一、 系统概述
自助图书借还终端机系统，如同银行ATM自动柜员机一样，是24小时服务的智能化终端设备，让读者既方便又快捷地办理图书借还手续，同时也让图书管理员更准确高效地进行图书管理工作。
该种设备主要由门口机、机械手、书架、上位机业务管理软件和下位机设备控制软件构成，上位机业务管理软件主要通过通信接口控制整个系统的运行，下位机设备控制软件主要控制机械手和门口机的动作，程序在PLC上实现。
图书借还采用RFID技术，RFID读写器读取用户信息以及图书上的电子标签信息，把获得的信息传送给上位机，上位机则通过网络向远程图书馆登记图书借还记录。
图书自动上下架分3部分完成，第一部分是机械手把图书送到指定架位或从指定架位抓取图书送到门口；第二部分是门口机获得图书后（图书获取包括机械手把图书放入门口机内和读者把图书放入门口机内），根据获取图书的状态重新摆放图书；第三部分是门口机开关门，如果是借阅图书，打开自动门，让用户提取借阅图书，如果是图书归还，则打开自动门让读者放入归还图书，操作完成后由PLC控制自动关门。 

二、 操作流程
1. 借书
借书是指读者从自助图书馆系统中借阅图书。

1.1 借书流程
读者借阅图书的主流程简略描述如下：读者选择借书——>上位机向下位机发送借书就绪指令——>门口机书盒竖立——>读者输入图书架位号——>上位机向PLC发送图书下架指令——>PLC控制机械手根据图书架位号去书架抓取图书——>机械手把图书放到门口机书盒中——>上位机读取图书标签——>读取图书标签成功，图书借阅登记——>上位机向门口机发送出书指令——>PLC控制门口机把图书送到门口——>打开自动门——>用户提取图书——>关自动门——>打印借书凭条。

2. 还书
还书是指读者把贴有电子标签的在借图书归还到自助图书馆系统中。系统不仅支持自动还书，而且支持自动上架，当自助图书馆系统书架上有空架位时，图书归还后系统会自动对图书进行上架操作。当自助图书馆系统书架满，但是自助图书馆备用书箱中还有空位是，图书归还后机械手将图书送入书箱中。

2.1 还书上架
本操作流程是图书归还上架流程，读者归还图书的主流程简略描述如下：上位机向下位机发送开门指令——>读者放入图书——>门口机传感器检测图书是否到位、条码扫描枪获取图书正反信息——>关闭自动门——>读图书标签——>读标签成功，进行图书归还登记——>根据图书正反翻转图书——>图书翻转完成、获取图书大小信息——>根据图书大小信息分配图书架位号——>上位机向下位机发送图书上架指令——>下位机控制机械手执行图书上架操作——>打印还书凭条。

2.2 还书入箱
书架满，但是书箱中还有空间放置图书时，系统执行还书入箱操作流程，还书入箱操作主流程描述如下：读者归还图书读取操作上位机向PLC发送开门指令——>自动门打开——>读者放入图书——>门口机传感器获得图书检测信号、条码扫描枪获取图书正反信息——>关闭自动门——>读取图书标签——>根据图书正反翻转图书——>图书翻转完成、获取图书大小信息——>根据图书大小信息分配图书架位号——>如果书架满则向机械手发送图书入箱指令——>机械手把图书放入回收箱中。

3. 新书上架
新书上架指图书管理员对新到图书或从图书馆中心库中提取到得新图书进行上架，通过机械手把图书摆放到自助图书馆系统书架上。

3.1 新书上架流程
自助图书馆图书管理员新书上架主流程简略描述如下：上位机向PLC发送开门指令——>图书管理员放入图书——>门口机传感器获得图书检测信号、条码扫描枪获取图书正反信息——>关闭自动门——>读取图书标签——>根据图书正反翻转图书——>图书翻转完成、获取图书大小信息——>根据图书大小信息分配图书架位号——>上位机向PLC发送图书上架指令——>PLC控制机械手进行图书上架。

4. 旧书下架
图书下架流程是图书管理员对破损图书和长时间没有被借阅的图书进行下架，以便对这些图书进行相应的处理。旧书下架有两种方式，一种方式是图书下架后从门口机出书口中送出，一般情况下一次下架一本，这种方式适合于小批量的图书下架；另一种方式是图书下架后机械手直接把图书放入备用书箱中，特别适合大批量的图书下架，如破损标签图书下架。下面对这两种方式管理员图书下架分别介绍。

4.1 单本图书下架流程
自助图书馆图书管理员对单本旧书或破损图书下架主流程简略描述如下：选中待下架的图书——>上位机向PLC发送下架指令——>机械手从指定位置抓取图书放到门口机书盒中——>门口机把图书送到出书口——>打开自动门——>管理员提取下架图书——>关闭自动门——>修改图书架位信息状态。

4.2 旧书下架入箱
当图书损坏或图书长时间没人借阅，这样的图书需要进行下架处理，但是管理员不能从架位上了解那些图书需要下架，此时，采用查询数据库技术获得图书架位信息对图书进行下架入箱操作。如标签破损不能读取标签信息时，需要下架图书进行标签修复处理就采用此方式。
图书管理员对旧书下架入箱主流程简略描述如下：图书管理员输入图书架位号——>上位机向PLC发送图书下架入箱指令——>PLC控制机械手根据图书架位号抓取图书——>机械手把图书放到图书回收箱中。

三、 上位机与下位机的通讯

1. 通讯方式
上位机与下位机之间以OPC服务器为媒介进行串口通信。
OPC全称是OLE for Process Control，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，OPC标准应运而生。OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM接口完成的，在OPC技术中使用的是OLE 2技术，OLE标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。
系统硬件采用永宏PLC，相应的OPC服务器采用永宏FaSvr1.10版本软件。
通信机制为串口通信，串口标准为RS232C，默认情况下，OPC服务器串口参数如下：数据位7位，奇偶校验位为偶校验，1位停止位，具体的通信参数根据设备类型和下位机的实际需要确定。

2. PLC接口寄存器变量
下面对在OPC服务器中上位机与下位机共享的相关寄存器进行说明。
首先对寄存器变量说明：“R”开头的表示字变量，占2个字节、16位，如：R0、R1、R2等；“DR”开头的表示双字变量，占4个字节、32位，如：DR2、DR4、DR6等。

3. 永宏OPC Server的应用
一般厂牌的小型PLC都没有 OPC服务器软件，或者都是价格高昂的。这使得技术工程师相当头疼，一方面成本预算不够，另一方面如果完全由自己编写驱动，难度和工作量都大大提高了。而永宏的OPC Server软件是免费的，极大的方便了上位机进行集中监控。
FaSvr1.10软件运行界面如下： 

使用方法：
步骤一：规划——利用FaSvr1.10软件，将PLC接口寄存器变量定义好；
步骤二：联机——在通讯硬件状态就绪的情况下，在FaSvr1.10界面进行联机操作；
步骤三：运行——联机成功后，PC机与PLC都可以对这些接口寄存器变量进行读写操作。
PLC通过梯形图程序来读写变量的数值，而PC机则可通过高级语言编程来读写变量的数值。
以VB 6.0为例：
If LIAN Then a =server.SetItem("Channel0.Station0.Group0", "DR2", &H66021A00) '将变量DR2写入数值66021A00；
If LIAN Then Label1.Caption=Hex(server.GetItem("Channel0.Station0.Group0", "DR4")) '读取变量 DR4 的数值；
If LIAN Then Label1.Caption=Hex(server.GetItem("Channel0.Station0.Group0", "R6")) '读取变量 R6 的数值；
从上面可以看出，有了FaSvr软件充当服务器角色，通讯的数据变得一目了然了，程序的编写变得一步到位了，调试的过程变得畅通无阻了。

4. 通讯指令
用户通过人机交互界面对上位PC机进行操作，而PC机则通过向下位的PLC发送命令，告知PLC何时做何种动作。通讯命令存取的地址，也是在PLC的接口寄存器；而通讯命令的内容，则需要人为定义。以“开门指令”为例，可作如下定义：
命令字：0x11
指令描述：打开自动门，让用户放入图书。
指令功能：打开自动门，准备进行还书或管理员图书上架。
指令格式：第4字节为开门指令命令字，第1字节至第3字节暂时没用，预留，默认值为0x00 

第4字节	第3字节	第2字节	第1字节
命令字0x11	预留00	预留00	预留 00

指令寄存器：DR20
指令码：11000000
相似的，还可以制定“入书指令”、“出书指令”、“上架指令”、“下架指令”等等，作为PC机向PLC下达命令，以及PLC向PC机反馈工作状态的协议。

四、 下位机与执行机构
1. 硬件配置与架构 

控制器：永宏FBs-MC型PLC主机，有4轴频率高达200kHz的脉冲输出。该系统中，FBs-32MCT主站控制3轴高速脉冲输出，FBs-32MCT从站控制4轴高速脉冲输出，而两台主机之间通过RS-485高速CPU Link进行数据交换，使得7个执行电机协调工作；
X轴伺服：驱动机械手沿水平方向移动，配合限位开关，要求快速、准确定位；
Y轴伺服：驱动机械手沿铅直方向移动，配合限位开关，要求快速、准确定位；
Z轴步进：驱动机械手沿垂直于XY平面方向移动，完成图书入架、出架动作；
夹书伺服：控制书夹的夹紧、放松，要求有转矩信号反馈；
门口步进：控制入书口的门开关，如接收到还书指令，则开门等待放书进来，配合光电开关；
平书步进：还书时将斜着放入的书放成水平状态，借书时将平着的书放回原点；
翻书步进：还书时紧接着平书的步骤，将书翻转成竖直；借书时，将下架的竖直的书翻转成水平；

2. 永宏NC定位功能
该系统中，下位PLC承担的最主要任务就是驱动电机，完成定位控制。
永宏PLC在这方面正好有着卓越的表现——单机支持4轴频率高达200kHz的高速脉冲输出，表格向导式的编程风格，详尽而人性化的参数设定界面，支持直线插补、原点回归的便利指令。 

4轴高速脉冲输出组态 

区块化的功能指令 

表格向导式的伺服命令编辑 

深入浅出的参数设定表格 

原点复归----可供3种模式

原点复归----运行示意图
永宏PLC的NC定位功能一直备受业界称赞，由上述可窥一斑。

3. 永宏高速CPU Link
系统需要控制7轴电机，而一般厂牌的小型PLC，最多可控4轴，需要控制4轴以上，一般需要增加NC模块，对于电控部分的成本来说，分量不小。
永宏PLC通过RS-485通讯，结合专用的高速CPU Link指令，以原始二进制码作为传输码，最高数据传输率达921.6kbps，且采用“立即处理”的命令处理方式，更可靠的CRC16校验方式，最大程度的保证了通讯的速度与性能。
高速CPU Link的数据传输理念是以 COMMON DATA MEMORY 观念来设计； 例如主站将 R0～R31的内容送出，则所有从站 PLC的R0～R31的内容都会与主站相同； 2号PLC从站将R32～R47 中内容送出，则主站及其它PLC从站的 R32～R47 的内容都会与2号站相同，依次类推。 

利用该特长，永宏PLC可轻易控制7轴电机的工作，很多场合下，甚至可以控制十几轴，体现出很高的实用性与性价比。

五、 总结
随着城市建设进程的加速，自助图书借还终端机将像银行ATM，自助售票机，自助饮料售卖机一样，遍布在我们生活的周围。小型PLC凭借着性能稳定可靠，编程调试简易，接口标准齐全等优点，担当下位机的角色。而永宏PLC在NC定位、通讯方面显现出来的突出性能与性价比优势，一定会在此种设备中得到广泛的应用。

作者：吴光裕