【典型案例】蒙牛乳制品智能制造的探索与实践
2021-01-27 来源：智造苑
「 1. 蒙牛智能制造的基本情况 」
伴随乳业新时代的到来，“互联网+”和“2025国家战略”正在不断地推动着企业向前发展和变革，而在行业快速国际化的背景下，市场变化迅速，消费者需求差异性加剧，产品安全的诉求更为严格，产品研发周期缩短，产品服务的精准化、柔性化和智能化对企业提出了新的要求，同时在激烈的行业竞争中，成本管理也对企业提出了更为严峻的挑战，对于当前所面临的种种问题，结合蒙牛当前的智能管理基础，乳制品智能工厂的建设需求应运而生。
蒙牛智能制造实现四个层次的融合贯通：在管理战略层，应用BI进行科学的分析和决策；在战术层，应用ERP-SAP技术对企业的人财物等资源进行管理；在执行层，应用MES技术对生产、质量、设备、能源、物流等方面实现数字化管理；在采集层面，应用机器人、智能仪表、PLC、传感器等技术实现自动化生产。蒙牛智能制造的实施，将在现有智能化的基础上，打破信息孤岛，实现互联互通，建立智能化能源管控系统、自动化灌装、自动化包装、ERP系统、智能化质量管控系统、智能化立体库等，从而提升生产效率、能源利用率，降低运营成本、产品不良品率和缩短产品研发周期，进而推动行业的整体建设，实现传统乳品行业向智能化转型。
「 2. 蒙牛智能制造在智能制造系统架构中所处的位置 」
作为完全的流程型行业，蒙牛的智能制造完全符合流程型制造的所有特征，从收奶、净乳、调奶、巴杀、配料、定容、UHT、灌装、包装、码垛到入库，生产连续性强、流程固定。在蒙牛的智能制造中，系统对产品订单进行分析、转换、自动排产，通过集成和互通的各个系统协调配合，按需、按时、按量提供物料、原奶、质量检验计划、能源供应、仓储位置等，订单任务信息实时跟踪、能源消耗实时监控，生产更高效、过程更可靠、成本更明晰、管理更便捷。
蒙牛的智能制造基本涵盖了中国智能制造系统架构的所有内容。在生命周期维度，蒙牛智能制造系统涵盖了设计、生产、物流等方面，集成和打通了PLM、MES、LIMS、EMS、WMS等系统，实现产品设计、生产、追溯、能源管理、物流管理等全流程互联互通，实现透明化生产、一键式追溯、数据化管理。在系统层级维度，蒙牛智能制造涵盖了设备、控制、车间、企业等方面，实现了人、设备、系统的互联互通，达到状态感知、实时分析、自主决策和精准执行。在智能功能维度上，除新兴业态以外，蒙牛智能制造涵盖了资源要素、系统集成、互联互通和信息融合等方面，构建了蒙牛智能工厂云平台，实现了全流程的信息融合和互联互通。
「 3. 蒙牛智能制造系统架构介绍」
如下图所示，蒙牛的智能制造系统架构分由计划层、执行层、控制层构成，计划层由企业资源规划ERP、智慧供应链、产品生命周期管理PLM等信息化管理系统构成；执行层由生产执行系统MES及其包括的生产管理，质量管理、设备管理、成本管理以及报表优化和系统集成的公用功能模块构成；控制层由生产设备组成，包括从原奶接收到牛奶加工、产品灌包装、成品仓储等自动化生产设备构成。通过MES平台深度融合自动化控制设备和信息化管理系统，ERP接收到智慧供应链的生产任务，将生产计划下达到生产执行系统MES，MES经过自动排产优化后下达生产指令到控制层的生产设备，同时生产任务在MES的质量模块、设备管理模块、生产管理模块、成本管理模块生成生产方法与人员指令。控制层的设备按照MES生产指令执行生产，同时将生产执行过程中的生产状态与生产结果反馈给MES，MES再将生产结果返回的ERP。完成一个生产任务的完整闭环管理。控制层、执行层和计划层的生产管理颗粒度各不相同，控制层以秒级自动采集生产数据并反馈给MES，MES以分钟级时间维度分析实时分析生产状态，做的精准管控生产进度和动态管控生产成本和产品质量；ERP则从自然天的维度管理生产任务、成本、质量的完成情况。
蒙牛的智能制造系统架构
「 4. 蒙牛智能制造关键绩效指标 」
蒙牛通过推行智能制造，切切实实为企业带来了改变和收益，主要如下：
（1）财务结账的速度提升50%；（2）生产效率提升20%；（3）全程数字化自动采集、监控，实现数据异常及时预警；（4）系统化精细化成本管控，实现在线监控自动核算，运营成本降低20%；（5）系统化自动排产，快速响应、满足市场柔性化需求；（6）全产业链实现质量一键追溯；（7）质量检测实现自动化和信息化，产品不良品率降低20%以上；（8）能源管理实现智能化，能源利用率提升10%。
「 5. 蒙牛智能制造的主要特点 」
蒙牛智能制造以订单生命周期管理为核心，系统根据大数据分析并匹配最佳工厂按照订单进行生产。具体方案从以下5个部分体现和实施：
（1）质量控制自动化：所有检验数据通过LIMS（Laboratory Information Management System）系统集中管理，该系统将检验和质量控制有机结合，实现了质量控制自动化、检验流程标准化、检验记录无纸化、数据采集自动化，并持续对该系统优化中。应用物联网技术，依托LIMS系统，以及终端二级追溯项目的实施，将打造全链条信息化的产品控制和追溯系统。
（2）能源管控智能化：能源管控系统以智能仪表完善能源三级计量和能源数据的自动采集、无线传输、数据存储、互联网技术等将全国各生产工厂的能源数据汇总到能管中心平台进行展示和集中管理，实现对全国工厂的分区域、分品项、分产品的能耗成本计算、实时监控、自动统计分析功能开发，为节能挖潜、优化排产提供技术支持。
（3）产品研发智能化：引入PLM（Product Lifecycle Management）系统，产品全生命周期管理系统是为管理新产品需求、新产品研发、测试、推广的系统。
（4）制造过程自动化：引入MES（Manufacturing Execution System）系统，深度融合生产制造车间的自动化和信息化，实现制造过程的智能化和柔性化。
（5）物流智能化：在项目建设过程中，立体库全自动堆垛机、环穿小车和系统的关键工序设备均引入高自动化程度的装备，采用多种智能功能部件和统一的标准通讯协议实现设备智能功能，配合WMS（Warehouse Management System）系统实现数据自动采集，部分设备实现与WMS系统的双向交互与控制；产品运输过程中对车辆的位置和产品温度进行全时监控；依靠物联网技术的应用，实现全国库房帐务远程监控管理功能。
「 6.蒙牛智能制造实施步骤 」
蒙牛在实施智能制造之前，详细调查生产执行层、管理层和决策层的业务需求，将调查汇总的业务需求按照对成本、质量和效率的影响程度大小，并结合MNWCO蒙牛卓越运营模式进行梳理、提炼，进行优先级分析，从而确定了蒙牛实施智能制造的业务范畴。
确定智能制造业务范畴之后，蒙牛智能制造在控制层进行自动化升级改造。包括：挤奶、收奶、杀菌、灌装、包装、码垛、出入库、物流和市场终端。每一个部分的自动化升级改造都纳入了蒙牛的智能制造蓝图中。
挤奶采用全自动机器人挤奶系统（是一种不同于传统挤奶方式的不一般的生活方式。通过自动挤奶使牧场主摆脱了繁重而琐碎的常规挤奶事务；收奶、杀菌过程的自动化，通过PLC对所有泵和阀及单机控制，实现牛奶按工艺控制参数自动流转，达到牛奶杀菌的安全控制，实现产品追遡可查，同时设备运转参数自动记录，便于追溯；灌装、包装和码垛自动化包括灌装设备通过流量传感器自动检测稳定灌装流量，实现精准灌装系统和无菌灌装系统自动化；包装装箱利用PLC控制系统和机器人全方位模仿人工为基础，实现自动开箱、装箱（机器人）、封箱、码垛等功能，提高生产效率，降低劳动强度。出入库的自动化方面集成了多轴机械手、AGV、RGV、空中悬挂、堆垛机、码型线、输送机、环形穿梭车等自动化立体仓库能够用到的90%以上的设备类型，提升产品出入库的速度和能力；物流自动化方面，引入了GPS系统对车辆的位置和温度变化等重要指标进行适时监控。市场终端方面，产品的包装盒采用二维码技术，通过手机终端等智能工具扫码，直接获取产品信息。
在建设生产设备控制层自动化升级的同时，在计划层（管理层）进行信息化建设，信息化建设主要由三大系统组成，即PLM产品生命周期管理、ERP企业资源计划、MES制造执行系统，辅助以物流管理系统和生产自控系统。应用ERP理念、方法和技术，建立以规范业务流程为基础、以财务为核心、一体化经营管理平台。
PLM产品生命周期管理平台，为企业提供可靠、开放和灵活的产品设计、协同、工作流和知识管理功能。
MES实现数据的采集、处理、存储、利用和管理，形成具备生产管理（工作流管理）、称量配料管理、质量管控、物料与仓储管理、设备管理与设备OEE、生产电子批记录和生产绩效评价。
通过将这些生产环节上先进的局部自动化和信息孤岛进行互联互通，也就是将市场需求通过计划部门转化成为采购供应计划、生产执行、物流运输的决策依据；同时对计划执行过程中的生产、供应、质量、设备、成本等要素进行管控和协调，处理计划变更，使生产能够高效、有序、低成本地运行。对整个过程中质量、效率、成本相关指标的执行情况进行汇总和分析，为管理层提供决策支持，整个过程实现无缝连接，这就达到了智能制造的目的。
「 7. 乳制品智能制造标准化现状与需求 」
蒙牛在实施智能制造的过长中，总结和提炼良好实践，目前形成了三套智能制造标准草案，分别是：
1）《智能化能源管控系统技术要求》的主要内容
（1）计量仪表配备率及性能要求：仪表具备数据读取、数据记忆、数据远传等功能。（2）数据采集正确性、实时性；（3）远程控制的正确性：数据传输准确率、历史数据的完整性。
2）《乳制品智能工厂车间运行管理要求》的主要内容
根据智能乳制品工厂/车间的特点，要做到网络及通讯畅通，能将生产过程SCADA采集数据与MES生产订单的数据互联互通，从而达到工厂/车间数据可按需追踪，同时要做到将MES数据与ERP系统数据交互，并通过BI进行报表分析，提供更精准的决策依据。
3）《乳制品实验室信息化规范》的主要内容
将CNAS17025实验室管理体系融入实验室信息化管理，从检验仪器连接、检测数据自动上传、原始记录电子化、检验报告自动生成、检验方法实时配置、质量控制计划自动实施等角度进行规范，形成乳制品实验室信息化系统建立、应用和管理的技术指导标准，全面解决实验室检测自动化和信息化应用标准的欠缺，提升实验室检测管控智能化水平，成为各行业检测实验室实现自动化和信息化的指导依据。
乳制品生产制造设备作为乳制品生产过程最核心和最复杂的关键设备，对乳制品的生产效率和质量起着至关重要的作用。作为一种对品质和时效性具有很高要求、市场需求量巨大的快速消费品，乳制品生产过程要求生产线尽量不停机，停机后也要快速修复，以免影响产品的新鲜度从而造成质量缺陷和生产效率。然而，随着核心灌装设备的数量和复杂程度不断升级，传统的现场设备维护越来越难，维护成本不断增加。尤其是乳制品生产线一般靠近消费地，造成生产线遍布全国甚至全球各地，给设备的运行维护造成极大困难，难以及时发现设备故障并定位，不能快速诊断现场故障并做出智能决策等，导致乳制品的质量和生产效率难以提升，给企业的经营、发展带来诸多不确定因素。因此急需发展乳制品生产制造设备的远程运维和诊断技术及相关系列标准，通过一些预警或者预案处理，避免故障发生后的损失。通过建设远程运维服务平台，实现乳制品企业生产制造设备远程运维的流程化、标准化，以保障乳制品生产安全和效率。这一方面对于提升我国乳制品企业生产力和竞争力具有十分重要的意义，另一方面，在进行设备远程运营维护的过程中收集大量设备运转参数，为设备制造商的后续产品改进设计提供更多分析数据，提高我国乳制品关键设备的技术创新能力。
「 8.蒙牛智能制造的示范意义 」
蒙牛智能制造发展的经验和模式将为乳制品行业从传统制造，向数字化、自动化和智能化转型提供经验借鉴。
1）建立生态共赢圈，推动产业链升级在行业快速发展的今天，企业的彼此依存度与日俱增，作为产业链的一环，很难独善其身，必须协同发展，共同进步。因此蒙牛的智能制造不是闭门造车，独自建设，而是与上下游合作单位建立了生态共赢圈，组建联合体，发挥各家长处，共同完成乳制品产业链上的智能化建设。乳制品的前处理和灌装环节被国外先进厂商垄断，与国内产业链组成联合体，推广使用国产乳品包装设备，有利于推动实现乳品制造的完全自主知识产权的进程，树立标杆，填补空白，建立标准，引导行业的智能化建设。
2）对中国制造2025规划智能制造战略从模型到实践模式，从理论到实际，为行业提供可借鉴的经验
中国制造2025规划中将智能制造确立为“五大工程”之一，蒙牛智能制造的探索和实践得到了国家的认可，入围了工信部量化融合贯标企业、工信部智能制造示范试点单位以及2016年智能制造综合标准化与新模式应用重点支持单位。蒙牛将以此为契机，根据国家智能制造发展战略及示范试点的统一部署，牵头制定好乳制品行业的智能制造标准，尽快形成乳制品领域成熟的智能制造发展经验和模式，利用本次经验交流会，积极进行经验总结和行业内交流，为乳制品行业推进智能制造发展提供经验借鉴。具体如下：
（1）质量控制项目的市场分析和技术成果应用分析
本次研究的智能制造新模式突破传统制造模式，在现有信息化、数字化的基础上有大量新型创新举措，属于填补乳制品智能制造模式的空白，更加高效、更加贴合实际应用需求，具有较强的市场应用空间。质量控制自动化的质量控制计划自动执行、质量标准自动判定功能，检验管理信息化的数据自动采集、电子原始记录、体系管理信息化功能，全链条质量追溯系统功能均是基于乳品企业的特点，量身定做的智能化质量管控新模式，本次研究成果可以直接复制应用于国内中大型乳品企业，可借鉴于国内中大型食品企业。可作为智能化制造标准的参照依据。
（2）智能化能源管控系统EMS的市场分析和技术成果应用分析
能管项目建成后实现了能源领域的自动化、数字化、信息化的融合作用，对轻工行业的能源管理起到示范作用，对轻工食品行业的传统管理方式带来很大的冲击作用，从而带动轻工行业的能源管理由传统的手工抄表、人工计算方式转变成自动化、数字化、信息化的方式转变，具有广阔的市场前景，并能起到很好的市场带动作用。
技术成果可以应用于以下几个方面：
实现产品单吨能耗、单吨水耗，作为乳业的龙头企业，此数据可作乳品企业能耗定额的制定依据，填补了乳品企业在这方面管理的一项空白。
实现能源数据的自动采集、实施监测可有效发现能管设备在运行过程中出现的问题，可有效降低能源设备的运行费用。
通过系统的能耗分析，可以发现能源管理中10-20%的节能机会点，可有效降低企业的能源管理成本。
能源数据的采集监测大大提高了数据的准确性，提高能源利用的透明度，可以直观的发现高耗能区域和高耗能设备，可以直接的计算出节能效果。以上能耗水耗指标的完成是基于同一个智能工厂相同产品、相同规模、相同产品结构和相同产量下进行的对比，即具有可比性的相同条件下进行。
（3）灌装自动化市场分析和技术成果应用分析
乳制品富含蛋白质、脂肪、糖类、矿物质、维生素及其他成分，所以它不仅是新生儿天然的全营养食品，也是男女老少理想的营养食物。由于我国幅员辽阔、地域差异大，对保鲜要求比较严格的牛奶来说，长距离分销就是必须解决的障碍，因此超洁净高敏感性液态食品智能化高速生产线智能装备，是目前的一个主要发展方向。并可在常温下储运，是乳制品发展的必然趋势。
我国乳品行业从1998年开始进入了高速增长阶段，在国家对乳品行业的整顿措施得当以及龙头企业对安全生产意识强化的环境下，2012年乳制品产量达2,387万吨，同比增长13.99%，继续保持良好的增长势头。根据国家发改委2008年35号文《乳制品工业产业政策》规划：到2013年,全国人均奶类占有量达到42千克，乳制品产量达到2,800万吨，呈上升趋势。
所以，国内乳品生产企业迫切需要具有能耗少、带有工业机器人、伺服和执行部件为代表的智能装置、性能稳定可靠的高端的国产乳品成套生产装备。逐步以先进设备替换落后设备也是征战市场的必要手段。
（4）智能立体库市场分析和技术成果应用
本次研究的智能制造新模式突破传统制造模式，在现有信息化、数字化的基础上有大量新型创新举措，具有较强的市场应用空间。量身定做的智能化质量管控新模式，本次研究成果可以直接复制应用于国内中大型乳品企业，可借鉴于国内中大型食品企业。可作为智能化制造标准的参照依据。
立库智能盘点分析和技术成果应用：蒙牛智能制造的远程智能盘点实现自动化立体仓库系统（AS/RS）各巷道远程自动盘点，系统自动调度设备，无人工接触堆垛机盘点，提高盘点工作效率，实现产品种类、产品批次、产品数量智能识别；是立库智能盘点最安全的管控模式。本次研究成果可以直接复制应用于国内中大型乳品企业，可借鉴于国内中大型食品企业。可作为智能化制造标准的参照依据。
全程可视化OTD物流管理系统上线分析和技术成果应用：蒙牛智能制造研究的全程可视化OTD物流管理系统应用，实时进行秒级数据传输、弯道自动修正、轨迹回放、获得精确的温度数据，准确知道每时每刻货箱内的变化是，是冷链运输中最先进的管控模式。本次研究成果可以直接复制应用于国内快消品企业运输。可作为智能化制造标准的参照依据。
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