美國科研人員利用激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到引力波，這一發(fā)現(xiàn)印證了物理學(xué)大師愛因斯坦 100 年前基于廣義相對論的引力波預(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引力波探測器首次探測到引力波信號。2015 年 12 月 26 日，LIGO 第二次探測到引力波信號。

工業(yè)自動化在探測服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用

在漢福德和利文斯頓探測器的研究過程中，基于 PC 的控制系統(tǒng)和EtherCAT 被用作高速通訊系統(tǒng)。來自漢福德區(qū)的 Daniel Sigg 和 Richard McCarthy 負(fù)責(zé)自動化技術(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)支柱長度為 2 千米，而位于文斯頓的支柱長度則為 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)?！?/p>

由 LIGO 開發(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)測研究設(shè)備，這包括配電系統(tǒng)的時序控制，系統(tǒng)通過 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呒墑e的 EtherCAT 系統(tǒng)中。LIGO 天文臺首席電氣工程師 Richard McCarthy 解釋說道：“我們知道這可以用傳統(tǒng) PLC 完成，但為了簡化項(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)。”LIGO 天文臺以前使用的自動化和 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)場總線系統(tǒng)，包括 I/O、安全技術(shù)和步進(jìn)電機(jī)。LIGO 天文臺還開發(fā)了許多自己的 EtherCAT 設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)高端測量和數(shù)據(jù)分析。此外，EtherCAT 和 TwinCAT 3 自動化軟件中的多協(xié)議通訊確保研究項(xiàng)目中涉及到的大學(xué)和組織可以隨時訪問測量數(shù)據(jù)。Daniel Sigg 和 Richard McCarthy 通過 TwinCAT ADS 在 LIGO 控制室屏幕上創(chuàng)建直觀的可視化界面。TwinCAT 3 自動化軟件集成在 MicrosoftVisual Studio? 中并可使用各種編程語言，具有很大的靈活性，并提供大量的編程工具。LIGO 天文臺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)測功能實(shí)現(xiàn)方面，LIGO 使用各種倍福面板型 PC，包括一臺多點(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)過程監(jiān)測和泵控制以及其它功能?！拔覀兏鼡Q的最昂貴的設(shè)備是真空系統(tǒng)，因此我們必須不斷監(jiān)測安置真空系統(tǒng)、低溫泵和離子泵的建筑物?！盡cCarthy 解釋說道。

由于干涉儀臂長達(dá) 4 千米，因此需要使用具有高抗噪性的光纖網(wǎng)絡(luò)來與遠(yuǎn)程電子設(shè)備來建立物理連接。這可通過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 2000 米）或單模型號（最長 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)時數(shù)據(jù)交換，這對讓干涉儀延伸數(shù)公里來說至關(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，同時與為 LIGO 天文臺定制的其它高精度測量電子元件連接。TwinSAFE 端子模塊可在 LIGO 天文臺現(xiàn)場實(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關(guān)閉。TwinSAFE 還讓 LIGO 天文臺工作人員能夠安全地打開激光工作臺，而不必關(guān)閉任何激光器。

高精度的低頻（0.01 Hz）傾角儀用來測量干涉儀的傾角。傾角儀的靈敏度非常高，它可以檢測天文臺大風(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 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，以便檢測微小的振動，同時用一臺相機(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)測量工作臺時進(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 LIGO 天文臺探測到的引力波信號

研究設(shè)備設(shè)計持續(xù)推波逐浪

通過集中采用標(biāo)準(zhǔn)化和靈活的系統(tǒng)，按時在預(yù)算內(nèi)完成了這一宏大的LIGO 天文臺項(xiàng)目。當(dāng)然，這并不是說在這個過程中沒有進(jìn)行過任何修正。由于 LIGO 天文臺的科研人員和工程師們對他們的研究方法進(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?！巴ㄟ^高性能的 PC 控制系統(tǒng)，我們可以使用TwinCAT 軟件來保持 10 毫秒的更新速率來更新超過 1000 臺設(shè)備和10000 個輸入輸出點(diǎn)。”Sigg 總結(jié)說道。

LIGO 天文臺未來計劃將現(xiàn)有地點(diǎn)的多個傳統(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、液壓泵控制等。

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