計算機與PLC一體化控制技術在農業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生產的不斷融合，農業智能化生產成為一種十分重要的農業新型生產模式，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和PLC控制設備以及其他配套設備來控制和調節作物生產所需環境條件，是一種新型農業生產模式，是農業擺脫自然制約的有效手段，是對常規農業的革命性發展，是實現高產、高效、優質和技術密集型農業生產的新模式?；诖?，分析計算機與PLC一體化控制技術及其實現方式，提出了其在農業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

隨著農業信息化的不斷深入發展，農業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生產過程環節進行管理和控制，有效提升了農業生產的效率。計算機與PLC一體化控制技術主要通過對生產環節數據進行監控與分析，結合農作物生產的規律，調控作物的生產條件，使農作物生產達到優質、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測，通過對各個功能模塊的信息輸入，實現對農業生產環境的總體把控。在此過程中，主要以計算機控制系統和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。農業生產條件各類指標的設置是通過計算機控制系統收集各類終端感應設備傳輸的數據，經過科學計算后發出對應控制指令傳輸給PLC控制模塊，再由PLC控制模塊發出執行指令對各個終端設備進行實時調節，以實現對環境的自動化控制與管理。

以調節番茄的種植環境為例，此類作物喜溫，環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。若將系統的預警溫度值定為25 ℃，如果實際環境溫度在預警范圍內，則計算機控制系統不會發出指令;溫度一旦高于預警值，計算機控制系統就會向溫控設備發出降溫工作指令，使室內溫度回落到正常范圍;溫度低于預警值，計算機控制系統也會向溫控設備發出升溫工作指令，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 系統需求

計算機與PLC一體化結合的農業智能化生產控制系統一般包括以下幾類設備。1）計算機控制系統。它是一套計算機監控調整軟件，作為系統指令發布角色，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控制模塊發出調控參數，為農作物營造適宜的生長環境。2）PLC控制模塊。此模塊為系統的核心執行組件，接收計算機控制系統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作物生長環境的濕度。濕度過高，卷簾機打開卷簾，使濕度下降;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。當種植環境的土壤濕度高于預設標準時，水泵停運;當種植環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。無論生產環境的溫度高于或者低于預期指標，均可啟動設備來調節溫度，保持溫度平衡[3]。

2.2 系統設計

系統若要實現對作物生長環境各類指標的調節，便要囊括計算機控制系統、PLC控制模塊以及各類調節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進行科學分析，計算機控制系統以先進的算法對不符合標準的指標進行調整并發出調控指令進行相關操控。調控操作是由計算機控制系統發出，PLC控制模塊執行并轉換成機器語言對終端發出調控指令。在這個系統里，計算機控制系統是大腦，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各項指標參數時，可人為對計算機控制系統的各項參數進行調節，以適應特定生產環境條件下的特殊需求。這種方式下，人為地進行系統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送工作指令。這種工作模式一般是在農業生產環境穩定后，管理人員按照農業生產的最佳方案設定的可重復執行的工作模式。

2.2.3 條件控制模式

計算機控制系統將各終端傳感器傳回的感應數據與系統設定的閾值比較，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智能化生產中的應用

3.1 智能化采光系統

智能化采光系統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給PLC控制模塊，PLC控制模塊根據調控參數向光照設備發出指令對光照強度進行調整。

本系統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出。光照控制設備目前在農業智能化生產中主要采用的是由電機帶動的遮陽網，當系統接收到控制系統發送的控制命令后，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

智能化溫度控制系統由溫度傳感器取值，采集實時的溫度指標，并真實傳輸給計算機控制系統，計算機控制系統將采集數據與系統初期設定值進行比較后，將執行信號傳送給PLC控制模塊驅動相關終端設備，對溫度環境加以改善。溫度改善主要是從自然溫度調節模式入手，通過控制通風口的操控設備來降低室內的濕度指標;也可以由種植環境內的設備進行溫度調節，目前主要的溫控調節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

智能化灌溉系統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，計算機控制系統經過自動調節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控制模塊發出命令控制對應的執行控制模塊啟停灌溉設備，實現對灌溉的智能運作。

本系統的核心設備為計算機控制系統和PLC控制模塊兩部分。計算機控制系統采用計算機輔助控制系統，設置對應的操作控制界面，可對控制參數進行設置、實時監控終端狀態、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 智能化營養液施肥系統

智能化施肥系統利用土壤pH-EC傳感器監測土壤的pH值和EC值，進行營養液施肥自動控制。當傳感器測定土壤pH-EC值達到設定上限時，控制模塊發出指令啟動系統進行施肥灌溉;當測定值達到設定下限時，施肥灌溉停止。計算機控制系統和PLC控制模塊根據傳感器的測量值對施肥灌溉系統進行控制，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。營養液施肥系統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與水流混合后進行施肥。

目前，營養液施肥控制系統的施肥方式可為人工控制、定時控制、條件控制三種。三種方式的執行方式核心思想相同，當需進行營養液施肥時，計算機控制系統根據系統設定好的營養液pH、EC值，利用文丘里注肥器進行水肥混合，同時在線實時監測混合營養液的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發出施肥指令;定時模式下，由計算機控制系統按事先設置好的施肥時間自動控制進行施肥作業;條件控制模式下，由計算機控制系統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

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

4 結語

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

參考文獻：

[1] 龔尚福，潘虹.智能溫室大棚監控系統的研究與設計[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技術的農業溫室控制系統研究[J].農業技術與裝備，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）