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倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術解決天文觀測自動化項目中的定制化非標準化控制問題，為新一代望遠鏡項目實施面向未來的標準控制系統，

大麥哲倫望遠鏡共由 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投入使用。

倍福基于 PC 的控制系統被指定為未來使用的自動化設備，主要是因為 EtherCAT 在連接所有望遠鏡功能時具備全站實時通信的優勢。此外，各種嵌入式控制器和 AM8000 伺服電機也通過了測試并被指定使用，包括 3000 多根運動軸。

大麥哲倫望遠鏡在拉斯卡姆帕納斯天文臺建成啟用后，它將給天體物理學和宇宙學研究界帶來難以置信的機遇。這款地基極端巨大望遠鏡將 7 面反射鏡組合成一個直徑為 25 米的超凡光學系統，其觀測清晰度是哈勃太空望遠鏡的 10 倍。技術上的進步將使得 GMT 能夠使用自適應光學系統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。

從事類似望遠鏡項目的科學家和工程師們傳統上都是使用定制的控制組件來構建自己的自動化解決方案。然而，目前正在為 GMT 規劃基礎設施的團隊對此有不同的看法，巨型麥哲倫望遠鏡組織（GMTO）高級電子工程師 José Soto 解釋道："我們希望改變歷史上一直將望遠鏡當作特殊的、完全不同于其它自動化系統的方法。面向未來的工業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問題。”

標準自動化平臺應用于獨一無二的項目

考慮到實時通信和控制要求，特別是系統將擁有 3000 多根運動軸，在指定 GMT 使用哪些自動化和控制組件時也需要認真斟酌。望遠鏡的可旋轉外殼有 22 層樓高，靈活的鏡面必須以最精確的方式移動，實施復雜的自適應光學技術，達到盡可能高的圖像解析度。

主動光學系統就是一個例子，它要求每個主反射鏡集成 170 個氣動執行器，以支撐每個反射鏡的質量。工程團隊確定了對目前性能強大的自動化和控制組件的需求，這些組件也將支持未來的技術進步，José Soto 解釋說道：“由于這些項目需要花費很長時間，我們必須考慮到設備及系統等各個方面的老舊問題。對抗設備或系統老舊的最有效方法是統一使用成熟的工業技術。”考慮到這些因素，GMTO 決定使用標準控制系統（如倍福提供的解決方案）作為標配。

當 GMTO 工程師開始尋找工業自動化和控制時，他們對多款工業以太網系統進行了考察和比較。最后他們發現 EtherCAT 在拓撲結構方面有很大的靈活性，可擴展性強，并且能夠在同一個網段中容納多達 65,535 臺 EtherCAT 設備，這與大麥哲倫望遠鏡的系統規格非常匹配。“EtherCAT 將被嵌入到幾乎每一個大麥哲倫望遠鏡系統中，從主反射鏡到大氣色散補償器、外殼、安裝支架，甚至是設施中的樓宇自動化。”Soto 說道。

GMTO 工程師 José Soto（左）和 Hector Swett 正在使用倍福的 TwinCAT 3 自動化軟件根據望遠鏡規格檢驗各個組件

GMTO 工程師 Hector Swett 表示，Safety over EtherCAT (FSoE) 還為望遠鏡的互鎖和安全系統提供了令人印象深刻的功能。FSoE 為巨型麥哲倫望遠鏡提供通過標準 EtherCAT 網絡實現的經過 TüV 認證的安全通信、多種分布式 TwinSAFE I/O 模塊選項以及與倍福開發環境和工業 PC的集成服務。

目前有些 GMT 規范建議使用多個可以由倍福解決方案實現的基于 PC的控制系統。互鎖和安全系統的控制依賴于許多安全控制器、DIN 導軌安裝的 CX9020 嵌入式控制器與 TwinSAFE 邏輯 I/O 模塊 EL6910 的協同工作。Swett 表示，這些設備可以使用 FSoE 通過 EtherCAT Automation Profile（EAP）相互連接，以實現危險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，它是專為項目合作伙伴開發望遠鏡用的儀器而打造的。

倍福的 TwinCAT 3 自動化軟件是測試設備使用的一個關鍵平臺，它被指定用于控制望遠鏡周圍的結構。“望遠鏡外殼使用的 PC 控制系統將直接運行 TwinCAT 軟件。”Hector Swett 說道，“它還具有通過 OPC UA 將這個龐大的應用程序與天文臺控制系統對接的實時能力。”TwinCAT 是系統開放性的最好例證，它可以通過 ADS 和 EtherCAT 自動掃描和配置第三方設備，為實現從傳感到運動控制等所有任務提供一個最佳平臺。

倍福的 AM8000 伺服電機被指定用于整個望遠鏡設計，其中包括 3000 多根運動軸

由于望遠鏡將配備數千根運動軸，因此在最終配置中，可靠的電機和驅動器起著至關重要的作用。José Soto 表示倍福 AM8000 伺服電機的性能給他留下了深刻印象，并認為它們在整個望遠鏡的多個方面都是強有力的競爭者。“當我們的集成商團隊開始調試望遠鏡時，他們很可能會使用 AM8000 伺服電機，例如，在大氣色散補償器或 GIR（格里高利儀器旋轉器）中，它將移動卡焦上的所有儀器。”Soto 說道。

新技術推動新創意

EtherCAT 首先引領 GMTO 的工程師們找到了倍福，而且它仍然是望遠鏡控制架構設計的基礎，José Soto 解釋說道：“將 EtherCAT 用作 GMT 現場總線，可以讓實時通信直達 I/O 層。我們已經實現了 2 ms 的周期時間，這樣就有足夠的帶寬來關閉各種子系統上的環路，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省了控制柜內的空間，而且由于基于 PC 的控制器可以布置在遠離 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 補充道。“熱量會加大殼體內的空氣擾動，當光波在空氣中傳播時，擾動會讓圖像失真。這種分布式 I/O 架構可以幫助我們防止這種情況的出現。”

十年后，這個觀測和發現的過程將不再屬于設計和建造 GMT 的工程師們，而是屬于使用它來探索宇宙的天體物理學家和宇宙學家。科研人員在使用望遠鏡時，將可以靈活地發揮自己的創意，完成我們無法想象的偉大發現。

關于德國倍福

倍福（Beckhoff）公司總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多國際標準。公司所生產的工業 PC、現場總線模塊、驅動產品和TwinCAT自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。倍福于1997年進入中國市場，致力于幫助制造企業提升競爭優勢，加速轉型升級。倍福在業內享有“創新引擎”的美譽，公司所倡導的PC控制技術具有良好的開放性，將IT技術、互聯網和自動化技術完美融合，助力實現工業 4.0 和智能制造。憑借領先的技術優勢和豐富的行業知識，倍福的創新產品和解決方案廣泛應用于風力發電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、物流輸送以及樓宇自控等眾多領域。

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