산업용 렌즈로 본 거대 망원경 구조

Beckhoff Automation
미네소타주 새비지
www.beckhoffautomation.com/usa

칠레 안데스 산맥의 라스 캄파나스 천문대에 설치된 거대 마젤란 망원경(GMT)은 천체 물리학 및 우주론 연구 커뮤니티에 놀라운 기회를 제공할 것입니다. 망원경 디자인은 7개의 거울을 총 직경 25미터의 단일 광학 시스템으로 결합하여 허블 우주 망원경보다 10배 더 큰 각도 분해능을 자랑합니다. 2029년에 GMT가 가동되면 새로운 산업 제어 기술의 출현으로 1990년대에 가능해진 거대한 지상 기반 망원경의 차세대 진화를 나타낼 것입니다. 망원경 기술은 고급 컴퓨터 아키텍처, 현대 프로그래밍 언어, 실시간 산업 프로토콜, 웹 기반 표준 및 특수 컨트롤러를 통해 그 이후로 크게 변화했습니다.

이러한 발전을 통해 GMT는 지구 대기로 인한 왜곡을 줄임으로써 현재 가능한 것보다 더 선명한 천체 이미지를 캡처할 수 있습니다. 또한 전 GMTO Corporation 부사장인 Dr. Patrick McCarthy에 따르면 이를 통해 과학자들은 빅뱅 이후 처음 10억 년을 되돌아볼 수 있게 될 것이라고 합니다.

이러한 극한의 기능과 요구 사항으로 인해 GMT는 일반 생산 기계 및 공장 자동화와 공통점이 거의 없는 것처럼 보일 수 있습니다. 사실, 유사한 망원경 프로젝트에서 일하는 과학자와 엔지니어는 전통적으로 맞춤형 제어 구성 요소를 사용하여 자체 자동화 솔루션을 구축했습니다. 그러나 GMT를 구축하는 팀은 이를 다르게 보고 있다고 GMTO 수석 전자 엔지니어인 José Soto가 설명했습니다. “우리는 망원경을 다른 자동화 시스템과 완전히 다르게 특별하게 취급하는 역사적 방법을 바꾸고 싶습니다. 미래 지향적인 산업 제어 솔루션은 오늘날 천체 물리학에서 직면한 많은 문제를 해결할 수 있는 힘을 가지고 있습니다.”

캘리포니아 주 패서디나에 있는 GMTO 본부에서 라스 캄파나스 천문대 정상에 도달하려면 약 24시간이 걸립니다. 이 사이트는 높은 고도와 문서화된 유리한 날씨, 최소한의 빛 공해, 부드러운 기류로 인해 천문학에 최적이며, 열과 난기류의 불균일성으로 인한 이미지 왜곡을 줄입니다. 그 결과 워싱턴 DC에 있는 카네기 과학 연구소는 1960년대 중반에 이 산악 지역의 약 60평방마일을 구입했으며 그 이후로 여러 대의 망원경이 그곳에 건설되었습니다. 결국 Carnegie는 GMTO의 12개 창립 파트너 기관 중 하나가 되었습니다.

정상 회담까지의 여정은 길지만 개념에서 완료까지의 GMT 여정에도 인내가 필요했습니다. GMTO 프로젝트 관리자인 Dr. James Fanson에 따르면 GMTO 프로젝트가 2000년대 초에 시작된 이래 엔지니어, 과학자 및 관리자는 망원경의 물리적 구조와 시스템을 설계하기 위해 노력해 왔습니다. NASA의 제트 추진 연구소에서 망원경 및 천체 물리학 프로젝트를 주도했던 Fanson은 승무원들이 2005년부터 애리조나 대학의 Richard F. Caris Mirror Laboratory에서 거울 모양을 만드는 작업을 했으며 GMTO는 2015년 Las Campanas 봉우리에 착공했다고 말했습니다. Fanson은 "2015년부터 최대 200명의 건설 노동자와 GMTO 직원을 수용할 수 있는 사무실, 건설 기반 시설, 거주지, 식당 및 레크리에이션 시설을 건설했습니다."라고 말했습니다.

GMT에 대한 자동화 및 제어 구성 요소를 지정하는 것도 실시간 통신 및 제어 요구 사항으로 인해 신중한 고려가 필요했습니다. 특히 시스템이 3,000개 이상의 모션 축을 소유할 것이라는 점을 고려하면 더욱 그렇습니다. 망원경의 22층 높이 인클로저를 회전하는 것 외에도 유연한 거울을 최대한 정밀하게 움직여서 적응형 광학 장치를 구현하고 가능한 최고의 이미지 해상도를 달성해야 합니다. 한 가지 예는 각 미러의 질량을 지원하기 위해 기본 미러당 170개의 공압 액추에이터를 통합해야 하는 능동 광학 시스템입니다. 엔지니어링 팀은 현재 강력하지만 미래의 기술 발전을 지원할 자동화 및 제어 구성 요소의 필요성을 확인했다고 Soto는 설명했습니다. “이러한 프로젝트는 시간이 오래 걸리기 때문에 모든 면에서 노후화를 고려해야 합니다. 노후화에 대처하는 가장 효과적인 방법은 검증된 산업 기술을 표준화하는 것입니다.” 이러한 요인으로 인해 GMTO는 Beckhoff Automation이 제공하는 솔루션에서 볼 수 있는 것과 같은 산업 표준을 사용하여 제어 시스템에 대한 많은 사양을 표준화했습니다.

PC 기반 자동화 솔루션 모색

GMTO 엔지니어들은 이전에 다른 망원경이 달성한 것보다 더 큰 수준으로 필드버스 기술을 구현하려는 팀의 욕구를 충족시키기 위해 Beckhoff가 제공하는 산업 자동화 및 제어 솔루션을 탐색하기 시작했습니다. 엔지니어들은 여러 산업용 이더넷 네트워크를 조사했지만 하나의 네트워크에 최대 65,535개의 EtherCAT 장치를 통합할 수 있는 기능과 함께 GMT의 시스템 사양과 일치하는 유연한 토폴로지와 확장성을 제공하는 EtherCAT을 발견했습니다. Soto는 "EtherCAT은 기본 거울부터 대기 분산 보정기, 인클로저, 마운트, 심지어 건물 자동화에 이르기까지 거의 모든 GMT 망원경 시스템에 내장될 것입니다."라고 말했습니다. GMTO 엔지니어 Hector Swett에 따르면 FSoE(Safety over EtherCAT)는 망원경의 인터록 및 안전 시스템에도 인상적인 기능을 제공했습니다. FSoE는 표준 EtherCAT 네트워크를 통한 안전 등급의 TÜV 인증 통신, 분산된 Twin-SAFE I/O 모듈을 위한 다양한 옵션, Beckhoff 엔지니어링 환경 및 산업용 PC(IPC)와의 통합을 GMT에 제공합니다.

특정 현재 GMT 사양은 Beckhoff 솔루션으로 충족될 수 있는 여러 PC 기반 컨트롤러를 권장합니다. 인터록 및 안전 시스템은 EL6910 TwinSAFE 로직 I/O 모듈과 함께 작동하는 많은 안전 컨트롤러, DIN 레일 장착 CX9020 임베디드 PC에 의존합니다. 이들은 EtherCAT Automation Profile(EAP)을 통해 FSoE를 통해 서로 인터페이스하여 위험 분석에 필요한 안전 기능을 구현한다고 Swett은 말했습니다. 단일 코어 1.4GHz Intel ^® 이 탑재된 Beckhoff CX2020 임베디드 PC 셀러론 ^® 프로세서는 프로젝트 파트너가 망원경용 기기를 개발할 수 있도록 제작된 GMT 하드웨어 개발 키트에 사용됩니다. 성능 외에도 이러한 컨트롤러의 견고한 설계가 핵심입니다. "외딴 산꼭대기에 위치한 천문대는 이러한 IPC가 쉽게 견딜 수 있는 가혹한 조건을 경험합니다."라고 Soto가 설명했습니다. "또한 임베디드 PC는 뛰어난 확장성과 소형 폼 팩터를 제공하여 제어 캐비닛의 귀중한 공간을 절약합니다."

Beckhoff의 TwinCAT 3 자동화 소프트웨어는 장치를 테스트하기 위한 핵심 플랫폼을 제공했으며 망원경 주변의 구조를 제어하기 위해 지정되었습니다. "망원경 인클로저용 PC 기반 컨트롤러는 TwinCAT을 직접 실행할 것입니다."라고 Swett은 말했습니다. "또한 OPC UA를 통해 이 대규모 애플리케이션을 관측소 제어 시스템과 연결하는 실시간 기능을 제공합니다." 시스템 개방성을 보여주는 TwinCAT은 Microsoft Visual Studio ^® 에서 제공되는 개체 지향 확장 및 컴퓨터 과학 언어를 포함하여 IEC 61131-3과 같은 다양한 언어로 제어 논리 프로그래밍을 지원합니다. . 소프트웨어는 ADS 및 EtherCAT을 통해 타사 장치를 자동으로 스캔하고 구성하여 감지에서 모션 제어에 이르는 작업을 위한 최적의 플랫폼을 제공합니다.

망원경은 수천 개의 운동 축을 가지므로 최종 구성에서 신뢰할 수 있는 모터와 드라이브가 중요합니다. Soto는 Beckhoff AM8000 서보모터의 기능이 인상적이며 이를 망원경 전체의 여러 영역에 대한 진지한 경쟁자로 보고 있습니다. Soto는 "우리 통합 팀이 망원경을 시운전하기 시작하면 대기 분산 보정기 또는 GIR(Gregorian Instrument Rotator)에서 AM8000 서보 모터를 사용할 가능성이 매우 높습니다. 이 모터는 Cassegrain 초점에 부착된 모든 기기를 움직일 것입니다."라고 말했습니다.

기술과 창의성이 우리 우주를 재정의합니다

수십 년에 걸친 제작 끝에 최종 목표는 GMTO의 초점이 되었으며 망원경에 지정된 신뢰할 수 있는 자동화 및 제어 구성 요소는 명확성을 더해줍니다. EtherCAT은 처음에 GMTO 엔지니어들을 Beckhoff로 이끌었고 이것이 망원경의 제어 아키텍처 설계의 기초로 남아 있다고 Soto는 설명했습니다. “EtherCAT을 GMT 필드버스로 사용하면 I/O 수준까지 실시간 통신이 가능합니다. 우리는 2kHz의 주기 시간을 달성하여 다양한 하위 시스템에서 루프를 닫을 수 있는 충분한 대역폭을 허용하여 제어 및 네트워킹 능력을 크게 확장합니다." Compact EtherCAT I/O 모듈 및 Embedded PC는 제어 캐비닛의 공간을 절약하고 PC 기반 컨트롤러를 I/O에서 멀리 배치할 수 있기 때문에 열 발산을 줄입니다. "열을 줄이는 것은 GMT에서 매우 중요한 일입니다."라고 Swett은 덧붙였습니다. “열은 인클로저 내부의 공기를 더 난기류로 만들고 난기류는 빛이 공기를 통과할 때 이미지를 왜곡합니다. 이 분산 I/O 아키텍처는 이를 방지하는 데 도움이 됩니다.”

Beckhoff의 지원과 조언은 엄격한 테스트와 올바른 솔루션을 찾기 위한 헌신과 결합되어 산업 자동화 및 제어 구성 요소의 구현을 현실로 만들었습니다. 크기와 복잡성 외에도 GMT는 유사한 기성품 구성 요소를 사용하는 다른 기계와 한 가지 주요 차이점이 있습니다. “이것은 일회성 프로젝트입니다. 생산 라인에서 내려오는 많은 기계 중 하나가 아닙니다. 따라서 주요 과제는 설계를 완벽하게 하고 처음으로 망원경에 적합한 제품을 선택하는 것입니다.”

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