La construction d'un télescope géant vue à travers une lentille industrielle

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

Une fois installé à l'observatoire de Las Campanas dans les Andes chiliennes, le télescope géant de Magellan (GMT) offrira des opportunités incroyables aux communautés de recherche en astrophysique et en cosmologie. La conception du télescope offre une résolution angulaire 10 fois supérieure à celle du télescope spatial Hubble en combinant sept miroirs dans un système optique singulier d'un diamètre total de 25 mètres. Lorsque le GMT sera mis en ligne en 2029, il représentera la prochaine évolution des télescopes terrestres géants qui est devenue possible dans les années 1990 avec l'avènement des nouvelles technologies de contrôle industriel. La technologie des télescopes a considérablement changé depuis cette époque grâce à des architectures informatiques avancées, des langages de programmation modernes, des protocoles industriels en temps réel, des normes Web et des contrôleurs spécialisés.

Ces avancées permettront au GMT de capturer des images d'objets astronomiques plus nettes qu'actuellement possible en réduisant les distorsions introduites par l'atmosphère terrestre. Cela permettra également aux scientifiques de revenir sur le premier milliard d'années après le Big Bang, selon l'ancien vice-président de GMTO Corporation, le Dr Patrick McCarthy.

Avec ces capacités et ces exigences extrêmes, le GMT peut sembler avoir peu de choses en commun avec les machines de production générales et l'automatisation des usines. En fait, les scientifiques et les ingénieurs travaillant sur des projets de télescopes similaires ont traditionnellement construit leurs propres solutions d'automatisation à l'aide de composants de contrôle personnalisés ; cependant, l'équipe qui construit le GMT voit cela différemment, a expliqué José Soto, ingénieur en électronique principal de GMTO. "Nous voulons changer la méthode historique de traitement des télescopes comme spéciaux et totalement différents des autres systèmes automatisés. Les solutions de contrôle industriel tournées vers l'avenir ont le pouvoir de résoudre de nombreux problèmes auxquels nous sommes confrontés aujourd'hui en astrophysique."

Depuis le siège de GMTO à Pasadena, en Californie, il faut environ 24 heures de voyage pour atteindre le sommet de l'observatoire de Las Campanas. Le site est optimal pour l'astronomie en raison de son élévation et de son historique documenté de conditions météorologiques favorables, d'une pollution lumineuse minimale et d'un flux d'air régulier, ce qui réduit la distorsion de l'image due aux inhomogénéités de chaleur et de turbulence. En conséquence, la Carnegie Institution for Science à Washington, DC a acheté environ 60 miles carrés de cette région montagneuse au milieu des années 1960 et depuis lors, plusieurs télescopes y ont été construits. Finalement, Carnegie est devenue l'une des 12 institutions partenaires fondatrices de GMTO.

Alors que le voyage vers le sommet est long, le voyage GMT du concept à l'achèvement a également demandé de la persévérance. Depuis le début du projet GMTO au début des années 2000, des ingénieurs, des scientifiques et des administrateurs ont travaillé à la conception des structures physiques et des systèmes du télescope, selon le directeur du projet GMTO, le Dr James Fanson. Les équipes travaillent à façonner des miroirs au Richard F. Caris Mirror Laboratory de l'Université de l'Arizona depuis 2005 et GMTO a inauguré le pic de Las Campanas en 2015, a déclaré Fanson, qui dirigeait auparavant des projets de télescope et d'astrophysique au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. "Depuis 2015, nous avons construit des bureaux, des infrastructures de construction et des résidences, des restaurants et des installations de loisirs pour accueillir jusqu'à 200 ouvriers du bâtiment et le personnel du GMTO", a déclaré Fanson.

La spécification des composants d'automatisation et de contrôle pour le GMT a également nécessité une attention particulière en raison des exigences de communication et de contrôle en temps réel, d'autant plus que le système possédera plus de 3 000 axes de mouvement. Au-delà de la rotation de l'enceinte de 22 étages du télescope, les miroirs flexibles doivent être déplacés avec la plus grande précision pour mettre en œuvre l'optique adaptative et obtenir la résolution d'image la plus élevée possible. Un exemple est le système d'optique active, qui nécessite l'intégration de 170 actionneurs pneumatiques par miroir primaire pour supporter la masse de chaque miroir. L'équipe d'ingénierie a identifié le besoin de composants d'automatisation et de contrôle qui étaient puissants maintenant, mais qui prendraient également en charge les futures avancées technologiques, a expliqué Soto. « Étant donné que ces projets prennent beaucoup de temps, nous devons tenir compte de l'obsolescence dans tous les aspects. La méthode la plus efficace pour lutter contre l'obsolescence est la standardisation sur des technologies industrielles éprouvées. Ces facteurs ont conduit GMTO à normaliser de nombreuses spécifications pour le système de contrôle en utilisant des normes industrielles telles que celles trouvées dans les solutions proposées par Beckhoff Automation.

Vous recherchez des solutions d'automatisation basées sur PC

Les ingénieurs de GMTO ont commencé à explorer les solutions d'automatisation et de contrôle industrielles proposées par Beckhoff pour satisfaire le désir de l'équipe de mettre en œuvre les technologies de bus de terrain à un degré supérieur à celui d'autres télescopes. Les ingénieurs ont examiné plusieurs réseaux Ethernet industriels, mais ont découvert qu'EtherCAT offrait une topologie et une évolutivité flexibles, ainsi que la possibilité d'intégrer jusqu'à 65 535 appareils EtherCAT dans un réseau, qui correspondaient aux spécifications système du GMT. "EtherCAT sera intégré dans presque tous les systèmes de télescopes GMT - des miroirs primaires au compensateur de dispersion atmosphérique, en passant par l'enceinte, le support et même l'automatisation des bâtiments dans les installations", a déclaré Soto. Selon l'ingénieur GMTO Hector Swett, Safety over EtherCAT (FSoE) offrait également des fonctionnalités impressionnantes pour les systèmes de verrouillage et de sécurité du télescope. FSoE fournit à GMT une communication sécurisée et certifiée TÜV sur des réseaux EtherCAT standard, de nombreuses options pour les modules d'E/S Twin-SAFE distribués et une intégration avec l'environnement d'ingénierie Beckhoff et les PC industriels (IPC).

Certaines spécifications GMT actuelles recommandent plusieurs contrôleurs basés sur PC qui pourraient être satisfaits par les solutions Beckhoff. Le système de verrouillage et de sécurité repose sur de nombreux contrôleurs de sécurité, des PC embarqués CX9020 montés sur rail DIN, fonctionnant conjointement avec des modules d'E/S logiques TwinSAFE EL6910. Ceux-ci s'interfacent les uns avec les autres via FSoE via le profil d'automatisation EtherCAT (EAP) pour mettre en œuvre les fonctions de sécurité requises par l'analyse des risques, a déclaré Swett. PC embarqués Beckhoff CX2020 avec Intel ^® monocœur à 1,4 GHz Celeron ^® Les processeurs sont utilisés dans le kit de développement matériel GMT, qui a été conçu pour les partenaires du projet afin de développer des instruments pour le télescope. Outre les performances, la conception robuste de ces contrôleurs reste essentielle. "Les observatoires situés au sommet de montagnes reculées connaissent des conditions difficiles auxquelles ces IPC peuvent facilement résister", a expliqué Soto. "De plus, les PC embarqués offraient une grande évolutivité et de petits facteurs de forme, ce qui permet d'économiser un espace précieux dans les armoires de commande."

Le logiciel d'automatisation TwinCAT 3 de Beckhoff a offert une plate-forme clé pour tester les appareils et il est spécifié pour le contrôle des structures autour du télescope. "Le contrôleur basé sur PC pour l'enceinte du télescope exécutera TwinCAT directement", a déclaré Swett. "Il offre également la capacité en temps réel d'interfacer cette application massive avec le système de contrôle de l'observatoire via OPC UA." Illustrant l'ouverture du système, TwinCAT prend en charge la programmation de la logique de contrôle dans de nombreux langages, tels que ceux de la norme CEI 61131-3, y compris les extensions orientées objet et les langages informatiques proposés dans Microsoft Visual Studio ^® . Le logiciel peut analyser et configurer automatiquement des appareils tiers via ADS et EtherCAT, fournissant une plate-forme optimale pour les tâches allant de la détection au contrôle de mouvement.

Étant donné que le télescope aura des milliers d'axes de mouvement, des moteurs et des entraînements fiables seront cruciaux dans la configuration finale. Soto trouve les capacités des servomoteurs Beckhoff AM8000 impressionnantes et les considère comme un concurrent sérieux pour plusieurs zones du télescope. "Lorsque nos équipes d'intégrateurs commenceront à mettre en service le télescope, elles utiliseront très probablement des servomoteurs AM8000, par exemple, dans le compensateur de dispersion atmosphérique ou le GIR (Gregorian Instrument Rotator) qui déplacera tous les instruments attachés au foyer Cassegrain", a déclaré Soto.

Les technologies et la créativité redéfinissent notre univers

Après des décennies de préparation, l'objectif final se précise pour GMTO et les composants d'automatisation et de contrôle fiables spécifiés pour le télescope ajoutent de la clarté. EtherCAT a d'abord conduit les ingénieurs du GMTO à Beckhoff et il reste fondamental pour la conception de l'architecture de contrôle du télescope, a expliqué Soto. « L'utilisation d'EtherCAT comme bus de terrain GMT permet une communication en temps réel jusqu'au niveau des E/S. Nous avons atteint des temps de cycle de 2 kHz, ce qui permet une bande passante suffisante pour boucler la boucle sur une gamme de sous-systèmes, élargissant considérablement nos capacités de contrôle et de mise en réseau. Les modules d'E/S EtherCAT compacts et les PC embarqués permettent d'économiser de l'espace dans les armoires de commande et, comme les contrôleurs basés sur PC peuvent être situés à distance des E/S, cela réduit la dissipation de chaleur. "Réduire la chaleur est un très gros problème pour le GMT", a ajouté Swett. « La chaleur rend l'air plus turbulent à l'intérieur de l'enceinte et la turbulence déforme les images lorsque la lumière se propage dans l'air. Cette architecture d'E/S distribuées nous aide à éviter cela. »

L'assistance et les conseils de Beckhoff, combinés à des tests rigoureux et à un dévouement pour trouver les bonnes solutions, ont fait de la mise en œuvre de composants d'automatisation et de contrôle industriels une réalité. Outre sa taille et sa complexité, a déclaré Soto, le GMT présente une différence majeure par rapport aux autres machines qui utilisent des composants similaires prêts à l'emploi :« Il s'agit d'un projet ponctuel. Ce n'est pas l'une des nombreuses machines qui descendent d'une chaîne de production. Les principaux défis sont donc de perfectionner la conception et de sélectionner les bons produits pour le télescope dès la première fois. »

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