基于PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置的特點(diǎn)和展望

朱 超

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

農(nóng)藥自動(dòng)混合裝置對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性要求較高，由于農(nóng)藥的腐蝕性，使用的電子器件對(duì)于抗腐蝕性要求較高。在農(nóng)藥混合的過程中，由于農(nóng)藥所占比例很少，精準(zhǔn)控制農(nóng)藥與水的比例難度較大。如果在線混配系統(tǒng)太復(fù)雜，基于當(dāng)前農(nóng)民老齡化的現(xiàn)狀，農(nóng)民接受程度差，配置過程也容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。采用PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混合裝置，可以有效解決上述問題[1]。PLC控制對(duì)于繼電器控制來講，更靈活，具有性能好、方便輕巧等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于采用PLC控制具有完整的保護(hù)電路，結(jié)構(gòu)上具有耐熱、防塵、防潮等優(yōu)點(diǎn)。在控制速度上，PLC控制速度快，控制過程很平穩(wěn)、無抖動(dòng)。從可靠性方面看，PLC控制的可靠性高，它采用了耐熱、防震、防潮的結(jié)構(gòu)，使用壽命長[2]。

1 農(nóng)藥使用和農(nóng)藥自動(dòng)混合裝置的研究現(xiàn)狀

中國是農(nóng)業(yè)大國，也是世界人口最多的國家，只有在有限的土地上產(chǎn)出高額的糧食才能養(yǎng)活14億人口。在這種情況下，農(nóng)民種植作物必須通過農(nóng)藥來保證其產(chǎn)量，有的農(nóng)民甚至使用劇毒農(nóng)藥。過量的農(nóng)藥使用，導(dǎo)致了環(huán)境的破壞。農(nóng)藥進(jìn)入土壤，污染了肥沃的土地，并隨雨水流入河流污染了水源。一些殺蟲農(nóng)藥如果濃度過高，在殺死病蟲時(shí)也殺死了有益的生物。同時(shí)，農(nóng)藥中的有毒成分被農(nóng)作物吸收，然后人再消化吸收這些有毒農(nóng)產(chǎn)品，最終危害了人類自己。

截至2021年，中央已經(jīng)連續(xù)18年出臺(tái)了關(guān)于“三農(nóng)”的一號(hào)文件，尤其在2020年的一號(hào)文件中特別提到了“深入開展農(nóng)藥化肥減量行動(dòng)”，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部也把農(nóng)藥零增長作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要項(xiàng)目之一。由此可見，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)越來越重要，農(nóng)業(yè)向綠色有機(jī)靠攏也成為一種主流。但是，人們還應(yīng)該清楚地看到，食品檢驗(yàn)監(jiān)督部門近年來在果蔬農(nóng)藥殘留的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)民過度配比農(nóng)藥、過度施用農(nóng)藥的現(xiàn)象還是屢禁不止。

為了降低化學(xué)農(nóng)藥對(duì)農(nóng)業(yè)和人類生態(tài)系統(tǒng)的危害，相關(guān)科研人員研制了很多新的防控方法。但是，進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的生物農(nóng)藥發(fā)展已經(jīng)處于緩慢狀態(tài)甚至停滯不前，所以一方面要對(duì)化學(xué)農(nóng)藥進(jìn)行改進(jìn)，另一方面也要加強(qiáng)對(duì)植保機(jī)械的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

淄博市沂源縣是全國有名的“沂源紅”蘋果的原產(chǎn)地，沂源縣是典型的山地丘陵地貌，盛產(chǎn)蘋果、葡萄、櫻桃、桃，全縣有40多萬果農(nóng)。2020年，筆者在沂源縣做了一份農(nóng)藥混合配比的調(diào)查問卷，從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)民年齡偏大、文化水平低、農(nóng)藥危害意識(shí)不強(qiáng)，95%的農(nóng)民采用傳統(tǒng)粗略預(yù)混式混藥；38%的果民在配比農(nóng)藥時(shí)，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來配比，這就導(dǎo)致了農(nóng)藥配比的濃度過低，對(duì)病蟲害不起作用，或者濃度過高導(dǎo)致農(nóng)藥超標(biāo)；78%的果農(nóng)在配比農(nóng)藥時(shí)，對(duì)果樹和果園的蟲害實(shí)際情況評(píng)估不準(zhǔn)確，配比的藥液超出實(shí)際情況所需的使用量。對(duì)當(dāng)前通過識(shí)別技術(shù)區(qū)分雜草實(shí)現(xiàn)定量噴霧、利用液壓裝置實(shí)現(xiàn)噴桿的實(shí)時(shí)起降、農(nóng)藥和水在線混合這些比較先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備基本不知曉。

農(nóng)藥自動(dòng)混藥裝置被廣泛用于植保機(jī)械，目前國內(nèi)外混藥裝置有靜態(tài)混藥裝置、射流混藥裝置、管道混藥裝置和攪拌槽式混藥裝置。1970年，農(nóng)藥在線混合技術(shù)第一次被Amsden提出來之后，研究學(xué)者們開始對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行大量研究，在線混藥技術(shù)開始在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用。期間具有代表性的混藥裝置研究有：英國Agrifutura Dose2000型機(jī)具、丹麥哈滴國際有限公司生產(chǎn)的ALPHA2000等大型噴桿噴霧機(jī)。1994年，Ghate和Phatak設(shè)計(jì)了壓縮空氣直接注入系統(tǒng)。1998年，Koo等將總流量控制和農(nóng)藥直接注入技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一套直接注入總流量控制系統(tǒng)。靜態(tài)混藥器作為專利最早登記在荷蘭專利185539號(hào)（1959年8月），1970年，美國的肯尼斯公司首先在世界范圍內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)混合器的工業(yè)化生產(chǎn)，20世紀(jì)70年代，國外開始對(duì)射流混合器進(jìn)行研究。

國內(nèi)農(nóng)業(yè)專家學(xué)者對(duì)農(nóng)藥混合裝置的研究起步較晚，但研究者較多。目前有5種常用的靜態(tài)混合器，型號(hào)分別為SV、SX、SL、SH、SK。不同的混合器針對(duì)不同的工作介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)和工作原理也有較大差異。郭宇波等[3]設(shè)計(jì)的靜態(tài)混合器應(yīng)用在農(nóng)藥混合裝置上，針對(duì)直接注入式變量施藥系統(tǒng)，研究了不同劑型和不同黏度的藥液在自動(dòng)混藥時(shí)的混合均勻度，減少了達(dá)到均勻混合時(shí)的延時(shí)時(shí)間；劉志壯等設(shè)計(jì)了在線混藥式變量噴霧系統(tǒng)；陳長林等設(shè)計(jì)了一種背負(fù)式手動(dòng)噴霧器混藥裝置；萬夙鳴以噴霧機(jī)藥水在線混合裝置測(cè)試系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過上位機(jī)與下位機(jī)結(jié)合，上位機(jī)根據(jù)需求，由操作人員對(duì)農(nóng)藥原液量和水量進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)傳感器等下位機(jī)實(shí)時(shí)采集的流量、壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、動(dòng)態(tài)顯示和管理，簡單方便，具有良好的人機(jī)交互性；殷興光利用PLC軟件和硬件，通過系統(tǒng)調(diào)試，達(dá)到自動(dòng)混合液體的目的；漆海霞等[4]設(shè)計(jì)的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置，采用藥水分離、實(shí)時(shí)配制、充分混合和精確配比的技術(shù)，能夠有效控制混藥箱中農(nóng)藥的進(jìn)藥量和清水的進(jìn)水量，使稀釋倍數(shù)和農(nóng)藥濃度精確計(jì)量。

2 PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置優(yōu)點(diǎn)

2.1 自動(dòng)混藥，減少人工干預(yù)

農(nóng)民對(duì)于農(nóng)藥安全防范意識(shí)不高，在粗略預(yù)混式農(nóng)藥與水混配過程中，農(nóng)民與農(nóng)藥直接接觸，給農(nóng)民健康帶來許多問題，甚至帶來死亡的危害[5]。PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置自帶農(nóng)藥桶，農(nóng)藥和水分離，實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)的農(nóng)藥混配實(shí)時(shí)控制，避免了農(nóng)民與農(nóng)藥的直接接觸，減少了直接接觸農(nóng)藥而發(fā)生的中毒事件，消除了農(nóng)藥中毒的潛在威脅，提高了安全性。并且自動(dòng)混藥，減少了所需勞動(dòng)力，提高了工作效率。

2.2 精準(zhǔn)配比，提高混合均勻性

在農(nóng)藥混配過程中由于農(nóng)藥原液比例很少，采用預(yù)混式手動(dòng)配置無法達(dá)到溶液精準(zhǔn)配制，采用能實(shí)現(xiàn)PID控制的PLC控制系統(tǒng)，配合精密的流量傳感器、液位控制器、電磁閥等設(shè)備，利用PID算法精確控制藥液和水的混配流程，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥與水的精準(zhǔn)配比。在攪拌過程中，采用電動(dòng)攪拌機(jī)，讓農(nóng)藥與水充分混合，提高了均勻性[6]。

2.3 提高農(nóng)藥利用率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境

農(nóng)藥污染也是當(dāng)前農(nóng)村環(huán)境整治的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)預(yù)混式農(nóng)藥混合，農(nóng)民對(duì)于農(nóng)藥原液的配比劑量把握不精確，這就導(dǎo)致了農(nóng)藥配比的濃度過低對(duì)病蟲害不起作用，或者濃度過高導(dǎo)致農(nóng)藥超標(biāo)，造成農(nóng)藥殘留超標(biāo)和環(huán)境污染；還有一部分農(nóng)民在農(nóng)藥配比時(shí)，會(huì)覺得配比很麻煩，基本都會(huì)超出所需使用量配比，造成農(nóng)藥溶液剩余，引起浪費(fèi)。采用PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混藥裝置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥與水分離，保證了噴霧過程農(nóng)藥的濃度，提高農(nóng)藥利用率，剩余的農(nóng)藥原液也可以回收，避免了浪費(fèi)，有利于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境保護(hù)[7]。

2.4 移動(dòng)、維修方便，簡單易學(xué)

對(duì)于文化程度較低的農(nóng)民來說，維修方便、簡單易學(xué)的農(nóng)業(yè)設(shè)備和裝置才更受他們歡迎，才能打通農(nóng)業(yè)自動(dòng)化普及的“最后一公里”。PLC本身具有的可靠性保證了整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，降低了維修概率。預(yù)裝好程序后基本不需要修改，操作人員按照需要輸入農(nóng)藥原液和水的比值就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配比，農(nóng)民經(jīng)過簡單的培訓(xùn)即可學(xué)會(huì)。由于PLC體積小，農(nóng)藥自動(dòng)混合裝置可以設(shè)計(jì)成便攜式可移動(dòng)的設(shè)備。尤其在地少人多的山區(qū)果園，地形復(fù)雜，一戶的果園較為零散，果農(nóng)噴藥時(shí)需要移動(dòng)裝置的次數(shù)較多，便于移動(dòng)的裝置減少了人工和時(shí)間。

3 基于PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置的不足

隨著對(duì)基于PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)其存在很多不足。從文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，存在的不足有以下幾方面：1）三種以上的農(nóng)藥與水的混合，程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，配套的器材也多，不具有靈活性，不適合在山地果園使用。2）混合后的農(nóng)藥濃度檢測(cè)技術(shù)還需要進(jìn)一步提高。3）單一的PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置不具有推廣性。4）懸浮劑、可濕性粉劑的農(nóng)藥稀釋，如果僅進(jìn)行一次稀釋，防治效果不如二次稀釋好。因此，在使用懸浮劑、可濕性粉劑農(nóng)藥時(shí)，要先進(jìn)行一次稀釋，然后利用農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置進(jìn)行二次稀釋。

4 基于PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置研究發(fā)展的建議

4.1 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)互動(dòng)觸摸屏可以讓配藥過程可視化，農(nóng)民在配藥時(shí)，在窗口系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)即可，操作簡單方便。人機(jī)交互系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依靠PLC與觸摸屏進(jìn)行組合，與上位機(jī)PC進(jìn)行通信。通過PLC與觸摸屏進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥、傳感器、水泵的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)生動(dòng)的影像畫面和信息傳輸，觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械按鈕。在設(shè)計(jì)PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置時(shí)，采用人機(jī)交互系統(tǒng)，操作簡單，學(xué)習(xí)容易，可以有效解決當(dāng)前農(nóng)民老齡化帶來的問題。人機(jī)交互系統(tǒng)可以嵌入組態(tài)王進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，組態(tài)王可以逼真地顯示出系統(tǒng)的整個(gè)過程以及流量的變化情況，如果發(fā)生故障，系統(tǒng)也會(huì)報(bào)警，操作人員可以通過報(bào)警情況進(jìn)行專業(yè)維修。如圖1所示，L1、L2、L3為液面?zhèn)鞲衅?，Y1、Y2、Y3、Y4分別為三種液體和混合液體的控制電磁閥，因?yàn)榛旌弦后w為農(nóng)藥，所以裝置選擇為非接觸感應(yīng)式液位傳感器與耐腐蝕性常閉型電磁閥。液位傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC內(nèi)部程序發(fā)出動(dòng)作指令，從而控制攪拌電機(jī)KM和電磁閥門的運(yùn)轉(zhuǎn)、開合動(dòng)作。

圖1 MCGS組態(tài)王監(jiān)控畫面示意圖

4.2 智能化、精準(zhǔn)化發(fā)展

隨著中國北斗衛(wèi)星的全面使用和5G數(shù)字化技術(shù)的普及，國家大力支持的“物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”也在逐步推進(jìn)，智慧農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)?；赑LC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置應(yīng)及時(shí)地融入農(nóng)業(yè)機(jī)械化快速發(fā)展的軌道中，例如增加底面土壤和病蟲害的反饋系統(tǒng)，根據(jù)果樹病蟲害程度適時(shí)調(diào)整農(nóng)藥濃度配比，有利于農(nóng)藥使用量的減少。基于PLC控制的靶向噴藥技術(shù)目前的研究也很多，利用超聲波和紅外線獲取果樹靶標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥可變比變量控制，進(jìn)行精準(zhǔn)噴霧。當(dāng)前，無人機(jī)施藥在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究中也逐步深入，基于PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混配裝置也可以融入其中，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)植保的精準(zhǔn)性。

4.3 整體化配套推廣

在實(shí)際植保過程中，PLC控制的農(nóng)藥自動(dòng)混合裝置需要與傳感器、流量計(jì)、水泵、藥泵、閥門、電機(jī)等器材和管件配套起來使用，將這些零部件器材與靜態(tài)混合器形成整體化套裝，既方便了設(shè)備的配套，又有利于設(shè)備的推廣。

5 結(jié)束語

從傳統(tǒng)預(yù)混式農(nóng)藥配置發(fā)展到現(xiàn)在多種在線和靜態(tài)自動(dòng)混藥，是農(nóng)業(yè)施藥現(xiàn)代化的重大進(jìn)步。工業(yè)控制應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的趨勢(shì)，采用PLC進(jìn)行控制的液體農(nóng)藥混合裝置控制系統(tǒng)，提高了自動(dòng)化程度，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，方便操作人員設(shè)置[8]。在不同的農(nóng)村果園施藥環(huán)境中，通過試驗(yàn)均能達(dá)到預(yù)期效果，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)預(yù)混式農(nóng)藥配置的一些缺點(diǎn)，配比準(zhǔn)確，操作簡單，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，助力當(dāng)?shù)亍?G數(shù)字化果園”建設(shè)。基于PLC控制的農(nóng)藥混合裝置是值得推廣的在線混藥技術(shù)之一，在我國這樣一個(gè)農(nóng)業(yè)大國具有廣闊的發(fā)展空間。