基于PLC 安全控制家用小型絞肉機(jī)探析

邱 波， 蔡 鑫， 王富城， 王 誠

（西南交通大學(xué)希望學(xué)院， 四川 成都 610400）

1 研究背景及意義

我國人口基數(shù)大，是肉類消費(fèi)大國，其中，肉餡類產(chǎn)品在所有肉制品中也占有很大的比重。目前，市場上流通的絞肉機(jī)一般是商用的，通過絞筒內(nèi)部轉(zhuǎn)動的絞刀和擠壓樣板構(gòu)成相互剪切作用，將肉在絞筒內(nèi)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解、切小和傳送。近年來，市面上生肉店配備商用絞肉機(jī)越來越普遍，說明消費(fèi)者對絞肉的需求越來越高了，但商戶代加工的加工環(huán)境、衛(wèi)生安全難以得到保證。目前，家用絞肉機(jī)使用轉(zhuǎn)動力度較為強(qiáng)勁的電動機(jī)，在使用的過程中發(fā)熱嚴(yán)重，不能長時(shí)間使用，不能滿足對大量肉類的加工，同時(shí)也無安全防護(hù)措施。絞肉機(jī)傷人事故多是由于操作人員的不規(guī)范操作，且無防護(hù)措施，絞肉機(jī)的安全問題也逐漸增多，“咬手”[1]事件屢見不鮮。如在操作過程中未使用絞肉專用的推料棒，或者當(dāng)絞肉機(jī)卡住時(shí)，未關(guān)閉電源就徒手伸入絞肉機(jī)的投料口中嘗試解決問題，而引發(fā)安全事故[2]。部分家庭事故則是由于大人對小孩疏于照顧，小孩子出于好奇心理，將手伸入正在工作的絞肉機(jī)的投料口中，導(dǎo)致悲劇的發(fā)生。因此，有必要設(shè)計(jì)一款新型、安全、輕巧的家用小型絞肉機(jī)，滿足家庭對健康生活的追求。

肉類加工與水果蔬菜不同，肉類普遍存在筋膜[3]，且有較大的黏性和韌性，即使經(jīng)過高溫，其保留的剩余張力仍有較大的機(jī)械強(qiáng)度。筋膜在很大程度上影響家用絞肉機(jī)的性能發(fā)揮。而家用絞肉機(jī)，會有未成年接觸的可能。怎樣在絞肉機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上下功夫，用一種巧妙合理的結(jié)構(gòu)來防止安全事故的發(fā)生，具備大型絞肉機(jī)[4]的續(xù)航和家用絞肉機(jī)的輕巧，成本要足夠的合理，并且使用起來方便、安全，是我們目前要解決的問題。

2 絞筒改進(jìn)設(shè)計(jì)

絞肉機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。針對上述問題，將大型絞肉機(jī)的性能體現(xiàn)在改進(jìn)絞肉機(jī)上，需縮小體積。同時(shí)，將家用絞肉機(jī)的易拆洗的特點(diǎn)用于該絞肉機(jī)，將橫式絞龍推進(jìn)改為豎式推進(jìn)[5]，從送料口豎直投入絞龍，與絞龍垂直切入改為斜60°，減小體積、重量，做到家用化。絞肉機(jī)應(yīng)操作簡單、拆卸組裝方便，容易清洗，物料加工才能很好地保持其原有的營養(yǎng)成分，保鮮效果好。將PLC[6]引入機(jī)械控制，對絞肉機(jī)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。讓絞肉機(jī)走向?qū)こ０傩占遥蔀榧彝ケ貍涞纳钚〖译姡⒅饾u向智能化、小巧化方向發(fā)展。

圖1 絞肉機(jī)結(jié)構(gòu)

絞肉機(jī)沿用了擠出結(jié)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)了構(gòu)件布局，將橫式送料改為豎式送料。在各參數(shù)都相同的情況下，適當(dāng)增加絞肉機(jī)的寬度，減少機(jī)身總長，使重心更集中，更適合家庭使用。由于絞龍與絞筒難以做到無縫隙，在重力作用，橫式絞肉機(jī)肉末會在重力作用下少量沉積在絞筒內(nèi)壁，不僅造成“吃肉”現(xiàn)象，而且還增加了清洗難度。而在豎式絞肉機(jī)中，重力作用正好與絞龍推進(jìn)方向相同，反而增加了送料速度，有效減少“吃肉”現(xiàn)象。

物料在絞筒內(nèi)受到絞龍的攪動、擠壓，從而會產(chǎn)生反作用力使物料有向后倒流的趨勢。因此，在設(shè)計(jì)絞筒時(shí)需要在其內(nèi)壁上設(shè)計(jì)止推槽，防止物料倒流。在絞筒內(nèi)壁設(shè)計(jì)了8 個(gè)止推槽，沿圓周均勻分布。絞龍與絞筒內(nèi)壁要有適當(dāng)?shù)拈g隙，一般可取為3～5 mm。間隙過小，絞龍與絞筒內(nèi)壁易發(fā)生摩擦作用，間隙過大，將使物料沿縫倒流。絞筒的材料選用1Cr18Ni9，最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 絞筒改進(jìn)（單位：mm）

對絞筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)傳統(tǒng)入料口，將傳統(tǒng)的90°投料口改為60°投料口。絞龍葉與主軸成60度左右，而入料口以60°投料，能適應(yīng)更大的肉塊，減少卡口的尷尬。電機(jī)與減速器之間采用了帶傳動設(shè)計(jì)。若絞到骨頭或操作者不慎被卷入，增大絞肉機(jī)阻力，此時(shí)帶傳動過載打滑，起到安全保護(hù)作用。

如圖3 所示，在機(jī)械各參數(shù)都相同的情況下，對投料物大小進(jìn)行了對比，投入物料一般為肉類，接觸入料口內(nèi)壁會有變形。角度為60°的投料口所容納的物料體積更大，可有效減少物料卡機(jī)現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 投料口改進(jìn)

3 PLC 邏輯控制

PLC，即邏輯控制器，是一個(gè)系統(tǒng)中控制各個(gè)業(yè)務(wù)邏輯程序運(yùn)行的硬件設(shè)備，主要被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)線上的機(jī)械化設(shè)備控制，其性能直接關(guān)系到設(shè)備整體運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量。因此，通過PLC 來提升控制系統(tǒng)性能是常見的機(jī)械化設(shè)備升級手段和途徑。

引入PLC 進(jìn)行邏輯控制，通過按鈕控制絞肉機(jī)的動作。按下X0按鈕，啟動絞肉機(jī)。按下X1按鈕，絞肉機(jī)停止工作。對輸入指令能做到自動響應(yīng)，進(jìn)行自動化作業(yè)。該系統(tǒng)有5 個(gè)輸入裝置和5 個(gè)輸出裝置。輸人裝置與輸出裝置與PLC 的地址編號對應(yīng)，如表1所示。

表1 輸入輸出裝置與PLC 端口對應(yīng)表

絞肉機(jī)的控制是一個(gè)時(shí)序控制，其梯形圖設(shè)計(jì)關(guān)鍵是Y0、Y1狀態(tài)變化的時(shí)間點(diǎn)。時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)算用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，將采用T37和T38定時(shí)器。緊急裝置是一個(gè)傳感器。表2 是各電器件的使用說明。

表2 功能實(shí)現(xiàn)

4 邏輯安全控制

在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品的同時(shí)，還應(yīng)考慮到機(jī)器所產(chǎn)生的危險(xiǎn)。機(jī)械危險(xiǎn)是指在機(jī)械工件和零部件等的機(jī)械作用下造成人體傷害的一切物理因素總和。典型的機(jī)械危險(xiǎn)包括纏繞危險(xiǎn)、剪切危險(xiǎn)、擠壓危險(xiǎn)、切割危險(xiǎn)、沖擊危險(xiǎn)、刺穿危險(xiǎn)和磨損危險(xiǎn)等等。

圖4 為控制絞肉機(jī)的梯形圖。X4為急停裝置，此處可以是熱傳感器、力傳感器等感應(yīng)設(shè)備。針對家庭使用的絞肉機(jī)機(jī)械危險(xiǎn)主要是纏繞危險(xiǎn)，在操作時(shí)操作者可能被卷入絞筒中，進(jìn)一步造成擠壓危險(xiǎn)、剪切危險(xiǎn)和切割危險(xiǎn)。因此，絞肉機(jī)應(yīng)當(dāng)具備自動識別危險(xiǎn)的能力，能自動斷開電源，保護(hù)機(jī)器設(shè)備或操作者。當(dāng)絞肉時(shí)遇到堅(jiān)硬物體或操作者不慎將手卷入絞肉機(jī)，會對絞龍產(chǎn)生較大阻力，力傳感器檢測到負(fù)載達(dá)到閾值，激活常觸點(diǎn)X1，使X1置位，M0.0線圈失電，電機(jī)失電停止。

圖4 絞肉機(jī)控制梯形圖

因此，危險(xiǎn)識別對風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和安全設(shè)計(jì)意義非常重大，這項(xiàng)工作準(zhǔn)確與否，直接決定了機(jī)械產(chǎn)品安全性的好壞。

5 結(jié)論

本文主要對家用絞肉機(jī)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。對機(jī)械的操作安全和功能問題進(jìn)行了大量改進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期的效果，為安全設(shè)計(jì)提供了一些方法和規(guī)范，對其他的特殊機(jī)械產(chǎn)品具有借鑒意義。

在傳統(tǒng)擠壓式橫式絞肉機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了豎式設(shè)計(jì)，確定了豎式絞肉機(jī)的總體目標(biāo)和原則。通過查閱相關(guān)資料，確定機(jī)械存在的限制和危險(xiǎn)。在絞肉機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)遵循安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將PLC 引入機(jī)械安全控制，成功降低了絞肉機(jī)的危險(xiǎn)等級。