智能穿梭车系统在植物工厂的应用分析

文/池晓峰

植物工厂是现代农业发展的高级阶段，是一种高投入、高技术、精装备的生产体系。它利用计算机对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，实现农作物周期性连续高效生产，代表着未来农业的发展方向。一般来说，植物工厂的果蔬栽培系统是由栽培板及立体式的栽培架所组成。由于植物工厂采用多层栽培架进行果蔬的培育，工作人员难以进行高层栽培架上果蔬的移栽和收获。

智能穿梭车式系统，目前在仓储物流中广泛应用。穿梭车是一种智能机器人，可以通过编程实现取货、运送、放置等任务，并可与WMS系统进行通讯，结合RFID、条码等识别技术，实现自动化识别、存取等功能。从结构上看，将传统货架加上高精度导轨，可以让穿梭车在上面平稳运行，导轨同时承担货物输送和货物存储功能，从而极大提高仓储空间利用率。全新的多层穿梭车有三种模式：标准模式(Standard)、灵动模式(Flex)以及皮带传动模式(Belted)。这三种模式依据系统量身定制，从而满足每个用户独特的产品处理需求。

植物工厂代表着未来农业的发展方向

一、应用规划设想

一般来说，立体栽培架上生产的果蔬，都是单品种数量较大的商品。按照植物工厂的流水化的作业布局，根据工作任务分析物流系统在移栽和收获过程中的工序流程，基于时间最短原则，对栽培板输送路径进行规划。

接下来，以多层穿梭车系统为例进行说明。该系统采用的多层穿梭车，是一款交直流均可驱动的穿梭车，在货架轨道上运行，实现料箱货物出入库。利用自身的夹抱式（或者推拉式）货叉，将栽培板（栽培箱）取出，放到指定的出口位置，同时可以将入口位置的栽培箱存入指定的货位内。夹抱式（推拉式）货叉伸缩速度快，进而取货速度快。同时对控制单元进行选型，并将执行部件分成搬运机构和输送机构两个模块，对各模块进行电路设计和程序设计。采用光电开关对货叉、穿梭车进行空间直角坐标系定位，通过光电反馈实时比较，确定穿梭车在各方向的运动。分析栽培板输送的各个工序流程，对搬运机构和输送机构进行程序设计，运用监控设备对系统进行监控组态。同时让穿梭式货架与WMS(仓库管理系统)搭配使用，可以实现：有效批次管理、派发进货、出货、移货、批次管理、盘点工作，动态监控每个储位，明确指示货物应存放位置，避免货物错放、错取，并对穿梭车进行作业模式监控。

图1是规划示意图。其规划参数：工厂区域尺寸为40m×16m，多层栽培架层数20层，栽培板外形尺寸为0.9m×0.9m。

图1：规划示意图

二、应用方案分析

穿梭车系统以其运行速度快、存储密度高、提高物流效率和空间利用率、节省人力与仓储面积、灵活性好、易于扩展等诸多优势，得到越来越广泛的应用。多层穿梭车系统的技术实现难度不在于硬件，更多体现于软件设计，尤其是调度算法，提高系统整体的调度效率才是系统的关键。

1.工艺流程分析

进栽培板：栽培板自入库端上流水线，自动输送至入库位置点，穿梭车接到入库指令后通过提升机到达取货位置，然后伸叉取货，完成后按MCS命令提升至指定层，再由穿梭车将栽培板送至预定位置。

出栽培板：穿梭车移动至出货位置，伸叉取货，完成后按MCS命令进入提升机，下降至出货位置，伸叉将栽培板送至流水线，然后自动输送，经人工采摘台，将果蔬移出栽培板，果蔬进入自动清洗机，按要求自动包装，最后码垛。

2.生产能力分析

多层穿梭车性能：最大行驶速度4m/s，最大加速度2m/s2，最大载重50kg，控制单元PLC 。单条巷道可按需求，多配备穿梭车。单条巷道的每小时出入库能力可达60个。

年生产能力估算：每亩土地的厂房，大约可配置立体栽培架的货位数量30行×6列×20层=3600个，单个栽培板的产量保守3.5 kg，每年6～7栽，年产量为3600×0.0035×6=75.6吨。人员配备为项目负责人1人、栽培1人、采摘1人，共3人。平均生产效率为25吨/年·人。而普通平地上的果蔬栽种，一个劳力管理3～4亩，平地每亩2～3栽/年，年产量6吨/亩。平均生产效率为6吨/年·人。传统植物工厂的平均生产效率略高，约为9吨/年·人。

三、应用初步结论

现有国内外开发的用于果蔬移栽收获装置，存在空间操作范围较小、机构庞大、定位灵活性较差等问题。传统植物工厂单纯依靠人力，费时费工。

现试将智能穿梭车系统应用于植物工厂，能够真正帮助实现植物的工厂化生产。虽然有待于进一步地试用和验证，但其应该可以体现以下优点：

1.处理量增加：处理能力是传统植物工厂解决方案的2～3倍。

2.高利用率：增加空间利用率，同等处理量只需更少的巷道，所以只需更少的土地面积。

3.更高存储密度：增加立体栽培的层数，以及合理高效的生产流程和培养空间，可以节省总成本10%～15%。提升机能连接上下工位，确保最大化存储密度，以便有更多布局选择。

4.精确的排序：以准确的排序将植物存放或者出货给拣选站或码垛人员。

5.降低工人劳动强度：协作分工，系统均可灵活控制。