Гигантская конструкция телескопа сквозь промышленную линзу

Beckhoff Automation
Сэвидж, Миннесота
www.beckhoffautomation.com/usa

Гигантский Магелланов телескоп (GMT), установленный в обсерватории Лас-Кампанас в чилийских Андах, откроет невероятные возможности для астрофизических и космологических исследований. Конструкция телескопа может похвастаться угловым разрешением в 10 раз большим, чем у космического телескопа Хаббл, за счет объединения семи зеркал в единую оптическую систему с общим диаметром 25 метров. Когда GMT заработает в 2029 году, это будет следующая эволюция гигантских наземных телескопов, которая стала возможной в 1990-х годах с появлением новых технологий промышленного управления. С тех пор технологии телескопов значительно изменились благодаря усовершенствованной компьютерной архитектуре, современным языкам программирования, промышленным протоколам реального времени, сетевым стандартам и специализированным контроллерам.

Эти достижения позволят GMT захватывать изображения астрономических объектов более четкими, чем это возможно в настоящее время, за счет уменьшения искажений, вносимых земной атмосферой. По словам бывшего вице-президента корпорации GMTO доктора Патрика Маккарти, это также позволит ученым заглянуть в прошлое за первый миллиард лет после Большого взрыва.

С такими экстремальными возможностями и требованиями может показаться, что GMT имеет мало общего с обычным производственным оборудованием и заводской автоматизацией. На самом деле ученые и инженеры, работающие над аналогичными проектами телескопов, традиционно создавали свои собственные решения для автоматизации с использованием пользовательских компонентов управления; однако команда, создающая GMT, видит это по-другому, объяснил старший инженер-электронщик GMTO Хосе Сото. «Мы хотим изменить исторический подход к телескопам как к особенным и совершенно непохожим на другие автоматизированные системы. Перспективные решения для промышленного управления способны решить многие проблемы, с которыми мы сталкиваемся сегодня в астрофизике».

От штаб-квартиры GMTO в Пасадене, Калифорния, путь до вершины в обсерватории Лас-Кампанас занимает около 24 часов. Это место оптимально для астрономии из-за его высоты и задокументированной истории благоприятной погоды, минимального светового загрязнения и плавного воздушного потока, что уменьшает искажение изображения из-за неоднородности тепла и турбулентности. В результате в середине 1960-х годов Институт науки Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, приобрел около 60 квадратных миль этой гористой местности, и с тех пор там было построено несколько телескопов. В конце концов, Карнеги стал одним из 12 учреждений-партнеров GMTO.

Хотя путь к вершине долгий, путешествие по Гринвичу от концепции до завершения также требует настойчивости. По словам руководителя проекта GMTO доктора Джеймса Фэнсона, с тех пор, как проект GMTO стартовал в начале 2000-х годов, инженеры, ученые и администраторы работали над проектированием физических структур и систем телескопа. Экипажи работали над формированием зеркал в Зеркальной лаборатории Ричарда Ф. Кэриса Университета Аризоны с 2005 года, а GMTO заложила основу для пика Лас-Кампанас в 2015 году, сказал Фэнсон, который ранее руководил проектами телескопа и астрофизики в Лаборатории реактивного движения НАСА. «С 2015 года мы построили офисы, строительную инфраструктуру, а также жилые дома, столовые и места отдыха, в которых могут разместиться до 200 строителей и сотрудников GMTO, – сказал Фансон.

Выбор компонентов автоматизации и управления для GMT также требовал тщательного рассмотрения из-за требований к связи и управлению в режиме реального времени, особенно с учетом того, что система будет иметь более 3000 осей движения. Помимо поворота корпуса телескопа высотой 22 этажа, гибкие зеркала необходимо перемещать с предельной точностью, чтобы реализовать адаптивную оптику и добиться максимально возможного разрешения изображения. Одним из примеров является система активной оптики, которая требует интеграции 170 пневматических приводов на каждое главное зеркало, чтобы поддерживать массу каждого зеркала. По словам Сото, группа инженеров определила потребность в компонентах автоматизации и управления, которые были бы мощными сейчас, но также могли бы поддерживать будущие достижения в области технологий. «Поскольку эти проекты занимают много времени, мы должны учитывать устаревание во всех аспектах. Самый эффективный метод борьбы с моральным старением — это стандартизация проверенных промышленных технологий». Эти факторы побудили GMTO стандартизировать многие спецификации системы управления, используя промышленные стандарты, такие как те, которые используются в решениях, предлагаемых Beckhoff Automation.

Рассматриваем решения для автоматизации на базе ПК

Инженеры GMTO начали изучать решения промышленной автоматизации и управления, предлагаемые Beckhoff, чтобы удовлетворить желание команды внедрить технологии fieldbus в большей степени, чем это было ранее достигнуто в других телескопах. Инженеры изучили несколько промышленных сетей Ethernet, но обнаружили, что EtherCAT обеспечивает гибкую топологию и масштабируемость, а также возможность объединения до 65 535 устройств EtherCAT в одну сеть, что соответствует системным спецификациям GMT. «EtherCAT будет встроен почти в каждую систему телескопа GMT — от главных зеркал до компенсатора атмосферной дисперсии, корпуса, крепления и даже автоматизации зданий на объектах», — сказал Сото. По словам инженера GMTO Гектора Светта, технология Safety over EtherCAT (FSoE) также предлагает впечатляющую функциональность систем блокировки и безопасности телескопа. FSoE предоставляет GMT безопасный, сертифицированный TÜV обмен данными по стандартным сетям EtherCAT, многочисленные варианты распределенных модулей ввода-вывода Twin-SAFE и интеграцию с инженерной средой Beckhoff и промышленными ПК (IPC).

В некоторых текущих спецификациях GMT рекомендуется использовать несколько контроллеров на базе ПК, которые могут быть реализованы с помощью решений Beckhoff. Система блокировки и безопасности основана на многих контроллерах безопасности, встроенных ПК CX9020, установленных на DIN-рейке, работающих в сочетании с логическими модулями ввода-вывода EL6910 TwinSAFE. По словам Светта, они взаимодействуют друг с другом через FSoE через профиль автоматизации EtherCAT (EAP) для реализации функций безопасности в соответствии с требованиями анализа опасностей. Встраиваемые ПК Beckhoff CX2020 с одноядерным процессором Intel ^® 1,4 ГГц Целерон ^® процессоры используются в комплекте для разработки оборудования GMT, который был создан для партнеров проекта для разработки инструментов для телескопа. Помимо производительности, прочная конструкция этих контроллеров остается ключевым фактором. «Обсерватории, расположенные на отдаленных горных вершинах, находятся в суровых условиях, которые эти IPC могут легко выдержать», — пояснил Сото. «Кроме того, встраиваемые ПК обеспечивают отличную масштабируемость и малые форм-факторы, что позволяет экономить ценное пространство в шкафах управления».

Программное обеспечение для автоматизации TwinCAT 3 от Beckhoff предлагает ключевую платформу для тестирования устройств и предназначено для управления конструкциями вокруг телескопа. «Контроллер корпуса телескопа на базе ПК будет напрямую запускать TwinCAT», — сказал Светт. «Он также обеспечивает возможность взаимодействия этого массивного приложения с системой управления обсерваторией в режиме реального времени через OPC UA». Являясь примером открытости системы, TwinCAT поддерживает программирование логики управления на многих языках, например, в IEC 61131-3, включая объектно-ориентированные расширения и языки информатики, предлагаемые в Microsoft Visual Studio ^® . . Программное обеспечение может автоматически сканировать и настраивать сторонние устройства через ADS и EtherCAT, предоставляя оптимальную платформу для решения различных задач, от датчиков до управления движением.

Поскольку телескоп будет иметь тысячи осей движения, надежные двигатели и приводы будут иметь решающее значение в окончательной конфигурации. Сото считает возможности серводвигателей Beckhoff AM8000 впечатляющими и считает их серьезным претендентом на применение во многих областях телескопа. «Когда наши команды интеграторов начнут вводить телескоп в эксплуатацию, они, скорее всего, будут использовать серводвигатели AM8000, например, в компенсаторе атмосферной дисперсии или GIR (григорианском инструментальном ротаторе), который будет перемещать все инструменты, прикрепленные к фокусу Кассегрена», — сказал Сото.

Технологии и творчество меняют нашу Вселенную

После десятилетий разработки конечная цель становится все более очевидной для GMTO, а надежные компоненты автоматизации и управления, указанные для телескопа, добавляют ясности. Сото объяснил, что EtherCAT впервые привел инженеров GMTO к Beckhoff, и он остается основополагающим для проектирования архитектуры управления телескопом. «Использование EtherCAT в качестве полевой шины GMT обеспечивает связь в реальном времени вплоть до уровня ввода-вывода. Мы достигли частоты цикла 2 кГц, что обеспечивает достаточную полосу пропускания, чтобы замкнуть цикл на ряде подсистем, что значительно расширяет наши возможности управления и сети». Компактные модули ввода-вывода EtherCAT и встраиваемые ПК экономят место в шкафах управления, а поскольку контроллеры на базе ПК могут располагаться на расстоянии от вводов-выводов, это снижает тепловыделение. «Снижение температуры — очень важная задача для GMT», — добавил Светт. «Тепло делает воздух внутри корпуса более турбулентным, а турбулентность искажает изображения, когда свет распространяется по воздуху. Эта распределенная архитектура ввода-вывода помогает нам предотвратить это».

Помощь и советы от Beckhoff в сочетании с тщательным тестированием и стремлением найти правильные решения сделали реальностью внедрение компонентов промышленной автоматизации и управления. По словам Сото, помимо размера и сложности, у GMT есть одно существенное отличие от других машин, в которых используются аналогичные стандартные компоненты:«Это разовый проект. Это не одна из многих машин, сходящих с конвейера. Таким образом, основная задача состоит в том, чтобы усовершенствовать дизайн и правильно выбрать продукты для телескопа с первого раза».

Для получения бесплатной информации нажмите здесь