靜電噴涂機對紙張檔案保護的研究

胡延平，昌海健

（合肥工業大學，合肥 230041）

0 引言

隨著國家對紙張檔案保護的重視以及檔案修復向著自動化、信息化、智能化方向發展，迫切需要物聯網技術與傳統的修裱機相結合，在滿足紙張除酸的基礎上，調整紙張除酸效果，顯著提高紙張輸送系統的經濟性和效率[1]。

在設計速度控制器時，要先研究紙張輸送的動態過程，對動態過程進行研究規劃。速度最優控制系統是一種離線速度控制，在滿足輸送帶工況的情況下，通過一定的約束條件使紙張輸送帶達到最好的節能效果。紙張輸送機是由承載的輸送帶作牽引機構的連續運輸設備，它具有運輸阻力小、運輸量大、耗電量低等優點[2]。在確定了紙張輸送機運送的紙張特性、運行速度、系統布置情況、驅動裝置型號等，對輸送帶進行動態特性分析。

1 基于自適應算法的輸送帶動力學方程的建立

紙張輸送系統動力學方程為

式中：M為系統質量矩陣；C系統阻尼矩陣；K系統剛度矩陣；F為系統各單元外力矩陣；a、v、x分別為紙張加速度、速度、位移矩陣。

1.1 自適應評價設計方法

自適應評價設計就是在處理和分析過程中，根據處理數據的數據特征自動調整處理方法、處理順序、處理參數、邊界條件或約束條件，使其與所處理數據的統計分布特征、結構特征相適應，以取得最佳的處理效果。自適應評價設計方法由兩個部分組成：一是根據輸送帶速度控制生成控制輸入；二是根據當前輸入系統的反饋生成反饋控制系統。自適應過程是一個不斷逼近目標的過程，它所遵循的途徑以數學模型表示，稱為自適應算法[3]。

紙張輸送帶是一種典型的電能轉化為機械能的系統，輸出的機械能與輸入電能的比值被定義為能量轉換效率，η=p機械/p電，能量轉換效率是一個介于0到1之間的無量綱數字，有時也會用百分比表示。紙張輸送帶的效率可分為4個部分：技術效率、運行效率、設備效率、性能效率。基于自適應評價設計方法研制出一種速度控制優化算法，可以有效提高紙張輸送過程中的運行效率，降低能耗，提高能量轉換效率，通過反復迭代求解出最優速度控制。同時可以根據紙張輸送量的變化自適應地調節紙張輸送帶的運行速度，提高能量轉換效率，并且延長其使用壽命[4]。

1.2 紙張輸送帶動力學單元劃分

對紙張輸送帶進行仿真分析，建立紙張輸送系統狀態模型，基于自適應評價設計方法生成速度控制系統以及速度反饋控制系統。建立紙張輸送系統動力學方程時，需要先對帶式輸送機進行離散化處理，劃分為輸送帶部分、傳動滾筒部分、換向滾筒部分、托輥部分，每一部分作為一個整體，又劃分為多個離散單元。對每個單元的參數進行計算，包括質量參數、阻尼參數、剛度參數，同時，系統包含多個輸入信號x、v、a，建立紙張輸送系統每個部分的動力學方程。

1.2.1 輸送帶單元劃分及動力學方程

用自適應評價設計算法對紙張輸送系統進行簡化，將連續的紙張輸送機模型簡化為單獨模型。考慮到紙張輸送機的離散模型由閉環系統的輸送皮帶和若干個輔助部件組成，將其劃分為有限個離散單元，圖1為紙張輸送動力學模型簡圖，單元1為傳動滾筒，單元9為換向滾筒,采用離散單元的方法，得到一個紙張輸送最優控制策略，可以有效降低能耗，延長使用壽命。

圖1 紙張輸送動力學模型簡圖

輸送帶單元動力學方程為

1.2.2 換向滾筒動力學方程

紙張輸送構成一個閉環回路，換向滾筒與托輥只起到改變皮帶平移方向的作用，兩者均不發生打滑現象。換向滾筒存在自身的旋轉阻力與皮帶的張緊力作用，由于旋轉阻力遠遠小于張緊力，故可以忽略不計，只考慮張緊力對動力學方程的影響。

換向滾筒（單元9）動力學方程為

1.2.3 輸送帶托輥處動力學方程

托輥裝置是紙張輸送機部件中較為特殊的組成部分，通過兩個托輥改變回程輸送帶的運轉方向，從而減少輸送帶密封空間大小，使吸附裝置更容易吸附紙張。托輥與輸送帶之間存在運行阻力，不發生旋轉，僅具有改變方向的作用，沒有旋轉阻力，也不會發生打滑。托輥動力學單元模型如圖2所示，其中單元10、單元17為平移單元，單元11、單元18為旋轉單元。

圖2 托輥動力學單元模型圖

托輥1處輸送帶（單元10、單元11）動力學方程為：

單元10：

單元11：

托輥2處輸送帶（單元17、單元18）動力學方程為：

單元17：

單元18：

1.2.4 傳動滾筒動力學方程

紙張輸送機驅動單元主要包括電動機、聯軸器、減速器、傳動滾筒等部件，在計算時，將各部分質量等效為單元1，傳動滾筒動力學方程為

2 輸送紙張的影響因素

模擬參與實驗的紙張及輸送帶參數為：60 g/m2紙，紙張厚度為0.1 mm，紙張尺寸為a×b=400 mm×300 mm，重力加速度g=9.8 m/s2，輸送帶滾筒半徑R=62.5 mm，輸送帶與紙張之間的標準偏差σ=0.01，紙張與輸送帶之間是無黏結的單層滑動，黏結系數S=1。通過實驗驗證輸送帶成功輸送紙張概率隨滾筒正壓力變化的關系，輸送帶成功輸送紙張概率與滾筒轉速的關系，以及輸送帶成功輸送紙張概率與摩擦因數之間的關系。圖3為摩擦力送紙幾何模型圖，滾筒的轉速為n，輸送帶在輸送過程中會產生一個水平切向力d0，紙張與輸送帶的切向摩擦力為d1，紙張與輸送帶之間的摩擦因數為μ。

判斷輸送帶是否成功輸送，建立成功輸送紙張標準如下：紙張寬度為b，紙張的速度為v紙，輸送機速度為v機，輸送機寬度為l機，除酸系統寬度為l除酸，紙張移動距離為l紙。為使除酸藥液霧化噴涂均勻，紙張在進入除酸系統前應與輸送帶速度保持一致，加速度為0。建立輸送帶成功輸送紙張充分條件：

2.1 成功輸送紙張概率與滾筒正壓力關系

圖3為輸送帶成功輸送紙張概率隨滾筒正壓力變化的關系。從二維柱狀圖中可以看出，成功輸送紙張概率與滾筒正壓力成反比關系，這是因為隨著滾筒正壓力減小，輸送帶與紙張之間的切向摩擦力減小，紙張進給速度減小，紙張輸送穩定性增強，成功輸送紙張概率增大。隨著滾筒正壓力的降低，成功輸送紙張概率明顯下降，由此得出推論：當滾筒正壓力下降到一定程度，輸送帶將無法完成輸送紙張的工作[5]。

圖3 成功輸送紙張概率與滾筒正壓力關系

2.2 成功輸送紙張概率與摩擦因數關系

在摩擦因數一定的條件下，成功輸送紙張概率與滾筒正壓力成反比關系。然而，摩擦因數也是影響輸送帶成功輸送紙張的關鍵因素，分析在滾筒正壓力及滾筒轉速一定的條件下，摩擦因數對成功輸送紙張的影響。由于紙張和輸送帶之間的摩擦因數是正態隨機分布，影響實驗的隨機因素很多，每個因素所起的作用都不太大，每次實驗得到的概率都不相同，因此可以用正態分布近似描述。選取圖4中5組滾筒正壓力數據，每組壓力數據下測試摩擦因數的概率正態分布，每組滾筒正壓力測試150個樣本，每組正壓力下的不同摩擦因數測試30個樣本，以750個樣本計算得到的輸送紙張成功率作為實驗結果。圖4為滾筒正壓力N=0.8 N，摩擦因數標準差σ=0.01，紙張尺寸a×b=400 mm×300 mm，紙張質量為60 g/s2，紙張厚度為0.1 mm下的不同摩擦因數對成功輸送紙張概率的影響。如圖4所示，隨著摩擦因數的增加，成功輸送紙張概率都在95%以上，因此不同摩擦因數對輸送帶輸送紙張沒有直接的影響。摩擦因數太大會引起紙張輸送過程中阻力過大，摩擦因數太小可能會引起紙張在輸送帶上打滑，造成紙張歪斜故障，影響送紙速度。因此在本實驗中，摩擦因數取平均值0.03更趨于合理[6]。

圖4 成功輸送紙張概率與摩擦因數關系

3 控制系統組態軟件設計

國外的上位機監控軟件品牌眾多，發展和應用時間都比較早，性能穩定。每種組態軟件因行業原因，使用率和側重點也有所不同。例如國外的組態軟件常用的有原來英維斯的Intouch，目前被施耐德收購，是最早一批進入中國的組態軟件，使用非常廣泛，國產組態軟件基本都是以它為模板開發[13]。然后就是非常熟悉的西門子Wincc軟件，目前最新版本是v7.5，如果下位機使用的是西門子的PLC，那么在上位機開發組態畫面時使用Wincc是最好的選擇，它的腳本支持VBS和C語言，功能也非常強大。國內組態軟件發展時間雖然較晚，但更能取百家之長，在開發應用中也符合國內實際情況，國產組態軟件的優勢在于驅動比較全面，技術支持比較快捷方便，授權便宜，而國外組態軟件開發版都收費較高。經過綜合比較，本設計選用深圳昆侖通態科技有限公司的TPC7062TI觸摸屏進行紙張除酸機的組態界面開發[7]。

TPC7062TI型MCGS觸摸屏是用于自動化領域生產的觸摸屏，在安裝時要注意安裝的角度，角度范圍是正負30°，并且使用時要注意周圍環境溫度，當溫度過高時會損壞觸摸屏。新建一個MCGS文件，打開MCGS軟件的實時數據庫窗口，添加好紙張除酸機控制系統所需的開關變量，如圖5所示。

圖5 紙張除酸機控制系統觸摸屏組態設計

在設備窗口中，添加西門子smart200設備，并對本地的IP地址以及遠端PLC的IO地址進行設定，將本地觸摸屏的IP地址設置為192.16.0.2，根據實際PLC設備的地址設定PLC的IP地址為192.168.0.1，對該項目實時數據庫中的開關變量與PLC的IO地址進行綁定。

圖6 設備編輯窗口

4 結語

1）基于自適應算法的研究，建立紙張輸送帶各部分動力學方程。

2）在給定條件下，研究紙張輸送的影響因素，得出結論：當滾筒正壓力下降到一定程度，輸送帶將無法完成輸送紙張的工作；摩擦因數趨于0.03更加合理。

3）選用深圳昆侖通態科技有限公司的TPC7062TI觸摸屏進行紙張除酸機的組態界面開發。