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倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)解決天文觀測自動(dòng)化項(xiàng)目中的定制化非標(biāo)準(zhǔn)化控制問題，為新一代望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目實(shí)施面向未來的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)，

大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡共由 7 塊子鏡組成，直徑 25 米，將于 2029 年在智利拉斯坎帕納斯天文臺(tái)投入使用。

倍福基于 PC 的控制系統(tǒng)被指定為未來使用的自動(dòng)化設(shè)備，主要是因?yàn)?EtherCAT 在連接所有望遠(yuǎn)鏡功能時(shí)具備全站實(shí)時(shí)通信的優(yōu)勢。此外，各種嵌入式控制器和 AM8000 伺服電機(jī)也通過了測試并被指定使用，包括 3000 多根運(yùn)動(dòng)軸。

大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡在拉斯卡姆帕納斯天文臺(tái)建成啟用后，它將給天體物理學(xué)和宇宙學(xué)研究界帶來難以置信的機(jī)遇。這款地基極端巨大望遠(yuǎn)鏡將 7 面反射鏡組合成一個(gè)直徑為 25 米的超凡光學(xué)系統(tǒng)，其觀測清晰度是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的 10 倍。技術(shù)上的進(jìn)步將使得 GMT 能夠使用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)減少由于大氣層干擾引起的圖像失真，捕捉到比目前更清晰的星體圖像。

從事類似望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的科學(xué)家和工程師們傳統(tǒng)上都是使用定制的控制組件來構(gòu)建自己的自動(dòng)化解決方案。然而，目前正在為 GMT 規(guī)劃基礎(chǔ)設(shè)施的團(tuán)隊(duì)對此有不同的看法，巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡組織（GMTO）高級(jí)電子工程師 José Soto 解釋道："我們希望改變歷史上一直將望遠(yuǎn)鏡當(dāng)作特殊的、完全不同于其它自動(dòng)化系統(tǒng)的方法。面向未來的工業(yè)控制解決方案能夠解決我們今天所面臨的許多天體物理學(xué)問題。”

標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化平臺(tái)應(yīng)用于獨(dú)一無二的項(xiàng)目

考慮到實(shí)時(shí)通信和控制要求，特別是系統(tǒng)將擁有 3000 多根運(yùn)動(dòng)軸，在指定 GMT 使用哪些自動(dòng)化和控制組件時(shí)也需要認(rèn)真斟酌。望遠(yuǎn)鏡的可旋轉(zhuǎn)外殼有 22 層樓高，靈活的鏡面必須以最精確的方式移動(dòng)，實(shí)施復(fù)雜的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，達(dá)到盡可能高的圖像解析度。

主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)就是一個(gè)例子，它要求每個(gè)主反射鏡集成 170 個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行器，以支撐每個(gè)反射鏡的質(zhì)量。工程團(tuán)隊(duì)確定了對目前性能強(qiáng)大的自動(dòng)化和控制組件的需求，這些組件也將支持未來的技術(shù)進(jìn)步，José Soto 解釋說道：“由于這些項(xiàng)目需要花費(fèi)很長時(shí)間，我們必須考慮到設(shè)備及系統(tǒng)等各個(gè)方面的老舊問題。對抗設(shè)備或系統(tǒng)老舊的最有效方法是統(tǒng)一使用成熟的工業(yè)技術(shù)。”考慮到這些因素，GMTO 決定使用標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)（如倍福提供的解決方案）作為標(biāo)配。

當(dāng) GMTO 工程師開始尋找工業(yè)自動(dòng)化和控制時(shí)，他們對多款工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了考察和比較。最后他們發(fā)現(xiàn) EtherCAT 在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面有很大的靈活性，可擴(kuò)展性強(qiáng)，并且能夠在同一個(gè)網(wǎng)段中容納多達(dá) 65,535 臺(tái) EtherCAT 設(shè)備，這與大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)規(guī)格非常匹配。“EtherCAT 將被嵌入到幾乎每一個(gè)大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，從主反射鏡到大氣色散補(bǔ)償器、外殼、安裝支架，甚至是設(shè)施中的樓宇自動(dòng)化。”Soto 說道。

GMTO 工程師 José Soto（左）和 Hector Swett 正在使用倍福的 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件根據(jù)望遠(yuǎn)鏡規(guī)格檢驗(yàn)各個(gè)組件

GMTO 工程師 Hector Swett 表示，Safety over EtherCAT (FSoE) 還為望遠(yuǎn)鏡的互鎖和安全系統(tǒng)提供了令人印象深刻的功能。FSoE 為巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡提供通過標(biāo)準(zhǔn) EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的經(jīng)過 TüV 認(rèn)證的安全通信、多種分布式 TwinSAFE I/O 模塊選項(xiàng)以及與倍福開發(fā)環(huán)境和工業(yè) PC的集成服務(wù)。

目前有些 GMT 規(guī)范建議使用多個(gè)可以由倍福解決方案實(shí)現(xiàn)的基于 PC的控制系統(tǒng)。互鎖和安全系統(tǒng)的控制依賴于許多安全控制器、DIN 導(dǎo)軌安裝的 CX9020 嵌入式控制器與 TwinSAFE 邏輯 I/O 模塊 EL6910 的協(xié)同工作。Swett 表示，這些設(shè)備可以使用 FSoE 通過 EtherCAT Automation Profile（EAP）相互連接，以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)分析所需的安全功能。倍福CX2020 嵌入式控制器被用于 GMT Hardware Development Kit，它是專為項(xiàng)目合作伙伴開發(fā)望遠(yuǎn)鏡用的儀器而打造的。

倍福的 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件是測試設(shè)備使用的一個(gè)關(guān)鍵平臺(tái)，它被指定用于控制望遠(yuǎn)鏡周圍的結(jié)構(gòu)。“望遠(yuǎn)鏡外殼使用的 PC 控制系統(tǒng)將直接運(yùn)行 TwinCAT 軟件。”Hector Swett 說道，“它還具有通過 OPC UA 將這個(gè)龐大的應(yīng)用程序與天文臺(tái)控制系統(tǒng)對接的實(shí)時(shí)能力。”TwinCAT 是系統(tǒng)開放性的最好例證，它可以通過 ADS 和 EtherCAT 自動(dòng)掃描和配置第三方設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)從傳感到運(yùn)動(dòng)控制等所有任務(wù)提供一個(gè)最佳平臺(tái)。

倍福的 AM8000 伺服電機(jī)被指定用于整個(gè)望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，其中包括 3000 多根運(yùn)動(dòng)軸

由于望遠(yuǎn)鏡將配備數(shù)千根運(yùn)動(dòng)軸，因此在最終配置中，可靠的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器起著至關(guān)重要的作用。José Soto 表示倍福 AM8000 伺服電機(jī)的性能給他留下了深刻印象，并認(rèn)為它們在整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的多個(gè)方面都是強(qiáng)有力的競爭者。“當(dāng)我們的集成商團(tuán)隊(duì)開始調(diào)試望遠(yuǎn)鏡時(shí)，他們很可能會(huì)使用 AM8000 伺服電機(jī)，例如，在大氣色散補(bǔ)償器或 GIR（格里高利儀器旋轉(zhuǎn)器）中，它將移動(dòng)卡焦上的所有儀器。”Soto 說道。

新技術(shù)推動(dòng)新創(chuàng)意

EtherCAT 首先引領(lǐng) GMTO 的工程師們找到了倍福，而且它仍然是望遠(yuǎn)鏡控制架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，José Soto 解釋說道：“將 EtherCAT 用作 GMT 現(xiàn)場總線，可以讓實(shí)時(shí)通信直達(dá) I/O 層。我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 2 ms 的周期時(shí)間，這樣就有足夠的帶寬來關(guān)閉各種子系統(tǒng)上的環(huán)路，從而大大提升了我們的控制和通信能力。”

體積精巧的 EtherCAT I/O 模塊和嵌入式控制器節(jié)省了控制柜內(nèi)的空間，而且由于基于 PC 的控制器可以布置在遠(yuǎn)離 I/O 的地方，因此可以減少散熱。“散熱的減少對于 GMT 來說是一件非常重要的事情。”Hector Swett 補(bǔ)充道。“熱量會(huì)加大殼體內(nèi)的空氣擾動(dòng)，當(dāng)光波在空氣中傳播時(shí)，擾動(dòng)會(huì)讓圖像失真。這種分布式 I/O 架構(gòu)可以幫助我們防止這種情況的出現(xiàn)。”

十年后，這個(gè)觀測和發(fā)現(xiàn)的過程將不再屬于設(shè)計(jì)和建造 GMT 的工程師們，而是屬于使用它來探索宇宙的天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家。科研人員在使用望遠(yuǎn)鏡時(shí)，將可以靈活地發(fā)揮自己的創(chuàng)意，完成我們無法想象的偉大發(fā)現(xiàn)。

關(guān)于德國倍福

倍福（Beckhoff）公司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)域的許多國際標(biāo)準(zhǔn)。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。倍福于1997年進(jìn)入中國市場，致力于幫助制造企業(yè)提升競爭優(yōu)勢，加速轉(zhuǎn)型升級(jí)。倍福在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)，公司所倡導(dǎo)的PC控制技術(shù)具有良好的開放性，將IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合，助力實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造。憑借領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢和豐富的行業(yè)知識(shí)，倍福的創(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、物流輸送以及樓宇自控等眾多領(lǐng)域。

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