计算机与PLC一体化控制技术在农业智能化生产中的应用探究
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作者:刘铸德
摘 要 随着现代科学技术与农业生产的不断融合，农业智能化生产成为一种十分重要的农业新型生产模式，而计算机与PLC一体化控制技术作为新型农业智能化生产技术，其重要性逐渐突显出来。计算机与PLC一体化控制技术主要借助计算机控制系统和PLC控制设备以及其他配套设备来控制和调节作物生产所需环境条件，是一种新型农业生产模式，是农业摆脱自然制约的有效手段，是对常规农业的革命性发展，是实现高产、高效、优质和技术密集型农业生产的新模式。基于此，分析计算机与PLC一体化控制技术及其实现方式，提出了其在农业智能化生产中的应用。
关键词 计算机;PLC;一体化控制技术;农业智能化
中图分类号：S625;TP277 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.20.090
随着农业信息化的不断深入发展，农业智能化技术越来越受到重视。其中，计算机与PLC结合的一体化农业智能化生产控制技术利用计算机先进的计算能力以及PLC先进的控制技术对农業生产过程环节进行管理和控制，有效提升了农业生产的效率。计算机与PLC一体化控制技术主要通过对生产环节数据进行监控与分析，结合农作物生产的规律，调控作物的生产条件，使农作物生产达到优质、高效、高产的目的[1]。目前，计算机与PLC一体化控制技术已经成为促进现代农业生产的主要组成部分。
1 计算机与PLC一体化控制技术分析
目前，对农业生产实行一体化控制技术主要是从空气、土壤温湿度、采光及施肥管理等方面进行智能监测，通过对各个功能模块的信息输入，实现对农业生产环境的总体把控。在此过程中，主要以计算机控制系统和PLC控制模块结合的一体化控制技术作为核心技术结合其他配套设施实现上述需求。农业生产条件各类指标的设置是通过计算机控制系统收集各类终端感应设备传输的数据，经过科学计算后发出对应控制指令传输给PLC控制模块，再由PLC控制模块发出执行指令对各个终端设备进行实时调节，以实现对环境的自动化控制与管理。
以调节番茄的种植环境为例，此类作物喜温，环境温度明显高于或低于标准值都会对作物的正常生长产生不利影响。若将系统的预警温度值定为25 ℃，如果实际环境温度在预警范围内，则计算机控制系统不会发出指令;温度一旦高于预警值，计算机控制系统就会向温控设备发出降温工作指令，使室内温度回落到正常范围;温度低于预警值，计算机控制系统也会向温控设备发出升温工作指令，使室内温度回升到正常范围。利用先进的计算机与PLC一体化控制技术智能调控生产环境可保证作物健康生长[2]。
2 计算机与PLC一体化控制技术的实现方式
2.1 系统需求
计算机与PLC一体化结合的农业智能化生产控制系统一般包括以下几类设备。1）计算机控制系统。它是一套计算机监控调整软件，作为系统指令发布角色，运用先进的信息技术手段对收集的数据进行分析后，按需求向PLC控制模块发出调控参数，为农作物营造适宜的生长环境。2）PLC控制模块。此模块为系统的核心执行组件，接收计算机控制系统的调控参数并对相关的终端设备进行控制。3）湿度控制设备，例如卷帘。卷帘的主要作用是控制和调节作物生长环境的湿度。湿度过高，卷帘机打开卷帘，使湿度下降;湿度过低则关闭卷帘，使室内湿度得以升高。4）供水设备，例如水泵。当种植环境的土壤湿度高于预设标准时，水泵停运;当种植环境的土壤湿度低于预设标准时，水泵开启开始供水，以增加土壤中的水分含量。5）温控设备，例如温控机或者遮阴帘。无论生产环境的温度高于或者低于预期指标，均可启动设备来调节温度，保持温度平衡[3]。
2.2 系统设计
系统若要实现对作物生长环境各类指标的调节，便要囊括计算机控制系统、PLC控制模块以及各类调节设备在内的诸多自动化设备。各种传感设备可探测出当前生长环境的各项指标，PLC控制模块将各类探测指标传输给计算机控制系统进行科学分析，计算机控制系统以先进的算法对不符合标准的指标进行调整并发出调控指令进行相关操控。调控操作是由计算机控制系统发出，PLC控制模块执行并转换成机器语言对终端发出调控指令。在这个系统里，计算机控制系统是大脑，PLC控制模块是神经传导，缺一不可。计算机与PLC一体化控制系统在设计上应具备以下3种模式。
2.2.1 手动控制模式
当管理人员需要临时调节各项指标参数时，可人为对计算机控制系统的各项参数进行调节，以适应特定生产环境条件下的特殊需求。这种方式下，人为地进行系统与设备操作可灵活调整各类生长指标。
2.2.2 定时控制模式
定时控制模式下，计算机控制系统会根据预先设定好的工作时间与参数对相关的终端设备发送工作指令。这种工作模式一般是在农业生产环境稳定后，管理人员按照农业生产的最佳方案设定的可重复执行的工作模式。
2.2.3 条件控制模式
计算机控制系统将各终端传感器传回的感应数据与系统设定的阈值比较，对于低于阈值和高于阈值的情况根据原先设定的预案进行处理。这种工作模式整个过程不需要人为控制，由设备自动运行，极大提升了工作效率。
3 计算机与PLC一体化控制技术在农业智能化生产中的应用
3.1 智能化采光系统
智能化采光系统的工作模式是通过光敏传感器，利用光照电流传感原理，将光照数据反馈给计算机控制软件，计算机控制软件通过数据对比将调控参数发给PLC控制模块，PLC控制模块根据调控参数向光照设备发出指令对光照强度进行调整。
本系统的设计主要包含计算机控制软件、PLC控制模块、光敏传感器和光照控制设备。光敏传感器一般可采用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等传感设备。计算机控制软件和PLC控制模块作为核心控制部分，用于数据的收集、参数的调整和控制信号的发出。光照控制设备目前在农业智能化生产中主要采用的是由电机带动的遮阳网，当系统接收到控制系统发送的控制命令后，遮阳网自动开启或者关闭，使光照度达到农作物生长的要求。 3.2 智能化温度控制系统
智能化温度控制系统由温度传感器取值，采集实时的温度指标，并真实传输给计算机控制系统，计算机控制系统将采集数据与系统初期设定值进行比较后，将执行信号传送给PLC控制模块驱动相关终端设备，对温度环境加以改善。温度改善主要是从自然温度调节模式入手，通过控制通风口的操控设备来降低室内的湿度指标;也可以由种植环境内的设备进行温度调节，目前主要的温控调节设备有卷帘机或者温控机，两者都可以对温度产生一定的影响[4]。
3.3 智能化灌溉系统
智能化灌溉系统由土壤湿度传感器取值，将土壤湿度值通过A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号后传输给PLC控制模块，之后PLC控制模块将信号传给计算机控制系统，计算机控制系统经过自动调节或者人工手动控制后，将调整后的参数传回给PLC控制模块，由PLC控制模块发出命令控制对应的执行控制模块启停灌溉设备，实现对灌溉的智能运作。
本系统的核心设备为计算机控制系统和PLC控制模块两部分。计算机控制系统采用计算机辅助控制系统，设置对应的操作控制界面，可对控制参数进行设置、实时监控终端状态、对相关数据进行查询等;PLC控制模块主要功能用于接收计算机辅助控制系统的控制操作指令和土壤湿度传感器模拟量输入信号等，并根据系统的要求，计算、处理和输出对应的命令，驱动外部相关控制设备。
3.4 智能化营养液施肥系统
智能化施肥系統利用土壤pH-EC传感器监测土壤的pH值和EC值，进行营养液施肥自动控制。当传感器测定土壤pH-EC值达到设定上限时，控制模块发出指令启动系统进行施肥灌溉;当测定值达到设定下限时，施肥灌溉停止。计算机控制系统和PLC控制模块根据传感器的测量值对施肥灌溉系统进行控制，灌溉时需要间断对土壤pH-EC值进行检测，以保证植物对肥料的需求。营养液施肥系统中水肥一体化混合控制设备一般采用文丘里施肥器，水流经过安装文丘里施肥器的支管时，用水流通过文丘里管产生的真空吸力将肥料溶液从肥料桶中均匀吸入管道系统与水流混合后进行施肥。
目前，营养液施肥控制系统的施肥方式可为人工控制、定时控制、条件控制三种。三种方式的执行方式核心思想相同，当需进行营养液施肥时，计算机控制系统根据系统设定好的营养液pH、EC值，利用文丘里注肥器进行水肥混合，同时在线实时监测混合营养液的pH、EC值，根据pH、EC设定值与检测值之间的偏差来调整混肥阀的注肥频率，在短时间内使营养液的检测值和设定值之差达到允许的范围内。不同的是，人工控制模式下，由人工控制计算机控制系统发出施肥指令;定时模式下，由计算机控制系统按事先设置好的施肥时间自动控制进行施肥作业;条件控制模式下，由计算机控制系统对传感器传回的土壤pH和EC值进行对比，根据设定的控制条件按需进行施肥。
3.5 智能化预警系统
智能化报警系统利用各类智能化系统的探测设备与计算机控制系统结合，由计算机控制系统接收探测设备发出的信号。当生产环境情况不佳，例如光照过强、温度过低、湿度过高等，预警系统立即采取对应的方式在计算机控制系统内提示或以声光形式明显发出报警信息，提醒管理人员进行及时处理。
4 结语
我国农业正处于从传统农业向现代化农业转型的新阶段，以计算机与PLC一体化控制技术为标志的智能化农业是现代化农业的重要标志。进一步提升计算机与PLC一体化控制技术在农业智能化生产中的应用水平，可为提高我国农业现代化建设水平，增进农业现代化发展进程，提高农民收入起到重要推动作用。
参考文献：
[1] 龚尚福，潘虹.智能温室大棚监控系统的研究与设计[J].现代电子技术，2017，40（19）：119-122.
[2] 林力鑫.智能化控制在温室大棚中的应用[J].自动化技术与应用，2017，36（5）：116-118，129.
[3] 胡晨秋.基于PLC技术的农业温室控制系统研究[J].农业技术与装备，2019（10）：55-56.
[4] 孙佳星，孙盛旭，罗丹.基于PLC的现代农业大棚自动控制设计方法探析[J].湖北农机化，2020（2）：147.
（责任编辑：刘昀）
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