植物工廠種植板物流輸送系統(tǒng)設計與試驗 季涵涵1a 謝忠堅1a 辜美章2 初 麒2 楊艷麗2 劉厚誠1b 辜 松1a 1 華南農(nóng)業(yè)大學 a 工程學院 b 園藝學院 廣州 510642 2 廣州實凱機電科技有限公司 廣州 510642 摘 要 植物工廠作為目前最高水平的設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 成為近年來研究的重點 多層式立體栽培種植模式 最為常見 主要輸送方式為人工搬運種植板輸送 由于人工搬運效率低 成本高 存在高空作業(yè)安全隱患 嚴重制 約了植物工廠作業(yè)效率的提高 為此 研發(fā)了一種種植板物流輸送系統(tǒng) 以立體栽培種植模式為基礎 包含地面 輸送系統(tǒng) 提升車系統(tǒng)及栽培架內(nèi)無線引導車系統(tǒng) 同時 運用Flexsim軟件對該種植板物流輸送模式進行仿 真 并進行性能試驗 結(jié)果表明 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)植物工廠立體栽培模式下種植板的自動化運輸作業(yè) 作業(yè)效率達 到500 穴盤 h 達到國內(nèi)領先水平 可為相關植物工廠立體物流輸送模式的設計提供理論依據(jù)和技術支撐 關鍵詞 植物工廠 立體栽培 種植板 垂直運輸 物流設備 中圖分類號 S62 S237 文獻標識碼 A文章編號 1003 188X 2023 05 0078 05 0 引言 植物工廠具有種植環(huán)境無污染 節(jié)約生產(chǎn)材料 高產(chǎn)優(yōu)質(zhì) 受自然條件影響小 作物生產(chǎn)計劃性強 周 年生產(chǎn) 生產(chǎn)周期短及自動化程度高等優(yōu)點 1 2 但與 傳統(tǒng)的農(nóng)作物種植方式相比 生產(chǎn)投資成本高 生產(chǎn) 效益不明顯 為了使植物工廠進入商業(yè)化生產(chǎn) 研究 人員進行了各種各樣的研究 3 7 對于植物工廠 栽 培專家針對人工光照 營養(yǎng)液 環(huán)境控制 節(jié)能及種植 方式等方面進行了廣泛研究 7 在生產(chǎn)設備方面 農(nóng) 業(yè)工程裝備專家對植物工廠自動化生產(chǎn)設備進行了 研究 播種機與移栽機在植物工廠水培葉菜生產(chǎn)中得 到了廣泛應用 8 然而 對于工廠化立體栽培 種植 板的垂直運輸仍是制約工廠生產(chǎn)效率的重要因素 目前 植物工廠立體輸送模式有多種 但均未達 到自動化水平 現(xiàn)以人工使用剪刀式提升車搬運種植 板為主 存在高空作業(yè)安全隱患和輸送效率低的缺 點 9 10 部分植物工廠采用自動化程度高的大型倉儲 物流輸送設備 但其受到層高 占地面積和操作人員 專業(yè)程度的限制 存在投資高 輸送效率低 與栽培模 收稿日期 2021 06 11 基金項目 廣東省重點領域研發(fā)計劃項目 2019B020222004 廣東省 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)共性關鍵技術研發(fā)創(chuàng)新團隊建設項目 2020KJ131 作者簡介 季涵涵 1997 女 山東棗莊人 碩士研究生 E mail 1242884456 qq com 通訊作者 辜 松 1963 男 廣東汕頭人 教授 博士生導師 E mail sgu666 sina com 式不配套等缺點 11 12 針對以上問題 在植物工廠立 體種植條件下采用栽培架端部單側(cè)輸入 輸出 栽培 架間不設驅(qū)動 另一側(cè)采用自動引導車推送架間種植 板實現(xiàn)輸出的模式 構建立體栽培種植板輸送系統(tǒng) 系統(tǒng)包括地面輸送系統(tǒng) 提升車系統(tǒng)及栽培架內(nèi)無線 引導車系統(tǒng) 可實現(xiàn)植物工廠立體栽培種植板運輸自 動化作業(yè) 減少人工成本投入 1 材料與方法 1 1 系統(tǒng)主要構成 輸送系統(tǒng)主要由地面輸送線 搬運種植板的輸入 輸出提升機 栽培架內(nèi)的無線引導車和運輸無線引導 車的提升機組成 如圖1所示 其中 輸入輸出提升 機放置在立體栽培架近地面輸送線一側(cè) 無線引導車 提升機放置在立體栽培架遠地面輸送線一側(cè) 考慮 到盡可能提高植物工廠生產(chǎn)效率和空間利用率的同 時 又方便后期人工維護檢修 將兩個并列的立體栽 培架組合為一組 其尺寸主要參照種植作物所需生長 高度及植物工廠種植模式確定 作業(yè)時需與育苗工 序 采收等生產(chǎn)農(nóng)藝流程配合 本研究開發(fā)的多層立體栽培架的外形尺寸長 寬 高為15 05m 1 136m 3 4m 層高0 5m 共6層 每層可放置30個種植板 根據(jù)市面上現(xiàn)有種植板的尺寸結(jié)構 輸送系統(tǒng)中 使用的種植板尺寸應盡可能大 以便有效運送 其尺 寸應適應工人可以撿拾和搬運能力 便于在一些特定 條件下進行人機互補作業(yè) 同時 種植板的大小也應 87 2023年5月 農(nóng) 機 化 研 究 第5期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 05 037 考慮播種 移栽 收獲等機械作業(yè)要求 將種植板的外 形尺寸長 寬設計為954mm 596mm 可以容納3個標 準72穴穴盤 綜合強度與遮光性兩方面因素 厚度 設為35mm 采用聚苯乙烯材料 1 地面輸送線 2 輸入輸出提升機 3 無線引導車 4 無線引導車提升機 圖1 輸送系統(tǒng)的組成 Fig 1 Composition of conveying system 1 2 系統(tǒng)工作原理 輸送系統(tǒng)的工作原理 裝載種苗的種植板從地面 輸送線上運輸?shù)捷斎胼敵鎏嵘龣C底部 撿拾架托舉臂 撿拾種植板隨提升機上升 到達指定層高后 撿拾架 托舉臂伸出將種植板放入栽培架后回到提升機 再下 行取下一個到達的種植板 種植板在栽培架內(nèi)依靠相 互之間的頂推實現(xiàn)在架內(nèi)的橫向移動 如此循環(huán) 完 成輸入作業(yè) 輸入種植板的數(shù)量由操作人員設置的 輸入數(shù)量決定 當運輸?shù)姆N植板的數(shù)量超出一個栽 培架所能容納的最大數(shù)量時 輸入輸出提升機沿著地 面輸送線的方向水平移動至后排栽培架 與前排栽培 架輸入動作相同 如此循環(huán)輸入 輸出時 輸入輸出提 升機和無線引導車提升機停在待輸出層高 撿拾架托 舉臂進入栽培架拾取第一個種植板經(jīng)過到地面輸送 線再運輸?shù)酵獠科渌a(chǎn)點 在撿拾架托舉臂開始回 收至提升機的同時無線引導車進入立體栽培架頂推 整層種植板 使返回的撿拾架托舉臂能夠拾取到第二 個種植板 如此循環(huán) 完成輸出作業(yè) 種植板的數(shù)量 是由操作人員設置的輸出數(shù)量決定 當運輸?shù)姆N植 板數(shù)量超出一個栽培架所能容納的最大數(shù)量時 輸入 輸出提升機水平橫移到后排栽培架 無線引導車提升 機也沿相同方向移動至后排栽培架另一側(cè)位置的相 應位置 與前排栽培架輸出動作相同 如此循環(huán)輸出 1 3 物流系統(tǒng)仿真 以實際植物工廠調(diào)研為依據(jù) 為了實際工作狀態(tài) 下立體輸送系統(tǒng)的生產(chǎn)效率達到實際生產(chǎn)要求 運用 Flexsim仿真軟件對輸送系統(tǒng)進行模擬 按照主要栽 培區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)工藝和各設備作業(yè)流程 在仿真布局中 對區(qū)域進行劃分 考慮到植物工廠的種植面積和高度 及種植種植板的作業(yè)特性 物流系統(tǒng)設備單元的使用 壽命和常用參數(shù)等 13 栽培架完全按照高度方向可以 擺放6層 每層可以擺放30個種植板的實際尺寸來進 行設定 種植板也按規(guī)定的標準尺寸來設定 并確定 各個輸送設備的資源類型 設置對應的參數(shù)與屬性 擺放的空間位置等 根據(jù)不同的物流輸送模式 增加 或減少相應的實體模型 試運行模型 確認模型運行 邏輯通順且合理后 正式模擬并導出資源類型的數(shù)據(jù) 記錄與統(tǒng)計 設置評價指標并進行分析比較 14 16 作 業(yè)環(huán)節(jié)關鍵技術參數(shù)的選取如表1所示 仿真模型物 流模型如圖2所示 表1 種植板立體輸送關鍵環(huán)節(jié)參數(shù) Table 1 The operation parameters of key section for delivering cultivation units 設備項目數(shù)值 輸入輸出提升機 垂直方向平均提升速度0 6m s 水平方向平均移動速度0 5m s 撿拾架托舉臂取放時間6 5s 無線引導車提升機垂直方向平均提升速度0 6m s 無線引導車水平移動速度0 5m s 地面輸送線水平運輸速度0 5m s 圖2 Flexsim仿真模型 Fig 2 Flexsim simulation model 為了考察層容量和搬運種植板總數(shù)對該輸送系統(tǒng) 作業(yè)效率的影響 設計試驗時 以每小時輸送的種植板 總數(shù)為目標函數(shù) 單位為個 h 考察每層容納種植板 的數(shù)量和搬運種植板總數(shù)對它的影響 當栽培架的每 一層容納種植板的數(shù)量分別為20 30 40 搬運種植板 總數(shù)分別為40 80 120 160 200 240的情況下 以上述 影響因素數(shù)據(jù)為基礎分別建立Flexsim模型 1 4 種植板輸送作業(yè)性能試驗 無線引導車是實現(xiàn)所設計的輸送模式的關鍵技術 點 由于頂推模式要在栽培水槽上推送成列的種植 板 需要一定的推送力 因此頂推式引導車與引導軌 道之間應具備一定大的摩檫力 但是 常規(guī)金屬輪與 97 2023年5月 農(nóng) 機 化 研 究 第5期 膠輪均難以提供如此大的推送摩檫力 則采用鏈軌和 鏈輪提供推力的方法 如圖3所示 由此解決了常規(guī) 頂推式引導車產(chǎn)生摩檫力不夠的問題 圖3 無線引導車設計圖 Fig 3 Design drawing of AGV 立體栽培架間種植板極限推送作業(yè)時 在營養(yǎng)液 水槽上需要推送整排所有種植板 所需推送力達 100N 常規(guī)引導車輪系推力不到50N 無法滿足此推 力要求 因此 提出鏈條輪系 見圖3 和齒條輪系 見圖4 a 引導車推送方式 使引導車對立體栽培 架營養(yǎng)液槽上種植單元推送力提高到 150N 以上 解 決了普通引導輪系無法克服滑轉(zhuǎn)的問題 當推送種植板個數(shù)超過20個時 推送阻力非常 大 達到近100N 因此 無線引導車原設計采用鏈條 軌道配鏈輪驅(qū)動的方式 在鋪設出現(xiàn)一些偏差時鏈輪 會出現(xiàn)鏈輪跳出鏈條的情況 致使導向和驅(qū)動反作用 力功能消失 目前 采用了溫室電動開窗用的齒輪齒 條標準件來替代鏈輪與鏈條的模式 解決了以下多方 面問題 優(yōu)點 一是齒輪齒條情況下 由于齒條剛性 好 齒輪不易脫軌 且齒條是雙軌 傳遞動力大 作業(yè) 可靠性高 二是齒條剛性好 便于和立體種植架立柱 固定 安裝便捷 三是溫室電動開窗用的齒輪齒條標 準件 使用面廣 成本低 非常適合大規(guī)模立體種植架 的構建 植物工廠立體栽培種植單元輸送 需要針對多個 立體栽培架 不同種植層進行精準對位 由于對位點 多 立體栽培架安裝精度不高 導致接駁對位出現(xiàn)偏 差 難以保證架間與層間多點立體栽培架接駁位偏差 在 3mm 以內(nèi) 為此 針對種植單元取放機構與立體 栽培架接駁位采取了導輪式柔性接駁對位技術 使對 位技術容偏能力達到 5mm 針對種苗物流化輸送裝備系統(tǒng)的開發(fā) 見圖4 b 進行了生產(chǎn)均勻性試驗 通過運行發(fā)現(xiàn)存在以 下問題 一是物流輸送系統(tǒng)撿拾架取 放種植單元動 作不合理 影響輸送作業(yè)效率 二是物流輸送系統(tǒng)輸 出種植單元時 無線引導車推送時機不合理 設置在 撿拾架到達取種植單元位置后 才開始推送預取種植 單元 延誤輸送速度 a 無線引導車 b 水培葉菜種苗立體物流化輸送裝備系統(tǒng)總圖 圖4 種植板輸送作業(yè)性能試驗 Fig 4 Performance test of cultivation units transportation 2 結(jié)果與討論 仿真結(jié)果如表2 表3所示 根據(jù)表2 表3中的 數(shù)據(jù)得出本文研發(fā)的立體輸送模式輸入輸出種植板 的效率如圖5所示 由圖5可知 栽培架內(nèi)輸入輸出 種植單元時 隨著輸入輸出種植板總數(shù)的增多 輸送 效率明顯降低 在輸入輸出總數(shù)為120個種植板到輸 入輸出160個種植板區(qū)間內(nèi) 層容量為20的輸送模式 效率稍有提升后又下降 層容量為30的輸送模式在 輸入輸出總數(shù)為160個種植板的位置出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點時效 率最低 隨著輸送種植板總數(shù)的增加呈上升趨勢 層 容量為40的輸送模式的輸送效率隨著輸送種植板總 數(shù)的增加整體呈下降趨勢 當種植板總數(shù)大于200且 層容量為40時 隨著輸送種植板總數(shù)的增加 生產(chǎn)率 出現(xiàn)小幅提高 所以 在運輸作業(yè)時 運輸種植板數(shù) 在200個以內(nèi) 選用層容量為40的栽培架 若超過 200 則選用層容量為30的栽培架 表2 輸入種植板的仿真實驗生產(chǎn)率結(jié)果 Table 2 The simulation results of input cultivation units 輸入種植板數(shù) 個 不同層容量下的生產(chǎn)率 個 h 1 20 30 40 40 328 39 325 31 350 79 80 262 18 298 43 329 33 120 213 33 228 28 294 38 08 2023年5月 農(nóng) 機 化 研 究 第5期 續(xù)表2 輸入種植板數(shù) 個 不同層容量下的生產(chǎn)率 個 h 1 20 30 40 160 230 49 213 72 262 71 200 225 35 220 04 236 03 240 207 79 229 50 213 7 表3 輸出種植板的仿真實驗生產(chǎn)率結(jié)果 Table 3 The simulation results of output cultivation units 輸出種植板數(shù) 個 不同層容量下的生產(chǎn)率 個 h 1 20 30 40 40 269 92 257 10 325 75 80 191 17 204 74 269 35 120 161 56 190 43 229 47 160 178 63 165 18 187 14 200 171 37 167 83 168 02 240 155 26 176 00 157 34 a 輸入種植板作業(yè)時的生產(chǎn)率 b 輸出種植板作業(yè)時的生產(chǎn)率 圖5 立體輸送生產(chǎn)率 Fig 5 Productivity of stereoscopic conveying 針對在實際生產(chǎn)性能運行試驗中出現(xiàn)的問題 對 物流化輸送裝備系統(tǒng)進行如下改進 將物流輸送系 統(tǒng)撿拾架托舉臂由固定式改為伸縮式 從而使待輸入 種植單元預先到達撿拾位 撿拾架托舉臂伸出躲避在 位置上的種植單元 到撿拾高度后再收縮托舉起種植 單元 消除了托舉臂先到位等待 種植單元再送到位 的時間 單循環(huán)作業(yè)時間可減少3s 物流輸送系統(tǒng) 輸出種植單元時 無線引導車提前推送種植單元完成 4 5的路程 可減少推送等待時間 單循環(huán)作業(yè)時間可 減少3 4s 將無線引導車鏈條軌道采用的鏈條 更 換為鍍鋅齒條 不僅減少了80 的安裝時間 還解決 了鏈條軌道柔性大 行走路線不穩(wěn)定的問題 使行走 偏差由原來鏈條的 5mm減小到 2mm 大大優(yōu)化了作 業(yè)性能和穩(wěn)定性 3 結(jié)論 1 開發(fā)了一套投資低 結(jié)構簡單 可擴展性強的 植物工廠種植單元物流輸送系統(tǒng) 采用了架端輸送 架內(nèi)無動力的模式 實現(xiàn)了立體栽培架種植板的自動 化輸送 2 改變立體栽培架的層容量和運輸種植板總數(shù) 建立Flexsim仿真模型 并對其效率進行分析 得到效 率變化曲線 由于植物工廠在正常作業(yè)中 運輸種植 板的數(shù)量較多 且考慮到栽培架的后期維護 所以選 用每層可容納30個種植板的栽培架能夠更好地適應 生產(chǎn) 3 設計的物流模式達到了種植板立體自動化輸 送的總體效果 且所研發(fā)的種苗物流化輸送裝備系 統(tǒng) 在輸送種植板時的作業(yè)效率已達到500 穴盤 h 生產(chǎn)效率已達到國內(nèi)領先水平 參考文獻 1 趙靜 周增產(chǎn) 卜云龍 等 植物工廠自動立體栽培系統(tǒng) 研發(fā) J 農(nóng)業(yè)工程 2018 8 1 18 21 2 徐祥朋 李愷 楊艷麗 等 立體栽培生產(chǎn)線系統(tǒng)開發(fā) J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2014 6 46 49 3 PARK J NAKAMURA K NISHIURA Y et al Cultivation of lettuce and considerations of suitable item in plant factory adopted automatic transportation system J IFAC proceed ings volumes 2013 46 4 328 331 4 KOZAI T NIU G Plant factory as a resource efficient closed plant production system J Plant factory 2016 12 69 90 5 TOMASI NICOLA PINTON ROBERTO DALLA COSTA LUISA et al New solutions for floating cultivation system of ready to eat salad a review J Trends in food science b College of Horticulture South China Agricultural University Guangzhou 510642 China 2 Guangzhou Sky Mechanical vertical cultivation transplanting board vertical transportation logistic equipment 28 2023年5月 農(nóng) 機 化 研 究 第5期