De bouw van de Giant Magellan Telescope: Een industriële engineering-perspectief

De Giant Magellan Telescope: Een nieuwe era in de astronomie

Eenmaal geïnstalleerd op het Las Campanas Observatorium in de Chileense Andes, zal de Giant Magellan Telescope (GMT) ongekende mogelijkheden bieden voor de astrofysica- en cosmologie-onderzoeksgemeenschappen. Het telescoopontwerp beschikt over een hoekresolutie die 10 keer groter is dan die van de Hubble-ruimtetelescoop, door zeven spiegels te combineren tot een enkel optisch systeem met een totale diameter van 25 meter. Wanneer de GMT in 2029 operationeel wordt, vertegenwoordigt zij de volgende evolutionaire stap in de reeks grote grondgebaseerde telescopen die mogelijk werden in de jaren '90 dankzij de opkomst van nieuwe industriële regeltechnologieën. Sindsdien is de telescooptechnologie aanzienlijk veranderd door geavanceerde computerarchitecturen, moderne programmeertalen, realtime industriële protocollen, web-gebaseerde standaarden en gespecialiseerde controllers.

Adaptieve optica en atmosferische correctie

Deze vooruitgang stelt de GMT in staat om beelden van astronomische objecten vast te leggen die scherper zijn dan ooit mogelijk was, door de vervormingen te verminderen die worden geïntroduceerd door de aardse atmosfeer. Het zal wetenschappers ook toelaten om terug te kijken naar de eerste miljard jaar na de Big Bang, volgens voormalig GMTO-vicepresident Dr. Patrick McCarthy.

Industriële automatisering in de sterrenkunde

Met deze extreme capaciteiten en eisen lijkt de GMT weinig gemeen te hebben met algemene productiemachines en fabrieksautomatisering. Echter, het team dat de GMT bouwt, ziet dit anders, legt GMTO-senior elektronica-ingenieur José Soto uit. "We willen de historische methode veranderen om telescopen te behandelen als speciaal en totaal anders dan andere geautomatiseerde systemen. Toekomstgerichte industriële regeltechnologieën hebben de kracht om veel problemen op te lossen waar we vandaag in de astrofysica mee te maken hebben."

De locatie: Las Campanas Observatorium

Vanaf het GMHO-hoofdkantoor in Pasadena, CA, duurt de reis naar de top van Las Campanas Observatorium ongeveer 24 uur. De locatie is ideaal voor astronomie door de hoogte, het gunstige weer, minimale lichtvervuiling en gladde luchtstroom, wat beeldvervorming door warmte-inhomogeniteit en turbulente vermindert. De Carnegie Institution for Science kocht in de jaren '60 ongeveer 155 vierkante kilometer van dit bergachtige gebied en sindsdien zijn er meerdere telescopen gebouwd. Uiteindelijk werd Carnegie een van de 12 oprichter-instellingen van GMTO.

Uitdagingen in automatisering en besturing

De specificatie van automatiserings- en besturingscomponenten voor de GMT vereiste zorgvuldige overweging vanwege de realtime communicatie- en besturingseisen, met name rekening houdend met het feit dat het systeem meer dan 3.000 assen van beweging zal bezitten. Naast het draaien van de 22-verdiepingen hoge omhulsel van de telescoop, moeten de flexibele spiegels met uiterste precisie worden bewogen om adaptieve optica te implementeren en de hoogst mogelijke beeldresolutie te bereiken. Een voorbeeld is het actieve opticasysteem, dat integratie vereist van 170 pneumatische actuatoren per primaire spiegel om de massa van elke spiegel te ondersteunen.

Het engineeringteam identificeerde de noodzaak voor automatiserings- en besturingscomponenten die nu krachtig zijn, maar ook toekomstige technologische vooruitgang ondersteunen, aldus Soto. "Omdat deze projecten lang duren, moeten we in elk aspect rekening houden met veroudering. De meest effectieve methode om veroudering te bestrijden, is standaardiseren op bewezen industriële technologieën." Deze factoren hebben GMTO ertoe geleid om veel specificaties voor het besturingssysteem te standaardiseren met industriële standaarden zoals die in oplossingen van Beckhoff Automation.

PC-gebaseerde automatiseringsoplossingen

GMTO-ingenieurs begonnen met het verkennen van industriële automatiserings- en besturingsoplossingen van Beckhoff om de wens van het team te voldoen om veldbustechnologieën in grotere mate te implementeren dan andere telescopen eerder hebben bereikt. De ingenieurs onderzochten meerdere industriële Ethernet-netwerken, maar vonden dat EtherCAT een flexibele topologie en schaalbaarheid bood — samen met de mogelijkheid om tot 65.535 EtherCAT-apparaten in één netwerk te integreren — die overeenkwam met de systeemspecificaties van de GMT.

"EtherCAT zal in bijna elk GMT-telescoopsysteem worden ingebed — van de primaire spiegels tot de atmosferische dispersiecompensator, het omhulsel, de montuur, en zelfs de gebouwautomatisering in de faciliteiten," zei Soto. Volgens GMTO-ingenieur Hector Swett bood Safety over EtherCAT (FSoE) ook indrukwekkende functionaliteit voor de vergrendelings- en veiligheidssystemen van de telescoop. FSoE voorziet de GMT in veiligheidsgecertificeerde, TÜV-gecertificeerde communicatie via standaard EtherCAT-netwerken, tal van opties voor gedistribueerde TwinSAFE I/O-modules, en integratie met de Beckhoff-engineeringomgeving en industriële PCs (IPC's).

Embedded PCs en TwinCAT 3

Bepaalde huidige GMT-specificaties bevelen meerdere PC-gebaseerde controllers aan die vervuld kunnen worden door Beckhoff-oplossingen. Het vergrendelings- en veiligheidssysteem steunt op veel veiligheidscontrollers, DIN-rail-gemonteerde CX9020 Embedded PCs, die samenwerken met EL6910 TwinSAFE Logic I/O-modules. Deze interfaces met elkaar via FSoE door EtherCAT Automation Profile (EAP) om veiligheidsfuncties te implementeren zoals vereist door de risicoanalyse, aldus Swett. Beckhoff CX2020 Embedded PCs met single-core 1,4 GHz Intel® Celeron® processoren worden gebruikt in de GMT Hardware Development Kit, die is gebouwd voor de projectpartners om instrumenten voor de telescoop te ontwikkelen. Naast prestaties blijft het robuuste ontwerp van deze controllers essentieel.

"Observatoria op afgelegen bergtoppen ervaren harde omstandigheden die deze IPC's gemakkelijk kunnen weerstaan," legt Soto uit. "Daarnaast boden de embedded PCs uitstekende schaalbaarheid en kleine vormfactoren, wat waardevolle ruimte in besturingskasten bespaart."

TwinCAT 3-automatiseringssoftware van Beckhoff heeft een sleutelplatform geboden om apparaten te testen en is gespecificeerd voor de besturing van de structuren rond de telescoop. "De PC-gebaseerde controller voor het omhulsel van de telescoop zal TwinCAT direct draaien," zei Swett. "Het biedt ook de realtime-capaciteit om deze massive applicatie te interfacen met het observatoriumbesturingssysteem via OPC UA." Als voorbeeld van systeemopenheid ondersteunt TwinCAT programmeren van besturingslogica in veel talen — zoals die in IEC 61131-3 — inclusief objectgeoriënteerde uitbreidingen en de informaticatalen die worden aangeboden in Microsoft Visual Studio®. De software kan automatisch derde-partijapparaten scannen en configureren via ADS en EtherCAT, wat een optimaal platform biedt voor taken van sensing tot bewegingsbesturing.

Servomotoren voor duizenden assen

Omdat de telescoop duizenden assen van beweging zal hebben, zullen betrouwbare motoren en drives cruciaal zijn in de definitieve configuratie. Soto vindt de mogelijkheden van Beckhoff AM8000 servomotoren indrukwekkend en ziet ze als serieuze kandidaat voor meerdere gebieden door de hele telescoop. "Wanneer onze integratorteams beginnen met het in bedrijf stellen van de telescoop, zullen ze waarschijnlijk AM8000 servomotoren gebruiken, bijvoorbeeld in de atmosferische dispersiecompensator of de GIR (Gregorian Instrument Rotator) die alle instrumenten die aan de Cassegrain-focus zijn bevestigd, zal bewegen."

Technologieën en creativiteit herdefiniëren ons universum

Na decennia in de maak, komt het einddoel in focus voor GMTO en de betrouwbare automatiserings- en besturingscomponenten die voor de telescoop zijn gespecificeerd, voegen duidelijkheid toe. EtherCAT leidde de GMTO-ingenieurs eerst naar Beckhoff en blijft fundamenteel voor het ontwerp van de besturingsarchitectuur van de telescoop, aldus Soto. "Het gebruik van EtherCAT als GMT-veldbus maakt realtime communicatie mogelijk tot op I/O-niveau. We hebben cyclus tijden van 2 kHz bereikt, wat voldoende bandbreedte biedt om de lus te sluiten op een reeks subsystemen, wat onze besturings- en netwerkcapaciteiten aanzienlijk uitbreidt." Compacte EtherCAT I/O-modules en Embedded PCs besparen ruimte in besturingskasten en omdat de PC-gebaseerde controllers op afstand van de I/O's kunnen worden geplaatst, vermindert dit warmteafgifte.

"Warmte verminderen is een heel groot probleem voor de GMT," voegde Swett toe. "Warmte maakt de lucht turbulenter binnenin het omhulsel en turbulente vervormt beelden terwijl het licht door de lucht reist. Deze gedistribueerde I/O-architectuur helpt ons om dat te voorkomen."

Hulp en advies van Beckhoff — gecombineerd met rigorze tests en toewijding aan het vinden van de juiste oplossingen — heeft de implementatie van industriële automatiserings- en besturingscomponenten een realiteit gemaakt. Naast de grootte en complexiteit, zei Soto, heeft de GMT één groot verschil met andere machines die vergelijkbare off-the-shelf componenten gebruiken: "Dit is een eenmalig project. Het is niet een van de vele machines die van een productielijn afkomen. De belangrijkste uitdagingen zijn dus het perfect maken van het ontwerp en het selecteren van de juiste producten voor de telescoop de eerste keer."