraní v rámci celé výrobní jednotky,
  • zabezpečit funkce systému a provozní data proti přístupu neoprávněných uživatelů,
  • zabezpečit provozní data proti fyzické ztrátě,
  • zajistit řízení a správu elektronických záznamů o šarži,
  • umožnit kvalitativní a kvantitativní vyhodnocení dokončené výroby,
  • podpořit validovatelnost systému podle GAMP 4 a zaručit shodu s CFR 21 Part 11.

Koncepce řešení

Systém je navržen jako distribuovaný řídicí a informační systém (obr. 1). Provozní stanice řídicího systému Modicon Premium (Schneider Electric) shromažďují data z jednotlivých měřicích míst, zpracovávají je a přenášejí po Ethernetu do stanice FIXSVR. Zde jsou informace získané z těchto dat vizualizovány a současně jsou data sbírána kolektorem datového skladu. Z kolektoru putují do datového úložiště iHistorian (GE Fanuc) na serveru PHARSVR. Operátorské vizualizační rozhraní je realizováno pomocí programu HMI/SCADA iFix (GE Fanuc). Výrobní data jsou ukládána do databáze Microsoft SQL Server 2005. Výrobní informační systém je postaven na produktu MES PHARIS od společnosti UNIS, a. s.
 
Ke službám výrobního systému se přistupuje prostřednictvím jedenácti klientských stanic (standardní PC s nainstalovaným prohlížečem Internet Explorer). Současně je prostřednictvím VPN vytvořeno propojení do podnikové sítě, které využívají řídící pracovníci a technologové.
 
Nejvyšší úroveň řízení výroby je realizována v MES Pharis, který zajišťuje sledování a řízení výroby šarže podle řídicí receptury od zahájení výrobního příkazu až po finální propuštění produktu. MES vede obsluhu jednotkovými řídicími recepturami a jejími operacemi. V průběhu výroby postupně vzniká úplný elektronický záznam – Electronic Batch Record (EBR), který obsahuje všechny skutečné údaje spojené s výrobou. Parametry stanovené v recepturách (nastavení termostatů, provozu sušáren apod.) jsou během výroby přenášeny prostřednictvím řídicího systému až do výrobních zařízení, a umožňují tak nastavovat parametry výroby i na provozní úrovni.
 

Měřené a řízené veličiny

Systém měří a zaznamenává tyto veličiny: teplotu, tlak, pH, vodivost, otáčky, hmotnost, polohu hladiny, intenzitu záření UV zářičů, a dále poruchy a stavy zařízení (čerpadla, ventily atd.).
 
Jednotlivá měření lze z hlediska přenosu informace rozdělit na:
  • měření proudovou smyčkou 4 až 20 mA (např. měření teploty, otáček a polohy hladiny),
  • měření s digitálním přenosem, kde jsou data přenášena v protokolu ASCII prostřednictvím RS-485 (měření teploty a tlaku sušáren a odparek, měření hmotnosti, vodivosti, měření teploty pro termostaty),
  • měření s digitálním přenosem sběrnicí Profibus-PA (měření pH).
Digitální přenos byl zvolen s ohledem na požadavky velké přesnosti a kvality měření. Zejména u měření pH se analogový přenos obecně jeví jako zcela nevyhovující. Systém přímo řídí teploty, tlaky, pH a otáčky v různých částech technologického zařízení.
 

Řízení okruhu čištěné vody

Řízení okruhu čištěné vody má automatický, manuální a servisní režim. Okruh lze ovládat dálkově a místně. Řídicí systém reguluje hladinu v zásobníku čištěné vody a tlak v cirkulačních okruzích, blokuje dopouštění a chod čerpadel a řídí UV zářiče a jejich blokování.
 

Regulace pH

Hodnota pH se reguluje dávkováním kyselin nebo zásad peristaltickými čerpadly. Dávkovaný objem se pohybuje v řádu mililitrů. Současně je zohledněna změna teploty a její udržování v požadovaných mezích.

Regulace teploty duplikátorů cirkulačními regulátory

Teplota v duplikátorech je fyzicky regulována cirkulačními regulátory (výměníkové stanice s regulátorem), které jsou řízeny přímo řídicím systémem. Hodnota požadované teploty se přenáší sériovou komunikací. Do řídicího systému se přenášejí informace o stavu zařízení, alarmy, aktuální požadovaná hodnota (setpoint) teploty a aktuální hodnota interní a externí teploty.
 

Sušárny

Chod sušáren je určen tzv. provozním schématem (definovaný průběh teploty a tlaku v čase). Tato schémata jsou v rámci výrobních operací přenášena z MES Pharis do řídicího systému a odtud sériovou komunikací do programovatelných automatů sušáren. Zpětně jsou načítány aktuální provozní veličiny.
 

Řídicí systém

Jako provozní stanice řídicího systému je použit Modicon TSX Premium, výrobce Schneider Electric, s procesorem 57-20. Pro přenos dat do vizualizační stanice a komunikaci se servery je použito ethernetové rozhraní. Sběr požadovaných analogových a digitálních signálů zajišťují tři analogové (TSXAEY1600) a tři digitální (TSXDEY16D2) vstupní karty. Dále je instalována komunikační karta (TSXSCP114) s protokolem Profibus-DP a převodník Profibus-DP/PA pro připojení snímače pH. Rovněž jsou instalovány komunikační karty (TSXSCY21601) s podporou protokolu ASCII pro připojení sušáren a termostatů. Veličiny jsou řízeny třemi analogovými (TSXASY800) a dvěma digitálními výstupními kartami
(TSXDSY16T2). Napájení řídicího systému je zálohováno z UPS.
 

Datové servery a klientské stanice

Vizualizační server FIXSVR je postaven na hardwarové platformě Dell PowerEdge 800 s napájením zálohovaným lokální UPS. Na serveru je instalován operační systém Microsoft Windows 2000 Server, vizualizační software iFix 4.5 (GE Fanuc) s licencí na 900 proměnných, kolektor průmyslového datového skladu iHistorian (GE Fanuc) a OPC server dodaný firmou Schneider Electric pro komunikaci mezi řídicím systémem a MES.
 
Server PHARSVR je postaven na hardwarové platformě Dell PowerEdge 2800 s napájením zálohovaným lokální UPS. Na tomto serveru je instalován operační systém Microsoft Windows 2003 Server, průmyslový datový sklad iHistorian 2.0 (GE Fanuc) a Microsoft SQL Server 2005 jako datová základna serverové části výrobního informačního systému Pharis, jehož aplikační vrstva je rovněž hostována na tomto serveru.
 
Klientské stanice jsou hardwarově běžná PC Dell Optiplex GX270 a Dell OptiPlex 745 s nainstalovaným operačním systémem Microsoft Windows 2000 a Windows XP.
 
Jednotlivé servery, klientské stanice a řídicí systém jsou propojeny řízeným přepínačem (managed switch) Cisco Catalyst 2960 (24 portů).
 

Operátorské rozhraní – vizualizace technologického procesu

Rozhraní člověk-stroj je realizováno přehlednou grafickou prezentací technologických informací v podobě operátorských obrazovek schematicky zobrazujících monitorované (řízené) výrobní provozy (obr. 2).
 
Toto rozhraní je k dispozici na stanici FIXSVR a je postaveno na softwaru iFix 4.5, který rovněž zajišťuje zobrazení časových průběhů (tzv. trendů) technologických veličin v podobě grafů, nastavování mezí alarmů technologických veličin, generování a prezentaci alarmových stavů (překročení mezí alarmů technologických veličin, detekce poruchy měření technologických veličin), generování alarmových zpráv (zásah operátora, porucha komunikace, přihlášení operátora, odhlášení operátora atd.). Systém SCADA je připojen k řídicímu systému prostřednictvím rozhraní Ethernet s protokolem Modbus. Aplikace je současně zdrojem dat pro datový sklad a MES Pharis.
 

Informační systém Pharis

Výrobní informační systém Pharis je založen na třívrstvé architektuře. První dvě vrstvy – datový sklad a aplikační server – jsou nainstalovány na serveru PHARSVR. Třetí vrstva, představující rozhraní systému Pharis vzhledem k uživateli, je tvořena tzv. tenkým klientem, představovaným internetovým prohlížečem Microsoft Internet Explorer.
 
Sytém Pharis zajišťuje řízení výroby, generování a správu elektronických záznamů o šarži (EBR), správu receptur a výrobních zdrojů, kvalitativní a kvantitativní vyhodnocení výroby, AuditTrail, prezentaci dat formou operátorských obrazovek, prezentaci časových průběhů (trendů) okamžitých i historických hodnot technologických veličin v podobě grafů a prezentaci alarmů (aktuálních i historických).
 

AuditTrail

Důležité události související zejména s interakcí člověk-stroj, které mají původ jak v operátorském rozhraní, tak v informačním systému, jsou automaticky zaznamenávány do elektronické databáze AuditTrail. Každý záznam obsahuje minimálně časovou značku vzniku události, identifikační kód operátora a popis charakteru události. Zaznamenané události lze zpětně prohlížet.
 

Receptury

Systém Pharis umožňuje komplexní správu receptur. Má rozhraní pro definici typových výrobních kroků, ze kterých jsou skládány výrobní operace. Editor kroků umožňuje zobrazit seznam existujících typů kroků, přidat nebo odebrat typ kroku, zobrazit jeho detail, provést změnu a definovat názvy a typy parametrů kroku.
 
Parametrizované výrobní operace potom vytvářejí receptury. Správa receptur znamená založení nové receptury, editaci existující receptury, její smazání, tisk seznamu receptur a detailu vybrané receptury. K dispozici je rovněž seznam receptur s možností variabilního rozložení do sloupců, třídění, vyhledávání a filtrace.
 
Co do počtu funkcí je nejrozsáhlejší editor receptur, umožňující např. kopírovat obsah receptur, konfigurovat operace, definovat normy spotřeby materiálů, definovat sekvence kroků pro každou operaci samostatně, parametrizovat výrobní kroky, přiřadit on-line technologické veličiny operacím a krokům, přiřadit zařízení operacím a krokům, provázat pracovní úkony a operace (ve výrobě potom lze přidělovat k pracovním úkonům operátory a určit dobu strávenou na daném úkonu) a jiné.
 

Bilance a vyhodnocení dat

Pro potřeby uživatelských analýz zaznamenaných dat je součástí systému i modul bilancí, dovolující sledovat genealogii šarže, kvantitativně vyhodnocovat průběh výroby, hodnotit kvalitu vyrobených šarží, vytvářet reverzní genealogii vstupních materiálů a hodnotit efektivitu využití výrobních zdrojů (OEE).
 

Sledování zdrojů

Pro vyhodnocování využití výrobních zdrojů je implementována evidence stavů výrobních zařízení (výroba, oprava atd.). U každého zařízení je sledován stav a čas změny stavu. Podobně se sledují i stavy čistých prostor, u kterých je navíc zavedena evidence validací. Dalším sledovaným parametrem jsou lidské zdroje, které jsou provázány s operacemi v recepturách. Ve výsledku lze sestavit přehled pracovníků, činností, které jimi byly vykonávány, a doby jejich vykonávání.
 

Elektronický záznam o výrobě šarže

MES Pharis podporuje automatické generování elektronických záznamů o výrobě šarže (EBR; obr. 3), které jsou důležitým prvkem v dokladování průběhu výroby. EBR obsahuje hlavičku s obecnými údaji, seznam provedených operací a kroků, seznam kritických parametrů, seznam parametrů přiřazených ke kroku a plánovanou spotřebu na krok, seznam zařízení, která se mohou použít při výrobě šarže, a seznam všech násad pro navažování. Údaje jsou řazeny chronologicky a jsou doplněny informacemi identifikujícími obsluhu, která vykonávala jednotlivé výrobní kroky.
 

Řízení výroby

Při řízení výroby je lidská obsluha pomocí MES Pharis vedena jednotlivými výrobními operacemi. Významným kontrolním prvkem je automatické zaznamenání skutečných dosažených provozních veličin a parametrů.
 

Alarmy

Součástí MES Pharis je i správa výstražných hlášení − alarmů. Systém umožňuje nastavovat meze alarmů provozních veličin a zobrazovat vzniklé alarmy. Jestliže obsluha potvrdí alarm v MES Pharis, je potvrzen i ve vizualizaci iFix. Potvrzený alarm je přesunut do historie a je vytvořen záznam v databázi AuditTrail. Jak aktuální, tak i historické alarmy je možné třídit, filtrovat, exportovat apod.
 

Časové průběhy veličin

Časové průběhy veličin, tzv. trendy, jsou prezentovány v podobě grafů (obr. 4). Uživatel může seskupovat technologické veličiny do skupin, tisknout je a exportovat. K dispozici jsou nástroje pro pohodlnou práci se zobrazenými průběhy veličin.
 

Datová základna

Datovou základnu systému tvoří provozní data z výrobního procesu (měření provozních veličin), technologická data, tj. data vzniklá činností systému a interakcí s obsluhou, a konfigurační data (nastavení systému). Data jsou ukládána v centrálním úložišti, tvořeném relační databází na platformě Microsoft SQL Serveru (výrobní data) a průmyslovým databázovým serverem Proficy Historian od GE Fanuc (technologická data). Kapacita úložiště je garantována minimálně na pět let.
 

Rozhraní

MES Pharis je autonomní a v současnosti není propojen s jiným informačním systémem. Nicméně jsou připravena standardní datová rozhraní a celé řešení je koncipováno jako otevřené, tj. bude možné kdykoliv v budoucnu např. rozšířit počet monitorovaných a řízených veličin, připojit data z dalších zdrojů (např. z lokální výrobní linky) či realizovat obousměrnou komunikaci s jinými informačními systémy (ERP, jiný MES, CRM atd.). Na fyzické úrovni je MES Pharis připojen do podnikové LAN přes ethernetový řízený přepínač (managed switch). Přístup k Pharisu mají tedy nejen pracovníci výroby, ale např. i vedoucí pracovníci (v souladu s jejich přístupovými právy). Aplikačním rozhraním pro uživatele MES Pharis je Microsoft Internet Explorer.
 

Zabezpečení

Systém zajišťuje zabezpečení dat proti neoprávněnému přístupu a manipulaci s daty kombinací bezpečnostních funkcí standardně implementovaných v operačních systémech Windows, vizualizačním softwaru iFix a v systému MES Pharis. Přístup operátorů k funkcím systému je omezen uživatelskými účty a diferenciací přístupu podle přiřazených oprávnění. Zabezpečení posiluje automatické odhlášení po stanovené době nečinnosti a exspirace hesel. Klienty komunikují se serverem protokolem HTTPS.
 

Zálohování a obnovení dat

Veškerá data jsou automaticky zálohována (kombinací přírůstkové a kompletní zálohy) ve formátech umožňujících rychlou obnovu v případě jejich ztráty (porucha, havárie apod.). Vytvořené zálohy jsou přesouvány mimo výrobní areál. Z bezpečnostních důvodů jsou zálohovaná data uložena v nečitelném formátu.
 

Jednotný čas

Pro zajištění časové kompatibility zaznamenaných dat je v systému zaveden centrální čas, který je automaticky synchronizován každých 24 hodin s časovým serverem navázaným na státní etalon.
 

Napájení systému

Klíčový hardware (servery, řídicí systém) je napájen prostřednictvím UPS s aktivní korektní procedurou shutdown připojeného hardwaru. Po dlouhodobém výpadku a obnovení napájení se celý systém automaticky uvede do provozního stavu. Primárním účelem použitého zálohovaného napájení je překonaní krátkodobých výpadků v řádu milisekund až sekund.
 

Kalibrace a justování

Pro zajištění maximální věrohodnosti historizovaných provozních veličin a průkaznosti výroby za předepsaných podmínek byly všechny měřicí systémy kalibrovány a justovány. U kritických veličin byl použit digitální přenos informace z místa měření.
 

Uvedení provozních přístrojů v prostředí s nebezpečím výbuchu do bezpečného stavu

Část řízené a monitorované výrobní technologie, tzv. Pilot Plant, je provozovatelem využita k testování výrobních postupů nových produktů. Vzhledem k odlišným potřebám různých výrobních postupů vznikají i různorodé požadavky na výrobní zařízení a provozní přístroje v této části technologie. Původní koncepce nevyžadovala provozní přístrojové vybavení (snímače a akční členy) v provedení s certifikací ATEX do prostředí s nebezpečím výbuchu. Nové výrobní požadavky si však vynutily změnu této koncepce. Komplexní výměna provozních přístrojů za snímače a akční členy s certifikací ATEX byla zamítnuta vzhledem k velkým nákladům a bylo zvoleno řešení spočívající v galvanickém odpojení přístrojů v okamžiku detekce výbušného prostředí. Samotné odpojení je prováděno v nevýbušné zóně pomocí relé s pozlacenými kontakty. Toto řešení splnilo všechny technické požadavky provozovatele výroby a současně bylo cenově přijatelné.
 

Realizace systému, dokumentace a validace

Veškeré činnosti spojené s implementací systému řízení a monitoringu (návrh, projektová dokumentace, kódování, instalace, testování a uvedení do provozu) byly vykonány v souladu s GAMP 4, TickIT, ISO 9001, ISO 20000 a ISO 27000.
 
Projektová dokumentace byla vytvořena v rozsahu určeném v GAMP 4, tj. function specification, software design specification, software module design specification a hardware design specification, a to pro každou část systému (MES Pharis, řídicí systém, měření a regulace).
 
Projektová dokumentace byla schválena koncovým uživatelem v procesu design review. Shoda mezi specifikacemi a skutečnými dodávkami byla ověřena v rámci instalační kvalifikace. Shoda dílčích funkcí systému byla ověřena během operační kvalifikace. Celkem bylo provedeno přibližně 1 700 testů, z nichž každý byl řádně zdokumentován.
 

Přínosy řešení

Porovnáním stavu před implementací systému řízení výroby a monitoringu a po ní lze potvrdit, že klíčové požadavky zákazníka byly splněny a že postupem času, kdy se uživatelé se systémem seznamovali, byly z jejich pohledu objevovány další přínosy řešení:
  • průběh výroby je zaznamenáván automaticky, včetně odečtu dosažených hodnot provozních veličin,
  • všechny provozní veličiny jsou historizovány
  • lze zpětně analyzovat výrobní postup,
  • technolog vytváří recepturu, a tím současně pracovní postup, kterým je obsluha ve výrobě vedena,
  • bylo dosaženo velkého komfortu při řízení sušáren – technolog si sám stanovuje průběh tlaku a teploty v čase (to nebylo bez dálkového řízení dříve možné),
  • provozní regulace (zejména regulace pH) je nyní téměř bezobslužná při současném nárůstu kvality regulace,
  • detailní EBR poskytuje vyčerpávající informace, které jsou neocenitelné při auditech a propouštění výrobků,
  • evidence zařízení a jejich stavů nyní umožňuje optimalizovat jejich využití a plánování servisních prohlídek,
  • komplexní evidence alarmů pomáhá obsluze reagovat na nestandardní situace při výrobě, včetně stanovení příčin alarmu,
  • databáze AuditTrail pomáhá zejména vedoucím pracovníkům při šetření nestandardních událostí způsobených lidskou obsluhou,
  • díky bilančním ukazatelům je proces analýzy vyrobené šarže efektivní a časově nenáročný – odpadá ruční analýza velkého množství papírových podkladů a navíc efektivita rapidně roste se zvyšujícím se počtem porovnávaných šarží.
(UNIS, a. s.)
 
Obr. 1. Architektura rozšířeného výrobního systému
Obr. 2. Příklad operátorské obrazovky
Obr. 3. Elektronický záznam o dávce
Obr. 4. Grafické zobrazení časového průběhu provozních veličin