★ 广东宏友智能科技有限公司 李宝琴

★ 蒙牛乳业（宁夏）有限公司 崔小宁

★ 内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司 王福

★ 蒙牛乳业（宁夏）有限公司 高会雷

★ 和利时卡优倍科技有限公司 王训，张永翠，黄国华

★ 广东宏友智能科技有限公司 钦武林，胡啸华

★ 东莞理工学校 李强

关键词：乳业自动化；信息化；灯塔工厂；利乐灌装机；智能包装；工业4.0；智能制造；数字孪生

1   引言

1.1   研究背景与意义

在全球乳制品消费结构升级与产业竞争日趋激烈的背景下，乳业正从规模化扩张转向高质量、高效率、高安全的集约化发展模式。国际乳业联合会（IDF， 2025）数据显示，全球乳制品消费量已突破9.5亿吨，亚太地区成为增长核心。与此同时，我国乳业面临劳动力成本持续上涨、招工困难、质量稳定性不足、能耗与环保压力加大等现实约束。与欧洲乳业85%以上的平均自动化率相比，我国乳业整体自动化水平约65%，且在后道包装、物流仓储等环节仍高度依赖人工，系统集成度低、信息孤岛现象普遍，成为制约产业升级的关键瓶颈。

蒙牛宁夏灯塔工厂作为国内乳业首家通过世界经济论坛认证的智能制造标杆，全面实现了生产、包装、物流、质量与能源管理的数字化协同。和利时卡优倍科技与广东宏友智能作为核心系统集成方，在智能包装、机器人应用、AGV调度及MES集成方面形成可复制的工程化方案。在此背景下，系统研究乳业自动化与信息化融合的技术体系、实施路径与应用成效，对推动我国乳业智能制造普及具有重要理论价值与现实意义。

1.2   国内外研究现状

国外乳业自动化起步时间更早，已经形成了高度自动化、精益化且能实现全链路追溯的成熟体系。丹麦Arla、德国DMK、美国Dairy Farmers of America等企业借助黑灯工厂、数字孪生、工业物联网以及预测性维护等技术，把设备综合效率OEE提升到92%以上，单位产品的能源消耗也有明显下降。在学术研究层面， 围绕UHT灭菌过程优化、包装缺陷实时检测、柔性控制算法等方向产出了大量成果，给乳业智能化发展提供了扎实的理论支撑。

国内乳业自动化从早期引进国外设备，逐步发展到自主集成的阶段， 伊利、蒙牛、光明等头部企业都在逐步推进灌装、前处理等核心工段的自动化改造工作。但行业整体依旧存在明显的短板， 一是系统集成能力不足， PLC、SCADA、MES、ERP之间的数据互通效率偏低； 二是包装环节的自动化水平偏弱， 复杂包装形式依旧需要人工完成； 三是柔性生产能力不足， 生产线切换不同产品规格需要耗费较长时间； 四是高端核心元器件与核心算法还需要依赖进口产品。目前国内只有12%左右的乳品企业能实现车间级全流程自动化与信息化集成， 大部分企业还停留在单点自动化的阶段。

1.3   研究内容与方法

本文围绕技术体系、工程应用、成效评估、趋势挑战展开研究，主要内容包括：

（1）构建乳业生产、包装、检测、物流四大自动化技术体系，解析关键技术原理与应用边界；

（2）以蒙牛宁夏灯塔工厂为案例，揭示三层架构（基础设施层、自动化层、信息化层） 与实施路径；

（3） 以利乐灌装机自动上包材改造为典型场景，量化评估效率、质量与经济效益；

（4）分析系统集成商技术方案与实施方法论；

（5）展望技术趋势并提出挑战应对策略。

研究采用案例研究法、对比分析法、数据统计法与技术建模法， 以实际运行数据支撑结论， 提升研究的科学性与工程指导性。

2   乳业自动化与信息化技术体系构建

乳业生产具有流程长、卫生要求高、控制精度严格、连续化生产等特征，其自动化与信息化体系需围绕原料处理、杀菌、灌装、包装、检测、仓储物流全链条进行协同设计。

2.1    自动化技术体系

2.1.1   生产自动化

生产自动化以PLC与DCS为核心控制器，实现收奶、标准化、均质、UHT杀菌、发酵、灌装的全流程闭环控制。关键工段采用冗余架构，保障系统高可用性；通过在线近红外光谱（NIR）实现脂肪、蛋白质等理化指标实时监测与调节；发酵过程采用模型预测控制（MPC）提升批次稳定性；无菌灌装采用高精度伺服同步控制，保障灌装容量与封合质量一致性。

2.1.2   包装自动化

包装是乳业自动化薄弱环节与提质关键。本文重点研究利乐灌装机自动上包材系统，采用六轴工业机器人+机器视觉实现包材拆垛、精准上料、自动接膜与不停机换料。视觉系统完成位姿偏移检测与校正，机器人实现高精度抓取与插装，真空吸盘与柔性执行机构适配纸铝塑复合包材特性，解决人工上料易污染、穿膜偏差大、效率低等问题。

2.1.3   检测自动化

检测自动化从离线抽检转向在线全检。采用近红外光谱实现理化指标实时检测；利用流式细胞术大幅缩短微生物检测周期；通过视觉检测+压力衰减法实现包装封合完整性100%全检， 不合格品自动剔除并与MES联动记录，形成质量闭环管理。

2.1.4   物流自动化

物流自动化采用AGV/AMR+立体库+自动码垛架构。AGV采用激光SLAM与RFID融合定位，实现包材与成品精准转运；自动码垛机器人适配多规格箱型；自动化立体库（AS/RS）由WMS/WCS统一调度，实现入库、存储、出库、分拣全流程自动化，提升物流效率并降低人工差错率。

2.2   信息化系统架构

信息化系统以MES为核心，向上对接ERP，向下集成SCADA、PLC、机器人、视觉系统、AGV、WMS、LIMS等设备与子系统，形成计划-执行-检测-反馈-优化的闭环。

（1）MES实现生产调度、过程监控、质量追溯、设备管理与OEE统计；

（2）SCADA实现现场数据采集与实时监控；

（3）WMS/WCS实现仓储物流智能调度；

（4）LIMS实现检测数据管理与全程追溯；

（5）数据平台实现多源数据汇聚、存储、分析与可视化，支撑异常预警、故障预测与质量根因分析。

3   蒙牛宁夏灯塔工厂智能化实践与成效分析

3.1   工厂智能化总体架构

蒙牛宁夏灯塔工厂采用“三横三纵”总体架构：横向分为基础设施层、自动化层、信息化层；纵向贯穿产品生命周期、供应链与客户全流程。项目分三阶段实施：基础自动化与核心信息系统部署→系统集成与包装物流自动化→AI优化、数字孪生与能源管理提升，最终实现全流程数字化与灯塔工厂认证。

3.2   关键自动化系统应用

3.2.1   利乐灌装机自动上包材系统

改造前痛点存在人工上料劳动强度大、耗时8–10分钟/次、穿膜偏差导致封合不良率高、存在微生物污染风险。技术方案采用AGV自动转运→机器人拆垛→视觉精定位→ 自动接膜热熔拼接→不停机续料。系统由多机器人协同、视觉引导、真空柔性抓取、自动对接控制构成，实现包材上料全流程自动化。主要的核心技术包括手眼标定、轨迹规划、视觉位姿补偿、真空自适应控制、不停机接膜机构。

3.2.2   信息化集成与数据应用

MES与ERP、WMS、LIMS、SCADA深度集成，实现工单下发、参数执行、数据采集、质量判定、库存联动、成本核算全流程贯通。数据平台日均处理海量时序数据，通过机器学习模型实现杀菌异常检测、封切刀具剩余寿命预测、质量波动关联分析等功能，数字孪生系统实现车间三维可视化与远程监控。

3.3   实施成效定量分析

基于2025年实际运行数据，与改造前对比结果如下（表1、表2）：

（1）生产效率：设备综合效率（OEE）从75%提升至95%；包装节拍提升167%；换型时间缩短67%；年产能从35万吨提升至50万吨。

（2）质量水平：产品一次合格率由98.5%提升至99.8%；包装缺陷率由0.8%降至0.05%以下；微生物合格率由99.2%提升至99.9%。

（3）经济效益：自动化与信息化专项投资3.5亿元，年综合节约成本3300万元，含人工、能耗、质量损失等，项目投资回收期3.2年，经济效益显著。

（4）社会效益：就业结构向高技能岗位优化，形 成行 业 示范 效 应， 带 动乳 业 智能 化 投资 快速 增长。

表1  生产效率提升表

表2 质量水平提升表

4   系统集成商技术支撑能力与实施方法论

4.1   核心技术体系

和利时卡优倍科技与广东宏友智能针对乳业卫生要求高、连续生产、柔性适配等特点，构建智能包装、自动化物流、信息化集成三位一体技术体系：

（1） 智能包装： 采用伺服同步与电子凸轮技术， 实现高速柔性装盒与快速换型；基于深度学习视觉完成包装缺陷在线全检，检测精度与稳定性满足高速产线要求。

（2）自动化物流：以多机调度算法实现AGV/ AMR协同作业与动态避障；配套智能输送合流与提升机构，结合WMS/WCS一体化系统完成立体库自动出入库与批次管理。

（3）信息化集成：支持多类工业协议接入，实现异构设备数据互通；采用工业时序数据库完成海量数据高效存储，通过低代码平台支撑质量分析、设备预警与能耗优化。

4.2   项目实施方法论

针对乳业智能化项目工艺复杂、上线风险高、连续性要求强等特点，形成五步闭环实施方法：

（1）需求与工艺分析：现场调研、痛点梳理、指标定义、方案架构设计；

（2）详细设计与开发：机械、电气、软件、视觉算法并行开发与虚拟仿真验证；

（3） 现场部署与安装： 标准化施工、安全管控、硬件装配与单机调试；

（4） 联动调试与优化： 小批量试产、瓶颈识别、节拍与稳定性优化；

（5）验收与长效运维：指标验收、7×24h远程运维、定期诊断与系统迭代。

该方法论可有效缩短工期、降低风险、提升交付质量，在蒙牛宁夏项目中实现工期缩短15%， 一次验收通过率100%。

5   乳业智能化发展趋势与挑战对策

5.1   技术发展趋势

（1）从自动化向自主化升级：AI与强化学习使产线具备自感知、自决策、自优化能力，可根据物料、环境与设备状态自主调整控制策略，实现无人干预下的稳定高效运行。

（2）全链路系统集成深化：云-边-端协同架构逐步普及， OPC UA over TSN实现确定性通信， 牧场-工厂-物流-终端数据贯通，区块链支撑全程可信追溯。

（3）绿色低碳制造常态化： 以数字孪生与智能算法实现能耗优化、CIP节水减排、冰蓄冷与余热回收；可回收包装自动分拣与循环利用体系加快落地。

（4）柔性定制能力增强： 高速柔性产线支持多品种共线快速换型，在规模化生产基础上满足小批量、个性化定制需求，提升市场响应速度与产品附加值。

5.2   主要挑战与应对策略

（1）技术挑战：系统集成复杂、核心器件对外依存度高。对策：推行标准化接口、模块化设计，加快国产机器人、视觉、控制器替代。

（2）人才挑战：工艺+自动化+IT+数据分析复合型人才短缺。对策：校企协同育人、内部轮岗培养、高端人才共享。

（3）投资挑战：一次性投入大、中小企业负担重。对策：政策补贴、分步实施、云MES轻量化部署、融资租赁模式。

（4）安全挑战：工业网络与数据安全风险上升。对策：纵深防御、区域隔离、数据加密脱敏、应急演练与冗余备份。

6   结论与建议

6.1   结论

（1）动化与信息化深度融合自是乳业提升效率、稳定质量、降低成本、保障安全的核心路径，蒙牛宁夏灯塔工厂实践验证了该技术路线的可行性与经济性。

（2）乳业智能化必须以系统集成为核心，单一设备自动化无法实现全局优化，机器人、视觉、 AGV与MES、ERP、WMS的协同是关键。

（3）以和利时卡优倍科技、广东宏友智能为代表的系统集成商，可提供从方案设计到工程交付的全栈服务，是乳业智能化落地的重要支撑。

（4）未来乳业将向自主化、全链路集成、绿色低碳与大规模定制方向演进，技术、人才、投资、安全仍是需要持续突破的重点。

6.2   建议

对企业： 遵循先评估、再规划、后分步实施原则，优先改造回报率高的包装、检测、物流工段，强化数据治理与系统集成。对政府：加大智能制造补贴与贴息支持，完善乳业智能工厂标准与数据接口规范，推动复合型技能人才培养。对供应商与科研机构：加快食品级机器人、柔性执行器、工业视觉、边缘控制器等核心技术自主化，提升方案的适配性、经济性与可维护性。

作者简介：

李宝琴（1980-），女，江西上饶人，学士，现就职于广东宏友智能科技有限公司，研究方向是AI智能调度与全链路数字孪生。

崔小宁（1982-），男，甘肃陇南人，中级工程师，学士 ，现就职于蒙牛乳业（宁夏） 有限公司 ，研究方向是乳业智能机械设备信息化。

王   福（1981-） ，男 ，内蒙古包头人 ，硕士 ，现就职于内蒙古蒙牛乳业（集团） 股份有限公司 ，研究方向是乳业智能机械设备信息化。

高会雷（1986-） ，男 ， 内蒙古赤峰人 ， 中级工程师 ，学士 ，现就职于蒙牛乳业（宁夏） 有限公司 ，研究方向是乳业智能生产及机械设备信息化。

王   训（1983-） ，男 ，北京人 ， 中级工程师 ，学士 ，现就职于和利时卡优倍科技有限公司 ，研究方向是工业智能工厂建设。

张永翠（1980-） ，女 ，湖北襄阳人 ，学士 ，现就职于和利时卡优倍科技有限公司 ，研究方向是工业智能工厂建设。

黄国华（1974-） ，男 ，山西临汾人 ，现就职于和利时卡优倍科技有限公司 ，研究方向是工业智能工厂建设。

钦武林（1996-） ，男 ，湖南怀化人 ，本科 ，现就职于广东宏友智能科技有限公司 ，研究方向是机械设计。

胡啸华（1992-） ，男 ，江西南昌人 ，本科 ，现就职于广东宏友智能科技有限公司 ，研究方向是机械设计。

李   强（1993-） ，男 ，广东韶关人 ，中级工程师 ，硕士 ，现就职于东莞理工学校 ，研究方向是智能机器人研发。

参考文献：

[1] 中国乳制品工业协会. 中国乳业智能化发展报告[R]. 北京: 中国乳制品工业协会, 2025.

[2] 工业和信息化部. 国家智能制造标准体系建设指南(2024版) [Z].

[3] 李明. 智能制造在乳业的应用研究[J]. 食品工业科技, 2024, 45 (3) : 12 - 18.

[4] 张华. 工业4.0背景下乳业数字化转型路径研究[J]. 现代食品科技, 2025, 41 (2) : 25 - 31.

[5] 王强. 乳品包装自动化技术发展趋势分析[J]. 包装工程, 2024, 45 (4) : 56 - 62.

[6] 周涛. 数字孪生在乳业生产中的应用研究[J]. 自动化学报, 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] 蒙牛集团. 蒙牛宁夏工厂智能化改造项目报告[R]. 2024.

摘自《自动化博览》2026年6月刊