西班牙拉古納大學下屬機構加那利天體物理研究所（IAC，全稱：加那利群島天體物理研究所）在加那利群島運營著兩座天文臺：拉帕爾瑪島穆查丘斯羅克天文臺與特內(nèi)里費島泰德天文臺。倍?；?PC 的控制系統(tǒng)和運動控制方案為天體物理學家突破太空探索邊界提供了重要技術支撐。
IAC 與倍福的合作始于十二年前，雙方共同為特內(nèi)里費島 Q-U-I 聯(lián)合實驗室計劃（QUIJOTE I）首臺望遠鏡提供技術支持。該項目的目標是測定宇宙微波背景輻射 (CMB) 的偏振特性，精確分析 10 至 42 GHz 頻段內(nèi)星系及星系際物質(zhì)的輻射機制，并藉此探尋宇宙大爆炸的痕跡。倍福當時被選為望遠鏡控制系統(tǒng)的技術合作伙伴，至今仍是倍受信賴的長期合作伙伴。
01
運動控制與 EtherCAT 技術協(xié)同實現(xiàn)高精度控制
望遠鏡控制系統(tǒng)采用 TwinCAT 2 NC PTP 和 C5102 19 英寸抽拉式工業(yè) PC，可精確控制望遠鏡的方位角和仰角。除望遠鏡控制所需的數(shù)字量和模擬量輸入輸出外，系統(tǒng)還通過 EL6688 (IEEE 1588/PTP) 通信接口實現(xiàn)了精確時間協(xié)議的編程與部署。該 EtherCAT 端子模塊作為 IEEE 1588 同步系統(tǒng)中的設備節(jié)點，支持 PTPv1（IEEE 1588-2002）和 PTPv2（IEEE 1588-2008）兩種協(xié)議。“時鐘同步對于實現(xiàn)望遠鏡與觀測的恒星和星系運動的精確同步至關重要。”IAC 工程總監(jiān) Jose Miguel Herreros 說道。另一大挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)軸在極低速與高速工況下的納米級運動控制精度。由于方位軸直驅(qū)系統(tǒng)的轉動慣量很大，當時不得不對所使用的 AX2000 伺服驅(qū)動器的速度控制器做了大量調(diào)參工作。倍福銷售經(jīng)理 Roberto Iraola 回憶并補充道：“這是項目成功的關鍵所在。”
繼該項目后，團隊又研制了用于 TFGI（30-40 GHz 頻段觀測儀）的 QUIJOTE II 望遠鏡，該望遠鏡由 30 臺接收機組成，且已采用 AX5000 數(shù)字式緊湊型伺服驅(qū)動器。倍福與西班牙 IDOM 公司密切合作，共同完成了這兩臺望遠鏡的研制工作，而控制軟件部分則由 IAC 技術團隊自主開發(fā)完成。2022 年，兩套控制系統(tǒng)全面升級至 TwinCAT 3 軟件平臺，并同步部署了 C5240 19 英寸抽拉式工業(yè) PC。
我們目前正與倍福合作開展多個項目，例如用于極大望遠鏡 (ELT) 的‘Harmoni’項目、程控望遠鏡以及安裝在這些望遠鏡上的各類儀器。”
—— Jose Miguel Herreros
02
全面現(xiàn)代化升級
特內(nèi)里費島泰德天文臺的卡洛斯-桑切斯望遠鏡（TCS）和 IAC80 望遠鏡目前仍由天文學家使用上世紀 90 年代開發(fā)的計算機應用程序進行手動控制。除運動控制外，這些應用程序還負責控制圓頂、天窗、閘門和防護蓋等子系統(tǒng)，并實時監(jiān)測氣象站、警報和 GPS 信號。該控制系統(tǒng)最初由一臺配備插卡的 PC 構成，用于與各個子系統(tǒng)通信。系統(tǒng)操作通過另一臺 PC 實現(xiàn)，它通過 RS232 串口與控制計算機進行通信。盡管已經(jīng)實施部分現(xiàn)代化升級措施，但該控制系統(tǒng)仍有大部分組件沿用了現(xiàn)已完全淘汰的技術架構。
一個于 2019 年年中啟動、目前仍在進行中的項目旨在將這些望遠鏡控制系統(tǒng)升級，配備更為現(xiàn)代化且可靠的軟硬件，并在升級過程中部署先進的遠程控制功能。這一面向未來的高級控制軟件將基于 ROS（機器人操作系統(tǒng)）開源框架開發(fā)，而其底層控制架構則將采用倍福的 EtherCAT 和 TwinCAT 3。為將技術風險對項目的影響降至最低，研發(fā)團隊開發(fā)了一個望遠鏡仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠完整復現(xiàn)望遠鏡驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的物理特性，更為新系統(tǒng)的研發(fā)和驗證構建了一個虛擬測試環(huán)境。根據(jù)實施規(guī)范，新系統(tǒng)必須經(jīng)過多輪虛擬測試后，才可部署到望遠鏡實體設備中。同步推進的還有一項專項技術驗證，重點評估了 TwinCAT Vision 在天文望遠鏡自動尋星系統(tǒng)中的技術適配性。一款自動尋星系統(tǒng)已被選定用于測試，且該系統(tǒng)還可應用于其它望遠鏡跟蹤系統(tǒng)。
03
不同地點，同一技術
坐落于塔武連特山國家公園邊緣的穆查丘斯羅克天文臺（ORM）位于加拉菲亞市（位于拉帕爾馬島）海拔 2396 米處，配備了世界級的、最完備的天文望遠鏡設備。該天文臺擁有得天獨厚的大氣透明度和遠離光波干擾的地理優(yōu)勢，為天文學研究提供了理想的觀測條件。正因如此，這片土地不僅見證了多個有史以來規(guī)模最為壯觀的望遠鏡項目的誕生，更孕育了新一代切倫科夫望遠鏡，這些尖端設備能夠捕捉超高能伽馬射線，為人類探索宇宙奧秘提供新的途徑。
該天文臺運行著目前全球最大的光學與紅外望遠鏡 — 加那利大型望遠鏡（Gran Telescopio de Canarias，簡稱 GTC），并配備二十余臺其它望遠鏡和天文設備，主要用于夜間觀測、機器人自動觀測、太陽觀測和涉及高能天體的物理觀測。這些望遠鏡已在宇宙探索領域取得重大突破：例如，探測到了距離最遙遠的星系，證實了黑洞的存在以及宇宙在加速膨脹。
鏡面直徑達 10.4 米的 GTC 是該天文臺最大的望遠鏡。GTC 于 1994 年提出設想，歷經(jīng) 15 年，于 2009 年正式投入科學運行。由于當時采用的控制系統(tǒng)技術逐漸過時，現(xiàn)已全面升級為基于 PC 的控制系統(tǒng)。此次技術升級契機更推動了樓宇自動化和智能照明系統(tǒng)等子系統(tǒng)的整合。
這些子系統(tǒng)的成功部署得益于倍?；?PC 的開放式控制技術及其在樓宇自動化領域的技術積淀。”
—— Roberto Iraola
超級天文望遠鏡
倍福和 GTC 之間的密切合作不僅涉及現(xiàn)代化改造，還延伸至諸如儀器校準模塊（ICM）等新技術的開發(fā)。使用 ICM 來校準科學儀器是一種常見做法。在 GTC 中，該系統(tǒng)由一系列具有特定波長的燈組以及一個拋物面反射鏡定位裝置構成，該拋物面反射鏡可將光線反射到望遠鏡的主鏡面上?；?PC 的控制技術用于控制 ICM 的光譜燈和白熾燈，并調(diào)節(jié)這些燈的亮度。此外，還部署了一個 CANopen 接口（主站），用于與現(xiàn)有的 CANopen 基礎設施協(xié)同運行。
隨后，又于 2018 年推出了另一款校準模塊：ICM-FC。在此項目中，TwinSAFE 用于防止反射鏡移動，并在有人靠近時控制照明強度。此外，該 ICM 還負責控制空心陰極燈的電源。倍福技術在其它項目中亦得到應用，如氦氣罐壓縮機及其制冷劑的監(jiān)測和控制。
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)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(tǒng)，可為各個工控領域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業(yè)務遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應用于風力發(fā)電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅(qū)動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽。倍?；?PC 的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術、互聯(lián)網(wǎng)和自動化技術完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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