Construção de telescópio gigante vista através de uma lente industrial

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

Uma vez instalado no Observatório Las Campanas, nos Andes chilenos, o Telescópio Gigante de Magalhães (GMT) apresentará oportunidades incríveis para as comunidades de pesquisa em astrofísica e cosmologia. O design do telescópio possui uma resolução angular 10 vezes maior que a do Telescópio Espacial Hubble, combinando sete espelhos em um sistema óptico singular com um diâmetro total de 25 metros. Quando o GMT estiver online em 2029, ele representará a próxima evolução dos telescópios gigantes terrestres que se tornaram possíveis na década de 1990 com o advento de novas tecnologias de controle industrial. A tecnologia dos telescópios mudou significativamente desde aqueles dias por meio de 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 atualmente possível, reduzindo as distorções introduzidas pela atmosfera terrestre. Também permitirá que os cientistas examinem o primeiro bilhão de anos após o Big Bang, de acordo com o ex-vice-presidente da GMTO Corporation, Dr. Patrick McCarthy.

Com esses recursos e requisitos extremos, o GMT pode parecer ter pouco em comum com maquinário de produção geral e automação de fábrica. Na verdade, cientistas e engenheiros que trabalham em projetos semelhantes de telescópios tradicionalmente construíram suas próprias soluções de automação usando componentes de controle personalizados; no entanto, a equipe que está construindo o GMT vê isso de forma diferente, explicou o Engenheiro Eletrônico Sênior da GMTO, José Soto. “Queremos mudar o método histórico de tratar os telescópios como especiais e totalmente diferentes de outros sistemas automatizados. As soluções de controle industrial voltadas para o futuro têm o poder de resolver muitos problemas que enfrentamos hoje na astrofísica.”

Da sede da GMTO em Pasadena, CA, leva cerca de 24 horas de viagem para chegar ao cume no Observatório Las Campanas. O local é ideal para astronomia devido à sua elevação e histórico documentado de clima favorável, poluição luminosa mínima e fluxo de ar suave, o que reduz a distorção da imagem devido à falta de homogeneidade de calor e turbulência. Como resultado, a Carnegie Institution for Science em Washington, DC comprou cerca de 60 milhas quadradas dessa área montanhosa em meados da década de 1960 e, desde então, vários telescópios foram construídos lá. Eventualmente, Carnegie tornou-se uma das 12 instituições parceiras fundadoras da GMTO.

Embora a jornada até o cume seja longa, a jornada 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 físicas e os sistemas do telescópio, de acordo com o gerente de projeto do GMTO, Dr. James Fanson. As equipes têm trabalhado para moldar espelhos no Laboratório de Espelhos Richard F. Caris da Universidade do Arizona desde 2005 e a GMTO inaugurou o pico de Las Campanas em 2015, disse Fanson, que anteriormente liderou projetos de telescópio e astrofísica no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. “Desde 2015, construímos escritórios, infraestrutura de construção e instalações residenciais, gastronômicas e recreativas para acomodar até 200 trabalhadores da construção civil e funcionários da GMTO”, disse Fanson.

Especificar componentes de automação e controles para o GMT também exigiu uma 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 o gabinete de 22 andares do telescópio, os espelhos flexíveis devem ser movidos com a máxima precisão para implementar a ótica adaptativa e alcançar a resolução de imagem mais alta 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 futuros avanços na tecnologia, explicou Soto. “Como esses projetos são demorados, devemos levar em conta a obsolescência em todos os aspectos. O método mais eficaz de combater a obsolescência é a padronização de tecnologias industriais comprovadas.” Esses fatores levaram a GMTO a padronizar muitas especificações para o sistema de controle usando padrões industriais, como os encontrados nas soluções oferecidas pela Beckhoff Automation.

Procurando soluções de automação baseadas em PC

Os engenheiros da GMTO começaram a explorar as soluções de automação e controle industrial oferecidas pela Beckhoff para satisfazer o desejo da equipe de implementar tecnologias fieldbus em maior grau do que outros telescópios alcançaram anteriormente. Os engenheiros examinaram várias redes Ethernet industriais, mas descobriram que o EtherCAT fornece uma topologia e escalabilidade flexíveis - juntamente 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 de telescópios GMT – desde os espelhos primários até o compensador de dispersão atmosférica, o gabinete, montagem e até a automação predial nas instalações”, disse Soto. De acordo com o engenheiro do GMTO Hector Swett, o Safety over EtherCAT (FSoE) também ofereceu uma funcionalidade impressionante para os sistemas de intertravamento e segurança do telescópio. O FSoE fornece ao GMT comunicação com classificação de segurança e certificação TÜV em redes EtherCAT padrão, várias opções para módulos de E/S Twin-SAFE distribuídos e integração com o ambiente de engenharia da Beckhoff e PCs industriais (IPCs).

Certas especificações GMT atuais recomendam vários controladores baseados em PC que podem ser atendidos pelas soluções da Beckhoff. O sistema de intertravamento e segurança conta com muitos controladores de segurança, PCs embutidos CX9020 montados em trilho DIN, trabalhando em conjunto com os módulos de E/S EL6910 TwinSAFE Logic. Estes interagem entre si através do FSoE via EtherCAT Automation Profile (EAP) para implementar funções de segurança conforme exigido pela análise de risco, disse Swett. PCs incorporados Beckhoff CX2020 com Intel de 1,4 GHz de núcleo único ^® Celeron ^® processadores são usados ​​no GMT Hardware Development Kit, que foi construído para os parceiros do projeto desenvolverem instrumentos para o telescópio. Além do desempenho, o design robusto desses controladores continua sendo fundamental. “Observatórios localizados em cumes remotos de montanhas enfrentam condições adversas que esses IPCs podem suportar facilmente”, explicou Soto. “Além disso, os PCs integrados ofereceram grande escalabilidade e formatos pequenos, o que economiza espaço valioso nos gabinetes de controle.”

O software de automação TwinCAT 3 da Beckhoff ofereceu uma plataforma chave para testar dispositivos e é especificado para o controle das estruturas ao redor do telescópio. “O controlador baseado em PC para o gabinete do telescópio executará o TwinCAT diretamente”, disse Swett. “Ele também fornece a capacidade em tempo real de fazer a interface desse aplicativo maciço 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 por meio de ADS e EtherCAT, fornecendo uma plataforma ideal para tarefas de detecção a controle de movimento.

Como o telescópio terá milhares de eixos de movimento, motores e acionamentos confiáveis ​​serão cruciais na configuração final. Soto acha as capacidades dos servomotores Beckhoff AM8000 impressionantes e os vê como um sério concorrente para várias áreas em todo o telescópio. “Quando nossas equipes de integradores começarem a comissionar o telescópio, eles provavelmente usarão servomotores AM8000, por exemplo, no compensador de dispersão atmosférica ou no GIR (Gregorian Instrument Rotator) que moverá todos os instrumentos conectados ao foco Cassegrain”, disse Soto.

Tecnologias e criatividade redefinem nosso universo

Depois de décadas em construção, o objetivo final está entrando em foco para o GMTO e os componentes confiáveis ​​de automação e controles especificados para o telescópio adicionam clareza. O EtherCAT primeiro levou os engenheiros do GMTO a Beckhoff e continua sendo fundamental para o projeto da arquitetura de controle do telescópio, explicou Soto. “Usar o EtherCAT como fieldbus GMT permite a comunicação em tempo real até o nível de E/S. Alcançamos tempos de ciclo de 2 kHz, o que permite largura de banda suficiente para fechar o loop em uma variedade de subsistemas, expandindo significativamente nossas habilidades de controle e rede.” Os módulos de E/S EtherCAT compactos e os PCs Embarcados economizam espaço nos gabinetes de controle e, como os controladores baseados em PC podem ser localizados a uma distância das E/Ss, isso reduz a dissipação de calor. “Reduzir o calor é um grande negócio para o GMT”, acrescentou Swett. “O calor torna o ar mais turbulento dentro do recinto e a turbulência distorce as imagens à medida que a luz viaja pelo ar. Essa arquitetura de E/S distribuída nos ajuda a evitar isso.”

A assistência e aconselhamento da Beckhoff - combinados com testes rigorosos e dedicação para encontrar as soluções certas - tornaram a implementação de componentes de automação e controles industriais uma realidade. Além de seu tamanho e complexidade, disse Soto, o GMT tem uma grande diferença entre outras máquinas que usam componentes similares de prateleira:“Este é um projeto único. Não é uma das muitas máquinas que descem 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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