赵彦鸿

(广西梧州农业学校,贺州 542899)

机电一体化技术是将传统的机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术等多种技术进行集成,应用于实际工作中的综合技术,现代化自动生产设备以机电一体化技术为基础产生和发展的。随着现代社会的生产发展,机电一体化技术应用于农业生产活动,使得农业作业效率与农产品产品质量得到跨越式提高,机电一体化技术应用在农业生产上具有划时代的意义,探讨机电一体化技术在农业上的应用与发展趋势,对我国进一步加强机电一体化技术在农业上的应用与发展具有重要意义。

1 机电一体化技术的发展概况

1.1 智能化

智能化是机电一体化技术的重要、核心发展成果,所谓智能化,是指借助计算机技术、传感器技术、PLC技术等,使机电一体化设备能够在默认程序的控制下自动作业,且能够根据环境和工作需要做自适应调整。如应用于工业、农业生产活动的中各类智能仪表,结合了传统机械仪表、现代计算机和传感器等技术,能够对目标信息进行实时捕捉,并给予数字化的呈现,无需进行人工观察和复杂的参数计算,精确性和工作效率均能得到提升。在机电一体化技术发展的早期,大部分设备需要依赖人工操作,如普通的切割作业机等,这些设备的发展经历了三个时期。早期(1960～1970年)的器械设备初步实现的动力系统改善,不再单一依赖人工控制。中期(1970～1990年)集成电路、传感器的发展实现了设备能力的大幅度提升,但设备体积庞大,适用性不强。后期(1990年至今)设备实现了集成化、轻量化、微型化、智能化,适用性和工作能力均得到提升。

1.2 集成化

集成化是机电一体化技术发展高峰阶段的重要成果,集成化技术含量非常高,它需要传统机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术的共同支持[1],从原理上看,传统机械设备借助人工操作,如农业生产中用于伐木的斧、锯等,其动力来源是工人,而机电一体化技术下,动力系统和执行工作系统融为一体,这是机电一体化技术的雏形和早期发展成果。现代集成化在简单的机、电融合基础上,引入了更多的逻辑控制、自适应技术,这些技术在执行层面上需要进行统一化,以防出现不协调的问题。集成技术将上述技术融入一块芯片中,利用计算机进行程序的记忆,之后以PLC逻辑控制器进行执行控制,使机电一体化设备的各个模块处于默认程序的控制下,实现有序工作。除了集成化技术之外,嵌入技术也得到了广泛应用,但机电一体化技术、设备在逻辑控制层面依然更依赖集成技术。

1.3 绿色化

在早、中、后三个时期中,机电一体化技术的发展理念具有明显的变化。早、中期的机电一体化技术设备,多强调较高的工作效率,如大功率的联合收割机、播种机等。到了21世纪,机电一体化设备开始强调绿色化,包括绿色材料、绿色制造工艺、可回收设备等。如室外工作的机电一体化设备,材料使用合金金属,以强度较为理想的合金钢为主,加入少量的钛元素、镍元素等,保持更强的抗氧化能力。当设备老化后,其金属材料等仍可收回利用。绿色化机电一体化理念最初于德国(联邦德国)提出,20世纪80年代,联邦德国的工业产能、产值仅次于美国和苏联,但由于德国面积较小,资源储量有限,且来自欧佩克的石油危机问题也逐渐影响能源市场,德国学者开始启动绿色机电一体化研究计划,并获取了以智能控制为核心的关键成果,快速推广于各地。我国绿色机电一体化技术发展的成果主要体现在自动化设备方面,包括低能耗工作机器人等[2]。

2 机电一体化技术在现代农业中的应用

2.1 基础农业生产

农业生产活动中的机电一体化技术、设备均较为多见,如用于灌溉的引水设备、联合收割机、插秧机等。20世纪70年代开始,机电一体化技术和设备已经引入到农业生产中。如德国巴伐利亚州,作为德国农业生产的主要基地之一,其最早引入了农业机械化设施,虽然粮食产量没有明显上升,但工作效率(1977年)较1938年提升了2倍以上。我国于20世纪80年代逐步迈入机械化农业阶段。早期农业机械大生产集中于黑龙江等地的国营农场。到了20世纪90年代,我国东部20%左右的农业生产开始进行机械化作业。20世纪60年代初,广西开始发展农业机械化,推广了水轮泵、人力打谷机、拖拉机等。到了20世纪70年代,广西大办农业机械化,到20世纪70年代中,广西全区有4个内燃机厂,有3个拖拉机机械厂,有34个相关配套配件工厂,广西农业机械化跨进了全国先进行列[3]。20世纪80年代到21世纪初,广西农业机械化在探索中前进,由以应用于粮食为主转变到大农业扩展再广泛应用于百姓生活和新农村建设等各方面,农业农村经济效益得到了进一步提高。2004年及以后,我国进入农业机械化依法促进阶段,国家和各级政府推出了农民购置农机设备给予财政补贴等惠农强农政策,广西农业机械化得到了普及,农技装备水平得到了提高,装备结构得到了改善[3,4]。农机设备自我生产发展总是有一定的局限性,学习与引进国外先进技术成为了提高农业生产发展的重要举措,20世纪90年代初,广西浦北县引进香蕉贮藏保鲜设备和技术(包括香蕉果实套袋和砍运技术、贮藏保鲜设备),北流市引进荔枝保鲜设备,桂平引进荔枝、龙眼贮藏保鲜设备,21世纪初,广西农业厅引进切片机、榨汁机、分离机、浓缩果汁设备、杀菌消毒设备、装罐机、包装机等现代化机电一体化先进设备,促进了广西农产品加工和贮藏保鲜业的发展[5]。2018年,广西机耕面积约其耕地总面积的40% ～60%,受地形条件限制,大部分机耕作业设备是中小型机电一体化设备。基础农业生产也包括林业、牧业、副业、渔业,我国南方部分地区渔业养殖发达,渔业生产也依赖机电一体化技术、设备,如鱼塘内鱼苗密度较大时,需要借助供氧器持续为鱼塘提供氧气,以免鱼苗缺氧死亡[6],随着生产需求,近年,广西南宁市西乡塘区开启了绿色水产养殖—“集装箱养鱼”模式,实现了机电一体智能化绿色立体农业,高产出,高效益,出产的水产品达到并远超目前国内、国际的所有相关标准。

2.2 监控技术的应用

现代农业生产要求合理分配水资源,避免大水漫灌造成土地盐碱化、资源浪费、土壤成分破坏以及水土流失等问题。此外,对极端气象天气(如暴风、暴雨以及冰雹)的监测,也需要机电一体化技术和设备的支持。就水资源的监控而言,该技术最早见于德国、以色列等发达国家,以色列位于中东境内的山地和沙漠地区,其耕地和水资源都较为匮乏。以色列技术人员应用滴灌技术使水资源得到了更合理的利用[7]。在现代农业生产中,我国对滴灌技术的应用进行了改进,技术人员将传感器置入农作物附近的土地中,以土壤中的水分条件作为主要监控目标,当土壤中水分不足时,经有线通信的方式,将该信息传递给计算机,由计算机或管理人员执行灌溉指令,直到土壤水分条件满足农作物生长,再由传感器捕捉信息,反馈给计算机一端,执行停止灌溉的指令。该技术原理为,利用农作物生长的基本需求和传感器收集的信息进行对照,根据差异结果执行具体指令。假定农作物在5月份需求水量为XmL,土壤中的实际水量一般是围绕X上下波动的,其具体值可通过一个数集表示:

X=[X-n……X-2;X-1;X;X1;X2……Xn] 当传感器捕捉的数值小于X时,智能化的系统即可根据默认程序判断“农作物缺水”,再通过逻辑控制器下达灌溉指令,合理利用水资源的同时,保证了农业生产的效率和科学性。2014年,广西从以色列引进机电一体化智能滴灌技术,最初应用于香蕉智能滴灌,香蕉的口感和外观得到了提高,随后葡萄也用到了智能滴灌,有效提高了葡萄的座果率、减少落果并降低病虫害发生。广西天气属于夏季高温干旱、秋冬季少雨缺水,智能滴灌技术对广西农业尤为重要。目前,广西瓜果、甘蔗、蔬菜等种植都应用了机电一体化智能滴灌设施。

环境监控技术应用于设施农业常见的主要有大棚温室工程,温室工程的建设和发展是都市型现代化农业发展的重要组成部分,它实现了温室生产管理自动化、科学化。同时,重大害虫性诱监控技术的研发与集成应用在农业病虫害防治领域具有重要贡献,广西于2004年引进性诱技术并进行了系列试验示范研究与推广应用,性诱技术与环境频振诱控技术、生态粘虫板诱杀技术配套集成形成植保“三诱”技术是推进绿色植保、发展生态农业的核心技术。目前,"三诱"技术在广西农业生产上的应用随处可见[8]。

2.3 定位和分析技术的应用

定位技术和分析技术,多见于现代农业生产的辅助环节,定位和分析技术多与智能技术和监控技术共同使用。如饮水灌溉作业,要了解当地水资源的分布情况,采用传统技术进行测定,可能面临工作环节多、工作量大,工作难度高等问题,还可能出现较多误差,特别是广西部分地区地形复杂,如使用定位技术智能设备,技术人员将小型机电一体化设备放置于地表水体处,该设备可进行水体流速、流向以及温度等方面的监控和记录,水资源情况的分析变得尤为简单。同时借助GIS技术,利用卫星对小型机电一体化设备进行定位,生成的卫星分布图可以直观的显示当地水网分布态势,为农业灌溉工程建设提供参考。定位和分析技术还可以用于地方林地覆盖情况的分析计算,将若干可以发射/接受信号的机电一体化监控设备放置于林地周围,利用通信卫星对设备进行定位,生成可视化信息图,即可推算出林地面积、树木成长情况、密度等信息。

我国机电一体化技术发展,推动了农机高科技技术的迅速发展。农机GPS卫星定位和自动导航驾驶已成为我国农业现代化重要组成部分。农机GPS卫星定位和自动导航驾驶技术在播种、施肥、洒药、收获、整地、起垄等许多农机作业活动上发挥重要作用[9]。我国从20世纪50年代初开始使用飞机防治东亚飞蝗、护林防火和播种造林等作业,2014年,广西农业航空得以起步,广西水稻、甘蔗、水果等主要农产品受异常气候、耕作制度变革等因素影响,农作物病虫害呈多发、重发和频发态势,航空植保在突发大面积虫害群防群治效果十分有效,是农业丰收的重要保障[10]。

3 机电一体化技术的发展与农业应用趋势

3.1 机电一体化技术的发展趋势

机电一体化技术的发展趋势大致呈现为两个特点,即结构的完善、使用寿命的提升。在机电一体化技术结构研究领域,日本学者处于前列,日本技术人员主要尝试引入循环工作机制,如进行农业灌溉时,往往需要设备持续工作提供水流动力,大型设备工作过程中,有用功的损耗率在10% ～15%之间,启动的次数越频繁,有用功的损耗越多。为应对该问题,技术人员尝试设置补充结构,将抽水设备产生的多余能量转化为电能,存储于补偿设备中,该部分能量即可用于照明,也能为设备下一次工作提供动力,可降低有用功损耗3%～6%。机电一体化设备寿命的提升,则着眼于材料更新,德国学者在该项研究中处于前列。德国技术人员谋求应用自愈合能力更强的构件,取代设备中的现有构件,如常用的连接件、紧固件,金属材料能够保证刚度,但材料氧化问题、磨损问题无法解决,以复合材料替代效果更为理想,目前该技术的研究仍处于实验室阶段。主要技术瓶颈在于寻求刚度和自愈合能力的平衡以及制造工艺改善。

3.2 机电一体化技术在现代农业中的应用趋势

现代农业中,机电一体化技术的应用趋势主要体现在综合性能改进、自动化程度提高两个方面。如前文叙述的滴灌工艺,我国部分地区虽然引入了传感器信息收集、计算机分析等工作模式,但在执行灌溉指令的启动/停止作业时,依然依赖人员操作,技术瓶颈为集成能力、通信能力的不足。尤其是强干扰环境下,如矿区、通信作业频繁地区、机场等区域集成能力、通信能力不足的缺陷尤其显著。为予以应对,我国学者尝试引入超短距射频识别技术,以地面设备进行短距离通信,规避干扰,也避免对其他通信的破坏。该技术的推广则受限于资金条件。自动化作业能力的提升体现在农业生产的多个环节,包括基础作业,也包括智能化作业。如在进行自动化收割的过程中,设备的工作参数是操作人员设定的,未来研究则尝试引入无人作业机制,进一步提升机电一体化技术的应用价值。

4 我国发展机电一体化并用于农业生产几点建议

随着社会化进程越来越快,对机电一体化技术要求越来越高。现阶段是我国建设小康社会的关键时期,也是我国由传统农业向现代农业跨步的关键时期,我国要进一步发展机电一体化技术、提高其在农业生产中的应用,就要加强统筹管理、加强资金投入力度、突出发展重点等[3,10,11]。

4.1 机电一体化发展建议

一是加强统筹安排、协调发展计划,国家相关政府部门及相关机构深入调查研究、科学分析,制定出统管全局的“机电一体化”研究、开发、生产计划和规划[11]。

二是增大资金支持力度、优化发展环境,在资金政策上,要在科研攻关课题、开发应用项目、科技专项基金等多给机电一体化机会;银行贷为机电一体化产业规模化建设、技术改进上倾斜等。通过多种宣传渠道形成群众、企业社会支持、重视“机电一体化”发展的氛围,为开发、生产机电一体化产品资源要素做好调配,为兴办开发生产发展机电一体化产品的高新技术企业开绿灯等[12]。

三是兼顾“两个层次”,突出发展重点,机电一体化产业在社会生产发展中覆盖面非常广,然而资金有限,必须分清主次抓重点发展机电一体化产业。要抓的工作分两个层次,第一个层次是“面上”的工作,即在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子(计算机)装置,对传统产业用电子信息技术进行改造,使电子技术和机械设备在浅层次上结合。第二个层次是“提高”工作,即在新产品设计时,把“机械”与“电子”进一步统一结合,使“机械”与“电子”密不可分,深度结合,生产出来的新产品做到机电一体化[11]。

4.2 加强电机一体化在现代农业上的应用措施

一是加强农业机械化政策法规保障体系建设,加大农机质量和安全管理措施。加强农业机械化政策法规保障体系建设全面落实党中央、国务院关于加快农业机械化发展的各项政策部署,积极完善机构补贴、金融贷款、科技攻关等扶持政策。运用政府手段,加强对农业机械化发展宏观调控和市场监管,提高农机产品质量、作业质量、维修质量和售后服务水平,保障农机设备所有者、使用者、生产者权益。加强农机安全监管队伍和装备建设,加强机械设备使用人的安全监督管理[3]。

二是实施农技化项目发展带动战略,如实施水稻全程机械化示范区建设项目、安全指挥中心及信息网络建设项目,推进农业机械化加快发展。

三是加强农机对外技术交流合作,抓住中国—东盟自由贸易区的建成,抓住广西南宁每年举办的中国—东盟博览会契机,与东盟各国各区等多层次区域合作,引进国外先进的农业机械设备及技术,学习、借鉴国外农业机械化生产发展和管理经验,学以致用,促进我国农业机械化事业快速发展[3]。

四是加强农业机械化工作的领导,把加快推进农机化发展作为破解“三农”问题的重要措施,切实制定和落实促进农业机械化发展政策措施,推进广西农业机械化科学发展、和谐发展、跨域发展。

5 总结

综上,机电一体化技术是现代工业发展的重要产物,其在现代农业中的应用也较为广泛。现状上看,机电一体化技术的发展正呈现智能化、集成化、绿色化,其在现代农业活动中的应用,包括基础农业生产,也包括监控技术、定位和分析技术等。未来的机电一体化技术的发展,将更趋向于完善结构、提升使用寿命,其在农业活动中的应用趋势,将偏重于全自动化、综合性能改进。