趙 興

增強(qiáng)自動(dòng)烹飪機(jī)器人燃?xì)庀到y(tǒng)安全設(shè)計(jì)

趙 興

（深圳市繁興科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

自動(dòng)烹飪機(jī)器人是近幾年在機(jī)電、軟件、烹飪等相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的自動(dòng)化設(shè)備，通過(guò)參照EN298：2012等相關(guān)歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟硬件入手，對(duì)其核心的火力控制系統(tǒng)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)改進(jìn)，有效的提升了烹飪機(jī)器人的安全水平。

自動(dòng)烹飪機(jī)器人；EN298：2012；火力控制；燃燒安全控制

廚師行業(yè)是一個(gè)工作環(huán)境比較惡劣的行業(yè)，工作強(qiáng)度大、技能要求較高，中餐烹飪長(zhǎng)期以來(lái)嚴(yán)重依賴人工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化水平很低，隨著人口結(jié)構(gòu)的變化，行業(yè)需求和人力之間的矛盾越來(lái)越突出，因此急需提升行業(yè)的自動(dòng)化水平。自動(dòng)烹飪機(jī)器人正是在這種背景下產(chǎn)生并在近幾年迅速發(fā)展。

自動(dòng)烹飪機(jī)器人結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及中餐烹飪技術(shù)，是新興技術(shù)和傳統(tǒng)工藝結(jié)合的典范，一經(jīng)面世并受到的市場(chǎng)的熱烈歡迎，市場(chǎng)推廣很快，在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市的學(xué)校、餐館甚至軍隊(duì)都有應(yīng)用，在國(guó)外華人較多的地方，如新加坡、澳洲等地也有強(qiáng)烈需求，可以預(yù)見(jiàn)其市場(chǎng)前景十分廣闊。

在自動(dòng)烹飪機(jī)器人設(shè)計(jì)中，燃?xì)饣鹆刂葡到y(tǒng)是其中的重點(diǎn)和核心之一，且涉及到燃?xì)?，有泄漏中毒和爆炸等危險(xiǎn)，其設(shè)計(jì)特別要注重安全性和可靠性，但作為一個(gè)新興產(chǎn)品，目前相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚不健全，只能參考其相近的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)安全改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1　安全設(shè)計(jì)總體要求

1.1自動(dòng)烹飪機(jī)器人簡(jiǎn)介

筆者要研究的自動(dòng)烹飪機(jī)器人如圖1所示，該機(jī)器人可以適用天然氣和液化石油氣，具有自動(dòng)加熱與火力精確控制、自動(dòng)攪拌、自動(dòng)精確注油及注水、勾芡等功能，一次能烹飪30余公斤，目前已經(jīng)國(guó)內(nèi)外批量市場(chǎng)應(yīng)用，市場(chǎng)反饋很熱烈。

圖1　自動(dòng)烹飪機(jī)器人

1.2燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)

自動(dòng)烹飪機(jī)器人的燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的核心，它重點(diǎn)要實(shí)行點(diǎn)火、火力調(diào)節(jié)、火焰檢測(cè)、關(guān)火等功能，在改進(jìn)前的系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示：

圖2　改進(jìn)前燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)簡(jiǎn)圖

在本燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)中，所有功能模塊均受主控MCU模塊控制，它是燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)的核心，采用了強(qiáng)制鼓風(fēng)、燃燒前燃?xì)?、空氣預(yù)混方式，可大大提高燃燒效率，采用了一個(gè)通道閥進(jìn)行燃?xì)馔ǖ赖目刂?，該閥能隨著風(fēng)壓自動(dòng)調(diào)整燃?xì)饬髁俊Ｒ驗(yàn)橐獙?shí)行多檔位的火力調(diào)節(jié)，自動(dòng)烹飪機(jī)器人燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)比傳統(tǒng)的熱水器燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)更加復(fù)雜，軟硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度也更高。

1.3安全設(shè)計(jì)要求

安全的涵義是指即使人在無(wú)意識(shí)的情況下也不要造成人身、財(cái)產(chǎn)的傷害。對(duì)于有燃?xì)馊紵南到y(tǒng)，因可能存在燃?xì)獗?、一氧化碳中毒、周邊溫度過(guò)高導(dǎo)致人員燙傷等人身傷害，在設(shè)計(jì)上對(duì)安全的考慮要十分慎重。在圖2所示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了燃燒控制系統(tǒng)的基本功能，它是可用的但不夠安全。系統(tǒng)的不安全因素主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：

①主控MCU是要運(yùn)行程序的IC，硬件可能異常，軟件也可能受到干擾而異常，從而可能導(dǎo)致燃?xì)庀到y(tǒng)控制異常，出現(xiàn)燃?xì)庑孤兜任ｋU(xiǎn)；

②鼓風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有反饋，當(dāng)鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)異常停轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)，可能導(dǎo)致燃燒氧氣不足或者氧氣過(guò)量而離焰，造成燃燒工況不好，燃燒不充分還可能導(dǎo)致一氧化碳超標(biāo)；

③燃?xì)馔〝嚅y沒(méi)有反饋，如果線路或閥體本身故障導(dǎo)致不受控，也可能有燃?xì)庑孤讹L(fēng)險(xiǎn)；

④大功率持續(xù)燃燒可能導(dǎo)致人可接觸的外殼溫度過(guò)高，人不小心碰到燙傷。

基于以上，必須重新審視系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)。歐洲在燃?xì)饧跋嚓P(guān)控制系統(tǒng)這塊有較多的指令要求，如EN298：2012《Automatic burner control systems for burners and appliances burning gaseous or liquid fuels》，EN 60730-1：2011《Automatic electrical controls for household and similar use Part 1： General requirements》，EN 60730-2-5：2015《Particular requirements for automatic electrical burner control systems》，他們是歐洲對(duì)燃?xì)馊紵刂葡嚓P(guān)產(chǎn)品的強(qiáng)制性市場(chǎng)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。如果烹飪機(jī)器人的燃燒系統(tǒng)能滿足以上標(biāo)準(zhǔn)的要求，將能大大提升系統(tǒng)的安全水平。

2　硬件安全設(shè)計(jì)

2.1基本安全防護(hù)理念

按照IEC 60730-l 的定義，軟件按照控制功能分為A 類、B類、C 類三類［1］。其中A類控制器功能與安全性無(wú)關(guān)，B類控制器功能預(yù)期能防止不安全的運(yùn)行，C類控制器功能能防止特定的危險(xiǎn)狀況，諸如火災(zāi)、爆炸之類的特別風(fēng)險(xiǎn)。很顯然自動(dòng)烹飪機(jī)器人燃燒控制系統(tǒng)必須符合C類控制器的要求。C類安全控制器功能應(yīng)設(shè)計(jì)為在第一和第二個(gè)故障條件下，仍處于或轉(zhuǎn)入定義中的安全狀態(tài)，第三個(gè)獨(dú)立的故障不予考慮。

2.2硬件改進(jìn)

①燃?xì)忾y安全設(shè)計(jì)：燃?xì)忾y的控制在整個(gè)燃?xì)庀到y(tǒng)安全上十分關(guān)鍵，為實(shí)現(xiàn)雙重防護(hù)，根據(jù)EN298：2012標(biāo)準(zhǔn)要求，有以下三類結(jié)構(gòu)可以滿足要求：帶有周期自檢和監(jiān)測(cè)的單通道結(jié)構(gòu)；帶有比較的雙通道結(jié)構(gòu)，雙通道結(jié)構(gòu)的比較通過(guò)下列方式實(shí)現(xiàn)可通過(guò)使用比較器或通過(guò)相互比較［2］；使用三塊相互獨(dú)立的MCU分別控制三路閥。

不管用哪種方案，一個(gè)MCU都比較難實(shí)現(xiàn)需求，因?yàn)榕腼儥C(jī)器人軟件系統(tǒng)遠(yuǎn)比一般的燃燒系統(tǒng)復(fù)雜和龐大，他除開(kāi)火控系統(tǒng)軟件外還有很大一部分其他功能的軟件，因此肯定要將程序分拆。從成本考慮，結(jié)構(gòu)三使用三個(gè)MCU顯然不理想，上述第二種結(jié)構(gòu)兩個(gè)通道均要MCU，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求均引入了軟件的檢查，也不是最佳，筆者最終選用結(jié)構(gòu)一，使用雙MCU，它可以有效的將火控程序集中放置在一個(gè)MCU中，另一個(gè)MCU在輔助失效監(jiān)控的同時(shí)還執(zhí)行其他系統(tǒng)程序，可有效達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軟硬件要求，且不用對(duì)非火控MCU進(jìn)行軟件方面的詳細(xì)檢查；

②考慮到設(shè)備異常會(huì)導(dǎo)致干燒、導(dǎo)致鍋具等損壞，也有可能導(dǎo)致外殼溫度局部過(guò)高導(dǎo)致人員燙傷危險(xiǎn)，因此在機(jī)器外殼合適部位安裝一個(gè)溫度開(kāi)關(guān)，直接控制閥控的電源通斷，一旦溫度超標(biāo)將直接關(guān)閉燃?xì)?，保證在極端情況下系統(tǒng)安全可靠；

③另外因采用主動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)的也要進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)風(fēng)速和風(fēng)壓進(jìn)行檢測(cè)反饋，可有效防止空氣不足等帶來(lái)一氧化碳超標(biāo)等危險(xiǎn)；

④MCU頻率也可能變化導(dǎo)致程序異常，異常也需要有監(jiān)控措施，筆者通過(guò)火控MCU的某個(gè)端口定期發(fā)送PWM波形，監(jiān)控MCU讀取波形頻率，如果在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)則認(rèn)為正常。

2.3改進(jìn)系統(tǒng)框圖

綜合以上分析，筆者可以得到以下改進(jìn)后的系統(tǒng)框圖如圖3所示：

圖3　改進(jìn)后燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)簡(jiǎn)圖

從改進(jìn)的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖中，筆者還有幾點(diǎn)說(shuō)明：

①燃?xì)忾y的電源由兩個(gè)MCU，四道開(kāi)關(guān)控制，其中燃?xì)忾y控制2、3由不同電平狀態(tài)控制，防止端口異常、復(fù)位等異常導(dǎo)致非受控打開(kāi)，詳細(xì)說(shuō)，如果MCU復(fù)位狀體端口默認(rèn)為“0”或“1”，如果兩個(gè)閥控采用同一個(gè)電平狀態(tài)，則可能導(dǎo)致閥在異常情況下打開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)，另溫度檢測(cè)開(kāi)關(guān)則起到異常超溫保護(hù)；

②反饋增加，對(duì)閥控狀體、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、時(shí)鐘檢測(cè)都增加對(duì)應(yīng)的反饋功能，可以實(shí)現(xiàn)更完善的閉環(huán)控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；

③雙重安全理念在雙CPU、多路閥通斷控制、溫度反饋控制均有體現(xiàn)。

以上給系統(tǒng)的安全提供了較好的硬件基礎(chǔ)，再結(jié)合下面的軟件算法，可以進(jìn)一步提升自動(dòng)烹飪機(jī)器人的系統(tǒng)安全性和可靠性。

3　軟件安全設(shè)計(jì)

EN298：2012第6.6.4.1明確要求“Software shall conform to software class C of EN 60730-1：2011”［3］，因此自動(dòng)烹飪機(jī)器人軟件系統(tǒng)應(yīng)符合CLASS C的要求.EN60730-1 Annex H 中的表H11.12.7 列舉了軟件出現(xiàn)故障/錯(cuò)誤的組件和應(yīng)采取的措施，涵蓋了單片機(jī)系統(tǒng)的全部功能元件，測(cè)試時(shí)主要是圍繞寄存器、時(shí)鐘系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、PC、RAM/ROM、I/O 展開(kāi)［4］。

因此程序要進(jìn)行定期自檢，檢查出問(wèn)題要有對(duì)應(yīng)的處理措施。同時(shí)還要對(duì)執(zhí)行部件的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如火焰信號(hào)的輸入端口是否正常工作、燃?xì)忾y的狀態(tài)、風(fēng)機(jī)、風(fēng)壓狀態(tài)等，確保出現(xiàn)問(wèn)題能立馬發(fā)現(xiàn)并阻止事態(tài)的擴(kuò)大。

有些檢測(cè)可以在程序主循環(huán)處理，有些要在初始化就處理。例如火焰檢測(cè)有可能出現(xiàn)“無(wú)火時(shí)信號(hào)反饋有火”的錯(cuò)誤狀態(tài)，導(dǎo)致閥錯(cuò)誤打開(kāi)導(dǎo)致燃?xì)庑孤秵?wèn)題，需要在程序的啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行無(wú)火是檢測(cè)信號(hào)是否正常，如果異常則要停機(jī)報(bào)警不執(zhí)行下一步動(dòng)作。同樣為了兼顧安全，在系統(tǒng)初始化時(shí)，我們也對(duì)燃?xì)忾y、風(fēng)機(jī)等進(jìn)行檢測(cè)。

基于以上分析，軟件總體的流程框圖如圖4所示。實(shí)際程序遠(yuǎn)比這個(gè)更加復(fù)雜，這個(gè)框圖主要描述了從安全的角度的處理思路，在啟動(dòng)及程序主體中發(fā)現(xiàn)異常立方停機(jī)報(bào)錯(cuò)，避免問(wèn)題的擴(kuò)大。

圖4　程序總體流程圖

另從安全考慮，還有以下細(xì)節(jié)要實(shí)現(xiàn)：

①為了保障安全，程序主體執(zhí)行時(shí)間是有要求的，按照EN298：2012，一個(gè)循環(huán)的時(shí)間不能超過(guò)3秒，也就是說(shuō)程序必須在3秒內(nèi)把MCU自身的故障、錯(cuò)誤及其他模塊的故障檢測(cè)出來(lái)，時(shí)間太長(zhǎng)可能出現(xiàn)危險(xiǎn)。這也對(duì)硬件及算法提出了要求，一般速度太慢的8位處理器比較難實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，同時(shí)對(duì)軟件是算法也有一些常用的做法，例如ROM測(cè)試用分塊CRC校驗(yàn)方法，RAM測(cè)試用讀寫(xiě)0xAA和0x55的方法等，詳細(xì)介紹可查閱相關(guān)的文獻(xiàn)；

②標(biāo)準(zhǔn)對(duì)點(diǎn)火、點(diǎn)火失敗后重新點(diǎn)火、關(guān)火等各步驟時(shí)間有明確要求，這些也是系統(tǒng)安全的保證。下面筆者結(jié)合點(diǎn)火及在烹飪中途意外熄火后重新點(diǎn)火兩個(gè)動(dòng)作給出其時(shí)序圖，實(shí)際程序執(zhí)行的時(shí)序圖如圖5所示：

圖5　點(diǎn)火及中間熄火再點(diǎn)火控制時(shí)序

t1～t6為點(diǎn)火流程，其余為熄火后重點(diǎn)流程?？梢钥闯?，點(diǎn)火必須遵從開(kāi)吹風(fēng)機(jī)吹掃，開(kāi)脈沖點(diǎn)火器，再開(kāi)燃?xì)忾y的順序，確保將爐膛可能的燃?xì)鈿埩舸祾吒蓛?，確保先有點(diǎn)火脈沖再有燃?xì)?，避免爆燃的可能；意外熄火后，如果再次點(diǎn)火，必須風(fēng)機(jī)吹掃t7+t9時(shí)間，這個(gè)時(shí)間的確定要根據(jù)燃燒腔體體積大小而定，原則是確保爐膛內(nèi)換氣一次；

③兩個(gè)MCU的通訊也很重要，他們通過(guò)CAN總線的方式進(jìn)行通訊，CAN協(xié)議本身可保證通信數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠，定期握手，一旦發(fā)現(xiàn)任意一方有異常，可以立馬關(guān)閉所控燃?xì)忾y切斷氣源。

4　結(jié)論

以上從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件、軟件等幾方面入手，結(jié)合最新版本EN298：2012及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，綜合考慮自動(dòng)烹飪機(jī)器人的特點(diǎn)，對(duì)以往只關(guān)注功能實(shí)現(xiàn)的火控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，確保在各種狀況下系統(tǒng)的安全性和可靠性，保證人身安全。后續(xù)經(jīng)過(guò)大量的市場(chǎng)實(shí)地檢驗(yàn)，實(shí)踐表明該改進(jìn)方案的有效性。

［1］ BS EN 60730-1：201.Automatic electrical controls for household and similar use Part 1：General requirements［S］. England：BSI Standrds Publication，2011.

［2］ 陳必華.燃?xì)饩逤類電子控制器的電路設(shè)計(jì)［J］.燃?xì)饧夹g(shù)，2014，（6）：6-10.

［3］ BS EN 298：2012.Automatic burner control systems for burners and appliances burning gaseous or liquid fuels［S］. England：BSI Standrds Publication，2012.

［4］ 張馳.電自動(dòng)控制器軟件評(píng)估概述［J］.日用電器，2011，（10）：17-18.

Design to improve the gas system safety level of an automatic cooking robot

Automatic cooking robot is developed with the help of mechatronics， software and culinary art in recent years. According to EN298：2012 and other Europe standards， we redesign the fire control system from the aspects of the system structure， software and hardware， and therefore the safety level of cooking robot is improved greatly.

Automatic cooking robot； EN298：2012； fire control； burning safety control

TP242.3

A

1008-1151（2016）02-0087-03

2016-01-15

趙興（1978－），男，湖南湘潭人，深圳市繁興科技股份有限公司中級(jí)程序員，機(jī)械電子工程碩士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制和機(jī)器人。