现场总线控制系统(FCS)在闭架书库中的应用
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摘 要
随着图书馆自动化技术的不断发展以及物联网技术的兴起，图书馆自动化技
术开始进入智能闭架书库时代。开展闭架书库系统的研究对推动我国图书馆自动
化事业的发展具有里程碑式的意义。本文针对闭架书库系统中书籍的存储、转移、
借还等问题开展了相关机械系统的结构研究，并取得一定成果，设计了一整套的
闭架书库机械系统。特别是在书籍存储方法上，提出了利用储书盒的方式保存书
籍的方法。理论和实践证明，采用该种方法能够很好的避免书籍在转移过程中，
因为书籍卷边以及破损等问题所导致的机械故障和书籍的破坏性损坏。同时为了
适应书籍物理尺寸的不同，在系统中使用了两种不同厚度的储书盒分别对不同厚
度的书籍进行存储，在采用该方法以后满足了书库系统对书籍物理尺寸的最大兼
容和存储空间的充分利用两个关键技术指标。
随着现场总线技术的不断发展而逐渐兴起的第五代自动化控制系统——现场
总线控制系统，在国内外自动化控制领域正逐渐被广泛应用。本文以闭架书库系
统为硬件平台，开展了现场总线控制系统的应用研究。并对现场总线控制系统开
发过程中的总线选型，网络层次划分等问题开展了深入细致的研究。最后结合
RS485 技术、CAN 总线技术以及以太网技术构建了闭架书库系统的现场总线控制
系统。并对 CAN 总线应用过程中的应用层协议定制进行了研究，最后根据闭架书
库系统的特点设计了闭架书库系统专用 CAN 总线应用层协议。
本文除开展了以上课题研究外，还对控制系统开发过程中的关键智能模块的
设计、选型以及控制系统的关键软件算法进行了详细论述。最后对本文所研制的
闭架书库系统尚存在的问题以及相关技术的发展动向进行了分析。
关键词：图书馆自动化、闭架书库、现场总线控制系统、CAN 总线
ABSTRACT
With the development of the library automation and networking technology, the
library automation technology began to enter into the intelligent closed stacks era.The
reserch of closed stacks system promote Chinese library automation development has
the sense of milepost type. Based on the closed stacks of books in storage, transfer
system and circulate, through the research of mechanical structure system. Based on the
result of reserch design a set of mechanical system of closed stacks. Especially in the
book storage method on the preservation of books, book box method. Theory and
practice has proved that using this kind of method can be avoided mechanical failure
and the destruction of the books, because of books lipped and damage and other issues
in the transfer process.
With the development of the fieldbus technology and the gradual rise of the fifth
generation automation control system -- fieldbus control system, is gradually been
widely used in the domestic automation control field. Based on the closed stacks system
as a hardware platform, launched the fieldbus control system applied research. Intensely
studied the bus selection, network hierarchical classification problems in the developing
process of the fieldbus control system.Constructed the closed stacks system field bus
control network based on RS485, CAN bus technology and Ethernet technology.
Research on CAN bus application layer protocol customization method, finally, custom
a CAN bus application layer protocol for closed stacks system according to the closed
stacks system features.
In this paper, the control system the key intelligent module design and the selection
and control system of the key software algorithm are discussed in detail.Finally, this
paper developed the closed stacks system existing problems were analyzed, and the
relevant technology development trend are analysed too.
KeyWords: Library Automation, Closed Stacks, Fieldbus Control
System, CAN Bus
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论.................................................................................................................. 1
§1.1 课题的背景及意义 .......................................................................................... 1
§1.2 图书馆自动化的发展现状 .............................................................................. 1
§1.2.1 国外发展现状 ...................................................................................... 1
§1.2.2 国内发展现状 ...................................................................................... 2
§1.3 现场总线控制系统的发展现状 ...................................................................... 3
§1.3.1 国外发展现状 ...................................................................................... 3
§1.3.2 国内发展现状 ...................................................................................... 5
§1.4 课题的研究内容 .............................................................................................. 5
第二章 闭架书库机械系统整体设计 ............................................................................ 7
§2.1 闭架书库的功能分析 ..................................................................................... 7
§2.1.1 闭架书库系统功能需求及主要技术指标 .......................................... 7
§2.1.2 闭架书库系统的其它技术指标 .......................................................... 8
§2.2 闭架书库的整体布局 ..................................................................................... 8
§2.3 储书盒 ............................................................................................................. 9
§2.4 储书盒存放架 ............................................................................................... 10
§2.4.1 书架外框架 .........................................................................................11
§2.4.2 储书盒承载单元 ................................................................................ 12
§2.4.3 储书盒方向调整与出入架装置 ........................................................ 12
§2.4.4 书架布局及尺寸 ................................................................................ 13
§2.5 储书盒操作机械手 ....................................................................................... 14
§2.6 借还书装置 .................................................................................................... 15
§2.7 本章小结 ....................................................................................................... 16
第三章 闭架书库总体控制方案 ................................................................................ 17
§3.1 现场总线控制系统(FCS)简介 ..................................................................... 17
§3.1.1 主要现场总线标准分析 ..................................................................... 18
§3.1.2 闭架书库现场总线控制系统方案的确定 ......................................... 23
§3.2 闭架书库控制系统总体设计 ....................................................................... 24
§3.2.1 闭架书库系统中的网络分层 ............................................................ 25
§3.2.2 控制网络方案的确定 ........................................................................ 26
§3.3 本章小结 ........................................................................................................ 26
第四章 闭架书库控制系统的智能模块设计 ............................................................ 27
§4.1 定位控制方案的确定 ................................................................................... 27
§4.1.1 伺服驱动器的发展现状 .................................................................... 27
§4.1.2 闭架书库控制系统伺服装置的选取 ................................................. 28
§4.2 远程 I/O 的模块设计.................................................................................... 29
§4.2.1 远程 I/O 模块的设计原则................................................................. 30
§4.2.2 远程 I/O 模块的硬件实现................................................................. 30
§4.2.3 远程 I/O 模块的软件实现................................................................. 32
§4.3 智能书籍信息采集模块的设计 ................................................................... 34
§4.3.1 模块的功能需求分析 ........................................................................ 34
§4.3.2 模块的硬件实现 ................................................................................ 35
§4.3.3 模块的软件实现 ................................................................................ 37
§4.4 书架单元控制器的设计 ............................................................................... 38
§4.4.1 控制器的功能分析 ............................................................................ 38
§4.4.2 控制器的硬件实现 ............................................................................ 39
§4.4.3 控制器的软件实现 ............................................................................. 41
4.5 中央调度单元的调度方法 .............................................................................. 44
§4.5.1 书籍的内部流通 ................................................................................ 44
§4.5.2 书籍的借阅调度 ................................................................................ 45
§4.5.3 书籍的归还调度 ................................................................................ 47
4.6 本章小结 ......................................................................................................... 48
第五章 闭架书库系统中的 CAN 应用层协议设计.................................................... 49
§5.1 闭架书库控制系统中数据传输特点 ........................................................... 49
§5.2 CAN 总线应用层协议的确定....................................................................... 49
§5.2.1 基于 CAN 总线的主要应用层协议介绍.......................................... 50
§5.2.2 闭架书库系统 CAN 总线应用层协议.............................................. 56
§5.2.3 标识符分配方案 ................................................................................ 56
§5.2.4 消息帧的结构 .................................................................................... 60
§5.3 定制协议在闭架书库中的应用 ................................................................... 60
§5.3.1 定制协议的应用 ................................................................................ 60
§5.3.2 并发请求时的冲突响应 .................................................................... 63
§5.4 本章小结 ....................................................................................................... 64
第六章 总结与展望 ...................................................................................................... 65
§6.1 结论及创新点 ............................................................................................... 65
§6.6.1 课题总结 ............................................................................................ 65
§6.6.2 课题创新点 ........................................................................................ 65
§6.2 研究展望 ....................................................................................................... 66
参考文献 ........................................................................................................................ 67
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 70
致 谢.............................................................................................................................. 71
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的背景及意义
传统的闭架书库，又称闭架图书馆是指读者将所需要借阅的图书信息提供给
图书馆管理员，由管理员代替读者进入书库为读者寻找并取出所需图书供读者借
阅的图书馆管理方式[1]。采用该种管理方式的图书馆在给读者有效利用图书馆资源
提供便利的同时也便于图书馆对书籍的存储和管理，但是它却增加了图书管理员
的劳动强度。更重要的是采用该种管理方式的图书馆，其服务能力受到一定限制，
致使馆内的资源不能得到充分的利用，在一定程度上造成了资源的闲置。因此传
统的闭架图书馆逐渐的被开架式图书馆所取代。图书馆在采用开架管理方式以后，
虽然解决了闭架管理方式所固有的问题，但也使得闭架管理方式的部分优点不复
存在。因此寻找一种既能保留闭架管理方式的优点，又能兼备开架方式优点的图
书馆管理方式，成为新型图书馆管理研究的一个重要方向。近年来随着电子技术，
自动化技术，现代物流技术的不断发展和完善，图书馆自动化作为一个全新的自
动化控制领域逐渐的发展起来。其中智能闭架书库系统因被认为是当前图书馆自
动化发展的最高阶段而受到了广大从事机械自动化、图书馆自动化以及物联网研
究机构和公司的广泛关注。
现场总线控制系统，是在计算机技术，通信技术，控制技术的基础上发展起
来的现场总线技术发展的必然产物。作为继基地式气动仪表控制系统、模拟式仪
表控制系统、直接数字控制系统以及集散控制系统(DCS)后自动控制领域的又一新
阶段[2]，现场总线控制系统(FCS)以其优良的性能迅速的得到了国内外相关企业的
广泛关注，并投入大量的人力物力从事相关技术的研究。正是受到如此广泛的关
注，在其产生后不到二十年的时间里现场总线技术便得到了长促发展，呈现出百
花争艳的局面。尽管现场总线控制技术在国外已得到了广泛的关注和使用但当前
在国内市场，现场总线技术主要还是用于数据传输网络，而在控制网络中很少使
用。特别是在过程控制领域，目前主要还是依赖于集散控制系统。因此开展现场
总线技术及现场总线控制系统相关技术的研究，对现场总线控制系统在国内控制
领域的推广和普及有极其重要的意义。
§1.2 图书馆自动化的发展现状
§1.2.1 国外发展现状
图书馆自动化技术始于 1954 年，经过半个多世纪的发展，在图书馆自动化方
现场总线控制系统(FCS)在闭架书库中的应用
2
面积累了大量有价值的经验[3]，为图书馆自动化的近一步发展奠定了坚实的理论基
础。
早期的图书馆自动化技术，主要研究图书的自助借还终端。世界上第一个图
书自助借还终端系统于 1974 年出现在美国德州大学达拉斯分校，但最终却因为设
计缺陷和受当时的技术发展水平所限，该终端系统并未获得成功[3]。在这之后各大
致力于图书馆自助终端开发的机构从事的大量试验都以失败而告终，曾一度使得
该领域的技术发展进入一个低谷。随着自动存款机(ATM)在银行服务行业的成功应
用，使广大从事图书馆自动化研究的机构看到了新的希望，于是又逐渐的开始投
入人力物力从事相关技术的研究。其中美国 3M 公司走到了众多机构的前列，并逐
渐成为图书馆自动化行业的领军者。该公司于 1991 率先在澳洲大学图书馆测试了
其新研制的自助借还书系统。后经过近一步的完善，该公司于 1992 年先后在爱荷
华州达文波特图书馆及密苏里大学威尔逊图书馆对该系统进行了全面的测试，并
取得成功。在经过一系列的测试以及完善以后 3M 公司成功的推出了它的第一款图
书自助借还设备——Self-check 系列读者自助借还书系统，并以其优良的性能和先
进的理念迅速席卷全球图书馆自动化市场，使其成为图书馆自动化行业的领跑者。
从某种意义上来说上述系统并不是真正意义上的自动图书馆，只是一个自助
式的图书借还终端。而自动图书馆中一个重要功能就是图书存取的自动化，在这
样的系统中，读者无需进入到书库中便能获得所需图书，并能自动将读者所归还
的图书放回书架供读者再次借阅，在图书馆的日常维护过程中无需管理员进入到
书库中对书籍的存储进行维护。这是图书馆自动化继图书自助借还终端以后一个
重要的发展方向。2008 年4月在美国加利福利亚旧金山湾区地铁站问世的一台名
为Library-a-Go-Go 的设备成为图书馆自动化发展史上具有里程碑意义的事件[4]，
它的出现将图书馆自动化带入了一个崭新的时代。
§1.2.2 国内发展现状
在国内图书馆自动化始于 1974 年，较国外同类技术研究整整晚了 20 年。这
也使得我国在该领域较国外同类产品在技术上存在巨大差距，并呈现缓慢发展的
趋势。上世纪八十年代，由北京大学图书馆、北京图书馆、清华大学图书馆等联
合发起试读 LCMARC(美国国会图书馆发行的机读目录)[5]，成为我国图书馆自动化
发展史上一件大事，这标志着我国的图书馆自动化事业的正式起步。并从此进入
快速发展时期。
2006 年，深圳图书馆率先提出了“24 小时自助图书馆”的创新型图书馆服务
模式，2008 年3月深圳图书馆与深圳海恒智能技术有限公司共同研制了世界上首
第一章 绪 论
3
台真正意义上的自助图书馆“城市街区 24 小时自助图书馆系统”[3]，该设备虽然
较先前在国内出现的设备在技术上都要先进，但是却存在一个缺陷，读者归还的
图书要再次进入到流通领域需要管理员的干预。2009 年9月由上海理工大学和上
海阿法迪智能标签系统技术有限公司联合研制的图书 ATM 机在上海市普陀区图书
馆正式面市。该设备在继承“城市街区 24 小时自助图书馆系统”优点的基础上解
决了图书自动上架的问题，使得读者归还的图书能够自动的进入到新的流通环节。
2010 年由该团队联合研制的改进型图书 ATM 机II 型参展上海世博会，上海国际
工业博览会等重大展示，都赢得了极好的社会效应，这标志着我国图书馆自动化
产业进入了一个崭新的时代。
图书 ATM 机，作为一种新型的图书借还设备，虽然给当今社会忙碌的都市人
利用图书馆资源带来了便利，为延伸图书馆的服务空间和时间提供了平台，但是
由于其结构所限，使其能提供的书籍数量受到了限制，这在限制它服务能力的同
时也使得该技术的大规模应用成为一道难题。于是人们纷纷把注意力转移到智能
闭架书库系统的研究中去。国内最早开始这方面研究的是北京理工大学，并已获
得相关专利若干，为我国的闭架书库研究提供了很好的技术背景。2010 年由上海
理工大学和上海阿法迪智能标签系统技术有限公司联合申报上海市联盟计划获得
成功，从此开启了该团队对闭架书库系统的研制，也成为本课题的来源。
§1.3 现场总线控制系统的发展现状
§1.3.1 国外发展现状
现场总线技术始于 1983 Honeywell 公司推出的 Smart 智能变送器，当时采用
在模拟信号上叠加数字信号的方式实现了数字信息的传递，为现场总线仪表的发
展提供了方向[6]。现场总线技术的发展和计算机技术，通信技术，网络技术，控制
技术和信息技术等高新技术的发展分不开，被誉为工业现场的网络技术，信息高
速公路。
随着第一台能够传送数字信号的智能变送器的诞生，其相关技术的研究就不
断地被推进。同时相关国际组织也开始着手现场总线行业标准的制定，其中美国
的ISA 组织在业界最早开始制定现场总线标准。紧随其后的是国际电工委员会
IEC，于 1985 年成立了专门化组织 IEC/FC65/SC65C/WG62 负责相关行业国际标准
的制定。1986 年德国开始制定现场总线标准，即过程现场总线(PROFIbus)标准，
该标准于 1990 年通过，1992 年根据该标准设计的第一块现场总线芯片诞生，标志
着现场总线时代的到来[7] [8]。国际电工标准委员会，经过几年的努力，最终确立了
摘要：
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摘要随着图书馆自动化技术的不断发展以及物联网技术的兴起，图书馆自动化技术开始进入智能闭架书库时代。开展闭架书库系统的研究对推动我国图书馆自动化事业的发展具有里程碑式的意义。本文针对闭架书库系统中书籍的存储、转移、借还等问题开展了相关机械系统的结构研究，并取得一定成果，设计了一整套的闭架书库机械系统。特别是在书籍存储方法上，提出了利用储书盒的方式保存书籍的方法。理论和实践证明，采用该种方法能够很好的避免书籍在转移过程中，因为书籍卷边以及破损等问题所导致的机械故障和书籍的破坏性损坏。同时为了适应书籍物理尺寸的不同，在系统中使用了两种不同厚度的储书盒分别对不同厚度的书籍进行存储，在采用该方法以后满足...
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