书城农林农业科技
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第32章 从农具到农业机械(5)

牛奶加工设备果蔬综合利用加工设备技术性能方面均有突破,如果汁提香、榨汁、分离、浓缩、果籽及皮的加工设备;蔬菜榨汁、脱水设备有了自己的产品,一些中小型的净菜生产线、气调保鲜设备及水果罐头加工设备,虽然在综合性能、自动化程度方面比不上国外先进水平,但基本上能满足国内中小型果蔬加工企业的需要;茶叶加工机械是我国的特色,现有各种茶叶加工机械的年产量已达2万台以上,高科技自控、光电、静电和计算机控制等先进技术逐步在茶叶加工机械上得到应用,目前我国的茶叶加工机械生产企业已经能生产红茶初制、绿茶初制及名优特茶加工成套设备和茶叶精制成套设备。设备的生产规模可满足5~6吨/年至500~1000吨/年的茶叶初制、精制加工。

我国农产品品类之多在国际上具有绝对的主导地位,高性能加工设备发展有着潜在的优势,包括气流和微波粉碎技术、冷冻粉碎技术、真空冷冻干燥技术、低温和低压工艺、气调保鲜技术、核微孔冷消毒技术等高新技术的应用将有极大的潜力。

5.6农业机械的自动化及智能化〖1〗5.6.1电气化技术在农业机械上的应用农业电气化指的是电能在农业生产和农村生活领域中的广泛应用,是农业生产机械化和自动化的重要技术基础。农业生产中电气化技术应用包括电能的生产、输送、分配和利用,以电力为动力的农用技术装备的发展,农村家用电子、电气设备的推广等。中国在20世纪30年代,南方河网地区已出现用小船载着内燃发电机组给抽水和粮食加工等设备供电。1966年全国农业用电量已达5.9×109千瓦·时,1985年,农业用电量达5.089×1010千瓦·时,按乡村总人口平均的每人年用电量为76.8千瓦·时,每亩耕地年平均用电量为35千瓦·时。除由国家经营的大电网、大电厂供电外,还依靠地方政府和农民集资,大量兴办面向农村和小城镇的小型水电站,国家以适当方式给予补助和扶持。1983年开始在全国选定了小水电资源比较丰富、办电又有一定基础的100个县作为农村电气化试点县,以带动全国农业电气化的发展。到1985年底,全国已建成农村小水电站55754座,发电能力为3802兆瓦,有90%的乡、70%的村、63%的农户用上了电。

农业电气化的范畴从技术上可能实现的农业用电项目在500种以上,遍及农业各个部门的所有生产过程和绝大部分生产环节以及居民生活的各个方面。21世纪末,全国农村工业,粮食、食品和其他农产品加工业,供水、排灌、制冷、取暖、通风等农业固定作业已基本实现电气化;电气化已应用在部分畜牧场,所有供水、喂食、通风、换气、采光、取暖、除粪、挤奶、集蛋、杀菌等作业都可自动进行,从而保证畜产品的稳定高产;农业生产中的节水灌溉设备大部分是采用电气化控制;在农村生活方面,电气化首先在照明、广播、电话、电影、电视等方面取得进展,且随着农村生活水平的提高,城市中使用的各种家用电器也已在农村居民中逐步得到推广使用。

5.6.2电子技术在农业机械上的应用

自20世纪90年代开始,微型化芯片的出现给世界电子技术带来了跨越式发展,成为推动各个领域技术创新的动力,也明显地影响着农业机械化技术的创新过程。电子技术、计算机技术、传感与检测技术、信息处理技术结合起来,应用于传统农业机械,极大地改变了其操作性能和作业质量。跨入21世纪我国农机工作者汲取了国外一些国家的先进经验、技术,针对国内实际情况改革和创新,形成了一系列适合我国农业特点的自动化控制技术和装备。

电子技术应用于农业机械装备的技术创新,可概括为如下基本领域:

一是农用拖拉机与自走式农业机械的电子设备正由早期的专用控制器向通用控制器发展,向网络化、智能化、分别式控制技术方向发展。如大型拖拉机配备独立处理信息与控制功能的计算机智能控制终端,具有统一标准设计的接口和采用了现场控制局域网络技术及其网络通信协议,可以自动控制行驶、自动检测耕深、耕宽或作物行列数、自动完成农机具的挂接作业;再如在联合收割机、播种机等机械上应用电子监控装置使操作者能随时掌握机器的工作状态并通过故障显示报警系统对某些执行部件进行调整以便保证作业质量和安全性能。

二是农业机械装置的自动化控制。它是在农业机械工作装置部位安装各类检测传感器,由编制的计算机程序或无线电遥控,通过人机界面了解各部件工作状态,及时获取过程信息,再通过控制传感器及时调整工作行程或位置,保证工作的可靠性、操作方便性、安全性,提高作业效率和作业精度,改善劳动者的操作条件。

三是农用机器人技术。它集中机械、电子计算机、自动控制、仿生等高科技的研究成果应用到复杂性和多变性的农业作业环境,农业机器人将能够自动收集处理作业对象的各种信息,根据作业要求针对目标物决定应选择什么样的操作形式进行恰当的作业,如在果实收获时机器人要根据果实本身的特性自行判断果实的成熟度;在除草和间苗作业时由机械本身自行区别出作物与杂草等。2010年我国已开发出能够进行作物嫁接的农用机器人并将其应用到生产实际中,随着计算机智能技术的发展,农业机器人的实用化步伐将会进一步加快。

此外,进入21世纪,我国农业机械装备设计制造行业加快了引进消化、自主创新的步伐,在新兴农业机械制造技术方面广泛应用了计算机辅助技术。此外,在农业机械制造中,数控加工中心、精密铸造加工与喷漆机器人、焊接机器人等广泛应用到各生产企业,农业机械的制造质量与可靠性将进一步快速提高。

5.6.3智能化农业机械

20世纪90年代以来,国外发达国家智能化农机产生的极大效益震撼了我国的农业装备发展,特别是与航空航天技术结合提出了未来主导现代化农业发展的核心是“精细农业技术”。精细农业技术是综合应用地球空间信息技术、计算机辅助决策技术、农业工程技术等现代高新科技,以获得农田高产、优质、高级的现代化农业生产模式和技术体系;是运用全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、传感器及检测系统、计算机控制器及变量执行设备等信息技术,对大田农作物生产和畜牧生产实施监控,从而提高作物和畜牧产量和质量,最大限度地保护生态环境,保证农业的可持续发展。精细农业技术在农业机械领域应用的关键是对机械作业过程、质量、效果的智能控制,前提条件是要结合电子技术、计算机信息技术和生物工程技术。特别是21世纪低碳经济时代的来临,对环境保护和资源节约提出了更高的要求。因此先进适用、智能化、精准化、多功能、高效率的保护性耕作、复式作业机械等促进可持续发展的农业装备已成为当今农机工业的技术发展趋势。

为了与世界高新农业技术接轨,国家高度重视现代农机智能装备与技术研究,2010年列入了国家863现代农业技术领域计划的重点项目,由农业装备产业技术创新战略联盟组织实施,中国农业机械化科学研究院、江苏大学、现代农装科技股份有限公司、洛阳中收机械装备有限公司、山东五征集团有限公司等22家科研院所、高等院校和企业共同参与。同时,国内多家农机企业主动联合国内外著名农机研究单位和高校,相继开展智能农机装备的开发与生产,目前能够用于实际生产和进入中试阶段的产品有:

1)拖拉机智能导航和悬挂机组作业的智能控制。该系统由转向操纵控制器、电液控制转向系统、角度传感器、压力传感器组成,建立了拖拉机电液控制转向系统的数学模型,并通过适宜的控制电压信号来操纵电液转向系统,跟踪期望前轮偏角,实现拖拉机智能导航;在拖拉机液压悬挂系统中安装位置传感器、力传感器和速度传感器,通过配备的智能终端对拖拉机电子液压悬挂的各种农具作业状态进行检测和控制,由操作者在人机交换面板上对作业对象的控制方法进行比较分析,能够精确控制作业的效果和质量,能够自动识别障碍物,当遇到障碍物时停止作业并发出报警声,从而使拖拉机实现了自动化、智能化作业。

现代谷物联合收割机应用智能控制技术可以实现以下几个功能:割茬高度自动控制、脱粒喂入量自动控制、收割台自动仿形、谷粒损失率监测和显示等功能;自动监测并显示作业速度、脱粒滚筒转速等运行参数;故障诊断及报警;计算和统计作业面积、耗油率及产量等智能化功能。部分谷物联合收割机产品已装有卫星定位系统接收机和能采集、计算以及统计产量的各种传感器,利用监测和处理的数据,可在专用计算机上利用软件生成小区产量分布图,并通过彩色显示器向驾驶员显示或由打印机打印出彩色产量分布图。

现代谷物联合收割和智能控制下一代研制的智能联合收割机上将配置更完善的监测传感器、电脑控制中心,以及一些自动调节机构,不仅能有效地监视各个主要工作部件的工况,而且还能根据电脑控制中心的操作指令,驱动相应的调节机构,迅速进行自动调节,使各个工作部件处于最佳工作状态,获取最高的生产效率和最好的质量;设备能及时自动停机,以避免发生大的故障。现代智能收割机与遥感技术、卫星导向系统相结合,可实现收割作业的无人操作。

3)借助于计算机、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和灵巧的多用途拖拉机综合技术,可以准确施用除草剂除草的智能机器人在国内一些高校已进入攻关阶段。它主要是利用高分辨率图像采集系统,区分作物和杂草的色差和生物特征,携带的GPS接收器便会显示出确定杂草位置的坐标定位图,通过卫星传输或将这些信息当场按顺序输入便携式计算机,再把上述信息数据资料制成信息卡输到拖拉机上的一台计算机里。当驾驶拖拉机进入田间耕作时,除草机器人便会严密监视行程位置,遇到杂草区,它的机载杆式喷雾器相应部分立即启动,让化学除草剂准确地喷撒洒所需地点。

4)智能控制技术正在通过电子信息化技术改造和提升传统农业机械,提高拖拉机、联合收割机、播种机、植保机械、节水装备、农林飞机等系统控制水平和智能水平,促进自动化、智能化和精准化农业技术的研发及尽快应用,充分利用现有的高新技术,如节能环保型动力机械、保护性耕作新技术机具、精量播种机械、农业废弃物综合利用技术设备、节水灌溉设施、精确高效施药技术与机具、高效农业航空作业专用飞机及机载专用配套设备、农产品质量安全检测与监控设备等,以提高其生产率、安全性、舒适性等。

5)在引进吸收发达国家的先进经验基础上,国内研究机构已开始实施变量处方农作的谷物精密播种机、施肥机、施药机和灌溉等设备的实验开发,并开始了对棉花、甜菜、马铃薯、水稻、甘蔗、牧草和水果等收获机械产量计量传感器的研究。实施按处方图进行农田投入调控的智能化农业机械,如安装有定位系统及处方图读入装置的,可自动选择种子类型,按处方调节播量的小麦精密播种机,自动施肥、施药机,可控喷水量的喷灌机均已有部分商品化产品,并在继续完善之中。

回顾我国农业发展的历史,农业的发展首先得益于生产工具的进步,上万年之间,我们的祖先从最为原始的石制农具发展到具有现代文明的农业机械装备,农业生产工具的革新推动了农业生产的发展进步,可以说,由传统农具到现代农机装备,从一个侧面记录下了时代前进的步伐。农业是我国支撑国民经济建设的命脉,实现新时期的四个现代化农业占据首要位置,没有农业的现代化,就没有整个国家的现代化,农业机械化是推动农业现代化发展的动力。横向比较世界发达国家的农业发展,现代农业装备技术已向大型、高速和高生产率的方向发展,电子技术、计算机技术、空间技术等先进科学手段应用到农业机械中,取得了极高的多面效益。我国农业生产机械装备技术手段处在快速飞跃发展的重要阶段,在未来时期内,农业装备将成为国家优先发展的重点行业之一,特别是当前我国农业机械化已经由初级阶段跨入了中级发展阶段,预示着我国农业机械化将迎来一个高速发展的新时代。农业机械化发展进程蕴藏着巨大的广阔前景,必将推动现代化农业快速进步,未来农业生产将是一个高度的机械化、智能化、信息化操控的现代化模式。