位于西班牙阿拉貢自治區(qū)南部的 Observatorio Astrofísico de Javalambre(OAJ)是一個非常獨特的天文研究設施，它于 2015 年投入運營。天文臺由 CEFCA 基金會負責運營，主要研究對象是光度觀測數(shù)千平方度的天體。兩架具有超大口徑廣角的 Javalambre 天文望遠鏡將使得首次記錄億萬個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。為了確保高品質和高效率，望遠鏡由基于工業(yè) PC 控制平臺的機器人協(xié)助運行。
Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón 或簡稱為 CEFCA，是一座研究星系和宇宙學發(fā)展的國家級研究所。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。天文臺配有兩架天文望遠鏡：一架鏡面直徑為 2.55 米及視場 3 度的望遠鏡 JST/T250，以及一架鏡面直徑 83 厘米及視場 2 度的 JAST/T80。在 QAJ 進行的天體觀測得出的所有數(shù)據(jù)都通過無線通訊發(fā)送到特魯埃爾的主服務器中。
EtherCAT 網絡連接所有系統(tǒng)及子系統(tǒng)
天文臺的控制系統(tǒng)使用一臺倍福 C6640 工業(yè) PC 作為主控制平臺，各個CX5000 系列的嵌入式控制器用作分布式控制平臺。PC 平臺確保可靠控制、監(jiān)控和管理天文臺中安裝的所有系統(tǒng)及子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)根據(jù)它們在天文臺內的位置被分為五組：綜合大樓(主 PLC)、T080 望遠鏡(B080)、監(jiān)控室(BMON)、T250 望遠鏡(B250)以及主綜合樓(主服務器機架)(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在內的所有系統(tǒng)。盡管兩架望遠鏡可以通過主控制室控制，但本地控制室可以執(zhí)行諸如調試、維護或其它技術工作等特殊任務。
所有控制節(jié)點都通過采用環(huán)形拓撲結構的 EtherCAT 以及采用星型拓撲結構的以太網網絡連接。后者通過 EtherCAT Automation Proto-col(EAP)協(xié)議連接到在天文臺的 EtherCAT 網絡中的 C250 攝像頭的控制單元。通訊通過使用 EtherCAT 或 Ethernet 協(xié)議的光纖電纜實現(xiàn)。EtherCAT 的高帶寬使得每個周期都能輸送一次狀態(tài)信息。位于特魯埃爾的 CEFCA 內設有一個遠程控制中心，可以從這里管理、控制和運行天文臺。OAJ 狀態(tài)實時顯示在一面視頻墻上。
嵌入式控制器便于實現(xiàn)復雜的望遠鏡控制
這兩架望遠鏡中較小的一架，即 T80，用于執(zhí)行一些被稱為 JAST(一開始計劃為 J-PLUS)的天體觀測任務，它是一項預計在兩到三年時間內完成多波段光度觀測整個天體的任務。結果將用于支持校準通過 JST/T250 望遠鏡進行的 J-PAS 天體物理學觀測。在未來五年內，T250 望遠鏡將需要觀測 800 平方度或整個天體的五分之一。
T250 上安裝的是一臺專為光度監(jiān)控北部天體設計的 JPCam 廣角相機，它由機械的濾鏡快門單元和攝像系統(tǒng)構成。后者由冷卻和真空系統(tǒng)、CCD 探測器視場、一個光控入射窗及電子元器件構成。濾鏡插件、快門以及連接望遠鏡的接口構成該單元的機械基礎。共有四臺 CX5020 嵌入式控制器用于控制光學鏡頭、照相機和安裝有照相機的六足機器人(見圖 2)。照相機乙二醇水溶液的溫度調節(jié)控制也由一臺嵌入式控制器、EtherCAT 從站模塊和內聯(lián)的 EtherCAT 端子模塊實現(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，以便讓相機保持在恒溫條件下。這樣可以防止照相機元件由于熱脹冷縮而造成不規(guī)則成像。
圓頂控制 — 整個自動化領域
T250 望遠鏡的圓頂高度幾乎達到 13 米，重 17 噸。它的控制由一臺裝有 TwinCAT 2 NC PTP 軟件的 CX5020 嵌入式控制器實現(xiàn)?；?PC 的緊湊型控制器負責控制速度達到 27 米/分鐘的俯仰運動、擋風窗和觀測窗的開關以及圓頂?shù)男D運動。整個系統(tǒng)通過倍福集成有安全選項卡的 AX5xx 系列伺服驅動器和伺服電機驅動。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 與一個滑環(huán)系統(tǒng)以及另一臺安裝在圓頂下面固定部分的 CX5020 連接。
鏡面維護需要高精度輸送
T250 望遠鏡的鏡面直徑為 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。這樣一面鏡子價值約數(shù)億歐元，這也意味著維護工作，如鋁層的重建，需要特別細心。OAJ 為此建了一個專門的鋁室，在這里精心維護鏡面的特征值，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 米遠的維護室是一個相當大的挑戰(zhàn)。上下移動鏡子的升降系統(tǒng)通過一臺嵌入式控制器和集成有安全功能的伺服驅動器以極高精度控制。速度達到每分鐘 15 厘米 —人眼幾乎察覺不到的運動。但是，每分鐘的加速或減速可能會導致玻璃上出現(xiàn)細小劃痕，從而導致天體觀測誤差。
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)設計的。“借助 EL6900 TwinSAFE 邏輯端子模塊，我們才可以添加控制各個輸入和輸出的功能組，讓我們能夠實現(xiàn)諸如急停、AND 和 OR 邏輯功能塊以及借助 TON 和 TOFF 功能實現(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)被構想為一個全局系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，所有組件都互聯(lián)且設備間不斷交換信息。它們以同步方式交互，因此我們的整個安全系統(tǒng)必須能夠做相同的事情?！卑踩畔⑼ㄟ^ FailSafe over EtherCAT(FSoE)協(xié)議傳輸。通過這一協(xié)議，PLC 形成一個雙向發(fā)布者/ 訂閱者關系，讓每臺 PLC 都能夠發(fā)布一個變量(發(fā)布者)和訂閱另一個(訂閱者)。這些變量必須在安全邏輯端子模塊(EL6900)內鏈接，將它們當做安全輸入或輸出。如果 EL6900 檢測到有錯誤，它可以發(fā)布一個報警信號，信號通過 EtherCAT 網絡內的另一個 CPU 接收，然后讓其自己的系統(tǒng)進入到安全狀態(tài)。
擴展已有規(guī)劃
Axel Yanes 已經為未來制定好計劃：“我們將會將 OAJ 中的更多有趣設備投入運營。我們已經能夠將一些功能集成到目前為止還沒有規(guī)劃好的天文臺控制系統(tǒng)中，如 BACnet/IP、狀態(tài)監(jiān)測及其它功能。我們很高興能有倍福這樣的技術合作伙伴。他們已經滿足了我們在高品質、可靠同時靈活及易于維護的系統(tǒng)方面的要求。我們已經利用全球支持來協(xié)調總共 10 個國家的項目，這對我們來說也極為珍貴。”
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