水培叶菜移植输送自动化装备的设计和试验

刘霓红 徐灿 熊征 吴玉发 王周宇 黄健荣

中国设施蔬菜种植面积与产量均位于世界第一位，现如今蔬菜产业已成为国内各省市农民脱贫增收的支柱产业。目前中国设施蔬菜栽培方式主要以土壤种植栽培为主，而周年作业必然导致温室土壤化肥农药富集，严重威胁中国农产品质量安全。近年来，随着设施农业自动化生产技术在全球范围内的不断发展与推广提升，中国在蔬菜种植行业引入设施农业自动化生产技术进行生产所占的比重逐年增大。其中，设施管道式水培叶菜具有节水、节肥、省药、农产品质量安全和环境友好等优势，可解决传统土培所致的设施环境生态恶化的弊端。目前，国内温室设施中的管道通常置于固定架上，在整个设施管道水培叶菜的生产过程中，其移植和采收环节均需要人工作业，或人为干预率较高，同时由于作业空间狭小，且人工作业劳动强度大、作业效率低，因此无法满足新常态下农业高效节能生产需求和高质量发展要求。为解决以上问题，广东省现代农业装备研究所团队设计了以下水培叶菜移植输送关键环节自动化技术及装备。

水培叶菜自动化生产装备工作流程

针对目前国内设施管道水培叶菜装备层次总体较低、人为干预率过高、人工作业劳动强度大、作业效率低等缺陷问题，针对管道式水培叶菜全程自动化生产过程中的移植和输送关键环节设计研制了一种管道式水培叶菜自动化生产装备。

管道式水培叶菜自动化生产装备在广东省农业技术推广总站温室（以下简称“推广总站”）进行了示范与展示，该解决方案如图1所示，该装备划分为移植区、生长区、收菜区以及清洗消毒区等几个区域。移植区布置有自主研发的水培叶菜移植机，将叶菜幼苗从穴盘移植到种植管内;当种植管内种满叶菜幼苗，种植管输送装备将种植管输送到生长区并提供其生长发育所需的温光水气肥等生长要素;叶菜生长成熟后，种植管输送装备将种植管输送到收菜区，人工收获种植管内的成熟叶菜;种植管输送装备输送采收后的空种植管分别经过外部清洗区域、内部清洗区域和消毒区域，完成种植管外表面和内腔的清洗和消毒;清洗消毒后的种植管被输送到移植区等待下一次的移植;重复上述步骤可以实现水培叶菜移植和输送环节的自动化。随着水培叶菜自动收获技术与装备的不断成熟，该装备配合使用可以实现管道式水培叶菜从移植-生长-收获的全程机械化和自动化，提升设施管道水培叶菜装备层次，减少劳动强度和人为干预率，提高产量和效益。

水培叶菜移植环节自动化装备

目前，水培叶菜生产作业中的移苗环节主要依靠人工完成，随着蔬菜的需求量与日俱增、劳动力成本越来越高，蔬菜种植的高效化和机械化成为了蔬菜种植业的迫切需求。

移苗系统设计遵循的原则

水培叶菜移苗系统是针对水培叶菜生产的移苗环节，将穴盘苗自动移植到种植管内。因此，该移苗系统的设计需遵循以下原则：①针对水培叶菜育苗盘规格为72穴;②移苗系统一次对叶菜育苗盘的整排进行移植，一次移植6株叶菜苗;③移苗系统的进苗端与苗盘输送系统对接，需实现苗盘自动输送到移苗系统;④移苗系统的出苗端与种植管输送系统衔接，需针对单条种植管进行移植并输送。

移苗系统硬件

移苗系统的移植机如图2所示，包括供盘带、苗盘推送机构、苗盘精准输送机构、移植手取苗机构、种植管精准输送机构以及控制系统，其中移植手取苗机构包括移植手、移植手水平输送机构和移植手变距机构。供盘带主要功能是为移苗机输送待移植的叶菜苗。苗盤推送机构将供盘带上的苗盘推送到苗盘精准输送机构处。苗盘精准输送机构使苗盘以步进的方式到达移植手作业范围。在移植手取苗机构的作用下，移植手抓取苗盘内的一排叶菜苗并将其精准放入到种植管的种植孔内。移植手返回到初始位置，种植管精准输送机构使种植管向前移动6个孔位，继续下一次的移植作业。当种植管内种满叶菜苗后，种植管精准输送机构将种植管输送到种植管输送设备中，并接收种植管输送设备输送的空种植管并对其进行叶菜苗移植，循环上述流程，完成叶菜苗移植作业。

为了实现移苗系统的移苗成功率，移苗系统的移植手取苗机构所完成的取苗、输送和移植的动作需要精准控制，因此，苗盘精准输送机构和移植手水平输送机构均采用伺服电机驱动，达到移植手的精准定位。供盘带的输送精度要求不高，因此选择常用的交流减速机驱动即可。移植手取苗机构和苗盘推送机构采用气力驱动的方式，结构简单、动作准确。栽培管精准输送机构采用交流减速机结合楔形导向块的方式，实现栽培管的定位输送。

移苗系统软件

根据移苗系统的作业流程，软件采用FX3GA-60MT/CM型号PLC可编程序控制器进行编程实现，软件实现的顺序功能如图3所示。

移苗系统样机测试

移苗系统样机调试后进行了整机性能测试，选择不同根系状况种苗、移植手水平加速度和竖直加速度作为影响因素进行正交试验，结果表明移植手抓取成功率可达90%，移栽效率可达1200株/h。其中，种苗的根系状况对移植手的抓取成功率影响最大，水平和竖直加速度对移植成功率影响较小。

水培叶菜种植管自动化输送装备

种植系统需求分析

随着水培叶菜生产规模逐渐扩大，其生产作业过程中的种植管、种苗及收获叶菜的输送用工量大的问题，正成为行业发展的瓶颈，针对以上问题，研制了水培叶菜种植管自动化输送装备。

种植系统设计遵循的原则

水培叶菜移苗系统是针对水培叶菜生产的种植管输送环节，完成移植和采收环节种植管的自动化输送。因此，该种植系统的设计需遵循以下原则：①针对水培叶菜管道浅液流水培种植模式;②针对水培叶菜种植管尺寸为3750 mm×75 mm×50 mm，种植管上分布有24个直径为50 mm，间距为150 mm的种植孔;③种植系统每次对1根种植管进行输送;④种植系统的移植区与移苗系统对接，需提供空种植管等待幼苗移植;⑤种植系统需提供叶菜生长所需的肥液，实现肥液循环;⑥种植系统需实现种植管循环输送。

技术参数与技术指标

管道式水培叶菜种植管自动化输送装备适用于管道浅液流水培种植模式，叶菜种植于种植管上的种植孔内。种植管表面设置有营养液入口，种植管底部设置有营养液出口。管道式水培叶菜自动化生产装备的主要功能是完成移植和采收环节种植管的自动化输送，此外该装备设有移植区和收菜区，避免了工作人员进入生产区从事作业，增加了叶菜种植密度，并且通过对种植管的清洗和消毒，实现了种植管在水培叶菜生产过程中的循环使用，为叶菜生产全程无人化作业提供基础。本研究要求种植管在水培叶菜自动化输送装备上的运行成功率大于98%，纵向运输机构运行一次时间小于5 s，横向运输机构输送一次种植管时间小于15 s，符合设备研制生产的技术要求。

种植系统硬件

如图4所示，种植管输送装备主要由输送床、外清洗机构、内腔清洗消毒机构和控制系统等组成。根据功能，将输送床分为种植床和清洗床，一般有多列种植床，1列清洗床，如在推广总站示范的项目有3列种植床和1列清洗床;外清洗机构布置在种植床和清洗床之间;内腔清洗消毒机构根据喷头喷出溶液成分分为内腔清洗机构和内腔消毒机构，内腔清洗消毒机构分别布置于清洗区域和消毒区域。

图5所示为输送床，输送床主要由纵向输送机构、横向输送机构以及营养液循环机构等组成。纵向输送机构主要功能是实现种植管在输送床上的纵向步进输送，将种植管从种植床一端输送到另一端，每次向前移动一步;横向输送机构布置在输送床的两端，其将种植管从一个输送床输送到另一个输送床，实现种植管跨床输送;营养液循环机构主要由营养液槽、滴头、营养液泵等组成，当纵向输送机构和横向输送机构停止时，营养液泵将营养液通过滴箭滴入种植床上种植管的营养液入口，通过种植槽的高差，营养液从种植管出口流出，营养液槽收集营养液排入消毒过滤池，营养液经消毒过滤后，由营养液泵将营养液通过滴箭滴入种植管，实现营养液循环。

如图6所示，外清洗机构主要由毛刷、电机以及集水槽等组成，其主要功能是清洗叶菜收获后种植槽的外表面。种植床的横向输送机构将种植管送入外表面清洗机构入口处，电机带动毛刷对种植管的4个面进行清洗，清洗完毕后种植管从出口处进入清洗床的横向输送机构，清洗后的废水由集水槽收集并排出。

内腔清洗机构和内腔消毒机构结构相同，统称为内腔清洗消毒机构，结构如图7所示，主要由喷嘴、气缸等组成，内腔清洗机构和内腔消毒机构分别安装在清洗床上方，分别对种植管内腔进行清洗和消毒。当种植管由清洗床纵向输送机构输送到清洗消毒机构正下方时，气缸伸出使喷嘴伸入种植管内部，喷嘴分别喷射清洗液和消毒液，实现对种植管内腔的清洗和消毒。

种植系统软件

本研究设计的系统根据元件的控制要求和数量，可编程序控制器的选型为FX3U-128MR-ES-A以及扩展模块FX2N-32ER等。根据系统的作业流程，软件采用PLC可编程序控制器进行编程实现。触摸屏控制界面由手动模式、自动模式、参数设置和开关状态区构成。

◆手动模式界面

如图8所示，系统处于手动模式下，按下电控柜上对应的控制按钮，相对应的动作在运行或完成后可分别通过界面监控其运行状态。

◆自动模式界面

如图9所示，监控工作状态下各个区域的运行状态，可实时查看各電机、气缸是否在正常运行，设备在种植模式下还有多少种植管未完成种植。

◆参数设置界面

如图10所示，点击种植区中的滴液间隔和滴液时间，清洗区的消毒时间和清洗时间，可分别按照品种设置不同的时间。弹出数字框与数字小键盘，通过数字小键盘设定作业时间后，点击数字小键盘上“ENTER”键完成作业时间设置。

操作流程如下：①将电控柜上的模式旋钮调到自动模式，等待电控柜上启动指示灯常亮，设备进入自动模式;②想收获某列种植床上的叶菜，在触摸屏上点击对应区的成熟按钮，使之变红为选定状态，在成熟量上输入需要收获的种植管数量;③在种植区的按钮盒上按下成熟确认按钮，设备进入种植收获模式，清洗床将种植管送至移苗区，待移苗机完成移苗工作，将移苗后的种植管输送到对应的种植床，并将对应种植床上成熟的叶菜输送到收菜区;④成熟叶菜全部从种植管上采收完毕后，人工按下按钮盒上的工作完成按钮，输送种植管进入外清洗机构，输送外表面被清洗后的种植管至清洗床;⑤清洗床将种植管输送到内腔清洗机构和内腔消毒机构处，两个机构分别对种植管内腔进行清洗和消毒;⑥重复以上3～5的动作，直至触摸屏上剩余量为0后，移苗及输送采摘结束。

种植管输送装备样机测试

样机调试后进行了整机性能测试，样机验证试验表明样机的纵向运输成功率为100%，平均周期为2.09 s，横向运输成功率为98.67%，平均周期为12.17 s，满足设计要求与水培种植农艺要求。

总结

国外经验启示，水培叶菜生产中发展机械化、自动化成为一种趋势，可有效提高劳动生产率，降低生产成本，提高经济效益。针对中国设施园艺机械化需求，研发适用于中国设施园艺的水培叶菜移植输送关键环节自动化技术及装备对中国设施农业发展具有重要的意义，为设施园艺的水培叶菜生产的机械化、自动化和工厂化提供了基础。

*项目支持：广东省重点领域研发计划-设施园艺物流化输送智能装备研究与示范（2019B020222002）;2018年省级设施农业建设项目-设施园艺机械化需求的水培叶菜关键环节自动化技术及装备的研发应用（粤财农【2018】125号）。

作者简介：刘霓红（1972-），男，高级工程师，主要从事现代农业设施及装备的科研开发和推广应用工作。

[引用信息]刘霓红，徐灿，熊征，等.水培叶菜移植输送自动化装备的设计和试验[J].农业工程技术，2020，40（19）：23-27.