高校实验室废弃化学试剂瓶品种多、外形多样，内部残留成分复杂。为了解决化学试剂瓶清洗及环境污染问题，参考市场上的洗瓶机，以原有的半自动试剂瓶清洗设备为基础，使用FX5U PLC采集数据并控制清洗装置的运行，采用触摸屏进行洗涤模式选择、参设调整及监控等，设计出一套基于PLC控制的全自动化学试剂瓶清洗装置，主要涉及装置结构设计及PIDm，PWM，SFC等技术，经过调试及初步应用，达到设计要求。
目前国内市场上的洗瓶装置形式有扭道式、箱式、滚筒式和立式等多种，并在食品、医药、化学等多个领域被广泛应用，其中立式洗瓶机已取代了滚筒式洗瓶机的主要地位。有的洗瓶机是行业专用不适合在实验室中使用，有的不能较好地满足高校化学实验室各类试剂瓶的清洗要求。高校实验室废弃化学试剂瓶品种多、外形多样(如小口径试剂瓶、烧杯、三角瓶、容量瓶、移液管等)、内部残留成分复杂。长期积压在实验室中的各类废弃化学试剂瓶，若不能及时清洗处理，势必会造成新的污染，影响师生身体健康，成为安全风险源。部分高校将废弃化学试剂瓶委托给专业公司处理，处理的数量越来越多，处理费用逐年增高，以致部分师生将用后的试剂瓶进行简单清洗后作为生活垃圾直接抛弃，这种做法存在危险且不符合环境保护要求。
在吸收部分国内相关洗瓶设备优点并在我校研发半自动废弃试剂瓶清洗设备的基础上，重新进行了结构及自动化部分的设计。借助我校自制仪器等项目的经费保障和自有专利成果，研制了全自动化学试剂瓶清洗装置，有效解决了我校多校区多学院的化学试剂瓶清洗处理难题，满足试剂瓶危废物处置要求。
1.主要结构设计
本清洗装置采用全封闭、水冲压喷淋清洗等方式进行结构设计，由清洗仓、栏架、仓门、加药加水管道、蒸汽冷凝器等结构组成。该装置已成功申请3个国家新型实用专利，具体结构如下：
第一，栏架及排列注射式清洗工位，包括49个工位(每个工位连接喷淋嘴)，各工位内部连通(汇集至接水口)，栏架排列注射式清洗工位符合流体力学原理，选用不同的栏架满足不同种类的试剂瓶清洗要求。
第二，外旋转喷淋臂，包括喷淋臂、喷淋臂的密封通孔(与栏架接水口连通)、喷淋臂凹槽、凹槽陈列斜切口(12位、水动力360°旋转喷淋清洗试剂瓶外部)，扁口型喷嘴的外旋转喷淋臂可实现对试剂瓶外部360°无死角上下喷淋冲洗。
第三，柱形喷嘴，包括顶部喷嘴、侧面螺旋槽切口(侧面斜切口主喷嘴，利用水动力实现对试剂瓶内部360°喷淋冲洗)、支撑座(与栏架连通)、卡瓶簧(卡住外瓶壁)。
第四，高温蒸汽冷凝装置(抽出清洗仓高温蒸汽)，包括Ⅰ级水冷热交换器(高温蒸汽冷凝)、Ⅱ级湿帘冷凝器(残余汽水冷凝)、管道及排水口等。
2.装置整体结构示意图
装置整体结构经过多次调研、论证、修改，最终整体结构示意图如图1所示。装置主要由加热箱、喷洗箱、栏架、仓门、主循环泵、下喷淋泵、风机、空气加热器、热交换器、冷凝器、加药泵、纯水泵、排水泵、加药加水管道及多个电磁阀等元件构成。
1.主要设备
化学试剂瓶清洗装置控制器选用三菱电机PLCFX5U-32MT/ES，配FX5U-4AD-ADP模块采集温度信号，HMI选用GS21077寸彩色触摸屏。为减少对使用场所电源的要求，整机采用AC220 V供电，最大功率7 KW。清洗仓内壁及仓内传感器采用耐腐蚀的316不锈钢材质，外壁采用304不锈钢。主循环泵采用710 W，2850 rpm，400 L/min耐酸耐碱耐高温泵，下喷淋泵170 W，2640 rpm，风机400 W，加药泵采用DC24 V，12 W，200ml/min蠕动泵，排水泵DC24 V，20 L/min，纯水泵DC24 V，170 W，7 L/min。定制电加热棒3 KW、空气加热器2.5 KW、热交换器及冷凝器，多个DC24 V电磁阀，流量计采用LWGY 系列液体涡轮流量计。装置外形尺寸：100×120×70 cm(L×H×D)。
2.清洗原理及方式
将待清洗的化学试剂瓶放置在清洗仓的栏架上，依次进行预洗、主洗、漂洗等工序，使试剂瓶经过浸泡、过滤、喷淋，除去试剂瓶内外的附着物，最后烘干，达到洗瓶和消毒的效果。
该洗瓶装置采用主循环泵水流带动上喷淋臂旋转喷淋和栏架排列注射式清洗工位冲洗，同时控制下喷淋泵水流直接驱动下喷淋臂旋转喷淋清洗，泵在不同工作阶段将不同温度的清洗液密集地喷射在要清洗的玻璃器皿上。通过水流对玻璃试剂瓶内外表面的冲刷和清洗剂对残留物的乳化、剥离，实现对器皿的清洗。通过更换栏架类型改变待清洗试剂瓶的洗涤数量及喷洗水量。
3.洗瓶流程
本清洗装置的洗瓶流程由预洗、主洗、漂洗、烘干几部分组成，PLC控制可满足有机、无机或物理、化学、生物学等不同专业实验废弃试剂瓶的清洗要求。具体洗瓶过程如下：
第一，预洗程序，实现试剂瓶浸泡功能。包括仓门关闭给出锁扣信号后的推杆电机运行、关紧仓门的安全连锁控制和进水阀控制、流量及水位检测、主循环泵和喷淋泵清洗喷淋运行控制等，实现试剂瓶浸泡喷淋控制、加药和预加热清洗液温度控制。
第二，主洗程序，试剂瓶洗涤的核心阶段。包括加注清洗剂、清洗液温度控制、主循环泵和下喷淋泵的清洗喷淋控制。为提高洗涤功效及防止爆瓶，采用边加热边洗涤的方式。主洗结束时打开排水阀和排水泵排水，废液需回收做进一步环保处理。
第三，漂洗程序，对洗涤后的试剂瓶进行内外表面清洗(含2遍自来水及1遍纯水漂洗)，包括进水阀控制、流量及水位检测、主泵及喷淋泵和排水等控制。
第四，烘干，洗涤的最后一道程序。对潮湿的试剂瓶内外表面进行干燥处理，包括空气加热器温度控制、风机控制和仓内温度检测。当加热器停止加热且风机继续工作将仓内温度降低到安全温度后，控制推杆电机推开仓门并自动打开锁扣的安全连锁控制。同时，利用仓内外的压差采用Ⅰ级水冷热交换器和Ⅱ级湿帘冷凝器进行高温蒸汽降温去湿排出处理。
4.洗瓶模式
本清洗装置有酸洗、碱洗、中和洗三种洗涤剂加药选择；有标准洗、快速洗、加强洗、自定义参数等洗涤模式供用户自由选择，自定义编辑清洗参数可满足个性化清洗需求；另外，还可进行全自动、半自动、手动工作模式切换。选择洗涤剂、洗涤模式及全自动工作模式并启动后，系统实现全流程自动顺序控制，从加药、洗涤、温控、漂洗、排水、烘干等自动控制的全程无须人工干预操作；选择半自动模式则可由用户单独进行预洗、主洗、漂洗、烘干的操作，以满足用户的分步操作需求。最终实现对有机、无机或物理、化学、生物学等不同专业实验废弃试剂瓶的清洗要求。
PLC编程采用GX-Work3软件，HMI组态使用GT-Design3软件。PLC与HMI之间以及与计算机编程组态通过以太网口通信，且IP地址需设置在同一网段内。
5.控制实现
控制技术主要采用PID，PWM，SFC等。水箱温度及空气加热器温度检测采用PT100铂电阻，通过温度变送器形成4～20 mA信号送给AD模块；对水箱及空气加热器温度控制采用PID和PWM技术，通过控制固态继电器SSR实现温度调节控制。温度控制方法如图2所示闭环过程控制方法，温控精度可达到±0.5℃。
半自动及全自动模式均采用SFC(Sequential Function Chart)编程技术。用户选择全自动模式启动后，程序自动按照默认或用户设定的洗涤参数进行预洗、主洗、漂洗、烘干的顺序控制功能，中途不用人工干预；用户选择半自动模式时，可单独选定其中的一步进行操作，相应流程走完后该装置会等待用户的下一个半自动工作状态操作选择。半自动/全自动SFC见图3，每个流程状态通常包括多个子状态，比如进水、加热、洗涤、定时、排水等环节，全自动控制流程见图4。
图3 半自动/全自动SFC
HMI监控界面共设计了15个主画面、23个报警及弹出窗口画面，界面友好，操作提示及报警较为全面。其中一个监控界面如图5所示。
6.安全措施
对于化学试剂瓶的清洗，安全性显得尤为重要，该装置主要采用硬件和软件两种方式进行保护。主要包括急停保护、滤网过滤杂质、仓门阻尼缓开门、空气加热器限温保护等硬件保护措施；同时采用口令登录操作、操作及错误操作提示、仓门连锁机构电子安全门锁保护、液位上限进水停止保护、缺水补水保护、液位下限防干烧保护并报警、清洗剂存量不足提示、烘干后仓门高温保护等软件措施，以确保安全。
通过我校搭建的试剂瓶透光率实验测试台的实验及数据分析，得出影响该装置的关键因素并进行了指标优化；采取了2.6节所述安全措施，避免造成人员在清洗过程中被热气热水高温烫伤、废液溅出等安全隐患，确保工作人员的职业安全健康。通过废液回收处理，确保废液能够满足环保要求。
如果能够在该装置中添加PH酸碱度检测仪测量预洗后的PH浓度，再根据其值大小实现加药类型及加药量的控制，会取得更理想的效果，但存在成本较高及探头电极需经常维护保养等难题；可根据用户需要采用三相交流电源及变频器调节清洗液流量。全自动化学试剂瓶清洗装置经过多次调试和校内用户使用反馈修改，使用效果较好，有效提高了高校实验室处理废弃化学试剂瓶的能力和自动化水平，该装置产生的废弃物符合环保要求，避免了环境污染，节约了成本，获得了较好的社会和经济效益。在高校中使用全自动化学试剂瓶清洗装置具有广泛性和必要性。
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作者简介：束长宝，工程硕士，高级实验师，省级能源与动力工程实验教学示范中心常务副主任，扬州大学电气与能源动力工程学院，225127；何成兵，本科，工程师，扬州市广陵经济开发区水利站，225012；王国田，本科，高级实验师，扬州大学实验室与设备管理处 江苏扬州 225009；张志高，本科，技师，秦康生，大专，高级技师，扬州大学机械工程学院，225127。
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原文刊载于《中国现代教育装备》杂志2021年第15期。
责任编辑 | 张赛
审核 | 肇启龙
发布 | 张鑫
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