植物工厂种植板物流输送系统设计与试验.pdf

植物工厂种植板物流输送系统设计与试验 季涵涵1a 谢忠坚1a 辜美章2 初 麒2 杨艳丽2 刘厚诚1b 辜 松1a 1 华南农业大学 a 工程学院 b 园艺学院 广州 510642 2 广州实凯机电科技有限公司 广州 510642 摘 要 植物工厂作为目前最高水平的设施农业生产方式 成为近年来研究的重点 多层式立体栽培种植模式 最为常见 主要输送方式为人工搬运种植板输送 由于人工搬运效率低 成本高 存在高空作业安全隐患 严重制 约了植物工厂作业效率的提高 为此 研发了一种种植板物流输送系统 以立体栽培种植模式为基础 包含地面 输送系统 提升车系统及栽培架内无线引导车系统 同时 运用Flexsim软件对该种植板物流输送模式进行仿 真 并进行性能试验 结果表明 系统能够实现植物工厂立体栽培模式下种植板的自动化运输作业 作业效率达 到500 穴盘 h 达到国内领先水平 可为相关植物工厂立体物流输送模式的设计提供理论依据和技术支撑 关键词 植物工厂 立体栽培 种植板 垂直运输 物流设备 中图分类号 S62 S237 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2023 05 0078 05 0 引言 植物工厂具有种植环境无污染 节约生产材料 高产优质 受自然条件影响小 作物生产计划性强 周 年生产 生产周期短及自动化程度高等优点 1 2 但与 传统的农作物种植方式相比 生产投资成本高 生产 效益不明显 为了使植物工厂进入商业化生产 研究 人员进行了各种各样的研究 3 7 对于植物工厂 栽 培专家针对人工光照 营养液 环境控制 节能及种植 方式等方面进行了广泛研究 7 在生产设备方面 农 业工程装备专家对植物工厂自动化生产设备进行了 研究 播种机与移栽机在植物工厂水培叶菜生产中得 到了广泛应用 8 然而 对于工厂化立体栽培 种植 板的垂直运输仍是制约工厂生产效率的重要因素 目前 植物工厂立体输送模式有多种 但均未达 到自动化水平 现以人工使用剪刀式提升车搬运种植 板为主 存在高空作业安全隐患和输送效率低的缺 点 9 10 部分植物工厂采用自动化程度高的大型仓储 物流输送设备 但其受到层高 占地面积和操作人员 专业程度的限制 存在投资高 输送效率低 与栽培模 收稿日期 2021 06 11 基金项目 广东省重点领域研发计划项目 2019B020222004 广东省 现代农业产业共性关键技术研发创新团队建设项目 2020KJ131 作者简介 季涵涵 1997 女 山东枣庄人 硕士研究生 E mail 1242884456 qq com 通讯作者 辜 松 1963 男 广东汕头人 教授 博士生导师 E mail sgu666 sina com 式不配套等缺点 11 12 针对以上问题 在植物工厂立 体种植条件下采用栽培架端部单侧输入 输出 栽培 架间不设驱动 另一侧采用自动引导车推送架间种植 板实现输出的模式 构建立体栽培种植板输送系统 系统包括地面输送系统 提升车系统及栽培架内无线 引导车系统 可实现植物工厂立体栽培种植板运输自 动化作业 减少人工成本投入 1 材料与方法 1 1 系统主要构成 输送系统主要由地面输送线 搬运种植板的输入 输出提升机 栽培架内的无线引导车和运输无线引导 车的提升机组成 如图1所示 其中 输入输出提升 机放置在立体栽培架近地面输送线一侧 无线引导车 提升机放置在立体栽培架远地面输送线一侧 考虑 到尽可能提高植物工厂生产效率和空间利用率的同 时 又方便后期人工维护检修 将两个并列的立体栽 培架组合为一组 其尺寸主要参照种植作物所需生长 高度及植物工厂种植模式确定 作业时需与育苗工 序 采收等生产农艺流程配合 本研究开发的多层立体栽培架的外形尺寸长 宽 高为15 05m 1 136m 3 4m 层高0 5m 共6层 每层可放置30个种植板 根据市面上现有种植板的尺寸结构 输送系统中 使用的种植板尺寸应尽可能大 以便有效运送 其尺 寸应适应工人可以捡拾和搬运能力 便于在一些特定 条件下进行人机互补作业 同时 种植板的大小也应 87 2023年5月 农 机 化 研 究 第5期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 05 037 考虑播种 移栽 收获等机械作业要求 将种植板的外 形尺寸长 宽设计为954mm 596mm 可以容纳3个标 准72穴穴盘 综合强度与遮光性两方面因素 厚度 设为35mm 采用聚苯乙烯材料 1 地面输送线 2 输入输出提升机 3 无线引导车 4 无线引导车提升机 图1 输送系统的组成 Fig 1 Composition of conveying system 1 2 系统工作原理 输送系统的工作原理 装载种苗的种植板从地面 输送线上运输到输入输出提升机底部 捡拾架托举臂 捡拾种植板随提升机上升 到达指定层高后 捡拾架 托举臂伸出将种植板放入栽培架后回到提升机 再下 行取下一个到达的种植板 种植板在栽培架内依靠相 互之间的顶推实现在架内的横向移动 如此循环 完 成输入作业 输入种植板的数量由操作人员设置的 输入数量决定 当运输的种植板的数量超出一个栽 培架所能容纳的最大数量时 输入输出提升机沿着地 面输送线的方向水平移动至后排栽培架 与前排栽培 架输入动作相同 如此循环输入 输出时 输入输出提 升机和无线引导车提升机停在待输出层高 捡拾架托 举臂进入栽培架拾取第一个种植板经过到地面输送 线再运输到外部其他生产点 在捡拾架托举臂开始回 收至提升机的同时无线引导车进入立体栽培架顶推 整层种植板 使返回的捡拾架托举臂能够拾取到第二 个种植板 如此循环 完成输出作业 种植板的数量 是由操作人员设置的输出数量决定 当运输的种植 板数量超出一个栽培架所能容纳的最大数量时 输入 输出提升机水平横移到后排栽培架 无线引导车提升 机也沿相同方向移动至后排栽培架另一侧位置的相 应位置 与前排栽培架输出动作相同 如此循环输出 1 3 物流系统仿真 以实际植物工厂调研为依据 为了实际工作状态 下立体输送系统的生产效率达到实际生产要求 运用 Flexsim仿真软件对输送系统进行模拟 按照主要栽 培区内的生产工艺和各设备作业流程 在仿真布局中 对区域进行划分 考虑到植物工厂的种植面积和高度 及种植种植板的作业特性 物流系统设备单元的使用 寿命和常用参数等 13 栽培架完全按照高度方向可以 摆放6层 每层可以摆放30个种植板的实际尺寸来进 行设定 种植板也按规定的标准尺寸来设定 并确定 各个输送设备的资源类型 设置对应的参数与属性 摆放的空间位置等 根据不同的物流输送模式 增加 或减少相应的实体模型 试运行模型 确认模型运行 逻辑通顺且合理后 正式模拟并导出资源类型的数据 记录与统计 设置评价指标并进行分析比较 14 16 作 业环节关键技术参数的选取如表1所示 仿真模型物 流模型如图2所示 表1 种植板立体输送关键环节参数 Table 1 The operation parameters of key section for delivering cultivation units 设备项目数值 输入输出提升机 垂直方向平均提升速度0 6m s 水平方向平均移动速度0 5m s 捡拾架托举臂取放时间6 5s 无线引导车提升机垂直方向平均提升速度0 6m s 无线引导车水平移动速度0 5m s 地面输送线水平运输速度0 5m s 图2 Flexsim仿真模型 Fig 2 Flexsim simulation model 为了考察层容量和搬运种植板总数对该输送系统 作业效率的影响 设计试验时 以每小时输送的种植板 总数为目标函数 单位为个 h 考察每层容纳种植板 的数量和搬运种植板总数对它的影响 当栽培架的每 一层容纳种植板的数量分别为20 30 40 搬运种植板 总数分别为40 80 120 160 200 240的情况下 以上述 影响因素数据为基础分别建立Flexsim模型 1 4 种植板输送作业性能试验 无线引导车是实现所设计的输送模式的关键技术 点 由于顶推模式要在栽培水槽上推送成列的种植 板 需要一定的推送力 因此顶推式引导车与引导轨 道之间应具备一定大的摩檫力 但是 常规金属轮与 97 2023年5月 农 机 化 研 究 第5期 胶轮均难以提供如此大的推送摩檫力 则采用链轨和 链轮提供推力的方法 如图3所示 由此解决了常规 顶推式引导车产生摩檫力不够的问题 图3 无线引导车设计图 Fig 3 Design drawing of AGV 立体栽培架间种植板极限推送作业时 在营养液 水槽上需要推送整排所有种植板 所需推送力达 100N 常规引导车轮系推力不到50N 无法满足此推 力要求 因此 提出链条轮系 见图3 和齿条轮系 见图4 a 引导车推送方式 使引导车对立体栽培 架营养液槽上种植单元推送力提高到 150N 以上 解 决了普通引导轮系无法克服滑转的问题 当推送种植板个数超过20个时 推送阻力非常 大 达到近100N 因此 无线引导车原设计采用链条 轨道配链轮驱动的方式 在铺设出现一些偏差时链轮 会出现链轮跳出链条的情况 致使导向和驱动反作用 力功能消失 目前 采用了温室电动开窗用的齿轮齿 条标准件来替代链轮与链条的模式 解决了以下多方 面问题 优点 一是齿轮齿条情况下 由于齿条刚性 好 齿轮不易脱轨 且齿条是双轨 传递动力大 作业 可靠性高 二是齿条刚性好 便于和立体种植架立柱 固定 安装便捷 三是温室电动开窗用的齿轮齿条标 准件 使用面广 成本低 非常适合大规模立体种植架 的构建 植物工厂立体栽培种植单元输送 需要针对多个 立体栽培架 不同种植层进行精准对位 由于对位点 多 立体栽培架安装精度不高 导致接驳对位出现偏 差 难以保证架间与层间多点立体栽培架接驳位偏差 在 3mm 以内 为此 针对种植单元取放机构与立体 栽培架接驳位采取了导轮式柔性接驳对位技术 使对 位技术容偏能力达到 5mm 针对种苗物流化输送装备系统的开发 见图4 b 进行了生产均匀性试验 通过运行发现存在以 下问题 一是物流输送系统捡拾架取 放种植单元动 作不合理 影响输送作业效率 二是物流输送系统输 出种植单元时 无线引导车推送时机不合理 设置在 捡拾架到达取种植单元位置后 才开始推送预取种植 单元 延误输送速度 a 无线引导车 b 水培叶菜种苗立体物流化输送装备系统总图 图4 种植板输送作业性能试验 Fig 4 Perance test of cultivation units transportation 2 结果与讨论 仿真结果如表2 表3所示 根据表2 表3中的 数据得出本文研发的立体输送模式输入输出种植板 的效率如图5所示 由图5可知 栽培架内输入输出 种植单元时 随着输入输出种植板总数的增多 输送 效率明显降低 在输入输出总数为120个种植板到输 入输出160个种植板区间内 层容量为20的输送模式 效率稍有提升后又下降 层容量为30的输送模式在 输入输出总数为160个种植板的位置出现转折点时效 率最低 随着输送种植板总数的增加呈上升趋势 层 容量为40的输送模式的输送效率随着输送种植板总 数的增加整体呈下降趋势 当种植板总数大于200且 层容量为40时 随着输送种植板总数的增加 生产率 出现小幅提高 所以 在运输作业时 运输种植板数 在200个以内 选用层容量为40的栽培架 若超过 200 则选用层容量为30的栽培架 表2 输入种植板的仿真实验生产率结果 Table 2 The simulation results of cultivation units 输入种植板数 个 不同层容量下的生产率 个 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 农 机 化 研 究 第5期 续表2 输入种植板数 个 不同层容量下的生产率 个 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 输出种植板的仿真实验生产率结果 Table 3 The simulation results of output cultivation units 输出种植板数 个 不同层容量下的生产率 个 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 输入种植板作业时的生产率 b 输出种植板作业时的生产率 图5 立体输送生产率 Fig 5 Productivity of stereoscopic conveying 针对在实际生产性能运行试验中出现的问题 对 物流化输送装备系统进行如下改进 将物流输送系 统捡拾架托举臂由固定式改为伸缩式 从而使待输入 种植单元预先到达捡拾位 捡拾架托举臂伸出躲避在 位置上的种植单元 到捡拾高度后再收缩托举起种植 单元 消除了托举臂先到位等待 种植单元再送到位 的时间 单循环作业时间可减少3s 物流输送系统 输出种植单元时 无线引导车提前推送种植单元完成 4 5的路程 可减少推送等待时间 单循环作业时间可 减少3 4s 将无线引导车链条轨道采用的链条 更 换为镀锌齿条 不仅减少了80 的安装时间 还解决 了链条轨道柔性大 行走路线不稳定的问题 使行走 偏差由原来链条的 5mm减小到 2mm 大大优化了作 业性能和稳定性 3 结论 1 开发了一套投资低 结构简单 可扩展性强的 植物工厂种植单元物流输送系统 采用了架端输送 架内无动力的模式 实现了立体栽培架种植板的自动 化输送 2 改变立体栽培架的层容量和运输种植板总数 建立Flexsim仿真模型 并对其效率进行分析 得到效 率变化曲线 由于植物工厂在正常作业中 运输种植 板的数量较多 且考虑到栽培架的后期维护 所以选 用每层可容纳30个种植板的栽培架能够更好地适应 生产 3 设计的物流模式达到了种植板立体自动化输 送的总体效果 且所研发的种苗物流化输送装备系 统 在输送种植板时的作业效率已达到500 穴盘 h 生产效率已达到国内领先水平 参考文献 1 赵静 周增产 卜云龙 等 植物工厂自动立体栽培系统 研发 J 农业工程 2018 8 1 18 21 2 徐祥朋 李恺 杨艳丽 等 立体栽培生产线系统开发 J 现代农业装备 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 农 机 化 研 究 第5期