“DCS 与 SCADA相同与不同” - 《大侠科普Pharm 4.0》系列 1

生物技术 医药技术
博普智库    2020-12-14    691

0.背景 - 为什么想做这个科普

在这个系列中,大侠将开一个新坑 - 基于专栏提纲 - 《中国制药工业智能制造白皮书(2020版) 》,为大家系统地梳理一下在我们医药GxP全生命周期中可能遇到的计算机化系统典型与部分供应商系统使用经验分享:

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图1. 《大侠科普Pharm 4.0》中选取的典型计算机化系统系统(初稿),个人项目经历有限,如有遗留或误差,欢迎点评及修正

在产品全生命周期(Product Life Cycle)中,从研发、临床(GCP,GLP)到生产(GMP)以及后面的运输(GSP)和销售环节(GDP)全过程都会产生大量的数据(Data)和记录(Record)。而这些数据和记录一旦经由计算机化系统(Computerized System)产生、处理或者保存等(未来会越来越多 - 这是Pharm 4.0的趋势),那么我们就可以说这个计算机化系统是 direct GxP impact 直接影响GxP, 需要进行 Computerized System Validation 计算机化系统验证。

1.定义 - 什么是 DCS & SCADA 及PLC

从大侠当年大学自动化工程课程教材《电气控制与 PLC 应用(第 4 版)》,在工程行业其定义如下

SCADA:(Supervisory Control And Data Acquisition)监测控制和数据采集系统,不光是控制,重点更加突出数据采集和监控处理。

DCS:(Distributed Control System)分布式控制系统,主要用在控制领域。是以微处理器为基础,采用分散控制、集中显示、分而自治、综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。

PLC:(programmable logical controller)在工业自动化和控制系统的网络体系结构中,PLC作为重要的底层控制部件,通常应用在SCADA和DCS系统中,用于实现工业设备的具体操作与工艺控制。


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图2. 从ISA 95自动化标准模型中:DCS和SCADA都是出于Level2 过程控制(Process Control);而PLC是Level0-1层的基础自动化信息抓取。

2.相同点 - DCS & SCADA -》PLC实现自动化控制的基础

从大侠当年大学自动化工程课程教材《电气控制与 PLC 应用(第 4 版)》,在工程行业其定义如下

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图3. 参考自 《ISPE GAMP Guideline-Manufacturing Record》,自动化设备是如何按照“感知-》反馈-》控制”的自控程序逻辑实现与环境的交互与流程的控制的(Process Control system)

参见上图ISA95 自动化标准与 ISPE 自动化生产良好生产指南,我们自下而上分析“自动化”是如何实现的:

  1. Level 0层 感知层:PLC终端探头(如温湿度探头,转速计数器,红外的发射器与接收器),工作原理是将“环境中/生产过程中/检测样品中的CPP或CQA物理值 转化为 电子信号,如电流0.1mA等,并经过PLC程序转换,显示为35℃(者连单位℃都没有,仅转化 0.1mA = 35)”

  2. Level 1层 数据处理:HMI单机中控机- 如纯水制备系统显示的实时电导率,压片机显示的实时压力,密度计、光谱仪的测量数据等;工作原始是设备或者仪器,抓取多个PLC探头的原始数据CPP,元数据加工后,汇总并显示在设备仪器的显示屏或者实时打印出来,又或者上传到后端SCADA、DCS。更详细的说明可参考之前文章《从电信号/电子数据/电子记录分析real backup data》

  3. Level 2 层 过程控制及记录生成:SCADA和DCS系统 - 首先过程控制的实现,参见上图3,通过Sensor感知并上传数据(步骤2和4),然后系统反馈控制动作(Control Action,如步骤6a和6c),落实到Actuator(比如打开一个阀门,增大进风量);其次是记录生成的实现,参见下图4,GMP记录中完整的要求 = 由最初的温度数据电信号(PLC提供) + 理解数据的元数据(单位、日期等HMI提供+和其他支持性信息如批号,校验期,审计追踪等SCADA,DCS提供),更详细的说明可参考之前文章《从电信号/电子数据/电子记录分析real backup data》。

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图5. 参考自 《ISPE GAMP Guideline-Manufacturing Record》,信息化系统是如何生成一个“真实、完整、可追溯”的电子批记录的过程。

3.不同点 - DCS (自下而上,分布控制)vs SCADA (自上而下,协同工作)

【可靠性】DCS可靠性比SCADA好,能做到“上端网络中断,下端亦能连续工作”;SCADA更多体现在“一体式协调工作,缺一不可”
DCS诞生于仪表控制技术,又称集散控制系统,是以微处理器为基础,采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调设计原则的新一代仪表控制系统。*参考自《西门子中国》


对于DCS系统,因为其特殊的应用场合(流程行业,工艺不能中断),可靠性是DCS发展的生命,现在市场技术要保证DCS的高可靠性目前主要有三种措施:一是广泛应用高可靠性的硬件设备和生产工艺;二是广泛采用冗余技术;三是在软件设计上广泛实现系统的容错技术、故障自诊断和自动处理技术等。当今大多数集散控制系统的MTBF可达几万甚至几十万小时。

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图5. 参考自 《美国应用材料 - SmartFactoryRx》,生物制药中因为每个批次贵重的成本,需要考虑Plan B,以防断网、死机等导致生产中断。

而主要用于离散制造业SCADA系统了可靠性就做不到没这么高,SCADA作为沟通上层管理系统和底层自动化设备的中枢平台,如果一旦SCADA中央系统出现宕机,就无法下放生产指令,检验工作排程,联动不了下面诸多离散型的设备与仪器。
【可拓展性】SCADA可拓展性比DCS好,能做到“按需设计,逐步添加”;DCS则强调“统一的通讯协议和通讯方式”

SCADA 诞生之初就和计算机技术紧密相关,随着操作系统和计算级的发展,按照开放的原则,基于分布式计算机网络以及关系数据库技术应用于SCADA系统。但在90年代中期之前,今天我们常见SCADA系统中的组态软件的应用并不普及,大家逐渐意识到原有的预设式编程的开发方式,对项目来说是费时费力、得不偿失的,标准功能的SCADA系统上位组态软件开始进入高速发展时期,“按需设计,逐步增加”的搭积木式SCADA系统实施法开始流行起来。

最近SCADA和MES系统在离散制造业被大量提及,在企业数字化、信息化发展的大背景下,让企业中、企业间的数据能够顺畅、高效的流动,进而带来生产效率、质量等提高;那么对于大量离散行业的用户,首先面临的问题就在于生产设备中的数据和IT系统中的数据怎么能够自由流动,生产现场设备的复杂性,光从技术维度来看,各种不同的通信协议,不同的控制系统,怎么能够实现数据的实时采集是一个难点。

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图5. 西门子WinCC智能化车间的“智能选件” - 支持按需选购,逐步上线,而且不限于西门子自身设备

与之相比,DCS系统则要求全厂采用统一的通讯协议和通讯方式,实现整个工厂的实时、准确、高效的控制。这就要求设计之初考虑好所有的工艺自控细节,并且还要求不同设备供应商之前开放内部控制逻辑,而不是像SCADA - 不干预内部控制,只做外部数据采集与指令下放!

4.大侠经历分享 - 做自动化和CSV,架构选DCS还是SCADA好?

亲身经历过的一个MES系统Phase 1 一期项目- 称量系统的投标;入围企业有大家熟悉的国内外MES公司(不知大家是否对MES这个话题感兴趣,下期大侠也会找机会给大家做一期经历分享专栏)还有做天平的梅特勒-托利多公司;结果万万没想到,梅特勒公司的称量系统WBS(Warehous Blender System)的技术指标评分远远高过其他做MES的,这就有点没想到了:

  • 数据可靠性要求符合(每个天平都自带用户管理里,自己可以保存3个月数据,有审计追踪等);

  • 连续生产稳定性符合(自带断电数据保护,服务器死机,天平可以按遗留生产称量质量工作并记录,然后再后期续传数据)

  • 系统实施&运维难度小(从硬件天平,到软件系统都是梅特勒成熟产品 - 实施验证容易,将来运维也不难)

But 我们最后没有选这家 - 原因很简单:价格有点太贵了;但是这么贵也是有道理的,其他家MES公司的是SCADA架构的称量系统;但是梅特勒WBS是DCS架构,每一个称量房间的终端其实都不是一台天平,而是一台WBS的小服务器+小系统

鸡蛋确实不能放在一个篮子里面,但是多买几个篮子本身要花钱的;所以选DCS还是SCADA,大家需要先思考“自家鸡蛋值几钱?”,而且现在的趋势也是DCS+SCADA融合(可检索关键词“IT+OT”),未必将来没有两全其美的方法!


未完待续,敬请期待.....

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