位于西班牙阿拉貢自治區(qū)南部的 Observatorio Astrofísico de Javalambre(OAJ)是一個(gè)非常獨(dú)特的天文研究設(shè)施，它于 2015 年投入運(yùn)營(yíng)。天文臺(tái)由 CEFCA 基金會(huì)負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)，主要研究對(duì)象是光度觀測(cè)數(shù)千平方度的天體。兩架具有超大口徑廣角的 Javalambre 天文望遠(yuǎn)鏡將使得首次記錄億萬個(gè)星系的位置及它們的發(fā)展情況成為可能，提供第一幅完整的宇宙 3D 地圖。為了確保高品質(zhì)和高效率，望遠(yuǎn)鏡由基于工業(yè) PC 控制平臺(tái)的機(jī)器人協(xié)助運(yùn)行。

　　Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón 或簡(jiǎn)稱為 CEFCA，是一座研究星系和宇宙學(xué)發(fā)展的國(guó)家級(jí)研究所。其總部位于西班牙特魯埃爾，距離建造在海拔高度 1957 米的“Pico del Buitre”上的 OAJ 基地大約 40 公里。天文臺(tái)配有兩架天文望遠(yuǎn)鏡：一架鏡面直徑為 2.55 米及視場(chǎng) 3 度的望遠(yuǎn)鏡 JST/T250，以及一架鏡面直徑 83 厘米及視場(chǎng) 2 度的 JAST/T80。在 QAJ 進(jìn)行的天體觀測(cè)得出的所有數(shù)據(jù)都通過無線通訊發(fā)送到特魯埃爾的主服務(wù)器中。

　　EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)連接所有系統(tǒng)及子系統(tǒng)

　　天文臺(tái)的控制系統(tǒng)使用一臺(tái)倍福 C6640 工業(yè) PC 作為主控制平臺(tái)，各個(gè)CX5000 系列的嵌入式控制器用作分布式控制平臺(tái)。PC 平臺(tái)確?？煽靠刂啤⒈O(jiān)控和管理天文臺(tái)中安裝的所有系統(tǒng)及子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)根據(jù)它們?cè)谔煳呐_(tái)內(nèi)的位置被分為五組：綜合大樓(主 PLC)、T080 望遠(yuǎn)鏡(B080)、監(jiān)控室(BMON)、T250 望遠(yuǎn)鏡(B250)以及主綜合樓(主服務(wù)器機(jī)架)(見圖 1)。主控制室位于主綜合大樓中，用于總體控制包括天文臺(tái)在內(nèi)的所有系統(tǒng)。盡管兩架望遠(yuǎn)鏡可以通過主控制室控制，但本地控制室可以執(zhí)行諸如調(diào)試、維護(hù)或其它技術(shù)工作等特殊任務(wù)。

　　所有控制節(jié)點(diǎn)都通過采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 EtherCAT 以及采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接。后者通過 EtherCAT Automation Proto-col(EAP)協(xié)議連接到在天文臺(tái)的 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中的 C250 攝像頭的控制單元。通訊通過使用 EtherCAT 或 Ethernet 協(xié)議的光纖電纜實(shí)現(xiàn)。EtherCAT 的高帶寬使得每個(gè)周期都能輸送一次狀態(tài)信息。位于特魯埃爾的 CEFCA 內(nèi)設(shè)有一個(gè)遠(yuǎn)程控制中心，可以從這里管理、控制和運(yùn)行天文臺(tái)。OAJ 狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在一面視頻墻上。

　　嵌入式控制器便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的望遠(yuǎn)鏡控制

　　這兩架望遠(yuǎn)鏡中較小的一架，即 T80，用于執(zhí)行一些被稱為 JAST(一開始計(jì)劃為 J-PLUS)的天體觀測(cè)任務(wù)，它是一項(xiàng)預(yù)計(jì)在兩到三年時(shí)間內(nèi)完成多波段光度觀測(cè)整個(gè)天體的任務(wù)。結(jié)果將用于支持校準(zhǔn)通過 JST/T250 望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的 J-PAS 天體物理學(xué)觀測(cè)。在未來五年內(nèi)，T250 望遠(yuǎn)鏡將需要觀測(cè) 800 平方度或整個(gè)天體的五分之一。

　　T250 上安裝的是一臺(tái)專為光度監(jiān)控北部天體設(shè)計(jì)的 JPCam 廣角相機(jī)，它由機(jī)械的濾鏡快門單元和攝像系統(tǒng)構(gòu)成。后者由冷卻和真空系統(tǒng)、CCD 探測(cè)器視場(chǎng)、一個(gè)光控入射窗及電子元器件構(gòu)成。濾鏡插件、快門以及連接望遠(yuǎn)鏡的接口構(gòu)成該單元的機(jī)械基礎(chǔ)。共有四臺(tái) CX5020 嵌入式控制器用于控制光學(xué)鏡頭、照相機(jī)和安裝有照相機(jī)的六足機(jī)器人(見圖 2)。照相機(jī)乙二醇水溶液的溫度調(diào)節(jié)控制也由一臺(tái)嵌入式控制器、EtherCAT 從站模塊和內(nèi)聯(lián)的 EtherCAT 端子模塊實(shí)現(xiàn)。冷卻系統(tǒng)確保所有熱量都從系統(tǒng)中排出，包括電子元器件和快門，以便讓相機(jī)保持在恒溫條件下。這樣可以防止照相機(jī)元件由于熱脹冷縮而造成不規(guī)則成像。

　　圓頂控制 — 整個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域

　　T250 望遠(yuǎn)鏡的圓頂高度幾乎達(dá)到 13 米，重 17 噸。它的控制由一臺(tái)裝有 TwinCAT 2 NC PTP 軟件的 CX5020 嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)。基于 PC 的緊湊型控制器負(fù)責(zé)控制速度達(dá)到 27 米/分鐘的俯仰運(yùn)動(dòng)、擋風(fēng)窗和觀測(cè)窗的開關(guān)以及圓頂?shù)男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)通過倍福集成有安全選項(xiàng)卡的 AX5xx 系列伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。安全 I/O 也可以通過 TwinSAFE 端子模塊無縫集成到控制系統(tǒng)中。CX5020 通過 PROFIBUS 與一個(gè)滑環(huán)系統(tǒng)以及另一臺(tái)安裝在圓頂下面固定部分的 CX5020 連接。

　　鏡面維護(hù)需要高精度輸送

　　T250 望遠(yuǎn)鏡的鏡面直徑為 2.55 米 — 精密儀器表面必須以極高的精度打磨，以確保盡可能地縮小反射光束的偏差。這樣一面鏡子價(jià)值約數(shù)億歐元，這也意味著維護(hù)工作，如鋁層的重建，需要特別細(xì)心。OAJ 為此建了一個(gè)專門的鋁室，在這里精心維護(hù)鏡面的特征值，讓其盡可能保持在工廠交付狀態(tài)?？紤]到將如此大且重的鏡子輸送到 16.5 米遠(yuǎn)的維護(hù)室是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。上下移動(dòng)鏡子的升降系統(tǒng)通過一臺(tái)嵌入式控制器和集成有安全功能的伺服驅(qū)動(dòng)器以極高精度控制。速度達(dá)到每分鐘 15 厘米 —人眼幾乎察覺不到的運(yùn)動(dòng)。但是，每分鐘的加速或減速可能會(huì)導(dǎo)致玻璃上出現(xiàn)細(xì)小劃痕，從而導(dǎo)致天體觀測(cè)誤差。

　　TwinSAFE 集成式安全解決方案

　　OAJ 中的很多安全電路都是基于 TwinSAFE 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的?！敖柚?EL6900 TwinSAFE 邏輯端子模塊，我們才可以添加控制各個(gè)輸入和輸出的功能組，讓我們能夠?qū)崿F(xiàn)諸如急停、AND 和 OR 邏輯功能塊以及借助 TON 和 TOFF 功能實(shí)現(xiàn)的上電和斷電延遲?！監(jiān)AJ 工程總監(jiān) Axel Yanes 解釋道。“OAJ 控制系統(tǒng)被構(gòu)想為一個(gè)全局系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，所有組件都互聯(lián)且設(shè)備間不斷交換信息。它們以同步方式交互，因此我們的整個(gè)安全系統(tǒng)必須能夠做相同的事情。”安全信息通過 FailSafe over EtherCAT(FSoE)協(xié)議傳輸。通過這一協(xié)議，PLC 形成一個(gè)雙向發(fā)布者/ 訂閱者關(guān)系，讓每臺(tái) PLC 都能夠發(fā)布一個(gè)變量(發(fā)布者)和訂閱另一個(gè)(訂閱者)。這些變量必須在安全邏輯端子模塊(EL6900)內(nèi)鏈接，將它們當(dāng)做安全輸入或輸出。如果 EL6900 檢測(cè)到有錯(cuò)誤，它可以發(fā)布一個(gè)報(bào)警信號(hào)，信號(hào)通過 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的另一個(gè) CPU 接收，然后讓其自己的系統(tǒng)進(jìn)入到安全狀態(tài)。

　　擴(kuò)展已有規(guī)劃

　　Axel Yanes 已經(jīng)為未來制定好計(jì)劃：“我們將會(huì)將 OAJ 中的更多有趣設(shè)備投入運(yùn)營(yíng)。我們已經(jīng)能夠?qū)⒁恍┕δ芗傻侥壳盀橹惯€沒有規(guī)劃好的天文臺(tái)控制系統(tǒng)中，如 BACnet/IP、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及其它功能。我們很高興能有倍福這樣的技術(shù)合作伙伴。他們已經(jīng)滿足了我們?cè)诟咂焚|(zhì)、可靠同時(shí)靈活及易于維護(hù)的系統(tǒng)方面的要求。我們已經(jīng)利用全球支持來協(xié)調(diào)總共 10 個(gè)國(guó)家的項(xiàng)目，這對(duì)我們來說也極為珍貴?！?/FONT>

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