Membangun Teleskop Raksasa Magellan: Perspektif Rekayasa Industri

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

Setelah terpasang di Observatorium Las Campanas di Pegunungan Andes, Chile, Teleskop Raksasa Magellan (GMT) akan membuka peluang luar biasa bagi komunitas peneliti astrofisika dan kosmologi. Desain teleskop ini menjanjikan resolusi sudut 10 kali lebih besar dari Teleskop Angkasa Hubble dengan menggabungkan lima cermin ke dalam satu sistem optik dengan diameter total 25 meter. Saat GMT beroperasi pada 2029, ini akan mewakili evolusi berikutnya dari teleskop berbasis darat raksasa yang mungkin sejak tahun 1990 dengan hadirnya teknologi kontrol industri baru. Teknologi teleskop telah berubah secara signifikan sejak saat itu melalui arsitektur komputer canggih, bahasa pemrograman modern, protokol industri real-time, standar berbasis web, dan kontroler khusus.

Kemajuan ini akan memungkinkan GMT untuk menangkap citra objek astronomis yang lebih tajam dari yang saat ini memungkinkan dengan mengurangi distorsi yang diperkenalkan oleh atmosfer bumi. Ini juga akan memungkinkan ilmuwan untuk melihat kembali ke satu miliar tahun pertama setelah Big Bang, menurut mantan Wakil Presiden Perusahaan GMTO, Dr. Patrick McCarthy.

Dengan kemampuan dan persyaratan yang ekstrem ini, GMT mungkin terlihat memiliki sedikit hal yang sama dengan mesin produksi umum dan otomasi pabrik. Faktanya, ilmuwan dan insinyur yang bekerja pada proyek teleskop serupa secara tradisional membangun solusi otomatisasi mereka sendiri menggunakan komponen kontrol kustom; namun, tim yang membangun GMT melihat hal ini berbeda, penjelasan Insinyur Elektronik Senior GMTO José Soto. “Kami ingin mengubah metode historis memperlakukan teleskop sebagai hal khusus dan sangat berbeda dari sistem otomatisasi lainnya. Solusi kontrol industri yang menghadap ke depan memiliki kekuatan untuk memecahkan banyak masalah yang kita hadapi saat ini di astrofisika.”

Dari kantor pusat GMTO di Pasadena, CA, diperlukan perjalanan sekitar 24 jam untuk mencapai puncak di Observatorium Las Campanas. Lokasi ini optimal untuk astronomi karena ketinggiannya dan sejarah tercatat cuaca yang menguntungkan, polusi cahaya minimal, dan aliran udara halus, yang mengurangi distorsi citra akibat inhomogenitas panas dan turbulensi. Akibatnya, Institusi Carnegie for Science di Washington, DC membeli sekitar 60 mil persegi dari area pegunungan ini pada pertengahan tahun 1960 dan sejak saat itu, banyak teleskop telah dibangun di sana. Akhirnya, Carnegie menjadi salah satu dari 12 institusi partner pendiri GMTO.

Sementara perjalanan ke puncak itu panjang, perjalanan GMT dari konsep hingga penyelesaian juga telah membutuhkan ketekunan. Sejak proyek GMTO dimulai pada awal tahun 2000-an, insinyur, ilmuwan, dan administrator telah bekerja untuk merancang struktur fisik dan sistem teleskop, menurut Manajer Proyek GMTO Dr. James Fanson. Kru telah bekerja untuk membentuk cermin di Laboratorium Cermin Richard F. Caris Universitas Arizona sejak 2005 dan GMTO memulai pembangunan di puncak Las Campanas pada 2015, kata Fanson, yang sebelumnya memimpin proyek teleskop dan astrofisika di Laborasi Propulsi Jet NASA. “Sejak 2015, kami telah membangun kantor, infrastruktur konstruksi, dan fasilitas tempat tinggal, makanan, 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 real-time, terutama mengingat sistem akan memiliki lebih dari 3.000 sumbu gerak. Selain memutar penutup teleskop berkelas 22 lantai, cermin fleksibel harus dipindahkan dengan presisi tertinggi untuk mengimplementasikan optika adaptif dan mencapai resolusi citra tertinggi yang mungkin. Salah satu contohnya adalah sistem optika aktif, yang memerlukan integrasi 170aktuator pneumatik per cermin primer untuk mendukung massa setiap cermin. Tim rekayasa mengidentifikasi kebutuhan akan komponen otomatisasi dan kontrol yang kuat sekarang tetapi juga akan mendukung kemajuan teknologi di masa depan, penjelasan Soto. “Karena proyek ini memakan waktu lama, kita harus mengakibatkan ketinggalan zaman dalam setiap aspek. Metode paling efektif untuk melawan ketinggalan zaman adalah standarisasi pada teknologi industri yang terbukti.” Faktor-faktor ini mendorong GMTO untuk menstandarisasi banyak spesifikasi untuk sistem kontrol menggunakan standar industri seperti yang ditemukan dalam solusi yang ditawarkan oleh Beckhoff Automation.

Melihat ke Solusi Otomatisasi Berbasis PC

Insinyur GMTO mulai menjelajahi solusi otomatisasi dan kontrol industri yang ditawarkan oleh Beckhoff untuk memenuhi keinginan tim untuk mengimplementasikan teknologi fieldbus dalam tingkat yang lebih besar dari yang sebelumnya telah dicapai oleh teleskop lain. 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 cocok dengan spesifikasi sistem GMT. “EtherCAT akan tertanam dalam hampir setiap sistem teleskop GMT — dari cermin primer hingga kompensator dispersi atmosfer, penutup, montir, dan bahkan otomasi bangunan di fasilitas,” kata Soto. Menurut Insinyur GMTO Hector Swett, Safety over EtherCAT (FSoE) juga menawarkan fungsionalitas yang luar biasa untuk sistem interlock dan keselamatan teleskop. FSoE menyediakan GMT dengan komunikasi berrating keselamatan, sertifikasi TÜV melalui jaringan EtherCAT standar, banyak opsi modul I/O Twin-SAFE terdistribusi, dan integrasi dengan lingkungan rekayasa Beckhoff serta komputer industri (IPC).

Beberapa spesifikasi GMT saat ini merekomendasikan beberapa kontroler berbasis PC yang dapat dipenuhi oleh solusi Beckhoff. Sistem keselamatan dan interlock bergantung pada banyak kontroler keselamatan, Komputer Terpadu CX9020 dipasang di rel DIN, yang bekerja bersama dengan modul I/O Logika EL6910 TwinSAFE. Ini berinterface satu sama lain melalui FSoE melalui Profil Otomasi EtherCAT (EAP) untuk mengimplementasikan fungsi keselamatan sebagaimana diperlukan oleh analisis bahaya, kata Swett. Komputer Terpadu Beckhoff CX2020 dengan prosesor Intel ^® Celeron^® single-core 1,4 GHz digunakan dalam Kit Pengembangan Perangkat Keras GMT, yang dibangun untuk mitra proyek untuk mengembangkan instrumen untuk teleskop. Selain kinerja, desain yang tangguh dari kontroler ini tetap menjadi kunci. “Observatorium yang terletak di puncak gunan terpencil mengalami kondisi yang keras yang dapat ditahan oleh IPC ini dengan mudah,” penjelasan Soto. “Selain itu, komputer terpadu menawarkan skalabilitas yang besar dan bentuk fisik kecil, yang menghemat ruang berharga dalam lemari kontrol.”

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

Karena teleskop akan memiliki ribuan sumbu gerak, motor dan drive yang andal akan sangat penting dalam konfigurasi akhir. Soto menganggap kemampuan servomotor Beckhoff AM8000 memukau dan melihatnya sebagai pesaing serius untuk berbagai area di seluruh teleskop. “Ketika tim integrator kami mulai melakukan komisi teleskop, mereka sangat mungkin akan menggunakan servomotor AM8000, misalnya, dalam kompensator dispersi atmosfer atau GIR (Gregorian Instrument Rotator) yang akan memindahkan semua instrumen yang terpasang di fokus Cassegrain,” kata Soto.

Teknologi dan Kreativitas Mengdefinisikan Semesta Kita

Setelah beberapa dekade dalam pembuatan, tujuan akhir mulai menjadi fokus bagi GMTO dan komponen otomatisasi dan kontrol yang andal yang ditentukan untuk teleskop menambahkan kejelasan. EtherCAT pertama kali memimpin insinyur GMTO ke Beckhoff dan tetap menjadi dasar dalam desain arsitektur kontrol teleskop, penjelasan Soto. “Menggunakan EtherCAT sebagai fieldbus GMT memungkinkan komunikasi real-time hingga ke tingkat I/O. Kami telah mencapai waktu siklus 2 kHz, yang memungkinkan cukup lebar banda untuk menutup loop pada berbagai subsistem, memperluas kemampuan kontrol dan jaringan kami secara signifikan.” Modul I/O EtherCAT yang kompak dan Komputer Terpadu menghemat ruang dalam lemari kontrol dan karena kontroler berbasis PC dapat ditempatkan jauh dari I/O, ini mengurangi dissipasi panas. “Mengurangi panas adalah hal yang sangat besar bagi GMT,” tambahan Swett. “Panas membuat udara lebih turbulen di dalam penutup dan turbulensi mengdistorsi citra saat cahaya berjalan melalui udara. Arsitektur I/O terdistribusi ini membantu kami mencegah hal itu.”

Bantuan dan saran dari Beckhoff — dikombinasikan dengan pengujian yang ketat dan dedikasi untuk menemukan solusi yang tepat — telah membuat implementasi komponen otomatisasi dan kontrol industri menjadi kenyataan. Selain ukuran dan kompleksitasnya, kata Soto, GMT memiliki satu perbedaan utama dengan mesin lain yang menggunakan komponen siap pakai serupa: “Ini adalah proyek sekali guna. Ini bukan salah satu dari banyak mesin yang keluar dari baris produksi. Jadi tantangan utamanya adalah menyempurnakan desain dan memilih produk yang tepat untuk teleskop pada kali pertama.”

Untuk Info Gratis Klik Disini