【摘要】
本文主要介紹在自助圖書(shū)借還終端機(jī)的應(yīng)用架構(gòu)中，永宏P(guān)LC作為下位機(jī)，在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮的作用。突出了永宏P(guān)LC在與上位機(jī)通訊、NC定位控制等方面的便捷與強(qiáng)大。
【術(shù)語(yǔ)名詞】
上位機(jī)：PC機(jī)
PLC: 可編程邏輯器件英文全稱為Programmable logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC
下位機(jī)：永宏P(guān)LC模塊，本文中PLC模塊簡(jiǎn)稱PLC
RFID：射頻識(shí)別，它是Radio Frequency Identification的簡(jiǎn)稱
OPC：OPC 全稱是OLE for Process Control，中文意思是對(duì)象的鏈接和嵌入技術(shù)。
一、 系統(tǒng)概述
自助圖書(shū)借還終端機(jī)系統(tǒng)，如同銀行ATM自動(dòng)柜員機(jī)一樣，是24小時(shí)服務(wù)的智能化終端設(shè)備，讓讀者既方便又快捷地辦理圖書(shū)借還手續(xù)，同時(shí)也讓圖書(shū)管理員更準(zhǔn)確高效地進(jìn)行圖書(shū)管理工作。
該種設(shè)備主要由門(mén)口機(jī)、機(jī)械手、書(shū)架、上位機(jī)業(yè)務(wù)管理軟件和下位機(jī)設(shè)備控制軟件構(gòu)成，上位機(jī)業(yè)務(wù)管理軟件主要通過(guò)通信接口控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，下位機(jī)設(shè)備控制軟件主要控制機(jī)械手和門(mén)口機(jī)的動(dòng)作，程序在PLC上實(shí)現(xiàn)。
圖書(shū)借還采用RFID技術(shù)，RFID讀寫(xiě)器讀取用戶信息以及圖書(shū)上的電子標(biāo)簽信息，把獲得的信息傳送給上位機(jī)，上位機(jī)則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)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(jī)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(jī)獲得圖書(shū)后（圖書(shū)獲取包括機(jī)械手把圖書(shū)放入門(mén)口機(jī)內(nèi)和讀者把圖書(shū)放入門(mén)口機(jī)內(nèi)），根據(jù)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(jī)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(tǒng)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(jī)向下位機(jī)發(fā)送借書(shū)就緒指令——>門(mén)口機(jī)書(shū)盒豎立——>讀者輸入圖書(shū)架位號(hào) ——>上位機(jī)向PLC發(fā)送圖書(shū)下架指令——>PLC控制機(jī)械手根據(jù)圖書(shū)架位號(hào)去書(shū)架抓取圖書(shū)——>機(jī)械手把圖書(shū)放到門(mén)口機(jī)書(shū)盒中—— >上位機(jī)讀取圖書(shū)標(biāo)簽——>讀取圖書(shū)標(biāo)簽成功，圖書(shū)借閱登記——>上位機(jī)向門(mén)口機(jī)發(fā)送出書(shū)指令——>PLC控制門(mén)口機(jī)把圖書(shū)送到門(mén)口——>打開(kāi)自動(dòng)門(mén)——>用戶提取圖書(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(biāo)簽的在借圖書(shū)歸還到自助圖書(shū)館系統(tǒng)中。系統(tǒng)不僅支持自動(dòng)還書(shū)，而且支持自動(dòng)上架，當(dāng)自助圖書(shū)館系統(tǒng)書(shū)架上有空架位時(shí)，圖書(shū)歸還后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)圖書(shū)進(jìn)行上架操作。當(dāng)自助圖書(shū)館系統(tǒng)書(shū)架滿，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(jī)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(jī)向下位機(jī)發(fā)送開(kāi)門(mén)指令——>讀者放入圖書(shū)——>門(mén)口機(jī)傳感器檢測(cè)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(biāo)簽——>讀標(biāo)簽成功，進(jìn)行圖書(shū)歸還登記——>根據(jù)圖書(shū)正反翻轉(zhuǎn)圖書(shū)——>圖書(shū)翻轉(zhuǎn)完成、獲取圖書(shū)大小信息——>根據(jù)圖書(shū)大小信息分配圖書(shū)架位號(hào)——>上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送圖書(shū)上架指令—— >下位機(jī)控制機(jī)械手執(zhí)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，但是書(shū)箱中還有空間放置圖書(shū)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)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(jī)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(jī)傳感器獲得圖書(shū)檢測(cè)信號(hào)、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(biāo)簽——>根據(jù)圖書(shū)正反翻轉(zhuǎn)圖書(shū)——>圖書(shū)翻轉(zhuǎn)完成、獲取圖書(shū)大小信息——>根據(jù)圖書(shū)大小信息分配圖書(shū)架位號(hào)——>如果書(shū)架滿則向機(jī)械手發(fā)送圖書(shū)入箱指令——>機(jī)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(duì)新到圖書(shū)或從圖書(shū)館中心庫(kù)中提取到得新圖書(shū)進(jìn)行上架，通過(guò)機(jī)械手把圖書(shū)擺放到自助圖書(shū)館系統(tǒng)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(jī)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(jī)傳感器獲得圖書(shū)檢測(cè)信號(hào)、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(biāo)簽——>根據(jù)圖書(shū)正反翻轉(zhuǎn)圖書(shū)——>圖書(shū)翻轉(zhuǎn)完成、獲取圖書(shū)大小信息——>根據(jù)圖書(shū)大小信息分配圖書(shū)架位號(hào)——>上位機(jī)向PLC發(fā)送圖書(shū)上架指令——>PLC控制機(jī)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(duì)破損圖書(shū)和長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被借閱的圖書(shū)進(jìn)行下架，以便對(duì)這些圖書(shū)進(jìn)行相應(yīng)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(jī)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(jī)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(biāo)簽圖書(shū)下架。下面對(duì)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(duì)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(jī)向PLC發(fā)送下架指令——>機(jī)械手從指定位置抓取圖書(shū)放到門(mén)口機(jī)書(shū)盒中——>門(mén)口機(jī)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(dāng)圖書(shū)損壞或圖書(shū)長(zhǎng)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)，采用查詢數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)獲得圖書(shū)架位信息對(duì)圖書(shū)進(jìn)行下架入箱操作。如標(biāo)簽破損不能讀取標(biāo)簽信息時(shí)，需要下架圖書(shū)進(jìn)行標(biāo)簽修復(fù)處理就采用此方式。
圖書(shū)管理員對(duì)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(hào)——>上位機(jī)向PLC發(fā)送圖書(shū)下架入箱指令——>PLC控制機(jī)械手根據(jù)圖書(shū)架位號(hào)抓取圖書(shū)——>機(jī)械手把圖書(shū)放到圖書(shū)回收箱中。
三、 上位機(jī)與下位機(jī)的通訊
1. 通訊方式
上位機(jī)與下位機(jī)之間以O(shè)PC服務(wù)器為媒介進(jìn)行串口通信。
OPC全稱是OLE for Process Control，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制應(yīng)用建立了橋梁。在過(guò)去，為了存取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個(gè)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)商都需要編寫(xiě)專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的種類(lèi)繁多，且產(chǎn)品的不斷升級(jí)，往往給用戶和軟件開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了巨大的工作負(fù)擔(dān)。通常這樣也不能滿足工作的實(shí)際需要，系統(tǒng)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這種情況下，OPC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過(guò)提供一套標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)允許多臺(tái)微機(jī)之間交換文檔、圖形等對(duì)象。
系統(tǒng)硬件采用永宏P(guān)LC，相應(yīng)的OPC服務(wù)器采用永宏FaSvr1.10版本軟件。
通信機(jī)制為串口通信，串口標(biāo)準(zhǔn)為RS232C，默認(rèn)情況下，OPC服務(wù)器串口參數(shù)如下：數(shù)據(jù)位7位，奇偶校驗(yàn)位為偶校驗(yàn)，1位停止位，具體的通信參數(shù)根據(jù)設(shè)備類(lèi)型和下位機(jī)的實(shí)際需要確定。
2. PLC接口寄存器變量
下面對(duì)在OPC服務(wù)器中上位機(jī)與下位機(jī)共享的相關(guān)寄存器進(jìn)行說(shuō)明。
首先對(duì)寄存器變量說(shuō)明：“R”開(kāi)頭的表示字變量，占2個(gè)字節(jié)、16位，如：R0、R1、R2等；“DR”開(kāi)頭的表示雙字變量，占4個(gè)字節(jié)、32位，如：DR2、DR4、DR6等。
3. 永宏OPC Server的應(yīng)用
一般廠牌的小型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(dāng)頭疼，一方面成本預(yù)算不夠，另一方面如果完全由自己編寫(xiě)驅(qū)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(fèi)的，極大的方便了上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控。
FaSvr1.10軟件運(yùn)行界面如下：
使用方法：
步驟一：規(guī)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(jī)——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(jī)操作；
步驟三：運(yùn)行——聯(lián)機(jī)成功后，PC機(jī)與PLC都可以對(duì)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(shù)值，而PC機(jī)則可通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言編程來(lái)讀寫(xiě)變量的數(shù)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(shù)值66021A00；
If LIAN Then Label1.Caption=Hex(server.GetItem("Channel0.Station0.Group0", "DR4")) '讀取變量 DR4 的數(shù)值；
If LIAN Then Label1.Caption=Hex(server.GetItem("Channel0.Station0.Group0", "R6")) '讀取變量 R6 的數(shù)值；
從上面可以看出，有了FaSvr軟件充當(dāng)服務(wù)器角色，通訊的數(shù)據(jù)變得一目了然了，程序的編寫(xiě)變得一步到位了，調(diào)試的過(guò)程變得暢通無(wú)阻了。
4. 通訊指令
用戶通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)上位PC機(jī)進(jìn)行操作，而PC機(jī)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(nèi)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)，讓用戶放入圖書(shū)。
指令功能：打開(kāi)自動(dòng)門(mén)，準(zhǔn)備進(jìn)行還書(shū)或管理員圖書(shū)上架。
指令格式：第4字節(jié)為開(kāi)門(mén)指令命令字，第1字節(jié)至第3字節(jié)暫時(shí)沒(méi)用，預(yù)留，默認(rèn)值為0x00
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第4字節(jié)
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第3字節(jié)
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第2字節(jié)
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第1字節(jié)
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命令字0x11
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預(yù)留00
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預(yù)留00
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預(yù)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(jī)向PLC下達(dá)命令，以及PLC向PC機(jī)反饋工作狀態(tài)的協(xié)議。
四、 下位機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1. 硬件配置與架構(gòu)
控制器：永宏FBs-MC型PLC主機(jī)，有4軸頻率高達(dá)200kHz的脈沖輸出。該系統(tǒng)中，F(xiàn)Bs-32MCT主站控制3軸高速脈沖輸出，F(xiàn)Bs- 32MCT從站控制4軸高速脈沖輸出，而兩臺(tái)主機(jī)之間通過(guò)RS-485高速CPU Link進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使得7個(gè)執(zhí)行電機(jī)協(xié)調(diào)工作；
X軸伺服：驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿水平方向移動(dòng)，配合限位開(kāi)關(guān)，要求快速、準(zhǔn)確定位；
Y軸伺服：驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿鉛直方向移動(dòng)，配合限位開(kāi)關(guān)，要求快速、準(zhǔn)確定位；
Z軸步進(jìn)：驅(qū)動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)矩信號(hào)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)將斜著放入的書(shū)放成水平狀態(tài)，借書(shū)時(shí)將平著的書(shū)放回原點(diǎn)；
翻書(shū)步進(jìn)：還書(shū)時(shí)緊接著平書(shū)的步驟，將書(shū)翻轉(zhuǎn)成豎直；借書(shū)時(shí)，將下架的豎直的書(shū)翻轉(zhuǎn)成水平；
2. 永宏NC定位功能
該系統(tǒng)中，下位PLC承擔(dān)的最主要任務(wù)就是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成定位控制。
永宏P(guān)LC在這方面正好有著卓越的表現(xiàn)——單機(jī)支持4軸頻率高達(dá)200kHz的高速脈沖輸出，表格向?qū)降木幊田L(fēng)格，詳盡而人性化的參數(shù)設(shè)定界面，支持直線插補(bǔ)、原點(diǎn)回歸的便利指令。
4軸高速脈沖輸出組態(tài)
區(qū)塊化的功能指令
表格向?qū)降乃欧罹庉?nbsp;
深入淺出的參數(shù)設(shè)定表格
原點(diǎn)復(fù)歸----可供3種模式
原點(diǎn)復(fù)歸----運(yùn)行示意圖
永宏P(guān)LC的NC定位功能一直備受業(yè)界稱贊，由上述可窺一斑。
3. 永宏高速CPU Link
系統(tǒng)需要控制7軸電機(jī)，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(duì)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(jié)合專用的高速CPU Link指令，以原始二進(jìn)制碼作為傳輸碼，最高數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)921.6kbps，且采用“立即處理”的命令處理方式，更可靠的CRC16校驗(yàn)方式，最大程度的保證了通訊的速度與性能。
高速CPU Link的數(shù)據(jù)傳輸理念是以 COMMON DATA MEMORY 觀念來(lái)設(shè)計(jì)； 例如主站將 R0～R31的內(nèi)容送出，則所有從站 PLC的R0～R31的內(nèi)容都會(huì)與主站相同； 2號(hào)PLC從站將R32～R47 中內(nèi)容送出，則主站及其它PLC從站的 R32～R47 的內(nèi)容都會(huì)與2號(hào)站相同，依次類(lèi)推。
利用該特長(zhǎng)，永宏P(guān)LC可輕易控制7軸電機(jī)的工作，很多場(chǎng)合下，甚至可以控制十幾軸，體現(xiàn)出很高的實(shí)用性與性價(jià)比。
五、 總結(jié)
隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加速，自助圖書(shū)借還終端機(jī)將像銀行ATM，自助售票機(jī)，自助飲料售賣(mài)機(jī)一樣，遍布在我們生活的周?chē)?。小型PLC憑借著性能穩(wěn)定可靠，編程調(diào)試簡(jiǎn)易，接口標(biāo)準(zhǔn)齊全等優(yōu)點(diǎn)，擔(dān)當(dāng)下位機(jī)的角色。而永宏P(guān)LC在NC定位、通訊方面顯現(xiàn)出來(lái)的突出性能與性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，一定會(huì)在此種設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。
作者：吳光裕
