Sieben Spiegel wird das Giant Magellan Telescope (GMT) im Las-Campanas-Observatorium künftig zu einem optischen System mit einem Gesamtdurchmesser von 25 m kombinieren. Keine einfache Aufgabe vor allem mit Blick auf die Echtzeit-Kommunikations- und -Steuerungsanforderungen. Die Wissenschaftler und Ingenieure hinter dem Teleskop standen deswegen vor der Frage, entweder spezielle (wie traditionell üblich) oder standardbasierte Automatisierungs-Komponenten zu verwenden. „Wir wollen die überkommene Methode ändern, Teleskope als einmalige Projekte und völlig losgelöst von anderen automatisierten Systemen zu behandeln“, berichtet José Soto, Senior Electronics Engineer der GMTO Corporation im für die technische Infrastruktur des GMT verantwortlichen Team. „Zukunftsorientierte industrielle Steuerungslösungen eröffnen uns die Möglichkeit, viele der Probleme zu lösen, denen wir heute in der Astrophysik gegenüberstehen.“
Das Ingenieursteam erkannte den Bedarf an leistungsfähigen Steuerungskomponenten, die in der Lage sind, künftige technische Fortschritte zu unterstützen. „Da solche Projekte lange Zeit in Anspruch nehmen, müssen wir eine Veralterung auf jeden Fall ausschließen“, so José Soto weiter. „Die wirksamste Methode, dies zu verhindern, ist die Standardisierung auf bewährte industrielle Technologien.“ Das veranlasste GMTO dazu, bei vielen Spezifikationen für das Steuerungssystem auf Industriestandards zu setzen, wie sie Lösungen der Beckhoff Automation GmbH & Co. KG in Verl bieten.
Steuerungstechnik ermöglicht hohe Auflösungen
Das GMT wird mehr als 3000 Bewegungsachsen beinhalten. Neben der Rotation der 22 Stockwerke hohen Kuppel des Teleskops müssen die flexiblen Spiegel mit größter Präzision bewegt werden, um die komplexe adaptive Optik zu implementieren und damit höchstmögliche Bildauflösungen zu erreichen. Ein Beispiel dafür ist das System der aktiven Optik, das die Integration von 170 pneumatischen Aktoren pro Hauptspiegel erfordert, um die Masse jedes Spiegels zu tragen.
Kommunikationstechnologie spielt wichtige Rolle
Als die GMTO-Ingenieure mit ihren Recherchen begannen, untersuchten sie deshalb verschiedene Industrial-Ethernet-Netzwerktechnologien und stellten fest, dass Ethercat der Systemspezifikation des GMT am besten entsprach. Das resultiert aus der flexiblen Topologie und Skalierbarkeit sowie der Möglichkeit, bis zu 65.535 Ethercat-Geräte in ein Netzwerk zu integrieren. „Ethercat wird in nahezu jedes GMT-Teleskopsystem eingebettet sein – von den Primärspiegeln über den atmosphärischen Dispersionskompensator, das Gehäuse bis zum Gerüst und sogar die Automatisierung in den Gebäuden beinhalten“, sagt José Soto.
Vorteile insbesondere bei Funktioneller Sicherheit
Laut GMTO-Ingenieur Hector Swett bot Safety over Ethercat (FSoE) zudem eine beeindruckende Funktionalität für die Verriegelungs- und Sicherheitssysteme des Teleskops. FSoE liefert GMTO eine sicherheitsbewertete, TÜV-zertifizierte Kommunikation über Standard-Ethercat-Netzwerke, zahlreiche Optionen für dezentrale Twinsafe-I/O-Module sowie die Integration mit der Beckhoff-Engineering-Umgebung Twincat 3 und Industrie-PCs.
Verschiedene GMT-Spezifikationen sehen den Einsatz PC-basierter Steuerungen von Beckhoff vor. Das Interlock- und Sicherheitssystem setzt auf Sicherheitssteuerungen; hierfür vorgesehen sind hutschienenmontierte Embedded-PCs CX9020 in Verbindung mit Twinsafe-Logic-I/O-Modulen EL6910. Diese sind per FSoE über das Ethercat Automation Profile (EAP) miteinander gekoppelt, um Sicherheitsfunktionen gemäß den Vorgaben der Gefahrenanalyse zu implementieren, so Hector Swett. Embedded-PCs CX2020 kommen im GMT Hardware Development Kit zum Einsatz, das für die Projektpartner zur Entwicklung von Instrumenten für das Teleskop entwickelt wurde.
Echtzeitfähig trotz komplexer Anwendung
Die Automatisierungssoftware Twincat 3 von Beckhoff bietet eine wichtige Plattform zum Testen der Geräte und ist für die Steuerung der Strukturen rund um das Teleskop spezifiziert. „Die PC-basierte Steuerung für das Gehäuse des Teleskops wird Twincat direkt ausführen“, sagt Hector Swett. „Unterstützt wird auch die Echtzeitfähigkeit für die Vernetzung dieser komplexen Anwendung mit dem Steuerungsleitsystem des Observatoriums über OPC UA.“ Als Beispiel für Systemoffenheit kann Twincat Fremdgeräte über ADS (Automation Device Specification) und Ethercat automatisch scannen und konfigurieren. Damit bietet die Software eine optimale Plattform für alle Aufgaben von der Sensorik bis zu Motion Control.
Servomotoren für den zuverlässigen Betrieb
Da das Teleskop über Tausende von Bewegungsachsen verfügen wird, sind zuverlässige Motoren und Antriebe von entscheidender Bedeutung in der endgültigen Konfiguration. José Soto ist hier von der Leistungsfähigkeit der Beckhoff-Servomotoren AM8000 überzeugt: „Wenn unsere Integrator-Teams mit der Ausstattung des Teleskops beginnen, werden sie sehr wahrscheinlich AM8000-Servomotoren einsetzen, etwa im Kompensator für atmosphärische Dispersion oder im GIR (Gregorianischer Instrumentenrotator), der alle am Cassegrain-Fokus angebrachten Instrumente bewegt.“
Zykluszeiten von 2 ms sind machbar
Ethercat führte die GMTO-Ingenieure zu Beckhoff und ist nach wie vor grundlegend für das Design der Steuerungsarchitektur des Teleskops. „Die Verwendung von Ethercat als GMT-Feldbus ermöglicht Echtzeit-Kommunikation bis hinunter zur I/O-Ebene“, fährt José Soto fort. „Wir haben Zykluszeiten von 2 ms erreicht, was genügend Bandbreite bereitstellt, um die Regelschleifen auf einer Reihe von Subsystemen zu schließen, wodurch unsere Steuerungs- und Netzwerkfähigkeiten erheblich erweitert werden.“
Verteilte I/O-Architektur verhindert Wärmeprobleme
Kompakte Ethercat-I/O-Module und Embedded-PCs sparen zudem Platz im Schaltschrank, und da die PC-basierten Steuerungen in einiger Entfernung von den I/Os platziert werden können, wird zudem die Wärmeabgabe reduziert. „Die Reduzierung von Wärmestaus hat für das GMT große Bedeutung“, so Hector Swett. „Wärme verwirbelt die Luft im Inneren des Gehäuses, und diese Luftwirbel würden die Bilder verzerren, wenn die Lichtstrahlen durch den Raum wandern. Die verteilte I/O-Architektur hilft uns, dies zu verhindern.“
In etwa einem Jahrzehnt werden die Ingenieure das Teleskop an die Astrophysiker und Kosmologen übergeben, die es zur Erforschung des Universums einsetzen wollen. Die Forscher werden dann die Flexibilität haben, kreative Ideen einzubringen, wenn sie dieses Teleskop nutzen, um Entdeckungen zu machen, die sich jetzt noch nicht einmal erahnen lassen. (co)
Details zur Automatisierungssoftware Twincat 3:
hier.pro/t0cWu
Kontakt:
Beckhoff Automation GmbH & Co. KG
Hülshorstweg 20
33415 Verl
Tel. +49 5246/963-0
info@beckhoff.de
www.beckhoff.de
Das Projekt
Giant Magellan Telescope
Wenn das Giant Magellan Telescope (GMT) im Las-Campanas-Observatorium einmal installiert ist, wird es der astrophysikalischen und kosmologischen Forschungsgemeinschaft ungeahnte Möglichkeiten eröffnen. Die Konstruktion des bodengebundenen Teleskops wird eine zehnmal höhere Auflösung als das Hubble-Weltraumteleskop bieten, indem es sieben Spiegel zu einem einzigartigen optischen System mit einem Gesamtdurchmesser von 25 m kombiniert. Diese Fortschritte werden es dem GMT ermöglichen, Bilder von astronomischen Objekten mit einer höheren Schärfe als derzeit möglich zu erfassen, denn durch die Erdatmosphäre verursachte Verzerrungen werden mit einer adaptiven Optik reduziert. Damit wird das Teleskop Wissenschaftlern einen Blick zurück in die Zeit der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall erlauben.
Das GMT ist ein Projekt eines internationalen Konsortiums von zwölf Gründungsinstitutionen. Dazu zählen die Arizona State University, die Astronomy Australia Limited, die Australian National University, die Carnegie Institution for Science, FAPESP (São Paulo Research Foundation), die Harvard University, das Korea Astronomy and Space Science Institute, die Smithsonian Institution, die Texas A&M University, die University of Texas in Austin, die University of Arizona und die University of Chicago. Durch die Bereitstellung von finanziellen Mitteln für Bau und Betrieb des Teleskops erhalten diese Organisationen Zugang zur Nutzung des Giant Magellan Telescope. Dieser wird in einem Peer-Review-Verfahren zur Priorisierung von Projekten geregelt.
