智能穿梭車系統在植物工廠的應用分析

文/池曉峰

植物工廠是現代農業發展的高級階段，是一種高投入、高技術、精裝備的生產體系。它利用計算機對植物生長的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境條件進行自動控制，實現農作物周期性連續高效生產，代表著未來農業的發展方向。一般來說，植物工廠的果蔬栽培系統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行果蔬的培育，工作人員難以進行高層栽培架上果蔬的移栽和收獲。

智能穿梭車式系統，目前在倉儲物流中廣泛應用。穿梭車是一種智能機器人，可以通過編程實現取貨、運送、放置等任務，并可與WMS系統進行通訊，結合RFID、條碼等識別技術，實現自動化識別、存取等功能。從結構上看，將傳統貨架加上高精度導軌，可以讓穿梭車在上面平穩運行，導軌同時承擔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：標準模式(Standard)、靈動模式(Flex)以及皮帶傳動模式(Belted)。這三種模式依據系統量身定制，從而滿足每個用戶獨特的產品處理需求。

植物工廠代表著未來農業的發展方向

一、應用規劃設想

一般來說，立體栽培架上生產的果蔬，都是單品種數量較大的商品。按照植物工廠的流水化的作業布局，根據工作任務分析物流系統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行規劃。

接下來，以多層穿梭車系統為例進行說明。該系統采用的多層穿梭車，是一款交直流均可驅動的穿梭車，在貨架軌道上運行，實現料箱貨物出入庫。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。夾抱式（推拉式）貨叉伸縮速度快，進而取貨速度快。同時對控制單元進行選型，并將執行部件分成搬運機構和輸送機構兩個模塊，對各模塊進行電路設計和程序設計。采用光電開關對貨叉、穿梭車進行空間直角坐標系定位，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，對搬運機構和輸送機構進行程序設計，運用監控設備對系統進行監控組態。同時讓穿梭式貨架與WMS(倉庫管理系統)搭配使用，可以實現：有效批次管理、派發進貨、出貨、移貨、批次管理、盤點工作，動態監控每個儲位，明確指示貨物應存放位置，避免貨物錯放、錯取，并對穿梭車進行作業模式監控。

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

圖1：規劃示意圖

二、應用方案分析

穿梭車系統以其運行速度快、存儲密度高、提高物流效率和空間利用率、節省人力與倉儲面積、靈活性好、易于擴展等諸多優勢，得到越來越廣泛的應用。多層穿梭車系統的技術實現難度不在于硬件，更多體現于軟件設計，尤其是調度算法，提高系統整體的調度效率才是系統的關鍵。

1.工藝流程分析

進栽培板：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，經人工采摘臺，將果蔬移出栽培板，果蔬進入自動清洗機，按要求自動包裝，最后碼垛。

2.生產能力分析

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60個。

年生產能力估算：每畝土地的廠房，大約可配置立體栽培架的貨位數量30行×6列×20層=3600個，單個栽培板的產量保守3.5 kg，每年6～7栽，年產量為3600×0.0035×6=75.6噸。人員配備為項目負責人1人、栽培1人、采摘1人，共3人。平均生產效率為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，年產量6噸/畝。平均生產效率為6噸/年·人。傳統植物工廠的平均生產效率略高，約為9噸/年·人。

三、應用初步結論

現有國內外開發的用于果蔬移栽收獲裝置，存在空間操作范圍較小、機構龐大、定位靈活性較差等問題。傳統植物工廠單純依靠人力，費時費工。

現試將智能穿梭車系統應用于植物工廠，能夠真正幫助實現植物的工廠化生產。雖然有待于進一步地試用和驗證，但其應該可以體現以下優點：

1.處理量增加：處理能力是傳統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，以及合理高效的生產流程和培養空間，可以節省總成本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：以準確的排序將植物存放或者出貨給揀選站或碼垛人員。

5.降低工人勞動強度：協作分工，系統均可靈活控制。