西班牙拉古納大學(xué)下屬機構(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）在加那利群島運營著兩座天文臺：拉帕爾瑪島穆查丘斯羅克天文臺與特內(nèi)里費島泰德天文臺。倍�；� PC 的控制系統(tǒng)和運動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)里費島 Q-U-I 聯(lián)合實驗室計劃（QUIJOTE I）首臺望遠鏡提供技術(shù)支持。該項目的目標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)的輻射機制，并藉此探尋宇宙大爆炸的痕跡。倍福當時被選為望遠鏡控制系統(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
運動控制與 EtherCAT 技術(shù)協(xié)同實現(xiàn)高精度控制
望遠鏡控制系統(tǒng)采用 TwinCAT 2 NC PTP 和 C5102 19 英寸抽拉式工業(yè) PC，可精確控制望遠鏡的方位角和仰角。除望遠鏡控制所需的數(shù)字量和模擬量輸入輸出外，系統(tǒng)還通過 EL6688 (IEEE 1588/PTP) 通信接口實現(xiàn)了精確時間協(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，支持 PTPv1（IEEE 1588-2002）和 PTPv2（IEEE 1588-2008）兩種協(xié)議。“時鐘同步對于實現(xiàn)望遠鏡與觀測的恒星和星系運動的精確同步至關(guān)重要。”IAC 工程總監(jiān) Jose Miguel Herreros 說道。另一大挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)軸在極低速與高速工況下的納米級運動控制精度。由于方位軸直驅(qū)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量很大，當時不得不對所使用的 AX2000 伺服驅(qū)動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 回憶并補充道：“這是項目成功的關(guān)鍵所在。”
繼該項目后，團隊又研制了用于 TFGI（30-40 GHz 頻段觀測儀）的 QUIJOTE II 望遠鏡，該望遠鏡由 30 臺接收機組成，且已采用 AX5000 數(shù)字式緊湊型伺服驅(qū)動器。倍福與西班牙 IDOM 公司密切合作，共同完成了這兩臺望遠鏡的研制工作，而控制軟件部分則由 IAC 技術(shù)團隊自主開發(fā)完成。2022 年，兩套控制系統(tǒng)全面升級至 TwinCAT 3 軟件平臺，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項目，例如用于極大望遠鏡 (ELT) 的‘Harmoni’項目、程控望遠鏡以及安裝在這些望遠鏡上的各類儀器。”
—— Jose Miguel Herreros
02
全面現(xiàn)代化升級
特內(nèi)里費島泰德天文臺的卡洛斯-桑切斯望遠鏡（TCS）和 IAC80 望遠鏡目前仍由天文學(xué)家使用上世紀 90 年代開發(fā)的計算機應(yīng)用程序進行手動控制。除運動控制外，這些應(yīng)用程序還負責(zé)控制圓頂、天窗、閘門和防護蓋等子系統(tǒng)，并實時監(jiān)測氣象站、警報和 GPS 信號。該控制系統(tǒng)最初由一臺配備插卡的 PC 構(gòu)成，用于與各個子系統(tǒng)通信。系統(tǒng)操作通過另一臺 PC 實現(xiàn)，它通過 RS232 串口與控制計算機進行通信。盡管已經(jīng)實施部分現(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)。
一個于 2019 年年中啟動、目前仍在進行中的項目旨在將這些望遠鏡控制系統(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的遠程控制功能。這一面向未來的高級控制軟件將基于 ROS（機器人操作系統(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)險對項目的影響降至最低，研發(fā)團隊開發(fā)了一個望遠鏡仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠完整復(fù)現(xiàn)望遠鏡驅(qū)動系統(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)和驗證構(gòu)建了一個虛擬測試環(huán)境。根據(jù)實施規(guī)范，新系統(tǒng)必須經(jīng)過多輪虛擬測試后，才可部署到望遠鏡實體設(shè)備中。同步推進的還有一項專項技術(shù)驗證，重點評估了 TwinCAT Vision 在天文望遠鏡自動尋星系統(tǒng)中的技術(shù)適配性。一款自動尋星系統(tǒng)已被選定用于測試，且該系統(tǒng)還可應(yīng)用于其它望遠鏡跟蹤系統(tǒng)。
03
不同地點，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（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、最完備的天文望遠鏡設(shè)備。該天文臺擁有得天獨厚的大氣透明度和遠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有史以來規(guī)模最為壯觀的望遠鏡項目的誕生，更孕育了新一代切倫科夫望遠鏡，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。
該天文臺運行著目前全球最大的光學(xué)與紅外望遠鏡 — 加那利大型望遠鏡（Gran Telescopio de Canarias，簡稱 GTC），并配備二十余臺其它望遠鏡和天文設(shè)備，主要用于夜間觀測、機器人自動觀測、太陽觀測和涉及高能天體的物理觀測。這些望遠鏡已在宇宙探索領(lǐng)域取得重大突破：例如，探測到了距離最遙遠的星系，證實了黑洞的存在以及宇宙在加速膨脹。
鏡面直徑達 10.4 米的 GTC 是該天文臺最大的望遠鏡。GTC 于 1994 年提出設(shè)想，歷經(jīng) 15 年，于 2009 年正式投入科學(xué)運行。由于當時采用的控制系統(tǒng)技術(shù)逐漸過時，現(xiàn)已全面升級為基于 PC 的控制系統(tǒng)。此次技術(shù)升級契機更推動了樓宇自動化和智能照明系統(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)及其在樓宇自動化領(lǐng)域的技術(shù)積淀。”
—— Roberto Iraola
超級天文望遠鏡
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模塊（ICM）等新技術(shù)的開發(fā)。使用 ICM 來校準科學(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 CANopen 接口（主站），用于與現(xiàn)有的 CANopen 基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同運行。
隨后，又于 2018 年推出了另一款校準模塊：ICM-FC。在此項目中，TwinSAFE 用于防止反射鏡移動，并在有人靠近時控制照明強度。此外，該 ICM 還負責(zé)控制空心陰極燈的電源。倍福技術(shù)在其它項目中亦得到應(yīng)用，如氦氣罐壓縮機及其制冷劑的監(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。作為全球自動化技術(shù)的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領(lǐng)域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(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 多家分支機構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進入中國市場，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、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動型公司，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。倍�；� 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)和自動化技術(shù)完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
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