基于PLC 安全控制家用小型绞肉机探析

邱 波， 蔡 鑫， 王富城， 王 诚

（西南交通大学希望学院， 四川 成都 610400）

1 研究背景及意义

我国人口基数大，是肉类消费大国，其中，肉馅类产品在所有肉制品中也占有很大的比重。目前，市场上流通的绞肉机一般是商用的，通过绞筒内部转动的绞刀和挤压样板构成相互剪切作用，将肉在绞筒内部进行结构分解、切小和传送。近年来，市面上生肉店配备商用绞肉机越来越普遍，说明消费者对绞肉的需求越来越高了，但商户代加工的加工环境、卫生安全难以得到保证。目前，家用绞肉机使用转动力度较为强劲的电动机，在使用的过程中发热严重，不能长时间使用，不能满足对大量肉类的加工，同时也无安全防护措施。绞肉机伤人事故多是由于操作人员的不规范操作，且无防护措施，绞肉机的安全问题也逐渐增多，“咬手”[1]事件屡见不鲜。如在操作过程中未使用绞肉专用的推料棒，或者当绞肉机卡住时，未关闭电源就徒手伸入绞肉机的投料口中尝试解决问题，而引发安全事故[2]。部分家庭事故则是由于大人对小孩疏于照顾，小孩子出于好奇心理，将手伸入正在工作的绞肉机的投料口中，导致悲剧的发生。因此，有必要设计一款新型、安全、轻巧的家用小型绞肉机，满足家庭对健康生活的追求。

肉类加工与水果蔬菜不同，肉类普遍存在筋膜[3]，且有较大的黏性和韧性，即使经过高温，其保留的剩余张力仍有较大的机械强度。筋膜在很大程度上影响家用绞肉机的性能发挥。而家用绞肉机，会有未成年接触的可能。怎样在绞肉机的机械结构设计上下功夫，用一种巧妙合理的结构来防止安全事故的发生，具备大型绞肉机[4]的续航和家用绞肉机的轻巧，成本要足够的合理，并且使用起来方便、安全，是我们目前要解决的问题。

2 绞筒改进设计

绞肉机结构如图1 所示。针对上述问题，将大型绞肉机的性能体现在改进绞肉机上，需缩小体积。同时，将家用绞肉机的易拆洗的特点用于该绞肉机，将横式绞龙推进改为竖式推进[5]，从送料口竖直投入绞龙，与绞龙垂直切入改为斜60°，减小体积、重量，做到家用化。绞肉机应操作简单、拆卸组装方便，容易清洗，物料加工才能很好地保持其原有的营养成分，保鲜效果好。将PLC[6]引入机械控制，对绞肉机进行安全设计。让绞肉机走向寻常百姓家，成为家庭必备的生活小家电，并逐渐向智能化、小巧化方向发展。

图1 绞肉机结构

绞肉机沿用了挤出结构，重新设计了构件布局，将横式送料改为竖式送料。在各参数都相同的情况下，适当增加绞肉机的宽度，减少机身总长，使重心更集中，更适合家庭使用。由于绞龙与绞筒难以做到无缝隙，在重力作用，横式绞肉机肉末会在重力作用下少量沉积在绞筒内壁，不仅造成“吃肉”现象，而且还增加了清洗难度。而在竖式绞肉机中，重力作用正好与绞龙推进方向相同，反而增加了送料速度，有效减少“吃肉”现象。

物料在绞筒内受到绞龙的搅动、挤压，从而会产生反作用力使物料有向后倒流的趋势。因此，在设计绞筒时需要在其内壁上设计止推槽，防止物料倒流。在绞筒内壁设计了8 个止推槽，沿圆周均匀分布。绞龙与绞筒内壁要有适当的间隙，一般可取为3～5 mm。间隙过小，绞龙与绞筒内壁易发生摩擦作用，间隙过大，将使物料沿缝倒流。绞筒的材料选用1Cr18Ni9，最终设计结构如图2 所示。

图2 绞筒改进（单位：mm）

对绞筒进行结构改进，改进传统入料口，将传统的90°投料口改为60°投料口。绞龙叶与主轴成60度左右，而入料口以60°投料，能适应更大的肉块，减少卡口的尴尬。电机与减速器之间采用了带传动设计。若绞到骨头或操作者不慎被卷入，增大绞肉机阻力，此时带传动过载打滑，起到安全保护作用。

如图3 所示，在机械各参数都相同的情况下，对投料物大小进行了对比，投入物料一般为肉类，接触入料口内壁会有变形。角度为60°的投料口所容纳的物料体积更大，可有效减少物料卡机现象发生。

图3 投料口改进

3 PLC 逻辑控制

PLC，即逻辑控制器，是一个系统中控制各个业务逻辑程序运行的硬件设备，主要被应用到工业生产线上的机械化设备控制，其性能直接关系到设备整体运行效率和运行质量。因此，通过PLC 来提升控制系统性能是常见的机械化设备升级手段和途径。

引入PLC 进行逻辑控制，通过按钮控制绞肉机的动作。按下X0按钮，启动绞肉机。按下X1按钮，绞肉机停止工作。对输入指令能做到自动响应，进行自动化作业。该系统有5 个输入装置和5 个输出装置。输人装置与输出装置与PLC 的地址编号对应，如表1所示。

表1 输入输出装置与PLC 端口对应表

绞肉机的控制是一个时序控制，其梯形图设计关键是Y0、Y1状态变化的时间点。时间的准确计算用定时器实现，将采用T37和T38定时器。紧急装置是一个传感器。表2 是各电器件的使用说明。

表2 功能实现

4 逻辑安全控制

在设计机械产品的同时，还应考虑到机器所产生的危险。机械危险是指在机械工件和零部件等的机械作用下造成人体伤害的一切物理因素总和。典型的机械危险包括缠绕危险、剪切危险、挤压危险、切割危险、冲击危险、刺穿危险和磨损危险等等。

图4 为控制绞肉机的梯形图。X4为急停装置，此处可以是热传感器、力传感器等感应设备。针对家庭使用的绞肉机机械危险主要是缠绕危险，在操作时操作者可能被卷入绞筒中，进一步造成挤压危险、剪切危险和切割危险。因此，绞肉机应当具备自动识别危险的能力，能自动断开电源，保护机器设备或操作者。当绞肉时遇到坚硬物体或操作者不慎将手卷入绞肉机，会对绞龙产生较大阻力，力传感器检测到负载达到阈值，激活常触点X1，使X1置位，M0.0线圈失电，电机失电停止。

图4 绞肉机控制梯形图

因此，危险识别对风险评价和安全设计意义非常重大，这项工作准确与否，直接决定了机械产品安全性的好坏。

5 结论

本文主要对家用绞肉机进行了分析和设计。对机械的操作安全和功能问题进行了大量改进，达到了预期的效果，为安全设计提供了一些方法和规范，对其他的特殊机械产品具有借鉴意义。

在传统挤压式横式绞肉机的基础上，提出了竖式设计，确定了竖式绞肉机的总体目标和原则。通过查阅相关资料，确定机械存在的限制和危险。在绞肉机设计时遵循安全设计准则，将PLC 引入机械安全控制，成功降低了绞肉机的危险等级。