거대 마젤란 망원경 건설: 산업 공학적 관점

거대 마젤란 망원경(GMT) 개요

칠레 안데스 산맥의 라스 캄파나스 천문대에 설치되면 거대 마젤란 망원경(GMT)은 천체물리학 및 우주론 연구 공동체에 놀라운 기회를 제공할 것입니다. 이 망원경은 7개의 거울을 하나의 광학 시스템으로 결합하여 총 직경 25미터를 달성함으로써 허블 우주 망원경보다 10배 더 뛰어난 각해상도를 자랑합니다. 2029년 가동 시 GMT는 1990년대 새로운 산업 제어 기술의 등장으로 가능해진 차세대 거대 지상 망원경의 진화를 나타낼 것입니다. 첨단 컴퓨터 아키텍처, 현대 프로그래밍 언어, 실시간 산업 프로토콜, 웹 기반 표준, 특수 컨트롤러 등을 통해 망원경 기술은 그 시절부터 크게 발전했습니다.

대기 왜곡 극복과 우주 기원 탐구

이러한 발전은 지상 대기가 유발하는 왜곡을 줄여 현재보다 더 선명한 천체 이미지 포착을 가능하게 합니다. 전 GMTO 부사장 패트릭 맥카시 박사에 따르면, 과학자들은 빅뱅 이후 처음 10억 년을 들여다볼 수 있게 될 것입니다.

산업 자동화 기술의 천문학 적용

이러한 극한의 능력과 요구 사항을 고려할 때 GMT는 일반 생산 기계 및 공장 자동화와 공통점이 없어 보일 수 있습니다. 사실 유사한 망원경 프로젝트에서 일하는 과학자와 엔지니어들은 전통적으로 맞춤형 제어 구성 요소를 사용하여 자체 자동화 솔루션을 구축해 왔습니다. 그러나 GMT를 구축하는 팀은 다르게 생각한다고 GMTO 선임 전자 엔지니어 호세 소토는 설명합니다. "망원경을 다른 자동화 시스템과 완전히 다른 특수한 것으로 취급하던 역사적 방식을 바꾸고 싶습니다. 미래 지향적 산업 제어 솔루션은 오늘날 천체물리학이 직면한 많은 문제를 해결할 힘을 가지고 있습니다."

최적의 관측 환경: 라스 캄파나스 천문대

캘리포니아 패서디나의 GMTO 본부에서 라스 캄파나스 천문대 정상까지는 약 24시간의 이동이 필요합니다. 이 부지는 고도와 양호한 기상 기록, 최소한의 빛 공해, 부드러운 기류로 인해 열 및 난류의 불균질성으로 인한 이미지 왜곡을 줄여 천문학에 최적입니다. 그 결과 워싱턴 DC의 카네기 과학 연구소는 1960년대 중반 이 산악 지대 약 60평방 마일을 구입했고, 이후 여러 망원경이 건설되었습니다. 결국 카네기는 GMTO의 12개 창립 파트너 기관 중 하나가 되었습니다.

개념에서 완공까지: 긴 여정

정상까지의 여정이 길듯, GMT의 개념에서 완공까지의 여정에도 인내가 필요했습니다. GMTO 프로젝트가 2000년대 초 시작된 이래 엔지니어, 과학자, 관리자들은 망원경의 물리적 구조와 시스템 설계에 힘써왔다고 GMTO 프로젝트 매니저 제임스 팬슨 박사는 말합니다. 2005년부터 애리조나 대학교 리처드 F. 카리스 거울 연구소에서 거울 가공 작업이 진행 중이며, 2015년 라스 캄파나스 봉우리에서 기공식을 가졌다고 팬슨은 전합니다. 그는 이전에 NASA 제트 추진 연구소에서 망원경 및 천체물리학 프로젝트를 이끌었습니다. "2015년 이후 최대 200명의 건설 노동자와 GMTO 직원을 수용할 사무실, 건설 인프라, 숙소, 식당, 레크리에이션 시설을 건설했습니다."라고 팬슨은 말했습니다.

3,000축 이상의 모션 제어: 자동화 구성 요소 선정

GMT의 자동화 및 제어 구성 요소 지정도 실시간 통신 및 제어 요구 사항, 특히 시스템이 3,000축 이상의 모션을 갖게 된다는 점을 고려하여 신중한 검토가 필요했습니다. 망원경의 22층 높이 인클로저 회전 외에도 유연한 거울은 적응 광학을 구현하고 가능한 최고 이미지 해상도를 달성하기 위해 극도로 정밀하게 움직여야 합니다. 한 예로 능동 광학 시스템은 주경 1개당 170개의 공압 액추에이터 통합을 요구하여 각 거울의 질량을 지지합니다. 엔지니어링 팀은 현재 강력할 뿐만 아니라 미래 기술 발전도 지원할 자동화 및 제어 구성 요소가 필요하다고 판단했다고 소토는 설명합니다. "이러한 프로젝트는 오랜 시간이 걸리므로 모든 측면에서 노후화를 고려해야 합니다. 노후화에 대처하는 가장 효과적인 방법은 검증된 산업 기술을 표준화하는 것입니다." 이러한 요인들은 GMTO가 베크호프 오토메이션(BECKHOFF Automation) 솔루션에서 찾아볼 수 있는 산업 표준을 사용하여 제어 시스템의 많은 사양을 표준화하도록 이끌었습니다.

PC 기반 자동화 솔루션 모색

GMTO 엔지니어들은 베크호프가 제공하는 산업 자동화 및 제어 솔루션을 탐색하기 시작했습니다. 이는 다른 망원경이 이전에 달성한 것보다 더 높은 수준으로 필드버스 기술을 구현하려는 팀의 바람을 충족시키기 위함이었습니다. 엔지니어들은 여러 산업용 이더넷 네트워크를 검토했지만, 유연한 토폴로지와 확장성, 단일 네트워크에 최대 65,535개의 EtherCAT 장치를 통합할 수 있는 능력이 GMT의 시스템 사양과 일치한다는 이유로 EtherCAT을 선택했습니다. "EtherCAT은 주경부터 대기 분산 보상기, 인클로저, 마운트, 심지어 시설의 빌딩 자동화까지 거의 모든 GMT 망원경 시스템에 내장될 것입니다."라고 소토는 말했습니다. GMTO 엔지니어 헥터 스윗에 따르면, Safety over EtherCAT(FSoE)도 망원경의 인터록 및 안전 시스템에 인상적인 기능을 제공했습니다. FSoE는 표준 EtherCAT 네트워크를 통해 안전 등급의 TÜV 인증 통신, 분산 TwinSAFE I/O 모듈의 다양한 옵션, 베크호프 엔지니어링 환경 및 산업용 PC(IPC)와의 통합을 GMT에 제공합니다.

임베디드 PC 및 TwinCAT 3 소프트웨어

현재 GMT 사양 중 일부는 베크호프 솔루션으로 충족될 수 있는 여러 PC 기반 컨트롤러를 권장합니다. 인터록 및 안전 시스템은 DIN 레일 장착형 CX9020 임베디드 PC인 다수의 안전 컨트롤러에 의존하며, EL6910 TwinSAFE Logic I/O 모듈과 함께 작동합니다. 이들은 EtherCAT Automation Profile(EAP)을 통해 FSoE로 상호 인터페이스하여 위험 분석에서 요구하는 안전 기능을 구현한다고 스윗은 말했습니다. 단일 코어 1.4GHz 인텔® 셀러론® 프로세서를 탑재한 베크호프 CX2020 임베디드 PC는 망원경용 기기 개발을 위해 프로젝트 파트너들을 위해 구축된 GMT 하드웨어 개발 키트에 사용됩니다. 성능 외에도 이 컨트롤러의 견고한 설계가 핵심입니다. "외딴 산꼭대기에 위치한 천문대는 이러한 IPC가 쉽게 견딜 수 있는 가혹한 조건을 경험합니다."라고 소토는 설명했습니다. "또한 임베디드 PC는 뛰어난 확장성과 소형 폼 팩터를 제공하여 제어 캐비닛의 귀중한 공간을 절약합니다."

베크호프의 TwinCAT 3 자동화 소프트웨어는 장치 테스트를 위한 핵심 플랫폼을 제공했으며 망원경 주변 구조물 제어용으로 지정되었습니다. "망원경 인클로저용 PC 기반 컨트롤러는 TwinCAT을 직접 실행할 것입니다."라고 스윗은 말했습니다. "또한 OPC UA를 통해 이 거대한 애플리케이션을 천문대 제어 시스템과 인터페이스할 수 있는 실시간 기능을 제공합니다." 시스템 개방성을 보여주듯 TwinCAT은 IEC 61131-3에 포함된 언어를 포함한 다양한 언어로 제어 로직 프로그래밍을 지원하며, 객체 지향 확장과 Microsoft Visual Studio®에서 제공하는 컴퓨터 과학 언어도 지원합니다. 이 소프트웨어는 ADS와 EtherCAT을 통해 서드파티 장치를 자동으로 스캔하고 구성할 수 있어 감지부터 모션 제어까지 다양한 작업에 최적의 플랫폼을 제공합니다.

서보모터 및 드라이브: 정밀 모션의 핵심

망원경이 수천 축의 모션을 갖게 되므로 신뢰할 수 있는 모터와 드라이브가 최종 구성에서 필수적입니다. 소토는 베크호프 AM8000 서보모터의 능력이 인상적이며 망원경 전반의 여러 영역에 진지한 후보가 될 것으로 봅니다. "우리 통합 팀이 망원경 시운전을 시작하면 대기 분산 보상기나 카세그레인 초점에 부착된 모든 기기를 움직이는 GIR(그레고리안 기기 회전자) 등에서 AM8000 서보모터를 매우 많이 사용할 것입니다."라고 소토는 말했습니다.

기술과 창의성이 우주의 이해를 재정의하다

수십 년의 제작 끝에 GMTO의 최종 목표가 초점에 들어오고 있으며, 망원경에 지정된 신뢰할 수 있는 자동화 및 제어 구성 요소들이 명확성을 더하고 있습니다. EtherCAT이 GMTO 엔지니어들을 베크호프로 이끈 첫 기술이며 망원경 제어 아키텍처 설계의 근간으로 남아 있다고 소토는 설명했습니다. "EtherCAT을 GMT 필드버스로 사용하면 I/O 레벨까지 실시간 통신이 가능합니다. 2kHz의 주기 시간을 달성하여 다양한 서브시스템에서 루프를 닫을 수 있는 충분한 대역폭을 확보함으로써 제어 및 네트워킹 능력을 크게 확장했습니다." 콤팩트한 EtherCAT I/O 모듈과 임베디드 PC는 제어 캐비닛의 공간을 절약하고, PC 기반 컨트롤러가 I/O에서 떨어져 위치할 수 있어 열 방출을 줄입니다. "열 감소는 GMT에 매우 중요한 문제입니다."라고 스윗은 덧붙였습니다. "열은 인클로저 내 공기를 더 난류로 만들고 난류는 빛이 공기를 통과할 때 이미지를 왜곡시킵니다. 이 분산 I/O 아키텍처가 이를 방지하는 데 도움이 됩니다."

베크호프의 지원과 조언, 엄격한 테스트, 올바른 솔루션을 찾기 위한 헌신이 산업 자동화 및 제어 구성 요소의 구현을 현실로 만들었습니다. 크기와 복잡성 외에도 소토는 GMT가 유사한 기성 구성 요소를 사용하는 다른 기계와 한 가지 주요 차이점이 있다고 말했습니다. "이것은 일회성 프로젝트입니다. 생산 라인에서 내려오는 수많은 기계 중 하나가 아닙니다. 따라서 주요 과제는 설계를 완벽하게 하고 망원경에 적합한 제품을 처음부터 올바르게 선택하는 것입니다."