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，這一發現印證了物理學大師愛因斯坦 100 年前基于廣義相對論的引力波預言。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。

工業自動化在探測服務領域的應用

在漢福德和利文斯頓探測器的研究過程中，基于 PC 的控制系統和EtherCAT 被用作高速通訊系統。來自漢福德區的 Daniel Sigg 和 Richard McCarthy 負責自動化技術的實施工作。LIGO 資深科研人員 Daniel Sigg 解釋道：“基于 PC 的控制技術用于干涉儀臂末端處基于伺服的激光控制系統。激光干涉儀被安置在 L 形超高真空系統中，該系統體積非常龐大，位于漢福德的系統支柱長度為 2 千米，而位于文斯頓的支柱長度則為 4 千米。因此，該應用中的遠程控制，包括用于穩定激光頻率的伺服控制，是一個關鍵要求。我們還應用 EtherCAT 技術實現了高度復雜的數據采集系統。”

由 LIGO 開發的真空控制系統大量運用基于 PC 的控制系統和 EtherCAT 通訊技術

基于 PC 的控制系統最主要的任務是監測研究設備，這包括配電系統的時序控制，系統通過 RS232 或 RS485 發送大量研究數據以進行診斷，然后將這些數據傳輸到更高級別的 EtherCAT 系統中。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 PLC 完成，但為了簡化項目中涉及到的那些系統，我們采用了基于 PC 的控制技術。”LIGO 天文臺以前使用的自動化和 I/O 系統采用的不是模塊化結構，而且靈活性差，不足以適應常規的系統更新和擴展。由于需要頻繁地對科學研究設備進行修改和改進，因此控制技術的靈活性成為了關注的重點。

EtherCAT 系統用作所有組件的集成式現場總線系統，包括 I/O、安全技術和步進電機。LIGO 天文臺還開發了許多自己的 EtherCAT 設備，以實現高端測量和數據分析。此外，EtherCAT 和 TwinCAT 3 自動化軟件中的多協議通訊確保研究項目中涉及到的大學和組織可以隨時訪問測量數據。Daniel Sigg 和 Richard McCarthy 通過 TwinCAT ADS 在 LIGO 控制室屏幕上創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 的控制系統中主要使用的是結構化文本（ST），而其它研究設備使用的則是用 C++ 或 Python 創建的代碼。

在監測功能實現方面，LIGO 使用各種倍福面板型 PC，包括一臺多點觸控面板 CP2215。它們被安裝在干涉儀的真空控制器處，便于實現過程監測和泵控制以及其它功能。“我們更換的最昂貴的設備是真空系統，因此我們必須不斷監測安置真空系統、低溫泵和離子泵的建筑物。”McCarthy 解釋說道。

由于干涉儀臂長達 4 千米，因此需要使用具有高抗噪性的光纖網絡來與遠程電子設備來建立物理連接。這可通過帶玻璃光纖電纜接口的EtherCAT 耦合器 EK1501 實現，可以根據站點間的距離選擇多模（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 環形拓撲結構和不同的主站之間建立實時數據交換，這對讓干涉儀延伸數公里來說至關重要。

I/O 系統經常被要求遠程修改增益設置和繼電器，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 天文臺現場實現各種人員和設備保護措施，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區中，以確保人員安全。如果有任何人或物體以某種方式進入保護區，TwinSAFE 和急停功能確保所有干涉儀臂同時關閉。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天里搖晃的程度。安裝在干涉儀中的其它設備可以對傾斜角度超出可接受范圍的光學設備進行補償。傾角儀本身由一臺 19 英寸機架安裝式工業 PC C5210 控制。它還負責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，同時用一臺相機記錄任何變化。相機與 EtherCAT I/O 系統同步。與步進電機連接的 EtherCAT 端子盒可以在校準測量工作臺時進行高精度調整。

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

研究設備設計持續推波逐浪

通過集中采用標準化和靈活的系統，按時在預算內完成了這一宏大的LIGO 天文臺項目。當然，這并不是說在這個過程中沒有進行過任何修正。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行了微調，并建造了實驗室基礎設施，也需要相應調整基于 PC 的控制和 EtherCAT 設備。“通過高性能的 PC 控制系統，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 臺設備和10000 個輸入輸出點。”Sigg 總結說道。

LIGO 天文臺未來計劃將現有地點的多個傳統系統更新為先進的基于PC 和 EtherCAT 的控制系統。翻新改造的具體目標包括氣象站、灰塵監測、液壓泵控制等。

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