巨大マゼラン望遠鏡の建設：産業用エンジニアリングの視点から

巨大マゼラン望遠鏡（GMT）プロジェクトの概要

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れば、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前例のない機会をもたらします。この望遠鏡の設計は、7枚の鏡を単一の光学システムとして組み合わせ、総口径25メートルを実現することで、ハッブル宇宙望遠鏡の10倍の角分解能を誇ります。2029年の運用開始を目指すGMTは、1990年代に新しい産業用制御技術の登場により可能となった巨大地上望遠鏡の次世代進化を代表するものです。それ以来、望遠鏡技術は高度なコンピュータアーキテクチャ、モダンなプログラミング言語、リアルタイム産業用プロトコル、Webベースの標準、専用コントローラを通じて大きく変化しました。

大気の歪みを克服する適応光学技術

これらの進歩により、GMTは地球の大気によって生じる歪みを低減し、現在可能なものより鮮明な天体画像を取得できるようになります。また、元GMTO法人副社長のパトリック・マッカーシー博士によれば、ビッグバン後の最初の10億年まで遡って観測することも可能になるといいます。

産業用オートメーション技術の採用へ

このような極限の能力と要件を持つGMTは、一見すると汎用生産機械や工場オートメーションとは無関係に見えます。実際、同様の望遠鏡プロジェクトに取り組む科学者やエンジニアは、伝統的にカスタム制御コンポーネントを使用して独自のオートメーションソリューションを構築してきました。しかし、GMTを建設するチームは異なるアプローチを取ると、GMTO上級エレクトロニクスエンジニアのホセ・ソト氏は説明します。「望遠鏡を他の自動化システムとはまったく異なる特別なものとして扱う従来の方法を変えたいと考えています。未来志向の産業用制御ソリューションには、現在天体物理学で直面している多くの問題を解決する力があります。」

観測地の厳しい環境条件

カリフォルニア州パサデナのGMTO本部からラス・カンパナス天文台の山頂まで、約24時間の移動を要します。この場所は標高が高く、好天の記録、最小限の光害、滑らかな気流（熱の不均一性と乱流による像の歪みを低減）という文書化された好条件の歴史があるため、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が1960年代半ばにこの山岳地帯約60平方マイルを購入し、以来複数の望遠鏡が建設されてきました。最終的にカーネギーはGMTOの12の設立パートナー機関の一つとなりました。

プロジェクトの長期的展望と陳腐化対策

山頂への道のりが長いように、GMTの構想から完成までの道のりも忍耐を必要としました。2000年代初頭にGMTOプロジェクトが開始以来、エンジニア、科学者、管理者が望遠鏡の物理構造とシステムの設計に取り組んできましたと、GMTOプロジェクトマネージャのジェームス・ファンソン博士は語ります。クルーは2005年からアリゾナ大学のリチャード・F・カリスミラーボラトリーで鏡の成形作業を行い、GMTOは2015年にラス・カンパナス山頂で起工式を行いました。ファンソン博士は以前、NASAジェット推進研究所で望遠鏡と天体物理学プロジェクトを率いていました。「2015年以来、最大200人の建設作業員とGMTOスタッフを収容するオフィス、建設インフラ、宿泊、食事、レクリエーション施設を建設してきました」とファンソン博士は述べています。

GMTのオートメーションと制御コンポーネントの仕様決定も、リアルタイム通信と制御要件、特にシステムが3,000軸以上の運動を持つことを考慮して慎重に行われました。望遠鏡の22階建て相当のエンクロージャの回転に加え、可変ミラーを極めて高精度で動かし、適応光学を実装して最高の画像分解能を達成する必要があります。一例として、主鏡1枚あたり170個の空気圧アクチュエータを統合し、各ミラーの質量を支持するアクティブ光学システムが挙げられます。エンジニアリングチームは、現在強力であるだけでなく、将来の技術進歩にも対応できるオートメーションと制御コンポーネントの必要性を特定しましたとソト氏は説明します。「これらのプロジェクトは長期間かかるため、あらゆる面で陳腐化を考慮しなければなりません。陳腐化と戦う最も効果的な方法は、実証済みの産業技術を標準化することです。」これらの要因により、GMTOはベックホフ・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産業標準を使用して、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ベースのオートメーションソリューションの採用

GMTOのエンジニアは、他の望遠鏡がこれまで達成してきた以上にフィールドバス技術を導入したいというチームの要望を満たすため、ベックホフが提供する産業用オートメーションと制御ソリューションの検討を開始しました。エンジニアたちは複数の産業用Ethernetネットワークを検討しましたが、GMTのシステム仕様に合致する柔軟なトポロジと拡張性、そして単一ネットワークで最大65,535台のEtherCATデバイスを組み込める能力を備えたEtherCATを見出しました。「EtherCATは、主鏡から大気分散補正装置、エンクロージャ、マウント、さらには施設のビル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」とソト氏は述べています。GMTOエンジニアのヘクター・スウェット氏によれば、Safety over EtherCAT（FSoE）も望遠鏡のインターロックと安全システムに印象的な機能を提供するとのことです。FSoEは、標準のEtherCATネットワーク上で安全性定格のTÜV認証済み通信、分散型TwinSAFE I/Oモジュールの多数のオプション、ベックホフのエンジニアリング環境および産業用PC（IPC）との統合をGMTにもたらします。

ベックホフ製品の採用事例

現在のGMT仕様のいくつかは、ベックホフのソリューションで実現可能な複数のPCベースコントローラを推奨しています。インターロックと安全システムは、DINレールマウント型CX9020組み込みPCである多数の安全コントローラと、EL6910 TwinSAFE Logic I/Oモジュールが連携して動作します。これらはFSoEを介してEtherCAT Automation Profile（EAP）で相互接続し、危険分析で要求される安全機能を実装するとスウェット氏は説明します。シングルコア1.4 GHz Intel® Celeron®プロセッサを搭載したベックホフCX2020組み込みPCは、望遠鏡用機器を開発するプロジェクトパートナー向けに構築されたGMTハードウェア開発キットで使用されています。性能に加え、これらのコントローラの堅牢な設計も鍵となります。「遠隔地の山頂にある観測所は、これらのIPCが容易に耐えられる過酷な条件にあります」とソト氏は説明します。「また、組み込みPCは優れた拡張性と小型フォームファクタを備え、制御キャビネットの貴重なスペースを節約できます。」

ベックホフのTwinCAT 3オートメーションソフトウェアは、デバイスのテストのための重要なプラットフォームを提供し、望遠鏡周辺の構造物制御に指定されています。「望遠鏡のエンクロージャ用PCベースコントローラはTwinCATを直接実行します」とスウェット氏は述べます。「また、この大規模アプリケーションをOPC UAを介して観測所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。」システムの開放性を例証するように、TwinCATはIEC 61131-3に含まれる言語（オブジェクト指向拡張やMicrosoft Visual Studio®が提供するコンピュータサイエンス言語を含む）で制御ロジックをプログラミングできます。このソフトウェアは、ADSとEtherCATを介してサードパーティデバイスを自動的にスキャンおよび構成し、センシングからモーション制御までのタスクに最適なプラットフォームを提供します。

望遠鏡が数千軸の運動を持つため、最終構成では信頼性の高いモータとドライブが不可欠です。ソト氏はベックホフAM8000サーボモータの能力に感銘を受け、望遠鏡の複数の領域での有力な候補と見ています。「私たちのインテグレータチームが望遠鏡のコミッショニングを開始するとき、例えば大気分散補正装置や、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GIR（グレゴリアン機器回転装置）などで、AM8000サーボモータが非常に多く使用される可能性があります」とソト氏は語ります。

テクノロジーと創造性が宇宙の理解を再定義する

数十年の歳月を経て、GMTOにとってゴールが見えてきました。望遠鏡に指定された信頼性の高いオートメーションと制御コンポーネントが明確さをもたらします。EtherCATが最初にGMTOエンジニアをベックホフに導き、望遠鏡の制御アーキテクチャ設計の基盤であり続けていますとソト氏は説明します。「GMTのフィールドバスとしてEtherCATを使用することで、I/Oレベルまでリアルタイム通信が可能になります。2kHzのサイクルタイムを達成し、さまざまなサブシステムでループをクローズするのに十分な帯域幅が得られ、制御とネットワーク能力が大幅に拡張されました。」コンパクトなEtherCAT I/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、PCベースコントローラをI/Oから離れた場所に配置できるため、放熱を低減できます。「放熱の低減はGMTにとって非常に重要です」とスウェット氏は付け加えます。「熱はエンクロージャ内の空気をより乱流させ、乱流は光が空気を通過する際に像を歪ませます。この分散I/Oアーキテクチャがそれを防止するのに役立ちます。」

ベックホフからの支援とアドバイス、厳格なテスト、適切なソリューションを見つけるための献身が、産業用オートメーションと制御コンポーネントの実装を現実のものにしました。その規模と複雑さに加え、同様のオフザシェルフコンポーネントを使用する他の機械とGMTの大きな違いは一点だとソト氏は言います。「これは一回限りのプロジェクトです。生産ラインから次々と出てくる多くの機械の一つではありません。したがって、主な課題は設計を完璧にし、望遠鏡に適した製品を最初から正しく選定することです。」

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