在全球化和信息化的时代背景下，医药行业正迎来深刻的转型。为了提高生产效率、降低能耗、减轻环境压力，可持续发展智慧灯塔制药工厂的研究、规划与实施逐渐成为行业焦点。
面对制药行业降本增效的迫切需求，笔者所带领的中国电子系统工程第二建设有限公司总部第三设计院团队自2018年起，便致力于探索如何将智能化、数字化技术与制药工厂的节能技术相结合。我们的目标是开发出一套能够助力制药企业全生命周期降本增效、实现可持续高质量发展的系统性解决方案。经过数年的研究与实践，我们在多个项目中成功应用了数字化设计与交付技术、智能化产线设计以及基于数据采集与监视控制系统（SCADA）和5G物联网技术的GMP与非GMP数据采集等技术手段。这些实践经验为我们全面推广可持续发展智慧医药工厂的设计与实施奠定了坚实的技术基础。
在此基础上，我们为医药工业提出了一套创新的智能制造解决方案。该方案首先通过实现工厂的数字化设计，利用三维建模、系统仿真和设计优化等手段提升建设效率和质量。接着，我们构建数字孪生工厂，借助仿真技术和数字化模型打通物理设施与数字设施的连接。此外，方案还整合了能源消耗管理、物联网应用、预测性分析以及人工智能等多项前沿技术，旨在全面提升生产效率并降低成本。
这种新型的制药工厂以节能内核为基石，通过引入机器人及自动化物流系统、建筑信息模型（BIM）可视化设计施工运维一体化数据库平台、SCADA及物联网数据采集技术、生产工艺仿真技术以及数据孪生技术等一系列先进技术，实现了产线的高度数字化和智能化。这不仅为制药行业带来了新的发展机遇，也为实现绿色、高效的医药生产奠定了坚实基础。
1 节能内核：智慧灯塔制药工厂的绿色心脏
节能内核作为可持续发展智慧灯塔制药工厂的核心构件，贯穿其全生命周期的每一个阶段，从设计之初到施工建设，再到后期的运维管理。在设计阶段，工厂便注重选择如LED照明、高效空调系统等高效节能的设备与系统，力求从源头上减少能源消耗。施工阶段则更加注重环保材料与节能施工工艺的采用，旨在降低建设过程中的环境负荷。进入运维阶段后，节能内核更是要求建立完善的能源管理体系，借助先进的物联网和传感器技术，对工厂的能源消耗进行实时监控和深入分析，为后续的能源管理和优化提供坚实的数据支撑。
在智慧灯塔制药工厂的节能实践中，节能技术采用、高效机房建设、余热回收、先进控制系统、数据化管理以及能源实时监控技术的应用等多个方面共同构成了其节能降耗的体系。
节能技术显著提升制药工厂能效。光伏发电作为新型能源受国家支持，新建厂房常设光伏系统于车间屋面、停车棚顶。储能技术，如锂电池储能，在非高峰时段储能，高峰或电网故障时释放，提供备用电源，优化使用时间，改善电能质量。储能与光伏系统可合建，夜间储存电网电能，白天储存光伏电能（如图1储能并网方案所示）。
图 1 锂离子电池储能系统并网分析
锂离子电池储能系统采用合理充放电策略（7、8月一充一放，其余月份两充两放），实现峰谷套利，为企业带来显著经济收益。以3MWh系统为例（如表1所示），初始投资540万元，12年周期内总收益1055万元，静态回收期5.2年，全周期IRR达12.6%，证明了其良好的经济性。
表 1 电池储能系统收益情况
高效机房建设通过低阻力系统优化、高效水泵精确选型及制冷系统智慧群控技术，实现了制冷效率的大幅提升和能源浪费的减少。其中，冷冻水系统采用一次泵变流量系统，根据末端制冷需求动态调节冷水机组和冷冻水泵的运行，提高了制冷效率。同时，设计水蓄冷方案，利用夜间低谷制冷，储存冷量供高峰时段使用，降低了制冷设备安装容量和运行费用。此外，余热回收技术的应用回收了废弃的蒸汽余热和空压机放热，提高了能源利用率，减少了热排放。先进的空调系统如HPT能源闭环机组，则实现了能源消耗的精准控制，确保了能源的有效利用。
在医药净化空调系统中，夏季处理过程普遍采用全空气一次回风系统（AirHandlingUnit，AHU），以确保温湿度达标。然而，这一过程往往需要大量热源进行再热，导致“冷热抵消”现象，造成能源浪费。为解决这一问题，热管技术（HPT）的热量回收装置在医药净化空调领域得到了广泛应用。该装置通过热管方式实现热量回收，其空调箱结构如图2所示，有效提高了能源利用效率。医药厂房因室内环境需求，需大量排风并补充新风。
图 2 空调系统热回收技术
由于新风源自室外，需进行温湿度处理，而排风温度与室内新风相近，直接排放将造成能源浪费。为解决此问题，可采用新风、排风能量回收系统，利用能量回收装置回收排风中的冷量（热量），并将其传递给新风，以实现能源的有效利用。这种能量回收装置的换热效率等于进气参数的变化量与进排气口的参数差之比，可表示为公式（1）：
η=t1-t2
t1-t3
（1）η为换热效率；t1，t2，t3分别为能量回收装置新风进风温度、新风出风温度、排风进风温度。
以上海、苏州、杭州、南京等地实际情况为例，节能数据分析如图3所示，可以实现能源费用节省41%~45%左右。
数据化管理使得企业能够清晰掌握自身的能源消耗情况，为制定合理的能源管理策略提供重要依据。能源实时监控技术则如同企业的“能源哨兵”，时刻关注着能源的使用情况，及时发现并处理能源浪费和异常问题。这些节能措施共同作用下，智慧灯塔制药工厂得以在实现高效生产的同时，也做到了低能耗、低排放的可持续发展。
图 3 余热回收节能案例
2 机器人及自动化物流系统：实现产线智能化的关键
机器人及自动化物流系统在智慧灯塔制药工厂中扮演着举足轻重的角色，是实现产线高度数字化的关键所在。通过引入先进的机器人技术和自动化设备，工厂成功实现了生产过程的自动化、智能化升级，从而显著提升了生产效率、产品质量以及生产线的灵活性。
该系统的应用显著促进了生产效率与质量的双重提升。生产效率方面，机器人与自动化设备确保连续高效作业，极大加速生产流程并增加产量。产品质量上，其精准操作降低了人为错误，减少缺陷。自动化物流系统优化物料流动，降低成本与风险，减少浪费，增强工艺稳定性。此外，“机器代人”策略大幅降低生产成本，提升经济效益。尤为重要的是，系统的柔性化设计适应多变需求，促进灵活生产，加速新品上市，增强市场竞争力，为智慧制药工厂带来显著优势。
3 BIM技术：实现工厂可视化设计施工运维一体化的桥梁
在智慧灯塔制药工厂的设计阶段，BIM技术的应用不仅限于三维可视化和碰撞检测，更深入到参数化建模和数字化工厂构件数据框架的搭建中。参数化建模是BIM技术的特点，让设计师通过调整参数控制模型。在智慧灯塔制药工厂设计中，设备、管道、电气系统等均可参数化。设计师据需求调整参数优化方案，如设备尺寸、管道布局，实现高效节能布局。参数化建模提升了设计灵活性，减少了修改工作量，设计变更时调整参数即可自动更新模型，缩短周期。构建数字化工厂构件数据框架是关键，集成几何、材料等信息形成BIM数字孪生，支撑施工与运维。BIM能耗模拟有助节能。施工阶段，BIM助力精准掌握进度与资源，优化计划，强化质量管理。运维阶段，BIM结合技术实现远程监控与维护，提升设备可靠性。BIM与仿真技术融合，数字化模拟生产，增强效率与竞争力。
4 SCADA及物联网数据采集技术：实现工厂透明化管理的基石
在智慧灯塔制药工厂的数据采集与监控架构中，核心组件是由SCADA系统与尖端的物联网技术共同构建的。通过在生产线上的战略位置配置传感器和数据捕获装置，该系统能够实时地获取并记录一系列关键生产参数，包括但不限于温度、湿度、压力、流量及成分等。物联网即时数据迅速传至SCADA系统监控管理，并安全存于BIM运维数据库，支持当前监控及未来数据分析。数据价值在于与BIM模型融合，形成数字孪生中台，虚拟再现生产环境，集成多元数据，模拟预测，精细控制生产、维护及能源管理，提升效率、降成本、快响应。物联网网关与低成本传感器高效采集数据，优化生产质效。数据与BIM融合，丰富数字孪生，推动工厂数智化转型，实现可持续发展。
5 生产工艺仿真技术：优化生产流程的重要工具及数字孪生的基础
生产工艺仿真技术在智慧灯塔制药工厂的生产流程中发挥着举足轻重的作用，它是推动工艺精进和提升生产效率的核心驱动力。借助高精度的计算机模拟软件，该技术能够针对制药生产的全过程实施精细化模拟，进而预测产品的最终性能和生产效率。这一应用为医药企业在产品设计、工艺研发以及生产流程优化等多个关键领域带来了显著的成效。虚拟环境助力工艺仿真技术精准模拟评估工艺参数、设备配置及流程，识别瓶颈、预测问题，保障生产顺畅，减少试制与废品，奠定成本降低与品质提升基础。在智慧制药中，该技术融合BIM与数据孪生，实现虚实设备数据互通监控，提升生产透明度与可控性，达到高度精确模拟优化。
6 数据孪生技术：实现工厂数字化管理的核心
数据孪生技术在智慧灯塔制药工厂中发挥着举足轻重的作用，是实现数字化管理和智能化决策的关键支柱。该技术能够创建一个与实体工厂精准对应的数字化模型，并实时地反映实体工厂的各种状态和数据，从而构建起一个虚拟但高度真实的工厂环境。
在智慧灯塔制药工厂的应用场景中，数据孪生技术彰显了其多方面的独特价值。在设备监控与预测性维护方面，该技术实时采集和分析设备运行数据，准确预测设备性能衰退和潜在故障，使工厂能够提前采取预防措施，有效减少意外停机，提升设备可靠性和生产效率。此外，数据孪生技术为生产模拟与优化提供了有力支持，实时同步实际生产数据至数字化模型，模拟不同生产方案和工艺流程，发现瓶颈，优化参数，提升生产效率和产品质量。在能源管理与优化上，该技术实时监测能源使用，建立精确管理模型，预测未来需求，制定合理计划，实施节能措施，降低运营成本，减少碳排放，推动工厂绿色、低碳、可持续发展。
7 结论与展望
综上所述，基于节能内核与多项先进技术实施的可持续发展智慧灯塔制药工厂具有显著的优势和应用价值。通过引入机器人及自动化物流系统、BIM可视化设计施工运维一体化数据库平台、SCADA及物联网数据采集、生产工艺仿真技术以及数据孪生技术等先进技术，实现了产线的高度数字化和智能化，提高了生产效率、降低了能耗和环境污染，并实现了工厂的可持续发展。
展望未来，随着科技的不断进步和应用领域的拓展，智慧灯塔制药工厂将在医药行业中发挥更加重要的作用。未来的研究方向可以包括进一步优化节能内核、提高机器人及自动化物流系统的智能化水平、完善BIM可视化设计施工运维一体化数据库平台的功能、拓展SCADA及物联网数据采集技术的应用范围、提升生产工艺仿真技术的精确度和实时性以及深化数据孪生技术在智慧灯塔制药工厂中的应用等。通过这些研究和改进，相信智慧灯塔制药工厂将为医药行业的可持续发展做出更大的贡献。
原文刊载于《价值工程》 作者：中国电子系统工程第二建设有限公司总部第三设计院 卢浩荣 樊亮 孙博 杨博 于君毅
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