西班牙拉古納大學(xué)下屬機(jī)構(gòu)加那利天體物理研究所（IAC，全稱：加那利群島天體物理研究所）在加那利群島運(yùn)營著兩座天文臺(tái)：拉帕爾瑪島穆查丘斯羅克天文臺(tái)與特內(nèi)里費(fèi)島泰德天文臺(tái)。倍�；� PC 的控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制方案為天體物理學(xué)家突破太空探索邊界提供了重要技術(shù)支撐。
IAC 與倍福的合作始于十二年前，雙方共同為特內(nèi)里費(fèi)島 Q-U-I 聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃（QUIJOTE I）首臺(tái)望遠(yuǎn)鏡提供技術(shù)支持。該項(xiàng)目的目標(biāo)是測定宇宙微波背景輻射 (CMB) 的偏振特性，精確分析 10 至 42 GHz 頻段內(nèi)星系及星系際物質(zhì)的輻射機(jī)制，并藉此探尋宇宙大爆炸的痕跡。倍福當(dāng)時(shí)被選為望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的技術(shù)合作伙伴，至今仍是倍受信賴的長期合作伙伴。
01
運(yùn)動(dòng)控制與 EtherCAT 技術(shù)協(xié)同實(shí)現(xiàn)高精度控制
望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)采用 TwinCAT 2 NC PTP 和 C5102 19 英寸抽拉式工業(yè) PC，可精確控制望遠(yuǎn)鏡的方位角和仰角。除望遠(yuǎn)鏡控制所需的數(shù)字量和模擬量輸入輸出外，系統(tǒng)還通過 EL6688 (IEEE 1588/PTP) 通信接口實(shí)現(xiàn)了精確時(shí)間協(xié)議的編程與部署。該 EtherCAT 端子模塊作為 IEEE 1588 同步系統(tǒng)中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，支持 PTPv1（IEEE 1588-2002）和 PTPv2（IEEE 1588-2008）兩種協(xié)議。“時(shí)鐘同步對于實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡與觀測的恒星和星系運(yùn)動(dòng)的精確同步至關(guān)重要。”IAC 工程總監(jiān) Jose Miguel Herreros 說道。另一大挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)軸在極低速與高速工況下的納米級運(yùn)動(dòng)控制精度。由于方位軸直驅(qū)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，當(dāng)時(shí)不得不對所使用的 AX2000 伺服驅(qū)動(dòng)器的速度控制器做了大量調(diào)參工作。倍福銷售經(jīng)理 Roberto Iraola 回憶并補(bǔ)充道：“這是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵所在。”
繼該項(xiàng)目后，團(tuán)隊(duì)又研制了用于 TFGI（30-40 GHz 頻段觀測儀）的 QUIJOTE II 望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡由 30 臺(tái)接收機(jī)組成，且已采用 AX5000 數(shù)字式緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)器。倍福與西班牙 IDOM 公司密切合作，共同完成了這兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的研制工作，而控制軟件部分則由 IAC 技術(shù)團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)完成。2022 年，兩套控制系統(tǒng)全面升級至 TwinCAT 3 軟件平臺(tái)，并同步部署了 C5240 19 英寸抽拉式工業(yè) PC。
我們目前正與倍福合作開展多個(gè)項(xiàng)目，例如用于極大望遠(yuǎn)鏡 (ELT) 的‘Harmoni’項(xiàng)目、程控望遠(yuǎn)鏡以及安裝在這些望遠(yuǎn)鏡上的各類儀器。”
—— Jose Miguel Herreros
02
全面現(xiàn)代化升級
特內(nèi)里費(fèi)島泰德天文臺(tái)的卡洛斯-桑切斯望遠(yuǎn)鏡（TCS）和 IAC80 望遠(yuǎn)鏡目前仍由天文學(xué)家使用上世紀(jì) 90 年代開發(fā)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行手動(dòng)控制。除運(yùn)動(dòng)控制外，這些應(yīng)用程序還負(fù)責(zé)控制圓頂、天窗、閘門和防護(hù)蓋等子系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測氣象站、警報(bào)和 GPS 信號。該控制系統(tǒng)最初由一臺(tái)配備插卡的 PC 構(gòu)成，用于與各個(gè)子系統(tǒng)通信。系統(tǒng)操作通過另一臺(tái) PC 實(shí)現(xiàn)，它通過 RS232 串口與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。盡管已經(jīng)實(shí)施部分現(xiàn)代化升級措施，但該控制系統(tǒng)仍有大部分組件沿用了現(xiàn)已完全淘汰的技術(shù)架構(gòu)。
一個(gè)于 2019 年年中啟動(dòng)、目前仍在進(jìn)行中的項(xiàng)目旨在將這些望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)升級，配備更為現(xiàn)代化且可靠的軟硬件，并在升級過程中部署先進(jìn)的遠(yuǎn)程控制功能。這一面向未來的高級控制軟件將基于 ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）開源框架開發(fā)，而其底層控制架構(gòu)則將采用倍福的 EtherCAT 和 TwinCAT 3。為將技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)對項(xiàng)目的影響降至最低，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)望遠(yuǎn)鏡仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠完整復(fù)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的物理特性，更為新系統(tǒng)的研發(fā)和驗(yàn)證構(gòu)建了一個(gè)虛擬測試環(huán)境。根據(jù)實(shí)施規(guī)范，新系統(tǒng)必須經(jīng)過多輪虛擬測試后，才可部署到望遠(yuǎn)鏡實(shí)體設(shè)備中。同步推進(jìn)的還有一項(xiàng)專項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證，重點(diǎn)評估了 TwinCAT Vision 在天文望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)尋星系統(tǒng)中的技術(shù)適配性。一款自動(dòng)尋星系統(tǒng)已被選定用于測試，且該系統(tǒng)還可應(yīng)用于其它望遠(yuǎn)鏡跟蹤系統(tǒng)。
03
不同地點(diǎn)，同一技術(shù)
坐落于塔武連特山國家公園邊緣的穆查丘斯羅克天文臺(tái)（ORM）位于加拉菲亞市（位于拉帕爾馬島）海拔 2396 米處，配備了世界級的、最完備的天文望遠(yuǎn)鏡設(shè)備。該天文臺(tái)擁有得天獨(dú)厚的大氣透明度和遠(yuǎn)離光波干擾的地理優(yōu)勢，為天文學(xué)研究提供了理想的觀測條件。正因如此，這片土地不僅見證了多個(gè)有史以來規(guī)模最為壯觀的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的誕生，更孕育了新一代切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，這些尖端設(shè)備能夠捕捉超高能伽馬射線，為人類探索宇宙奧秘提供新的途徑。
該天文臺(tái)運(yùn)行著目前全球最大的光學(xué)與紅外望遠(yuǎn)鏡 — 加那利大型望遠(yuǎn)鏡（Gran Telescopio de Canarias，簡稱 GTC），并配備二十余臺(tái)其它望遠(yuǎn)鏡和天文設(shè)備，主要用于夜間觀測、機(jī)器人自動(dòng)觀測、太陽觀測和涉及高能天體的物理觀測。這些望遠(yuǎn)鏡已在宇宙探索領(lǐng)域取得重大突破：例如，探測到了距離最遙遠(yuǎn)的星系，證實(shí)了黑洞的存在以及宇宙在加速膨脹。
鏡面直徑達(dá) 10.4 米的 GTC 是該天文臺(tái)最大的望遠(yuǎn)鏡。GTC 于 1994 年提出設(shè)想，歷經(jīng) 15 年，于 2009 年正式投入科學(xué)運(yùn)行。由于當(dāng)時(shí)采用的控制系統(tǒng)技術(shù)逐漸過時(shí)，現(xiàn)已全面升級為基于 PC 的控制系統(tǒng)。此次技術(shù)升級契機(jī)更推動(dòng)了樓宇自動(dòng)化和智能照明系統(tǒng)等子系統(tǒng)的整合。
這些子系統(tǒng)的成功部署得益于倍�；� PC 的開放式控制技術(shù)及其在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)積淀。”
—— Roberto Iraola
超級天文望遠(yuǎn)鏡
倍福和 GTC 之間的密切合作不僅涉及現(xiàn)代化改造，還延伸至諸如儀器校準(zhǔn)模塊（ICM）等新技術(shù)的開發(fā)。使用 ICM 來校準(zhǔn)科學(xué)儀器是一種常見做法。在 GTC 中，該系統(tǒng)由一系列具有特定波長的燈組以及一個(gè)拋物面反射鏡定位裝置構(gòu)成，該拋物面反射鏡可將光線反射到望遠(yuǎn)鏡的主鏡面上�；� PC 的控制技術(shù)用于控制 ICM 的光譜燈和白熾燈，并調(diào)節(jié)這些燈的亮度。此外，還部署了一個(gè) CANopen 接口（主站），用于與現(xiàn)有的 CANopen 基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同運(yùn)行。
隨后，又于 2018 年推出了另一款校準(zhǔn)模塊：ICM-FC。在此項(xiàng)目中，TwinSAFE 用于防止反射鏡移動(dòng)，并在有人靠近時(shí)控制照明強(qiáng)度。此外，該 ICM 還負(fù)責(zé)控制空心陰極燈的電源。倍福技術(shù)在其它項(xiàng)目中亦得到應(yīng)用，如氦氣罐壓縮機(jī)及其制冷劑的監(jiān)測和控制。
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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