劉鑄德

摘 要 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷融合，農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)成為一種十分重要的農(nóng)業(yè)新型生產(chǎn)模式，而計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)作為新型農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)技術(shù)，其重要性逐漸突顯出來(lái)。計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)主要借助計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和PLC控制設(shè)備以及其他配套設(shè)備來(lái)控制和調(diào)節(jié)作物生產(chǎn)所需環(huán)境條件，是一種新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，是農(nóng)業(yè)擺脫自然制約的有效手段，是對(duì)常規(guī)農(nóng)業(yè)的革命性發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)和技術(shù)密集型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新模式?；诖?，分析計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方式，提出了其在農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī);PLC;一體化控制技術(shù);農(nóng)業(yè)智能化

中圖分類號(hào)：S625;TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.20.090

隨著農(nóng)業(yè)信息化的不斷深入發(fā)展，農(nóng)業(yè)智能化技術(shù)越來(lái)越受到重視。其中，計(jì)算機(jī)與PLC結(jié)合的一體化農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)控制技術(shù)利用計(jì)算機(jī)先進(jìn)的計(jì)算能力以及PLC先進(jìn)的控制技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程環(huán)節(jié)進(jìn)行管理和控制，有效提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)主要通過(guò)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與分析，結(jié)合農(nóng)作物生產(chǎn)的規(guī)律，調(diào)控作物的生產(chǎn)條件，使農(nóng)作物生產(chǎn)達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)的目的[1]。目前，計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)已經(jīng)成為促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要組成部分。

1 計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)分析

目前，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)行一體化控制技術(shù)主要是從空氣、土壤溫濕度、采光及施肥管理等方面進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)各個(gè)功能模塊的信息輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的總體把控。在此過(guò)程中，主要以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和PLC控制模塊結(jié)合的一體化控制技術(shù)作為核心技術(shù)結(jié)合其他配套設(shè)施實(shí)現(xiàn)上述需求。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件各類指標(biāo)的設(shè)置是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)收集各類終端感應(yīng)設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)科學(xué)計(jì)算后發(fā)出對(duì)應(yīng)控制指令傳輸給PLC控制模塊，再由PLC控制模塊發(fā)出執(zhí)行指令對(duì)各個(gè)終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的自動(dòng)化控制與管理。

以調(diào)節(jié)番茄的種植環(huán)境為例，此類作物喜溫，環(huán)境溫度明顯高于或低于標(biāo)準(zhǔn)值都會(huì)對(duì)作物的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。若將系統(tǒng)的預(yù)警溫度值定為25 ℃，如果實(shí)際環(huán)境溫度在預(yù)警范圍內(nèi)，則計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出指令;溫度一旦高于預(yù)警值，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就會(huì)向溫控設(shè)備發(fā)出降溫工作指令，使室內(nèi)溫度回落到正常范圍;溫度低于預(yù)警值，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也會(huì)向溫控設(shè)備發(fā)出升溫工作指令，使室內(nèi)溫度回升到正常范圍。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)智能調(diào)控生產(chǎn)環(huán)境可保證作物健康生長(zhǎng)[2]。

2 計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

2.1 系統(tǒng)需求

計(jì)算機(jī)與PLC一體化結(jié)合的農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)控制系統(tǒng)一般包括以下幾類設(shè)備。1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它是一套計(jì)算機(jī)監(jiān)控調(diào)整軟件，作為系統(tǒng)指令發(fā)布角色，運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)手段對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，按需求向PLC控制模塊發(fā)出調(diào)控參數(shù)，為農(nóng)作物營(yíng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。2）PLC控制模塊。此模塊為系統(tǒng)的核心執(zhí)行組件，接收計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)控參數(shù)并對(duì)相關(guān)的終端設(shè)備進(jìn)行控制。3）濕度控制設(shè)備，例如卷簾。卷簾的主要作用是控制和調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)環(huán)境的濕度。濕度過(guò)高，卷簾機(jī)打開卷簾，使?jié)穸认陆?濕度過(guò)低則關(guān)閉卷簾，使室內(nèi)濕度得以升高。4）供水設(shè)備，例如水泵。當(dāng)種植環(huán)境的土壤濕度高于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，水泵停運(yùn);當(dāng)種植環(huán)境的土壤濕度低于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，水泵開啟開始供水，以增加土壤中的水分含量。5）溫控設(shè)備，例如溫控機(jī)或者遮陰簾。無(wú)論生產(chǎn)環(huán)境的溫度高于或者低于預(yù)期指標(biāo)，均可啟動(dòng)設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)溫度，保持溫度平衡[3]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境各類指標(biāo)的調(diào)節(jié)，便要囊括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、PLC控制模塊以及各類調(diào)節(jié)設(shè)備在內(nèi)的諸多自動(dòng)化設(shè)備。各種傳感設(shè)備可探測(cè)出當(dāng)前生長(zhǎng)環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)，PLC控制模塊將各類探測(cè)指標(biāo)傳輸給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)分析，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以先進(jìn)的算法對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整并發(fā)出調(diào)控指令進(jìn)行相關(guān)操控。調(diào)控操作是由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出，PLC控制模塊執(zhí)行并轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言對(duì)終端發(fā)出調(diào)控指令。在這個(gè)系統(tǒng)里，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是大腦，PLC控制模塊是神經(jīng)傳導(dǎo)，缺一不可。計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上應(yīng)具備以下3種模式。

2.2.1 手動(dòng)控制模式

當(dāng)管理人員需要臨時(shí)調(diào)節(jié)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)時(shí)，可人為對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)特定生產(chǎn)環(huán)境條件下的特殊需求。這種方式下，人為地進(jìn)行系統(tǒng)與設(shè)備操作可靈活調(diào)整各類生長(zhǎng)指標(biāo)。

2.2.2 定時(shí)控制模式

定時(shí)控制模式下，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的工作時(shí)間與參數(shù)對(duì)相關(guān)的終端設(shè)備發(fā)送工作指令。這種工作模式一般是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定后，管理人員按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最佳方案設(shè)定的可重復(fù)執(zhí)行的工作模式。

2.2.3 條件控制模式

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將各終端傳感器傳回的感應(yīng)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定的閾值比較，對(duì)于低于閾值和高于閾值的情況根據(jù)原先設(shè)定的預(yù)案進(jìn)行處理。這種工作模式整個(gè)過(guò)程不需要人為控制，由設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，極大提升了工作效率。

3 計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 智能化采光系統(tǒng)

智能化采光系統(tǒng)的工作模式是通過(guò)光敏傳感器，利用光照電流傳感原理，將光照數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)控制軟件，計(jì)算機(jī)控制軟件通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比將調(diào)控參數(shù)發(fā)給PLC控制模塊，PLC控制模塊根據(jù)調(diào)控參數(shù)向光照設(shè)備發(fā)出指令對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包含計(jì)算機(jī)控制軟件、PLC控制模塊、光敏傳感器和光照控制設(shè)備。光敏傳感器一般可采用光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等傳感設(shè)備。計(jì)算機(jī)控制軟件和PLC控制模塊作為核心控制部分，用于數(shù)據(jù)的收集、參數(shù)的調(diào)整和控制信號(hào)的發(fā)出。光照控制設(shè)備目前在農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)中主要采用的是由電機(jī)帶動(dòng)的遮陽(yáng)網(wǎng)，當(dāng)系統(tǒng)接收到控制系統(tǒng)發(fā)送的控制命令后，遮陽(yáng)網(wǎng)自動(dòng)開啟或者關(guān)閉，使光照度達(dá)到農(nóng)作物生長(zhǎng)的要求。

3.2 智能化溫度控制系統(tǒng)

智能化溫度控制系統(tǒng)由溫度傳感器取值，采集實(shí)時(shí)的溫度指標(biāo)，并真實(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)與系統(tǒng)初期設(shè)定值進(jìn)行比較后，將執(zhí)行信號(hào)傳送給PLC控制模塊驅(qū)動(dòng)相關(guān)終端設(shè)備，對(duì)溫度環(huán)境加以改善。溫度改善主要是從自然溫度調(diào)節(jié)模式入手，通過(guò)控制通風(fēng)口的操控設(shè)備來(lái)降低室內(nèi)的濕度指標(biāo);也可以由種植環(huán)境內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，目前主要的溫控調(diào)節(jié)設(shè)備有卷簾機(jī)或者溫控機(jī)，兩者都可以對(duì)溫度產(chǎn)生一定的影響[4]。

3.3 智能化灌溉系統(tǒng)

智能化灌溉系統(tǒng)由土壤濕度傳感器取值，將土壤濕度值通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸給PLC控制模塊，之后PLC控制模塊將信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)或者人工手動(dòng)控制后，將調(diào)整后的參數(shù)傳回給PLC控制模塊，由PLC控制模塊發(fā)出命令控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行控制模塊啟停灌溉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉的智能運(yùn)作。

本系統(tǒng)的核心設(shè)備為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和PLC控制模塊兩部分。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)，設(shè)置對(duì)應(yīng)的操作控制界面，可對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)控終端狀態(tài)、對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢等;PLC控制模塊主要功能用于接收計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)的控制操作指令和土壤濕度傳感器模擬量輸入信號(hào)等，并根據(jù)系統(tǒng)的要求，計(jì)算、處理和輸出對(duì)應(yīng)的命令，驅(qū)動(dòng)外部相關(guān)控制設(shè)備。

3.4 智能化營(yíng)養(yǎng)液施肥系統(tǒng)

智能化施肥系統(tǒng)利用土壤pH-EC傳感器監(jiān)測(cè)土壤的pH值和EC值，進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液施肥自動(dòng)控制。當(dāng)傳感器測(cè)定土壤pH-EC值達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，控制模塊發(fā)出指令啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行施肥灌溉;當(dāng)測(cè)定值達(dá)到設(shè)定下限時(shí)，施肥灌溉停止。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和PLC控制模塊根據(jù)傳感器的測(cè)量值對(duì)施肥灌溉系統(tǒng)進(jìn)行控制，灌溉時(shí)需要間斷對(duì)土壤pH-EC值進(jìn)行檢測(cè)，以保證植物對(duì)肥料的需求。營(yíng)養(yǎng)液施肥系統(tǒng)中水肥一體化混合控制設(shè)備一般采用文丘里施肥器，水流經(jīng)過(guò)安裝文丘里施肥器的支管時(shí)，用水流通過(guò)文丘里管產(chǎn)生的真空吸力將肥料溶液從肥料桶中均勻吸入管道系統(tǒng)與水流混合后進(jìn)行施肥。

目前，營(yíng)養(yǎng)液施肥控制系統(tǒng)的施肥方式可為人工控制、定時(shí)控制、條件控制三種。三種方式的執(zhí)行方式核心思想相同，當(dāng)需進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液施肥時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定好的營(yíng)養(yǎng)液pH、EC值，利用文丘里注肥器進(jìn)行水肥混合，同時(shí)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混合營(yíng)養(yǎng)液的pH、EC值，根據(jù)pH、EC設(shè)定值與檢測(cè)值之間的偏差來(lái)調(diào)整混肥閥的注肥頻率，在短時(shí)間內(nèi)使?fàn)I養(yǎng)液的檢測(cè)值和設(shè)定值之差達(dá)到允許的范圍內(nèi)。不同的是，人工控制模式下，由人工控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出施肥指令;定時(shí)模式下，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按事先設(shè)置好的施肥時(shí)間自動(dòng)控制進(jìn)行施肥作業(yè);條件控制模式下，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)傳感器傳回的土壤pH和EC值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)設(shè)定的控制條件按需進(jìn)行施肥。

3.5 智能化預(yù)警系統(tǒng)

智能化報(bào)警系統(tǒng)利用各類智能化系統(tǒng)的探測(cè)設(shè)備與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接收探測(cè)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)。當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境情況不佳，例如光照過(guò)強(qiáng)、溫度過(guò)低、濕度過(guò)高等，預(yù)警系統(tǒng)立即采取對(duì)應(yīng)的方式在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)提示或以聲光形式明顯發(fā)出報(bào)警信息，提醒管理人員進(jìn)行及時(shí)處理。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的新階段，以計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)為標(biāo)志的智能化農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志。進(jìn)一步提升計(jì)算機(jī)與PLC一體化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)中的應(yīng)用水平，可為提高我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)水平，增進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程，提高農(nóng)民收入起到重要推動(dòng)作用。

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（責(zé)任編輯：劉昀）