Construcción de telescopio gigante vista a través de una lente industrial

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

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

Estos avances permitirán al GMT capturar imágenes de objetos astronómicos más nítidas de lo que es posible actualmente al reducir las distorsiones introducidas por la atmósfera terrestre. También permitirá a los científicos mirar hacia atrás en los primeros mil millones de años después del Big Bang, según el exvicepresidente de GMTO Corporation, el Dr. Patrick McCarthy.

Con estas capacidades y requisitos extremos, puede parecer que el GMT 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 de telescopios similares han construido tradicionalmente sus propias soluciones de automatización utilizando componentes de control personalizados; sin embargo, el equipo que está construyendo el GMT lo ve de manera diferente, explicó José Soto, ingeniero electrónico sénior de GMTO. “Queremos cambiar el método histórico de tratar los telescopios como algo especial y totalmente diferente a otros sistemas automatizados. Las soluciones de control industrial orientadas al futuro tienen el poder de resolver muchos problemas que enfrentamos hoy en astrofísica”.

Desde la sede de GMTO en Pasadena, CA, se necesitan aproximadamente 24 horas de viaje para llegar a la cumbre en el 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 la imagen debido a la falta de homogeneidad del calor y la turbulencia. Como resultado, la Institución Carnegie para la Ciencia en Washington, DC compró alrededor de 60 millas cuadradas de esta área montañosa a mediados de la década de 1960 y, desde entonces, se han construido allí múltiples telescopios. Finalmente, Carnegie se convirtió en una de las 12 instituciones asociadas fundadoras de GMTO.

Si bien el viaje a la cumbre es largo, el viaje del GMT desde el concepto hasta la finalización también ha requerido perseverancia. Desde que comenzó el proyecto GMTO a principios de la década de 2000, ingenieros, científicos y administradores han estado trabajando para diseñar las estructuras físicas y los sistemas del telescopio, según el director del proyecto GMTO, el Dr. James Fanson. Los equipos han estado trabajando para dar forma a los espejos en el Laboratorio de Espejos Richard F. Caris de la Universidad de Arizona desde 2005 y GMTO inició la construcción en el pico Las Campanas en 2015, dijo Fanson, quien anteriormente dirigió proyectos de astrofísica y telescopios en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. "Desde 2015, hemos construido oficinas, infraestructura de construcción e instalaciones de residencia, comedor y recreación para acomodar hasta 200 trabajadores de la construcción y personal de GMTO", dijo Fanson.

Especificar componentes de automatización y controles para el GMT también requirió una cuidadosa consideración debido a los requisitos de control y comunicación en tiempo real, especialmente considerando que el sistema poseerá más de 3000 ejes de movimiento. Más allá de girar el recinto de 22 pisos de altura del telescopio, los espejos flexibles deben moverse con la máxima precisión para implementar la 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 ahora eran poderosos pero que también apoyarían futuros avances en tecnología, explicó Soto. “Dado que estos proyectos toman mucho tiempo, debemos dar cuenta de la obsolescencia en todos los aspectos. El método más efectivo para combatir la obsolescencia es estandarizar las tecnologías industriales comprobadas”. 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 que ofrece Beckhoff Automation.

Buscando soluciones de automatización basadas en PC

Los ingenieros de GMTO comenzaron a explorar las soluciones de control y automatización industrial ofrecidas por Beckhoff para satisfacer el deseo del equipo de implementar tecnologías de bus de campo en un grado mayor que el que otros telescopios habían logrado anteriormente. Los ingenieros examinaron varias redes Ethernet industriales, pero encontraron que EtherCAT proporcionaba una topología y escalabilidad flexibles, junto con la capacidad de incorporar hasta 65 535 dispositivos EtherCAT en una red, que coincidía con la especificación del sistema de GMT. “EtherCAT se integrará en casi todos los sistemas de telescopios GMT, desde los espejos primarios hasta el compensador de dispersión atmosférica, el recinto, el montaje e incluso la automatización de edificios 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 seguridad e interbloqueo del telescopio. FSoE proporciona a GMT comunicación con clasificación de seguridad certificada por TÜV a través de redes EtherCAT estándar, numerosas opciones para módulos de E/S Twin-SAFE distribuidos e integración con el entorno de ingeniería Beckhoff y PC industriales (IPC).

Ciertas especificaciones actuales de GMT recomiendan múltiples controladores basados ​​en PC que podrían cumplir las soluciones de Beckhoff. El sistema de enclavamiento y seguridad se basa en muchos controladores de seguridad, PC integrados CX9020 montados en riel DIN, que funcionan junto con los módulos de E/S lógicos EL6910 TwinSAFE. Estos interactúan entre sí a través de FSoE a través del perfil de automatización EtherCAT (EAP) para implementar funciones de seguridad según lo requiera el análisis de peligros, dijo Swett. Beckhoff CX2020 PC integradas con Intel de un solo núcleo a 1,4 GHz ^® Celeron ^® Los procesadores se utilizan en el kit de desarrollo de hardware GMT, que se creó para que los socios del proyecto desarrollaran instrumentos para el telescopio. Además del rendimiento, el diseño resistente de estos controladores sigue siendo clave. “Los observatorios ubicados en cimas de montañas remotas experimentan duras condiciones que estos IPC pueden soportar fácilmente”, explicó Soto. "Además, las PC integradas ofrecían una gran escalabilidad y factores de forma pequeños, lo que ahorra un espacio valioso en los gabinetes 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 el recinto 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 a través de OPC UA”. Como ejemplo de la apertura del sistema, TwinCAT admite la programación de la lógica de control en muchos lenguajes, como los de IEC 61131-3, incluidas las extensiones orientadas a objetos y los lenguajes informáticos que se ofrecen en Microsoft Visual Studio ^® . . El software puede escanear y configurar automáticamente dispositivos de terceros a través de ADS y EtherCAT, lo que proporciona una plataforma óptima para tareas que van desde la detección hasta el control de movimiento.

Debido a que el telescopio tendrá miles de ejes de movimiento, los motores y transmisiones confiables serán cruciales en la configuración final. Soto encuentra impresionantes las capacidades de los servomotores Beckhoff AM8000 y los ve como un serio competidor para múltiples áreas en todo el telescopio. “Cuando nuestros equipos de integradores comiencen a poner en marcha el telescopio, muy probablemente usarán 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.

Las tecnologías y la creatividad redefinen nuestro universo

Después de décadas de desarrollo, el objetivo final se perfila para GMTO y los componentes de control y automatización confiables especificados para el telescopio agregan claridad. EtherCAT primero llevó a los ingenieros de GMTO a 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 GMT permite la 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 ciclo en una variedad de subsistemas, ampliando significativamente nuestras capacidades de control y conexión en red”. Los módulos de E/S EtherCAT compactos y las PC integradas ahorran espacio en los gabinetes de control y, dado que los controladores basados ​​en PC se pueden ubicar a cierta distancia de las E/S, esto reduce la disipación de calor. “Reducir el calor es un gran problema para el GMT”, agregó Swett. “El calor hace que el aire sea más turbulento dentro del recinto y la turbulencia distorsiona las imágenes a medida que la luz viaja por el aire. Esta arquitectura de E/S distribuida nos ayuda a evitar eso”.

La asistencia y el asesoramiento de Beckhoff, combinados con pruebas rigurosas y dedicación para encontrar las soluciones adecuadas, han hecho realidad la implementación de componentes de control y automatización industrial. Además de su tamaño y complejidad, dijo Soto, el GMT tiene una gran diferencia con otras máquinas que utilizan componentes similares disponibles en el mercado:“Este es un proyecto de una sola vez. No es una de las muchas máquinas que salen de una línea de producción. Así que los principales desafíos son perfeccionar el diseño y seleccionar los productos adecuados para el telescopio la primera vez”.

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