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【摘要】
本文主要介紹在自助圖書借還終端機的應用架構中，永宏PLC作為下位機，在整個系統中發揮的作用。突出了永宏PLC在與上位機通訊、NC定位控制等方面的便捷與強大。
【術語名詞】
上位機：PC機
PLC: 可編程邏輯器件英文全稱為Programmable logic Controller，簡稱PLC
下位機：永宏PLC模塊，本文中PLC模塊簡稱PLC
RFID：射頻識別，它是Radio Frequency Identification的簡稱
OPC：OPC 全稱是OLE for Process Control，中文意思是對象的鏈接和嵌入技術。

一、 系統概述
自助圖書借還終端機系統，如同銀行ATM自動柜員機一樣，是24小時服務的智能化終端設備，讓讀者既方便又快捷地辦理圖書借還手續，同時也讓圖書管理員更準確高效地進行圖書管理工作。
該種設備主要由門口機、機械手、書架、上位機業務管理軟件和下位機設備控制軟件構成，上位機業務管理軟件主要通過通信接口控制整個系統的運行，下位機設備控制軟件主要控制機械手和門口機的動作，程序在PLC上實現。
圖書借還采用RFID技術，RFID讀寫器讀取用戶信息以及圖書上的電子標簽信息，把獲得的信息傳送給上位機，上位機則通過網絡向遠程圖書館登記圖書借還記錄。
圖書自動上下架分3部分完成，第一部分是機械手把圖書送到指定架位或從指定架位抓取圖書送到門口；第二部分是門口機獲得圖書后（圖書獲取包括機械手把圖書放入門口機內和讀者把圖書放入門口機內），根據獲取圖書的狀態重新擺放圖書；第三部分是門口機開關門，如果是借閱圖書，打開自動門，讓用戶提取借閱圖書，如果是圖書歸還，則打開自動門讓讀者放入歸還圖書，操作完成后由PLC控制自動關門。 

二、 操作流程
1. 借書
借書是指讀者從自助圖書館系統中借閱圖書。

1.1 借書流程
讀者借閱圖書的主流程簡略描述如下：讀者選擇借書——>上位機向下位機發送借書就緒指令——>門口機書盒豎立——>讀者輸入圖書架位號——>上位機向PLC發送圖書下架指令——>PLC控制機械手根據圖書架位號去書架抓取圖書——>機械手把圖書放到門口機書盒中——>上位機讀取圖書標簽——>讀取圖書標簽成功，圖書借閱登記——>上位機向門口機發送出書指令——>PLC控制門口機把圖書送到門口——>打開自動門——>用戶提取圖書——>關自動門——>打印借書憑條。

2. 還書
還書是指讀者把貼有電子標簽的在借圖書歸還到自助圖書館系統中。系統不僅支持自動還書，而且支持自動上架，當自助圖書館系統書架上有空架位時，圖書歸還后系統會自動對圖書進行上架操作。當自助圖書館系統書架滿，但是自助圖書館備用書箱中還有空位是，圖書歸還后機械手將圖書送入書箱中。

2.1 還書上架
本操作流程是圖書歸還上架流程，讀者歸還圖書的主流程簡略描述如下：上位機向下位機發送開門指令——>讀者放入圖書——>門口機傳感器檢測圖書是否到位、條碼掃描槍獲取圖書正反信息——>關閉自動門——>讀圖書標簽——>讀標簽成功，進行圖書歸還登記——>根據圖書正反翻轉圖書——>圖書翻轉完成、獲取圖書大小信息——>根據圖書大小信息分配圖書架位號——>上位機向下位機發送圖書上架指令——>下位機控制機械手執行圖書上架操作——>打印還書憑條。

2.2 還書入箱
書架滿，但是書箱中還有空間放置圖書時，系統執行還書入箱操作流程，還書入箱操作主流程描述如下：讀者歸還圖書讀取操作上位機向PLC發送開門指令——>自動門打開——>讀者放入圖書——>門口機傳感器獲得圖書檢測信號、條碼掃描槍獲取圖書正反信息——>關閉自動門——>讀取圖書標簽——>根據圖書正反翻轉圖書——>圖書翻轉完成、獲取圖書大小信息——>根據圖書大小信息分配圖書架位號——>如果書架滿則向機械手發送圖書入箱指令——>機械手把圖書放入回收箱中。

3. 新書上架
新書上架指圖書管理員對新到圖書或從圖書館中心庫中提取到得新圖書進行上架，通過機械手把圖書擺放到自助圖書館系統書架上。

3.1 新書上架流程
自助圖書館圖書管理員新書上架主流程簡略描述如下：上位機向PLC發送開門指令——>圖書管理員放入圖書——>門口機傳感器獲得圖書檢測信號、條碼掃描槍獲取圖書正反信息——>關閉自動門——>讀取圖書標簽——>根據圖書正反翻轉圖書——>圖書翻轉完成、獲取圖書大小信息——>根據圖書大小信息分配圖書架位號——>上位機向PLC發送圖書上架指令——>PLC控制機械手進行圖書上架。

4. 舊書下架
圖書下架流程是圖書管理員對破損圖書和長時間沒有被借閱的圖書進行下架，以便對這些圖書進行相應的處理。舊書下架有兩種方式，一種方式是圖書下架后從門口機出書口中送出，一般情況下一次下架一本，這種方式適合于小批量的圖書下架；另一種方式是圖書下架后機械手直接把圖書放入備用書箱中，特別適合大批量的圖書下架，如破損標簽圖書下架。下面對這兩種方式管理員圖書下架分別介紹。

4.1 單本圖書下架流程
自助圖書館圖書管理員對單本舊書或破損圖書下架主流程簡略描述如下：選中待下架的圖書——>上位機向PLC發送下架指令——>機械手從指定位置抓取圖書放到門口機書盒中——>門口機把圖書送到出書口——>打開自動門——>管理員提取下架圖書——>關閉自動門——>修改圖書架位信息狀態。

4.2 舊書下架入箱
當圖書損壞或圖書長時間沒人借閱，這樣的圖書需要進行下架處理，但是管理員不能從架位上了解那些圖書需要下架，此時，采用查詢數據庫技術獲得圖書架位信息對圖書進行下架入箱操作。如標簽破損不能讀取標簽信息時，需要下架圖書進行標簽修復處理就采用此方式。
圖書管理員對舊書下架入箱主流程簡略描述如下：圖書管理員輸入圖書架位號——>上位機向PLC發送圖書下架入箱指令——>PLC控制機械手根據圖書架位號抓取圖書——>機械手把圖書放到圖書回收箱中。

三、 上位機與下位機的通訊

1. 通訊方式
上位機與下位機之間以OPC服務器為媒介進行串口通信。
OPC全稱是OLE for Process Control，它的出現為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁。在過去，為了存取現場設備的數據信息，每一個應用軟件開發商都需要編寫專用的接口函數。由于現場設備的種類繁多，且產品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發商帶來了巨大的工作負擔。通常這樣也不能滿足工作的實際需要，系統集成商和開發商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設備驅動程序。在這種情況下，OPC標準應運而生。OPC標準以微軟公司的OLE技術為基礎，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM接口完成的，在OPC技術中使用的是OLE 2技術，OLE標準允許多臺微機之間交換文檔、圖形等對象。
系統硬件采用永宏PLC，相應的OPC服務器采用永宏FaSvr1.10版本軟件。
通信機制為串口通信，串口標準為RS232C，默認情況下，OPC服務器串口參數如下：數據位7位，奇偶校驗位為偶校驗，1位停止位，具體的通信參數根據設備類型和下位機的實際需要確定。

2. PLC接口寄存器變量
下面對在OPC服務器中上位機與下位機共享的相關寄存器進行說明。
首先對寄存器變量說明：“R”開頭的表示字變量，占2個字節、16位，如：R0、R1、R2等；“DR”開頭的表示雙字變量，占4個字節、32位，如：DR2、DR4、DR6等。

3. 永宏OPC Server的應用
一般廠牌的小型PLC都沒有 OPC服務器軟件，或者都是價格高昂的。這使得技術工程師相當頭疼，一方面成本預算不夠，另一方面如果完全由自己編寫驅動，難度和工作量都大大提高了。而永宏的OPC Server軟件是免費的，極大的方便了上位機進行集中監控。
FaSvr1.10軟件運行界面如下： 

使用方法：
步驟一：規劃——利用FaSvr1.10軟件，將PLC接口寄存器變量定義好；
步驟二：聯機——在通訊硬件狀態就緒的情況下，在FaSvr1.10界面進行聯機操作；
步驟三：運行——聯機成功后，PC機與PLC都可以對這些接口寄存器變量進行讀寫操作。
PLC通過梯形圖程序來讀寫變量的數值，而PC機則可通過高級語言編程來讀寫變量的數值。
以VB 6.0為例：
If LIAN Then a =server.SetItem("Channel0.Station0.Group0", "DR2", &H66021A00) '將變量DR2寫入數值66021A00；
If LIAN Then Label1.Caption=Hex(server.GetItem("Channel0.Station0.Group0", "DR4")) '讀取變量 DR4 的數值；
If LIAN Then Label1.Caption=Hex(server.GetItem("Channel0.Station0.Group0", "R6")) '讀取變量 R6 的數值；
從上面可以看出，有了FaSvr軟件充當服務器角色，通訊的數據變得一目了然了，程序的編寫變得一步到位了，調試的過程變得暢通無阻了。

4. 通訊指令
用戶通過人機交互界面對上位PC機進行操作，而PC機則通過向下位的PLC發送命令，告知PLC何時做何種動作。通訊命令存取的地址，也是在PLC的接口寄存器；而通訊命令的內容，則需要人為定義。以“開門指令”為例，可作如下定義：
命令字：0x11
指令描述：打開自動門，讓用戶放入圖書。
指令功能：打開自動門，準備進行還書或管理員圖書上架。
指令格式：第4字節為開門指令命令字，第1字節至第3字節暫時沒用，預留，默認值為0x00 

第4字節	第3字節	第2字節	第1字節
命令字0x11	預留00	預留00	預留 00

指令寄存器：DR20
指令碼：11000000
相似的，還可以制定“入書指令”、“出書指令”、“上架指令”、“下架指令”等等，作為PC機向PLC下達命令，以及PLC向PC機反饋工作狀態的協議。

四、 下位機與執行機構
1. 硬件配置與架構 

控制器：永宏FBs-MC型PLC主機，有4軸頻率高達200kHz的脈沖輸出。該系統中，FBs-32MCT主站控制3軸高速脈沖輸出，FBs-32MCT從站控制4軸高速脈沖輸出，而兩臺主機之間通過RS-485高速CPU Link進行數據交換，使得7個執行電機協調工作；
X軸伺服：驅動機械手沿水平方向移動，配合限位開關，要求快速、準確定位；
Y軸伺服：驅動機械手沿鉛直方向移動，配合限位開關，要求快速、準確定位；
Z軸步進：驅動機械手沿垂直于XY平面方向移動，完成圖書入架、出架動作；
夾書伺服：控制書夾的夾緊、放松，要求有轉矩信號反饋；
門口步進：控制入書口的門開關，如接收到還書指令，則開門等待放書進來，配合光電開關；
平書步進：還書時將斜著放入的書放成水平狀態，借書時將平著的書放回原點；
翻書步進：還書時緊接著平書的步驟，將書翻轉成豎直；借書時，將下架的豎直的書翻轉成水平；

2. 永宏NC定位功能
該系統中，下位PLC承擔的最主要任務就是驅動電機，完成定位控制。
永宏PLC在這方面正好有著卓越的表現——單機支持4軸頻率高達200kHz的高速脈沖輸出，表格向導式的編程風格，詳盡而人性化的參數設定界面，支持直線插補、原點回歸的便利指令。 

4軸高速脈沖輸出組態 

區塊化的功能指令 

表格向導式的伺服命令編輯 

深入淺出的參數設定表格 

原點復歸----可供3種模式 

原點復歸----運行示意圖
永宏PLC的NC定位功能一直備受業界稱贊，由上述可窺一斑。

3. 永宏高速CPU Link
系統需要控制7軸電機，而一般廠牌的小型PLC，最多可控4軸，需要控制4軸以上，一般需要增加NC模塊，對于電控部分的成本來說，分量不小。
永宏PLC通過RS-485通訊，結合專用的高速CPU Link指令，以原始二進制碼作為傳輸碼，最高數據傳輸率達921.6kbps，且采用“立即處理”的命令處理方式，更可靠的CRC16校驗方式，最大程度的保證了通訊的速度與性能。
高速CPU Link的數據傳輸理念是以 COMMON DATA MEMORY 觀念來設計； 例如主站將 R0～R31的內容送出，則所有從站 PLC的R0～R31的內容都會與主站相同； 2號PLC從站將R32～R47 中內容送出，則主站及其它PLC從站的 R32～R47 的內容都會與2號站相同，依次類推。 

利用該特長，永宏PLC可輕易控制7軸電機的工作，很多場合下，甚至可以控制十幾軸，體現出很高的實用性與性價比。

五、 總結
隨著城市建設進程的加速，自助圖書借還終端機將像銀行ATM，自助售票機，自助飲料售賣機一樣，遍布在我們生活的周圍。小型PLC憑借著性能穩定可靠，編程調試簡易，接口標準齊全等優點，擔當下位機的角色。而永宏PLC在NC定位、通訊方面顯現出來的突出性能與性價比優勢，一定會在此種設備中得到廣泛的應用。

作者：吳光裕