自動(dòng)中央廚房多處理器群控調(diào)度網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

余志鵬，張志強(qiáng)，萬(wàn) 強(qiáng)

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528300；2.華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引 言

中央廚房因有著高衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范化生產(chǎn)流程、企業(yè)化的質(zhì)量監(jiān)控，加之近年來(lái)越來(lái)越廣泛地使用自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)字化管控模式，使其能高效、安全、統(tǒng)一地生產(chǎn)多種菜品。對(duì)食物質(zhì)量非常敏感的單位，如政府部門、醫(yī)院、學(xué)校、事業(yè)單位等對(duì)中央廚房的產(chǎn)品倍加青睞。近年來(lái)，隨著預(yù)制菜的熱度興起，數(shù)字化的中央廚房的建設(shè)更受重視。

為了更高效、品質(zhì)統(tǒng)一地處理菜品，中央廚房在物料出入庫(kù)、配送、前菜處理、烹飪、打包等工序中使用自動(dòng)化設(shè)備或機(jī)器人處理，里面涉及到大量標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備和非標(biāo)設(shè)備的應(yīng)用，控制器的使用也是五花八門，這形成了大規(guī)模的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如何組成一個(gè)傳輸速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、兼容性好、容錯(cuò)率高的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制器網(wǎng)絡(luò)，是本項(xiàng)目研究的焦點(diǎn)。

目前，非常多的研究著眼于特殊場(chǎng)景下的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1-3]，通過(guò)構(gòu)建靈活統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)并融合相關(guān)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)；文獻(xiàn)[4-7]分別通過(guò)UART和OPC等網(wǎng)絡(luò)接口使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)；文獻(xiàn)[8-9]將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系的創(chuàng)新廣泛用于整個(gè)食品行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中；文獻(xiàn)[10-11]通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器的聚類算法研究和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化。上述文獻(xiàn)都在不同的層面和維度，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于自動(dòng)中央廚房有一定的參考價(jià)值。

但本項(xiàng)目所涉及到的場(chǎng)景有著多控制器、多種入網(wǎng)方式、有線無(wú)線連接形式混合等要求，且在復(fù)雜的網(wǎng)聯(lián)條件中設(shè)備之間需要穩(wěn)定投送信息以保證烹飪流程能穩(wěn)定進(jìn)行。因此，本文的研究在自動(dòng)中央廚房多處理器群控調(diào)度實(shí)現(xiàn)方向上有特定的價(jià)值和意義。

1 自動(dòng)中央廚房的設(shè)備構(gòu)成

智能中央廚房包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、計(jì)劃（訂單）模塊、庫(kù)存管理模塊、設(shè)備管理模塊、生產(chǎn)模塊和質(zhì)量管理模塊。自動(dòng)中央廚房的流程框架如圖1所示，具體步驟如下：

圖1 自動(dòng)中央廚房全集成流程框圖

（1）本項(xiàng)目中央廚房針對(duì)的是toB客戶，每個(gè)客戶每次飯餐訂餐數(shù)在100份以上?？蛻艨赏ㄟ^(guò)APP或小程序在線下單，小程序上可以看到菜品內(nèi)容、數(shù)量、價(jià)格等細(xì)節(jié)。在用餐前2小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉進(jìn)行結(jié)算。例如，飯餐出庫(kù)的時(shí)間是11：30，則9：30會(huì)關(guān)閉訂單。

（2）訂單關(guān)閉后，云服務(wù)器會(huì)對(duì)訂單關(guān)聯(lián)的原材料進(jìn)行結(jié)算，將需要的原材料發(fā)送到倉(cāng)庫(kù)。倉(cāng)庫(kù)根據(jù)訂單進(jìn)行原材料出庫(kù)，原材料通過(guò)AGV小車配送到質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)原材料進(jìn)行抽樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果能回溯到供應(yīng)商。

（3）檢測(cè)后原材料通過(guò)輸送帶進(jìn)入原料倉(cāng)，每個(gè)菜品標(biāo)準(zhǔn)化為4種以下的原料組成，原料倉(cāng)按菜品所需原料對(duì)原料進(jìn)行匹配和暫存。

（4）通過(guò)若干個(gè)烹飪機(jī)器人對(duì)菜品進(jìn)行烹飪。烹飪機(jī)器人內(nèi)置鹽、糖、水、油、醬油等基本調(diào)味料，中央系統(tǒng)下發(fā)烹飪菜品之后，能按照預(yù)置的烹調(diào)工藝、烹調(diào)時(shí)間，對(duì)給定的原料進(jìn)行烹制，并以100標(biāo)準(zhǔn)人份出菜。

（5）出菜后，經(jīng)歷半自動(dòng)分揀工序，將每人份的菜和飯一起裝到打包盒中。

2 自動(dòng)中央廚房信息化實(shí)現(xiàn)方案

2.1 訂單電子化

以小程序?yàn)槲ㄒ蝗肟?，用戶通過(guò)小程序進(jìn)行下單管理?？蛻敉ㄟ^(guò)掃碼登錄小程序后可以選擇菜品和數(shù)量。因?yàn)槭莟oB的中央廚房，客戶下單量最少100份，并至少以50份的增量調(diào)整訂單數(shù)。另外小程序也提供權(quán)限管理，管理公司的內(nèi)部人員也有權(quán)限下單。所有訂單必須在規(guī)定用餐時(shí)間前2小時(shí)內(nèi)完成，預(yù)留時(shí)間給系統(tǒng)處理原材料供應(yīng)、烹飪等工序。

2.2 原材料電子標(biāo)簽化管理

為提高中央廚房出品的安全系數(shù)，保證客戶訂單的質(zhì)量，本項(xiàng)目特別加強(qiáng)了對(duì)原材料的管理。

（1）成為入庫(kù)供應(yīng)商的條件之一是：食材必須按照規(guī)定重量打包并貼上有供應(yīng)商資料、食材時(shí)間資料的標(biāo)簽。

（2）供應(yīng)商將食材送到后，掃碼入庫(kù)，每50 kg的原材料需抽樣檢查，入庫(kù)工作站生成抽樣檢查二維碼，貼到被抽樣品上。若抽樣不及格，所有原料退回。

（3）每場(chǎng)用餐訂單數(shù)確認(rèn)后，從倉(cāng)庫(kù)出庫(kù)原材料，每個(gè)單位重量原材料出庫(kù)掃碼；掃碼時(shí)，該單位重量原材料即與訂單綁定；若原材料不夠，從入庫(kù)優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商處緊急下單原材料。

2.3 送料盤RFID管理

2.3.1 原材料傳送帶

訂單開始制作后，原材料從倉(cāng)庫(kù)出倉(cāng)（某些原材料經(jīng)預(yù)處理），放于送料盤上經(jīng)傳送帶傳送到原料立體倉(cāng)，此過(guò)程中原料已經(jīng)處于拆包狀態(tài)，難以通過(guò)掃二維碼獲取信息。所以項(xiàng)目組采用了內(nèi)嵌RFID的原料盤，每只原料盤的邊緣內(nèi)嵌了RFID電路。原材料轉(zhuǎn)移前，傳輸來(lái)的原料盤先進(jìn)行RFID掃碼，并和訂單進(jìn)行綁定，操作人員將系統(tǒng)給定的原材料放到當(dāng)前原料盤上，然后原料盤在傳輸帶上按照先進(jìn)先出（FIFO）原則進(jìn)行傳輸。

2.3.2 成品傳送帶

烹飪機(jī)器人完成烹飪后，向中央系統(tǒng)發(fā)出咨詢指令，得到確認(rèn)回復(fù)后，向成品輸送帶上送料盤輸出成品菜。送料盤內(nèi)嵌RFID電路，經(jīng)過(guò)傳送帶出口時(shí)會(huì)進(jìn)行掃描，將此批成品菜和訂單關(guān)聯(lián)起來(lái)，打包工作人員對(duì)每個(gè)飯盒盛裝前會(huì)對(duì)飯盒掃碼，飯盒就與訂單、原材料進(jìn)行一致性綁定。

3 自動(dòng)中央廚房多控制器群控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目自動(dòng)中央廚房全集成系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸牡讓拥巾攲臃謩e為現(xiàn)場(chǎng)總線層、控制總線層、現(xiàn)場(chǎng)管理網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理層，不同類型的設(shè)備分布在不同的層次，通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接和互通，實(shí)現(xiàn)多控制器群控。

圖2 自動(dòng)中央廚房全集成系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線層

本層主要包含單片機(jī)主控設(shè)備。烹飪機(jī)器人由于IO口眾多，功能比較復(fù)雜，以STM32系列MCU為主控進(jìn)行開發(fā)。單片機(jī)的通信也在本通信層實(shí)現(xiàn)。

3.2 控制總線層

本層主要通過(guò)ModBus-TCP，將ModBus協(xié)議內(nèi)化到工業(yè)TCP協(xié)議中，使本層設(shè)備與主系統(tǒng)通信。

（1）傳送帶PLC。本項(xiàng)目原材料經(jīng)過(guò)前處理后需要傳送帶將原材料進(jìn)行傳送；烹飪機(jī)器人完成烹飪后需要將烹飪好的菜品用傳送帶傳送到打包區(qū)，將烹飪好的飯菜依次打包到飯盒；完成針對(duì)客戶的打包后，再通過(guò)傳送帶傳輸?shù)饺∝浛凇魉蛶У闹绷麟姍C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止、物料到位檢測(cè)傳感器等都需要現(xiàn)場(chǎng)PLC進(jìn)行管理。

（2）原料倉(cāng)立體倉(cāng)庫(kù)主控PLC。原料倉(cāng)以立體倉(cāng)庫(kù)的形式，以5*6的陣列，對(duì)傳輸過(guò)來(lái)的原材料進(jìn)行暫存和等待；待原材料量和種類滿足要求之后，輸出端設(shè)有一臺(tái)出料工業(yè)機(jī)器人，將符合要求的倉(cāng)位的料取出，并放到對(duì)應(yīng)烹飪機(jī)器人中。此過(guò)程中，原料倉(cāng)主控PLC需要頻繁地與主系統(tǒng)通信對(duì)接原材料缺庫(kù)狀況，主系統(tǒng)根據(jù)情況向原料倉(cāng)庫(kù)下單。

（3）AGV小車。在原料倉(cāng)庫(kù)和原材料前處理工作站之間采用AGV小車進(jìn)行原材料的傳送。由于AGV行駛路線比較固定，采取地面貼碼導(dǎo)航。由于路徑比較遠(yuǎn)，AGV在行進(jìn)的過(guò)程中用4G信號(hào)與AGV主控云系統(tǒng)進(jìn)行通信，AGV主控云系統(tǒng)再將AGV的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)等同步給主系統(tǒng)。這樣主系統(tǒng)就可以準(zhǔn)確掌握AGV實(shí)時(shí)位置和工作狀態(tài)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)管理網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)涉及到倉(cāng)儲(chǔ)管理（ERP）、制造執(zhí)行管理（MES）、設(shè)備管理（EQS）等現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)，需要使用現(xiàn)場(chǎng)工作站，工作站配有掃碼槍、二維碼打印機(jī)、RFID讀寫器、工業(yè)相機(jī)等外設(shè)。工作站能穩(wěn)定流暢地運(yùn)行Windows10專業(yè)版系統(tǒng)，并裝有中央廚房管理系統(tǒng)配套的中間件客戶端?？蛻舳舜笾掳墓δ転椋海?）二維碼掃碼入庫(kù)、掃碼出庫(kù)；（2）對(duì)餐盒二維碼掃碼，關(guān)聯(lián)訂單（成品菜送料盤RFID先與訂單號(hào)關(guān)聯(lián)）；（3）生成抽檢二維碼；（4）對(duì)于使用RFID送料盤的地方，需要RFID讀寫器來(lái)對(duì)送料盤的ID進(jìn)行讀寫；（5）通過(guò)工業(yè)相機(jī)檢測(cè)對(duì)客戶的飯菜打包是否完整。

4 網(wǎng)絡(luò)實(shí)施和群控調(diào)度穩(wěn)定性保障

4.1 主要設(shè)備通信邏輯范式

以立體倉(cāng)庫(kù)為例，列舉自動(dòng)中央廚房主要設(shè)備與其他設(shè)備的通信方式，如圖3所示。當(dāng)還有訂單需要完成時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)原材料的缺少量，敦促倉(cāng)庫(kù)出庫(kù)原材料。原材料經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，通過(guò)傳送帶送到立體倉(cāng)庫(kù)，立體倉(cāng)庫(kù)暫存并記錄原材料。立體倉(cāng)庫(kù)通過(guò)系統(tǒng)咨詢是否有烹飪機(jī)器人處于空閑狀態(tài)，如果有，則驅(qū)使工業(yè)機(jī)器人將相應(yīng)原材料出庫(kù)并抓取到烹飪機(jī)器人；對(duì)應(yīng)原材料出倉(cāng)完畢后，更新庫(kù)存并通知系統(tǒng)更新訂單進(jìn)程。

圖3 自動(dòng)中央廚房立體倉(cāng)庫(kù)通信流程

4.2 網(wǎng)絡(luò)化I/O通信方式

網(wǎng)絡(luò)化I/O通信方式是一種結(jié)合PLC和工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的共享I/O通信方式，它能使不同PLC通過(guò)地址共享存儲(chǔ)塊相互控制I/O。

多個(gè)PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)（如ModBus TCP/IP）組成網(wǎng)絡(luò)，每臺(tái)PLC設(shè)置了同網(wǎng)段但不同的IP，這樣它們雖然使用了相同的內(nèi)部地址塊作為鏈接區(qū)且鏈接區(qū)的大小一樣，但通過(guò)IP解析后就能區(qū)分各個(gè)PLC的I/O口。某個(gè)PLC通過(guò)廣播攜帶目標(biāo)IP方式發(fā)出指令，相應(yīng)地址的PLC就能收到該指令。例如，PLC A向網(wǎng)絡(luò)廣播地址I1.0的數(shù)據(jù)，PLC B、PLC C接收到該廣播數(shù)據(jù)，并將其存放于各自的I1.0地址中；PLC B向網(wǎng)絡(luò)廣播地址I2.0數(shù)據(jù)，PLC A、PLC C接收到該廣播數(shù)據(jù)，存放到各自的I2.0地址中；PLC C向網(wǎng)絡(luò)廣播地址I3.0數(shù)據(jù)，PLC A、PLC B接收到該數(shù)據(jù)，存放到各自的I3.0地址中。在上面的通信過(guò)程中，PLC A、PLC B、PLC C因共享地址而收到的數(shù)據(jù)是相同的，所以稱為等值化過(guò)程。在PLC共享網(wǎng)內(nèi)，每臺(tái)PLC都預(yù)設(shè)了大小相同的、地址對(duì)齊的共享區(qū)域，所以無(wú)論是接收的數(shù)據(jù)還是發(fā)送的數(shù)據(jù)，等值化過(guò)程都使共享網(wǎng)內(nèi)PLC共享區(qū)中的數(shù)據(jù)保持一致。

共享數(shù)據(jù)區(qū)的等值化過(guò)程可以采用異步方式刷新或者同步方式刷新。異步方式刷新通過(guò)網(wǎng)內(nèi)各個(gè)PLC的通信處理器按順序進(jìn)行廣播，實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)區(qū)的等值化，PLC編程人員不需要干預(yù)；同步方式刷新需要PLC編程人員通過(guò)程序主動(dòng)啟動(dòng)刷新指令，這種方式下只有當(dāng)共享數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)才會(huì)刷新。

全局I/O通信方式中，PLC直接用讀寫指令對(duì)鏈接區(qū)進(jìn)行讀寫操縱，簡(jiǎn)單、方便、快速，為了保護(hù)每臺(tái)PLC自身數(shù)據(jù)的安全，當(dāng)一臺(tái)PLC中對(duì)某地址的寫操作時(shí)在其它PLC中對(duì)該地址只能進(jìn)行讀操作。

4.3 主從總線通信方式

主從總線通信方式又稱為1對(duì)N通信方式，在總線上只有1個(gè)PLC是主站，其他N臺(tái)PLC是從站。

在主從通信方式中，總線是核心資源，所以采用集中式存取控制技術(shù)分配總線使用權(quán)。輪詢表是常用的方式，它是一張從機(jī)PLC編號(hào)排列順序表，主站PLC中存放有該表，主站按照輪詢表的排列順序?qū)恼具M(jìn)行詢問(wèn)，視從站的回復(fù)判斷其是否要使用總線，實(shí)現(xiàn)分配總線使用權(quán)的效果。

某些從站對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，可以在輪詢表中使該站的地址多出現(xiàn)幾次，這樣能提高它的通信優(yōu)先級(jí)；還可以將輪詢表法和中斷法結(jié)合起來(lái)使用，某些信號(hào)的優(yōu)先級(jí)極高，如核心故障、安全出發(fā)等，能觸發(fā)中斷獲得處理優(yōu)先權(quán)。

在1對(duì)N的通信方式中，當(dāng)從站獲得總線使用權(quán)后有兩種數(shù)據(jù)傳送方式：一種是通信只在總線激活期間對(duì)應(yīng)的主站和從站間進(jìn)行，從站與從站是不能直接通信的，從站間的通信只能通過(guò)主站間接式進(jìn)行；另一種是從站既能與主站通信，也能實(shí)現(xiàn)從站間直接通信，但主從通信優(yōu)先級(jí)較高，從從通信優(yōu)先級(jí)較低。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)完成一個(gè)自動(dòng)中央廚房的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從倉(cāng)儲(chǔ)、物流、預(yù)處理、立體倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存、烹飪機(jī)器人處理到打包等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。整個(gè)過(guò)程涉及到多個(gè)處理器和復(fù)雜的系統(tǒng)通信流程，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線層、控制總線層、現(xiàn)場(chǎng)管理網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理層等分層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，特別使用ModBus現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)為主體的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，解決多處理器間的通信問(wèn)題。實(shí)踐證明，多處理器在本網(wǎng)絡(luò)中有良好的運(yùn)行效果，解決了多處理器間高速、穩(wěn)定的通信問(wèn)題。