邱韶峰 黃杰 宋濤

PLC控制在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

邱韶峰 黃杰 宋濤

現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了電子及計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)的結(jié)合，推動(dòng)了智能控制技術(shù)在農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用。為了滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)機(jī)械開(kāi)始采用PLC對(duì)功能部件進(jìn)行精準(zhǔn)控制，以提高播種、施肥、灌溉、施藥等作業(yè)質(zhì)量。

PLC是一種以CPU為核心用于控制的專用計(jì)算機(jī)，主要由CPU、存儲(chǔ)器、I/O模塊、通訊模塊組成，能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的采集、運(yùn)算處理并將結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制元件（如變頻器、繼電器、電磁閥等），最終實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、距離、力、壓力、流量等的精準(zhǔn)控制。PLC的I/O模塊具有與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)光電隔離的設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，并且PLC編程簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，相對(duì)PC更適應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)環(huán)境，以下是PLC在部分農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用：

一、在智能噴桿噴霧器中的應(yīng)用

普通噴桿噴霧器，噴霧流量不會(huì)隨著農(nóng)藥品種的不同及作業(yè)速度的快慢而調(diào)整，這就容易造成施藥量的不足、防治效果的下降或者農(nóng)藥的浪費(fèi)、環(huán)境的污染。

圖1、圖2分別是智能噴桿噴霧器的機(jī)械系統(tǒng)原理圖和控制系統(tǒng)原理圖：

智能噴桿噴霧器的智能控制系統(tǒng)由PLC、流量傳感器、車速傳感器、電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥、電磁閥組成，PLC采集當(dāng)前的作業(yè)速度與流量數(shù)據(jù)，計(jì)算出當(dāng)前單位面積的施藥量。當(dāng)實(shí)際施藥量偏離設(shè)定的最佳施藥量（根據(jù)農(nóng)藥的品種確定）時(shí)，PLC給流量調(diào)節(jié)閥發(fā)出相應(yīng)的增加/減小流量的信號(hào)，從而保證單位面積實(shí)際施藥量始終在最佳值附近，不受作業(yè)速度的影響。智能噴霧器配有三套適合不同流量范圍的噴頭，PLC會(huì)根據(jù)流量控制相應(yīng)電磁閥動(dòng)作，選擇此流量下霧化效果最佳的一組噴頭工作。PLC控制在植保機(jī)械上的使用，提高了農(nóng)藥的利用率，在保證病蟲害防治效果的前提下，減少了農(nóng)藥的用量，降低了農(nóng)藥殘留及對(duì)環(huán)境的污染。

二、在智能水肥一體機(jī)中的應(yīng)用

智能水肥一體機(jī)是根據(jù)作物的需求將水及作物生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素定時(shí)定量按比例輸送到作物根部的一種灌溉、施肥一體化設(shè)備。圖3是智能水肥一體機(jī)的原理圖：

智能水肥一體機(jī)由水泵、輸水管路、多個(gè)輸肥泵、PLC、流量傳感器、EC（電導(dǎo)率）傳感器等組成，EC傳感器測(cè)量水溶液的導(dǎo)電能力，其數(shù)值大小反映了水溶液中各種營(yíng)養(yǎng)元素（水溶肥）的總濃度。選擇作物的品種及生長(zhǎng)期后，智能水肥一體機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，各種營(yíng)養(yǎng)元素的水溶肥通過(guò)不同的輸肥泵按比例注入水中。施肥泵為變頻計(jì)量泵，流量與轉(zhuǎn)速成正比，PLC控制著各個(gè)施肥泵始終按程序中設(shè)定的轉(zhuǎn)速比運(yùn)轉(zhuǎn)，并且根據(jù)EC傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)控制各輸肥泵按比例同步增加或降低轉(zhuǎn)速，這樣在精準(zhǔn)控制肥液中各種營(yíng)養(yǎng)元素比例的同時(shí)，還精準(zhǔn)控制著肥液的總濃度，使其始終在最佳值附近，不隨水量的變化改變，在灌溉的同時(shí)智能水肥一體機(jī)自動(dòng)將作物所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素按最佳的濃度及比例輸送到作物根部（配合微滴灌）。使用智能水肥一體機(jī)省工、節(jié)水、省肥，避免了營(yíng)養(yǎng)元素不均衡造成的肥害，作物生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、品質(zhì)好。

三、在設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

設(shè)施農(nóng)業(yè)有效地提高了土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，保障了農(nóng)產(chǎn)品有效供給，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民增收起到了重要作用。近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，設(shè)施農(nóng)業(yè)得到了快速發(fā)展。

設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種技術(shù)密集型精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，要求對(duì)溫度、濕度、光照等生物生長(zhǎng)因子進(jìn)行精準(zhǔn)控制以減少病蟲害的發(fā)生、提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量。目前高端溫室大棚普遍采用了智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PLC、各種傳感器（溫濕度、光照度，CO2濃度、土壤水份等）及各種加熱、加濕、通風(fēng)、降溫、澆灌等執(zhí)行設(shè)備組成。PLC實(shí)時(shí)采集溫室的各種環(huán)境參數(shù)，通過(guò)對(duì)參數(shù)的分析，控制執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而將各種參數(shù)控制在最佳范圍。PLC智能控制系統(tǒng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的使用，為動(dòng)植物提供了一個(gè)理想的生長(zhǎng)環(huán)境，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了控制精度，避免了人為事故的發(fā)生。

PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，可通過(guò)3G/4G模塊或網(wǎng)線聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，與遠(yuǎn)程PC構(gòu)成智能溫室大棚遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中PC為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)。PLC在控制執(zhí)行設(shè)備運(yùn)行的同時(shí)將各種參數(shù)上報(bào)上位機(jī)并執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的指令，這樣即使工作人員不在現(xiàn)場(chǎng)，也可以通過(guò)PC或智能手機(jī)APP對(duì)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)及設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

除了以上應(yīng)用，PLC控制還廣泛用于嫁接機(jī)器人、穴盤播種機(jī)、大米/茶葉色選機(jī)、果品分級(jí)機(jī)、谷物烘干機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)控制。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械向智能化、機(jī)電一體化發(fā)展，PLC控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣。