应用TRIZ对包装饮用水生产清洗消毒剂自动添加系统的改进-黎洪周

1、应用TRIZ对包装饮用水生产清洗消毒剂自动添加系统的改进黎洪周（专业：机械设计制造及其自动化、学号：141010130060007、班代号摘要：针对包装饮用水行业中清洗消毒自动添加系统过程浓度控制不稳定的现状，找出导致自动添加系统工作状态不够理想的原因。利用TRIZ 创新方法对问题进行描述及分析，最终得出一种解决自动添加系统浓度控制不稳定问题的设备改进方案。关键词：包装饮用水；清洗消毒剂；添加系统；浓度；控制1 引言饮用水的生物安全性，是饮水安全最重要和首要必须保证的。因为一旦饮水的生物安全性得不到保证，就会引起水介疾病的暴发，给广大人民的生命和健康造成重大损失。WH

2、O认为，全球有88%的疾病应该归咎于不安全的用水和缺乏相关的卫生设施。WHO的饮用水准则已经证实了与饮用水有关的卫生问题大多来自微生物，比如说细菌、病毒、原生动物或其他生物来源。由于我国饮用水源污染越来越严重，水源水体的富营养化和水质的不断恶化造成水源性致病细菌和病毒的严重污染以及水中藻类大量繁殖，特别是蓝绿藻，对水的生物安全性有很大影响。随着社会的进步和人民生活水平的提高，越来越多的居民把包装饮用水作为主要的日常饮用水来源。即使在我国广大的农村地区，包装饮用水的消费量也日益增加。有数据表明，2011年112月，全国包装饮用水的产量达4789万吨，同比增长25.67 %。其中，广东省包装饮用水

3、的产量达825.7万吨，同比增长9.15 %，占全国总产量的17.24 %。近几年，频发的饮用水源污染事件，也引导了人们将包装饮用水作为日常饮用水源的趋势。例如，2010年7月，由于洪水影响而导致7000多只化工原料桶及成品桶、空桶冲入松花江，从而引发了吉林和黑龙江两省居民抢购包装水的热潮；2012年1月发生的广西龙江的镉污染事件，影响了龙江沿线数百万居民的饮水安全，沿线政府采购了数吨包装饮用水作为储备水源。以上事件表明，在饮用水安全事件应急处理中，包装饮用水也发挥了巨大的作用。但是，与此同时，我国包装饮用水的质量却不容乐观。根据我国桶装饮用水连续数年的检测发现，合格率较其他饮料产品偏低，甚至

4、有些地区抽查中合格率仅为50%，主要的问题是微生物污染。而瓶装水虽然抽查的质量合格率比桶装水稍好，但也经常出现消费者投诉等问题，究其原因，大部分与由于微生物生长引起的感官、味道和气味的变化有关。有研究表明，包装饮用水微生物质量不合格主要是由于包装物的清洗消毒不合理引起的。瓶（桶）装饮用水生产许可证审查细则规定，瓶（桶）及其盖的清洗消毒应作为包装饮用水生产的关键控制点。生产企业建立了各种质量管理体系和程序文件，以符合国家要求的规定。但是，在实际生产过程中，由于生产设备和消毒剂自身分解和消耗等原因，在生产过程中，随着时间的推移，清洗剂和消毒剂的浓度会缓慢下降，从而影响对微生物的杀灭作用，对产品的质

5、量造成隐患。通常情况下，不少厂家都采用定时人工补加的方式，从而保证使用过程中清洗剂和消毒剂的浓度。然而，这种方式也会造成使用过程中的浓度波动较大，而且可能由于操作人员的疏忽或误操作而导致生产责任事故，同时也会增加员工的操作负担，增加工作量。因此，应用清洗剂和消毒剂的自动添加系统，能够满足人们对包装饮用水生产工艺过程指标和自动化程度普遍提高的要求，对于提高包装饮用水的质量具有重要意义。但是,目前工厂使用的清洗剂和消毒剂的自动添加系统在进行过程自动补加时，都会出现浓度控制不稳定的情况。本文利用TRIZ理论分析问题和解决问题的方法对清洗消毒剂的自动添加系统浓度控制的问题进行分析及改进，旨在有效改善自

6、动添加系统浓度控制的稳定性，提高其可靠性和自动化程度。2 TRIZ理论简介TRIZ理论是发明问题解决理论的俄文缩写，是前苏联发明家根里奇阿奇舒勒（G.S.Altshuler）及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费1500人年的时间，在分析研究世界各国250万件专利的基础上所提出的一套发现问题解决问题的发明理论。在TRIZ中提出了用39个通用工程参数来描述技术矛盾，用40条发明创造原理来指导设计人员的创新设计，并且建立了对应关系，即矛盾矩阵。应用矛盾矩阵解决实际问题时，须将设计中的特定问题预先处理，即用TRIZ的39个工程参数描述矛盾，并且要对使用矛盾矩阵得到的原理解进行后处理，即把原理

7、解转化为领域解，以得到需要的特定解。3 基于TRIZ的自动添加系统改进过程3.1 TRIZ 理论解决问题流程图任何一个工程问题的解决，都有其解决问题的流程，不同之处是问题解决方法和模式。TRIZ 理论解决工程问题常用的流程图见图1。图1 TRIZ 理论解决问题流程图由图1 可知，遇到任何工程问题，第一步先对问题进行描述。将问题描述清楚，是找出正确问题的关键，同时也反映出我们对问题理解的深度。在描述问题时，需要定义技术系统名称及其功能，描述问题的初始情况、技术系统当前存在的主要问题和技术系统主要缺点在什么情况出现，明确初步思路的解决方案及存在的缺陷和需要解决的问题，确立对新技术系统的要求和技术系

8、统IFR。当得到了清晰的问题定义与描述之后，可以从组件或流程的角度来建立技术系统的功能模型并进行功能分析，从功能分析的角度而不是单纯技术角度来分析系统、子系统和组件，探寻组件之间、组件与超系统组件之间的相互作用，得到正常功能、不足功能、过剩功能和有害功能，以帮助工程师更详细地理解技术系统中部件之间的相互作用。其目的是优化技术系统功能，以对系统进行较少的改变就能解决技术系统的问题，并最终实现技术系统的理想度的提升。功能模型分析可以明晰系统功能问题，功能问题可以通过因果链分析找出产生该问题的根本原因。如果关键问题属于矛盾问题，可以应用39个工程参数和发明原理来进行求解。3.2 问题描述清洗消毒剂自

9、动添加系统是由控制箱、气动泵、加药桶和液位计等主要部分组成，主要功能是控制化学药剂的浓度。自动添加系统采用定时控制加药的方式，替代人工操作按规定的要求配制清洗剂和消毒剂，可实现首次添加、过程自动添加和手动补加等功能。目前该系统存在的主要问题是系统在进行过程自动补加时，会出现浓度控制不稳定的情况。现阶段解决方案是采用定时人工检查浓度的控制方法，当检测药剂槽浓度偏低时，再开启添加系统手动补加程序进行补加。但是，此操作增加了员工检测药剂浓度的频率，增加了工作量，而且浪费检测药剂。 当下需要解决的问题是如何提高自动添加系统在过程补加中浓度控制的稳性？ 希望改进后的理想结果是自动添加系统能实现与内洗设备

10、联动，减少人员检测浓度和操作系统的频率，在生产过程中，可以保证药剂浓度的稳定。 3.3 系统分析从系统组件的角度来建立自动添加系统的功能模型并进行功能分析，从功能的角度来分析系统、子系统和组件，探寻组件之间、组件与超系统组件之间的相互作用，得到正常功能、不足功能、过剩功能和有害功能，以帮组我们更详细地理解自动添加系统中部件之间的相互作用。目的是优化自动添加系统功能，简化自动添加系统的结构，并最终实现技术系统理想的提升。首先，对自动添加系统进行层级划分，建立构成自动添加系统的组件层级图见图2。由于自动添加系统浓度控制的问题主要是在第二层级，所以选择第二层级组件进行分析，并建立自动添加系统的组件列

11、表图见图3和自动添加系统的相互作用矩阵图见图4。其次，通过对自动添加系统组件列表与相互作用矩阵的分析，建立自动添加系统的功能分析表见图5和功能模型图见图6。最后，通过对功能模型的分析，描述了系统中的组件，以及它们之间的相互关系，并得出导致自动添加系统浓度控制不稳定的两个功能因素：一、药剂槽自动补水过度，导致化学药剂浓度波动大； 二、气动泵添加量不足引起浓度波动。 图2自动添加系统的组件层级图技术系统主要功能组件超系统组件化学药剂自动添加系统移动（药剂桶中的）化学药剂（到药剂槽中）（为药剂槽补充化学药剂）控制箱药剂槽气动泵压缩空气管路作业人员药剂桶液位计化学药剂图3 自动添加系统的组件列表图图4

12、自动添加系统的相互作用矩阵 图5 自动添加系统的功能分析表图6 自动添加系统的功能模型图3.4 因果链分析通过构建因果链探明自动添加系统出现浓度不稳定的根本原因是控制箱检测功能缺乏，产生的不良后果会引起产品变质。化学药剂浓度不稳定原因轴分析见图7，结果轴分析见图8。图7 化学药剂浓度不稳定原因轴分析图8 化学药剂浓度不稳定结果轴分析3.5 由TRIZ 方法得到的解决方案针对TRIZ 转化的问题“如何消除药剂槽补水时气动泵添加量不足”，以上我们通过因果链分析得出气动泵添加量不足的主要原因是控制箱检测功能缺乏导致的。我们初步构思：提高自动添加系统过程浓度控制的稳定性。然后通过运用矛盾矩阵表，将所需

13、改善的问题转换为39 个工程参数中的参数项目，结合矛盾矩阵表查找对应的发明原理寻求解决方法。而此方案所需改善的参数是“稳定性”，但同时定义的恶化参数是“控制和测量的复杂性”， 即产生了技术矛盾。利用矛盾矩阵查找创新原理，得到以下方案。从23号反馈原理中得到启发，自动添加系统可以通过在药剂槽中增设化学药剂浓度传感器提高浓度控制的稳定性。当药剂槽补水使药剂浓度低至下限时，传感器会检测到药剂浓度偏低，并将信号传送至控制箱PLC,PLC接收到信号后再控制泵加药，当药剂浓度达到上限时，传感器再传递信号停止加药。4 运用TRIZ 理论后自动添加系统改进总结通过TRIZ 理论帮助我们从自动添加系统组件的角度来建立系统的功能模型并进行功能分析，使我们更详细地理解添加系统中各组件之间的相互作用和明晰系统的功能问题，并帮助我们从矛盾分析的方法中找出解决问题的方案。目前通过TRIZ理论得出的在药剂槽中增设浓度传感器的改进方案不仅可以解决自动添加系统过程浓度控制的稳定性，而且还可以减少人