計算機與PLC一體化控制技術在農業(yè)智能化生產中的應用探究

劉鑄德

摘 要 隨著現代科學技術與農業(yè)生產的不斷融合，農業(yè)智能化生產成為一種十分重要的農業(yè)新型生產模式，而計算機與PLC一體化控制技術作為新型農業(yè)智能化生產技術，其重要性逐漸突顯出來。計算機與PLC一體化控制技術主要借助計算機控制系統(tǒng)和PLC控制設備以及其他配套設備來控制和調節(jié)作物生產所需環(huán)境條件，是一種新型農業(yè)生產模式，是農業(yè)擺脫自然制約的有效手段，是對常規(guī)農業(yè)的革命性發(fā)展，是實現高產、高效、優(yōu)質和技術密集型農業(yè)生產的新模式?；诖耍治鲇嬎銠C與PLC一體化控制技術及其實現方式，提出了其在農業(yè)智能化生產中的應用。

關鍵詞 計算機;PLC;一體化控制技術;農業(yè)智能化

中圖分類號：S625;TP277 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.20.090

隨著農業(yè)信息化的不斷深入發(fā)展，農業(yè)智能化技術越來越受到重視。其中，計算機與PLC結合的一體化農業(yè)智能化生產控制技術利用計算機先進的計算能力以及PLC先進的控制技術對農業(yè)生產過程環(huán)節(jié)進行管理和控制，有效提升了農業(yè)生產的效率。計算機與PLC一體化控制技術主要通過對生產環(huán)節(jié)數據進行監(jiān)控與分析，結合農作物生產的規(guī)律，調控作物的生產條件，使農作物生產達到優(yōu)質、高效、高產的目的[1]。目前，計算機與PLC一體化控制技術已經成為促進現代農業(yè)生產的主要組成部分。

1 計算機與PLC一體化控制技術分析

目前，對農業(yè)生產實行一體化控制技術主要是從空氣、土壤溫濕度、采光及施肥管理等方面進行智能監(jiān)測，通過對各個功能模塊的信息輸入，實現對農業(yè)生產環(huán)境的總體把控。在此過程中，主要以計算機控制系統(tǒng)和PLC控制模塊結合的一體化控制技術作為核心技術結合其他配套設施實現上述需求。農業(yè)生產條件各類指標的設置是通過計算機控制系統(tǒng)收集各類終端感應設備傳輸的數據，經過科學計算后發(fā)出對應控制指令傳輸給PLC控制模塊，再由PLC控制模塊發(fā)出執(zhí)行指令對各個終端設備進行實時調節(jié)，以實現對環(huán)境的自動化控制與管理。

以調節(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準值都會對作物的正常生長產生不利影響。若將系統(tǒng)的預警溫度值定為25 ℃，如果實際環(huán)境溫度在預警范圍內，則計算機控制系統(tǒng)不會發(fā)出指令;溫度一旦高于預警值，計算機控制系統(tǒng)就會向溫控設備發(fā)出降溫工作指令，使室內溫度回落到正常范圍;溫度低于預警值，計算機控制系統(tǒng)也會向溫控設備發(fā)出升溫工作指令，使室內溫度回升到正常范圍。利用先進的計算機與PLC一體化控制技術智能調控生產環(huán)境可保證作物健康生長[2]。

2 計算機與PLC一體化控制技術的實現方式

2.1 系統(tǒng)需求

計算機與PLC一體化結合的農業(yè)智能化生產控制系統(tǒng)一般包括以下幾類設備。1）計算機控制系統(tǒng)。它是一套計算機監(jiān)控調整軟件，作為系統(tǒng)指令發(fā)布角色，運用先進的信息技術手段對收集的數據進行分析后，按需求向PLC控制模塊發(fā)出調控參數，為農作物營造適宜的生長環(huán)境。2）PLC控制模塊。此模塊為系統(tǒng)的核心執(zhí)行組件，接收計算機控制系統(tǒng)的調控參數并對相關的終端設備進行控制。3）濕度控制設備，例如卷簾。卷簾的主要作用是控制和調節(jié)作物生長環(huán)境的濕度。濕度過高，卷簾機打開卷簾，使?jié)穸认陆?濕度過低則關閉卷簾，使室內濕度得以升高。4）供水設備，例如水泵。當種植環(huán)境的土壤濕度高于預設標準時，水泵停運;當種植環(huán)境的土壤濕度低于預設標準時，水泵開啟開始供水，以增加土壤中的水分含量。5）溫控設備，例如溫控機或者遮陰簾。無論生產環(huán)境的溫度高于或者低于預期指標，均可啟動設備來調節(jié)溫度，保持溫度平衡[3]。

2.2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)若要實現對作物生長環(huán)境各類指標的調節(jié)，便要囊括計算機控制系統(tǒng)、PLC控制模塊以及各類調節(jié)設備在內的諸多自動化設備。各種傳感設備可探測出當前生長環(huán)境的各項指標，PLC控制模塊將各類探測指標傳輸給計算機控制系統(tǒng)進行科學分析，計算機控制系統(tǒng)以先進的算法對不符合標準的指標進行調整并發(fā)出調控指令進行相關操控。調控操作是由計算機控制系統(tǒng)發(fā)出，PLC控制模塊執(zhí)行并轉換成機器語言對終端發(fā)出調控指令。在這個系統(tǒng)里，計算機控制系統(tǒng)是大腦，PLC控制模塊是神經傳導，缺一不可。計算機與PLC一體化控制系統(tǒng)在設計上應具備以下3種模式。

2.2.1 手動控制模式

當管理人員需要臨時調節(jié)各項指標參數時，可人為對計算機控制系統(tǒng)的各項參數進行調節(jié)，以適應特定生產環(huán)境條件下的特殊需求。這種方式下，人為地進行系統(tǒng)與設備操作可靈活調整各類生長指標。

2.2.2 定時控制模式

定時控制模式下，計算機控制系統(tǒng)會根據預先設定好的工作時間與參數對相關的終端設備發(fā)送工作指令。這種工作模式一般是在農業(yè)生產環(huán)境穩(wěn)定后，管理人員按照農業(yè)生產的最佳方案設定的可重復執(zhí)行的工作模式。

2.2.3 條件控制模式

計算機控制系統(tǒng)將各終端傳感器傳回的感應數據與系統(tǒng)設定的閾值比較，對于低于閾值和高于閾值的情況根據原先設定的預案進行處理。這種工作模式整個過程不需要人為控制，由設備自動運行，極大提升了工作效率。

3 計算機與PLC一體化控制技術在農業(yè)智能化生產中的應用

3.1 智能化采光系統(tǒng)

智能化采光系統(tǒng)的工作模式是通過光敏傳感器，利用光照電流傳感原理，將光照數據反饋給計算機控制軟件，計算機控制軟件通過數據對比將調控參數發(fā)給PLC控制模塊，PLC控制模塊根據調控參數向光照設備發(fā)出指令對光照強度進行調整。

本系統(tǒng)的設計主要包含計算機控制軟件、PLC控制模塊、光敏傳感器和光照控制設備。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備。計算機控制軟件和PLC控制模塊作為核心控制部分，用于數據的收集、參數的調整和控制信號的發(fā)出。光照控制設備目前在農業(yè)智能化生產中主要采用的是由電機帶動的遮陽網，當系統(tǒng)接收到控制系統(tǒng)發(fā)送的控制命令后，遮陽網自動開啟或者關閉，使光照度達到農作物生長的要求。

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，采集實時的溫度指標，并真實傳輸給計算機控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)將采集數據與系統(tǒng)初期設定值進行比較后，將執(zhí)行信號傳送給PLC控制模塊驅動相關終端設備，對溫度環(huán)境加以改善。溫度改善主要是從自然溫度調節(jié)模式入手，通過控制通風口的操控設備來降低室內的濕度指標;也可以由種植環(huán)境內的設備進行溫度調節(jié)，目前主要的溫控調節(jié)設備有卷簾機或者溫控機，兩者都可以對溫度產生一定的影響[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A/D轉換模塊將模擬信號轉換成數字信號后傳輸給PLC控制模塊，之后PLC控制模塊將信號傳給計算機控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)經過自動調節(jié)或者人工手動控制后，將調整后的參數傳回給PLC控制模塊，由PLC控制模塊發(fā)出命令控制對應的執(zhí)行控制模塊啟停灌溉設備，實現對灌溉的智能運作。

本系統(tǒng)的核心設備為計算機控制系統(tǒng)和PLC控制模塊兩部分。計算機控制系統(tǒng)采用計算機輔助控制系統(tǒng)，設置對應的操作控制界面，可對控制參數進行設置、實時監(jiān)控終端狀態(tài)、對相關數據進行查詢等;PLC控制模塊主要功能用于接收計算機輔助控制系統(tǒng)的控制操作指令和土壤濕度傳感器模擬量輸入信號等，并根據系統(tǒng)的要求，計算、處理和輸出對應的命令，驅動外部相關控制設備。

3.4 智能化營養(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)測土壤的pH值和EC值，進行營養(yǎng)液施肥自動控制。當傳感器測定土壤pH-EC值達到設定上限時，控制模塊發(fā)出指令啟動系統(tǒng)進行施肥灌溉;當測定值達到設定下限時，施肥灌溉停止。計算機控制系統(tǒng)和PLC控制模塊根據傳感器的測量值對施肥灌溉系統(tǒng)進行控制，灌溉時需要間斷對土壤pH-EC值進行檢測，以保證植物對肥料的需求。營養(yǎng)液施肥系統(tǒng)中水肥一體化混合控制設備一般采用文丘里施肥器，水流經過安裝文丘里施肥器的支管時，用水流通過文丘里管產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)與水流混合后進行施肥。

目前，營養(yǎng)液施肥控制系統(tǒng)的施肥方式可為人工控制、定時控制、條件控制三種。三種方式的執(zhí)行方式核心思想相同，當需進行營養(yǎng)液施肥時，計算機控制系統(tǒng)根據系統(tǒng)設定好的營養(yǎng)液pH、EC值，利用文丘里注肥器進行水肥混合，同時在線實時監(jiān)測混合營養(yǎng)液的pH、EC值，根據pH、EC設定值與檢測值之間的偏差來調整混肥閥的注肥頻率，在短時間內使營養(yǎng)液的檢測值和設定值之差達到允許的范圍內。不同的是，人工控制模式下，由人工控制計算機控制系統(tǒng)發(fā)出施肥指令;定時模式下，由計算機控制系統(tǒng)按事先設置好的施肥時間自動控制進行施肥作業(yè);條件控制模式下，由計算機控制系統(tǒng)對傳感器傳回的土壤pH和EC值進行對比，根據設定的控制條件按需進行施肥。

3.5 智能化預警系統(tǒng)

智能化報警系統(tǒng)利用各類智能化系統(tǒng)的探測設備與計算機控制系統(tǒng)結合，由計算機控制系統(tǒng)接收探測設備發(fā)出的信號。當生產環(huán)境情況不佳，例如光照過強、溫度過低、濕度過高等，預警系統(tǒng)立即采取對應的方式在計算機控制系統(tǒng)內提示或以聲光形式明顯發(fā)出報警信息，提醒管理人員進行及時處理。

4 結語

我國農業(yè)正處于從傳統(tǒng)農業(yè)向現代化農業(yè)轉型的新階段，以計算機與PLC一體化控制技術為標志的智能化農業(yè)是現代化農業(yè)的重要標志。進一步提升計算機與PLC一體化控制技術在農業(yè)智能化生產中的應用水平，可為提高我國農業(yè)現代化建設水平，增進農業(yè)現代化發(fā)展進程，提高農民收入起到重要推動作用。

參考文獻：

[1] 龔尚福，潘虹.智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[J].現代電子技術，2017，40（19）：119-122.

[2] 林力鑫.智能化控制在溫室大棚中的應用[J].自動化技術與應用，2017，36（5）：116-118，129.

[3] 胡晨秋.基于PLC技術的農業(yè)溫室控制系統(tǒng)研究[J].農業(yè)技術與裝備，2019（10）：55-56.

[4] 孫佳星，孫盛旭，羅丹.基于PLC的現代農業(yè)大棚自動控制設計方法探析[J].湖北農機化，2020（2）：147.

（責任編輯：劉昀）