工業用レンズを通して見た巨大望遠鏡の構造

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

チリのアンデス山脈にあるラスカンパナス天文台に設置されると、巨大マゼラン望遠鏡（GMT）は、天体物理学と宇宙論の研究コミュニティに素晴らしい機会をもたらします。望遠鏡の設計は、7つのミラーを組み合わせて、合計直径25メートルの単一の光学システムにすることにより、ハッブル宇宙望遠鏡の10倍の角度分解能を誇っています。 GMTが2029年にオンラインになると、新しい産業用制御技術の出現により1990年代に可能になった巨大な地上望遠鏡の次の進化を表すことになります。望遠鏡の技術は、高度なコンピューターアーキテクチャ、最新のプログラミング言語、リアルタイムの産業用プロトコル、Webベースの標準、および特殊なコントローラーによって、当時から大きく変化しました。

これらの進歩により、GMTは、地上の大気によってもたらされる歪みを減らすことにより、現在可能であるよりも鮮明な天体の画像をキャプチャできるようになります。また、元GMTOコーポレーションの副社長であるパトリックマッカーシー博士によると、科学者はビッグバン後の最初の10億年を振り返ることができます。

これらの極端な機能と要件により、GMTは一般的な生産機械や工場の自動化とほとんど共通点がないように見えるかもしれません。実際、同様の望遠鏡プロジェクトに取り組んでいる科学者やエンジニアは、従来、カスタム制御コンポーネントを使用して独自の自動化ソリューションを構築してきました。ただし、GMTを構築するチームはこれを異なって見ています、とGMTOのシニアエレクトロニクスエンジニアであるホセソトは説明しました。 「私たちは、望遠鏡を他の自動システムとはまったく異なり、特別なものとして扱う歴史的な方法を変えたいと考えています。将来を見据えた産業用制御ソリューションには、天体物理学で今日直面している多くの問題を解決する力があります。」

カリフォルニア州パサデナのGMTO本社から、ラスカンパナス天文台の頂上までは約24時間かかります。この場所は、その標高と好天の記録された歴史、最小限の光害、および熱と乱気流の不均一性による画像の歪みを減らすスムーズな気流のために、天文学に最適です。その結果、ワシントンDCのカーネギー科学研究所は1960年代半ばにこの山岳地帯の約60平方マイルを購入し、それ以来、複数の望遠鏡がそこに建設されました。最終的に、カーネギーはGMTOの12の創設パートナー機関の1つになりました。

サミットへの道のりは長いですが、コンセプトから完成までのGMTの旅にも忍耐力が必要です。 GMTOプロジェクトマネージャーのジェームズファンソン博士によると、GMTOプロジェクトが2000年代初頭に開始されて以来、エンジニア、科学者、および管理者は望遠鏡の物理的構造とシステムの設計に取り組んできました。乗組員は、アリゾナ大学のリチャードF.カリスミラー研究所で2005年からミラーの成形に取り組んでおり、GMTOは2015年にラスカンパナスピークで着工したと、NASAのジェット推進研究所で望遠鏡と天体物理学のプロジェクトを主導していたファンソン氏は述べています。 「2015年以来、最大200人の建設労働者とGMTOスタッフを収容するために、オフィス、建設インフラストラクチャ、住居、食事、レクリエーション施設を建設してきました。」とファンソン氏は述べています。

GMTの自動化および制御コンポーネントの指定も、リアルタイムの通信および制御要件のため、特にシステムが3,000を超える運動軸を所有することを考慮すると、慎重に検討する必要がありました。望遠鏡の22階建てのエンクロージャーを回転させるだけでなく、補償光学を実装して可能な限り最高の画像解像度を実現するには、フレキシブルミラーを最高の精度で移動する必要があります。一例は能動光学システムであり、各ミラーの質量をサポートするために主鏡ごとに170個の空気圧アクチュエータを統合する必要があります。エンジニアリングチームは、現在は強力であるが、テクノロジーの将来の進歩もサポートする自動化および制御コンポーネントの必要性を特定したと、Soto氏は説明しました。 「これらのプロジェクトには長い時間がかかるため、あらゆる面で退行を考慮する必要があります。退行と戦う最も効果的な方法は、実績のある産業技術を標準化することです。」これらの要因により、GMTOは、ベッコフオートメーションが提供するソリューションに見られるような業界標準を使用して、制御システムの多くの仕様を標準化することになりました。

PCベースの自動化ソリューションに目を向ける

GMTOのエンジニアは、他の望遠鏡がこれまでに達成したよりも高度にフィールドバス技術を実装したいというチームの要望を満たすために、ベッコフが提供する産業用自動化および制御ソリューションの調査を開始しました。エンジニアは複数の産業用イーサネットネットワークを調査しましたが、EtherCATは、GMTのシステム仕様に一致する柔軟なトポロジとスケーラビリティを提供し、1つのネットワークに最大65,535台のEtherCATデバイスを組み込むことができることを発見しました。 「EtherCATは、主鏡から大気分散補償装置、エンクロージャー、マウント、さらには施設のビルディングオートメーションまで、ほぼすべてのGMT望遠鏡システムに組み込まれます」とSoto氏は述べています。 GMTOのエンジニアであるHectorSwettによると、Safety over EtherCAT（FSoE）は、望遠鏡のインターロックおよび安全システムに優れた機能も提供しました。 FSoEは、標準のEtherCATネットワークを介した安全性評価のTÜV認定通信、分散型Twin-SAFE I / Oモジュールの多数のオプション、およびベッコフエンジニアリング環境および産業用PC（IPC）との統合をGMTに提供します。

現在の特定のGMT仕様では、ベッコフソリューションで実現できる複数のPCベースのコントローラーが推奨されています。インターロックおよび安全システムは、EL6910 TwinSAFE Logic I / Oモジュールと連携して動作する、多くの安全コントローラー、DINレールに取り付けられたCX9020組み込みPCに依存しています。これらは、EtherCAT Automation Profile（EAP）を介したFSoEを介して相互にインターフェースし、ハザード分析で必要とされる安全機能を実装すると、Swett氏は述べています。シングルコア1.4GHzIntel ^® を搭載したBeckhoffCX2020組み込みPC Celeron ^® プロセッサは、プロジェクトのパートナーが望遠鏡用の機器を開発するために構築されたGMTハードウェア開発キットで使用されています。パフォーマンスに加えて、これらのコントローラーの頑丈な設計が重要なままです。 「遠く離れた山頂にある天文台は、これらのIPCが容易に耐えることができる過酷な条件を経験します」とソトは説明しました。 「また、組み込みPCは、優れたスケーラビリティと小さなフォームファクタを提供し、制御キャビネットの貴重なスペースを節約します。」

ベッコフのTwinCAT3自動化ソフトウェアは、デバイスをテストするための主要なプラットフォームを提供しており、望遠鏡周辺の構造を制御するために指定されています。 「望遠鏡のエンクロージャー用のPCベースのコントローラーは、TwinCATを直接実行します」とSwett氏は述べています。 「また、この大規模なアプリケーションをOPCUAを介して天文台制御システムとインターフェースするリアルタイム機能も提供します。」システムのオープン性を実証するTwinCATは、オブジェクト指向拡張機能やMicrosoft Visual Studio ^® で提供されるコンピューターサイエンス言語など、多くの言語（IEC 61131-3など）での制御ロジックのプログラミングをサポートしています。 。このソフトウェアは、ADSおよびEtherCATを介してサードパーティのデバイスを自動的にスキャンおよび構成できるため、センシングからモーションコントロールまでのタスクに最適なプラットフォームを提供します。

望遠鏡には何千もの運動軸があるため、最終的な構成では信頼できるモーターとドライブが重要になります。ソトは、ベッコフAM8000サーボモーターの機能が印象的であり、望遠鏡全体の複数の領域の真剣な競争相手であると考えています。 「私たちのインテグレーターチームが望遠鏡の試運転を開始すると、たとえば大気拡散補償器やGIR（Gregorian Instrument Rotator）で、カセグレン焦点に取り付けられたすべての機器を動かすAM8000サーボモーターを使用する可能性が非常に高くなります」とSoto氏は述べています。

テクノロジーと創造性が私たちの宇宙を再定義する

何十年にもわたって作成された後、GMTOの最終目標に焦点が当てられ、望遠鏡用に指定された信頼性の高い自動化および制御コンポーネントが明確さを追加します。 EtherCATは最初にGMTOエンジニアをベッコフに導き、望遠鏡の制御アーキテクチャ設計の基礎を維持しているとソト氏は説明しました。 「GMTフィールドバスとしてEtherCATを使用すると、I/Oレベルまでのリアルタイム通信が可能になります。 2 kHzのサイクルタイムを達成しました。これにより、さまざまなサブシステムのループを閉じるのに十分な帯域幅が可能になり、制御機能とネットワーク機能が大幅に拡張されます。」コンパクトなEtherCATI/ Oモジュールと組み込みPCは、制御キャビネットのスペースを節約します。PCベースのコントローラーはI / Oから離れた場所に配置できるため、熱放散が減少します。 「熱を減らすことはGMTにとって非常に大きな問題です」とSwettは付け加えました。 「熱はエンクロージャー内の空気をより乱流にし、光が空気中を移動するときに乱流が画像を歪めます。この分散型I/Oアーキテクチャは、それを防ぐのに役立ちます。」

ベッコフからの支援とアドバイスは、適切なソリューションを見つけるための厳格なテストと献身と組み合わされて、産業用自動化と制御コンポーネントの実装を実現しました。そのサイズと複雑さは別として、GMTには、同様の既製のコンポーネントを使用する他の機械との大きな違いが1つあります。「これは1回限りのプロジェクトです。これは、生産ラインに登場する多くのマシンの1つではありません。したがって、主な課題は、設計を完成させ、望遠鏡に適した製品を初めて選択することです。」

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