PC-vezérelt távcső fürkészi az eget

Nincs műszer, amely kisebb lenne a vizsgálatának tárgyához képest, mint egy csillagászati távcső. Ez még a „felnőtt”, komoly csillagvizsgáló obszervatóriumok műszereire is igaz. Ez utóbbi „súlyos apróságok” azonban összetett feladatok elé állítják a mozgásukat vezérlő automatikák tervezőit.

Bevezetés

A lenyűgözően egyedi csillagászati kutatólétesítményként számon tartott Observatorio Astrofísico de Javalambre (OAJ) obszervatóriumot 2015-ben helyezték üzembe a spanyolországi Aragónia déli részén. Az obszervatóriumot a CEFCA alapítvány üzemelteti, és legfőbb kutatási célja, hogy fotometrikusan felmérjen több ezer négyzetfokot az égbolton. Az intézmény két szokatlanul széles látószögű teleszkópja segítségével először adódik lehetőség a több százmillióra becsült galaxisok helyzetének és fejlődésének feljegyzésére, létrehozva ezzel az univerzum első teljes háromdimenziós térképét. A kiváló minőségű adatok és a hatékony működés biztosítása érdekében a távcsövek üzemeltetését egy PC-alapú ipari vezérlőplatform segítségével oldották meg.

Az obszervatórium

A Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón – azaz röviden CEFCA – a galaxisok fejlődését és kozmológiát kutató állami intézmény, amelynek székhelye a spanyolországi Teruelben található, kb. 40 km-re az OAJ telephelyétől. A teleszkópot a Pico del Buitre csúcsra építették, a tengerszint felett 1957 méteres magasságban. Az obszervatóriumban két távcső található: egy JST/T250 típusú, amelynek tükörátmérője 2,55 m, látószöge pedig 3 fok, valamint egy kisebb, JAST/T80 típusú, amely 83 cm-es tükörátmérővel és 2 fokos látószöggel rendelkezik. Az OAJ-létesít-ményben végzett égboltfelmérésből származó összes adatot vezeték nélküli kommunikáció segítségével küldik el a Teruelben található fő szerverre. Az összes rendszert és alrendszert EtherCAT-hálózat kapcsolja össze.

Az Observatorio Astrofísico de Javalambre (OAJ) területén két szokatlanul széles látószögű csillagászati távcső található: egy JST/T250 típusú teleszkóp, amelynek tükörátmérője 2,55 (jobbra), valamint egy kisebb, JAST/T80 típusú teleszkóp, amelynek tükörátmérője 83 cm (balra)

A vezérlő automatika

Az obszervatórium vezérlőrendszerének központi eleme egy C6640 típusú ipari PC (IPC). Rajta kívül több különböző, CX5000-sorozatú beágyazott PC pedig elosztott vezérlőrendszert alkot. A központi PC gondoskodik az obszervatóriumba telepített összes rendszer, illetve alrendszer megbízható vezérléséről, felügyeletéről és kezeléséről. Az obszervatóriumon belüli helyük szerint ezek öt csoportra oszthatók:

• az üzemi épület (fő PLC),

• a T080 típusú távcső (B080),

• a felügyelőhelyiség (BMON),

• a T250 típusú teleszkóp (B250) és a

• fő üzemi épület (fő szerverállvány, 1. ábra).

1. ábra A PC-alapú automatizálási platform öt fő színhelyen valósul meg, de egyetlen összefüggő informatikai hálózatot alkot

A fő vezérlőhelyiség a fő üzemi épületben található; innen irányítják az összes rendszert, beleértve az obszervatóriumot is. Annak ellenére, hogy mindkét távcső kezelhető a fő vezérlőteremből, bizonyos feladatokat mégis helyi vezérlőhelyiségekből látnak el; ilyen például az üzembe helyezés, a karbantartás és az egyéb műszaki feladatok.
A vezérlő csomópontokat gyűrűtopológiás EtherCAT-hálózat és csillagtopológiás Ethernet-hálózat köti össze. Az utóbbi segítségével csatlakoznak a C250 típusú kamera vezérlőegységei az obszervatórium EtherCAT-hálózatára az EtherCAT automatizálási protokollon (EAP) keresztül. A kommunikáció optikaiszálas kábelen keresztül folyik EtherCAT- vagy Ethernet-protokoll segítségével. Az EtherCAT nagy sávszélessége következtében az állapotinformációkat minden egyes ciklusban továbbítani lehet. A CEFCA területi székhelyén is található egy távvezérlő központ, ahonnan az obszervatórium kezelése, vezérlése és működtetése szintén lehetséges. Az OAJ állapota valós időben jelenik meg egy video-faliújságon.

A távcsövek összetett vezérlése beágyazott PC-kkel

A két teleszkóp közül a kisebbik, a T80 típusú az úgynevezett JAST-égboltfelmérést végzi, mely során először a tervezett J-PLUS többsávos fotometrikus felmérést hajtja végre a teljes belátható égbolton. Ez várhatóan két-három éven belül készül el. Az eredményekkel a JST/T250 típusú távcső kalibrálását fogják elősegíteni, amelyre a J PAS asztrofizikai felméréshez lesz szükség. A következő öt évben a T250 típusú teleszkóp 800 négyzetfoknyi tartományt, azaz a teljes égbolt egyötödét fogja feltérképezni.
A T250 típusú teleszkópon széles látószögű JPCam kamera található, amelyet kifejezetten az északi égbolt fotometrikus megfigyeléséhez terveztek. A kamera egy zárszerkezetre szerelt mechanikus szűrőegységből és egy képalkotó rendszerből áll. Az utóbbit hűtő- és vákuumrendszer, CCD-érzékelőpanel, optikailag vezérelt tárgylemez és elektronikai egységek alkotják. A szűrőbetétek, a zárszerkezet és a távcső illesztőfelülete képezi az egység mechanikai alapját. Összesen négy darab CX5020 típusú beágyazott PC gondoskodik az optikai lencsék, a kamera és a kamerát tartó hatágú tartószerkezet vezérléséről (2. ábra). A kamera hőmérsékletét stabilizáló glikol-víz hűtőkeverék áramoltatását szintén egy beágyazott vezérlő, egy „slave” EtherCAT-modul és láncba kapcsolt EtherCAT-terminálok látják el. A hűtőrendszer a képátalakítón kívül az elektronika és a zárszerkezet által termelt hőt is eltávolítja a rendszerből, ezért a kamera hőmérséklete állandó marad. Ezzel elkerülhető, hogy a kamera alkatrészeinek hőtágulása vagy összehúzódása következtében a képalkotásban szabálytalanságok lépjenek fel.

2. ábra Az obszervatórium hálózatának vezérlési architektúrája Etherneten keresztül megvalósított kameravezérléssel. (Néhány alrendszer itt nem látható, mint például a kamera hűtővizének alrendszere, a T250 típusú távcső tükrének az alumíniumozó helyisége és a tisztaszobák légkondicionálójának vezérlése.)

A kupola vezérlése – az automatizálás világa

A T250 típusú távcsövet lefedő kupola majdnem 13 m magas, a tömege pedig 17 tonna. A vezérléséről egy CX5020-típusú beágyazott PC és TwinCAT 2 NC PTP-szoftver gondoskodik. A kisméretű PC-alapú vezérlő végzi az irányszög beállítását, aminek a sebessége akár 27 m/perc is lehet. A szélvédő és a kémlelőablak nyitását és zárását, illetve a kupola körkörös mozgását is ez az egység vezérli. A teljes rendszert Beckhoff AX5xx típusú szervo-hajtás mozgatja, amelyben beépített biztonsági kártya és szervomotorok is találhatók. A TwinSAFE-terminálokkal megvalósított biztonsági be-kimenetek szintén a vezérlőrendszer szerves részét képezik. A CX5020-típusú PC egy csúszógyűrűs PROFIBUS-rendszeren keresztül egy újabb CX5020-hoz csatlakozik, amelyet a kupola alsó, mozdulatlan részében szereltek fel.

A tükrök karbantartásához rendkívül precíz szállítás szükséges

A T250 típusú távcső (3. ábra) főtükrének átmérője 2,55 m. Ez egy olyan precíziós eszköz, amelynek a felületét rendkívüli pontossággal kell polírozni annak érdekében, hogy a lehető legkisebb legyen a visszavert fénysugár eltérése az elméleti követelményektől. Egy ilyen tükör értéke körülbelül néhány százmillió euró, ezért a karbantartási munkálatok – mint például az alumíniumréteg megújítása – során különös körültekintéssel kell eljárni. Az OAJ területén található egy különleges alumíniumozó helyiség, ahol – amennyire ez lehetséges – a tükör karakterisztikus értékeit gondosan olyan állapotban tartják, amilyenben a gyárból megérkezett. A karbantartási helyiségbe történő szállítás – a tükör méretét és tömegét figyelembe véve – különös kihívást jelent annak ellenére, hogy a helyiség mindössze körülbelül 16,5 méterre található. A tükröt felfelé és lefelé mozgató rendszer vezérlése során a lehető legnagyobb precizitásra van szükség; ezt a feladatot egy beágyazott PC és egy beépített biztonsági funkciókkal rendelkező szervohajtás látja el. A sebesség mindössze 15 cm percenként – ez a mozgás emberi szemmel alig érzékelhető –, viszont minden egyes gyorsulás vagy lassulás apró karcolásokat okozhat az üveg felületén, amelyek hibákat idézhetnek elő az égbolt megfigyelésekor.

3. ábra Az obszervatórium T250-típusú teleszkópja (alul a lapos paraboloid részlet a 2,55 m átmérőjű főtükör foglalata)

Beépített biztonságtechnika TwinSAFE segítségével

Az OAJ biztonsági áramkörei közül sokat a TwinSAFE-rendszerre alapozva terveztek. „Az EL6900-típusú TwinSAFE logikai terminál segítségével a rendszerhez különböző ki- és bemeneteket vezérlő funkcionális csoportokat tudunk hozzáadni, melyekkel többek között olyan jellegű fontos feladatokat valósíthatunk meg, mint a vészleállítás, az ÉS és VAGY logikai kapcsolatok, vagy a be- és kikapcsolási késleltetés TON és a TOFF időzítéssel” – fejtette ki Axel Yanes, az OAJ vezető mérnöke. „Az OAJ rendszert egy globális rendszerként kell felfogni, ahol minden alkotóelem csatlakozik egymáshoz, és az eszközök folyamatosan adatokat cserélnek. Mivel az eszközök szinkronban kommunikálnak, a teljes biztonsági rendszernek is képesnek kell lennie erre.”
A biztonsági információkat „FailSafe over EtherCAT” (FSoE) protokollon keresztül továbbítják. Ennek lényege, hogy a PLC-k egy kétirányú publisher-subscriber kapcsolatot hoznak létre, lehetővé téve, hogy minden egyes PLC közzétegyen egy változót (publisher), egy másikat pedig lekérjen (subscriber). Ezeket a változókat egymáshoz kell rendelni a biztonsági logikai terminálban (EL6900), amely biztonsági bemenetekként vagy kimenetekként kezeli őket. Amennyiben az EL6900 hibát érzékel, egy figyelmeztető jelet adhat le, amelyet az EtherCAT-hálózaton keresztül egy másik CPU fogad, majd a saját rendszerét biztonsági állapotba kapcsolja.

Az Észak-Amerika gázköd (NGC7000) képe. Készült az OAJ JAST/T80 típusú távcsövével és T80Cam kamerával

A már tervbe vett kiegészítések

Axel Yanesnek már a jövőre nézve is vannak tervei: „Néhány, még érdekesebb eszközt is be fogunk üzemelni az OAJ területén. Már eddig is több olyan funkciót beépítettünk az obszervatórium vezérlőrendszerébe, amelyeket ez idáig nem terveztünk; ilyen például a BACnet/IP, a gépállapot-felügyelet és még sok egyéb. Nagy örömünkre szolgál, hogy a Beckhoff a technológiai partnerünk. A vállalat tökéletesen kielégítette követelményeinket egy olyan kiváló minőségű, megbízható rendszer szállításával, amely egyszerre rugalmas és könnyen karbantartható. Rendkívül fontos volt számunkra az a világméretű támogatás, amelyet összesen 10 országban vettünk igénybe a projekt összehangolása érdekében.”

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 9940
Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.beckhoff.hu

Még több Beckhoff