Construcción del Telescopio Gigante Magallanes: Una Perspectiva de Ingeniería Industrial

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

Una vez instalado en el Observatorio Las Campanas en los Andes chilenos, el Telescopio Gigante Magallanes (GMT, por sus siglas en inglés) abrirá oportunidades extraordinarias para las comunidades de investigación en astrofísica y cosmología. El diseño del telescopio presume una resolución angular 10 veces superior a la del Telescopio Espacial Hubble al combinar siete espejos en un único sistema óptico con un diámetro total de 25 metros. Cuando el GMT entre en operación en 2029, representará la próxima evolución de los telescopios terrestres gigantes que se hicieron posibles en la década de 1990 con el advenimiento de nuevas tecnologías de control industrial. La tecnología telescópica ha cambiado significativamente desde entonces mediante arquitecturas informáticas avanzadas, lenguajes de programación modernos, protocolos industriales en tiempo real, estándares basados en web y controladores especializados.

Estos avances permitirán al GMT capturar imágenes de objetos astronómicos más nítidas que las actualmente posibles al reducir las distorsiones introducidas por la atmósfera terrestre. También permitirá a los científicos remontarse a los primeros mil millones de años después del Big Bang, según el ex vicepresidente de GMTO Corporation, Dr. Patrick McCarthy.

Con estas capacidades y requisitos extremos, el GMT podría parecer que tiene poco en común con la maquinaria de producción general y la automatización de fábricas. De hecho, los científicos e ingenieros que trabajan en proyectos telescópicos similares han construido tradicionalmente sus propias soluciones de automatización utilizando componentes de control personalizados; sin embargo, el equipo que construye el GMT ve esto de manera diferente, explicó el Ingeniero Electrónico Senior de GMTO, José Soto. "Queremos cambiar el método histórico de tratar a los telescopios como algo especial y totalmente distinto a otros sistemas automatizados. Las soluciones de control industrial orientadas al futuro tienen el poder de resolver muchos de los problemas que enfrentamos hoy en la astrofísica."

Desde la sede de GMTO en Pasadena, CA, se requieren unas 24 horas de viaje para llegar a la cumbre del Observatorio Las Campanas. El sitio es óptimo para la astronomía debido a su elevación e historial documentado de clima favorable, contaminación lumínica mínima y flujo de aire suave, lo que reduce la distorsión de imagen por inhomogeneidades de calor y turbulencia. Como resultado, la Institución Carnegie para la Ciencia en Washington, DC compró unas 60 millas cuadradas de esta zona montañosa a mediados de la década de 1960 y desde entonces se han construido múltiples telescopios allí. Finalmente, Carnegie se convirtió en una de las 12 instituciones fundadoras de GMTO.

Aunque el viaje a la cumbre es largo, el camino del GMT desde el concepto hasta la finalización también ha requerido perseverancia. Desde que el proyecto GMTO comenzó a principios de la década de 2000, ingenieros, científicos y administradores han trabajado en el diseño de las estructuras físicas y sistemas del telescopio, según el Gerente de Proyecto de GMTO, Dr. James Fanson. Los equipos han estado trabajando en el pulido de espejos en el Laboratorio de Espejos Richard F. Caris de la Universidad de Arizona desde 2005 y GMTO inició la construcción en la cumbre de Las Campanas en 2015, dijo Fanson, quien previamente lideró proyectos de telescopios y astrofísica en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. "Desde 2015, hemos construido oficinas, infraestructura de construcción y residencias, comedores e instalaciones recreativas para alojar hasta 200 trabajadores de construcción y personal de GMTO", dijo Fanson.

La especificación de componentes de automatización y control para el GMT también requirió una cuidadosa consideración debido a los requisitos de comunicación y control en tiempo real, especialmente considerando que el sistema poseerá más de 3.000 ejes de movimiento. Más allá de rotar la carcasa del telescopio de 22 pisos de altura, los espejos flexibles deben moverse con la máxima precisión para implementar óptica adaptativa y lograr la mayor resolución de imagen posible. Un ejemplo es el sistema de óptica activa, que requiere la integración de 170 actuadores neumáticos por espejo primario para soportar la masa de cada espejo. El equipo de ingeniería identificó la necesidad de componentes de automatización y control que fueran potentes ahora pero que también respaldaran futuros avances tecnológicos, explicó Soto. "Dado que estos proyectos llevan mucho tiempo, debemos tener en cuenta la obsolescencia en cada aspecto. El método más efectivo para combatir la obsolescencia es estandarizar tecnologías industriales probadas." Estos factores llevaron a GMTO a estandarizar muchas especificaciones para el sistema de control utilizando estándares industriales como los que se encuentran en las soluciones ofrecidas por Beckhoff Automation.

Recurriendo a Soluciones de Automatización Basadas en PC

Los ingenieros de GMTO comenzaron a explorar soluciones de automatización y control industrial ofrecidas por Beckhoff para satisfacer el deseo del equipo de implementar tecnologías de bus de campo en mayor medida de lo que otros telescopios han logrado anteriormente. Los ingenieros examinaron múltiples redes Ethernet industriales pero encontraron que EtherCAT proporcionaba una topología flexible y escalabilidad — junto con la capacidad de incorporar hasta 65.535 dispositivos EtherCAT en una red — que coincidía con la especificación del sistema del GMT. "EtherCAT estará integrado en casi todos los sistemas del telescopio GMT — desde los espejos primarios hasta el compensador de dispersión atmosférica, la carcasa, la montura e incluso la automatización del edificio en las instalaciones", dijo Soto. Según el Ingeniero de GMTO, Hector Swett, Safety over EtherCAT (FSoE) también ofreció una funcionalidad impresionante para los sistemas de interbloqueo y seguridad del telescopio. FSoE proporciona al GMT comunicación certificada por TÜV y con clasificación de seguridad sobre redes EtherCAT estándar, numerosas opciones para módulos de E/S distribuidos TwinSAFE e integración con el entorno de ingeniería de Beckhoff y PCs industriales (IPCs).

Ciertas especificaciones actuales del GMT recomiendan múltiples controladores basados en PC que podrían ser cumplidos por soluciones de Beckhoff. El sistema de interbloqueo y seguridad depende de muchos controladores de seguridad, PCs empotrados CX9020 montados en carril DIN, que trabajan en conjunto con módulos de E/S lógicos TwinSAFE EL6910. Estos se interfazan entre sí a través de FSoE vía Perfil de Automatización EtherCAT (EAP) para implementar funciones de seguridad según lo requerido por el análisis de riesgos, dijo Swett. Los PCs empotrados Beckhoff CX2020 con procesadores Intel® Celeron® de un solo núcleo a 1,4 GHz se utilizan en el Kit de Desarrollo de Hardware del GMT, construido para que los socios del proyecto desarrollen instrumentos para el telescopio. Además del rendimiento, el diseño robusto de estos controladores sigue siendo clave. "Los observatorios ubicados en cimas de montañas remotas experimentan condiciones adversas que estos IPCs pueden soportar fácilmente", explicó Soto. "Además, los PCs empotrados ofrecen gran escalabilidad y factores de forma reducidos, lo que ahorra valioso espacio en los armarios de control."

El software de automatización TwinCAT 3 de Beckhoff ha ofrecido una plataforma clave para probar dispositivos y está especificado para el control de las estructuras alrededor del telescopio. "El controlador basado en PC para la carcasa del telescopio ejecutará TwinCAT directamente", dijo Swett. "También proporciona la capacidad en tiempo real para interconectar esta aplicación masiva con el sistema de control del observatorio mediante OPC UA". Ejemplificando la apertura del sistema, TwinCAT soporta la programación de lógica de control en muchos lenguajes — como los de IEC 61131-3 — incluyendo extensiones orientadas a objetos y los lenguajes de ciencias de la computación ofrecidos en Microsoft Visual Studio®. El software puede escanear y configurar automáticamente dispositivos de terceros a través de ADS y EtherCAT, proporcionando una plataforma óptima para tareas desde detección hasta control de movimiento.

Debido a que el telescopio tendrá miles de ejes de movimiento, motores y accionamientos fiables serán cruciales en la configuración final. Soto encuentra impresionantes las capacidades de los servomotores Beckhoff AM8000 y los ve como serios candidatos para múltiples áreas del telescopio. "Cuando nuestros equipos integradores comiencen a poner en marcha el telescopio, muy probablemente utilizarán servomotores AM8000, por ejemplo, en el compensador de dispersión atmosférica o el GIR (Rotador de Instrumentos Gregoriano) que moverá todos los instrumentos conectados al foco Cassegrain", dijo Soto.

Tecnologías y Creatividad Redefinen Nuestro Universo

Después de décadas en desarrollo, la meta final se vislumbra para GMTO y los componentes fiables de automatización y control especificados para el telescopio aportan claridad. EtherCAT guió primero a los ingenieros de GMTO hacia Beckhoff y sigue siendo fundamental para el diseño de la arquitectura de control del telescopio, explicó Soto. "El uso de EtherCAT como bus de campo del GMT permite comunicación en tiempo real hasta el nivel de E/S. Hemos logrado tiempos de ciclo de 2 kHz, lo que permite suficiente ancho de banda para cerrar el lazo en una gama de subsistemas, expandiendo significativamente nuestras capacidades de control y redes". Los módulos compactos de E/S EtherCAT y los PCs empotrados ahorran espacio en los armarios de control y, como los controladores basados en PC pueden ubicarse a distancia de las E/S, esto reduce la disipación de calor. "Reducir el calor es un asunto muy importante para el GMT", agregó Swett. "El calor hace que el aire sea más turbulento dentro de la carcasa y la turbulencia distorsiona las imágenes mientras la luz viaja a través del aire. Esta arquitectura de E/S distribuida nos ayuda a prevenir eso."

La asistencia y asesoramiento de Beckhoff — combinados con pruebas rigurosas y dedicación para encontrar las soluciones adecuadas — han hecho realidad la implementación de componentes industriales de automatización y control. Aparte de su tamaño y complejidad, Soto dijo que el GMT tiene una gran diferencia con otras máquinas que usan componentes similares estándar: "Este es un proyecto único. No es una de muchas máquinas que salen de una línea de producción. Por lo tanto, los principales desafíos son perfeccionar el diseño y seleccionar los productos correctos para el telescopio a la primera."

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