典型中藥工廠生產制造系統數字化仿真研究

尚建寧，劉霓昀，黨秀，程星華，隋進廷

（中國電子工程設計院股份有限公司，北京 100142）

2022 年，《十四五醫藥工業發展規劃》提出，“十四五”期間醫藥工業將進入加快創新驅動發展、推動產業鏈現代化、更高水平融入全球產業體系的高質量發展新階段[1-3]。2023 年，《藥品GMP 指南（第2 版）》發行，新增信息化、計算機化等新理念、新標準、新技術。

面對新要求和新動向，作為藥品生產企業來說，傳統設計已經不能滿足高質量發展需求[4-6]，而系統仿真技術作為分析各種復雜系統的重要工具已被廣泛用于工程領域和一些非工程領域，同時衍生出很多計算機輔助軟件，如AnyLogic、Plant Simulation、Witness、AutoMod、Quest、Flexlsm 等仿真建模軟件，可以作為輔助手段為醫藥行業進行數字化賦能[7]。目前在不同行業均有國內外學者對數字化工廠和生產仿真等方面進行研究，秦曉宇等人[8]以A 企業某定制衣柜生產線為例，通過Plant Simulation 軟件逐步創建生產線仿真模型，獲得生產批量的最優取值及分配方式，為該生產線的生產批量決策提供參考。李允升等人[9]以紅旗 H 平臺涂總裝車間作為主要的研究對象，通過AutoMod 仿真軟件建立該總裝車間的仿真模型，驗證總裝車間的產能，分析緩存區大小，并給定滑橇數量。徐志濤等人[10]基于Anylogic 仿真平臺構建了立體物流仿真模型，通過模擬多場景下的物流活動，對不同情境下的AGV 數量和利用率以及暫存區物料堆積量等指標進行了分析。Dmitri Muravev等人[11]利用Anylogic 仿真平臺，以寧波-舟山港為例，分兩階段優化聯運碼頭的主要參數。

制藥企業飛速發展，先進的計算機技術為傳統的制藥生產模式及效率、商業模式帶來了新的挑戰與機遇。本研究將利用數字化仿真技術，通過搭建數字化工廠，實現工廠仿真運行，將廠房的建造、設備的選型、設計等是否符合需求，是否合理和科學，前置于設計階段進行模擬考察，有效規避設計風險，同時在仿真條件下快速測算，可以科學調配人工、物流、空間、能耗等管理細節，為工程設計過程中方案的精準和優化做支撐，降低投資及運行成本，實現技術賦能。

1 中藥生產制造系統

中藥制劑制備過程一般包括提取、濃縮、純化、干燥和制劑成型等單元操作[12-13]。本研究中涉及到的劑型為中藥顆粒劑，包含制劑車間和提取車間兩大部分，涵蓋中藥顆粒劑制造的全流程，且中藥提取工藝體量可觀，典型性強[14]。圖1 展示了中藥提取典型工藝流程。

圖1 中藥提取典型工藝流程圖Fig.1 Typical process flow chart of traditional Chinese medicine extraction

2 典型生產線仿真建模

表1 仿真中采集的部分數據Tab.1 The datas collected in the simulation

2.1 設備級

建立設備仿真三維模型是建立車間級生產線的基礎，針對提取車間的提取設備和制劑車間的制劑設備，根據其實際設備尺寸建立設備三維模型，按車間布置圖對設備位置進行布置，建立和實際工廠一致的車間模型。

主要提取設備模型有：多功能提取罐、雙聯過濾器系統、提取液罐、雙效濃縮過濾器、醇沉罐、收膏罐、單效濃縮過濾器、收渣系統、真空干燥器等。主要制劑設備模型有：粉料上料系統、自動稱量系統、槽式混合機、制粒機、干燥機、顆粒輸送機、總混機、中間料倉罐、顆粒包裝系統、AGV 物料運送系統、傳送帶輸送系統等。

根據工藝計算、設計結果進行模型建立后實施動態仿真。采用Plant Simulation 軟件模擬每個工序的運行狀態，將各個工序、各臺設備的進出料反應過程等在模型上進行工藝數據模擬。

模擬過程不僅可以模擬各個節拍的生產過程，還能將運行過程中的原輔材料進料，中間生產過程，產品輸出，過程中的公用工程和能量的消耗進行統計。同時還能將自動化物流過程進行直觀展示。

為實現動態仿真運行，設備級建模過程增加了機臺內部邏輯構建。包括工藝設備最小加工單元（罐體、加工腔體）動作，接近真實的加工時間模擬，多種原輔料順次稱量配料模擬，多種原輔料混合（裝配）加工模擬，模擬提升機、槽混動作，模擬機頭、轉向機、裝盒機、塑封機、裝箱碼垛機動作，多次提取工藝模擬，出渣過程模擬，模擬真實提取液濃縮比，自動投料小車模擬。通過設備的精細加工動作模擬，實現了深度掌握詳細加工過程及參數，深度了解工藝設備加工特點，深度掌握連續流體仿真要素及方法。

設備級建?？煞治鱿嚓P指標，如：設備利用率、設備累計過貨量、設備工程用量（動力用量）等。在給定工藝流程、確定設備型號后，將根據設備的不同屬性，包括生產形式（間歇生產或連續生產）、標稱規格、電壓、總功率、用水量、故障率、生產速度等。在輸入以上參數后，通過Plant Simulation 進行虛擬調試工作，包括添加傳感器、為設備添加動作邏輯、信號表導入和自定義指令編寫等工作。通過指令的下發，完成該中藥提取生產線的模擬運行。在模擬運行過程中，通過對各仿真設備的狀態讀取，進行聯動調試以形成反饋調節。

美國制起司越來越不“美式”，美式起司的衰頹可從農業部資料看出一二。1920-1950年代約七成以上的美國制起司都是美式起司，然后比例逐年遞減，到了1980年代末期美式起司已無法維持一半的占比。1990年代美式起司努力讓比例維持四開頭，2017年占比則為40%。

多數對象都利用傳感器觸發程序，當生產物料進入或退出一個對象時，都會有各自的傳感器用于控制前進或后退。此時設備的過貨量也能實時被記錄出來，可以統計出單個設備每階段的累計過貨量。傳感器的觸發可由該對象前后連接對象的設備狀態所控制，設備狀態包括但不限于full、active、true等。通過對單個設備狀態的實時統計，設備利用率可以被實時計算，如式（1）所示。

此外，參照真實物理世界中設備的動力用量，設備的每一狀態都會被賦予一個能源消耗值，包括但不限于耗電量、用水量和用氣量。每當所仿真的設備對象狀態改變了，系統就會及時調整當前能源消耗值。

2.2 設備組級

該仿真工廠模型中設備組級由同規格同功能的所有設備構成，以滿足實際生產能力和生產調度的需求。

設備組級建?？煞治鱿嚓P指標，如：產品生產周期、設備組利用率、設備組在制品數量、動力用量等。在單個設備仿真的基礎上，針對單個產線，通過保證產線中各個設備的協調生產，計算并統計出該產線產品生產周期。在產線生產中，特別是此次項目聚焦的中藥制劑離散生產中，產線中各設備的利用率呈現階段性的變化，可被實時觀測和統計。在對產線生產過程動態呈現中，三維立體呈現該中藥提取生產線的生產過程，同時在空間和時間的維度上運行該提取流程。設備組的動力用量會根據每個設備狀態的改變，實時累加其對應下能源消耗值。

2.3 車間級

車間級建模是由多個設備組級的設備元素構建而成，按照功能分區及所在位置進行模塊化搭建，即可組成生產制造系統建模，最后完成模型“組裝”。模型構建需要將生產邏輯轉換為計算機語言，通過輸入相關程序，實現模型的動態仿真運行。

車間級建模通過引入工藝流程和工藝布局、生產工序業務邏輯、產品投產計劃、加工時間等生產調度邏輯，對生產制造系統進行仿真模型構建。

2.4 全廠生產線仿真模型

前文通過對生產車間布局設計，初步搭建了不含設備的車間三維框架模型，采用“設備級—設備組級—車間級”建模思路構建了生產系統仿真模型，將上述三維模型和仿真模型進行組合，建立一個全方位全產線的數字化工廠，對實際運行過程進行模擬，然后通過對仿真工廠模擬運行，發現方案及設計過程中可能存在的問題，實現設計方案優化。

本研究中的仿真模型為一個中藥制劑數字工廠，是由工廠數據、生產線數據、性能數據和建筑信息，輔助三維建模、模擬仿真、參數化設計等手段，逐漸形成詳細的工廠模型。全廠共四層，其中包含了兩個提取生產線（含水提工藝設備、醇提工藝設備、以及數千根管線），一個制劑生產線（含制粒工藝設備、顆粒劑包裝線和高架立體庫）。

2.4.1 小品種提取車間仿真模型

小品種提取車間共分四層（1～ 4F），包括投料口、多功能提取、水提、出渣、雙效蒸發、收膏、帶式干燥等設備元素。其仿真模型如圖2 所示。

圖2 小品種提取車間仿真模型示例圖Fig.2 Sample diagram of simulation model of small variety extraction plant

2.4.2 大宗提取車間仿真模型

大宗提取車間共分三層（2～ 4F），包括單效濃縮、黨參黃精投料、大宗收膏、多功能提取罐、黨參黃精水取液、黨參黃精雙效濃縮、醇沉、提取出渣、熱水回收罐等。其仿真模型及關鍵建模程序如圖3 所示。

圖3 大宗藥品提取車間仿真模型示例圖Fig.3 Sample diagram of simulation model of bulk drug extraction plant

2.4.3 制劑車間仿真模型

制劑車間共兩層（2～ 3F），其中2F 為總混區、包裝線和高架立體庫，3F 為制粒干燥區以及物料暫存區。圖4 為制劑車間仿真模型示例圖。

圖4 制劑車間仿真模型示例圖Fig.4 Sample diagram of simulation model of preparation plant

3 生產制造系統仿真運行

從核心的生產制造系統出發，采用三維建模、動態仿真、參數化設計等技術手段，將生產信息、物流信息、建筑信息等蘊含在工廠模型中，搭建全要素全生命周期的數字化醫藥工廠。包括布局模擬、產能模擬、動作模擬、調度模擬、物流模擬等內容。通過這些仿真模擬，可以更好地理解醫藥生產制造系統，了解生產過程中的問題，發現潛在的瓶頸，優化生產流程，最大程度地提高生產效率和質量。

3.1 布局模擬

GMP 廠房要求高，管路繁多不易布局，通過在仿真模型中引入真實的管路參數和路徑，建立符合管道基本布置要求的多層互聯三維管道模型（如圖5所示），獲得接近真實的空間效果，直觀分析管線排布的合理性，避免錯誤交叉，確保檢修通道以及節約空間，同時快速獲得管線最優布局，減少重復設計，縮短整體廠房的建設周期。

圖5 多層互聯三維管道模型示例圖Fig.5 Sample diagram of multi-layer interconnected 3D pipeline model

3.2 產能模擬

藥品生產的中間品種類及數量繁多；存放空間、容器、物流轉運設施及周轉器具人工核算困難；在仿真過程中通過真實工藝配方、真實關鍵參數、真實生產周期，真實工藝流程、真實物料衡算，模擬真實生產場景，得到接近真實的生產產能，量化評估其生產效能，實現最佳設備配置，得到接近真實的生產產能，從而可以精準記錄中間品、物流、周轉器具、容器的使用情況，如圖6 所示。同時，通過對工藝設備數量動態計算，進行產線平衡設計，找到產線的瓶頸工序，提高生產效率。

圖6 產能模擬示例圖Fig.6 Sample diagram of capacity simulation

3.3 動作模擬

在仿真過程中通過建立豐富的三維模型庫，模擬提升機、槽混、機頭、轉向機、裝盒機、塑封機、裝箱碼垛機動作。通過設置生產參數，精細化模擬設備加工動作、設備腔體中的動作，模擬真實生產，深度掌握詳細加工過程及參數，深度了解工藝設備加工特點，如圖7 所示。

圖7 動作模擬示例圖Fig.7 Sample diagram of action simulation

3.4 調度模擬

調度邏輯復雜，不易進行取樣規劃、檢驗統籌和人工設計。在規?；a和共享平臺等場景中，調度優化至關重要。

如圖8 所示，在提取車間的仿真模型中通過仿真引入真實的時間邏輯進行模擬運行，實時生成各崗位狀態和關鍵節點，指導生產運行調度優化，便于人員合理規劃取樣時間，統籌規劃共享的檢驗儀器。

圖8 調度模擬示例圖Fig.8 Sample diagram of scheduling simulation

3.5 物流模擬

中藥制劑規?；a的物料搬運量大，物流空間有限，通過直觀可視的物流仿真分析和模擬驗證，可有效避免物料流或廢棄物流交叉的情況，如圖9 所示。同時通過物流仿真快速精準進行AGV 數量配置，優化小車數量、轉運路徑、輸送管道等組合解決方案。

圖9 物流模擬示例圖Fig.9 Sample diagram of logistics simulation

4 結論

基于數字化設計理念，以中藥提取工藝和顆粒制劑工藝為研究對象，采用三維建模、動態仿真、參數化設計等技術手段，將生產信息、物流信息、建筑信息等蘊含在工廠模型中，為搭建全要素全生命周期的醫藥數字化工廠創造了條件。通過布局模擬、產能模擬、動作模擬、調度模擬、物流模擬等內容進行可視化動態仿真運行，為精確評估工藝性能、優化提高生產水平、降低成本提供了支撐。

數字化設計和仿真優化在醫藥生產中具有重要的應用價值，是提升設計精準性、規避風險、提升生產效率的有效工具。本研究目前選擇關鍵評價指標形成仿真驗證與優化指引，需要根據實際生產數據進一步完善部分優化評價指標。未來還需根據項目實際應用的特殊工藝要求和其他專業的需求，進一步補充優化評價指標。