★ 廣東宏友智能科技有限公司 李寶琴

★ 蒙牛乳業（寧夏）有限公司 崔小寧

★ 內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司 王福

★ 蒙牛乳業（寧夏）有限公司 高會雷

★ 和利時卡優倍科技有限公司 王訓，張永翠，黃國華

★ 廣東宏友智能科技有限公司 欽武林，胡嘯華

★ 東莞理工學校 李強

關鍵詞：乳業自動化；信息化；燈塔工廠；利樂灌裝機；智能包裝；工業4.0；智能制造；數字孿生

1   引言

1.1   研究背景與意義

在全球乳制品消費結構升級與產業競爭日趨激烈的背景下，乳業正從規模化擴張轉向高質量、高效率、高安全的集約化發展模式。國際乳業聯合會（IDF， 2025）數據顯示，全球乳制品消費量已突破9.5億噸，亞太地區成為增長核心。與此同時，我國乳業面臨勞動力成本持續上漲、招工困難、質量穩定性不足、能耗與環保壓力加大等現實約束。與歐洲乳業85%以上的平均自動化率相比，我國乳業整體自動化水平約65%，且在后道包裝、物流倉儲等環節仍高度依賴人工，系統集成度低、信息孤島現象普遍，成為制約產業升級的關鍵瓶頸。

蒙牛寧夏燈塔工廠作為國內乳業首家通過世界經濟論壇認證的智能制造標桿，全面實現了生產、包裝、物流、質量與能源管理的數字化協同。和利時卡優倍科技與廣東宏友智能作為核心系統集成方，在智能包裝、機器人應用、AGV調度及MES集成方面形成可復制的工程化方案。在此背景下，系統研究乳業自動化與信息化融合的技術體系、實施路徑與應用成效，對推動我國乳業智能制造普及具有重要理論價值與現實意義。

1.2   國內外研究現狀

國外乳業自動化起步時間更早，已經形成了高度自動化、精益化且能實現全鏈路追溯的成熟體系。丹麥Arla、德國DMK、美國Dairy Farmers of America等企業借助黑燈工廠、數字孿生、工業物聯網以及預測性維護等技術，把設備綜合效率OEE提升到92%以上，單位產品的能源消耗也有明顯下降。在學術研究層面， 圍繞UHT滅菌過程優化、包裝缺陷實時檢測、柔性控制算法等方向產出了大量成果，給乳業智能化發展提供了扎實的理論支撐。

國內乳業自動化從早期引進國外設備，逐步發展到自主集成的階段， 伊利、蒙牛、光明等頭部企業都在逐步推進灌裝、前處理等核心工段的自動化改造工作。但行業整體依舊存在明顯的短板， 一是系統集成能力不足， PLC、SCADA、MES、ERP之間的數據互通效率偏低； 二是包裝環節的自動化水平偏弱， 復雜包裝形式依舊需要人工完成； 三是柔性生產能力不足， 生產線切換不同產品規格需要耗費較長時間； 四是高端核心元器件與核心算法還需要依賴進口產品。目前國內只有12%左右的乳品企業能實現車間級全流程自動化與信息化集成， 大部分企業還停留在單點自動化的階段。

1.3   研究內容與方法

本文圍繞技術體系、工程應用、成效評估、趨勢挑戰展開研究，主要內容包括：

（1）構建乳業生產、包裝、檢測、物流四大自動化技術體系，解析關鍵技術原理與應用邊界；

（2）以蒙牛寧夏燈塔工廠為案例，揭示三層架構（基礎設施層、自動化層、信息化層） 與實施路徑；

（3） 以利樂灌裝機自動上包材改造為典型場景，量化評估效率、質量與經濟效益；

（4）分析系統集成商技術方案與實施方法論；

（5）展望技術趨勢并提出挑戰應對策略。

研究采用案例研究法、對比分析法、數據統計法與技術建模法， 以實際運行數據支撐結論， 提升研究的科學性與工程指導性。

2   乳業自動化與信息化技術體系構建

乳業生產具有流程長、衛生要求高、控制精度嚴格、連續化生產等特征，其自動化與信息化體系需圍繞原料處理、殺菌、灌裝、包裝、檢測、倉儲物流全鏈條進行協同設計。

2.1    自動化技術體系

2.1.1   生產自動化

生產自動化以PLC與DCS為核心控制器，實現收奶、標準化、均質、UHT殺菌、發酵、灌裝的全流程閉環控制。關鍵工段采用冗余架構，保障系統高可用性；通過在線近紅外光譜（NIR）實現脂肪、蛋白質等理化指標實時監測與調節；發酵過程采用模型預測控制（MPC）提升批次穩定性；無菌灌裝采用高精度伺服同步控制，保障灌裝容量與封合質量一致性。

2.1.2   包裝自動化

包裝是乳業自動化薄弱環節與提質關鍵。本文重點研究利樂灌裝機自動上包材系統，采用六軸工業機器人+機器視覺實現包材拆垛、精準上料、自動接膜與不停機換料。視覺系統完成位姿偏移檢測與校正，機器人實現高精度抓取與插裝，真空吸盤與柔性執行機構適配紙鋁塑復合包材特性，解決人工上料易污染、穿膜偏差大、效率低等問題。

2.1.3   檢測自動化

檢測自動化從離線抽檢轉向在線全檢。采用近紅外光譜實現理化指標實時檢測；利用流式細胞術大幅縮短微生物檢測周期；通過視覺檢測+壓力衰減法實現包裝封合完整性100%全檢， 不合格品自動剔除并與MES聯動記錄，形成質量閉環管理。

2.1.4   物流自動化

物流自動化采用AGV/AMR+立體庫+自動碼垛架構。AGV采用激光SLAM與RFID融合定位，實現包材與成品精準轉運；自動碼垛機器人適配多規格箱型；自動化立體庫（AS/RS）由WMS/WCS統一調度，實現入庫、存儲、出庫、分揀全流程自動化，提升物流效率并降低人工差錯率。

2.2   信息化系統架構

信息化系統以MES為核心，向上對接ERP，向下集成SCADA、PLC、機器人、視覺系統、AGV、WMS、LIMS等設備與子系統，形成計劃-執行-檢測-反饋-優化的閉環。

（1）MES實現生產調度、過程監控、質量追溯、設備管理與OEE統計；

（2）SCADA實現現場數據采集與實時監控；

（3）WMS/WCS實現倉儲物流智能調度；

（4）LIMS實現檢測數據管理與全程追溯；

（5）數據平臺實現多源數據匯聚、存儲、分析與可視化，支撐異常預警、故障預測與質量根因分析。

3   蒙牛寧夏燈塔工廠智能化實踐與成效分析

3.1   工廠智能化總體架構

蒙牛寧夏燈塔工廠采用“三橫三縱”總體架構：橫向分為基礎設施層、自動化層、信息化層；縱向貫穿產品生命周期、供應鏈與客戶全流程。項目分三階段實施：基礎自動化與核心信息系統部署→系統集成與包裝物流自動化→AI優化、數字孿生與能源管理提升，最終實現全流程數字化與燈塔工廠認證。

3.2   關鍵自動化系統應用

3.2.1   利樂灌裝機自動上包材系統

改造前痛點存在人工上料勞動強度大、耗時8–10分鐘/次、穿膜偏差導致封合不良率高、存在微生物污染風險。技術方案采用AGV自動轉運→機器人拆垛→視覺精定位→ 自動接膜熱熔拼接→不停機續料。系統由多機器人協同、視覺引導、真空柔性抓取、自動對接控制構成，實現包材上料全流程自動化。主要的核心技術包括手眼標定、軌跡規劃、視覺位姿補償、真空自適應控制、不停機接膜機構。

3.2.2   信息化集成與數據應用

MES與ERP、WMS、LIMS、SCADA深度集成，實現工單下發、參數執行、數據采集、質量判定、庫存聯動、成本核算全流程貫通。數據平臺日均處理海量時序數據，通過機器學習模型實現殺菌異常檢測、封切刀具剩余壽命預測、質量波動關聯分析等功能，數字孿生系統實現車間三維可視化與遠程監控。

3.3   實施成效定量分析

基于2025年實際運行數據，與改造前對比結果如下（表1、表2）：

（1）生產效率：設備綜合效率（OEE）從75%提升至95%；包裝節拍提升167%；換型時間縮短67%；年產能從35萬噸提升至50萬噸。

（2）質量水平：產品一次合格率由98.5%提升至99.8%；包裝缺陷率由0.8%降至0.05%以下；微生物合格率由99.2%提升至99.9%。

（3）經濟效益：自動化與信息化專項投資3.5億元，年綜合節約成本3300萬元，含人工、能耗、質量損失等，項目投資回收期3.2年，經濟效益顯著。

（4）社會效益：就業結構向高技能崗位優化，形 成行 業 示范 效 應， 帶 動乳 業 智能 化 投資 快速 增長。

表1  生產效率提升表

表2 質量水平提升表

4   系統集成商技術支撐能力與實施方法論

4.1   核心技術體系

和利時卡優倍科技與廣東宏友智能針對乳業衛生要求高、連續生產、柔性適配等特點，構建智能包裝、自動化物流、信息化集成三位一體技術體系：

（1） 智能包裝： 采用伺服同步與電子凸輪技術， 實現高速柔性裝盒與快速換型；基于深度學習視覺完成包裝缺陷在線全檢，檢測精度與穩定性滿足高速產線要求。

（2）自動化物流：以多機調度算法實現AGV/ AMR協同作業與動態避障；配套智能輸送合流與提升機構，結合WMS/WCS一體化系統完成立體庫自動出入庫與批次管理。

（3）信息化集成：支持多類工業協議接入，實現異構設備數據互通；采用工業時序數據庫完成海量數據高效存儲，通過低代碼平臺支撐質量分析、設備預警與能耗優化。

4.2   項目實施方法論

針對乳業智能化項目工藝復雜、上線風險高、連續性要求強等特點，形成五步閉環實施方法：

（1）需求與工藝分析：現場調研、痛點梳理、指標定義、方案架構設計；

（2）詳細設計與開發：機械、電氣、軟件、視覺算法并行開發與虛擬仿真驗證；

（3） 現場部署與安裝： 標準化施工、安全管控、硬件裝配與單機調試；

（4） 聯動調試與優化： 小批量試產、瓶頸識別、節拍與穩定性優化；

（5）驗收與長效運維：指標驗收、7×24h遠程運維、定期診斷與系統迭代。

該方法論可有效縮短工期、降低風險、提升交付質量，在蒙牛寧夏項目中實現工期縮短15%， 一次驗收通過率100%。

5   乳業智能化發展趨勢與挑戰對策

5.1   技術發展趨勢

（1）從自動化向自主化升級：AI與強化學習使產線具備自感知、自決策、自優化能力，可根據物料、環境與設備狀態自主調整控制策略，實現無人干預下的穩定高效運行。

（2）全鏈路系統集成深化：云-邊-端協同架構逐步普及， OPC UA over TSN實現確定性通信， 牧場-工廠-物流-終端數據貫通，區塊鏈支撐全程可信追溯。

（3）綠色低碳制造常態化： 以數字孿生與智能算法實現能耗優化、CIP節水減排、冰蓄冷與余熱回收；可回收包裝自動分揀與循環利用體系加快落地。

（4）柔性定制能力增強： 高速柔性產線支持多品種共線快速換型，在規模化生產基礎上滿足小批量、個性化定制需求，提升市場響應速度與產品附加值。

5.2   主要挑戰與應對策略

（1）技術挑戰：系統集成復雜、核心器件對外依存度高。對策：推行標準化接口、模塊化設計，加快國產機器人、視覺、控制器替代。

（2）人才挑戰：工藝+自動化+IT+數據分析復合型人才短缺。對策：校企協同育人、內部輪崗培養、高端人才共享。

（3）投資挑戰：一次性投入大、中小企業負擔重。對策：政策補貼、分步實施、云MES輕量化部署、融資租賃模式。

（4）安全挑戰：工業網絡與數據安全風險上升。對策：縱深防御、區域隔離、數據加密脫敏、應急演練與冗余備份。

6   結論與建議

6.1   結論

（1）動化與信息化深度融合自是乳業提升效率、穩定質量、降低成本、保障安全的核心路徑，蒙牛寧夏燈塔工廠實踐驗證了該技術路線的可行性與經濟性。

（2）乳業智能化必須以系統集成為核心，單一設備自動化無法實現全局優化，機器人、視覺、 AGV與MES、ERP、WMS的協同是關鍵。

（3）以和利時卡優倍科技、廣東宏友智能為代表的系統集成商，可提供從方案設計到工程交付的全棧服務，是乳業智能化落地的重要支撐。

（4）未來乳業將向自主化、全鏈路集成、綠色低碳與大規模定制方向演進，技術、人才、投資、安全仍是需要持續突破的重點。

6.2   建議

對企業： 遵循先評估、再規劃、后分步實施原則，優先改造回報率高的包裝、檢測、物流工段，強化數據治理與系統集成。對政府：加大智能制造補貼與貼息支持，完善乳業智能工廠標準與數據接口規范，推動復合型技能人才培養。對供應商與科研機構：加快食品級機器人、柔性執行器、工業視覺、邊緣控制器等核心技術自主化，提升方案的適配性、經濟性與可維護性。

作者簡介：

李寶琴（1980-），女，江西上饒人，學士，現就職于廣東宏友智能科技有限公司，研究方向是AI智能調度與全鏈路數字孿生。

崔小寧（1982-），男，甘肅隴南人，中級工程師，學士 ，現就職于蒙牛乳業（寧夏） 有限公司 ，研究方向是乳業智能機械設備信息化。

王   福（1981-） ，男 ，內蒙古包頭人 ，碩士 ，現就職于內蒙古蒙牛乳業（集團） 股份有限公司 ，研究方向是乳業智能機械設備信息化。

高會雷（1986-） ，男 ， 內蒙古赤峰人 ， 中級工程師 ，學士 ，現就職于蒙牛乳業（寧夏） 有限公司 ，研究方向是乳業智能生產及機械設備信息化。

王   訓（1983-） ，男 ，北京人 ， 中級工程師 ，學士 ，現就職于和利時卡優倍科技有限公司 ，研究方向是工業智能工廠建設。

張永翠（1980-） ，女 ，湖北襄陽人 ，學士 ，現就職于和利時卡優倍科技有限公司 ，研究方向是工業智能工廠建設。

黃國華（1974-） ，男 ，山西臨汾人 ，現就職于和利時卡優倍科技有限公司 ，研究方向是工業智能工廠建設。

欽武林（1996-） ，男 ，湖南懷化人 ，本科 ，現就職于廣東宏友智能科技有限公司 ，研究方向是機械設計。

胡嘯華（1992-） ，男 ，江西南昌人 ，本科 ，現就職于廣東宏友智能科技有限公司 ，研究方向是機械設計。

李   強（1993-） ，男 ，廣東韶關人 ，中級工程師 ，碩士 ，現就職于東莞理工學校 ，研究方向是智能機器人研發。

參考文獻：

[1] 中國乳制品工業協會. 中國乳業智能化發展報告[R]. 北京: 中國乳制品工業協會, 2025.

[2] 工業和信息化部. 國家智能制造標準體系建設指南(2024版) [Z].

[3] 李明. 智能制造在乳業的應用研究[J]. 食品工業科技, 2024, 45 (3) : 12 - 18.

[4] 張華. 工業4.0背景下乳業數字化轉型路徑研究[J]. 現代食品科技, 2025, 41 (2) : 25 - 31.

[5] 王強. 乳品包裝自動化技術發展趨勢分析[J]. 包裝工程, 2024, 45 (4) : 56 - 62.

[6] 周濤. 數字孿生在乳業生產中的應用研究[J]. 自動化學報, 2024, 50 (9) : 89 - 96.

[7] Martins R, Silva S, Costa L. Deep reinforcement learning for UHT sterilization process optimization[J]. Journal of Food Engineering, 2023, 345 : 111415.

[8] 蒙牛集團. 蒙牛寧夏工廠智能化改造項目報告[R]. 2024.

摘自《自動化博覽》2026年6月刊