項(xiàng)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(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái), 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830011； 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

引 言

主動(dòng)面調(diào)整技術(shù)是當(dāng)前大口徑射電望遠(yuǎn)鏡(FAST、GBT、SRT、TianMa等)廣泛使用的主動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)[1]。通過(guò)該技術(shù)可以補(bǔ)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(jìn)而提高天線口面的接收效率[2]。

主動(dòng)面系統(tǒng)主要由促動(dòng)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(dòng)器的控制總線形成整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)[3-4]。主動(dòng)面控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分層的多節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)，含有數(shù)百至上千個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)大型的球狀網(wǎng)絡(luò)，功能上通過(guò)控制反射面上各促動(dòng)器單元進(jìn)行位置調(diào)整，形成一個(gè)特定拋物面，提高反射面的面形精度。

作為一種多節(jié)點(diǎn)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(hù)性要求和特點(diǎn)。系統(tǒng)以分散化、智能數(shù)字化的運(yùn)動(dòng)和測(cè)量類設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)總線連接各從站節(jié)點(diǎn)，以數(shù)字通信形式實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和控制。

110 m口徑全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡(Qitai radio Telescope, QTT)，是由中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)主導(dǎo)建設(shè)的一架多功能通用型射電望遠(yuǎn)鏡，主要用于脈沖星、分子譜線、引力波等天文觀測(cè)研究。望遠(yuǎn)鏡位于新疆昌吉州奇臺(tái)縣，工作頻段覆蓋150 MHz ～ 115 GHz，要求采用快速天線測(cè)量與主動(dòng)調(diào)整技術(shù)，理想狀態(tài)是達(dá)到天線主動(dòng)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(jì)滿足結(jié)構(gòu)規(guī)模和功能的主動(dòng)面系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)面的快速可控調(diào)整。

本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外采用主動(dòng)面技術(shù)的大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的控制網(wǎng)絡(luò)形式，結(jié)合QTT主動(dòng)面初步設(shè)計(jì)需求，分別設(shè)計(jì)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(dòng)面概況

1.1 QTT主動(dòng)面概況

QTT主反射面采用分塊面板設(shè)計(jì)，利用主動(dòng)面技術(shù)控制補(bǔ)償形變誤差，主動(dòng)面系統(tǒng)包含約2 000個(gè)促動(dòng)器節(jié)點(diǎn)。QTT主動(dòng)面的設(shè)計(jì)指標(biāo)包含主反射面均方根誤差(rms)，初期采用主動(dòng)面時(shí)需達(dá)到0.3 mm(rms)的表面精度，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期調(diào)試后最終需達(dá)到0.2 mm(rms)。

QTT主動(dòng)面的促動(dòng)器擬采用電動(dòng)促動(dòng)器。主動(dòng)面系統(tǒng)對(duì)促動(dòng)器進(jìn)行分層通信控制。促動(dòng)器將裝配多種狀態(tài)監(jiān)控傳感器，能夠進(jìn)行獨(dú)立的故障診斷，將設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行情況實(shí)時(shí)反饋。

1.2 國(guó)內(nèi)外天線主動(dòng)面概況

國(guó)內(nèi)外已建成的采用主動(dòng)面的大口徑射電望遠(yuǎn)鏡主要有美國(guó)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(dòng)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(jì)理念等的不同，仍存在一定差別。

GBT主動(dòng)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(guò)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(RPC)向主動(dòng)面總控計(jì)算機(jī)發(fā)送促動(dòng)器的不同方位俯仰角的位移量矩陣，總控計(jì)算機(jī)將不同的位移矩陣發(fā)送給從控計(jì)算機(jī)。從控機(jī)通過(guò)VME計(jì)算機(jī)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(gè)LVDT和驅(qū)動(dòng)模塊組，每個(gè)模塊組負(fù)責(zé)16個(gè)促動(dòng)器及LVDT傳感器的驅(qū)動(dòng)控制和信號(hào)采集[6]。GBT的促動(dòng)器屬于非智能型，其位置閉環(huán)控制由從控機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，為一拖多的控制方式。

圖1 美國(guó)GBT 100 m主動(dòng)面控制網(wǎng)絡(luò)示意圖

上海TianMa 65 m采用“Ethernet + RS-485”的形式實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(jìn)行通信，兩者之間使用串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，構(gòu)成完整的分層控制網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)串口服務(wù)器串聯(lián)主反射面徑向上的多個(gè)智能促動(dòng)器，若干串口服務(wù)器覆蓋一個(gè)主面扇區(qū)[7]。智能促動(dòng)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(dòng)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(jìn)行了基于CAN總線[8]和LonWorks總線的研究與實(shí)驗(yàn)、密云50 m多節(jié)點(diǎn)索網(wǎng)模型控制實(shí)驗(yàn)、基于Ethernet的索網(wǎng)模型控制實(shí)驗(yàn)。最終采用“Prifinet+Profibus”的“工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)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(duì)天線的電磁干擾。

2 QTT主動(dòng)面分布式控制網(wǎng)絡(luò)

為完成促動(dòng)器位置指令下發(fā)、執(zhí)行反饋、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等基本功能及支持后續(xù)閉環(huán)準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(jì)劃采用光纖傳輸；對(duì)于QTT主動(dòng)面眾多的促動(dòng)器節(jié)點(diǎn)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(duì)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?fù)潇`活，擴(kuò)展性好；

3)技術(shù)自身有較完善的檢測(cè)診斷功能；

4)有廣泛的設(shè)備和技術(shù)支持；

5)有較長(zhǎng)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(dòng)面也采取分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。頂層主站為天線主動(dòng)面控制計(jì)算機(jī)，接收天線控制計(jì)算機(jī)的命令，根據(jù)預(yù)存儲(chǔ)的促動(dòng)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(diǎn)分發(fā)控制命令。此外中間層還負(fù)責(zé)促動(dòng)器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)反饋及故障報(bào)警的上傳。智能促動(dòng)器節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(jì)

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線的簡(jiǎn)單比較

當(dāng)前，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已十分成熟且廣泛應(yīng)用，IEC61158等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中包含了十余種主要的現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(shí)考慮了通信的實(shí)時(shí)性、可靠性等工業(yè)控制敏感的方面。相較于現(xiàn)場(chǎng)總線，工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸速率更高，可達(dá)100/1 000 Mbps；具有更靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可擴(kuò)展性，支持總線型、星型、混合型等多種拓?fù)湫问?；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和設(shè)備成本更有優(yōu)勢(shì)。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(dá)到100 Mbps，甚至更快，通常是Profibus、CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線的10倍以上。現(xiàn)場(chǎng)總線的總傳輸距離及掛載點(diǎn)數(shù)受線路阻抗的影響，若要延長(zhǎng)距離，需要添加中繼器。而工業(yè)以太網(wǎng)采用雙絞線時(shí)兩節(jié)點(diǎn)間的距離即可達(dá)到100 m，且掛載點(diǎn)數(shù)不受線路影響。

高傳輸速率對(duì)主動(dòng)面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控及提高促動(dòng)器運(yùn)行的同步性有重要意義。除性能優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)面多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。其良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及擴(kuò)展能力，也有助于促動(dòng)器節(jié)點(diǎn)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(dòng)面的通信技術(shù)。

3.2 基于Powerlink的設(shè)計(jì)

Ethernet Powerlink(以下簡(jiǎn)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(kāi)源。其采用純軟件方式的協(xié)議，可以達(dá)到硬實(shí)時(shí)的性能。Powerlink的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層定義了一個(gè)精簡(jiǎn)的、實(shí)時(shí)性極高的用戶協(xié)議，應(yīng)用層采用CANopen協(xié)議，采用時(shí)間槽通信網(wǎng)絡(luò)管理(SCNM)機(jī)制實(shí)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(shí)隙和輪詢混合方式實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸，利用共享時(shí)隙傳輸異步數(shù)據(jù)。

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

圖4為基于Powerlink設(shè)計(jì)的QTT主動(dòng)面控制網(wǎng)絡(luò)，頂層采用工業(yè)PC作為一級(jí)MN，實(shí)現(xiàn)促動(dòng)器位移量矩陣的存儲(chǔ)；中間層采用嵌入式控制器作為二級(jí)MN，向上通過(guò)交換機(jī)接收來(lái)自頂層的位移量矩陣，向下采用集線器管理扇區(qū)節(jié)點(diǎn)，傳輸網(wǎng)段內(nèi)的各促動(dòng)器對(duì)應(yīng)的位移量，保證二級(jí)主站與從節(jié)點(diǎn)CN的高實(shí)時(shí)性。一組二級(jí)主站管理天線的一個(gè)主動(dòng)面扇區(qū)。底層促動(dòng)器通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)促動(dòng)器與集線器的連接，接收二級(jí)MN分配的位移量。

圖4 基于Powerlink的主動(dòng)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(guò)多主冗余的形式，頂層MN及中間層網(wǎng)段各二級(jí)MN僅有一個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)，另一個(gè)處于備用狀態(tài)，出現(xiàn)故障后，備用開(kāi)始工作，保證網(wǎng)絡(luò)可靠通信。采用星型拓?fù)湫问竭B接促動(dòng)器，避免促動(dòng)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(gè)扇區(qū)分為4股，連接30 ～ 40個(gè)促動(dòng)器節(jié)點(diǎn)。

圖5 主動(dòng)面控制網(wǎng)絡(luò)扇區(qū)布線示意圖

3.3 基于EtherCAT的設(shè)計(jì)

EtherCAT由德國(guó)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(guò)每一個(gè)從站節(jié)點(diǎn)，最后返回主站，形成一個(gè)邏輯環(huán)。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)從站時(shí)，從站EtherCAT芯片識(shí)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(guò)程中，數(shù)據(jù)的讀取與插入均是通過(guò)專用硬件完成，延遲在納秒級(jí)，因此系統(tǒng)的總體延遲可以通過(guò)從站數(shù)量進(jìn)行測(cè)算，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。專用硬件使通信與站點(diǎn)控制器的性能無(wú)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(dá)90%以上，這極大提升了從站數(shù)量較多時(shí)的通信效率。此外，EtherCAT的環(huán)網(wǎng)冗余實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要額外的設(shè)備，成本低。

QTT主動(dòng)面控制EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(yùn)行TwinCAT軟件，存儲(chǔ)天線在不同運(yùn)行工況時(shí)的促動(dòng)器位移量矩陣，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給對(duì)應(yīng)的網(wǎng)段。中間層控制器為嵌入式控制器，對(duì)應(yīng)控制一個(gè)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(diǎn)，下發(fā)各從站節(jié)點(diǎn)的促動(dòng)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(dòng)面控制網(wǎng)絡(luò)示意圖

頂層主控計(jì)算機(jī)采用雙機(jī)熱備形式，提高系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的可靠性。通過(guò)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(gè)設(shè)備或線纜的異常不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)段的癱瘓。采用菊花鏈?zhǔn)竭B接，減少了布線的復(fù)雜程度。通過(guò)控制子網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)規(guī)模，降低多個(gè)節(jié)點(diǎn)故障對(duì)系統(tǒng)的影響。每個(gè)扇區(qū)有兩個(gè)子網(wǎng)段，每個(gè)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(jì)主動(dòng)面系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，可以增大促動(dòng)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(guò)環(huán)網(wǎng)/雙環(huán)網(wǎng)等靈活方式，能夠比現(xiàn)場(chǎng)總線更方便快捷地設(shè)計(jì)出滿足QTT主動(dòng)面系統(tǒng)性能和可靠性要求的網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(jì)的主動(dòng)面系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，可以增大促動(dòng)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(dòng)面多節(jié)點(diǎn)控制的性能和功能需要。結(jié)合其各自技術(shù)特點(diǎn)及可靠性與布線等方面的考慮，設(shè)計(jì)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(jì)劃利用軟件仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)合通信數(shù)據(jù)量及控制邏輯對(duì)子網(wǎng)段內(nèi)促動(dòng)器的規(guī)模進(jìn)行確定，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)混合拓?fù)涮岣呦到y(tǒng)和各子網(wǎng)段的可靠性。