水培葉菜移植輸送自動(dòng)化裝備的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

劉霓紅 徐燦 熊征 吳玉發(fā) 王周宇 黃健榮

中國設(shè)施蔬菜種植面積與產(chǎn)量均位于世界第一位，現(xiàn)如今蔬菜產(chǎn)業(yè)已成為國內(nèi)各省市農(nóng)民脫貧增收的支柱產(chǎn)業(yè)。目前中國設(shè)施蔬菜栽培方式主要以土壤種植栽培為主，而周年作業(yè)必然導(dǎo)致溫室土壤化肥農(nóng)藥富集，嚴(yán)重威脅中國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。近年來，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)在全球范圍內(nèi)的不斷發(fā)展與推廣提升，中國在蔬菜種植行業(yè)引入設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)所占的比重逐年增大。其中，設(shè)施管道式水培葉菜具有節(jié)水、節(jié)肥、省藥、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，可解決傳統(tǒng)土培所致的設(shè)施環(huán)境生態(tài)惡化的弊端。目前，國內(nèi)溫室設(shè)施中的管道通常置于固定架上，在整個(gè)設(shè)施管道水培葉菜的生產(chǎn)過程中，其移植和采收環(huán)節(jié)均需要人工作業(yè)，或人為干預(yù)率較高，同時(shí)由于作業(yè)空間狹小，且人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，因此無法滿足新常態(tài)下農(nóng)業(yè)高效節(jié)能生產(chǎn)需求和高質(zhì)量發(fā)展要求。為解決以上問題，廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了以下水培葉菜移植輸送關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動(dòng)化技術(shù)及裝備。

水培葉菜自動(dòng)化生產(chǎn)裝備工作流程

針對(duì)目前國內(nèi)設(shè)施管道水培葉菜裝備層次總體較低、人為干預(yù)率過高、人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等缺陷問題，針對(duì)管道式水培葉菜全程自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的移植和輸送關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)研制了一種管道式水培葉菜自動(dòng)化生產(chǎn)裝備。

管道式水培葉菜自動(dòng)化生產(chǎn)裝備在廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站溫室（以下簡稱“推廣總站”）進(jìn)行了示范與展示，該解決方案如圖1所示，該裝備劃分為移植區(qū)、生長區(qū)、收菜區(qū)以及清洗消毒區(qū)等幾個(gè)區(qū)域。移植區(qū)布置有自主研發(fā)的水培葉菜移植機(jī)，將葉菜幼苗從穴盤移植到種植管內(nèi);當(dāng)種植管內(nèi)種滿葉菜幼苗，種植管輸送裝備將種植管輸送到生長區(qū)并提供其生長發(fā)育所需的溫光水氣肥等生長要素;葉菜生長成熟后，種植管輸送裝備將種植管輸送到收菜區(qū)，人工收獲種植管內(nèi)的成熟葉菜;種植管輸送裝備輸送采收后的空種植管分別經(jīng)過外部清洗區(qū)域、內(nèi)部清洗區(qū)域和消毒區(qū)域，完成種植管外表面和內(nèi)腔的清洗和消毒;清洗消毒后的種植管被輸送到移植區(qū)等待下一次的移植;重復(fù)上述步驟可以實(shí)現(xiàn)水培葉菜移植和輸送環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。隨著水培葉菜自動(dòng)收獲技術(shù)與裝備的不斷成熟，該裝備配合使用可以實(shí)現(xiàn)管道式水培葉菜從移植-生長-收獲的全程機(jī)械化和自動(dòng)化，提升設(shè)施管道水培葉菜裝備層次，減少勞動(dòng)強(qiáng)度和人為干預(yù)率，提高產(chǎn)量和效益。

水培葉菜移植環(huán)節(jié)自動(dòng)化裝備

目前，水培葉菜生產(chǎn)作業(yè)中的移苗環(huán)節(jié)主要依靠人工完成，隨著蔬菜的需求量與日俱增、勞動(dòng)力成本越來越高，蔬菜種植的高效化和機(jī)械化成為了蔬菜種植業(yè)的迫切需求。

移苗系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則

水培葉菜移苗系統(tǒng)是針對(duì)水培葉菜生產(chǎn)的移苗環(huán)節(jié)，將穴盤苗自動(dòng)移植到種植管內(nèi)。因此，該移苗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需遵循以下原則：①針對(duì)水培葉菜育苗盤規(guī)格為72穴;②移苗系統(tǒng)一次對(duì)葉菜育苗盤的整排進(jìn)行移植，一次移植6株葉菜苗;③移苗系統(tǒng)的進(jìn)苗端與苗盤輸送系統(tǒng)對(duì)接，需實(shí)現(xiàn)苗盤自動(dòng)輸送到移苗系統(tǒng);④移苗系統(tǒng)的出苗端與種植管輸送系統(tǒng)銜接，需針對(duì)單條種植管進(jìn)行移植并輸送。

移苗系統(tǒng)硬件

移苗系統(tǒng)的移植機(jī)如圖2所示，包括供盤帶、苗盤推送機(jī)構(gòu)、苗盤精準(zhǔn)輸送機(jī)構(gòu)、移植手取苗機(jī)構(gòu)、種植管精準(zhǔn)輸送機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)，其中移植手取苗機(jī)構(gòu)包括移植手、移植手水平輸送機(jī)構(gòu)和移植手變距機(jī)構(gòu)。供盤帶主要功能是為移苗機(jī)輸送待移植的葉菜苗。苗盤推送機(jī)構(gòu)將供盤帶上的苗盤推送到苗盤精準(zhǔn)輸送機(jī)構(gòu)處。苗盤精準(zhǔn)輸送機(jī)構(gòu)使苗盤以步進(jìn)的方式到達(dá)移植手作業(yè)范圍。在移植手取苗機(jī)構(gòu)的作用下，移植手抓取苗盤內(nèi)的一排葉菜苗并將其精準(zhǔn)放入到種植管的種植孔內(nèi)。移植手返回到初始位置，種植管精準(zhǔn)輸送機(jī)構(gòu)使種植管向前移動(dòng)6個(gè)孔位，繼續(xù)下一次的移植作業(yè)。當(dāng)種植管內(nèi)種滿葉菜苗后，種植管精準(zhǔn)輸送機(jī)構(gòu)將種植管輸送到種植管輸送設(shè)備中，并接收種植管輸送設(shè)備輸送的空種植管并對(duì)其進(jìn)行葉菜苗移植，循環(huán)上述流程，完成葉菜苗移植作業(yè)。

為了實(shí)現(xiàn)移苗系統(tǒng)的移苗成功率，移苗系統(tǒng)的移植手取苗機(jī)構(gòu)所完成的取苗、輸送和移植的動(dòng)作需要精準(zhǔn)控制，因此，苗盤精準(zhǔn)輸送機(jī)構(gòu)和移植手水平輸送機(jī)構(gòu)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，達(dá)到移植手的精準(zhǔn)定位。供盤帶的輸送精度要求不高，因此選擇常用的交流減速機(jī)驅(qū)動(dòng)即可。移植手取苗機(jī)構(gòu)和苗盤推送機(jī)構(gòu)采用氣力驅(qū)動(dòng)的方式，結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作準(zhǔn)確。栽培管精準(zhǔn)輸送機(jī)構(gòu)采用交流減速機(jī)結(jié)合楔形導(dǎo)向塊的方式，實(shí)現(xiàn)栽培管的定位輸送。

移苗系統(tǒng)軟件

根據(jù)移苗系統(tǒng)的作業(yè)流程，軟件采用FX3GA-60MT/CM型號(hào)PLC可編程序控制器進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，軟件實(shí)現(xiàn)的順序功能如圖3所示。

移苗系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試

移苗系統(tǒng)樣機(jī)調(diào)試后進(jìn)行了整機(jī)性能測(cè)試，選擇不同根系狀況種苗、移植手水平加速度和豎直加速度作為影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果表明移植手抓取成功率可達(dá)90%，移栽效率可達(dá)1200株/h。其中，種苗的根系狀況對(duì)移植手的抓取成功率影響最大，水平和豎直加速度對(duì)移植成功率影響較小。

水培葉菜種植管自動(dòng)化輸送裝備

種植系統(tǒng)需求分析

隨著水培葉菜生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，其生產(chǎn)作業(yè)過程中的種植管、種苗及收獲葉菜的輸送用工量大的問題，正成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸，針對(duì)以上問題，研制了水培葉菜種植管自動(dòng)化輸送裝備。

種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則

水培葉菜移苗系統(tǒng)是針對(duì)水培葉菜生產(chǎn)的種植管輸送環(huán)節(jié)，完成移植和采收環(huán)節(jié)種植管的自動(dòng)化輸送。因此，該種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需遵循以下原則：①針對(duì)水培葉菜管道淺液流水培種植模式;②針對(duì)水培葉菜種植管尺寸為3750 mm×75 mm×50 mm，種植管上分布有24個(gè)直徑為50 mm，間距為150 mm的種植孔;③種植系統(tǒng)每次對(duì)1根種植管進(jìn)行輸送;④種植系統(tǒng)的移植區(qū)與移苗系統(tǒng)對(duì)接，需提供空種植管等待幼苗移植;⑤種植系統(tǒng)需提供葉菜生長所需的肥液，實(shí)現(xiàn)肥液循環(huán);⑥種植系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)種植管循環(huán)輸送。

技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)

管道式水培葉菜種植管自動(dòng)化輸送裝備適用于管道淺液流水培種植模式，葉菜種植于種植管上的種植孔內(nèi)。種植管表面設(shè)置有營養(yǎng)液入口，種植管底部設(shè)置有營養(yǎng)液出口。管道式水培葉菜自動(dòng)化生產(chǎn)裝備的主要功能是完成移植和采收環(huán)節(jié)種植管的自動(dòng)化輸送，此外該裝備設(shè)有移植區(qū)和收菜區(qū)，避免了工作人員進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)從事作業(yè)，增加了葉菜種植密度，并且通過對(duì)種植管的清洗和消毒，實(shí)現(xiàn)了種植管在水培葉菜生產(chǎn)過程中的循環(huán)使用，為葉菜生產(chǎn)全程無人化作業(yè)提供基礎(chǔ)。本研究要求種植管在水培葉菜自動(dòng)化輸送裝備上的運(yùn)行成功率大于98%，縱向運(yùn)輸機(jī)構(gòu)運(yùn)行一次時(shí)間小于5 s，橫向運(yùn)輸機(jī)構(gòu)輸送一次種植管時(shí)間小于15 s，符合設(shè)備研制生產(chǎn)的技術(shù)要求。

種植系統(tǒng)硬件

如圖4所示，種植管輸送裝備主要由輸送床、外清洗機(jī)構(gòu)、內(nèi)腔清洗消毒機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等組成。根據(jù)功能，將輸送床分為種植床和清洗床，一般有多列種植床，1列清洗床，如在推廣總站示范的項(xiàng)目有3列種植床和1列清洗床;外清洗機(jī)構(gòu)布置在種植床和清洗床之間;內(nèi)腔清洗消毒機(jī)構(gòu)根據(jù)噴頭噴出溶液成分分為內(nèi)腔清洗機(jī)構(gòu)和內(nèi)腔消毒機(jī)構(gòu)，內(nèi)腔清洗消毒機(jī)構(gòu)分別布置于清洗區(qū)域和消毒區(qū)域。

圖5所示為輸送床，輸送床主要由縱向輸送機(jī)構(gòu)、橫向輸送機(jī)構(gòu)以及營養(yǎng)液循環(huán)機(jī)構(gòu)等組成。縱向輸送機(jī)構(gòu)主要功能是實(shí)現(xiàn)種植管在輸送床上的縱向步進(jìn)輸送，將種植管從種植床一端輸送到另一端，每次向前移動(dòng)一步;橫向輸送機(jī)構(gòu)布置在輸送床的兩端，其將種植管從一個(gè)輸送床輸送到另一個(gè)輸送床，實(shí)現(xiàn)種植管跨床輸送;營養(yǎng)液循環(huán)機(jī)構(gòu)主要由營養(yǎng)液槽、滴頭、營養(yǎng)液泵等組成，當(dāng)縱向輸送機(jī)構(gòu)和橫向輸送機(jī)構(gòu)停止時(shí)，營養(yǎng)液泵將營養(yǎng)液通過滴箭滴入種植床上種植管的營養(yǎng)液入口，通過種植槽的高差，營養(yǎng)液從種植管出口流出，營養(yǎng)液槽收集營養(yǎng)液排入消毒過濾池，營養(yǎng)液經(jīng)消毒過濾后，由營養(yǎng)液泵將營養(yǎng)液通過滴箭滴入種植管，實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液循環(huán)。

如圖6所示，外清洗機(jī)構(gòu)主要由毛刷、電機(jī)以及集水槽等組成，其主要功能是清洗葉菜收獲后種植槽的外表面。種植床的橫向輸送機(jī)構(gòu)將種植管送入外表面清洗機(jī)構(gòu)入口處，電機(jī)帶動(dòng)毛刷對(duì)種植管的4個(gè)面進(jìn)行清洗，清洗完畢后種植管從出口處進(jìn)入清洗床的橫向輸送機(jī)構(gòu)，清洗后的廢水由集水槽收集并排出。

內(nèi)腔清洗機(jī)構(gòu)和內(nèi)腔消毒機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，統(tǒng)稱為內(nèi)腔清洗消毒機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由噴嘴、氣缸等組成，內(nèi)腔清洗機(jī)構(gòu)和內(nèi)腔消毒機(jī)構(gòu)分別安裝在清洗床上方，分別對(duì)種植管內(nèi)腔進(jìn)行清洗和消毒。當(dāng)種植管由清洗床縱向輸送機(jī)構(gòu)輸送到清洗消毒機(jī)構(gòu)正下方時(shí)，氣缸伸出使噴嘴伸入種植管內(nèi)部，噴嘴分別噴射清洗液和消毒液，實(shí)現(xiàn)對(duì)種植管內(nèi)腔的清洗和消毒。

種植系統(tǒng)軟件

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)根據(jù)元件的控制要求和數(shù)量，可編程序控制器的選型為FX3U-128MR-ES-A以及擴(kuò)展模塊FX2N-32ER等。根據(jù)系統(tǒng)的作業(yè)流程，軟件采用PLC可編程序控制器進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。觸摸屏控制界面由手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、參數(shù)設(shè)置和開關(guān)狀態(tài)區(qū)構(gòu)成。

◆手動(dòng)模式界面

如圖8所示，系統(tǒng)處于手動(dòng)模式下，按下電控柜上對(duì)應(yīng)的控制按鈕，相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作在運(yùn)行或完成后可分別通過界面監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)。

◆自動(dòng)模式界面

如圖9所示，監(jiān)控工作狀態(tài)下各個(gè)區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)，可實(shí)時(shí)查看各電機(jī)、氣缸是否在正常運(yùn)行，設(shè)備在種植模式下還有多少種植管未完成種植。

◆參數(shù)設(shè)置界面

如圖10所示，點(diǎn)擊種植區(qū)中的滴液間隔和滴液時(shí)間，清洗區(qū)的消毒時(shí)間和清洗時(shí)間，可分別按照品種設(shè)置不同的時(shí)間。彈出數(shù)字框與數(shù)字小鍵盤，通過數(shù)字小鍵盤設(shè)定作業(yè)時(shí)間后，點(diǎn)擊數(shù)字小鍵盤上“ENTER”鍵完成作業(yè)時(shí)間設(shè)置。

操作流程如下：①將電控柜上的模式旋鈕調(diào)到自動(dòng)模式，等待電控柜上啟動(dòng)指示燈常亮，設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)模式;②想收獲某列種植床上的葉菜，在觸摸屏上點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)區(qū)的成熟按鈕，使之變紅為選定狀態(tài)，在成熟量上輸入需要收獲的種植管數(shù)量;③在種植區(qū)的按鈕盒上按下成熟確認(rèn)按鈕，設(shè)備進(jìn)入種植收獲模式，清洗床將種植管送至移苗區(qū)，待移苗機(jī)完成移苗工作，將移苗后的種植管輸送到對(duì)應(yīng)的種植床，并將對(duì)應(yīng)種植床上成熟的葉菜輸送到收菜區(qū);④成熟葉菜全部從種植管上采收完畢后，人工按下按鈕盒上的工作完成按鈕，輸送種植管進(jìn)入外清洗機(jī)構(gòu)，輸送外表面被清洗后的種植管至清洗床;⑤清洗床將種植管輸送到內(nèi)腔清洗機(jī)構(gòu)和內(nèi)腔消毒機(jī)構(gòu)處，兩個(gè)機(jī)構(gòu)分別對(duì)種植管內(nèi)腔進(jìn)行清洗和消毒;⑥重復(fù)以上3～5的動(dòng)作，直至觸摸屏上剩余量為0后，移苗及輸送采摘結(jié)束。

種植管輸送裝備樣機(jī)測(cè)試

樣機(jī)調(diào)試后進(jìn)行了整機(jī)性能測(cè)試，樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)表明樣機(jī)的縱向運(yùn)輸成功率為100%，平均周期為2.09 s，橫向運(yùn)輸成功率為98.67%，平均周期為12.17 s，滿足設(shè)計(jì)要求與水培種植農(nóng)藝要求。

總結(jié)

國外經(jīng)驗(yàn)啟示，水培葉菜生產(chǎn)中發(fā)展機(jī)械化、自動(dòng)化成為一種趨勢(shì)，可有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)中國設(shè)施園藝機(jī)械化需求，研發(fā)適用于中國設(shè)施園藝的水培葉菜移植輸送關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動(dòng)化技術(shù)及裝備對(duì)中國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的意義，為設(shè)施園藝的水培葉菜生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化和工廠化提供了基礎(chǔ)。

*項(xiàng)目支持：廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃-設(shè)施園藝物流化輸送智能裝備研究與示范（2019B020222002）;2018年省級(jí)設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)項(xiàng)目-設(shè)施園藝機(jī)械化需求的水培葉菜關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動(dòng)化技術(shù)及裝備的研發(fā)應(yīng)用（粵財(cái)農(nóng)【2018】125號(hào)）。

作者簡介：劉霓紅（1972-），男，高級(jí)工程師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施及裝備的科研開發(fā)和推廣應(yīng)用工作。

[引用信息]劉霓紅，徐燦，熊征，等.水培葉菜移植輸送自動(dòng)化裝備的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（19）：23-27.