智能穿梭車系統(tǒng)在植物工廠的應(yīng)用分析

文/池曉峰

植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，是一種高投入、高技術(shù)、精裝備的生產(chǎn)體系。它利用計算機對植物生長的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動控制，實現(xiàn)農(nóng)作物周期性連續(xù)高效生產(chǎn)，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。一般來說，植物工廠的果蔬栽培系統(tǒng)是由栽培板及立體式的栽培架所組成。由于植物工廠采用多層栽培架進(jìn)行果蔬的培育，工作人員難以進(jìn)行高層栽培架上果蔬的移栽和收獲。

智能穿梭車式系統(tǒng)，目前在倉儲物流中廣泛應(yīng)用。穿梭車是一種智能機器人，可以通過編程實現(xiàn)取貨、運送、放置等任務(wù)，并可與WMS系統(tǒng)進(jìn)行通訊，結(jié)合RFID、條碼等識別技術(shù)，實現(xiàn)自動化識別、存取等功能。從結(jié)構(gòu)上看，將傳統(tǒng)貨架加上高精度導(dǎo)軌，可以讓穿梭車在上面平穩(wěn)運行，導(dǎo)軌同時承擔(dān)貨物輸送和貨物存儲功能，從而極大提高倉儲空間利用率。全新的多層穿梭車有三種模式：標(biāo)準(zhǔn)模式(Standard)、靈動模式(Flex)以及皮帶傳動模式(Belted)。這三種模式依據(jù)系統(tǒng)量身定制，從而滿足每個用戶獨特的產(chǎn)品處理需求。

植物工廠代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向

一、應(yīng)用規(guī)劃設(shè)想

一般來說，立體栽培架上生產(chǎn)的果蔬，都是單品種數(shù)量較大的商品。按照植物工廠的流水化的作業(yè)布局，根據(jù)工作任務(wù)分析物流系統(tǒng)在移栽和收獲過程中的工序流程，基于時間最短原則，對栽培板輸送路徑進(jìn)行規(guī)劃。

接下來，以多層穿梭車系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。該系統(tǒng)采用的多層穿梭車，是一款交直流均可驅(qū)動的穿梭車，在貨架軌道上運行，實現(xiàn)料箱貨物出入庫。利用自身的夾抱式（或者推拉式）貨叉，將栽培板（栽培箱）取出，放到指定的出口位置，同時可以將入口位置的栽培箱存入指定的貨位內(nèi)。夾抱式（推拉式）貨叉伸縮速度快，進(jìn)而取貨速度快。同時對控制單元進(jìn)行選型，并將執(zhí)行部件分成搬運機構(gòu)和輸送機構(gòu)兩個模塊，對各模塊進(jìn)行電路設(shè)計和程序設(shè)計。采用光電開關(guān)對貨叉、穿梭車進(jìn)行空間直角坐標(biāo)系定位，通過光電反饋實時比較，確定穿梭車在各方向的運動。分析栽培板輸送的各個工序流程，對搬運機構(gòu)和輸送機構(gòu)進(jìn)行程序設(shè)計，運用監(jiān)控設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控組態(tài)。同時讓穿梭式貨架與WMS(倉庫管理系統(tǒng))搭配使用，可以實現(xiàn)：有效批次管理、派發(fā)進(jìn)貨、出貨、移貨、批次管理、盤點工作，動態(tài)監(jiān)控每個儲位，明確指示貨物應(yīng)存放位置，避免貨物錯放、錯取，并對穿梭車進(jìn)行作業(yè)模式監(jiān)控。

圖1是規(guī)劃示意圖。其規(guī)劃參數(shù)：工廠區(qū)域尺寸為40m×16m，多層栽培架層數(shù)20層，栽培板外形尺寸為0.9m×0.9m。

圖1：規(guī)劃示意圖

二、應(yīng)用方案分析

穿梭車系統(tǒng)以其運行速度快、存儲密度高、提高物流效率和空間利用率、節(jié)省人力與倉儲面積、靈活性好、易于擴展等諸多優(yōu)勢，得到越來越廣泛的應(yīng)用。多層穿梭車系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)難度不在于硬件，更多體現(xiàn)于軟件設(shè)計，尤其是調(diào)度算法，提高系統(tǒng)整體的調(diào)度效率才是系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1.工藝流程分析

進(jìn)栽培板：栽培板自入庫端上流水線，自動輸送至入庫位置點，穿梭車接到入庫指令后通過提升機到達(dá)取貨位置，然后伸叉取貨，完成后按MCS命令提升至指定層，再由穿梭車將栽培板送至預(yù)定位置。

出栽培板：穿梭車移動至出貨位置，伸叉取貨，完成后按MCS命令進(jìn)入提升機，下降至出貨位置，伸叉將栽培板送至流水線，然后自動輸送，經(jīng)人工采摘臺，將果蔬移出栽培板，果蔬進(jìn)入自動清洗機，按要求自動包裝，最后碼垛。

2.生產(chǎn)能力分析

多層穿梭車性能：最大行駛速度4m/s，最大加速度2m/s2，最大載重50kg，控制單元PLC 。單條巷道可按需求，多配備穿梭車。單條巷道的每小時出入庫能力可達(dá)60個。

年生產(chǎn)能力估算：每畝土地的廠房，大約可配置立體栽培架的貨位數(shù)量30行×6列×20層=3600個，單個栽培板的產(chǎn)量保守3.5 kg，每年6～7栽，年產(chǎn)量為3600×0.0035×6=75.6噸。人員配備為項目負(fù)責(zé)人1人、栽培1人、采摘1人，共3人。平均生產(chǎn)效率為25噸/年·人。而普通平地上的果蔬栽種，一個勞力管理3～4畝，平地每畝2～3栽/年，年產(chǎn)量6噸/畝。平均生產(chǎn)效率為6噸/年·人。傳統(tǒng)植物工廠的平均生產(chǎn)效率略高，約為9噸/年·人。

三、應(yīng)用初步結(jié)論

現(xiàn)有國內(nèi)外開發(fā)的用于果蔬移栽收獲裝置，存在空間操作范圍較小、機構(gòu)龐大、定位靈活性較差等問題。傳統(tǒng)植物工廠單純依靠人力，費時費工。

現(xiàn)試將智能穿梭車系統(tǒng)應(yīng)用于植物工廠，能夠真正幫助實現(xiàn)植物的工廠化生產(chǎn)。雖然有待于進(jìn)一步地試用和驗證，但其應(yīng)該可以體現(xiàn)以下優(yōu)點：

1.處理量增加：處理能力是傳統(tǒng)植物工廠解決方案的2～3倍。

2.高利用率：增加空間利用率，同等處理量只需更少的巷道，所以只需更少的土地面積。

3.更高存儲密度：增加立體栽培的層數(shù)，以及合理高效的生產(chǎn)流程和培養(yǎng)空間，可以節(jié)省總成本10%～15%。提升機能連接上下工位，確保最大化存儲密度，以便有更多布局選擇。

4.精確的排序：以準(zhǔn)確的排序?qū)⒅参锎娣呕蛘叱鲐浗o揀選站或碼垛人員。

5.降低工人勞動強度：協(xié)作分工，系統(tǒng)均可靈活控制。