應(yīng)用TRIZ對包裝飲用水生產(chǎn)清洗消毒劑自動添加系統(tǒng)的改進-黎洪周

1、應(yīng)用TRIZ對包裝飲用水生產(chǎn)清洗消毒劑自動添加系統(tǒng)的改進黎洪周（專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化、學(xué)號：141010130060007、班代號摘要：針對包裝飲用水行業(yè)中清洗消毒自動添加系統(tǒng)過程濃度控制不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，找出導(dǎo)致自動添加系統(tǒng)工作狀態(tài)不夠理想的原因。利用TRIZ 創(chuàng)新方法對問題進行描述及分析，最終得出一種解決自動添加系統(tǒng)濃度控制不穩(wěn)定問題的設(shè)備改進方案。關(guān)鍵詞：包裝飲用水；清洗消毒劑；添加系統(tǒng)；濃度；控制1 引言飲用水的生物安全性，是飲水安全最重要和首要必須保證的。因為一旦飲水的生物安全性得不到保證，就會引起水介疾病的暴發(fā)，給廣大人民的生命和健康造成重大損失。WH

2、O認為，全球有88%的疾病應(yīng)該歸咎于不安全的用水和缺乏相關(guān)的衛(wèi)生設(shè)施。WHO的飲用水準則已經(jīng)證實了與飲用水有關(guān)的衛(wèi)生問題大多來自微生物，比如說細菌、病毒、原生動物或其他生物來源。由于我國飲用水源污染越來越嚴重，水源水體的富營養(yǎng)化和水質(zhì)的不斷惡化造成水源性致病細菌和病毒的嚴重污染以及水中藻類大量繁殖，特別是藍綠藻，對水的生物安全性有很大影響。隨著社會的進步和人民生活水平的提高，越來越多的居民把包裝飲用水作為主要的日常飲用水來源。即使在我國廣大的農(nóng)村地區(qū)，包裝飲用水的消費量也日益增加。有數(shù)據(jù)表明，2011年112月，全國包裝飲用水的產(chǎn)量達4789萬噸，同比增長25.67 %。其中，廣東省包裝飲用水

3、的產(chǎn)量達825.7萬噸，同比增長9.15 %，占全國總產(chǎn)量的17.24 %。近幾年，頻發(fā)的飲用水源污染事件，也引導(dǎo)了人們將包裝飲用水作為日常飲用水源的趨勢。例如，2010年7月，由于洪水影響而導(dǎo)致7000多只化工原料桶及成品桶、空桶沖入松花江，從而引發(fā)了吉林和黑龍江兩省居民搶購包裝水的熱潮；2012年1月發(fā)生的廣西龍江的鎘污染事件，影響了龍江沿線數(shù)百萬居民的飲水安全，沿線政府采購了數(shù)噸包裝飲用水作為儲備水源。以上事件表明，在飲用水安全事件應(yīng)急處理中，包裝飲用水也發(fā)揮了巨大的作用。但是，與此同時，我國包裝飲用水的質(zhì)量卻不容樂觀。根據(jù)我國桶裝飲用水連續(xù)數(shù)年的檢測發(fā)現(xiàn)，合格率較其他飲料產(chǎn)品偏低，甚至

4、有些地區(qū)抽查中合格率僅為50%，主要的問題是微生物污染。而瓶裝水雖然抽查的質(zhì)量合格率比桶裝水稍好，但也經(jīng)常出現(xiàn)消費者投訴等問題，究其原因，大部分與由于微生物生長引起的感官、味道和氣味的變化有關(guān)。有研究表明，包裝飲用水微生物質(zhì)量不合格主要是由于包裝物的清洗消毒不合理引起的。瓶（桶）裝飲用水生產(chǎn)許可證審查細則規(guī)定，瓶（桶）及其蓋的清洗消毒應(yīng)作為包裝飲用水生產(chǎn)的關(guān)鍵控制點。生產(chǎn)企業(yè)建立了各種質(zhì)量管理體系和程序文件，以符合國家要求的規(guī)定。但是，在實際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)設(shè)備和消毒劑自身分解和消耗等原因，在生產(chǎn)過程中，隨著時間的推移，清洗劑和消毒劑的濃度會緩慢下降，從而影響對微生物的殺滅作用，對產(chǎn)品的質(zhì)

5、量造成隱患。通常情況下，不少廠家都采用定時人工補加的方式，從而保證使用過程中清洗劑和消毒劑的濃度。然而，這種方式也會造成使用過程中的濃度波動較大，而且可能由于操作人員的疏忽或誤操作而導(dǎo)致生產(chǎn)責(zé)任事故，同時也會增加員工的操作負擔(dān)，增加工作量。因此，應(yīng)用清洗劑和消毒劑的自動添加系統(tǒng)，能夠滿足人們對包裝飲用水生產(chǎn)工藝過程指標和自動化程度普遍提高的要求，對于提高包裝飲用水的質(zhì)量具有重要意義。但是,目前工廠使用的清洗劑和消毒劑的自動添加系統(tǒng)在進行過程自動補加時，都會出現(xiàn)濃度控制不穩(wěn)定的情況。本文利用TRIZ理論分析問題和解決問題的方法對清洗消毒劑的自動添加系統(tǒng)濃度控制的問題進行分析及改進，旨在有效改善自

6、動添加系統(tǒng)濃度控制的穩(wěn)定性，提高其可靠性和自動化程度。2 TRIZ理論簡介TRIZ理論是發(fā)明問題解決理論的俄文縮寫，是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇阿奇舒勒（G.S.Altshuler）及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，自1946年開始，花費1500人年的時間，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上所提出的一套發(fā)現(xiàn)問題解決問題的發(fā)明理論。在TRIZ中提出了用39個通用工程參數(shù)來描述技術(shù)矛盾，用40條發(fā)明創(chuàng)造原理來指導(dǎo)設(shè)計人員的創(chuàng)新設(shè)計，并且建立了對應(yīng)關(guān)系，即矛盾矩陣。應(yīng)用矛盾矩陣解決實際問題時，須將設(shè)計中的特定問題預(yù)先處理，即用TRIZ的39個工程參數(shù)描述矛盾，并且要對使用矛盾矩陣得到的原理解進行后處理，即把原理

7、解轉(zhuǎn)化為領(lǐng)域解，以得到需要的特定解。3 基于TRIZ的自動添加系統(tǒng)改進過程3.1 TRIZ 理論解決問題流程圖任何一個工程問題的解決，都有其解決問題的流程，不同之處是問題解決方法和模式。TRIZ 理論解決工程問題常用的流程圖見圖1。圖1 TRIZ 理論解決問題流程圖由圖1 可知，遇到任何工程問題，第一步先對問題進行描述。將問題描述清楚，是找出正確問題的關(guān)鍵，同時也反映出我們對問題理解的深度。在描述問題時，需要定義技術(shù)系統(tǒng)名稱及其功能，描述問題的初始情況、技術(shù)系統(tǒng)當(dāng)前存在的主要問題和技術(shù)系統(tǒng)主要缺點在什么情況出現(xiàn)，明確初步思路的解決方案及存在的缺陷和需要解決的問題，確立對新技術(shù)系統(tǒng)的要求和技術(shù)系

8、統(tǒng)IFR。當(dāng)?shù)玫搅饲逦膯栴}定義與描述之后，可以從組件或流程的角度來建立技術(shù)系統(tǒng)的功能模型并進行功能分析，從功能分析的角度而不是單純技術(shù)角度來分析系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件，探尋組件之間、組件與超系統(tǒng)組件之間的相互作用，得到正常功能、不足功能、過剩功能和有害功能，以幫助工程師更詳細地理解技術(shù)系統(tǒng)中部件之間的相互作用。其目的是優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)功能，以對系統(tǒng)進行較少的改變就能解決技術(shù)系統(tǒng)的問題，并最終實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的理想度的提升。功能模型分析可以明晰系統(tǒng)功能問題，功能問題可以通過因果鏈分析找出產(chǎn)生該問題的根本原因。如果關(guān)鍵問題屬于矛盾問題，可以應(yīng)用39個工程參數(shù)和發(fā)明原理來進行求解。3.2 問題描述清洗消毒劑自

9、動添加系統(tǒng)是由控制箱、氣動泵、加藥桶和液位計等主要部分組成，主要功能是控制化學(xué)藥劑的濃度。自動添加系統(tǒng)采用定時控制加藥的方式，替代人工操作按規(guī)定的要求配制清洗劑和消毒劑，可實現(xiàn)首次添加、過程自動添加和手動補加等功能。目前該系統(tǒng)存在的主要問題是系統(tǒng)在進行過程自動補加時，會出現(xiàn)濃度控制不穩(wěn)定的情況?，F(xiàn)階段解決方案是采用定時人工檢查濃度的控制方法，當(dāng)檢測藥劑槽濃度偏低時，再開啟添加系統(tǒng)手動補加程序進行補加。但是，此操作增加了員工檢測藥劑濃度的頻率，增加了工作量，而且浪費檢測藥劑。 當(dāng)下需要解決的問題是如何提高自動添加系統(tǒng)在過程補加中濃度控制的穩(wěn)性？ 希望改進后的理想結(jié)果是自動添加系統(tǒng)能實現(xiàn)與內(nèi)洗設(shè)備

10、聯(lián)動，減少人員檢測濃度和操作系統(tǒng)的頻率，在生產(chǎn)過程中，可以保證藥劑濃度的穩(wěn)定。 3.3 系統(tǒng)分析從系統(tǒng)組件的角度來建立自動添加系統(tǒng)的功能模型并進行功能分析，從功能的角度來分析系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件，探尋組件之間、組件與超系統(tǒng)組件之間的相互作用，得到正常功能、不足功能、過剩功能和有害功能，以幫組我們更詳細地理解自動添加系統(tǒng)中部件之間的相互作用。目的是優(yōu)化自動添加系統(tǒng)功能，簡化自動添加系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并最終實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)理想的提升。首先，對自動添加系統(tǒng)進行層級劃分，建立構(gòu)成自動添加系統(tǒng)的組件層級圖見圖2。由于自動添加系統(tǒng)濃度控制的問題主要是在第二層級，所以選擇第二層級組件進行分析，并建立自動添加系統(tǒng)的組件列

11、表圖見圖3和自動添加系統(tǒng)的相互作用矩陣圖見圖4。其次，通過對自動添加系統(tǒng)組件列表與相互作用矩陣的分析，建立自動添加系統(tǒng)的功能分析表見圖5和功能模型圖見圖6。最后，通過對功能模型的分析，描述了系統(tǒng)中的組件，以及它們之間的相互關(guān)系，并得出導(dǎo)致自動添加系統(tǒng)濃度控制不穩(wěn)定的兩個功能因素：一、藥劑槽自動補水過度，導(dǎo)致化學(xué)藥劑濃度波動大； 二、氣動泵添加量不足引起濃度波動。 圖2自動添加系統(tǒng)的組件層級圖技術(shù)系統(tǒng)主要功能組件超系統(tǒng)組件化學(xué)藥劑自動添加系統(tǒng)移動（藥劑桶中的）化學(xué)藥劑（到藥劑槽中）（為藥劑槽補充化學(xué)藥劑）控制箱藥劑槽氣動泵壓縮空氣管路作業(yè)人員藥劑桶液位計化學(xué)藥劑圖3 自動添加系統(tǒng)的組件列表圖圖4

12、自動添加系統(tǒng)的相互作用矩陣 圖5 自動添加系統(tǒng)的功能分析表圖6 自動添加系統(tǒng)的功能模型圖3.4 因果鏈分析通過構(gòu)建因果鏈探明自動添加系統(tǒng)出現(xiàn)濃度不穩(wěn)定的根本原因是控制箱檢測功能缺乏，產(chǎn)生的不良后果會引起產(chǎn)品變質(zhì)?；瘜W(xué)藥劑濃度不穩(wěn)定原因軸分析見圖7，結(jié)果軸分析見圖8。圖7 化學(xué)藥劑濃度不穩(wěn)定原因軸分析圖8 化學(xué)藥劑濃度不穩(wěn)定結(jié)果軸分析3.5 由TRIZ 方法得到的解決方案針對TRIZ 轉(zhuǎn)化的問題“如何消除藥劑槽補水時氣動泵添加量不足”，以上我們通過因果鏈分析得出氣動泵添加量不足的主要原因是控制箱檢測功能缺乏導(dǎo)致的。我們初步構(gòu)思：提高自動添加系統(tǒng)過程濃度控制的穩(wěn)定性。然后通過運用矛盾矩陣表，將所需

13、改善的問題轉(zhuǎn)換為39 個工程參數(shù)中的參數(shù)項目，結(jié)合矛盾矩陣表查找對應(yīng)的發(fā)明原理尋求解決方法。而此方案所需改善的參數(shù)是“穩(wěn)定性”，但同時定義的惡化參數(shù)是“控制和測量的復(fù)雜性”， 即產(chǎn)生了技術(shù)矛盾。利用矛盾矩陣查找創(chuàng)新原理，得到以下方案。從23號反饋原理中得到啟發(fā)，自動添加系統(tǒng)可以通過在藥劑槽中增設(shè)化學(xué)藥劑濃度傳感器提高濃度控制的穩(wěn)定性。當(dāng)藥劑槽補水使藥劑濃度低至下限時，傳感器會檢測到藥劑濃度偏低，并將信號傳送至控制箱PLC,PLC接收到信號后再控制泵加藥，當(dāng)藥劑濃度達到上限時，傳感器再傳遞信號停止加藥。4 運用TRIZ 理論后自動添加系統(tǒng)改進總結(jié)通過TRIZ 理論幫助我們從自動添加系統(tǒng)組件的角度來建立系統(tǒng)的功能模型并進行功能分析，使我們更詳細地理解添加系統(tǒng)中各組件之間的相互作用和明晰系統(tǒng)的功能問題，并幫助我們從矛盾分析的方法中找出解決問題的方案。目前通過TRIZ理論得出的在藥劑槽中增設(shè)濃度傳感器的改進方案不僅可以解決自動添加系統(tǒng)過程濃度控制的穩(wěn)定性，而且還可以減少人