基于EtherCAT和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,将为天体物理学和宇宙学研究界带来许多机会。通过将7面反射镜组合成一个总直径为25米的单一光学系统,该望远镜的角度分辨率将比哈勃太空望远镜高出10倍。
这些进步将使格林尼治标准时间通过减少地面大气带来的扭曲,从而捕捉到比目前更清晰的天体图像。GMTO公司前副总裁帕特里克·麦卡锡博士表示:“GMT的使命是提供工具,使未来几代天文学家能够做出伟大的发现,并推动我们对宇宙知识的前沿。”
从事类似望远镜项目的科学家和工程师通常使用定制的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解释说:“我们希望改变以往将望远镜视为特殊的、完全不同于其他自动化系统的方法。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。”
由于实时通信和控制要求,特别是考虑到该系统将拥有3000多个运动轴,为GMT指定自动化和控制组件需要仔细考虑。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,以实现自适应光学和实现最高的图像分辨率。
一个例子是主动光学系统,它需要集成170个气动驱动器每个主反射镜来支持每个反射镜的质量。工程团队确定了对自动化和控制组件的需求,这些组件现在很强大,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,我们必须考虑到每个方面的过时。对抗过时的最有效方法是标准化经过验证的工业技术。”这些因素促使GMTO使用工业标准对控制系统的许多规范进行标准化,例如Beckhoff自动化提供的解决方案。
寻找基于pc的自动化解决方案
GMTO的工程师们开始探索工业自动化和控制。工程师们研究了多个工业以太网网络,发现EtherCAT提供了灵活的拓扑结构和可伸缩性,并能够在一个网络中合并多达6535个EtherCAT设备,符合GMT的系统规格。索托说:“EtherCAT将被嵌入到几乎每一个GMT望远镜系统中——从主反射镜到大气色散补偿器、外壳、安装,甚至设施中的建筑自动化。”
GMTO工程师Hector Swett表示,Safety over 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提供了安全级的TÜV-certified通信,通过标准EtherCAT网络,分布式双安全I/O模块的众多选项,并与Beckhoff工程环境和工业pc (IPCs)集成。
当前某些GMT规范推荐多种基于pc的控制器,贝克霍夫解决方案可以实现。联锁和安全系统依赖于许多安全控制器和din导轨安装的CX9020嵌入式pc,并与EL6910 TwinSAFE逻辑I/O模块一起工作。Swett表示,这些设备通过EtherCAT自动化配置文件(EAP)通过FSoE相互连接,实现危害分析所需的安全功能。GMT硬件开发套件使用了带有单核1.4 GHz Intel赛扬处理器的嵌入式pc,该套件是为项目合作伙伴开发望远镜仪器而建造的。
TwinCAT 3自动化软件为设备测试提供了一个关键平台,用于控制望远镜周围的结构。斯威特说:“望远镜外壳的pc控制器将直接运行TwinCAT。”“它还提供了实时能力,通过OPC UA将这个庞大的应用程序与天文台控制系统连接起来。”TwinCAT支持多种语言的控制逻辑编程,如IEC 61131-3中包括的语言,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,体现了系统的开放性。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。
由于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:“当我们的积分器团队开始使用望远镜时,他们很可能会在大气色散补偿器或GIR(格列高利仪器旋转器)中使用AM8000伺服电机,它将移动卡塞格伦焦点上的所有仪器。”
新技术和创意重新定义了我们的宇宙
经过几十年的研制,GMTO的最终目标逐渐成为人们关注的焦点,为望远镜指定的可靠的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,这使得有足够的带宽在一系列子系统上关闭环路,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节省了控制柜的空间,因为基于pc的控制器可以位于与I/O保持一定距离的地方,从而减少了散热。斯威特补充说:“减少热量对GMT来说是件大事。”“热量会使外壳内的空气更加动荡,当光线穿过空气时,动荡会扭曲图像。这种分布式I/O架构可以帮助我们避免这种情况。”
十年后,这个观测和发现的过程将不属于设计和建造GMT的工程师,而是属于使用GMT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从未想象过的伟大发现时,可以灵活地带来他们自己的创造性想法。
Beckhoff自动化
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