Construindo o Telescópio Gigante Magellan: Uma Perspectiva de Engenharia Industrial

Construindo o Telescópio Gigante Magellan: Uma Perspectiva de Engenharia Industrial

Uma vez instalado no Observatório Las Campanas, nos Andes chilenos, o Telescópio Gigante Magellan (GMT) abrirá oportunidades incríveis para as comunidades de pesquisa em astrofísica e cosmologia. O design do telescópio ostenta uma resolução angular 10 vezes maior que a do Telescópio Espacial Hubble, ao combinar sete espelhos em um único sistema óptico com diâmetro total de 25 metros. Quando o GMT entrar em operação em 2029, representará a próxima evolução dos grandes telescópios terrestres que se tornaram possíveis nos anos 1990 com o advento de novas tecnologias de controle industrial. A tecnologia de telescópios mudou significativamente desde então, graças a arquiteturas de computador avançadas, linguagens de programação modernas, protocolos industriais em tempo real, padrões baseados na web e controladores especializados.

Esses avanços permitirão que o GMT capture imagens de objetos astronômicos mais nítidas do que as atualmente possíveis, reduzindo as distorções introduzidas pela atmosfera terrestre. Também permitirá que cientistas observem os primeiros bilhões de anos após o Big Bang, segundo o ex-vice-presidente da GMTO Corporation, Dr. Patrick McCarthy.

Com essas capacidades e requisitos extremos, o GMT pode parecer ter pouco em comum com máquinas de produção geral e automação de fábrica. De fato, cientistas e engenheiros trabalhando em projetos semelhantes de telescópios tradicionalmente construíam suas próprias soluções de automação usando componentes de controle personalizados; no entanto, a equipe que constrói o GMT vê isso de forma diferente, explicou o Engenheiro Eletrônico Sênior da GMTO, José Soto. "Queremos mudar o método histórico de tratar telescópios como especiais e totalmente diferentes de outros sistemas automatizados. Soluções de controle industrial voltadas para o futuro têm o poder de resolver muitos problemas que enfrentamos hoje na astrofísica."

A partir da sede da GMTO em Pasadena, CA, leva cerca de 24 horas de viagem para chegar ao cume do Observatório Las Campanas. O local é ideal para astronomia devido à sua altitude e histórico documentado de clima favorável, poluição luminosa mínima e fluxo de ar suave, que reduz a distorção de imagem devido a inhomogeneidades de calor e turbulência. Como resultado, a Carnegie Institution for Science em Washington, DC, comprou cerca de 155 km² dessa área montanhosa em meados dos anos 1960 e, desde então, vários telescópios foram construídos lá. Eventualmente, a Carnegie tornou-se uma das 12 instituições parceiras fundadoras da GMTO.

Embora a jornada ao cume seja longa, a jornada do GMT do conceito à conclusão também exigiu perseverança. Desde que o projeto GMTO começou no início dos anos 2000, engenheiros, cientistas e administradores têm trabalhado para projetar as estruturas e sistemas físicos do telescópio, segundo o Gerente de Projeto da GMTO, Dr. James Fanson. Equipes têm trabalhado para moldar espelhos no Laboratório de Espelhos Richard F. Caris da Universidade do Arizona desde 2005 e a GMTO iniciou a construção no pico de Las Campanas em 2015, disse Fanson, que anteriormente liderou projetos de telescópios e astrofísica no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. "Desde 2015, construímos escritórios, infraestrutura de construção e instalações de residência, refeição e recreação para acomodar até 200 trabalhadores da construção e funcionários da GMTO", disse Fanson.

A especificação de componentes de automação e controle para o GMT também exigiu consideração cuidadosa devido aos requisitos de comunicação e controle em tempo real, especialmente considerando que o sistema possuirá mais de 3.000 eixos de movimento. Além de girar a cúpula de 22 andares do telescópio, os espelhos flexíveis devem ser movidos com precisão extrema para implementar óptica adaptativa e alcançar a maior resolução de imagem possível. Um exemplo é o sistema de óptica ativa, que requer a integração de 170 atuadores pneumáticos por espelho primário para suportar a massa de cada espelho. A equipe de engenharia identificou a necessidade de componentes de automação e controle que fossem poderosos agora, mas que também suportassem avanços futuros em tecnologia, explicou Soto. "Como esses projetos levam muito tempo, devemos considerar a obsolescência em todos os aspectos. O método mais eficaz de combater a obsolescência é padronizar em tecnologias industriais comprovadas." Esses fatores levaram a GMTO a padronizar muitas especificações para o sistema de controle usando padrões industriais como os encontrados em soluções oferecidas pela Beckhoff Automation.

Olhando para Soluções de Automação Baseadas em PC

Engenheiros da GMTO começaram a explorar soluções de automação e controle industrial oferecidas pela Beckhoff para satisfazer o desejo da equipe de implementar tecnologias de fieldbus em um grau maior do que outros telescópios haviam alcançado anteriormente. Os engenheiros examinaram várias redes Ethernet industriais, mas descobriram que o EtherCAT oferecia uma topologia flexível e escalabilidade — junto com a capacidade de incorporar até 65.535 dispositivos EtherCAT em uma rede — que correspondia à especificação do sistema do GMT. "O EtherCAT será incorporado em quase todos os sistemas do telescópio GMT — desde os espelhos primários até o compensador de dispersão atmosférica, a cúpula, a montagem e até a automação predial nas instalações", disse Soto. Segundo o Engenheiro da GMTO Hector Swett, o Safety over EtherCAT (FSoE) também ofereceu funcionalidade impressionante para os sistemas de intertravamento e segurança do telescópio. O FSoE fornece ao GMT comunicação segura, certificada pela TÜV, sobre redes EtherCAT padrão, numerosas opções para módulos de I/O distribuídos TwinSAFE e integração com o ambiente de engenharia Beckhoff e PCs industriais (IPCs).

Certas especificações atuais do GMT recomendam múltiplos controladores baseados em PC que poderiam ser atendidos por soluções Beckhoff. O sistema de intertravamento e segurança depende de muitos controladores de segurança, PCs Embarcados CX9020 montados em trilho DIN, trabalhando em conjunto com módulos de I/O Lógico TwinSAFE EL6910. Estes se interligam através de FSoE via Perfil de Automação EtherCAT (EAP) para implementar funções de segurança conforme exigido pela análise de risco, disse Swett. PCs Embarcados Beckhoff CX2020 com processadores Intel® Celeron® single-core de 1.4 GHz são usados no Kit de Desenvolvimento de Hardware do GMT, construído para os parceiros do projeto desenvolverem instrumentos para o telescópio. Além do desempenho, o design robusto desses controladores permanece fundamental. "Observatórios localizados em topos de montanhas remotos experimentam condições adversas que esses IPCs podem suportar facilmente", explicou Soto. "Além disso, os PCs embarcados oferecem grande escalabilidade e formatos compactos, o que economiza espaço valioso em gabinetes de controle."

O software de automação TwinCAT 3 da Beckhoff ofereceu uma plataforma chave para testar dispositivos e é especificado para controle das estruturas ao redor do telescópio. "O controlador baseado em PC para a cúpula do telescópio rodará o TwinCAT diretamente", disse Swett. "Ele também fornece a capacidade em tempo real de interligar esta aplicação massiva com o sistema de controle do observatório via OPC UA." Exemplificando a abertura do sistema, o TwinCAT suporta programação de lógica de controle em muitas linguagens — como as da IEC 61131-3 — incluindo extensões orientadas a objetos e linguagens de ciência da computação oferecidas no Microsoft Visual Studio®. O software pode escanear e configurar automaticamente dispositivos de terceiros via ADS e EtherCAT, fornecendo uma plataforma ideal para tarefas desde sensoriamento até controle de movimento.

Como o telescópio terá milhares de eixos de movimento, motores e acionamentos confiáveis serão cruciais na configuração final. Soto considera as capacidades dos servomotores Beckhoff AM8000 impressionantes e os vê como candidatos sérios para várias áreas do telescópio. "Quando nossas equipes de integração começarem a comissionar o telescópio, elas muito provavelmente usarão servomotores AM8000, por exemplo, no compensador de dispersão atmosférica ou no GIR (Rotador de Instrumento Gregoriano) que moverá todos os instrumentos acoplados ao foco Cassegrain", disse Soto.

Tecnologias e Criatividade Redefinem Nosso Universo

Após décadas em desenvolvimento, a meta final está entrando em foco para a GMTO e os componentes confiáveis de automação e controle especificados para o telescópio trazem clareza. O EtherCAT levou primeiro os engenheiros da GMTO à Beckhoff e permanece fundamental para o design da arquitetura de controle do telescópio, explicou Soto. "Usar o EtherCAT como fieldbus do GMT permite comunicação em tempo real até o nível de I/O. Alcançamos tempos de ciclo de 2 kHz, o que permite largura de banda suficiente para fechar o laço em uma variedade de subsistemas, expandindo significativamente nossas capacidades de controle e rede." Módulos compactos de I/O EtherCAT e PCs Embarcados economizam espaço em gabinetes de controle e, como os controladores baseados em PC podem ser localizados a uma distância dos I/Os, isso reduz a dissipação de calor. "Reduzir calor é um grande negócio para o GMT", acrescentou Swett. "O calor torna o ar mais turbulento dentro da cúpula e a turbulência distorce as imagens enquanto a luz viaja pelo ar. Essa arquitetura de I/O distribuído nos ajuda a prevenir isso."

Assistência e aconselhamento da Beckhoff — combinados com testes rigorosos e dedicação em encontrar as soluções certas — tornaram a implementação de componentes de automação e controle industrial uma realidade. Além de seu tamanho e complexidade, Soto disse que o GMT tem uma grande diferença em relação a outras máquinas que usam componentes prontos semelhantes: "Este é um projeto único. Não é uma de muitas máquinas saindo de uma linha de produção. Portanto, os principais desafios são aperfeiçoar o design e selecionar os produtos certos para o telescópio na primeira vez."

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