制药行业SCADA问答

SCADA是什么？

SCADA是Supervisory Control And Data Acquisition的英文缩写，即数据采集与监视控制系统。SCADA应用广泛，石油化工、电力、钢铁、生产制造等，许多领域都能发现它的身影。身处制药行业，大家或多或少都听说过这一名字，‍‍下面试着以问答的形式来谈一下我们对制药行业SCADA的认识，希望能对各位有所帮助。‍‍

SCADA在企业IT架构中处于何种位置？

典型的企业IT架构如下图所示，ERP位于最上层，负责进销存、财务、人力、生产计划等宏观层面的管理控制，其下是MES系统，定位于车间层级，实现对生产工艺流程、质量等的把控，最下面是生产控制系统，通常称为PLC、DCS等系统，直接监控生产设备的启停、开关等，实现产品制造过程。SCADA即处于MES层与生产控制系统层之间，承上启下，实现信息流有效的上传下达。MES和ERP属于信息系统范畴，而PLC等生产控制系统属于工业自动化范畴，两者因为面向的领域不同，因此数据结构等存在极大差异，属于异构系统，不能直接进行数据交互，这种情况下，只能借助SCADA系统来弥合两者差异，实现数据互通。我们经常听到信息化工业化两化融合、IT与OT融合等概念，这些概念的付诸实施同样也需要SCADA系统作为必不可少的中介。

SCADA有什么作用？

SCADA最基础的功能是数据采集显示。对于制造企业，车间范围内涉及大量的生产设备，这些设备分布在不同的位置，由不同的供应商提供，采用不同的组态软件，或在现场触摸屏上或在独立的PC机上显示生产运行画面，站在岗位操作人员的角度，这种状况无可厚非，可是站在车间管理人员或是公司领导层的角度，如果要了解设备生产情况，是不可能到现场各个岗位都走一遍的。而当我们把视野放大，扩展到整个工厂范围，或者是整个集团公司范围，每一台生产设备都是独立存在，都是一座座信息孤岛，而SCADA系统就是为了解决这一问题出现的。它采集所有相关设备的运行信息，并在统一的界面进行展示，我们所关注范围内的所有设备运行状态可以一览无余，管理人员坐在办公室就可以对生产运行状况做到胸有成竹。

SCADA衍生的功能是远程监控。比如石油化工行业中有远在千里之外的无人工作站，没有SCADA系统的存在，这些就彻底沦为盲区，而有了SCADA的协助，我们就仿佛有了千里眼顺风耳，距离就不再成为问题。再如制药行业都会涉及公用工程，这些设备和系统往往分布在不同的楼层不同的区域，运行维护人员不可能做到全天候的巡检，而借助SCADA系统，就免除了东奔西走之苦，遇到异常情况可以迅速做出响应。

SCADA较为完善的功能涉及对设备的控制和信息交互。此时，MES、SCADA、生产控制系统作为密不可分的整体，经由SCADA系统，MES系统可以直接为设备下达批次信息、产量信息、工艺参数设定值以及配方信息等，甚至直接控制设备的启停运转，并在生产过程中，设备运转参数信息根据需要及时传递给MES系统进行记录存储，生产结束时，设备的生产运行时间、生产产量信息等都可以传递给MES系统处理，信息流在上下层之间顺畅流通。

作为现代企业，精益生产以及对效率的追求都向我们提出了新的需求，能源消耗管理和设备利用率（OEE）管理等获得了越来越多的关注，此类问题的实现也要有赖于SCADA系统的帮助。近些年，德国大力提倡的工业4.0，我国提出的智能制造2025等制造业升级改造计划，SCADA系统作为数据交互的基础，也是无法缺席的。

如何正确的定义企业SCADA要达到的目标？

在企业整体的IT架构中，SCADA是相对来说最简单的系统了，但是，SCADA系统还是有着不同的内涵和外延的。制造企业想用SCADA系统来解决什么问题，决定了SCADA的实施范围和钻取深度。

作为最基础的数据显示，展示方式和应用方式也是多种多样。最简单的是只在控制室布置一台计算机，运行维护人员需要到控制室查看设备运行情况。如果不想每次都到控制室，要在办公室也能看到画面，那么可以在办公室配置远程客户端。如果想要在企业局域网内的任何一台联网计算机上都能看到画面，就需要采用B/S架构的SCADA系统，终端计算机只要在浏览器里输入网址就可以看到生产画面。如果企业管理人员需要在家或在差旅途中也能实时查看设备运行情况，则需要在公司内部配备VPN系统，外部互联网经由VPN直接登陆到企业局域网，实现网络访问。另外，若有企业形象宣传、接受外部参观或生产集中调度之需，也会在控制室配备大屏幕拼接屏系统，SCADA画面就可以在其上显示。近些年，智能手机、平板电脑大为普及，已有越来越多的SCADA系统可以支持在这些智能终端显示数据，SCADA也可以变得简单便携。

在多数制造型企业，SCADA是和MES系统一起出现的，MES通过SCADA与生产设备交互。 MES与生产设备的交互分几个层面。第一层是MES只读取设备工艺数据，然后将得到的信息汇总到电子批记录，代替人工填写。第二层是MES向设备传递简单的非控制信息，比如生产批号、产品信息、配方设定信息等，实现简单的交互。第三层是MES深度介入设备的运行控制，接管设备的启停控制，根据需要随时向设备下达设定值、工作元件的动作指令等。要达成目标，需要SCADA集成商、设备供应商以及设备使用方三方密切合作，这是最复杂的控制方式，但也是最灵活的方式，可以实现效益的最大化，业界成功实践的数字化工厂，都是采用了这种形式。

作为SCADA系统的使用者，制造企业必须在调研初期就明确真实需求，根据企业的发展阶段，既不能遗漏功能需求，也不能单纯追求高大上而好高骛远。正确的定位是SCADA项目实施成功的基础。

制药行业SCADA有哪些特点？

与汽车、电子等离散制造行业不同，制药行业虽属于流程行业，也与石油、化工等流程行业不同，行业特点决定了它的特殊性。制药行业关乎大众生命健康，各方面都要求遵循质量规范，SCADA作为其中一员同样要满足国内GMP、欧盟GMP、美国FDA等验证体系的要求。SCADA系统集成商要对制药行业有足够的认识，具备多年行业经验的积累。

药品生产批记录是质量控制重要一环，无论是以纸质记录还是以电子记录的形式展现，数据的准确性和完整性都是极为重要的。SCADA系统要保证对生产关键工艺参数的采集是准确的，并有明确的验证文件支持。同时，也要从各个方面来保证数据的完整性，为防止意外需要配备UPS，并具备灾难恢复机制，遇到突发状况能够迅速还原，最大程度减少数据损失。

制药行业SCADA的范畴是什么？

制药行业有多个细分领域，SCADA都能满足需求。常见的固体制剂生产中涵盖的各阶段：称量、粉碎过筛、制粒、总混、压片、胶囊填充、包衣、铝塑包装、瓶装、清洗等，无菌制剂涵盖的生产阶段：配液、洗瓶、烘箱、灌装、轧盖、冻干、灯检、灭菌清洗等，各工序的生产设备基本都能支持SCADA数据采集。生物制药中涉及的细胞培养、纯化、层析、离心等工艺过程，中药生产中的前处理、提取、浓缩、包装等工艺阶段也大都已具备SCADA数据采集条件。

制药行业SCADA数据采集的范围是哪些？

药品生产过程中，每台机器设备时时刻刻都在产生海量的数据，我们不可能统统采集，而是有所选择。数据采集的层次也要有所侧重，最重要也是优先满足的是关键的工艺参数，这些参数往往关乎药品质量，而且在生产批记录里也要求进行记录。此外，重要的报警信息，比如异常停机、偏离设定值等信息也是需要优先采集的。

二级参数可以是非关键工艺参数，或是周边支持子设备的参数，同时，一些设定值、设备运行状态信息等我们也可以进行采集，此类信息根据需求斟酌选择，并非必须，不同企业或有不同的取舍。

自动控制设备涉及到的工艺过程数据是多种多样的，比如内部控制所用的PID参数等信息SCADA系统就完全没有必要采集了。另外，设备日常生产过程中的开关门等提示消息SCADA系统也是没有必要采集的。

SCADA数据采集切忌贪大求全，不经考虑照单全收，否则容易引发服务器性能问题或网络负荷问题。

SCADA常用的网络通讯方式是什么？

在几十年的发展历程中，自动化厂商或者出于成本考虑或者出于竞争需要，创立了各种各样的网络通讯方式。物理接口上从最基础的RS232接口、到两根线的485接口，再到以太网所用的RJ45接口。通讯协议则有MPI、Profibus、Profinet、DeviceNet、CAN、InterBus、ControlNet、Modbus 、Powerlink等等，琳琅满目看到人眼花缭乱。每一种不同的通讯接口和通讯协议都对应不同的技术栈，针对每种情况都需要采用特定的软件甚至是定制开发的软件来实现数据采集，这对于SCADA系统的实施无异于一场灾难。好在随着设备互联互通的需求日益增加，自动化厂商纷纷推出了适配标准TCP/IP协议的以太网通讯方案，结合早就采用以太网通讯的上层ERP、MES架构，就可以实现以太网一网到底，这是当前各大自动化厂商和企业用户逐步推动的方向。

以太网通讯具有诸多优势，通讯距离长，数据传输量大，成本低，施工简单。现在制药企业SCADA系统与设备的通讯连接普遍采取以太网通讯方式。

什么是OPC协议？

OPC是一个工业标准，它是一套数据组织及访问的规范集。在OPC出现前，设备硬件和SCADA软件之间没有统一的标准接口，SCADA软件要采集不同的设备数据，就需要开发专用的通讯接口程序，因为现场设备种类繁多，且产品不断升级，这就给SCADA软件商和用户带来了巨大的工作负担。现在有了OPC，设备硬件厂商和SCADA软件只需要遵循一个标准的接口标准规范，就可以实现数据的交互。

不同于和设备PLC 的通讯，OPC通讯是基于操作系统的，用于连接的网线需要插接到设备配套的计算机或者现场的触摸屏上。

OPC协议集分多种，用于SCADA数据采集的通常为OPC DA，可以获取设备运行的实时数据。但是OPC DA是基于微软Windows系统开发，它仅支持Windows操作系统，并且要实现双方的OPC 通讯还需要进行繁琐的DCOM配置。为了解决以上弊端，OPC UA应运而生，它底层基于XML文本格式，从而彻底打破了操作系统的限制，无论是Linux、Unix、Mac，还是嵌入式的VxWorks都能够没有障碍的进行数据传输。作为最新的通讯协议，OPC UA配置简单，安全性高，是真正面向未来的技术。不远的将来，随着OPC UA协议的普及，从上层的ERP、MES到底层的自控系统可以不用借助SCADA实现握手交互，那会是数字化工厂智能化工厂真正大放异彩的时候。

SCADA上位机组态软件的如何选择？

目前，市面上常见的SCADA组态软件有许多，国内的像组态王、力控、亚控等，国外的有西门子的WinCC、Wonderware的InTouch、GE的iFix等。我们通常选择西门子的WinCC作为SCADA组态软件，因为制药企业生产设备大多采用西门子公司的PLC产品，同一家公司的软硬件兼容性会比较好，另外，WinCC的市占率在国内是比较高的，这对制药企业后期的系统维护也是有好处的。

典型SCADA系统拓扑图是怎样的？

通常SCADA系统不需要配备额外的PLC及控制柜，其主要的硬件资源是计算机、交换机和网线。

典型的SCADA系统会配备至少两台计算机，一台作为SCADA服务器，安装WinCC软件，一台作为OPC服务器，安装Kepserver软件。为什么还要额外再配置一台安装Kepserver的计算机呢？

我们知道，生产现场设备所带PLC产品多种多样，厂家不同，型号不同，虽然WinCC软件能够支持自家的大多PLC产品以及少量的其它公司PLC产品，但是总会有覆盖不到的PLC产品，比如三菱、欧姆龙等厂家的PLC产品就没有驱动支持。而Kepserver是专为解决这一问题而生，它可以支持上百种不同厂家不同型号的PLC及仪器仪表产品，能够有效的补充WinCC的不足。Kepserver获取设备数据之后，它再作为OPC服务器把数据传递给WinCC。

为什么说沟通渠道的顺畅与否直接关乎SCADA实施的成败？

不像生产设备自动化系统，SCADA系统的实施不可能单方面依靠SCADA集成商来独自完成，它自始至终都需要设备供应商、SCADA集成商、设备使用者三方密切合作，任何一方的缺席或不作为都可能导致项目的失败。SCADA集成商具备数据集成的专业知识，但是不可能了解各个设备的工作原理和软硬件架构，前期会与设备供应商沟通确定通讯方案，后期会寻求设备供应商提供参数和报警清单以及数据对应的通讯地址，验证阶段或许还需要设备供应商协同完成数据的核实确认。设备使用者作为SCADA系统的最终用户，除了进行日常的工作协调外，还需要根据生产情况确定数据采集的范围等。

SCADA项目实施的过程中，良好的沟通渠道有利于项目的顺利推进，各方没有抵触情绪，大家都朝向一个共同的目标前进，才会取得完美的结果。

生产设备选型及采购阶段需要关注的地方有哪些？

制药企业如果确定上线SCADA系统，在生产车间立项时就要考虑SCADA系统的实施需求。设备选型和采购合同签订时，必须明确设备软硬件的需求。

硬件方面。因为SCADA系统的数据采集主要依赖于以太网通讯，设备硬件部分必须具备以太网接口。若从PLC采集数据，需要CPU集成以太网接口或者配备专门的以太网通讯模块。若是用OPC形式进行数据采集，则设备配套计算机或是现场触摸屏需要具有OPC通讯能力。

软件方面。设备采购时就需要明确的告知设备供应商提供SCADA接口，如果有MES与设备的交互需求，也要预先告知供应商提供MES接口。部分设备供应商默认不提供SCADA和MES支持能力，增加该部分功能需要定制开发，牵涉到设备成本。

SCADA系统和MES系统实施的过程中，大部分的推诿扯皮都源于设备采购时没有与供应商充分交流需求。为了减少后期执行过程中的问题，制药企业在设备采购期间最好寻求SCADA集成商或专业技术人员的协助。

怎样选择合适的SCADA集成商？

为保证SCADA项目成功实施，除了制药企业能够正确的认识SCADA技术外，还要求企业能够选择一个适合自己的集成服务商。目前市场上SCADA集成商非常多，但真正专业的并不多。奥星作为专注于制药行业的自动化解决方案供应商，深耕领域知识二十多年，积累了丰富的工程技术经验。选择奥星作为合作伙伴，我们将为您的SCADA项目保驾护航，达到理想的目标。