Konstruktion eines Riesenteleskops, betrachtet durch ein industrielles Objektiv

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

Nach der Installation am Las Campanas Observatorium in den chilenischen Anden wird das Giant Magellan Telescope (GMT) unglaubliche Möglichkeiten für die Forschungsgemeinschaften der Astrophysik und Kosmologie eröffnen. Das Teleskopdesign verfügt über eine zehnmal höhere Winkelauflösung als das Hubble-Weltraumteleskop, indem sieben Spiegel zu einem einzigen optischen System mit einem Gesamtdurchmesser von 25 Metern kombiniert werden. Wenn das GMT 2029 online geht, wird es die nächste Evolution der riesigen bodengestützten Teleskope darstellen, die in den 1990er Jahren mit dem Aufkommen neuer industrieller Steuerungstechnologien möglich wurden. Die Teleskoptechnologie hat sich seit diesen Tagen durch fortschrittliche Computerarchitekturen, moderne Programmiersprachen, industrielle Echtzeitprotokolle, webbasierte Standards und spezialisierte Steuerungen erheblich verändert.

Diese Fortschritte werden es dem GMT ermöglichen, Bilder von astronomischen Objekten schärfer als derzeit möglich aufzunehmen, indem Verzerrungen reduziert werden, die durch die Erdatmosphäre verursacht werden. Laut dem ehemaligen Vizepräsidenten der GMTO Corporation, Dr. Patrick McCarthy, wird es Wissenschaftlern auch ermöglichen, einen Blick zurück in die erste Milliarde Jahre nach dem Urknall zu werfen.

Mit diesen extremen Fähigkeiten und Anforderungen scheint der GMT wenig mit allgemeinen Produktionsmaschinen und der Fabrikautomation zu tun zu haben. Tatsächlich haben Wissenschaftler und Ingenieure, die an ähnlichen Teleskopprojekten arbeiten, traditionell ihre eigenen Automatisierungslösungen mit kundenspezifischen Steuerungskomponenten gebaut; Das Team, das die GMT aufbaut, sieht dies jedoch anders, erklärte GMTO Senior Electronics Engineer José Soto. „Wir wollen die historische Methode ändern, Teleskope als etwas Besonderes und völlig anders als andere automatisierte Systeme zu behandeln. Zukunftsweisende industrielle Steuerungslösungen können viele Probleme lösen, mit denen wir heute in der Astrophysik konfrontiert sind.“

Von der GMTO-Zentrale in Pasadena, Kalifornien, dauert es etwa 24 Stunden Fahrt, um den Gipfel des Las Campanas Observatory zu erreichen. Der Standort ist optimal für die Astronomie aufgrund seiner Höhenlage und der dokumentierten Historie von günstigem Wetter, minimaler Lichtverschmutzung und gleichmäßigem Luftstrom, der Bildverzerrungen aufgrund von Inhomogenitäten von Hitze und Turbulenzen reduziert. Infolgedessen kaufte die Carnegie Institution for Science in Washington, DC Mitte der 1960er Jahre etwa 60 Quadratmeilen dieser Bergregion, und seitdem wurden dort mehrere Teleskope gebaut. Schließlich wurde Carnegie eine der 12 Gründungspartnerinstitutionen von GMTO.

Während der Weg zum Gipfel lang ist, erforderte die GMT-Reise vom Konzept bis zur Fertigstellung auch Ausdauer. Seit Beginn des GMTO-Projekts in den frühen 2000er Jahren haben Ingenieure, Wissenschaftler und Administratoren daran gearbeitet, die physischen Strukturen und Systeme des Teleskops zu entwerfen, so GMTO-Projektmanager Dr. James Fanson. Crews arbeiten seit 2005 am Richard F. Caris Mirror Laboratory der University of Arizona, um Spiegel zu formen, und GMTO legte 2015 den Grundstein für den Las Campanas Peak, sagte Fanson, der zuvor Teleskop- und Astrophysik-Projekte am Jet Propulsion Laboratory der NASA leitete. „Seit 2015 haben wir Büros, Bauinfrastruktur sowie Wohn-, Speise- und Erholungseinrichtungen gebaut, um bis zu 200 Bauarbeiter und GMTO-Mitarbeiter unterzubringen“, sagte Fanson.

Auch die Spezifikation von Automatisierungs- und Steuerungskomponenten für das GMT erforderte aufgrund der Echtzeit-Kommunikations- und Steuerungsanforderungen eine sorgfältige Überlegung, insbesondere wenn man bedenkt, dass das System über mehr als 3.000 Bewegungsachsen verfügen wird. Neben der Drehung des 22 Stockwerke hohen Gehäuses des Teleskops müssen die flexiblen Spiegel mit äußerster Präzision bewegt werden, um die adaptive Optik zu implementieren und die höchstmögliche Bildauflösung zu erreichen. Ein Beispiel ist das aktive Optiksystem, das die Integration von 170 pneumatischen Stellgliedern pro Primärspiegel 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 Fortschritte in der Technologie unterstützen würden, erklärte Soto. „Da diese Projekte lange dauern, müssen wir die Obsoleszenz in jeder Hinsicht berücksichtigen. Die effektivste Methode zur Bekämpfung von Obsoleszenz ist die Standardisierung auf bewährte Industrietechnologien.“ Diese Faktoren veranlassten GMTO, viele Spezifikationen für das Steuerungssystem unter Verwendung von Industriestandards zu standardisieren, wie sie in den Lösungen von Beckhoff Automation zu finden sind.

Auf der Suche nach PC-basierten Automatisierungslösungen

Die Ingenieure von GMTO begannen mit der Erforschung industrieller Automatisierungs- und Steuerungslösungen, die von Beckhoff angeboten werden, um dem Wunsch des Teams gerecht zu werden, Feldbustechnologien in einem größeren Umfang zu implementieren, als es andere Teleskope zuvor erreicht haben. Die Ingenieure untersuchten mehrere industrielle Ethernet-Netzwerke, stellten jedoch fest, dass EtherCAT eine flexible Topologie und Skalierbarkeit bietet – zusammen mit der Möglichkeit, bis zu 65.535 EtherCAT-Geräte in ein Netzwerk einzubinden – die der Systemspezifikation des GMT entsprachen. „EtherCAT wird in fast jedes GMT-Teleskopsystem eingebettet – von den Primärspiegeln bis zum Kompensator für die atmosphärische Dispersion, dem Gehäuse, der Halterung und sogar der Gebäudeautomation in den Einrichtungen“, sagte Soto. Laut GMTO-Ingenieur Hector Swett bot Safety over EtherCAT (FSoE) auch eine beeindruckende Funktionalität für die Verriegelungs- und Sicherheitssysteme des Teleskops. FSoE bietet GMT sicherheitsbewertete, TÜV-zertifizierte Kommunikation über Standard-EtherCAT-Netzwerke, zahlreiche Optionen für dezentrale Twin-SAFE-I/O-Module und die Integration mit der Beckhoff-Engineering-Umgebung und Industrie-PCs (IPCs).

Bestimmte aktuelle GMT-Spezifikationen empfehlen mehrere PC-basierte Steuerungen, die von Beckhoff-Lösungen erfüllt werden könnten. Das Verriegelungs- und Sicherheitssystem stützt sich auf viele Sicherheitssteuerungen, CX9020-Embedded-PCs für DIN-Schienenmontage, die in Verbindung mit TwinSAFE-Logic-I/O-Modulen EL6910 arbeiten. Diese sind über FSoE über das EtherCAT-Automatisierungsprofil (EAP) miteinander verbunden, um Sicherheitsfunktionen gemäß den Anforderungen der Gefahrenanalyse zu implementieren, sagte 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 zur Entwicklung von Instrumenten für das Teleskop gebaut wurde. Neben der Leistung bleibt das robuste Design dieser Controller entscheidend. „Observatorien auf abgelegenen Berggipfeln sind rauen Bedingungen ausgesetzt, denen diese IPCs problemlos standhalten können“, erklärte Soto. „Außerdem boten die Embedded-PCs eine hervorragende Skalierbarkeit und kleine Formfaktoren, was wertvollen Platz in Schaltschränken spart.“

Die Automatisierungssoftware TwinCAT 3 von Beckhoff bietet eine wichtige Plattform zum Testen von Geräten und ist für die Steuerung der Strukturen rund um das Teleskop spezifiziert. „Die PC-basierte Steuerung für das Gehäuse des Teleskops wird TwinCAT direkt ausführen“, sagte Swett. „Es bietet auch die Echtzeitfähigkeit, um diese riesige Anwendung über OPC UA mit dem Steuersystem des Observatoriums zu verbinden.“ Als Beispiel für Systemoffenheit unterstützt TwinCAT die Programmierung von Steuerungslogik in vielen Sprachen – wie z. B. in IEC 61131-3 – einschließlich objektorientierter Erweiterungen und der in Microsoft Visual Studio ^® angebotenen Informatiksprachen . Die Software kann Geräte von Drittanbietern über ADS und EtherCAT automatisch scannen und konfigurieren und bietet so eine optimale Plattform für Aufgaben von der Sensorik bis zur Bewegungssteuerung.

Da das Teleskop über Tausende von Bewegungsachsen verfügen wird, sind zuverlässige Motoren und Antriebe für die endgültige Konfiguration von entscheidender Bedeutung. Soto findet die Fähigkeiten der Beckhoff AM8000-Servomotoren beeindruckend und sieht sie als ernsthaften Konkurrenten für mehrere Bereiche im gesamten Teleskop. „Wenn unsere Integratorenteams mit der Inbetriebnahme des Teleskops beginnen, werden sie sehr wahrscheinlich AM8000-Servomotoren verwenden, beispielsweise im atmosphärischen Dispersionskompensator oder im GIR (Gregorian Instrument Rotator), der alle am Cassegrain-Fokus angebrachten Instrumente bewegen wird“, sagte Soto.

Technologien und Kreativität definieren unser Universum neu

Nach jahrzehntelanger Entwicklung rückt das Endziel für GMTO in den Fokus, und die für das Teleskop spezifizierten zuverlässigen Automatisierungs- und Steuerungskomponenten sorgen für zusätzliche Klarheit. EtherCAT führte die GMTO-Ingenieure zunächst zu Beckhoff und bildet nach wie vor die Grundlage für das Design der Steuerungsarchitektur des Teleskops, erklärte Soto. „Der Einsatz von EtherCAT als GMT-Feldbus ermöglicht eine Echtzeitkommunikation bis auf die I/O-Ebene. Wir haben Zykluszeiten von 2 kHz erreicht, was genügend Bandbreite bietet, um den Regelkreis auf einer Reihe von Subsystemen zu schließen, wodurch unsere Steuerungs- und Netzwerkfähigkeiten erheblich erweitert werden.“ Kompakte EtherCAT-I/O-Module und Embedded-PCs sparen Platz im Schaltschrank, und da die PC-basierten Steuerungen entfernt von den I/Os platziert werden können, reduziert dies die Wärmeableitung. „Die Reduzierung der Hitze ist eine sehr große Sache für die GMT“, fügte Swett hinzu. „Hitze macht die Luft im Inneren des Gehäuses turbulenter, und Turbulenzen verzerren Bilder, wenn das Licht durch die Luft wandert. Diese verteilte E/A-Architektur hilft uns, das zu verhindern.“

Die Unterstützung und Beratung von Beckhoff – kombiniert mit strengen Tests und dem Engagement, die richtigen Lösungen zu finden – hat die Implementierung industrieller Automatisierungs- und Steuerungskomponenten Wirklichkeit werden lassen. Abgesehen von seiner Größe und Komplexität, sagte Soto, unterscheidet sich die GMT in einem wesentlichen Punkt von anderen Maschinen, die ähnliche Standardkomponenten verwenden:„Dies ist ein einmaliges Projekt. Es ist keine von vielen Maschinen, die eine Produktionslinie herunterlaufen. Die größten Herausforderungen bestehen also darin, das Design zu perfektionieren und beim ersten Mal die richtigen Produkte für das Teleskop auszuwählen.“

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