項斌斌，薛 飛，劉 璇,3，王 娜，陳卯蒸，艾力·玉蘇甫，古麗加依娜·哈再孜汗,3

(1. 中國科學(xué)院新疆天文臺, 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學(xué)院射電天文重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

引 言

主動面調(diào)整技術(shù)是當前大口徑射電望遠鏡(FAST、GBT、SRT、TianMa等)廣泛使用的主動補償技術(shù)[1]。通過該技術(shù)可以補償大型天線因重力、溫度、風(fēng)荷等環(huán)境因素造成的結(jié)構(gòu)變形及面板制造、安裝的不確定性誤差，進而提高天線口面的接收效率[2]。

主動面系統(tǒng)主要由促動器、控制系統(tǒng)、控制總線、供電系統(tǒng)等組成，其中連接并操控促動器的控制總線形成整個控制網(wǎng)絡(luò)[3-4]。主動面控制網(wǎng)絡(luò)是一個分層的多節(jié)點控制系統(tǒng)，含有數(shù)百至上千個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在結(jié)構(gòu)上是一個大型的球狀網(wǎng)絡(luò)，功能上通過控制反射面上各促動器單元進行位置調(diào)整，形成一個特定拋物面，提高反射面的面形精度。

作為一種多節(jié)點控制網(wǎng)絡(luò)，主反射面控制系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性、電磁兼容性、可靠性及可維護性要求和特點。系統(tǒng)以分散化、智能數(shù)字化的運動和測量類設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過總線連接各從站節(jié)點，以數(shù)字通信形式實現(xiàn)對各節(jié)點的監(jiān)測和控制。

110 m口徑全可動射電望遠鏡(Qitai radio Telescope, QTT)，是由中國科學(xué)院新疆天文臺主導(dǎo)建設(shè)的一架多功能通用型射電望遠鏡，主要用于脈沖星、分子譜線、引力波等天文觀測研究。望遠鏡位于新疆昌吉州奇臺縣，工作頻段覆蓋150 MHz ～ 115 GHz，要求采用快速天線測量與主動調(diào)整技術(shù)，理想狀態(tài)是達到天線主動面閉環(huán)控制，以修正天線因環(huán)境因素造成的形變等誤差[5]。因此，需要設(shè)計滿足結(jié)構(gòu)規(guī)模和功能的主動面系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)主動面的快速可控調(diào)整。

本文通過分析國內(nèi)外采用主動面技術(shù)的大口徑射電望遠鏡的控制網(wǎng)絡(luò)形式，結(jié)合QTT主動面初步設(shè)計需求，分別設(shè)計了基于Ethernet Powerlink和EtherCAT兩種工業(yè)以太網(wǎng)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)。

1 主動面概況

1.1 QTT主動面概況

QTT主反射面采用分塊面板設(shè)計，利用主動面技術(shù)控制補償形變誤差，主動面系統(tǒng)包含約2 000個促動器節(jié)點。QTT主動面的設(shè)計指標包含主反射面均方根誤差(rms)，初期采用主動面時需達到0.3 mm(rms)的表面精度，經(jīng)過長期調(diào)試后最終需達到0.2 mm(rms)。

QTT主動面的促動器擬采用電動促動器。主動面系統(tǒng)對促動器進行分層通信控制。促動器將裝配多種狀態(tài)監(jiān)控傳感器，能夠進行獨立的故障診斷，將設(shè)備狀態(tài)及運行情況實時反饋。

1.2 國內(nèi)外天線主動面概況

國內(nèi)外已建成的采用主動面的大口徑射電望遠鏡主要有美國GBT 100 m、意大利SRT 64 m、上海TianMa 65 m、貴州FAST 500 m等。它們的主動面控制網(wǎng)絡(luò)均采用“以太網(wǎng)+總線”的分層結(jié)構(gòu)，但由于設(shè)計理念等的不同，仍存在一定差別。

GBT主動面控制系統(tǒng)的控制形式如圖1所示。天線控制系統(tǒng)通過遠程過程調(diào)用(RPC)向主動面總控計算機發(fā)送促動器的不同方位俯仰角的位移量矩陣，總控計算機將不同的位移矩陣發(fā)送給從控計算機。從控機通過VME計算機總線連接智能I/O處理器，智能I/O處理器以專用串行總線形式連接多個LVDT和驅(qū)動模塊組，每個模塊組負責16個促動器及LVDT傳感器的驅(qū)動控制和信號采集[6]。GBT的促動器屬于非智能型，其位置閉環(huán)控制由從控機控制實現(xiàn)，為一拖多的控制方式。

圖1 美國GBT 100 m主動面控制網(wǎng)絡(luò)示意圖

上海TianMa 65 m采用“Ethernet + RS-485”的形式實現(xiàn)主動面系統(tǒng)的控制，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)分為3層，頂層使用Ethernet，底層使用RS-485進行通信，兩者之間使用串口服務(wù)器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，構(gòu)成完整的分層控制網(wǎng)絡(luò)。每個串口服務(wù)器串聯(lián)主反射面徑向上的多個智能促動器，若干串口服務(wù)器覆蓋一個主面扇區(qū)[7]。智能促動器集成位移傳感器，接收位移指令，完成自身的位置閉環(huán)控制。意大利SRT 64 m也采用相似的結(jié)構(gòu)。

圖2 上海TianMa 65 m主動面控制網(wǎng)絡(luò)示意圖

FAST在前期的研究和建設(shè)階段先后進行了基于CAN總線[8]和LonWorks總線的研究與實驗、密云50 m多節(jié)點索網(wǎng)模型控制實驗、基于Ethernet的索網(wǎng)模型控制實驗。最終采用“Prifinet+Profibus”的“工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線”高低速組網(wǎng)形式。傳輸介質(zhì)采用光纖，減少系統(tǒng)通信對天線的電磁干擾。

2 QTT主動面分布式控制網(wǎng)絡(luò)

為完成促動器位置指令下發(fā)、執(zhí)行反饋、狀態(tài)監(jiān)測等基本功能及支持后續(xù)閉環(huán)準實時控制的要求，需要采用較高傳輸速率的協(xié)議；為滿足電磁屏蔽要求，計劃采用光纖傳輸；對于QTT主動面眾多的促動器節(jié)點及空間分布，還需要合理規(guī)劃組網(wǎng)方式，保證布線的可靠性并降低復(fù)雜程度。

對所選取的通信技術(shù)的其他要求還包括：

1)通信可靠性高；

2)拓撲靈活，擴展性好；

3)技術(shù)自身有較完善的檢測診斷功能；

4)有廣泛的設(shè)備和技術(shù)支持；

5)有較長的技術(shù)生命周期。

為提高系統(tǒng)可靠性及數(shù)據(jù)分發(fā)效率，QTT主動面也采取分層結(jié)構(gòu)設(shè)計。頂層主站為天線主動面控制計算機，接收天線控制計算機的命令，根據(jù)預(yù)存儲的促動器位移矩陣或面形閉環(huán)修正量，向中間層控制器發(fā)送位移指令包，由中間層向網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點分發(fā)控制命令。此外中間層還負責促動器節(jié)點的狀態(tài)反饋及故障報警的上傳。智能促動器節(jié)點完成位移閉環(huán)及狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主動面控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的簡單比較

當前，現(xiàn)場總線技術(shù)已十分成熟且廣泛應(yīng)用，IEC61158等國際標準中包含了十余種主要的現(xiàn)場總線，其中較常用的有Profibus和CAN總線。但這些總線多為低速總線，最高傳輸速率不超過16 Mbps，限制了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力及接入規(guī)模，而且在不同總線的互連、互通方面存在障礙。隨著智能化儀表設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)場總線已不適宜大規(guī)模、大數(shù)據(jù)量、高速智能化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信和控制。

工業(yè)以太網(wǎng)是將成熟的商業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制，如Powerlink、Ethernet/IP、EtherCAT總線，同時考慮了通信的實時性、可靠性等工業(yè)控制敏感的方面。相較于現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸速率更高，可達100/1 000 Mbps；具有更靈活的拓撲結(jié)構(gòu)和可擴展性，支持總線型、星型、混合型等多種拓撲形式；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和設(shè)備成本更有優(yōu)勢。表1為幾種主流工業(yè)總線的性能比較。

表1 幾種主流工業(yè)總線性能比較

由表1可以看出，Powerlink、Ethernet/IP、EtherCAT這3種工業(yè)以太網(wǎng)總線的傳輸速率均達到100 Mbps，甚至更快，通常是Profibus、CAN等現(xiàn)場總線的10倍以上。現(xiàn)場總線的總傳輸距離及掛載點數(shù)受線路阻抗的影響，若要延長距離，需要添加中繼器。而工業(yè)以太網(wǎng)采用雙絞線時兩節(jié)點間的距離即可達到100 m，且掛載點數(shù)不受線路影響。

高傳輸速率對主動面系統(tǒng)實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控及提高促動器運行的同步性有重要意義。除性能優(yōu)于現(xiàn)場總線外，工業(yè)以太網(wǎng)有完善的故障診斷和定位能力，更便于主動面多節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)維護。其良好的拓撲結(jié)構(gòu)及擴展能力，也有助于促動器節(jié)點的靈活分組和控制。

經(jīng)綜合比較分析，本文采用工業(yè)以太網(wǎng)作為QTT主動面的通信技術(shù)。

3.2 基于Powerlink的設(shè)計

Ethernet Powerlink(以下簡稱Powerlink)是由奧地利貝加萊(B&R)公司于2001年提出的一種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，目前已開源。其采用純軟件方式的協(xié)議，可以達到硬實時的性能。Powerlink的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層定義了一個精簡的、實時性極高的用戶協(xié)議，應(yīng)用層采用CANopen協(xié)議，采用時間槽通信網(wǎng)絡(luò)管理(SCNM)機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，控制網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信量，避免數(shù)據(jù)沖突。使用專用的時隙和輪詢混合方式實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸，利用共享時隙傳輸異步數(shù)據(jù)。

Powerlink網(wǎng)絡(luò)只允許一個管理節(jié)點MN工作，并為網(wǎng)絡(luò)上的所有控制節(jié)點CN建立分配時隙的配置表。只有MN可以獨立接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，MN統(tǒng)一規(guī)劃每個節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)的確定時序。

圖4為基于Powerlink設(shè)計的QTT主動面控制網(wǎng)絡(luò)，頂層采用工業(yè)PC作為一級MN，實現(xiàn)促動器位移量矩陣的存儲；中間層采用嵌入式控制器作為二級MN，向上通過交換機接收來自頂層的位移量矩陣，向下采用集線器管理扇區(qū)節(jié)點，傳輸網(wǎng)段內(nèi)的各促動器對應(yīng)的位移量，保證二級主站與從節(jié)點CN的高實時性。一組二級主站管理天線的一個主動面扇區(qū)。底層促動器通過光纖實現(xiàn)促動器與集線器的連接，接收二級MN分配的位移量。

圖4 基于Powerlink的主動面控制網(wǎng)絡(luò)示意圖

頂層和中間層均采用冗余設(shè)置。通過多主冗余的形式，頂層MN及中間層網(wǎng)段各二級MN僅有一個處于活動狀態(tài)，另一個處于備用狀態(tài)，出現(xiàn)故障后，備用開始工作，保證網(wǎng)絡(luò)可靠通信。采用星型拓撲形式連接促動器，避免促動器之間的故障影響，降低系統(tǒng)的故障概率。光纖線路沿天線主面輻射梁布置，如圖5(a)所示，每個扇區(qū)分為4股，連接30 ～ 40個促動器節(jié)點。

圖5 主動面控制網(wǎng)絡(luò)扇區(qū)布線示意圖

3.3 基于EtherCAT的設(shè)計

EtherCAT由德國Beckhoff公司于2003年提出，使用專用的通信協(xié)議控制器芯片。EtherCAT使用主從通信模式，采用集總幀。數(shù)據(jù)幀總是由主站發(fā)出，順次通過每一個從站節(jié)點，最后返回主站，形成一個邏輯環(huán)。當數(shù)據(jù)到達從站時，從站EtherCAT芯片識別數(shù)據(jù)幀內(nèi)相關(guān)地址映射，完成數(shù)據(jù)位的讀取和插入，數(shù)據(jù)讀寫順序和位置不依賴于網(wǎng)絡(luò)中從站的物理順序，可任意編址。

通信過程中，數(shù)據(jù)的讀取與插入均是通過專用硬件完成，延遲在納秒級，因此系統(tǒng)的總體延遲可以通過從站數(shù)量進行測算，保證了系統(tǒng)的實時性。專用硬件使通信與站點控制器的性能無關(guān)，占用系統(tǒng)資源較少。此外，發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)率可達90%以上，這極大提升了從站數(shù)量較多時的通信效率。此外，EtherCAT的環(huán)網(wǎng)冗余實現(xiàn)簡單，不需要額外的設(shè)備，成本低。

QTT主動面控制EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計也采用3層結(jié)構(gòu)。頂層采用工業(yè)PC，選取合適的網(wǎng)卡，運行TwinCAT軟件，存儲天線在不同運行工況時的促動器位移量矩陣，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給對應(yīng)的網(wǎng)段。中間層控制器為嵌入式控制器，對應(yīng)控制一個天線扇區(qū)，接收頂層的位移量矩陣，管理網(wǎng)段內(nèi)的從站節(jié)點，下發(fā)各從站節(jié)點的促動器位移調(diào)整量。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于EtherCAT的主動面控制網(wǎng)絡(luò)示意圖

頂層主控計算機采用雙機熱備形式，提高系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的可靠性。通過組成環(huán)網(wǎng)冗余的形式，提高各底層子網(wǎng)段的可靠性，一個設(shè)備或線纜的異常不會導(dǎo)致整個網(wǎng)段的癱瘓。采用菊花鏈式連接，減少了布線的復(fù)雜程度。通過控制子網(wǎng)段的節(jié)點規(guī)模，降低多個節(jié)點故障對系統(tǒng)的影響。每個扇區(qū)有兩個子網(wǎng)段，每個網(wǎng)段內(nèi)通信線纜沿輻射梁串行連接，再反向返回圓心構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，如圖5(b)所示。

采用Powerlink和EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計主動面系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，可以增大促動器的分組規(guī)模，減少附加設(shè)備，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度。在此基礎(chǔ)上，通過環(huán)網(wǎng)/雙環(huán)網(wǎng)等靈活方式，能夠比現(xiàn)場總線更方便快捷地設(shè)計出滿足QTT主動面系統(tǒng)性能和可靠性要求的網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

Powerlink和EtherCAT兩種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)均有較好的通信能力，采用Powerlink和EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計的主動面系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，可以增大促動器的分組規(guī)模，減少附加設(shè)備，降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，能夠滿足QTT主動面多節(jié)點控制的性能和功能需要。結(jié)合其各自技術(shù)特點及可靠性與布線等方面的考慮，設(shè)計了兩種組網(wǎng)形式，在系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性方面各有優(yōu)劣。

下一步計劃利用軟件仿真和實驗測試，結(jié)合通信數(shù)據(jù)量及控制邏輯對子網(wǎng)段內(nèi)促動器的規(guī)模進行確定，對拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，通過混合拓撲提高系統(tǒng)和各子網(wǎng)段的可靠性。