Konstruksi Teleskop Raksasa Dilihat Melalui Lensa Industri

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

Setelah dipasang di Observatorium Las Campanas di Andes Chili, Teleskop Magellan Raksasa (GMT) akan memperkenalkan peluang luar biasa bagi komunitas penelitian astrofisika dan kosmologi. Desain teleskop menawarkan resolusi sudut 10 kali lebih besar daripada Teleskop Luar Angkasa Hubble dengan menggabungkan tujuh cermin menjadi sistem optik tunggal dengan diameter total 25 meter. Ketika GMT online pada 2029, itu akan mewakili evolusi berikutnya dari teleskop berbasis darat raksasa yang menjadi mungkin pada 1990-an dengan munculnya teknologi kontrol industri baru. Teknologi teleskop telah berubah secara signifikan sejak saat itu melalui arsitektur komputer canggih, bahasa pemrograman modern, protokol industri waktu nyata, standar berbasis web, dan pengontrol khusus.

Kemajuan ini akan memungkinkan GMT untuk menangkap gambar objek astronomi lebih tajam dari yang mungkin saat ini dengan mengurangi distorsi yang ditimbulkan oleh atmosfer terestrial. Ini juga akan memungkinkan para ilmuwan untuk mengintip kembali ke satu miliar tahun pertama setelah Big Bang, menurut mantan Wakil Presiden GMTO Corporation Dr. Patrick McCarthy.

Dengan kemampuan dan persyaratan ekstrem ini, GMT tampaknya tidak memiliki banyak kesamaan dengan mesin produksi umum dan otomatisasi pabrik. Faktanya, para ilmuwan dan insinyur yang bekerja pada proyek teleskop serupa secara tradisional membangun solusi otomatisasi mereka sendiri menggunakan komponen kontrol khusus; namun, tim pembuat GMT melihat hal ini secara berbeda, jelas Insinyur Elektronik Senior GMTO José Soto. “Kami ingin mengubah metode historis dalam memperlakukan teleskop sebagai sesuatu yang istimewa dan sama sekali tidak seperti sistem otomatis lainnya. Solusi kontrol industri masa depan memiliki kekuatan untuk memecahkan banyak masalah yang kita hadapi saat ini dalam astrofisika.”

Dari markas GMTO di Pasadena, CA, dibutuhkan sekitar 24 jam perjalanan untuk mencapai puncak di Observatorium Las Campanas. Situs ini optimal untuk astronomi karena ketinggiannya dan riwayat cuaca yang baik, polusi cahaya yang minimal, dan aliran udara yang lancar, yang mengurangi distorsi gambar karena ketidakhomogenan panas dan turbulensi. Akibatnya, Carnegie Institution for Science di Washington, DC membeli sekitar 60 mil persegi daerah pegunungan ini pada pertengahan 1960-an dan sejak itu, banyak teleskop telah dibangun di sana. Akhirnya, Carnegie menjadi salah satu dari 12 lembaga mitra pendiri GMTO.

Meskipun perjalanan menuju puncak itu panjang, perjalanan GMT dari konsep hingga penyelesaian juga membutuhkan ketekunan. Sejak proyek GMTO dimulai pada awal 2000-an, para insinyur, ilmuwan, dan administrator telah bekerja untuk merancang struktur fisik dan sistem teleskop, menurut Manajer Proyek GMTO Dr. James Fanson. Para kru telah bekerja untuk membentuk cermin di Laboratorium Cermin Richard F. Caris Universitas Arizona sejak tahun 2005 dan GMTO melakukan terobosan di puncak Las Campanas pada tahun 2015 kata Fanson, yang sebelumnya memimpin proyek teleskop dan astrofisika di Laboratorium Propulsi Jet NASA. “Sejak tahun 2015, kami telah membangun kantor, infrastruktur konstruksi, dan fasilitas tempat tinggal, makan, dan rekreasi untuk menampung hingga 200 pekerja konstruksi dan staf GMTO,” kata Fanson.

Menentukan komponen otomatisasi dan kontrol untuk GMT juga memerlukan pertimbangan yang cermat karena persyaratan komunikasi dan kontrol waktu nyata, terutama mengingat sistem akan memiliki lebih dari 3.000 sumbu gerak. Selain memutar penutup teleskop setinggi 22 lantai, cermin fleksibel harus dipindahkan dengan sangat presisi untuk menerapkan optik adaptif dan mencapai resolusi gambar setinggi mungkin. Salah satu contohnya adalah sistem optik aktif, yang membutuhkan integrasi 170 aktuator pneumatik per cermin utama untuk mendukung massa setiap cermin. Tim teknik mengidentifikasi kebutuhan akan komponen otomatisasi dan kontrol yang kuat sekarang tetapi juga akan mendukung kemajuan teknologi di masa depan, jelas Soto. “Karena proyek-proyek ini memakan waktu lama, kami harus memperhitungkan keusangan dalam setiap aspek. Metode paling efektif untuk memerangi keusangan adalah menstandarisasi teknologi industri yang telah terbukti.” Faktor-faktor ini mendorong GMTO untuk menstandarkan banyak spesifikasi untuk sistem kontrol menggunakan standar industri seperti yang ditemukan dalam solusi yang ditawarkan oleh Beckhoff Automation.

Mencari Solusi Otomasi Berbasis PC

Insinyur GMTO mulai mengeksplorasi solusi otomasi industri dan kontrol yang ditawarkan oleh Beckhoff untuk memenuhi keinginan tim untuk menerapkan teknologi fieldbus ke tingkat yang lebih tinggi daripada yang telah dicapai teleskop lain sebelumnya. Para insinyur memeriksa beberapa jaringan Ethernet industri tetapi menemukan EtherCAT menyediakan topologi dan skalabilitas yang fleksibel — bersama dengan kemampuan untuk menggabungkan hingga 65.535 perangkat EtherCAT dalam satu jaringan — yang sesuai dengan spesifikasi sistem GMT. “EtherCAT akan disematkan di hampir setiap sistem teleskop GMT — dari cermin utama hingga kompensator dispersi atmosfer, penutup, dudukan, dan bahkan otomatisasi bangunan di fasilitas tersebut,” kata Soto. Menurut Insinyur GMTO Hector Swett, Safety over EtherCAT (FSoE) juga menawarkan fungsionalitas yang mengesankan untuk sistem interlock dan keselamatan teleskop. FSoE menyediakan GMT dengan komunikasi bersertifikasi TÜV dengan peringkat keamanan melalui jaringan EtherCAT standar, banyak opsi untuk modul I/O Twin-SAFE terdistribusi, dan integrasi dengan lingkungan teknik Beckhoff dan PC industri (IPC).

Spesifikasi GMT tertentu saat ini merekomendasikan beberapa pengontrol berbasis PC yang dapat dipenuhi oleh solusi Beckhoff. Sistem interlock dan keselamatan bergantung pada banyak pengontrol keselamatan, PC Tertanam CX9020 yang dipasang di rel DIN, yang bekerja bersama dengan modul I/O Logika TwinSAFE EL6910. Antarmuka ini satu sama lain melalui FSoE melalui EtherCAT Automation Profile (EAP) untuk mengimplementasikan fungsi keselamatan seperti yang dipersyaratkan oleh analisis bahaya, kata Swett. Beckhoff CX2020 PC Tertanam dengan Intel single-core 1,4 GHz ^® Celeron ^® prosesor digunakan dalam GMT Hardware Development Kit, yang dibuat untuk mitra proyek guna mengembangkan instrumen untuk teleskop. Selain kinerja, desain yang kokoh dari pengontrol ini tetap menjadi kunci. “Observatorium yang terletak di puncak gunung terpencil mengalami kondisi yang sulit yang dapat dengan mudah ditahan oleh IPC ini,” jelas Soto. “Selain itu, PC tertanam menawarkan skalabilitas yang hebat dan faktor bentuk yang kecil, yang menghemat ruang berharga di lemari kontrol.”

Perangkat lunak otomatisasi TwinCAT 3 dari Beckhoff telah menawarkan platform utama untuk menguji perangkat dan ditentukan untuk mengontrol struktur di sekitar teleskop. “Pengontrol berbasis PC untuk penutup teleskop akan menjalankan TwinCAT secara langsung,” kata Swett. “Ini juga menyediakan kemampuan real-time untuk menghubungkan aplikasi besar ini dengan sistem kontrol observatorium melalui OPC UA.” Sebagai contoh keterbukaan sistem, TwinCAT mendukung pemrograman logika kontrol dalam banyak bahasa — seperti yang ada di IEC 61131-3 — termasuk ekstensi berorientasi objek dan bahasa ilmu komputer yang ditawarkan di Microsoft Visual Studio ^® . Perangkat lunak ini dapat secara otomatis memindai dan mengonfigurasi perangkat pihak ketiga melalui ADS dan EtherCAT, menyediakan platform yang optimal untuk tugas mulai dari penginderaan hingga kontrol gerakan.

Karena teleskop akan memiliki ribuan sumbu gerak, motor dan penggerak yang andal akan sangat penting dalam konfigurasi akhir. Soto menemukan kemampuan servomotors Beckhoff AM8000 mengesankan dan melihatnya sebagai pesaing serius untuk beberapa area di seluruh teleskop. “Ketika tim integrator kami mulai mengoperasikan teleskop, kemungkinan besar mereka akan menggunakan servomotor AM8000, misalnya, dalam kompensator dispersi atmosfer atau GIR (Gregorian Instrument Rotator) yang akan menggerakkan semua instrumen yang terpasang pada fokus Cassegrain,” kata Soto.

Teknologi dan Kreativitas Mendefinisikan Ulang Alam Semesta kita

Setelah beberapa dekade dalam pembuatan, tujuan akhirnya menjadi fokus untuk GMTO dan komponen otomatisasi dan kontrol yang andal yang ditentukan untuk teleskop menambah kejelasan. EtherCAT pertama kali memimpin para insinyur GMTO ke Beckhoff dan tetap menjadi dasar untuk desain arsitektur kontrol teleskop, Soto menjelaskan. “Menggunakan EtherCAT sebagai fieldbus GMT memungkinkan komunikasi waktu nyata hingga ke tingkat I/O. Kami telah mencapai waktu siklus 2 kHz, yang memungkinkan bandwidth yang cukup untuk menutup loop pada berbagai subsistem, memperluas kontrol dan kemampuan jaringan kami secara signifikan.” Modul I/O EtherCAT yang ringkas dan PC Tertanam menghemat ruang di kabinet kontrol dan karena pengontrol berbasis PC dapat ditempatkan jauh dari I/O, ini mengurangi pembuangan panas. "Mengurangi panas adalah masalah yang sangat besar untuk GMT," tambah Swett. “Panas membuat udara lebih bergejolak di dalam selungkup dan turbulensi mendistorsi gambar saat cahaya melewati udara. Arsitektur I/O terdistribusi ini membantu kami mencegahnya.”

Bantuan dan saran dari Beckhoff — dikombinasikan dengan pengujian dan dedikasi yang ketat untuk menemukan solusi yang tepat — telah membuat implementasi komponen otomasi industri dan kontrol menjadi kenyataan. Terlepas dari ukuran dan kerumitannya, kata Soto, GMT memiliki satu perbedaan utama antara mesin lain yang menggunakan komponen serupa:“Ini adalah proyek satu kali. Ini bukan salah satu dari banyak mesin yang turun ke jalur produksi. Jadi tantangan utamanya adalah menyempurnakan desain dan memilih produk yang tepat untuk teleskop untuk pertama kalinya.”

Untuk Info Gratis Klik Disini