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

1、應(yīng)用TRIZ對(duì)包裝飲用水生產(chǎn)清洗消毒劑自動(dòng)添加系統(tǒng)的改進(jìn)黎洪周（專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、學(xué)號(hào)：141010130060007、班代號(hào)摘要：針對(duì)包裝飲用水行業(yè)中清洗消毒自動(dòng)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(dòng)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(duì)問題進(jìn)行描述及分析，最終得出一種解決自動(dòng)添加系統(tǒng)濃度控制不穩(wěn)定問題的設(shè)備改進(jìn)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?yàn)橐坏╋嬎纳锇踩缘貌坏奖ＷC，就會(huì)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(rèn)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(zhǔn)則已經(jīng)證實(shí)了與飲用水有關(guān)的衛(wèi)生問題大多來(lái)自微生物，比如說細(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物或其他生物來(lái)源。由于我國(guó)飲用水源污染越來(lái)越嚴(yán)重，水源水體的富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)的不斷惡化造成水源性致病細(xì)菌和病毒的嚴(yán)重污染以及水中藻類大量繁殖，特別是藍(lán)綠藻，對(duì)水的生物安全性有很大影響。隨著社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，越來(lái)越多的居民把包裝飲用水作為主要的日常飲用水來(lái)源。即使在我國(guó)廣大的農(nóng)村地區(qū)，包裝飲用水的消費(fèi)量也日益增加。有數(shù)據(jù)表明，2011年112月，全國(guó)包裝飲用水的產(chǎn)量達(dá)4789萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)25.67 %。其中，廣東省包裝飲用水

3、的產(chǎn)量達(dá)825.7萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)9.15 %，占全國(guó)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(shì)。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(gòu)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(wàn)居民的飲水安全，沿線政府采購(gòu)了數(shù)噸包裝飲用水作為儲(chǔ)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(shí)，我國(guó)包裝飲用水的質(zhì)量卻不容樂觀。根據(jù)我國(guó)桶裝飲用水連續(xù)數(shù)年的檢測(cè)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(fèi)者投訴等問題，究其原因，大部分與由于微生物生長(zhǎng)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(xì)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(diǎn)。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(guó)家要求的規(guī)定。但是，在實(shí)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(shí)間的推移，清洗劑和消毒劑的濃度會(huì)緩慢下降，從而影響對(duì)微生物的殺滅作用，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)

5、量造成隱患。通常情況下，不少?gòu)S家都采用定時(shí)人工補(bǔ)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(huì)造成使用過程中的濃度波動(dòng)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(shí)也會(huì)增加員工的操作負(fù)擔(dān)，增加工作量。因此，應(yīng)用清洗劑和消毒劑的自動(dòng)添加系統(tǒng)，能夠滿足人們對(duì)包裝飲用水生產(chǎn)工藝過程指標(biāo)和自動(dòng)化程度普遍提高的要求，對(duì)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(dòng)添加系統(tǒng)在進(jìn)行過程自動(dòng)補(bǔ)加時(shí)，都會(huì)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(duì)清洗消毒劑的自動(dòng)添加系統(tǒng)濃度控制的問題進(jìn)行分析及改進(jìn)，旨在有效改善自

6、動(dòng)添加系統(tǒng)濃度控制的穩(wěn)定性，提高其可靠性和自動(dòng)化程度。2 TRIZ理論簡(jiǎn)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(fèi)1500人年的時(shí)間，在分析研究世界各國(guó)250萬(wàn)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(gè)通用工程參數(shù)來(lái)描述技術(shù)矛盾，用40條發(fā)明創(chuàng)造原理來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并且建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，即矛盾矩陣。應(yīng)用矛盾矩陣解決實(shí)際問題時(shí)，須將設(shè)計(jì)中的特定問題預(yù)先處理，即用TRIZ的39個(gè)工程參數(shù)描述矛盾，并且要對(duì)使用矛盾矩陣得到的原理解進(jìn)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(dòng)添加系統(tǒng)改進(jìn)過程3.1 TRIZ 理論解決問題流程圖任何一個(gè)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(duì)問題進(jìn)行描述。將問題描述清楚，是找出正確問題的關(guān)鍵，同時(shí)也反映出我們對(duì)問題理解的深度。在描述問題時(shí)，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(diǎn)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(duì)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(lái)建立技術(shù)系統(tǒng)的功能模型并進(jìn)行功能分析，從功能分析的角度而不是單純技術(shù)角度來(lái)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(xì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較少的改變就能解決技術(shù)系統(tǒng)的問題，并最終實(shí)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(gè)工程參數(shù)和發(fā)明原理來(lái)進(jìn)行求解。3.2 問題描述清洗消毒劑自

9、動(dòng)添加系統(tǒng)是由控制箱、氣動(dòng)泵、加藥桶和液位計(jì)等主要部分組成，主要功能是控制化學(xué)藥劑的濃度。自動(dòng)添加系統(tǒng)采用定時(shí)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(shí)現(xiàn)首次添加、過程自動(dòng)添加和手動(dòng)補(bǔ)加等功能。目前該系統(tǒng)存在的主要問題是系統(tǒng)在進(jìn)行過程自動(dòng)補(bǔ)加時(shí)，會(huì)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(shí)人工檢查濃度的控制方法，當(dāng)檢測(cè)藥劑槽濃度偏低時(shí)，再開啟添加系統(tǒng)手動(dòng)補(bǔ)加程序進(jìn)行補(bǔ)加。但是，此操作增加了員工檢測(cè)藥劑濃度的頻率，增加了工作量，而且浪費(fèi)檢測(cè)藥劑。 當(dāng)下需要解決的問題是如何提高自動(dòng)添加系統(tǒng)在過程補(bǔ)加中濃度控制的穩(wěn)性？ 希望改進(jìn)后的理想結(jié)果是自動(dòng)添加系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)與內(nèi)洗設(shè)備

10、聯(lián)動(dòng)，減少人員檢測(cè)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(lái)建立自動(dòng)添加系統(tǒng)的功能模型并進(jìn)行功能分析，從功能的角度來(lái)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(xì)地理解自動(dòng)添加系統(tǒng)中部件之間的相互作用。目的是優(yōu)化自動(dòng)添加系統(tǒng)功能，簡(jiǎn)化自動(dòng)添加系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)理想的提升。首先，對(duì)自動(dòng)添加系統(tǒng)進(jìn)行層級(jí)劃分，建立構(gòu)成自動(dòng)添加系統(tǒng)的組件層級(jí)圖見圖2。由于自動(dòng)添加系統(tǒng)濃度控制的問題主要是在第二層級(jí)，所以選擇第二層級(jí)組件進(jìn)行分析，并建立自動(dòng)添加系統(tǒng)的組件列

11、表圖見圖3和自動(dòng)添加系統(tǒng)的相互作用矩陣圖見圖4。其次，通過對(duì)自動(dòng)添加系統(tǒng)組件列表與相互作用矩陣的分析，建立自動(dòng)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(duì)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(dòng)添加系統(tǒng)濃度控制不穩(wěn)定的兩個(gè)功能因素：一、藥劑槽自動(dòng)補(bǔ)水過度，導(dǎo)致化學(xué)藥劑濃度波動(dòng)大； 二、氣動(dòng)泵添加量不足引起濃度波動(dòng)。 圖2自動(dòng)添加系統(tǒng)的組件層級(jí)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(dòng)添加系統(tǒng)移動(dòng)（藥劑桶中的）化學(xué)藥劑（到藥劑槽中）（為藥劑槽補(bǔ)充化學(xué)藥劑）控制箱藥劑槽氣動(dòng)泵壓縮空氣管路作業(yè)人員藥劑桶液位計(jì)化學(xué)藥劑圖3 自動(dòng)添加系統(tǒng)的組件列表圖圖4

12、自動(dòng)添加系統(tǒng)的相互作用矩陣 圖5 自動(dòng)添加系統(tǒng)的功能分析表圖6 自動(dòng)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(dòng)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(cè)功能缺乏，產(chǎn)生的不良后果會(huì)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(duì)TRIZ 轉(zhuǎn)化的問題“如何消除藥劑槽補(bǔ)水時(shí)氣動(dòng)泵添加量不足”，以上我們通過因果鏈分析得出氣動(dòng)泵添加量不足的主要原因是控制箱檢測(cè)功能缺乏導(dǎo)致的。我們初步構(gòu)思：提高自動(dòng)添加系統(tǒng)過程濃度控制的穩(wěn)定性。然后通過運(yùn)用矛盾矩陣表，將所需

13、改善的問題轉(zhuǎn)換為39 個(gè)工程參數(shù)中的參數(shù)項(xiàng)目，結(jié)合矛盾矩陣表查找對(duì)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(shí)定義的惡化參數(shù)是“控制和測(cè)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(hào)反饋原理中得到啟發(fā)，自動(dòng)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(bǔ)水使藥劑濃度低至下限時(shí)，傳感器會(huì)檢測(cè)到藥劑濃度偏低，并將信號(hào)傳送至控制箱PLC,PLC接收到信號(hào)后再控制泵加藥，當(dāng)藥劑濃度達(dá)到上限時(shí)，傳感器再傳遞信號(hào)停止加藥。4 運(yùn)用TRIZ 理論后自動(dòng)添加系統(tǒng)改進(jìn)總結(jié)通過TRIZ 理論幫助我們從自動(dòng)添加系統(tǒng)組件的角度來(lái)建立系統(tǒng)的功能模型并進(jìn)行功能分析，使我們更詳細(xì)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(jìn)方案不僅可以解決自動(dòng)添加系統(tǒng)過程濃度控制的穩(wěn)定性，而且還可以減少人