EtherCAT和基于pc的控制已经被指定用于巨型麦哲伦望远镜的自动化,包括3000多个运动轴和站点范围内的现场总线基础设施。
巨型麦哲伦望远镜(GMT)一旦安装在智利安第斯山脉的拉斯坎帕纳斯天文台(Las Campanas Observatory),将为天体物理学和宇宙学研究界带来许多机会。该望远镜的设计将把7个反射镜组合成一个总直径25米的单一光学系统,其角分辨率将是哈勃太空望远镜提供的角分辨率的10倍。
这些进步将使格林尼治标准时间通过减少地球大气带来的失真,比目前可能的更清晰地捕捉到天文物体的图像。根据GMTO公司前副总裁帕特里克·麦卡锡博士的说法,“GMT的任务是提供工具,使未来的天文学家能够做出伟大的发现,并推动我们对宇宙的知识的前沿。”
从事类似望远镜项目的科学家和工程师传统上使用自定义控制组件构建自己的自动化解决方案。然而,建造GMT的团队对此有不同的看法,GMTO高级电子工程师José Soto解释道:“我们想要改变将望远镜视为特殊和完全不同于其他自动化系统的历史方法。面向未来的工业控制解决方案有能力解决我们今天在天体物理学中面临的许多问题。”
为GMT指定自动化和控制组件需要仔细考虑,因为实时通信和控制要求,特别是考虑到系统将拥有3000多个运动轴。除了旋转望远镜22层的外壳外,柔性反射镜必须以最大的精度移动,以实现自适应光学,并实现尽可能高的图像分辨率。
一个例子是主动光学系统,它需要每个主镜集成170个气动执行器,以支撑每个镜子的质量。工程团队确定了自动化和控制组件的需求,这些组件现在功能强大,但也将支持未来的技术进步,索托解释说:“由于这些项目需要很长时间,我们必须考虑到各个方面的过时。对抗过时最有效的方法是对经过验证的工业技术进行标准化。”这些因素导致GMTO使用工业标准对控制系统的许多规格进行标准化,例如在贝克霍夫自动化提供的解决方案中发现的标准。
着眼于基于pc的自动化解决方案
GMTO工程师开始探索工业自动化和控制。工程师们检查了多个工业以太网网络,但发现EtherCAT提供了灵活的拓扑结构和可扩展性,以及在一个网络中合并多达65,535个EtherCAT设备的能力,这与GMT的系统规范相匹配。Soto说:“EtherCAT将嵌入到几乎每一个GMT望远镜系统中——从主镜到大气色散补偿器、外壳、安装,甚至设施中的建筑自动化。”
据GMTO工程师Hector Swett介绍,安全超越EtherCAT (FSoE)还为望远镜的联锁和安全系统提供了令人印象深刻的功能。FSoE为GMT提供了安全等级,TÜV-certified上的标准EtherCAT网络通信,分布式双安全I/O模块的众多选项,并与贝克霍夫工程环境和工业pc (IPCs)集成。
某些当前的GMT规范推荐多个基于pc的控制器,可以由贝克霍夫解决方案来实现。联锁和安全系统依赖于许多安全控制器和安装在din导轨上的CX9020嵌入式pc与EL6910 TwinSAFE逻辑I/O模块协同工作。Swett表示,这些模块通过EtherCAT自动化配置文件(EAP)通过FSoE相互连接,以实现危险分析所需的安全功能。带有单核1.4 GHz Intel Celeron处理器的CX2020嵌入式个人电脑被用于GMT硬件开发工具包,该工具包是为该项目的合作伙伴开发望远镜仪器而设计的。
TwinCAT 3自动化软件为测试设备提供了一个关键平台,它被指定用于控制望远镜周围的结构。“望远镜外壳的基于pc的控制器将直接运行TwinCAT,”斯威特说。“它还提供了通过OPC UA将这个大规模应用程序与天文台控制系统连接的实时能力。”TwinCAT举例说明了系统的开放性,它支持多种语言的控制逻辑编程,例如IEC 61131-3中包括的那些,包括面向对象的扩展,以及Microsoft Visual Studio中提供的计算机科学语言。该软件可以通过ADS和EtherCAT自动扫描和配置第三方设备,为从传感到运动控制的任务提供最佳平台。
因为该望远镜将有数千个运动轴,可靠的电机和驱动器将在最终配置中至关重要。索托解释说:“当我们的集成器团队开始调试望远镜时,他们很可能会在大气色散补偿器或GIR(格里高利仪器旋转器)中使用AM8000伺服电机,GIR将移动所有附加到卡塞格兰聚焦上的仪器。”
新技术和创意重新定义了我们的宇宙
经过几十年的酝酿,GMTO的最终目标逐渐成为焦点,为望远镜指定的可靠自动化和控制组件增加了清晰度。Soto解释说:“使用EtherCAT作为GMT现场总线,可以实现I/ o级的实时通信。我们已经实现了2khz的周期时间,这允许足够的带宽在一系列子系统上关闭循环,显著扩展了我们的控制和网络能力。”紧凑的EtherCAT I/O模块和嵌入式pc节省了控制柜中的空间,而且由于基于pc的控制器可以位于距离I/O较远的地方,这减少了散热。Swett补充道:“对于GMT来说,减少热量是一件大事。”“热量使外壳内的空气更加湍流,当光在空气中传播时,湍流会扭曲图像。这种分布式I/O架构可以帮助我们防止这种情况。”
十年后,这种观察和发现的过程将不再属于设计和建造GMT的工程师,而是属于使用它来探索宇宙的天体物理学家和宇宙学家。研究人员在使用望远镜进行我们甚至还没有想象到的伟大发现时,将有灵活的空间带来他们自己的创造性想法。
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