中藥材種苗立體物流運輸系統(tǒng)設(shè)計＊——以山西中藥材集團(tuán)太谷基地項目為例

王 海，金 蕾，朱建華，黃松波，趙亞聰（北京華農(nóng)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)有限公司，北京 100125）

近年來，中國中藥材栽培模式由傳統(tǒng)的露地栽培逐漸向設(shè)施栽培方向發(fā)展。隨著勞動力成本的不斷上漲以及對產(chǎn)品品質(zhì)需求的不斷提高，人們對生產(chǎn)型溫室作業(yè)的機械化、自動化的要求越來越高。解決溫室內(nèi)不同區(qū)域之間的物料、成品等物流運輸問題，成為影響生產(chǎn)效率與勞動生產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。山西省是傳統(tǒng)中藥材的主產(chǎn)區(qū)，近年來不斷推動高標(biāo)準(zhǔn)藥材種苗基地建設(shè)，強化科技對中藥材產(chǎn)業(yè)的支撐能力。2020 年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院下屬成果轉(zhuǎn)化和服務(wù)企業(yè)北京華農(nóng)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)有限公司全面承擔(dān)了山西晉中國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)中藥材種苗成套裝備的設(shè)計與實施任務(wù)，以此契機，重點解決了中藥材設(shè)施種苗生產(chǎn)運輸效率低、用工量大等技術(shù)難題。

中藥材穴盤苗生產(chǎn)特殊性

種子質(zhì)量差異大

穴盤育苗具有標(biāo)準(zhǔn)化管理、輕便可移動，便于實現(xiàn)機械化等特點，在蔬菜、花卉領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。而大多數(shù)中藥材以根、莖為主要收獲對象，種苗繁育需要足夠的生根空間，側(cè)根生長和纏繞直接影響藥材品質(zhì)。此外，中藥材育種技術(shù)較為落后，優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源普遍匱乏，種子質(zhì)量差異較大，發(fā)芽率低、發(fā)芽時間長等問題普遍存在，導(dǎo)致種苗生產(chǎn)過程中挑苗、補苗、間苗等作業(yè)環(huán)節(jié)頻繁，種苗需要在溫室不同區(qū)域之間不斷周轉(zhuǎn)，耗費大量人工。

需要特制穴盤

穴盤的選擇既要考慮穴孔大小對根系生長發(fā)育的影響，還需綜合評估穴盤與基質(zhì)消耗成本、以及與自動作業(yè)設(shè)備的匹配度。針對山西中藥材集團(tuán)太谷基地生產(chǎn)的黨參、黃芪、丹參、黃芩、酸棗仁、蒼術(shù)等6 種道地藥材種苗生長特性，在不同生長階段設(shè)計定制了不同的育苗容器（圖1）。播種發(fā)芽階段，使用較密株距、較少基質(zhì)容量的200 孔穴盤。設(shè)計的200 孔穴盤規(guī)格為：外形尺寸為長540 mm，寬280 mm；單孔上口徑30 mm，底徑13 mm，高度40 mm，單孔容量12 mL。在根系基本成形后，再移栽到50 孔穴盤。設(shè)計的50 孔穴盤規(guī)格為外形尺寸長540 mm，寬280 mm；單孔上口徑46 mm，底徑16 mm，高度110 mm，單孔容量100 mL。在200 孔穴盤與50 孔穴盤的穴孔內(nèi)均設(shè)計有縱向棱條，用于減少側(cè)根盤繞，同時可以增強穴盤抗拉強度，有利于機械化作業(yè)。

圖1 50 孔穴穴盤（左）與200 孔穴穴盤（右）

工藝路徑需要優(yōu)化

生產(chǎn)工藝是設(shè)施裝備布局的直接依據(jù)，工藝路徑直接影響生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)。在中藥材種苗設(shè)施生產(chǎn)項目當(dāng)中，基于多種品類進(jìn)行了全面分析，優(yōu)化篩選出標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程（圖2）。溫室按照功能分為作業(yè)區(qū)和栽培區(qū)，在作業(yè)區(qū)可以完成穴盤苗的播種、催芽、補苗、移栽、輸出等人機作業(yè)環(huán)節(jié)，在栽培區(qū)可以完成全程環(huán)境調(diào)控以及灌溉與植保作業(yè)。根據(jù)不同作物的生長特性，對過程節(jié)點之間以及溫室區(qū)域之間的往復(fù)概率和路徑進(jìn)行研究，以效率優(yōu)先原則形成高兼容性點位布局，構(gòu)建出作物移動、作物定點高效柔性流水線路徑模型。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程

立體運輸系統(tǒng)

在設(shè)施生產(chǎn)中，運輸貫穿著整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，為解決運輸路徑中作業(yè)設(shè)備避讓與效率兼顧問題，在借鑒歐洲先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，承接并吸取國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)管理與調(diào)度技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了立體運輸系統(tǒng)，即采用以地面軌道式運輸為主，空中天車軌道運輸為輔，自動入床機及傳送帶等輔助設(shè)備銜接，實現(xiàn)穴盤苗批量運輸?shù)牧Ⅲw解決方案。

地面軌道運輸系統(tǒng)主要包含栽培床、氣動升降系統(tǒng)、縱向軌道、主驅(qū)動系統(tǒng)以及其他支撐結(jié)構(gòu)（圖3）。栽培床的框架結(jié)構(gòu)由鋁合金邊框與鋁合金支撐梁組成，承載面是經(jīng)過高溫沖孔、拉伸而得的網(wǎng)片狀結(jié)構(gòu)，該設(shè)計主要防止因中藥材育苗基質(zhì)較重而導(dǎo)致軌道承載力不夠的問題，通過靜力學(xué)計算與有限元分析軟件分別進(jìn)行受力變形分析，根據(jù)不同條件下承載結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行綜合分析，明確橫撐數(shù)量、形成栽培床結(jié)構(gòu)整體設(shè)計方案。栽培床設(shè)計的極限承載力為500 kg，當(dāng)栽培床橫向輸送時，支撐點為支撐滾輪，最大變形量為5.12 mm，當(dāng)栽培床縱向輸送時，支撐點為鋁合金圍邊，最大變形量為3.81 mm(圖4)，符合設(shè)計要求。氣動升降系統(tǒng)是栽培床實現(xiàn)橫向輸送與縱向輸送切換的機構(gòu)，每個橫向運輸工位包含2 套托桿架與4 套升降氣缸。本設(shè)計改變了國內(nèi)研究報告中提到的直流電機帶動四桿機構(gòu)的方式，改善了電流弱、傳動力差等不足，使得穩(wěn)定性更強、承載能力更大、實用性更好。縱向軌道是與橫向輪式軌道垂直方向的支撐結(jié)構(gòu)，栽培床在這部分上的活動由推拉電機與推動裝置完成。主驅(qū)動系統(tǒng)核心是主動電機，電機與主動輪構(gòu)成了栽培床在橫向輪式軌道上的驅(qū)動系統(tǒng)。栽培床體橫向運動范圍9～14 m/min，縱向運行速度范圍2～3 m/min，栽培床綜合平均輸送效率可達(dá)80 張/h，是人工效率的6.9 倍。

圖3 地面軌道運輸系統(tǒng)

圖4 栽培床ANSYS 載重變形量分析/mm

空中運輸系統(tǒng)主要采用可實現(xiàn)上下抓取并進(jìn)行空中輸送的天車系統(tǒng)（圖5）。天車作為栽培床搬運和堆垛的主要設(shè)備，根據(jù)載重量不同、功能不同分為輕載天車與重載天車，最大載重量可達(dá)800 kg。此外，空中運行還需考慮安全問題，由此設(shè)計了旋轉(zhuǎn)保護(hù)機構(gòu)，通過設(shè)置主動機構(gòu)調(diào)控從動機構(gòu)，使旋轉(zhuǎn)電機通過主動旋轉(zhuǎn)座、連桿及從動旋轉(zhuǎn)座調(diào)整旋轉(zhuǎn)固定組件，使設(shè)置該天車旋轉(zhuǎn)保護(hù)結(jié)構(gòu)的天車在運送貨物時能夠通過旋轉(zhuǎn)固定組件進(jìn)行限位，大幅提升了天車運行時的安全性和穩(wěn)定性，避免了栽培床掉落的風(fēng)險。

圖5 空中運輸系統(tǒng)

自動入床設(shè)備是立體運輸系統(tǒng)的起始端，將穴盤推送過渡板與栽培床置后搭接，穴盤入床機推送機構(gòu)將穴盤沿皮帶輸送機構(gòu)的長度方向的一端輸送至皮帶輸送機構(gòu)的另一端，當(dāng)該皮帶輸送機構(gòu)上布滿整排的穴盤后，通過翻轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動皮帶輸送機構(gòu)翻轉(zhuǎn)至與穴盤推送機構(gòu)位于同一斜面內(nèi)時，穴盤推送機構(gòu)動作，將整排穴盤向栽培床上推送，同時機器上的驅(qū)動輪以相應(yīng)速度將栽培床向前輸送，直至穴盤被完全推送至栽培床上。（圖6）

圖6 自動入床設(shè)備

基于射頻識別技術(shù)的調(diào)度管理

調(diào)度管理軟件（圖7）應(yīng)用于種苗生產(chǎn)的全過程，主要包括兩部分，一是各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)運行，是生產(chǎn)工藝實現(xiàn)的手段，主要由智能種苗工廠駕駛艙、空中與地面運輸PLC 系統(tǒng)、其他園藝設(shè)備鏈接，采用多線程技術(shù)與立體PLC 同步。二是對生產(chǎn)產(chǎn)品的信息采集、顯示、追溯管理。在自動入床設(shè)備所處路線位置末端放置射頻識別設(shè)備（圖8），將射頻卡（每張卡信息獨立）固定在栽培床側(cè)面位置，栽培床通過時，自動讀取栽培床信息并存儲在地面軌道運輸系統(tǒng)服務(wù)器中，栽培床信息存儲位置隨栽培床輸送時位置改變而變化，并實時反饋給調(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度管理軟件通過任務(wù)的建立，將工藝信息、種苗信息和栽培床信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，再加以統(tǒng)計、處理，在生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)界面通過栽培床信息搜索或現(xiàn)場識別栽培床射頻標(biāo)簽，即可獲得當(dāng)前栽培床作物信息、工藝信息等。

圖7 調(diào)度管理軟件

圖8 射頻識別系統(tǒng)

為便于設(shè)備之間的調(diào)度管理，在布線方式上，設(shè)計采用總線形式布線，解決調(diào)度距離遠(yuǎn)、傳感器分布散等問題，區(qū)別于傳統(tǒng)的PLC 直連布線形式，應(yīng)用開放式網(wǎng)絡(luò)，將傳動模塊內(nèi)傳感器按一定區(qū)域劃分接入從站，再以總線形式將各從站接入主站內(nèi)。這樣設(shè)計可以實現(xiàn)快速多點通信，實現(xiàn)所有從站的數(shù)據(jù)實時通信。設(shè)計布線方式采用并聯(lián)布線結(jié)構(gòu)，可增減節(jié)點布線，單獨增減從站，擴(kuò)展功能模塊，不影響其他從站正常工作和使用。

應(yīng)用效果與推廣潛力

山西中藥材集團(tuán)太谷基地項目基于工廠化作業(yè)模式的路徑優(yōu)化，以立體運輸方式搭建種苗作業(yè)流水線，形成在生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)集中控制下的PLC 末端執(zhí)行控制體系，運用通信技術(shù)、數(shù)字技術(shù)進(jìn)行種苗生產(chǎn)管理，從而形成適宜中藥材種苗工廠化生產(chǎn)的新模式。經(jīng)運行測試，各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求，其中栽培床平均載重量363 kg，平均變形量1.1 mm，最大變形量1.5 mm；栽培床橫向運行速度13 m/min，縱向運輸速度3 m/min，平均輸送效率80 張/h；天車運行效率1 m/s。利用該系統(tǒng)，運輸效率可以達(dá)到人工效率的6 倍，節(jié)約80% 的勞動力，而且可平均縮短育苗周期30%，育苗成活率提高25%。

隨著國內(nèi)對土地產(chǎn)出率、農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、資源利用率的迫切發(fā)展需求，傳統(tǒng)的固定式栽培模式制約著生產(chǎn)效率的提升，越來越多的設(shè)施種植企業(yè)把工業(yè)領(lǐng)域流水作業(yè)的方式應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，以提升企業(yè)自身競爭力。立體物流運輸系統(tǒng)是一種以栽培床為運輸單元的流水線作業(yè)模式，不僅適用于中藥材種苗生產(chǎn)，還可以推廣應(yīng)用于花卉、蔬菜、水稻、林木、漿果等更多領(lǐng)域，全面提升設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)可盈利、可持續(xù)發(fā)展。