基于PLC控制的農藥自動混配裝置的特點和展望

朱 超

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049）

農藥自動混合裝置對控制系統的穩定性和抗干擾性要求較高，由于農藥的腐蝕性，使用的電子器件對于抗腐蝕性要求較高。在農藥混合的過程中，由于農藥所占比例很少，精準控制農藥與水的比例難度較大。如果在線混配系統太復雜，基于當前農民老齡化的現狀，農民接受程度差，配置過程也容易出現錯誤。采用PLC控制的農藥自動混合裝置，可以有效解決上述問題[1]。PLC控制對于繼電器控制來講，更靈活，具有性能好、方便輕巧等優點，同時由于采用PLC控制具有完整的保護電路，結構上具有耐熱、防塵、防潮等優點。在控制速度上，PLC控制速度快，控制過程很平穩、無抖動。從可靠性方面看，PLC控制的可靠性高，它采用了耐熱、防震、防潮的結構，使用壽命長[2]。

1 農藥使用和農藥自動混合裝置的研究現狀

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

截至2021年，中央已經連續18年出臺了關于“三農”的一號文件，尤其在2020年的一號文件中特別提到了“深入開展農藥化肥減量行動”，農業農村部也把農藥零增長作為農業發展的重要項目之一。由此可見，農業的可持續發展已經越來越重要，農業向綠色有機靠攏也成為一種主流。但是，人們還應該清楚地看到，食品檢驗監督部門近年來在果蔬農藥殘留的檢測中發現，農民過度配比農藥、過度施用農藥的現象還是屢禁不止。

為了降低化學農藥對農業和人類生態系統的危害，相關科研人員研制了很多新的防控方法。但是，進入21世紀以來，我國的生物農藥發展已經處于緩慢狀態甚至停滯不前，所以一方面要對化學農藥進行改進，另一方面也要加強對植保機械的設計與研發。

淄博市沂源縣是全國有名的“沂源紅”蘋果的原產地，沂源縣是典型的山地丘陵地貌，盛產蘋果、葡萄、櫻桃、桃，全縣有40多萬果農。2020年，筆者在沂源縣做了一份農藥混合配比的調查問卷，從調查中發現，當地的農民年齡偏大、文化水平低、農藥危害意識不強，95%的農民采用傳統粗略預混式混藥；38%的果民在配比農藥時，根據自己的經驗來配比，這就導致了農藥配比的濃度過低，對病蟲害不起作用，或者濃度過高導致農藥超標；78%的果農在配比農藥時，對果樹和果園的蟲害實際情況評估不準確，配比的藥液超出實際情況所需的使用量。對當前通過識別技術區分雜草實現定量噴霧、利用液壓裝置實現噴桿的實時起降、農藥和水在線混合這些比較先進的技術和設備基本不知曉。

農藥自動混藥裝置被廣泛用于植保機械，目前國內外混藥裝置有靜態混藥裝置、射流混藥裝置、管道混藥裝置和攪拌槽式混藥裝置。1970年，農藥在線混合技術第一次被Amsden提出來之后，研究學者們開始對這一技術進行大量研究，在線混藥技術開始在各個行業應用。期間具有代表性的混藥裝置研究有：英國Agrifutura Dose2000型機具、丹麥哈滴國際有限公司生產的ALPHA2000等大型噴桿噴霧機。1994年，Ghate和Phatak設計了壓縮空氣直接注入系統。1998年，Koo等將總流量控制和農藥直接注入技術相結合，開發了一套直接注入總流量控制系統。靜態混藥器作為專利最早登記在荷蘭專利185539號（1959年8月），1970年，美國的肯尼斯公司首先在世界范圍內成功實現了靜態混合器的工業化生產，20世紀70年代，國外開始對射流混合器進行研究。

國內農業專家學者對農藥混合裝置的研究起步較晚，但研究者較多。目前有5種常用的靜態混合器，型號分別為SV、SX、SL、SH、SK。不同的混合器針對不同的工作介質，其結構和工作原理也有較大差異。郭宇波等[3]設計的靜態混合器應用在農藥混合裝置上，針對直接注入式變量施藥系統，研究了不同劑型和不同黏度的藥液在自動混藥時的混合均勻度，減少了達到均勻混合時的延時時間；劉志壯等設計了在線混藥式變量噴霧系統；陳長林等設計了一種背負式手動噴霧器混藥裝置；萬夙鳴以噴霧機藥水在線混合裝置測試系統為研究對象，通過上位機與下位機結合，上位機根據需求，由操作人員對農藥原液量和水量進行設置，并對傳感器等下位機實時采集的流量、壓力等數據進行處理、動態顯示和管理，簡單方便，具有良好的人機交互性；殷興光利用PLC軟件和硬件，通過系統調試，達到自動混合液體的目的；漆海霞等[4]設計的農藥自動混配裝置，采用藥水分離、實時配制、充分混合和精確配比的技術，能夠有效控制混藥箱中農藥的進藥量和清水的進水量，使稀釋倍數和農藥濃度精確計量。

2 PLC控制的農藥自動混配裝置優點

2.1 自動混藥，減少人工干預

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

2.2 精準配比，提高混合均勻性

在農藥混配過程中由于農藥原液比例很少，采用預混式手動配置無法達到溶液精準配制，采用能實現PID控制的PLC控制系統，配合精密的流量傳感器、液位控制器、電磁閥等設備，利用PID算法精確控制藥液和水的混配流程，可以實現農藥與水的精準配比。在攪拌過程中，采用電動攪拌機，讓農藥與水充分混合，提高了均勻性[6]。

2.3 提高農藥利用率，保護生態環境

農藥污染也是當前農村環境整治的重要內容。傳統預混式農藥混合，農民對于農藥原液的配比劑量把握不精確，這就導致了農藥配比的濃度過低對病蟲害不起作用，或者濃度過高導致農藥超標，造成農藥殘留超標和環境污染；還有一部分農民在農藥配比時，會覺得配比很麻煩，基本都會超出所需使用量配比，造成農藥溶液剩余，引起浪費。采用PLC控制的農藥自動混藥裝置，實現農藥與水分離，保證了噴霧過程農藥的濃度，提高農藥利用率，剩余的農藥原液也可以回收，避免了浪費，有利于當地的環境保護[7]。

2.4 移動、維修方便，簡單易學

對于文化程度較低的農民來說，維修方便、簡單易學的農業設備和裝置才更受他們歡迎，才能打通農業自動化普及的“最后一公里”。PLC本身具有的可靠性保證了整個裝置的穩定性，降低了維修概率。預裝好程序后基本不需要修改，操作人員按照需要輸入農藥原液和水的比值就可以實現自動配比，農民經過簡單的培訓即可學會。由于PLC體積小，農藥自動混合裝置可以設計成便攜式可移動的設備。尤其在地少人多的山區果園，地形復雜，一戶的果園較為零散，果農噴藥時需要移動裝置的次數較多，便于移動的裝置減少了人工和時間。

3 基于PLC控制的農藥自動混配裝置的不足

隨著對基于PLC控制的農藥自動混配裝置研究的不斷深入，發現其存在很多不足。從文獻中發現，存在的不足有以下幾方面：1）三種以上的農藥與水的混合，程序設計復雜，配套的器材也多，不具有靈活性，不適合在山地果園使用。2）混合后的農藥濃度檢測技術還需要進一步提高。3）單一的PLC控制的農藥自動混配裝置不具有推廣性。4）懸浮劑、可濕性粉劑的農藥稀釋，如果僅進行一次稀釋，防治效果不如二次稀釋好。因此，在使用懸浮劑、可濕性粉劑農藥時，要先進行一次稀釋，然后利用農藥自動混配裝置進行二次稀釋。

4 基于PLC控制的農藥自動混配裝置研究發展的建議

4.1 實現人機交互系統

人機互動觸摸屏可以讓配藥過程可視化，農民在配藥時，在窗口系統輸入數據即可，操作簡單方便。人機交互系統的實現主要依靠PLC與觸摸屏進行組合，與上位機PC進行通信。通過PLC與觸摸屏進行組合，實現對電磁閥、傳感器、水泵的控制，同時實現生動的影像畫面和信息傳輸，觸摸屏代替傳統的機械按鈕。在設計PLC控制的農藥自動混配裝置時，采用人機交互系統，操作簡單，學習容易，可以有效解決當前農民老齡化帶來的問題。人機交互系統可以嵌入組態王進行實時監控，組態王可以逼真地顯示出系統的整個過程以及流量的變化情況，如果發生故障，系統也會報警，操作人員可以通過報警情況進行專業維修。如圖1所示，L1、L2、L3為液面傳感器，Y1、Y2、Y3、Y4分別為三種液體和混合液體的控制電磁閥，因為混合液體為農藥，所以裝置選擇為非接觸感應式液位傳感器與耐腐蝕性常閉型電磁閥。液位傳感器將檢測到的數據傳送給PLC，PLC內部程序發出動作指令，從而控制攪拌電機KM和電磁閥門的運轉、開合動作。

圖1 MCGS組態王監控畫面示意圖

4.2 智能化、精準化發展

隨著中國北斗衛星的全面使用和5G數字化技術的普及，國家大力支持的“物聯網+農業”也在逐步推進，智慧農業是我國農業的發展趨勢。基于PLC控制的農藥自動混配裝置應及時地融入農業機械化快速發展的軌道中，例如增加底面土壤和病蟲害的反饋系統，根據果樹病蟲害程度適時調整農藥濃度配比，有利于農藥使用量的減少?；赑LC控制的靶向噴藥技術目前的研究也很多，利用超聲波和紅外線獲取果樹靶標信息，從而實現農藥可變比變量控制，進行精準噴霧。當前，無人機施藥在我國農業機械化研究中也逐步深入，基于PLC控制的農藥自動混配裝置也可以融入其中，實現無人機植保的精準性。

4.3 整體化配套推廣

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

5 結束語

從傳統預混式農藥配置發展到現在多種在線和靜態自動混藥，是農業施藥現代化的重大進步。工業控制應用到農業生產是“互聯網+農業”的趨勢，采用PLC進行控制的液體農藥混合裝置控制系統，提高了自動化程度，提高了控制系統的可靠性，方便操作人員設置[8]。在不同的農村果園施藥環境中，通過試驗均能達到預期效果，有效彌補傳統預混式農藥配置的一些缺點，配比準確，操作簡單，提高了農業生產的效率，助力當地“5G數字化果園”建設?；赑LC控制的農藥混合裝置是值得推廣的在線混藥技術之一，在我國這樣一個農業大國具有廣闊的發展空間。