1 绪论
1.1 研究背景和目的
2019 年全年全国快递共完成 630 亿件，同比增长 24%[1]。随着快递业的规模的不断扩大，快递包装行业也面临着巨大的生产压力。瓦楞纸箱因其轻便、牢固、便于机械化生产的特点被广泛的应用于快递包装行业[2]。2019 年，中国瓦楞纸箱市场销售总额为 2180 亿元，以往平均复合年增长率 5.7%，预计在 2024 年其市场规模将达到 2745 亿元[3]。尽管我国是世界瓦楞包装大国，但是人均瓦楞纸板消费仅有 40m2/年，不及美日等发达国家的一半，相比较国外成熟的纸箱生产体系，我国的纸箱产业还处于成长初期。目前，我国瓦楞纸箱行业前十大企业的国内市场占有率合计在 10%以下，而以国际纸业为首的世界前五大瓦楞纸箱企业占据了超过 70%的国内市场。2021 年是“十四五规划”的开局之年，面对日益激增的行业需求和巨大的纸箱包装市场，国内包装行业迫切需要瓦楞纸箱的高速流水线以提高生产效率。瓦楞纸箱的生产速度主要受制于其干燥速度[4]。瓦楞纸箱的基材是瓦楞纸板，纸板是由纸芯和纸张粘合而成的板状物。其粘合过程中主要使用淀粉粘合剂[5]进行粘合。但是淀粉粘合剂以水作为溶剂，含水量通常高达 60%至 70%。这导致纸板在粘合成型过程中有大量的水分打湿纸张，严重影响了纸板的整体干燥速度，不利于连续、高速生产。
粘合纸板干燥是纸箱包装成型中的一个重要环节，印刷过程中的干燥环节能够直接影响到纸板的质量，其干燥速度对纸箱包装的生产速度有很大影响。目前主要有自然干燥、加热器干燥、红外干燥、热风干燥、微波干燥[6]等方法对淀粉粘结剂粘合的瓦楞纸板进行干燥。
自然干燥是把粘合好的纸板静置 30 分钟左右，再放入切割生产线当中进行后续加工。这种方法速度慢，受工厂环境的影响大，纸板的完好率低，不适用于大批量、高速度的生产。
加热器干燥是指将粘接好的瓦楞纸板贴在加热辊上完成干燥[7]。该方法工艺简单但干燥效率低，能耗大，同时，过热的加热表面也不利于工作人员进行箱体位置的调整。
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1.2 瓦楞纸板微波干燥技术的国内外研究进展
瓦楞纸板微波干燥技术与微波干燥技术的发展密切相关，微波干燥技术起源于 20 世纪 40 年代，1946 年，Wilson 在回声箱式雷达设计中，开始探索微波磁场在谐振腔中的叠加效果[14]。
1947 年，雷声公司推出了第一台家用微波炉，但是该产品并不成熟，未能大规模推广。
1950 年，Krusen 等[15]将微波加热技术应用于临床研究，将微波技术对人体进行加热从而提高手术成功率，同年，Nickerl 等[16]将微波加热技术应用于治疗非细菌性前列腺炎。
1954 年，Ericson 等[17]阐述了如何将微波加热技术应用于工厂生产当中对物料进行脱水干燥。
1958 年，Medvedev 等[18]通过添加无机化合物来提高微波干燥物料的能力。 二十世纪 60 年代至 70 年代，因微波干燥技术高效，节能的特点，该技术被大量应用于食品，医疗，印刷等领域[19-21]。1967 年，经福斯改进后的微波炉便宜耐用，成功走进了千家万户。 印刷行业中，微波干燥技术最早应用于干燥树脂浸渍纸[22]，实验中，以 2.9 KW的微波功率将润湿后的纸张烘干，总烘干效率在 50%-70%左右。
Wilianm 在 1970 年申请专利，将微波干燥技术应用于胶粘纸张。但由于粘接后的瓦楞纸板含水率高，所需的微波功率大，以及微波功率控制的技术难点，导致其不能应用到瓦楞纸箱生产线上。在 20 世纪 70 年代到 90 年代的小规模生产中，人们采用自然放置纸板或用加热辊将纸板烘干。而且在大规模生产中，人们更多地采用热风干燥技术[23]。
1976 年，刊登在《造纸技术通讯》期刊上的一篇文章较为详细的介绍了微波技术在国外造纸工业的应用概况[24]。该文详细的介绍了在当时的背景下，微波技术可以如何应用于传统造纸各生产环节，并分析了微波技术的机理以及优缺点。遗憾的是，受限于控制技术水平以及生产规模和成本原因，微波干燥技术并未大规模应用于造纸工业。
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2 瓦楞纸板微波干燥原理
2.1 瓦楞纸板微波干燥原理研究
瓦楞纸板通常是指由瓦楞纸和箱纸板通过淀粉胶水粘合而成的板状物。瓦楞纸板根据纸张和箱纸板不同的组合方式可以分为不同的种类。箱纸板是由草浆和废纸打浆后制成的瓦楞纸，再被机械轧成瓦楞状。所谓的瓦楞状指的是纸张之间以紧密的三角形坑纹连接，形成波纹状，在节省材料消耗的同时拥有较好的机械强度、平面承压能力以及较大的使用面积。根据瓦楞的厚度可以将瓦楞纸板分为ABCE 四类，不同的的瓦楞类型有着不同的优劣性，A、C 楞较厚，抗顶底压强强度较好，适用于承压较大的纸箱。B 楞则较为轻盈，空间利用性较好，适用于体积大而质量轻的包装场合。E 楞的厚度最高，抗压性最好，但是吸震能力较差，多使用于需要被彩印的瓦楞纸箱。粘合后的纸板如图 2-1 所示。瓦楞纸板具有质量轻、源材料获取简单、易于加工成型、抗压强、可循环使用等优点。自十八、十九世纪瓦楞纸板就开始应用于多种包装场合中，进入二十世纪以后，瓦楞纸板开始被全面应用于不同领域的各类商品。而发展至今，为了提高自己的产品竞争力，许多瓦楞纸板厂家不但有着包装美观的需求，同时也有着提高生产速度的需求。
图 2-1 瓦楞纸板
2.2 瓦楞纸板微波干燥系统智能控制
2.2.1 微波干燥的控制难点
前一小节介绍了微波干燥系统的相关知识，可以根据不同的生产代入计算。但是，从节能，安全等现代生产要求的角度上来讲，还需要实现对微波功率的控制。微波干燥与传统干燥有很大不同：
(1)从干燥时间的角度来看，微波干燥是从内到外的过程，而传统干燥是从外到内的过程。微波干燥仅作用于包含极性分子的待干燥物体，干燥则是加热了整个待干燥物体，因此干燥时间大大缩短。
(2)从能量损失的角度来看，因为在微波干燥过程中，干燥腔通常由金属制成，除了待干燥的物体外，该反应室对微波反应不敏感并减少了能量损失。
（3)从控制角度看，微波以光速传播。使用电源开关，加热过程可以快速开始和结束，而无需长时间的加热和等待。
尽管与传统的干燥方法相比，微波干燥具有明显的优势，但是在其干燥过程中还存在许多问题：
(1)热失控的风险。微波控制需要大量的先验知识来研究它们在不同介质中的特性。但是，因为在干燥过程中，微波干燥腔中有很强的电磁场。常见的温度检测传感器（例如光纤温度计）价格昂贵，并且只能间歇性地进行测量。热电偶和热阻传感器将在电磁场的作用下产生感应电流，这将导致温度测量元件与导线发热，从而影响温度测量的准确性。红外测温仪只能测量瓦楞纸板的表面温度，而微波干燥属于体积加热，红外测温仪无法完全描述物体内部的温度变化状态。
(2)微波功率分布不均引起的热失控和热不均匀。热失控是指由于微波功率的变化而引起介质温度的快速变化，从而影响被干燥物的干燥质量。热不均匀是指微波干燥温度场的不均匀分布，导致在模内不同位置的温差大，严重影响了干燥效果。
(3)微波能量的浪费。如果将微波源固定在高功率下，则被干燥物的蒸发将会积聚水蒸气，并且会发生固、液和气的三相变化。随着被干燥物的介电特性的变化，其吸收微波的能力也随之变化，对微波功率的控制很难跟上。造成能源浪费和生产风险。
由于上述缺点，难以准确地理解微波与介质之间的相互作用过程，并且不易通过多物理场耦合来计算电磁场和温度场的变化过程。同时，难以测量被干燥物的介电特征和热物理性质。
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3 瓦楞纸板微波干燥系统软、硬件设计 ................................... 19
3.1 瓦楞纸板微波干燥系统设计 ..................................... 20
3.1.1 控制器的选择 ..................................... 20
3.1.2 干燥系统电源电路和磁控管控制电路 ................................ 21
4 瓦楞纸板微波干燥系统的神经网络辨识控制 ................................. 31
4.1 径向基神经元网络 .............................. 31
4.2 粒子群算法及其改进 .................................. 32
4.3 微波干燥系统的神经网络辨识控制 ........................... 34
5 瓦楞纸板微波干燥实验结果分析 ................................... 38
5.1 PLC 与上位机通信 ...................................... 38
5.2 实验结果与分析 .................................. 40
5 瓦楞纸板微波干燥实验结果分析
5.1 PLC 与上位机通信
PLC 内存较小，通常需要采用与上位机通讯的方式进行智能控制。PLC 与 PC的通信需要借助组态软件和 RS485 来实现，RS485 提供上、下位机通讯渠道。组态王是亚控科技开发的上位机组态软件。上位机指的是可以对被控设备直接发出命令进行控制的计算机。它与 PLC 进行数据互换，但最终还是由 PLC 控制设备运行。上位机主要起计算作用。组态王软件之所以可以控制 PLC，是因为通过通讯将一个按钮或数据页面发送到 PLC 的相应地址，从而改变 PLC 程序数据状态控制设备。上位机能更直观显示的控制设备状态，它能取代按钮和仪表显示。若设备离开上位机，通过按钮控制，设备仍然可以工作。
组态王和 PLC 项目之间的关系非常简单，作为一个处理器，PLC 运行它的程序代码，组态王进行监控，形成一个控制和监控系统。两者之间没有直接关系，但通常配合一起使用。PLC 的 CPU 为处理单元运行和执行程序，组态王作为仿真软件模型，可以通过联机 PLC 实现在线模拟工作环境和监控 PLC 工作状态。不同的是，组态王一般调用辅助继电器控制，而 PLC 本身不需要辅助继电器就可以直接处理开关量信号。组态王控制页面如图 5-1 所示。
图5-1 组态王控制页面
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6 总结和展望
在印刷包装行业需求飞速增长的前提条件下，分析了国内外瓦楞纸板干燥技术发展过程，结合国外最新研究进展和国内小型包装企业生产情况，选择了建立瓦楞纸微波干燥设备。在分析了实际生产需求以后，参考一般微波干燥设备的设计过程，根据计算和经验得到了干燥系统的所需功率和腔体尺寸。其次，根据以往厂家生产经验和生产需求，选择台达 DVPSS 系列小型 PLC 作为系统的主控制器，并设计相关电路和控制程序。为了响应绿色印刷的需求，从减少微波功率的浪费和微波控制的安全角度考虑，参考了国外最新的瓦楞纸板干燥系统的辨识控制，使用 RBF 神经网络对系统进行辨识，同时，利用自适应粒子群算法对辨识过程进行优化，再通过 MATLAB、组态王、PLC 三者之间的通信实现智能控制，实验结果表明，该辨识控制达到了生产所需。
在今后的研究中，可从以下几个方面着手：优化后的 RBF 网络始终属于静态神经元网络，对系统响应不够敏感，而在微波干燥法下，可探索动态递归神经元网络的应用。Matlab，组态王， PLC 三种通信还是有点臃肿，可以尝试使用 Advanced RISC MachinesARM（）设备和嵌入式系统直接与 PLC 交互来完成大容量的计算。试验中，对外部环境的检测不够精细，如内腔温度和微波功率，只能知道大致范围，虽然可以满足干燥瓦楞纸板的需求，但无法应用于药物、化学试剂等对生产环境要求较高的产品，需要进行进一步的研究。
参考文献（略）