通过工业镜头观察的巨型望远镜结构

Beckhoff Automation
萨维奇，明尼苏达
www.beckhoffautomation.com/usa

一旦安装在智利安第斯山脉的拉斯坎帕纳斯天文台，巨型麦哲伦望远镜 (GMT) 将为天体物理学和宇宙学研究界带来难以置信的机遇。该望远镜设计通过将七个反射镜组合成一个总直径为 25 米的单一光学系统，其角分辨率是哈勃太空望远镜的 10 倍。当 GMT 于 2029 年上线时，它将代表 1990 年代随着新工业控制技术的出现而成为可能的巨型地面望远镜的下一次发展。从那时起，通过先进的计算机架构、现代编程语言、实时工业协议、基于网络的标准和专用控制器，望远镜技术发生了重大变化。

这些进步将使格林威治标准时间能够通过减少由陆地大气引入的扭曲来捕捉比目前更清晰的天文物体图像。据 GMTO 公司前副总裁 Patrick McCarthy 博士称，它还可以让科学家们回顾大爆炸后的前 10 亿年。

凭借这些极端的能力和要求，GMT 似乎与一般生产机械和工厂自动化几乎没有共同之处。事实上，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了自己的自动化解决方案。然而，GMTO 高级电子工程师 José Soto 解释说，构建 GMT 的团队对此有不同的看法。 “我们希望改变将望远镜视为特殊且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。”

从加利福尼亚州帕萨迪纳的 GMTO 总部出发，大约需要 24 小时的路程才能到达拉斯坎帕纳斯天文台的顶峰。该站点是天文学的最佳选择，因为它的海拔和记录的有利天气历史、最小的光污染和平稳的气流，减少了由于热量和湍流的不均匀性导致的图像失真。结果，华盛顿特区的卡内基科学研究所在 1960 年代中期购买了这片山区约 60 平方英里的土地，从那时起，在那里建造了多台望远镜。最终，卡内基成为GMTO的12个创始合作机构之一。

虽然通往顶峰的旅程很长，但从概念到完成的 GMT 旅程也需要毅力。据 GMTO 项目经理 James Fanson 博士称，自 GMTO 项目于 2000 年代初开始以来，工程师、科学家和管理人员一直致力于设计望远镜的物理结构和系统。曾在美国宇航局喷气推进实验室领导望远镜和天体物理学项目的范森说，自 2005 年以来，工作人员一直在亚利桑那大学理查德 F. 卡里斯镜子实验室致力于塑造镜子，而 GMTO 于 2015 年在拉斯坎帕纳斯峰破土动工。 “自 2015 年以来，我们已经建造了办公室、建筑基础设施以及住宅、餐饮和娱乐设施，可容纳多达 200 名建筑工人和 GMTO 员工，”范森说。

由于实时通信和控制要求，特别是考虑到系统将拥有超过 3,000 个运动轴，因此为 GMT 指定自动化和控制组件也需要仔细考虑。除了旋转望远镜 22 层高的外壳外，还必须以最高精度移动柔性反射镜，以实现自适应光学并实现尽可能高的图像分辨率。一个例子是有源光学系统，它需要在每个主镜上集成 170 个气动致动器来支撑每个镜的质量。 Soto 解释说，工程团队确定了对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。 “由于这些项目需要很长时间，我们必须在各个方面考虑过时。对抗过时的最有效方法是对成熟的工业技术进行标准化。”这些因素促使 GMTO 使用工业标准（例如 Beckhoff Automation 提供的解决方案中的标准）对控制系统的许多规范进行标准化。

寻找基于 PC 的自动化解决方案

GMTO 工程师开始探索 Beckhoff 提供的工业自动化和控制解决方案，以满足团队在比以前其他望远镜更大程度上实施现场总线技术的愿望。工程师检查了多个工业以太网网络，但发现 EtherCAT 提供了一种灵活的拓扑结构和可扩展性——以及在一个网络中集成多达 65,535 个 EtherCAT 设备的能力——这与 GMT 的系统规范相匹配。 “EtherCAT 将嵌入几乎所有 GMT 望远镜系统中——从主镜到大气色散补偿器、外壳、支架，甚至设施中的楼宇自动化，”Soto 说。据 GMTO 工程师 Hector Swett 称，EtherCAT 安全 (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 通过标准 EtherCAT 网络为 GMT 提供安全等级、TÜV 认证的通信、分布式 Twin-SAFE I/O 模块的众多选项，以及与 Beckhoff 工程环境和工业 PC (IPC) 的集成。

某些当前的 GMT 规范建议使用倍福解决方案可以满足的多个基于 PC 的控制器。联锁和安全系统依赖于许多安全控制器、DIN 导轨安装的 CX9020 嵌入式 PC，与 EL6910 TwinSAFE Logic I/O 模块配合使用。 Swett 说，这些通过 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。采用单核 1.4 GHz Intel ^® 的 Beckhoff CX2020 嵌入式 PC 赛扬 ^® GMT 硬件开发套件中使用了处理器，该套件是为项目合作伙伴开发望远镜仪器而构建的。除了性能之外，这些控制器的坚固设计仍然是关键。 “位于偏远山顶的天文台经历了这些 IPC 可以轻松承受的恶劣条件，”Soto 解释道。 “此外，嵌入式 PC 提供了出色的可扩展性和小巧的外形尺寸，从而节省了控制柜中的宝贵空间。”

Beckhoff 的 TwinCAT 3 自动化软件为测试设备提供了一个关键平台，并专门用于控制望远镜周围的结构。 “用于望远镜外壳的基于 PC 的控制器将直接运行 TwinCAT，”Swett 说。 “它还提供了通过 OPC UA 将这个庞大的应用程序与天文台控制系统接口的实时功能。”作为系统开放性的例证，TwinCAT 支持以多种语言（例如 IEC 61131-3 中的语言）对控制逻辑进行编程，包括面向对象的扩展和 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。

因为望远镜将有数千个运动轴，可靠的电机和驱动器在最终配置中至关重要。 Soto 发现 Beckhoff AM8000 伺服电机的功能令人印象深刻，并将它们视为整个望远镜多个领域的有力竞争者。 “当我们的集成团队开始调试望远镜时，他们很可能会使用 AM8000 伺服电机，例如，在大气弥散补偿器或 GIR（格里高利仪器旋转器）中，它将移动连接到卡塞格林焦点的所有仪器，”索托说。

技术和创造力重新定义我们的宇宙

经过数十年的制作，最终目标成为 GMTO 的焦点，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，EtherCAT 首先将 GMTO 工程师带到 Beckhoff，它仍然是望远镜控制架构设计的基础。 “使用 EtherCAT 作为 GMT 现场总线可以实现低至 I/O 级别的实时通信。我们已经实现了 2 kHz 的周期时间，这允许足够的带宽来关闭一系列子系统的环路，从而显着扩展我们的控制和联网能力。”紧凑型 EtherCAT I/O 模块和嵌入式 PC 节省了控制柜中的空间，并且由于基于 PC 的控制器可以远离 I/O，因此减少了散热。 “减少热量对于格林威治标准时间来说非常重要，”斯威特补充道。 “热量使外壳内的空气更加湍流，而湍流会在光线穿过空气时扭曲图像。这种分布式 I/O 架构可以帮助我们避免这种情况。”

Beckhoff 的帮助和建议——结合严格的测试和致力于寻找合适的解决方案——使工业自动化和控制组件的实施成为现实。 Soto 说，除了尺寸和复杂性之外，GMT 与使用类似现成组件的其他机器有一个主要区别：“这是一个一次性项目。它不是从生产线上下来的众多机器之一。因此，主要的挑战是完善设计并在第一时间为望远镜选择合适的产品。”

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