美國(guó)科研人員利用激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次探測(cè)到引力波，這一發(fā)現(xiàn)印證了物理學(xué)大師愛(ài)因斯坦 100 年前基于廣義相對(duì)論的引力波預(yù)言。2015 年 9 月 14 日，位于華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的兩臺(tái)引力波探測(cè)器首次探測(cè)到引力波信號(hào)。2015 年 12 月 26 日，LIGO 第二次探測(cè)到引力波信號(hào)。

工業(yè)自動(dòng)化在探測(cè)服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用

在漢福德和利文斯頓探測(cè)器的研究過(guò)程中，基于 PC 的控制系統(tǒng)和EtherCAT 被用作高速通訊系統(tǒng)。來(lái)自漢福德區(qū)的 Daniel Sigg 和 Richard McCarthy 負(fù)責(zé)自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)施工作。LIGO 資深科研人員 Daniel Sigg 解釋道：“基于 PC 的控制技術(shù)用于干涉儀臂末端處基于伺服的激光控制系統(tǒng)。激光干涉儀被安置在 L 形超高真空系統(tǒng)中，該系統(tǒng)體積非常龐大，位于漢福德的系統(tǒng)支柱長(zhǎng)度為 2 千米，而位于文斯頓的支柱長(zhǎng)度則為 4 千米。因此，該應(yīng)用中的遠(yuǎn)程控制，包括用于穩(wěn)定激光頻率的伺服控制，是一個(gè)關(guān)鍵要求。我們還應(yīng)用 EtherCAT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。”

由 LIGO 開(kāi)發(fā)的真空控制系統(tǒng)大量運(yùn)用基于 PC 的控制系統(tǒng)和 EtherCAT 通訊技術(shù)

基于 PC 的控制系統(tǒng)最主要的任務(wù)是監(jiān)測(cè)研究設(shè)備，這包括配電系統(tǒng)的時(shí)序控制，系統(tǒng)通過(guò) RS232 或 RS485 發(fā)送大量研究數(shù)據(jù)以進(jìn)行診斷，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁呒?jí)別的 EtherCAT 系統(tǒng)中。LIGO 天文臺(tái)首席電氣工程師 Richard McCarthy 解釋說(shuō)道：“我們知道這可以用傳統(tǒng) PLC 完成，但為了簡(jiǎn)化項(xiàng)目中涉及到的那些系統(tǒng)，我們采用了基于 PC 的控制技術(shù)?！盠IGO 天文臺(tái)以前使用的自動(dòng)化和 I/O 系統(tǒng)采用的不是模塊化結(jié)構(gòu)，而且靈活性差，不足以適應(yīng)常規(guī)的系統(tǒng)更新和擴(kuò)展。由于需要頻繁地對(duì)科學(xué)研究設(shè)備進(jìn)行修改和改進(jìn)，因此控制技術(shù)的靈活性成為了關(guān)注的重點(diǎn)。

EtherCAT 系統(tǒng)用作所有組件的集成式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)，包括 I/O、安全技術(shù)和步進(jìn)電機(jī)。LIGO 天文臺(tái)還開(kāi)發(fā)了許多自己的 EtherCAT 設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)高端測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。此外，EtherCAT 和 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件中的多協(xié)議通訊確保研究項(xiàng)目中涉及到的大學(xué)和組織可以隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)測(cè)量數(shù)據(jù)。Daniel Sigg 和 Richard McCarthy 通過(guò) TwinCAT ADS 在 LIGO 控制室屏幕上創(chuàng)建直觀(guān)的可視化界面。TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件集成在 MicrosoftVisual Studio? 中并可使用各種編程語(yǔ)言，具有很大的靈活性，并提供大量的編程工具。LIGO 天文臺(tái)的干涉儀研究站基于 PC 的控制系統(tǒng)中主要使用的是結(jié)構(gòu)化文本（ST），而其它研究設(shè)備使用的則是用 C++ 或 Python 創(chuàng)建的代碼。

在監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)方面，LIGO 使用各種倍福面板型 PC，包括一臺(tái)多點(diǎn)觸控面板 CP2215。它們被安裝在干涉儀的真空控制器處，便于實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和泵控制以及其它功能。“我們更換的最昂貴的設(shè)備是真空系統(tǒng)，因此我們必須不斷監(jiān)測(cè)安置真空系統(tǒng)、低溫泵和離子泵的建筑物?！盡cCarthy 解釋說(shuō)道。

由于干涉儀臂長(zhǎng)達(dá) 4 千米，因此需要使用具有高抗噪性的光纖網(wǎng)絡(luò)來(lái)與遠(yuǎn)程電子設(shè)備來(lái)建立物理連接。這可通過(guò)帶玻璃光纖電纜接口的EtherCAT 耦合器 EK1501 實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)站點(diǎn)間的距離選擇多模（最長(zhǎng) 2000 米）或單模型號(hào)（最長(zhǎng) 20000 米）。除了光纖連接之外，EtherCAT橋接端子模塊 EL6692 可在 EtherCAT I/O 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同的主站之間建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，這對(duì)讓干涉儀延伸數(shù)公里來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

I/O 系統(tǒng)經(jīng)常被要求遠(yuǎn)程修改增益設(shè)置和繼電器，同時(shí)與為 LIGO 天文臺(tái)定制的其它高精度測(cè)量電子元件連接。TwinSAFE 端子模塊可在 LIGO 天文臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)各種人員和設(shè)備保護(hù)措施，它們直接與倍福的 CX5020 嵌入式控制器連接。所有大功率激光束必須包含在保護(hù)區(qū)中，以確保人員安全。如果有任何人或物體以某種方式進(jìn)入保護(hù)區(qū)，TwinSAFE 和急停功能確保所有干涉儀臂同時(shí)關(guān)閉。TwinSAFE 還讓 LIGO 天文臺(tái)工作人員能夠安全地打開(kāi)激光工作臺(tái)，而不必關(guān)閉任何激光器。

高精度的低頻（0.01 Hz）傾角儀用來(lái)測(cè)量干涉儀的傾角。傾角儀的靈敏度非常高，它可以檢測(cè)天文臺(tái)大風(fēng)天里搖晃的程度。安裝在干涉儀中的其它設(shè)備可以對(duì)傾斜角度超出可接受范圍的光學(xué)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償。傾角儀本身由一臺(tái) 19 英寸機(jī)架安裝式工業(yè) PC C5210 控制。它還負(fù)責(zé)分析配備小型激光反射鏡的傾角儀的圖像，以便檢測(cè)微小的振動(dòng)，同時(shí)用一臺(tái)相機(jī)記錄任何變化。相機(jī)與 EtherCAT I/O 系統(tǒng)同步。與步進(jìn)電機(jī)連接的 EtherCAT 端子盒可以在校準(zhǔn)測(cè)量工作臺(tái)時(shí)進(jìn)行高精度調(diào)整。

這些圖表上顯示的是由位于路易斯安那州利文斯頓和華盛頓漢福德的兩臺(tái) LIGO 天文臺(tái)探測(cè)到的引力波信號(hào)

研究設(shè)備設(shè)計(jì)持續(xù)推波逐浪

通過(guò)集中采用標(biāo)準(zhǔn)化和靈活的系統(tǒng)，按時(shí)在預(yù)算內(nèi)完成了這一宏大的LIGO 天文臺(tái)項(xiàng)目。當(dāng)然，這并不是說(shuō)在這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行過(guò)任何修正。由于 LIGO 天文臺(tái)的科研人員和工程師們對(duì)他們的研究方法進(jìn)行了微調(diào)，并建造了實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施，也需要相應(yīng)調(diào)整基于 PC 的控制和 EtherCAT 設(shè)備。“通過(guò)高性能的 PC 控制系統(tǒng)，我們可以使用TwinCAT 軟件來(lái)保持 10 毫秒的更新速率來(lái)更新超過(guò) 1000 臺(tái)設(shè)備和10000 個(gè)輸入輸出點(diǎn)?！盨igg 總結(jié)說(shuō)道。

LIGO 天文臺(tái)未來(lái)計(jì)劃將現(xiàn)有地點(diǎn)的多個(gè)傳統(tǒng)系統(tǒng)更新為先進(jìn)的基于PC 和 EtherCAT 的控制系統(tǒng)。翻新改造的具體目標(biāo)包括氣象站、灰塵監(jiān)測(cè)、液壓泵控制等。

更多信息：
www.ligo.caltech.edu
www.beckhoffautomation.com