Создание гигантского телескопа Магеллана: взгляд инженера промышленной автоматизации

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

После установки в обсерватории Лас-Кампанас в чилийских Андах гигантский телескоп Магеллана (GMT) откроет невиданные возможности для исследователей в области астрофизики и космологии. Конструкция телескопа обеспечивает угловое разрешение в 10 раз выше, чем у космического телескопа «Хаббл», объединяя семь зеркал в единую оптическую систему с общим диаметром 25 метров. Когда GMT начнет работу в 2029 году, он станет следующим этапом эволюции гигантских наземных телескопов, ставших возможными в 1990-х годах благодаря появлению новых промышленных технологий управления. С тех пор технологии телескопов значительно изменились благодаря передовым компьютерным архитектурам, современным языкам программирования, промышленным протоколам реального времени, веб-стандартам и специализированным контроллерам.

Эти достижения позволят GMT получать изображения астрономических объектов с невиданной четкостью, уменьшая искажения, вносимые земной атмосферой. Также ученые смогут заглянуть в первый миллиард лет после Большого взрыва, как утверждал бывший вице-президент GMTO Corporation доктор Патрик Маккарти.

Несмотря на эти экстремальные возможности и требования, GMT может показаться далеким от обычного производственного оборудования и фабричной автоматизации. На самом деле ученые и инженеры, работавшие над подобными проектами телескопов, традиционно создавали свои решения автоматизации с использованием специальных компонентов управления; однако команда, создающая GMT, смотрит на это иначе, объяснил старший инженер по электронике GMTO Хосе Сото: «Мы хотим изменить исторически сложившийся подход, при котором телескопы считаются уникальными и полностью непохожими на другие автоматизированные системы. Промышленные решения управления с Blick в будущее способны решить многие проблемы, с которыми мы сталкиваемся сегодня в астрофизике».

Из штаб-квартиры GMTO в Пасадене, штат Калифорния, путь к вершине обсерватории Лас-Кампанас занимает около 24 часов. Место оптимально для астрономии благодаря своей высоте, документированной истории благоприятной погоды, минимальному световому загрязнению и ламинарному воздушному потоку, который уменьшает искажение изображения из-за неоднородностей тепла и турбулентности. В результате Карнегевский институт науки в Вашингтоне приобрел около 60 квадратных миль этого горного массива в середине 1960-х годов, и с тех пор там построено несколько телескопов. В конечном итоге Карнегевский институт стал одним из 12 учредительных партнерских учреждений GMTO.

Хотя путь к вершине долог, путь GMT от концепции к завершению также требовал упорства. С момента запуска проекта GMTO в начале 2000-х годов инженеры, ученые и администраторы работали над проектированием физических структур и систем телескопа, как рассказал менеджер проекта GMTO доктор Джеймс Фэнсон. Команды занимались формовкой зеркал в лаборатории зеркал Ричарда Ф. Кариса Университета Аризоны с 2005 года, а GMTO начал земляные работы на пике Лас-Кампанас в 2015 году, сказал Фэнсон, который ранее возглавлял проекты телескопов и астрофизики в Реактивной лаборатории NASA. «С 2015 года мы построили офисы, строительную инфраструктуру, жилые, питания и рекреационные помещения для размещения до 200 строителей и сотрудников GMTO», — сказал Фэнсон.

Выбор компонентов автоматизации и управления для GMT также требовал тщательного рассмотрения из-за требований к коммуникации и управлению в реальном времени, особенно учитывая, что система будет обладать более чем 3000 осями движения. Помимо вращения 22-этажной башни телескопа, гибкие зеркала должны перемещаться с высочайшей точностью для реализации адаптивной оптики и достижения максимально возможного разрешения изображения. Одним из примеров является система активной оптики, требующая интеграции 170 пневматических приводов на каждое основное зеркало для поддержки его массы. Инженерная команда выявила необходимость в компонентах автоматизации и управления, которые были бы мощными уже сейчас, но также поддерживали бы будущие технологические достижения, объяснил Сото: «Поскольку такие проекты длятся долго, мы должны учитывать устаревание во всех аспектах. Наиболее эффективный метод борьбы с устареванием — стандартизация на проверенных промышленных технологиях». Эти факторы привели GMTO к стандартизации многих спецификаций системы управления с использованием промышленных стандартов, таких как те, что предлагает Beckhoff Automation.

Обращение к решениям автоматизации на базе ПК

Инженеры GMTO начали изучать промышленные решения автоматизации и управления от Beckhoff, чтобы удовлетворить стремление команды внедрять полевые шины в большей степени, чем это делали другие телескопы ранее. Инженеры рассмотрели несколько промышленных сетей Ethernet, но обнаружили, что EtherCAT обеспечивает гибкую топологию и масштабируемость — вместе с возможностью включения до 65 535 устройств EtherCAT в одну сеть — что соответствовало системной спецификации GMT. «EtherCAT будет внедрен почти в каждую систему телескопа GMT — от основных зеркал до компенсатора атмосферной дисперсии, купола, монтировки и даже автоматизации зданий сооружений», — сказал Сото. По словам инженера GMTO Гектора Светта, Safety over EtherCAT (FSoE) также предложил впечатляющую функциональность для систем блокировки и безопасности телескопа. FSoE обеспечивает GMT безопасную, сертифицированную TÜV коммуникацию через стандартные сети EtherCAT, множество вариантов распределенных модулей ввода-вывода TwinSAFE и интеграцию со средой разработки Beckhoff и промышленными ПК (IPC).

Текущие спецификации GMT рекомендуют несколько контроллеров на базе ПК, которые могут быть реализованы решениями Beckhoff. Система блокировки и безопасности опирается на множество контроллеров безопасности, встроенных ПК CX9020 на DIN-рейке, работающих в связке с модулями ввода-вывода TwinSAFE Logic EL6910. Они взаимодействуют друг с другом через FSoE по профилю автоматизации EtherCAT (EAP) для реализации функций безопасности, требуемых анализом рисков, сказал Светт. Встроенные ПК Beckhoff CX2020 с одноядерными процессорами Intel® Celeron® 1,4 ГГц используются в наборе разработки оборудования GMT, созданном для партнеров проекта для разработки приборов телескопа. Помимо производительности, ключевым остается надежный дизайн этих контроллеров. «Обсерватории, расположенные на отдаленных вершинах гор, подвергаются суровым условиям, которые эти промышленные ПК легко выдерживают», — объяснил Сото. «Также встроенные ПК обеспечивают отличную масштабируемость и компактные форм-факторы, экономя ценное место в шкафах управления».

Программное обеспечение автоматизации TwinCAT 3 от Beckhoff предложило ключевую платформу для тестирования устройств и указано для управления сооружениями вокруг телескопа. «ПК-контроллер купола телескопа будет запускать TwinCAT напрямую», — сказал Светт. «Он также обеспечивает возможность реального времени для интерфейса этого масштабного приложения с системой управления обсерваторией через OPC UA». Демонстрируя открытость системы, TwinCAT поддерживает программирование логики управления на многих языках — таких как 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 задач от сенсорики до управления движением.

Поскольку телескоп будет иметь тысячи осей движения, надежные двигатели и приводы будут критически важны в итоговой конфигурации. Сото считает возможности серводвигателей Beckhoff AM8000 впечатляющими и видит в них серьезного претендента на несколько областей телескопа. «Когда наши интеграторские команды начнут ввод телескопа в эксплуатацию, они, скорее всего, будут использовать серводвигатели AM8000, например, в компенсаторе атмосферной дисперсии или в GIR (Gregorian Instrument Rotator), который будет перемещать все приборы, присоединенные к кассегреновскому фокусу», — сказал Сото.

Технологии и творчество переопределяют наше понимание Вселенной

После десятилетий подготовки конечная цель становится очевидной для GMTO, а надежные компоненты автоматизации и управления, указанные для телескопа, добавляют ясности. EtherCAT первым привел инженеров GMTO к Beckhoff и остается фундаментальным для архитектуры системы управления телескопом, объяснил Сото. «Использование EtherCAT как полевой шины GMT обеспечивает коммуникацию в реальном времени до уровня ввода-вывода. Мы достигли циклов 2 кГц, что дает достаточно полосы пропускания для замкнения контура на ряде подсистем, значительно расширяя наши возможности управления и сети». Компактные модули ввода-вывода EtherCAT и встроенные ПК экономят место в шкафах управления, а поскольку ПК-контроллеры могут располагаться на расстоянии от модулей ввода-вывода, это уменьшает рассеивание тепла. «Уменьшение тепла — очень важный вопрос для GMT», — добавил Светт. «Тепло делает воздух более турбулентным внутри купола, а турбулентность искажает изображения, пока свет проходит через воздух. Эта распределенная архитектура ввода-вывода помогает нам предотвратить это».

Помощь и советы от Beckhoff — в сочетании с жестким тестированием и преданностью поиску правильных решений — сделали внедрение промышленных компонентов автоматизации и управления реальностью. Помимо своего размера и сложности, у GMT есть одно главное отличие от других машин, использующих аналогичные готовые компоненты, сказал Сото: «Это разовый проект. Это не одна из многих машин, сходящих с конвейера. Поэтому главные задачи — довести дизайн до совершенства и выбрать правильные продукты для телескопа с первого раза».

Для получения бесплатной информации нажмите сюда