PLC控制在农业机械中的应用

邱韶峰 黄杰 宋涛

PLC控制在农业机械中的应用

邱韶峰 黄杰 宋涛

现代精准农业的发展促进了电子及计算机与传统农机的结合，推动了智能控制技术在农机上的应用。为了满足精准农业的要求，越来越多的农业机械开始采用PLC对功能部件进行精准控制，以提高播种、施肥、灌溉、施药等作业质量。

PLC是一种以CPU为核心用于控制的专用计算机，主要由CPU、存储器、I/O模块、通讯模块组成，能实现对传感器信号的采集、运算处理并将结果输出到执行机构的控制元件（如变频器、继电器、电磁阀等），最终实现对速度、距离、力、压力、流量等的精准控制。PLC的I/O模块具有与现场信号光电隔离的设计，抗干扰能力强、可靠性高，并且PLC编程简单、维护方便，相对PC更适应农业机械的作业环境，以下是PLC在部分农业机械中的应用：

一、在智能喷杆喷雾器中的应用

普通喷杆喷雾器，喷雾流量不会随着农药品种的不同及作业速度的快慢而调整，这就容易造成施药量的不足、防治效果的下降或者农药的浪费、环境的污染。

图1、图2分别是智能喷杆喷雾器的机械系统原理图和控制系统原理图：

智能喷杆喷雾器的智能控制系统由PLC、流量传感器、车速传感器、电动流量调节阀、电磁阀组成，PLC采集当前的作业速度与流量数据，计算出当前单位面积的施药量。当实际施药量偏离设定的最佳施药量（根据农药的品种确定）时，PLC给流量调节阀发出相应的增加/减小流量的信号，从而保证单位面积实际施药量始终在最佳值附近，不受作业速度的影响。智能喷雾器配有三套适合不同流量范围的喷头，PLC会根据流量控制相应电磁阀动作，选择此流量下雾化效果最佳的一组喷头工作。PLC控制在植保机械上的使用，提高了农药的利用率，在保证病虫害防治效果的前提下，减少了农药的用量，降低了农药残留及对环境的污染。

二、在智能水肥一体机中的应用

智能水肥一体机是根据作物的需求将水及作物生长所需的各种营养元素定时定量按比例输送到作物根部的一种灌溉、施肥一体化设备。图3是智能水肥一体机的原理图：

智能水肥一体机由水泵、输水管路、多个输肥泵、PLC、流量传感器、EC（电导率）传感器等组成，EC传感器测量水溶液的导电能力，其数值大小反映了水溶液中各种营养元素（水溶肥）的总浓度。选择作物的品种及生长期后，智能水肥一体机自动运行，各种营养元素的水溶肥通过不同的输肥泵按比例注入水中。施肥泵为变频计量泵，流量与转速成正比，PLC控制着各个施肥泵始终按程序中设定的转速比运转，并且根据EC传感器测得的数据控制各输肥泵按比例同步增加或降低转速，这样在精准控制肥液中各种营养元素比例的同时，还精准控制着肥液的总浓度，使其始终在最佳值附近，不随水量的变化改变，在灌溉的同时智能水肥一体机自动将作物所需的各种营养元素按最佳的浓度及比例输送到作物根部（配合微滴灌）。使用智能水肥一体机省工、节水、省肥，避免了营养元素不均衡造成的肥害，作物生长快、产量高、品质好。

三、在设施农业机械中的应用

设施农业有效地提高了土地产出率、资源利用率和劳动生产率，保障了农产品有效供给，对于促进农业发展、农民增收起到了重要作用。近年来随着农业结构的调整，设施农业得到了快速发展。

设施农业是一种技术密集型精准农业，要求对温度、湿度、光照等生物生长因子进行精准控制以减少病虫害的发生、提高产品品质和产量。目前高端温室大棚普遍采用了智能控制系统。该系统由PLC、各种传感器（温湿度、光照度，CO2浓度、土壤水份等）及各种加热、加湿、通风、降温、浇灌等执行设备组成。PLC实时采集温室的各种环境参数，通过对参数的分析，控制执行设备的运行状态，从而将各种参数控制在最佳范围。PLC智能控制系统在设施农业上的使用，为动植物提供了一个理想的生长环境，减轻人的劳动强度，提高了控制精度，避免了人为事故的发生。

PLC具有通信联网的功能，可通过3G/4G模块或网线联入网络，与远程PC构成智能温室大棚远程在线监测控制系统，在该系统中PC为上位机，PLC为下位机。PLC在控制执行设备运行的同时将各种参数上报上位机并执行上位机发出的指令，这样即使工作人员不在现场，也可以通过PC或智能手机APP对温室大棚内的环境参数及设备进行监测和控制。

除了以上应用，PLC控制还广泛用于嫁接机器人、穴盘播种机、大米/茶叶色选机、果品分级机、谷物烘干机等农业机械的自动控制。随着农业机械向智能化、机电一体化发展，PLC控制技术在农业机械领域的应用将会越来越广。