Gigantische telescoopconstructie bekeken door een industriële lens

Beckhoff Automation
Savage, MN
www.beckhoffautomation.com/usa

Eenmaal geïnstalleerd in het Las Campanas Observatorium in de Chileense Andes, zal de Giant Magellan Telescope (GMT) ongelooflijke kansen bieden voor de onderzoeksgemeenschappen op het gebied van astrofysica en kosmologie. Het telescoopontwerp heeft een hoekresolutie die 10 keer groter is dan die van de Hubble-ruimtetelescoop door zeven spiegels te combineren tot een enkelvoudig optisch systeem met een totale diameter van 25 meter. Wanneer de GMT in 2029 online gaat, zal het de volgende evolutie vertegenwoordigen van de gigantische telescopen op de grond die in de jaren negentig mogelijk werden met de komst van nieuwe industriële besturingstechnologieën. Telescooptechnologie is sindsdien aanzienlijk veranderd door geavanceerde computerarchitecturen, moderne programmeertalen, realtime industriële protocollen, webgebaseerde standaarden en gespecialiseerde controllers.

Deze vooruitgang zal de GMT in staat stellen om beelden van astronomische objecten scherper vast te leggen dan momenteel mogelijk is door vervormingen veroorzaakt door de aardse atmosfeer te verminderen. Het zal wetenschappers ook in staat stellen terug te kijken in de eerste miljard jaar na de oerknal, volgens voormalig GMTO Corporation Vice President Dr. Patrick McCarthy.

Met deze extreme mogelijkheden en vereisten lijkt de GMT weinig gemeen te hebben met algemene productiemachines en fabrieksautomatisering. Wetenschappers en ingenieurs die aan soortgelijke telescoopprojecten werken, hebben van oudsher hun eigen automatiseringsoplossingen gebouwd met behulp van aangepaste besturingscomponenten; het team dat de GMT bouwt, ziet dit echter anders, legt GMTO Senior Electronics Engineer José Soto uit. “We willen de historische methode om telescopen te behandelen veranderen als speciaal en totaal anders dan andere geautomatiseerde systemen. Toekomstgerichte industriële besturingsoplossingen hebben de kracht om veel problemen op te lossen waarmee we tegenwoordig in de astrofysica worden geconfronteerd.”

Vanaf het hoofdkantoor van GMTO in Pasadena, CA, duurt het ongeveer 24 uur reizen om de top bij het Las Campanas Observatorium te bereiken. De locatie is optimaal voor astronomie vanwege de hoogte en gedocumenteerde geschiedenis van gunstig weer, minimale lichtvervuiling en soepele luchtstroom, die beeldvervorming als gevolg van inhomogeniteiten van hitte en turbulentie vermindert. Als gevolg hiervan kocht het Carnegie Institution for Science in Washington, DC halverwege de jaren zestig ongeveer 60 vierkante mijl van dit bergachtige gebied en sindsdien zijn er meerdere telescopen gebouwd. Uiteindelijk werd Carnegie een van de 12 oprichtende partnerinstellingen van GMTO.

Hoewel de reis naar de top lang is, heeft de GMT-reis van concept tot voltooiing ook doorzettingsvermogen gevraagd. Sinds het GMTO-project in het begin van de jaren 2000 begon, hebben ingenieurs, wetenschappers en beheerders gewerkt aan het ontwerpen van de fysieke structuren en systemen van de telescoop, volgens GMTO-projectmanager Dr. James Fanson. Bemanningen werken sinds 2005 aan het vormen van spiegels aan het Richard F. Caris Mirror Laboratory van de Universiteit van Arizona en GMTO brak de grond op de Las Campanas-piek in 2015, zei Fanson, die eerder telescoop- en astrofysica-projecten leidde in het Jet Propulsion Laboratory van NASA. "Sinds 2015 hebben we kantoren, bouwinfrastructuur en woon-, eet- en recreatiefaciliteiten gebouwd om plaats te bieden aan maximaal 200 bouwvakkers en GMTO-personeel", aldus Fanson.

Het specificeren van automatiserings- en besturingscomponenten voor de GMT vereiste ook zorgvuldige overweging vanwege de realtime communicatie- en besturingsvereisten, vooral gezien het systeem meer dan 3.000 bewegingsassen zal hebben. Naast het draaien van de 22 verdiepingen hoge behuizing 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 de integratie van 170 pneumatische actuators per primaire spiegel vereist om de massa van elke spiegel te ondersteunen. Het engineeringteam identificeerde de behoefte aan automatiserings- en besturingscomponenten die nu krachtig zijn, maar ook toekomstige technologische vooruitgang zouden ondersteunen, legt Soto uit. “Omdat deze projecten veel tijd in beslag nemen, moeten we in alle opzichten rekening houden met veroudering. De meest effectieve methode om veroudering tegen te gaan, is standaardisatie op beproefde industriële technologieën.” Deze factoren brachten GMTO ertoe om veel specificaties voor het besturingssysteem te standaardiseren met behulp van industriële standaarden, zoals die gevonden worden in oplossingen die worden aangeboden door Beckhoff Automation.

Op zoek naar pc-gebaseerde automatiseringsoplossingen

De ingenieurs van GMTO begonnen industriële automatiserings- en besturingsoplossingen te onderzoeken die door Beckhoff werden aangeboden om tegemoet te komen aan de wens van het team om veldbustechnologieën in grotere mate te implementeren dan andere telescopen eerder hebben bereikt. De technici onderzochten meerdere industriële Ethernet-netwerken, maar ontdekten dat EtherCAT een flexibele topologie en schaalbaarheid bood - samen met de mogelijkheid om tot 65.535 EtherCAT-apparaten in één netwerk op te nemen - die overeenkwamen met de systeemspecificatie van de GMT. "EtherCAT zal worden ingebed in bijna elk GMT-telescoopsysteem - van de primaire spiegels tot de atmosferische dispersiecompensator, de behuizing, de montage en zelfs de gebouwautomatisering in de faciliteiten", zei Soto. Volgens GMTO-ingenieur Hector Swett bood Safety over EtherCAT (FSoE) ook indrukwekkende functionaliteit voor de interlock- en veiligheidssystemen van de telescoop. FSoE biedt GMT veilige, TÜV-gecertificeerde communicatie via standaard EtherCAT-netwerken, talrijke opties voor gedistribueerde Twin-SAFE I/O-modules en integratie met de Beckhoff-engineeringomgeving en industriële pc's (IPC's).

Bepaalde huidige GMT-specificaties bevelen meerdere pc-gebaseerde controllers aan die door Beckhoff-oplossingen kunnen worden vervuld. Het interlock- en veiligheidssysteem is gebaseerd op veel veiligheidscontrollers, op DIN-rail gemonteerde CX9020 Embedded PC's, die samenwerken met EL6910 TwinSAFE Logic I/O-modules. Deze communiceren met elkaar via FSoE via EtherCAT Automation Profile (EAP) om veiligheidsfuncties te implementeren zoals vereist door de gevarenanalyse, zei Swett. Beckhoff CX2020 Embedded pc's met single-core 1,4 GHz Intel ^® Celeron ^® processors worden gebruikt in de GMT Hardware Development Kit, die is gebouwd voor de partners van het project om instrumenten voor de telescoop te ontwikkelen. Naast de prestaties blijft het robuuste ontwerp van deze controllers essentieel. "Observatoria op afgelegen bergtoppen ervaren zware omstandigheden die deze IPC's gemakkelijk kunnen weerstaan", legt Soto uit. "Bovendien boden de embedded pc's grote schaalbaarheid en kleine vormfactoren, wat waardevolle ruimte in schakelkasten bespaart."

De TwinCAT 3-automatiseringssoftware van Beckhoff heeft een belangrijk platform geboden voor het testen van apparaten en is gespecificeerd voor de besturing van de structuren rond de telescoop. "De pc-gebaseerde controller voor de behuizing van de telescoop zal TwinCAT rechtstreeks draaien", zei Swett. "Het biedt ook de realtime mogelijkheid om deze enorme applicatie te koppelen met het observatoriumbesturingssysteem via OPC UA." TwinCAT is een voorbeeld van systeemopenheid en ondersteunt het programmeren van besturingslogica in vele talen — zoals die in IEC 61131-3 — inclusief objectgeoriënteerde uitbreidingen en de computerwetenschappelijke talen die worden aangeboden in Microsoft Visual Studio ^® . De software kan automatisch apparaten van derden scannen en configureren via ADS en EtherCAT, wat een optimaal platform biedt voor taken van detectie tot bewegingsbesturing.

Omdat de telescoop duizenden bewegingsassen zal hebben, zullen betrouwbare motoren en aandrijvingen cruciaal zijn in de uiteindelijke configuratie. Soto vindt de mogelijkheden van Beckhoff AM8000-servomotoren indrukwekkend en ziet ze als een serieuze kanshebber voor meerdere gebieden in de telescoop. "Wanneer onze integratorteams de telescoop in gebruik nemen, zullen ze zeer 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 verplaatsen", zei Soto.

Technologieën en creativiteit herdefiniëren ons universum

Na tientallen jaren in de maak, komt het einddoel in beeld voor GMTO en de betrouwbare automatiserings- en bedieningscomponenten die voor de telescoop zijn gespecificeerd, voegen duidelijkheid toe. EtherCAT leidde eerst de GMTO-ingenieurs naar Beckhoff en het blijft fundamenteel voor het ontwerp van de besturingsarchitectuur van de telescoop, legde Soto uit. “Het gebruik van EtherCAT als de GMT-veldbus maakt realtime communicatie tot op I/O-niveau mogelijk. We hebben cyclustijden van 2 kHz bereikt, waardoor er voldoende bandbreedte is om de lus op een reeks subsystemen te sluiten, waardoor onze controle- en netwerkmogelijkheden aanzienlijk zijn uitgebreid.” Compacte EtherCAT I/O-modules en Embedded PC's besparen ruimte in schakelkasten en omdat de PC-gebaseerde controllers op een afstand van de I/O's kunnen worden geplaatst, vermindert dit de warmteafvoer. "Het verminderen van de warmte is een zeer groot probleem voor de GMT", voegde Swett eraan toe. “Hitte maakt de lucht turbulenter in de behuizing en turbulentie vervormt beelden terwijl het licht door de lucht reist. Deze gedistribueerde I/O-architectuur helpt ons dat te voorkomen.”

Assistentie en advies van Beckhoff - gecombineerd met strenge tests en toewijding om de juiste oplossingen te vinden - hebben de implementatie van industriële automatiserings- en besturingscomponenten tot een realiteit gemaakt. Afgezien van zijn omvang en complexiteit, zei Soto, heeft de GMT één groot verschil met andere machines die vergelijkbare standaardcomponenten gebruiken:“Dit is een eenmalig project. Het is niet een van de vele machines die van een productielijn komen. De belangrijkste uitdagingen zijn dus om het ontwerp te perfectioneren en de eerste keer de juiste producten voor de telescoop te selecteren.”

Klik hier voor gratis informatie