基于PLC控制的农药自动混配装置的特点和展望

朱 超

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049）

农药自动混合装置对控制系统的稳定性和抗干扰性要求较高，由于农药的腐蚀性，使用的电子器件对于抗腐蚀性要求较高。在农药混合的过程中，由于农药所占比例很少，精准控制农药与水的比例难度较大。如果在线混配系统太复杂，基于当前农民老龄化的现状，农民接受程度差，配置过程也容易出现错误。采用PLC控制的农药自动混合装置，可以有效解决上述问题[1]。PLC控制对于继电器控制来讲，更灵活，具有性能好、方便轻巧等优点，同时由于采用PLC控制具有完整的保护电路，结构上具有耐热、防尘、防潮等优点。在控制速度上，PLC控制速度快，控制过程很平稳、无抖动。从可靠性方面看，PLC控制的可靠性高，它采用了耐热、防震、防潮的结构，使用寿命长[2]。

1 农药使用和农药自动混合装置的研究现状

中国是农业大国，也是世界人口最多的国家，只有在有限的土地上产出高额的粮食才能养活14亿人口。在这种情况下，农民种植作物必须通过农药来保证其产量，有的农民甚至使用剧毒农药。过量的农药使用，导致了环境的破坏。农药进入土壤，污染了肥沃的土地，并随雨水流入河流污染了水源。一些杀虫农药如果浓度过高，在杀死病虫时也杀死了有益的生物。同时，农药中的有毒成分被农作物吸收，然后人再消化吸收这些有毒农产品，最终危害了人类自己。

截至2021年，中央已经连续18年出台了关于“三农”的一号文件，尤其在2020年的一号文件中特别提到了“深入开展农药化肥减量行动”，农业农村部也把农药零增长作为农业发展的重要项目之一。由此可见，农业的可持续发展已经越来越重要，农业向绿色有机靠拢也成为一种主流。但是，人们还应该清楚地看到，食品检验监督部门近年来在果蔬农药残留的检测中发现，农民过度配比农药、过度施用农药的现象还是屡禁不止。

为了降低化学农药对农业和人类生态系统的危害，相关科研人员研制了很多新的防控方法。但是，进入21世纪以来，我国的生物农药发展已经处于缓慢状态甚至停滞不前，所以一方面要对化学农药进行改进，另一方面也要加强对植保机械的设计与研发。

淄博市沂源县是全国有名的“沂源红”苹果的原产地，沂源县是典型的山地丘陵地貌，盛产苹果、葡萄、樱桃、桃，全县有40多万果农。2020年，笔者在沂源县做了一份农药混合配比的调查问卷，从调查中发现，当地的农民年龄偏大、文化水平低、农药危害意识不强，95%的农民采用传统粗略预混式混药；38%的果民在配比农药时，根据自己的经验来配比，这就导致了农药配比的浓度过低，对病虫害不起作用，或者浓度过高导致农药超标；78%的果农在配比农药时，对果树和果园的虫害实际情况评估不准确，配比的药液超出实际情况所需的使用量。对当前通过识别技术区分杂草实现定量喷雾、利用液压装置实现喷杆的实时起降、农药和水在线混合这些比较先进的技术和设备基本不知晓。

农药自动混药装置被广泛用于植保机械，目前国内外混药装置有静态混药装置、射流混药装置、管道混药装置和搅拌槽式混药装置。1970年，农药在线混合技术第一次被Amsden提出来之后，研究学者们开始对这一技术进行大量研究，在线混药技术开始在各个行业应用。期间具有代表性的混药装置研究有：英国Agrifutura Dose2000型机具、丹麦哈滴国际有限公司生产的ALPHA2000等大型喷杆喷雾机。1994年，Ghate和Phatak设计了压缩空气直接注入系统。1998年，Koo等将总流量控制和农药直接注入技术相结合，开发了一套直接注入总流量控制系统。静态混药器作为专利最早登记在荷兰专利185539号（1959年8月），1970年，美国的肯尼斯公司首先在世界范围内成功实现了静态混合器的工业化生产，20世纪70年代，国外开始对射流混合器进行研究。

国内农业专家学者对农药混合装置的研究起步较晚，但研究者较多。目前有5种常用的静态混合器，型号分别为SV、SX、SL、SH、SK。不同的混合器针对不同的工作介质，其结构和工作原理也有较大差异。郭宇波等[3]设计的静态混合器应用在农药混合装置上，针对直接注入式变量施药系统，研究了不同剂型和不同黏度的药液在自动混药时的混合均匀度，减少了达到均匀混合时的延时时间；刘志壮等设计了在线混药式变量喷雾系统；陈长林等设计了一种背负式手动喷雾器混药装置；万夙鸣以喷雾机药水在线混合装置测试系统为研究对象，通过上位机与下位机结合，上位机根据需求，由操作人员对农药原液量和水量进行设置，并对传感器等下位机实时采集的流量、压力等数据进行处理、动态显示和管理，简单方便，具有良好的人机交互性；殷兴光利用PLC软件和硬件，通过系统调试，达到自动混合液体的目的；漆海霞等[4]设计的农药自动混配装置，采用药水分离、实时配制、充分混合和精确配比的技术，能够有效控制混药箱中农药的进药量和清水的进水量，使稀释倍数和农药浓度精确计量。

2 PLC控制的农药自动混配装置优点

2.1 自动混药，减少人工干预

农民对于农药安全防范意识不高，在粗略预混式农药与水混配过程中，农民与农药直接接触，给农民健康带来许多问题，甚至带来死亡的危害[5]。PLC控制的农药自动混配装置自带农药桶，农药和水分离，实现无人干预的农药混配实时控制，避免了农民与农药的直接接触，减少了直接接触农药而发生的中毒事件，消除了农药中毒的潜在威胁，提高了安全性。并且自动混药，减少了所需劳动力，提高了工作效率。

2.2 精准配比，提高混合均匀性

在农药混配过程中由于农药原液比例很少，采用预混式手动配置无法达到溶液精准配制，采用能实现PID控制的PLC控制系统，配合精密的流量传感器、液位控制器、电磁阀等设备，利用PID算法精确控制药液和水的混配流程，可以实现农药与水的精准配比。在搅拌过程中，采用电动搅拌机，让农药与水充分混合，提高了均匀性[6]。

2.3 提高农药利用率，保护生态环境

农药污染也是当前农村环境整治的重要内容。传统预混式农药混合，农民对于农药原液的配比剂量把握不精确，这就导致了农药配比的浓度过低对病虫害不起作用，或者浓度过高导致农药超标，造成农药残留超标和环境污染；还有一部分农民在农药配比时，会觉得配比很麻烦，基本都会超出所需使用量配比，造成农药溶液剩余，引起浪费。采用PLC控制的农药自动混药装置，实现农药与水分离，保证了喷雾过程农药的浓度，提高农药利用率，剩余的农药原液也可以回收，避免了浪费，有利于当地的环境保护[7]。

2.4 移动、维修方便，简单易学

对于文化程度较低的农民来说，维修方便、简单易学的农业设备和装置才更受他们欢迎，才能打通农业自动化普及的“最后一公里”。PLC本身具有的可靠性保证了整个装置的稳定性，降低了维修概率。预装好程序后基本不需要修改，操作人员按照需要输入农药原液和水的比值就可以实现自动配比，农民经过简单的培训即可学会。由于PLC体积小，农药自动混合装置可以设计成便携式可移动的设备。尤其在地少人多的山区果园，地形复杂，一户的果园较为零散，果农喷药时需要移动装置的次数较多，便于移动的装置减少了人工和时间。

3 基于PLC控制的农药自动混配装置的不足

随着对基于PLC控制的农药自动混配装置研究的不断深入，发现其存在很多不足。从文献中发现，存在的不足有以下几方面：1）三种以上的农药与水的混合，程序设计复杂，配套的器材也多，不具有灵活性，不适合在山地果园使用。2）混合后的农药浓度检测技术还需要进一步提高。3）单一的PLC控制的农药自动混配装置不具有推广性。4）悬浮剂、可湿性粉剂的农药稀释，如果仅进行一次稀释，防治效果不如二次稀释好。因此，在使用悬浮剂、可湿性粉剂农药时，要先进行一次稀释，然后利用农药自动混配装置进行二次稀释。

4 基于PLC控制的农药自动混配装置研究发展的建议

4.1 实现人机交互系统

人机互动触摸屏可以让配药过程可视化，农民在配药时，在窗口系统输入数据即可，操作简单方便。人机交互系统的实现主要依靠PLC与触摸屏进行组合，与上位机PC进行通信。通过PLC与触摸屏进行组合，实现对电磁阀、传感器、水泵的控制，同时实现生动的影像画面和信息传输，触摸屏代替传统的机械按钮。在设计PLC控制的农药自动混配装置时，采用人机交互系统，操作简单，学习容易，可以有效解决当前农民老龄化带来的问题。人机交互系统可以嵌入组态王进行实时监控，组态王可以逼真地显示出系统的整个过程以及流量的变化情况，如果发生故障，系统也会报警，操作人员可以通过报警情况进行专业维修。如图1所示，L1、L2、L3为液面传感器，Y1、Y2、Y3、Y4分别为三种液体和混合液体的控制电磁阀，因为混合液体为农药，所以装置选择为非接触感应式液位传感器与耐腐蚀性常闭型电磁阀。液位传感器将检测到的数据传送给PLC，PLC内部程序发出动作指令，从而控制搅拌电机KM和电磁阀门的运转、开合动作。

图1 MCGS组态王监控画面示意图

4.2 智能化、精准化发展

随着中国北斗卫星的全面使用和5G数字化技术的普及，国家大力支持的“物联网+农业”也在逐步推进，智慧农业是我国农业的发展趋势。基于PLC控制的农药自动混配装置应及时地融入农业机械化快速发展的轨道中，例如增加底面土壤和病虫害的反馈系统，根据果树病虫害程度适时调整农药浓度配比，有利于农药使用量的减少。基于PLC控制的靶向喷药技术目前的研究也很多，利用超声波和红外线获取果树靶标信息，从而实现农药可变比变量控制，进行精准喷雾。当前，无人机施药在我国农业机械化研究中也逐步深入，基于PLC控制的农药自动混配装置也可以融入其中，实现无人机植保的精准性。

4.3 整体化配套推广

在实际植保过程中，PLC控制的农药自动混合装置需要与传感器、流量计、水泵、药泵、阀门、电机等器材和管件配套起来使用，将这些零部件器材与静态混合器形成整体化套装，既方便了设备的配套，又有利于设备的推广。

5 结束语

从传统预混式农药配置发展到现在多种在线和静态自动混药，是农业施药现代化的重大进步。工业控制应用到农业生产是“互联网+农业”的趋势，采用PLC进行控制的液体农药混合装置控制系统，提高了自动化程度，提高了控制系统的可靠性，方便操作人员设置[8]。在不同的农村果园施药环境中，通过试验均能达到预期效果，有效弥补传统预混式农药配置的一些缺点，配比准确，操作简单，提高了农业生产的效率，助力当地“5G数字化果园”建设。基于PLC控制的农药混合装置是值得推广的在线混药技术之一，在我国这样一个农业大国具有广阔的发展空间。