自動中央廚房多處理器群控調度網絡實現

余志鵬，張志強，萬 強

（1.順德職業技術學院，廣東 佛山 528300；2.華南理工大學 計算機科學與工程學院，廣東 廣州 510000）

0 引 言

中央廚房因有著高衛生標準、規范化生產流程、企業化的質量監控，加之近年來越來越廣泛地使用自動化生產設備、數字化管控模式，使其能高效、安全、統一地生產多種菜品。對食物質量非常敏感的單位，如政府部門、醫院、學校、事業單位等對中央廚房的產品倍加青睞。近年來，隨著預制菜的熱度興起，數字化的中央廚房的建設更受重視。

為了更高效、品質統一地處理菜品，中央廚房在物料出入庫、配送、前菜處理、烹飪、打包等工序中使用自動化設備或機器人處理，里面涉及到大量標準化設備和非標設備的應用，控制器的使用也是五花八門，這形成了大規模的工業互聯網絡。如何組成一個傳輸速度快、穩定性強、兼容性好、容錯率高的工業現場控制器網絡，是本項目研究的焦點。

目前，非常多的研究著眼于特殊場景下的工業網絡，如確定性工業網絡架構[1-3]，通過構建靈活統一的技術架構并融合相關新技術實現組網；文獻[4-7]分別通過UART和OPC等網絡接口使現場設備實現聯網；文獻[8-9]將工業互聯網標識解析體系的創新廣泛用于整個食品行業產業鏈中；文獻[10-11]通過對無線傳感器的聚類算法研究和分析，實現對無線傳感器網絡的節能優化。上述文獻都在不同的層面和維度，對工業互聯網應用于自動中央廚房有一定的參考價值。

但本項目所涉及到的場景有著多控制器、多種入網方式、有線無線連接形式混合等要求，且在復雜的網聯條件中設備之間需要穩定投送信息以保證烹飪流程能穩定進行。因此，本文的研究在自動中央廚房多處理器群控調度實現方向上有特定的價值和意義。

1 自動中央廚房的設備構成

智能中央廚房包括基礎數據模塊、計劃（訂單）模塊、庫存管理模塊、設備管理模塊、生產模塊和質量管理模塊。自動中央廚房的流程框架如圖1所示，具體步驟如下：

圖1 自動中央廚房全集成流程框圖

（1）本項目中央廚房針對的是toB客戶，每個客戶每次飯餐訂餐數在100份以上。客戶可通過APP或小程序在線下單，小程序上可以看到菜品內容、數量、價格等細節。在用餐前2小時，系統會關閉進行結算。例如，飯餐出庫的時間是11：30，則9：30會關閉訂單。

（2）訂單關閉后，云服務器會對訂單關聯的原材料進行結算，將需要的原材料發送到倉庫。倉庫根據訂單進行原材料出庫，原材料通過AGV小車配送到質量檢測點，對原材料進行抽樣檢測，檢測結果能回溯到供應商。

（3）檢測后原材料通過輸送帶進入原料倉，每個菜品標準化為4種以下的原料組成，原料倉按菜品所需原料對原料進行匹配和暫存。

（4）通過若干個烹飪機器人對菜品進行烹飪。烹飪機器人內置鹽、糖、水、油、醬油等基本調味料，中央系統下發烹飪菜品之后，能按照預置的烹調工藝、烹調時間，對給定的原料進行烹制，并以100標準人份出菜。

（5）出菜后，經歷半自動分揀工序，將每人份的菜和飯一起裝到打包盒中。

2 自動中央廚房信息化實現方案

2.1 訂單電子化

以小程序為唯一入口，用戶通過小程序進行下單管理。客戶通過掃碼登錄小程序后可以選擇菜品和數量。因為是toB的中央廚房，客戶下單量最少100份，并至少以50份的增量調整訂單數。另外小程序也提供權限管理，管理公司的內部人員也有權限下單。所有訂單必須在規定用餐時間前2小時內完成，預留時間給系統處理原材料供應、烹飪等工序。

2.2 原材料電子標簽化管理

為提高中央廚房出品的安全系數，保證客戶訂單的質量，本項目特別加強了對原材料的管理。

（1）成為入庫供應商的條件之一是：食材必須按照規定重量打包并貼上有供應商資料、食材時間資料的標簽。

（2）供應商將食材送到后，掃碼入庫，每50 kg的原材料需抽樣檢查，入庫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）每場用餐訂單數確認后，從倉庫出庫原材料，每個單位重量原材料出庫掃碼；掃碼時，該單位重量原材料即與訂單綁定；若原材料不夠，從入庫優質供應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，原材料從倉庫出倉（某些原材料經預處理），放于送料盤上經傳送帶傳送到原料立體倉，此過程中原料已經處于拆包狀態，難以通過掃二維碼獲取信息。所以項目組采用了內嵌RFID的原料盤，每只原料盤的邊緣內嵌了RFID電路。原材料轉移前，傳輸來的原料盤先進行RFID掃碼，并和訂單進行綁定，操作人員將系統給定的原材料放到當前原料盤上，然后原料盤在傳輸帶上按照先進先出（FIFO）原則進行傳輸。

2.3.2 成品傳送帶

烹飪機器人完成烹飪后，向中央系統發出咨詢指令，得到確認回復后，向成品輸送帶上送料盤輸出成品菜。送料盤內嵌RFID電路，經過傳送帶出口時會進行掃描，將此批成品菜和訂單關聯起來，打包工作人員對每個飯盒盛裝前會對飯盒掃碼，飯盒就與訂單、原材料進行一致性綁定。

3 自動中央廚房多控制器群控網絡實現

本項目自動中央廚房全集成系統架構如圖2所示。本網絡拓撲從底層到頂層分別為現場總線層、控制總線層、現場管理網絡、數據管理層，不同類型的設備分布在不同的層次，通過相應的網絡進行數據連接和互通，實現多控制器群控。

圖2 自動中央廚房全集成系統架構

3.1 現場總線層

本層主要包含單片機主控設備。烹飪機器人由于IO口眾多，功能比較復雜，以STM32系列MCU為主控進行開發。單片機的通信也在本通信層實現。

3.2 控制總線層

本層主要通過ModBus-TCP，將ModBus協議內化到工業TCP協議中，使本層設備與主系統通信。

（1）傳送帶PLC。本項目原材料經過前處理后需要傳送帶將原材料進行傳送；烹飪機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，將烹飪好的飯菜依次打包到飯盒；完成針對客戶的打包后，再通過傳送帶傳輸到取貨口。傳送帶的直流電機的運轉和停止、物料到位檢測傳感器等都需要現場PLC進行管理。

（2）原料倉立體倉庫主控PLC。原料倉以立體倉庫的形式，以5*6的陣列，對傳輸過來的原材料進行暫存和等待；待原材料量和種類滿足要求之后，輸出端設有一臺出料工業機器人，將符合要求的倉位的料取出，并放到對應烹飪機器人中。此過程中，原料倉主控PLC需要頻繁地與主系統通信對接原材料缺庫狀況，主系統根據情況向原料倉庫下單。

（3）AGV小車。在原料倉庫和原材料前處理工作站之間采用AGV小車進行原材料的傳送。由于AGV行駛路線比較固定，采取地面貼碼導航。由于路徑比較遠，AGV在行進的過程中用4G信號與AGV主控云系統進行通信，AGV主控云系統再將AGV的運行參數、狀態等同步給主系統。這樣主系統就可以準確掌握AGV實時位置和工作狀態。

3.3 現場管理網絡

本系統涉及到倉儲管理（ERP）、制造執行管理（MES）、設備管理（EQS）等現場系統，需要使用現場工作站，工作站配有掃碼槍、二維碼打印機、RFID讀寫器、工業相機等外設。工作站能穩定流暢地運行Windows10專業版系統，并裝有中央廚房管理系統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、掃碼出庫；（2）對餐盒二維碼掃碼，關聯訂單（成品菜送料盤RFID先與訂單號關聯）；（3）生成抽檢二維碼；（4）對于使用RFID送料盤的地方，需要RFID讀寫器來對送料盤的ID進行讀寫；（5）通過工業相機檢測對客戶的飯菜打包是否完整。

4 網絡實施和群控調度穩定性保障

4.1 主要設備通信邏輯范式

以立體倉庫為例，列舉自動中央廚房主要設備與其他設備的通信方式，如圖3所示。當還有訂單需要完成時，系統會根據原材料的缺少量，敦促倉庫出庫原材料。原材料經過預處理后，通過傳送帶送到立體倉庫，立體倉庫暫存并記錄原材料。立體倉庫通過系統咨詢是否有烹飪機器人處于空閑狀態，如果有，則驅使工業機器人將相應原材料出庫并抓取到烹飪機器人；對應原材料出倉完畢后，更新庫存并通知系統更新訂單進程。

圖3 自動中央廚房立體倉庫通信流程

4.2 網絡化I/O通信方式

網絡化I/O通信方式是一種結合PLC和工業以太網通信協議的共享I/O通信方式，它能使不同PLC通過地址共享存儲塊相互控制I/O。

多個PLC通過工業以太網（如ModBus TCP/IP）組成網絡，每臺PLC設置了同網段但不同的IP，這樣它們雖然使用了相同的內部地址塊作為鏈接區且鏈接區的大小一樣，但通過IP解析后就能區分各個PLC的I/O口。某個PLC通過廣播攜帶目標IP方式發出指令，相應地址的PLC就能收到該指令。例如，PLC A向網絡廣播地址I1.0的數據，PLC B、PLC C接收到該廣播數據，并將其存放于各自的I1.0地址中；PLC B向網絡廣播地址I2.0數據，PLC A、PLC C接收到該廣播數據，存放到各自的I2.0地址中；PLC C向網絡廣播地址I3.0數據，PLC A、PLC B接收到該數據，存放到各自的I3.0地址中。在上面的通信過程中，PLC A、PLC B、PLC C因共享地址而收到的數據是相同的，所以稱為等值化過程。在PLC共享網內，每臺PLC都預設了大小相同的、地址對齊的共享區域，所以無論是接收的數據還是發送的數據，等值化過程都使共享網內PLC共享區中的數據保持一致。

共享數據區的等值化過程可以采用異步方式刷新或者同步方式刷新。異步方式刷新通過網內各個PLC的通信處理器按順序進行廣播，實現共享數據區的等值化，PLC編程人員不需要干預；同步方式刷新需要PLC編程人員通過程序主動啟動刷新指令，這種方式下只有當共享數據區數據發生變化時才會刷新。

全局I/O通信方式中，PLC直接用讀寫指令對鏈接區進行讀寫操縱，簡單、方便、快速，為了保護每臺PLC自身數據的安全，當一臺PLC中對某地址的寫操作時在其它PLC中對該地址只能進行讀操作。

4.3 主從總線通信方式

主從總線通信方式又稱為1對N通信方式，在總線上只有1個PLC是主站，其他N臺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分配總線使用權。輪詢表是常用的方式，它是一張從機PLC編號排列順序表，主站PLC中存放有該表，主站按照輪詢表的排列順序對從站進行詢問，視從站的回復判斷其是否要使用總線，實現分配總線使用權的效果。

某些從站對實時性要求較高，可以在輪詢表中使該站的地址多出現幾次，這樣能提高它的通信優先級；還可以將輪詢表法和中斷法結合起來使用，某些信號的優先級極高，如核心故障、安全出發等，能觸發中斷獲得處理優先權。

在1對N的通信方式中，當從站獲得總線使用權后有兩種數據傳送方式：一種是通信只在總線激活期間對應的主站和從站間進行，從站與從站是不能直接通信的，從站間的通信只能通過主站間接式進行；另一種是從站既能與主站通信，也能實現從站間直接通信，但主從通信優先級較高，從從通信優先級較低。

5 結 語

本文通過完成一個自動中央廚房的設計，實現從倉儲、物流、預處理、立體倉庫儲存、烹飪機器人處理到打包等環節的自動化。整個過程涉及到多個處理器和復雜的系統通信流程，本文通過現場總線層、控制總線層、現場管理網絡、數據管理層等分層網絡拓撲，特別使用ModBus現場總線和工業以太網為主體的工業互聯網，解決多處理器間的通信問題。實踐證明，多處理器在本網絡中有良好的運行效果，解決了多處理器間高速、穩定的通信問題。