Bau des Giant Magellan Telescope: Eine industrieelektronische Perspektive

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

Einmal am Las Campanas Observatory in den chilenischen Anden installiert, wird das Giant Magellan Telescope (GMT) der astrophysikalischen und kosmologischen Forschung unglaubliche Möglichkeiten eröffnen. Das Teleskopdesign bietet eine zehnfach höhere Winkelauflösung als das Hubble-Weltraumteleskop, indem es sieben Spiegel zu einem einzigen optischen System mit einem Gesamtdurchmesser von 25 Metern kombiniert. Wenn der GMT 2029 in Betrieb geht, wird er die nächste Evolutionsstufe der riesigen bodengebundenen Teleskope darstellen, die in den 1990er Jahren durch neue industrielle Steuerungstechnologien möglich wurden. Die Teleskoptechnologie hat sich seitdem durch fortschrittliche Computerarchitekturen, moderne Programmiersprachen, Echtzeit-Industrieprotokolle, webbasierte Standards und spezialisierte Controller erheblich weiterentwickelt.

Diese Fortschritte werden es dem GMT ermöglichen, Bilder astronomischer Objekte schärfer als je zuvor aufzunehmen, indem Verzerrungen reduziert werden, die die terrestrische Atmosphäre einführt. Zudem werden Wissenschaftler bis in das erste Milliardenjahr nach dem Urknall zurückblicken können, so der ehemalige GMTO-Vizepräsident Dr. Patrick McCarthy.

Angesichts dieser extremen Fähigkeiten und Anforderungen mag der GMT wenig mit allgemeinen Produktionsmaschinen und Fabrikautomation gemein haben. Tatsächlich haben Wissenschaftler und Ingenieure bei ähnlichen Teleskopprojekten traditionell ihre eigenen Automatisierungslösungen mit kundenspezifischen Steuerungskomponenten gebaut; das GMT-Team sieht dies jedoch anders, erklärt GMTO-Senior-Elektronikingenieur José Soto: „Wir wollen die historische Methode ändern, Teleskope als etwas Besonderes und völlig anders als andere automatisierte Systeme zu behandeln. Zukunftsweisende industrielle Steuerungslösungen haben die Kraft, viele Probleme zu lösen, mit denen wir heute in der Astrophysik konfrontiert sind.“

Vom GMTO-Hauptsitz in Pasadena, CA, dauert die Reise zum Gipfel des Las Campanas Observatory etwa 24 Stunden. Der Standort ist aufgrund seiner Höhe und der dokumentierten Geschichte günstiger Wetterbedingungen, minimaler Lichtverschmutzung und laminarer Luftströmung optimal für die Astronomie, was Bildverzerrungen durch Inhomogenitäten von Wärme und Turbulenzen reduziert. Daher kaufte die Carnegie Institution for Science in Washington, DC Mitte der 1960er Jahre etwa 60 Quadratmeilen dieses Berggebiets und seitdem wurden dort mehrere Teleskope gebaut. Schließlich wurde Carnegie eine der 12 Gründerpartnerinstitutionen der GMTO.

Während die Reise zum Gipfel lang ist, erforderte auch der Weg des GMT vom Konzept zur Fertigstellung Ausdauer. Seit dem Projektstart Anfang der 2000er Jahre arbeiten Ingenieure, Wissenschaftler und Administratoren an der Konstruktion der physischen Strukturen und Systeme des Teleskops, so GMTO-Projektmanager Dr. James Fanson. Seit 2005 formen Teams Spiegel im Richard F. Caris Mirror Laboratory der University of Arizona, und 2015 begann GMTO mit den Bauarbeiten auf dem Las Campanas-Gipfel, sagte Fanson, der zuvor Teleskop- und Astrophysikprojekte am Jet Propulsion Laboratory der NASA leitete. „Seit 2015 haben wir Büros, Bauinfrastruktur sowie Unterkünfte, Speise- und Freizeiteinrichtungen für bis zu 200 Bauarbeiter und GMTO-Mitarbeiter errichtet“, so Fanson.

Die Spezifikation von Automatisierungs- und Steuerungskomponenten für den GMT erforderte ebenfalls sorgfältige Überlegungen aufgrund der Echtzeitkommunikations- und Steuerungsanforderungen, besonders da das System mehr als 3.000 Bewegungsachsen besitzen wird. Neben der Rotation der 22-stöckigen Teleskopkuppel müssen die flexiblen Spiegel mit höchster Präzision bewegt werden, um adaptive Optik zu implementieren und die höchstmögliche Bildauflösung zu erreichen. Ein Beispiel ist das Active-Optics-System, das die Integration von 170 pneumatischen Aktuatoren pro Hauptspiegel erfordert, um die Masse jedes Spiegels zu tragen. Das Engineering-Team erkannte den Bedarf an Automatisierungs- und Steuerungskomponenten, die jetzt leistungsstark sind, aber auch zukünftige technologische Fortschritte unterstützen, erklärte Soto: „Da diese Projekte lange dauern, müssen wir in jeder Hinsicht Obsoleszenz berücksichtigen. Der effektivste Weg, Obsoleszenz zu bekämpfen, ist die Standardisierung auf bewährten Industrietechnologien.“ Diese Faktoren führten dazu, dass GMTO viele Spezifikationen für das Steuerungssystem mithilfe industrieller Standards standardisierte, wie sie in Lösungen von Beckhoff Automation zu finden sind.

Blick auf PC-basierte Automatisierungslösungen

GMTO-Ingenieure begannen, industrielle Automatisierungs- und Steuerungslösungen von Beckhoff zu prüfen, um den Wunsch des Teams zu erfüllen, Feldbustechnologien in größerem Maße als bei früheren Teleskopen einzusetzen. Die Ingenieure untersuchten mehrere industrielle Ethernet-Netzwerke, fanden jedoch, dass EtherCAT eine flexible Topologie und Skalierbarkeit – sowie die Möglichkeit, bis zu 65.535 EtherCAT-Geräte in einem Netzwerk zu integrieren – bietet, die den Systemspezifikationen des GMT entsprechen. „EtherCAT wird in nahezu jedem GMT-Teleskopsystem eingebettet sein – von den Hauptspiegeln über den atmosphärischen Dispersionskompensator, die Kuppel, die Montierung bis hin zur Gebäudeautomation in den Einrichtungen“, sagte Soto. Laut GMTO-Ingenieur Hector Swett bot auch Safety over EtherCAT (FSoE) beeindruckende Funktionalität für die Verriegelungs- und Sicherheitssysteme des Teleskops. FSoE bietet dem GMT sicherheitszertifizierte, TÜV-zertifizierte Kommunikation über Standard-EtherCAT-Netzwerke, zahlreiche Optionen für verteilte TwinSAFE-I/O-Module und Integration in die Beckhoff-Engineering-Umgebung und Industrie-PCs (IPCs).

Bestimmte aktuelle GMT-Spezifikationen empfehlen mehrere PC-basierte Controller, die durch Beckhoff-Lösungen erfüllt werden könnten. Das Verriegelungs- und Sicherheitssystem basiert auf vielen Sicherheitscontrollern, DIN-Schienen-montierten CX9020 Embedded PCs, die in Verbindung mit EL6910 TwinSAFE Logic I/O-Modulen arbeiten. Diese kommunizieren über FSoE via EtherCAT Automation Profile (EAP), um Sicherheitsfunktionen gemäß der Gefahrenanalyse zu implementieren, so Swett. Beckhoff CX2020 Embedded PCs mit Single-Core-1,4-GHz-Intel®-Celeron®-Prozessoren werden im GMT Hardware Development Kit verwendet, das für die Projektpartner zum Entwickeln von Instrumenten für das Teleskop gebaut wurde. Neben der Leistung bleibt das robuste Design dieser Controller entscheidend. „Observatorien auf abgelegenen Berggipfeln erleben raue Bedingungen, denen diese IPCs problemlos standhalten“, erklärte Soto. „Zudem bieten die Embedded PCs große Skalierbarkeit und kleine Formfaktoren, was wertvollen Platz in Schaltschränken spart.“

Die TwinCAT 3-Automatisierungssoftware von Beckhoff bot eine Schlüsselplattform zum Testen von Geräten und ist für die Steuerung der Strukturen rund um das Teleskop spezifiziert. „Der PC-basierte Controller für die Teleskopkuppel wird TwinCAT direkt ausführen“, sagte Swett. „Sie bietet auch die Echtzeitfähigkeit, diese massive Applikation über OPC UA mit dem Observatoriumssteuerungssystem zu verbinden.“ Als Beispiel für Systemoffenheit unterstützt TwinCAT die Programmierung von Steuerungslogik in vielen Sprachen – wie denen in IEC 61131-3 – einschließlich objektorientierter Erweiterungen und der Informatiksprachen in Microsoft Visual Studio®. Die Software kann Drittanbietergeräte über ADS und EtherCAT automatisch scannen und konfigurieren und bietet eine optimale Plattform für Aufgaben von der Sensorik bis zur Motion Control.

Da das Teleskop Tausende von Bewegungsachsen haben wird, sind zuverlässige Motoren und Antriebe in der endgültigen Konfiguration entscheidend. Soto findet die Fähigkeiten der Beckhoff AM8000-Servomotoren beeindruckend und sieht sie als ernsthafte Kandidaten für mehrere Bereiche im Teleskop. „Wenn unsere Integrator-Teams mit der Inbetriebnahme des Teleskops beginnen, werden sie sehr wahrscheinlich AM8000-Servomotoren einsetzen, beispielsweise im atmosphärischen Dispersionskompensator oder im GIR (Gregorian Instrument Rotator), der alle am Cassegrain-Fokus angebrachten Instrumente bewegt“, so Soto.

Technologien und Kreativität definieren unser Universum neu

Nach Jahrzehnten der Entwicklung rückt das Endziel für GMTO in den Fokus, und die spezifizierten zuverlässigen Automatisierungs- und Steuerungskomponenten schaffen Klarheit. EtherCAT führte die GMTO-Ingenieure zuerst zu Beckhoff und bleibt grundlegend für das Steuerungsarchitekturdesign des Teleskops, erklärte Soto. „Die Verwendung von EtherCAT als GMT-Feldbus ermöglicht Echtzeitkommunikation bis auf die I/O-Ebene. Wir haben Zykluszeiten von 2 kHz erreicht, was ausreichend Bandbreite bietet, um den Regelkreis bei einer Reihe von Teilsystemen zu schließen und unsere Steuerungs- und Vernetzungsfähigkeiten erheblich zu erweitern.“ Kompakte EtherCAT-I/O-Module und Embedded PCs sparen Platz in Schaltschränken, und da die PC-basierten Controller entfernt von den I/Os platziert werden können, wird die Wärmeabgabe reduziert. „Wärmereduzierung ist für den GMT ein sehr großes Thema“, fügte Swett hinzu. „Wärme macht die Luft in der Kuppel turbulenter, und Turbulenz verzerrt Bilder, während das Licht durch die Luft reist. Diese verteilte I/O-Architektur hilft uns, dies zu verhindern.“

Unterstützung und Beratung von Beckhoff – kombiniert mit rigorosen Tests und dem Engagement, die richtigen Lösungen zu finden – haben die Implementierung industrieller Automatisierungs- und Steuerungskomponenten zur Realität gemacht. Abgesehen von seiner Größe und Komplexität hat der GMT einen großen Unterschied zu anderen Maschinen, die ähnliche Standardkomponenten verwenden, so Soto: „Dies ist ein Einzelprojekt. Es ist nicht eine von vielen Maschinen, die vom Band laufen. Die Hauptaufgabe besteht daher darin, das Design zu perfektionieren und die richtigen Produkte für das Teleskop beim ersten Mal auszuwählen.“

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