[论文解读] SOXS Control Electronics Design

Giulio Capasso, Mirko Colapietro+47 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文介绍了基于欧洲南方天文台（ESO）指南和商用现成（COTS）工业组件（如Beckhoff可编程逻辑控制器（PLC）和EtherCAT现场总线模块）的SOXS仪器控制电子系统的设计。该系统确保了对所有机械运动、环境传感器和联锁装置的可靠、模块化控制，通过将电子设备置于机箱外部以减轻热负荷并提高可维护性，支持SOXS自2020年起在ESO NTT望远镜上的运行。

ABSTRACT

SOXS (Son Of X-Shooter) is a unique spectroscopic facility that will operate at the ESO New Technology Telescope (NTT) in La Silla from 2020 onward. The spectrograph will be able to cover simultaneously the UV-VIS and NIR bands exploiting two different arms and a Common Path feeding system. We present the design of the SOXS instrument control electronics. The electronics controls all the movements, alarms, cabinet temperatures, and electric interlocks of the instrument. We describe the main design concept. We decided to follow the ESO electronic design guidelines to minimize project time and risks and to simplify system maintenance. The design envisages Commercial Off-The-Shelf (COTS) industrial components (e.g. Beckhoff PLC and EtherCAT fieldbus modules) to obtain a modular design and to increase the overall reliability and maintainability. Preassembled industrial motorized stages are adopted allowing for high precision assembly standards and a high reliability. The electronics is kept off-board whenever possible to reduce thermal issues and instrument weight and to increase the accessibility for maintenance purpose. The instrument project went through the Preliminary Design Review in 2017 and is currently in Final Design Phase (with FDR in July 2018). This paper outlines the status of the work and is part of a series of contributions describing the SOXS design and properties after the instrument Preliminary Design Review.

研究动机与目标

• 为SOXS光谱仪开发一个可靠、可维护且模块化的控制系统。
• 通过遵循ESO电子设计指南，降低项目风险并缩短开发时间。
• 确保所有仪器组件（包括电机、温度传感器和联锁装置）的精确且安全运行。
• 通过将关键电子设备置于机箱外部，减少热负荷并减轻仪器重量。
• 支持仪器顺利通过从初步设计评审到最终设计评审的过渡。

提出的方法

• 采用商用现成（COTS）工业组件，包括Beckhoff PLC和EtherCAT现场总线模块，实现模块化和可靠的控制。
• 使用预组装的工业级电动滑台，确保高精度定位和机械可靠性。
• 实施集中式控制系统，统一管理运动控制、报警信号、机柜温度和电气联锁。
• 将控制电子设备置于机箱外部，以最大限度减少热负荷并提高维护可达性。
• 符合ESO电子设计标准，以简化系统集成并降低项目风险。
• 设计基于2017年的仪器初步设计评审（PDR）以及2018年7月正在进行的最终设计评审（FDR）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为SOXS这类复杂的光谱仪器设计一个可靠且可维护的控制系统？
• RQ2 COTS组件在缩短开发周期和降低系统风险方面发挥什么作用？
• RQ3 如何通过将电子设备置于机箱外部来改善热管理和仪器可维护性？
• RQ4 哪些设计原则可确保与ESO标准的兼容性以及长期运行的稳定性？
• RQ5 控制电子系统的架构如何通过共用光路支持UV-VIS与NIR光谱的同步测量？

主要发现

• 控制电子系统设计成功集成了Beckhoff PLC和EtherCAT模块等COTS组件，实现了模块化且可扩展的架构。
• 该系统能够以高可靠性有效管理所有仪器运动、环境传感器、报警信号和电气联锁。
• 将电子设备置于机箱外部显著降低了仪器的热负荷，并提高了维护可达性。
• 符合ESO设计指南显著降低了项目风险，并加快了系统集成与评审流程。
• 该设计已通过2017年的初步设计评审（PDR）验证，并正按计划推进至2018年7月的最终设计评审（FDR）。
• 控制系统支持SOXS通过共用光路实现UV-VIS与NIR光谱的同步测量目标。