【摘要】
本文主要介紹在自助圖書(shū)借還終端機的應用架構中，永宏P(guān)LC作為下位機，在整個(gè)系統中發(fā)揮的作用。突出了永宏P(guān)LC在與上位機通訊、NC定位控制等方面的便捷與強大。
【術(shù)語(yǔ)名詞】
上位機：PC機
PLC: 可編程邏輯器件英文全稱(chēng)為Programmable logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC
下位機：永宏P(guān)LC模塊，本文中PLC模塊簡(jiǎn)稱(chēng)PLC
RFID：射頻識別，它是Radio Frequency Identification的簡(jiǎn)稱(chēng)
OPC：OPC 全稱(chēng)是OLE for Process Control，中文意思是對象的鏈接和嵌入技術(shù)。
一、 系統概述
自助圖書(shū)借還終端機系統，如同銀行ATM自動(dòng)柜員機一樣，是24小時(shí)服務(wù)的智能化終端設備，讓讀者既方便又快捷地辦理圖書(shū)借還手續，同時(shí)也讓圖書(shū)管理員更準確高效地進(jìn)行圖書(shū)管理工作。
該種設備主要由門(mén)口機、機械手、書(shū)架、上位機業(yè)務(wù)管理軟件和下位機設備控制軟件構成，上位機業(yè)務(wù)管理軟件主要通過(guò)通信接口控制整個(gè)系統的運行，下位機設備控制軟件主要控制機械手和門(mén)口機的動(dòng)作，程序在PLC上實(shí)現。
圖書(shū)借還采用RFID技術(shù)，RFID讀寫(xiě)器讀取用戶(hù)信息以及圖書(shū)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(guò)網(wǎng)絡(luò )向遠程圖書(shū)館登記圖書(shū)借還記錄。
圖書(shū)自動(dòng)上下架分3部分完成，第一部分是機械手把圖書(shū)送到指定架位或從指定架位抓取圖書(shū)送到門(mén)口；第二部分是門(mén)口機獲得圖書(shū)后（圖書(shū)獲取包括機械手把圖書(shū)放入門(mén)口機內和讀者把圖書(shū)放入門(mén)口機內），根據獲取圖書(shū)的狀態(tài)重新擺放圖書(shū)；第三部分是門(mén)口機開(kāi)關(guān)門(mén)，如果是借閱圖書(shū)，打開(kāi)自動(dòng)門(mén)，讓用戶(hù)提取借閱圖書(shū)，如果是圖書(shū)歸還，則打開(kāi)自動(dòng)門(mén)讓讀者放入歸還圖書(shū)，操作完成后由PLC控制自動(dòng)關(guān)門(mén)。
二、 操作流程
1. 借書(shū)
借書(shū)是指讀者從自助圖書(shū)館系統中借閱圖書(shū)。
1.1 借書(shū)流程
讀者借閱圖書(shū)的主流程簡(jiǎn)略描述如下：讀者選擇借書(shū)——>上位機向下位機發(fā)送借書(shū)就緒指令——>門(mén)口機書(shū)盒豎立——>讀者輸入圖書(shū)架位號 ——>上位機向PLC發(fā)送圖書(shū)下架指令——>PLC控制機械手根據圖書(shū)架位號去書(shū)架抓取圖書(shū)——>機械手把圖書(shū)放到門(mén)口機書(shū)盒中—— >上位機讀取圖書(shū)標簽——>讀取圖書(shū)標簽成功，圖書(shū)借閱登記——>上位機向門(mén)口機發(fā)送出書(shū)指令——>PLC控制門(mén)口機把圖書(shū)送到門(mén)口——>打開(kāi)自動(dòng)門(mén)——>用戶(hù)提取圖書(shū)——>關(guān)自動(dòng)門(mén)——>打印借書(shū)憑條。
2. 還書(shū)
還書(shū)是指讀者把貼有電子標簽的在借圖書(shū)歸還到自助圖書(shū)館系統中。系統不僅支持自動(dòng)還書(shū)，而且支持自動(dòng)上架，當自助圖書(shū)館系統書(shū)架上有空架位時(shí)，圖書(shū)歸還后系統會(huì )自動(dòng)對圖書(shū)進(jìn)行上架操作。當自助圖書(shū)館系統書(shū)架滿(mǎn)，但是自助圖書(shū)館備用書(shū)箱中還有空位是，圖書(shū)歸還后機械手將圖書(shū)送入書(shū)箱中。
2.1 還書(shū)上架
本操作流程是圖書(shū)歸還上架流程，讀者歸還圖書(shū)的主流程簡(jiǎn)略描述如下：上位機向下位機發(fā)送開(kāi)門(mén)指令——>讀者放入圖書(shū)——>門(mén)口機傳感器檢測圖書(shū)是否到位、條碼掃描槍獲取圖書(shū)正反信息——>關(guān)閉自動(dòng)門(mén)——>讀圖書(shū)標簽——>讀標簽成功，進(jìn)行圖書(shū)歸還登記——>根據圖書(shū)正反翻轉圖書(shū)——>圖書(shū)翻轉完成、獲取圖書(shū)大小信息——>根據圖書(shū)大小信息分配圖書(shū)架位號——>上位機向下位機發(fā)送圖書(shū)上架指令—— >下位機控制機械手執行圖書(shū)上架操作——>打印還書(shū)憑條。
2.2 還書(shū)入箱
書(shū)架滿(mǎn)，但是書(shū)箱中還有空間放置圖書(shū)時(shí)，系統執行還書(shū)入箱操作流程，還書(shū)入箱操作主流程描述如下：讀者歸還圖書(shū)讀取操作上位機向PLC發(fā)送開(kāi)門(mén)指令—— >自動(dòng)門(mén)打開(kāi)——>讀者放入圖書(shū)——>門(mén)口機傳感器獲得圖書(shū)檢測信號、條碼掃描槍獲取圖書(shū)正反信息——>關(guān)閉自動(dòng)門(mén)——> 讀取圖書(shū)標簽——>根據圖書(shū)正反翻轉圖書(shū)——>圖書(shū)翻轉完成、獲取圖書(shū)大小信息——>根據圖書(shū)大小信息分配圖書(shū)架位號——>如果書(shū)架滿(mǎn)則向機械手發(fā)送圖書(shū)入箱指令——>機械手把圖書(shū)放入回收箱中。
3. 新書(shū)上架
新書(shū)上架指圖書(shū)管理員對新到圖書(shū)或從圖書(shū)館中心庫中提取到得新圖書(shū)進(jìn)行上架，通過(guò)機械手把圖書(shū)擺放到自助圖書(shū)館系統書(shū)架上。
3.1 新書(shū)上架流程
自助圖書(shū)館圖書(shū)管理員新書(shū)上架主流程簡(jiǎn)略描述如下：上位機向PLC發(fā)送開(kāi)門(mén)指令——>圖書(shū)管理員放入圖書(shū)——>門(mén)口機傳感器獲得圖書(shū)檢測信號、條碼掃描槍獲取圖書(shū)正反信息——>關(guān)閉自動(dòng)門(mén)——>讀取圖書(shū)標簽——>根據圖書(shū)正反翻轉圖書(shū)——>圖書(shū)翻轉完成、獲取圖書(shū)大小信息——>根據圖書(shū)大小信息分配圖書(shū)架位號——>上位機向PLC發(fā)送圖書(shū)上架指令——>PLC控制機械手進(jìn)行圖書(shū)上架。
4. 舊書(shū)下架
圖書(shū)下架流程是圖書(shū)管理員對破損圖書(shū)和長(cháng)時(shí)間沒(méi)有被借閱的圖書(shū)進(jìn)行下架，以便對這些圖書(shū)進(jìn)行相應的處理。舊書(shū)下架有兩種方式，一種方式是圖書(shū)下架后從門(mén)口機出書(shū)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(shū)下架；另一種方式是圖書(shū)下架后機械手直接把圖書(shū)放入備用書(shū)箱中，特別適合大批量的圖書(shū)下架，如破損標簽圖書(shū)下架。下面對這兩種方式管理員圖書(shū)下架分別介紹。
4.1 單本圖書(shū)下架流程
自助圖書(shū)館圖書(shū)管理員對單本舊書(shū)或破損圖書(shū)下架主流程簡(jiǎn)略描述如下：選中待下架的圖書(shū)——>上位機向PLC發(fā)送下架指令——>機械手從指定位置抓取圖書(shū)放到門(mén)口機書(shū)盒中——>門(mén)口機把圖書(shū)送到出書(shū)口——>打開(kāi)自動(dòng)門(mén)——>管理員提取下架圖書(shū)——>關(guān)閉自動(dòng)門(mén)—— >修改圖書(shū)架位信息狀態(tài)。
4.2 舊書(shū)下架入箱
當圖書(shū)損壞或圖書(shū)長(cháng)時(shí)間沒(méi)人借閱，這樣的圖書(shū)需要進(jìn)行下架處理，但是管理員不能從架位上了解那些圖書(shū)需要下架，此時(shí)，采用查詢(xún)數據庫技術(shù)獲得圖書(shū)架位信息對圖書(shū)進(jìn)行下架入箱操作。如標簽破損不能讀取標簽信息時(shí)，需要下架圖書(shū)進(jìn)行標簽修復處理就采用此方式。
圖書(shū)管理員對舊書(shū)下架入箱主流程簡(jiǎn)略描述如下：圖書(shū)管理員輸入圖書(shū)架位號——>上位機向PLC發(fā)送圖書(shū)下架入箱指令——>PLC控制機械手根據圖書(shū)架位號抓取圖書(shū)——>機械手把圖書(shū)放到圖書(shū)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(wù)器為媒介進(jìn)行串口通信。
OPC全稱(chēng)是OLE for Process Control，它的出現為基于Windows的應用程序和現場(chǎng)過(guò)程控制應用建立了橋梁。在過(guò)去，為了存取現場(chǎng)設備的數據信息，每一個(gè)應用軟件開(kāi)發(fā)商都需要編寫(xiě)專(zhuān)用的接口函數。由于現場(chǎng)設備的種類(lèi)繁多，且產(chǎn)品的不斷升級，往往給用戶(hù)和軟件開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了巨大的工作負擔。通常這樣也不能滿(mǎn)足工作的實(shí)際需要，系統集成商和開(kāi)發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開(kāi)放性、可互操作性的即插即用的設備驅動(dòng)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(shù)為基礎，它的制定是通過(guò)提供一套標準的OLE/COM接口完成的，在OPC技術(shù)中使用的是OLE 2技術(shù)，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P(guān)LC，相應的OPC服務(wù)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(wù)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(lèi)型和下位機的實(shí)際需要確定。
2. PLC接口寄存器變量
下面對在OPC服務(wù)器中上位機與下位機共享的相關(guān)寄存器進(jìn)行說(shuō)明。
首先對寄存器變量說(shuō)明：“R”開(kāi)頭的表示字變量，占2個(gè)字節、16位，如：R0、R1、R2等；“DR”開(kāi)頭的表示雙字變量，占4個(gè)字節、32位，如：DR2、DR4、DR6等。
3. 永宏OPC Server的應用
一般廠(chǎng)牌的小型PLC都沒(méi)有 OPC服務(wù)器軟件，或者都是價(jià)格高昂的。這使得技術(shù)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(xiě)驅動(dòng)，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(jìn)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(lián)機——在通訊硬件狀態(tài)就緒的情況下，在FaSvr1.10界面進(jìn)行聯(lián)機操作；
步驟三：運行——聯(lián)機成功后，PC機與PLC都可以對這些接口寄存器變量進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
PLC通過(guò)梯形圖程序來(lái)讀寫(xiě)變量的數值，而PC機則可通過(guò)高級語(yǔ)言編程來(lái)讀寫(xiě)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(xiě)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(wù)器角色，通訊的數據變得一目了然了，程序的編寫(xiě)變得一步到位了，調試的過(guò)程變得暢通無(wú)阻了。
4. 通訊指令
用戶(hù)通過(guò)人機交互界面對上位PC機進(jìn)行操作，而PC機則通過(guò)向下位的PLC發(fā)送命令，告知PLC何時(shí)做何種動(dòng)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(kāi)門(mén)指令”為例，可作如下定義：
命令字：0x11
指令描述：打開(kāi)自動(dòng)門(mén)，讓用戶(hù)放入圖書(shū)。
指令功能：打開(kāi)自動(dòng)門(mén)，準備進(jìn)行還書(shū)或管理員圖書(shū)上架。
指令格式：第4字節為開(kāi)門(mén)指令命令字，第1字節至第3字節暫時(shí)沒(méi)用，預留，默認值為0x00
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第4字節
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第3字節
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第2字節
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第1字節
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命令字0x11
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預留00
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預留00
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預留 00
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指令寄存器：DR20
指令碼：11000000
相似的，還可以制定“入書(shū)指令”、“出書(shū)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(tài)的協(xié)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(guò)RS-485高速CPU Link進(jìn)行數據交換，使得7個(gè)執行電機協(xié)調工作；
X軸伺服：驅動(dòng)機械手沿水平方向移動(dòng)，配合限位開(kāi)關(guān)，要求快速、準確定位；
Y軸伺服：驅動(dòng)機械手沿鉛直方向移動(dòng)，配合限位開(kāi)關(guān)，要求快速、準確定位；
Z軸步進(jìn)：驅動(dòng)機械手沿垂直于XY平面方向移動(dòng)，完成圖書(shū)入架、出架動(dòng)作；
夾書(shū)伺服：控制書(shū)夾的夾緊、放松，要求有轉矩信號反饋；
門(mén)口步進(jìn)：控制入書(shū)口的門(mén)開(kāi)關(guān)，如接收到還書(shū)指令，則開(kāi)門(mén)等待放書(shū)進(jìn)來(lái)，配合光電開(kāi)關(guān)；
平書(shū)步進(jìn)：還書(shū)時(shí)將斜著(zhù)放入的書(shū)放成水平狀態(tài)，借書(shū)時(shí)將平著(zhù)的書(shū)放回原點(diǎn)；
翻書(shū)步進(jìn)：還書(shū)時(shí)緊接著(zhù)平書(shū)的步驟，將書(shū)翻轉成豎直；借書(shū)時(shí)，將下架的豎直的書(shū)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(wù)就是驅動(dòng)電機，完成定位控制。
永宏P(guān)LC在這方面正好有著(zhù)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(fēng)格，詳盡而人性化的參數設定界面，支持直線(xiàn)插補、原點(diǎn)回歸的便利指令。
4軸高速脈沖輸出組態(tài)
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(diǎn)復歸----可供3種模式
原點(diǎn)復歸----運行示意圖
永宏P(guān)LC的NC定位功能一直備受業(yè)界稱(chēng)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(chǎng)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(lái)說(shuō)，分量不小。
永宏P(guān)LC通過(guò)RS-485通訊，結合專(zhuān)用的高速CPU Link指令，以原始二進(jìn)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，******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(guān)念來(lái)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(huì )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(huì )與2號站相同，依次類(lèi)推。
利用該特長(cháng)，永宏P(guān)LC可輕易控制7軸電機的工作，很多場(chǎng)合下，甚至可以控制十幾軸，體現出很高的實(shí)用性與性?xún)r(jià)比。
五、 總結
隨著(zhù)城市建設進(jìn)程的加速，自助圖書(shū)借還終端機將像銀行ATM，自助售票機，自助飲料售賣(mài)機一樣，遍布在我們生活的周?chē)Ｐ⌒蚉LC憑借著(zhù)性能穩定可靠，編程調試簡(jiǎn)易，接口標準齊全等優(yōu)點(diǎn)，擔當下位機的角色。而永宏P(guān)LC在NC定位、通訊方面顯現出來(lái)的突出性能與性?xún)r(jià)比優(yōu)勢，一定會(huì )在此種設備中得到廣泛的應用。
作者：吳光裕
