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)必然導致溫室土壤化肥農(nóng)藥富集，嚴重威脅中國農(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)自動化生產(chǎn)技術(shù)進行生產(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，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)，或人為干預率較高，同時由于作業(yè)空間狹小，且人工作業(yè)勞動強度大、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)裝備研究所團隊設(shè)計了以下水培葉菜移植輸送關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動化技術(shù)及裝備。

水培葉菜自動化生產(chǎn)裝備工作流程

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

管道式水培葉菜自動化生產(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)等幾個區(qū)域。移植區(qū)布置有自主研發(fā)的水培葉菜移植機，將葉菜幼苗從穴盤移植到種植管內(nèi);當種植管內(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;重復上述步驟可以實現(xiàn)水培葉菜移植和輸送環(huán)節(jié)的自動化。隨著水培葉菜自動收獲技術(shù)與裝備的不斷成熟，該裝備配合使用可以實現(xiàn)管道式水培葉菜從移植-生長-收獲的全程機械化和自動化，提升設(shè)施管道水培葉菜裝備層次，減少勞動強度和人為干預率，提高產(chǎn)量和效益。

水培葉菜移植環(huán)節(jié)自動化裝備

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、勞動力成本越來越高，蔬菜種植的高效化和機械化成為了蔬菜種植業(yè)的迫切需求。

移苗系統(tǒng)設(shè)計遵循的原則

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

移苗系統(tǒng)硬件

移苗系統(tǒng)的移植機如圖2所示，包括供盤帶、苗盤推送機構(gòu)、苗盤精準輸送機構(gòu)、移植手取苗機構(gòu)、種植管精準輸送機構(gòu)以及控制系統(tǒng)，其中移植手取苗機構(gòu)包括移植手、移植手水平輸送機構(gòu)和移植手變距機構(gòu)。供盤帶主要功能是為移苗機輸送待移植的葉菜苗。苗盤推送機構(gòu)將供盤帶上的苗盤推送到苗盤精準輸送機構(gòu)處。苗盤精準輸送機構(gòu)使苗盤以步進的方式到達移植手作業(yè)范圍。在移植手取苗機構(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，種植管精準輸送機構(gòu)使種植管向前移動6個孔位，繼續(xù)下一次的移植作業(yè)。當種植管內(nèi)種滿葉菜苗后，種植管精準輸送機構(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其進行葉菜苗移植，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)的移植手取苗機構(gòu)所完成的取苗、輸送和移植的動作需要精準控制，因此，苗盤精準輸送機構(gòu)和移植手水平輸送機構(gòu)均采用伺服電機驅(qū)動，達到移植手的精準定位。供盤帶的輸送精度要求不高，因此選擇常用的交流減速機驅(qū)動即可。移植手取苗機構(gòu)和苗盤推送機構(gòu)采用氣力驅(qū)動的方式，結(jié)構(gòu)簡單、動作準確。栽培管精準輸送機構(gòu)采用交流減速機結(jié)合楔形導向塊的方式，實現(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PLC可編程序控制器進行編程實現(xiàn)，軟件實現(xiàn)的順序功能如圖3所示。

移苗系統(tǒng)樣機測試

移苗系統(tǒng)樣機調(diào)試后進行了整機性能測試，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行正交試驗，結(jié)果表明移植手抓取成功率可達90%，移栽效率可達1200株/h。其中，種苗的根系狀況對移植手的抓取成功率影響最大，水平和豎直加速度對移植成功率影響較小。

水培葉菜種植管自動化輸送裝備

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，針對以上問題，研制了水培葉菜種植管自動化輸送裝備。

種植系統(tǒng)設(shè)計遵循的原則

水培葉菜移苗系統(tǒng)是針對水培葉菜生產(chǎn)的種植管輸送環(huán)節(jié)，完成移植和采收環(huán)節(jié)種植管的自動化輸送。因此，該種植系統(tǒng)的設(shè)計需遵循以下原則：①針對水培葉菜管道淺液流水培種植模式;②針對水培葉菜種植管尺寸為3750 mm×75 mm×50 mm，種植管上分布有24個直徑為50 mm，間距為150 mm的種植孔;③種植系統(tǒng)每次對1根種植管進行輸送;④種植系統(tǒng)的移植區(qū)與移苗系統(tǒng)對接，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，實現(xiàn)肥液循環(huán);⑥種植系統(tǒng)需實現(xiàn)種植管循環(huán)輸送。

技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標

管道式水培葉菜種植管自動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，并且通過對種植管的清洗和消毒，實現(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化輸送裝備上的運行成功率大于98%，縱向運輸機構(gòu)運行一次時間小于5 s，橫向運輸機構(gòu)輸送一次種植管時間小于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、外清洗機構(gòu)、內(nèi)腔清洗消毒機構(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目有3列種植床和1列清洗床;外清洗機構(gòu)布置在種植床和清洗床之間;內(nèi)腔清洗消毒機構(gòu)根據(jù)噴頭噴出溶液成分分為內(nèi)腔清洗機構(gòu)和內(nèi)腔消毒機構(gòu)，內(nèi)腔清洗消毒機構(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構(gòu)、橫向輸送機構(gòu)以及營養(yǎng)液循環(huán)機構(gòu)等組成?？v向輸送機構(gòu)主要功能是實現(xiàn)種植管在輸送床上的縱向步進輸送，將種植管從種植床一端輸送到另一端，每次向前移動一步;橫向輸送機構(gòu)布置在輸送床的兩端，其將種植管從一個輸送床輸送到另一個輸送床，實現(xiàn)種植管跨床輸送;營養(yǎng)液循環(huán)機構(gòu)主要由營養(yǎng)液槽、滴頭、營養(yǎng)液泵等組成，當縱向輸送機構(gòu)和橫向輸送機構(gòu)停止時，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，實現(xiàn)營養(yǎng)液循環(huán)。

如圖6所示，外清洗機構(gòu)主要由毛刷、電機以及集水槽等組成，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構(gòu)將種植管送入外表面清洗機構(gòu)入口處，電機帶動毛刷對種植管的4個面進行清洗，清洗完畢后種植管從出口處進入清洗床的橫向輸送機構(gòu)，清洗后的廢水由集水槽收集并排出。

內(nèi)腔清洗機構(gòu)和內(nèi)腔消毒機構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，統(tǒng)稱為內(nèi)腔清洗消毒機構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由噴嘴、氣缸等組成，內(nèi)腔清洗機構(gòu)和內(nèi)腔消毒機構(gòu)分別安裝在清洗床上方，分別對種植管內(nèi)腔進行清洗和消毒。當種植管由清洗床縱向輸送機構(gòu)輸送到清洗消毒機構(gòu)正下方時，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，實現(xiàn)對種植管內(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可編程序控制器進行編程實現(xiàn)。觸摸屏控制界面由手動模式、自動模式、參數(shù)設(shè)置和開關(guān)狀態(tài)區(qū)構(gòu)成。

◆手動模式界面

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

◆自動模式界面

如圖9所示，監(jiān)控工作狀態(tài)下各個區(qū)域的運行狀態(tài)，可實時查看各電機、氣缸是否在正常運行，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，點擊種植區(qū)中的滴液間隔和滴液時間，清洗區(qū)的消毒時間和清洗時間，可分別按照品種設(shè)置不同的時間。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)時間后，點擊數(shù)字小鍵盤上“ENTER”鍵完成作業(yè)時間設(shè)置。

操作流程如下：①將電控柜上的模式旋鈕調(diào)到自動模式，等待電控柜上啟動指示燈常亮，設(shè)備進入自動模式;②想收獲某列種植床上的葉菜，在觸摸屏上點擊對應(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按鈕，設(shè)備進入種植收獲模式，清洗床將種植管送至移苗區(qū)，待移苗機完成移苗工作，將移苗后的種植管輸送到對應(yīng)的種植床，并將對應(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，輸送種植管進入外清洗機構(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)腔清洗機構(gòu)和內(nèi)腔消毒機構(gòu)處，兩個機構(gòu)分別對種植管內(nèi)腔進行清洗和消毒;⑥重復以上3～5的動作，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測試

樣機調(diào)試后進行了整機性能測試，樣機驗證試驗表明樣機的縱向運輸成功率為100%，平均周期為2.09 s，橫向運輸成功率為98.67%，平均周期為12.17 s，滿足設(shè)計要求與水培種植農(nóng)藝要求。

總結(jié)

國外經(jīng)驗啟示，水培葉菜生產(chǎn)中發(fā)展機械化、自動化成為一種趨勢，可有效提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。針對中國設(shè)施園藝機械化需求，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)自動化技術(shù)及裝備對中國設(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)的機械化、自動化和工廠化提供了基礎(chǔ)。

*項目支持：廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃-設(shè)施園藝物流化輸送智能裝備研究與示范（2019B020222002）;2018年省級設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)項目-設(shè)施園藝機械化需求的水培葉菜關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動化技術(shù)及裝備的研發(fā)應(yīng)用（粵財農(nóng)【2018】125號）。

作者簡介：劉霓紅（1972-），男，高級工程師，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化裝備的設(shè)計和試驗[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（19）：23-27.