Beckhoff, PC Control에 의해 제어되는 망원경으로 하늘을 관측한다 [FA VISION 2017년 9월]

PC Control에 의해 제어되는 망원경으로 하늘을 관측한다

- 트라이텍(PC Control-Beckhoff Automation)

스페인 남부 Aragón 지역에서 2015년에 가동을 시작한 Observatorio Astrofísico de Javalambre(OAJ)는 아주 독특한 천문학 연구 시설로 간주된다. 관측소는 CEFCA 재단이 운영하며, 주요 연구 목적은 수천 평방 각도의 하늘을 측광하는 것이다. 매우 넓은 시야를 가진 2대의 Javalambre 망원경은 처음으로 수억 개 은하의 위치와 그 발달을 기록하여 최초의 풀(full) 3D우주 지도를 제공해 줄 수 있다. 고품질 및 효율성을 보장하기 위해 망원경은 산업용 제어 플랫폼을 기반으로 한 로봇 보조 장치로 작동한다.

CEFCA(Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón)는 은하 및 우주론 발달에 관한 연구에 관심이 있는 국립 연구소이다. 본부는 해발 1,957m 고도의 “Pico del Buitre”에 건설된 OAJ에서 약 40㎞ 떨어진 스페인의 Teruel에 위치해 있다. 관측소에는 2대의 망원경이 있다. 하나는 미러 직경 2.55m이고 3도 시계(視界)인 JST/T250이며, 다른 하나는 83㎝ 미러 직경에 2도 시계인 JAST/T8이다. OAJ에서 수행되는 하늘 조사의 모든 데이터는 무선 통신을 통해 Teruel의 메인 서버로 전송된다.

해발 1,957미터 고도의 “Pico del Buitre”에 건설된 Observatorio Astrofísco de Javalambre(OAJ)는 매우 넓은 시계(視界)를 가진 두 대의 망원경을 사용하여 천체를 관측할 수 있도록 설계된 천문 시설이다

EtherCAT 네트워크가 모든 시스템 및 하부시스템을 연결하다

관측소의 제어 시스템은 마스터 제어 플랫폼으로써 C6640 산업용 PC(IPC)와 분산 제어를 제공하는 다양한 CX5000 시리즈 임베디드 PC를 기반으로 한다. PC 플랫폼은 관측소에 설치된 모든 시스템과 서브 시스템의 안정적인 제어, 모니터링 및 관리를 보장한다.

이 시스템은 관측소 내의 위치에 따라 5개의 그룹으로 나뉜다. 운영 빌딩(Main PLC), T080 망원경(B080), 모니터링 룸 (BMON), T250 망원경(B250) 및 주요 운영 빌딩(Main Server Rack)이다(그림 1참조). 주 제어실은 주요 운영 빌딩에 위치해 있으며 관측소를 포함한 모든 시스템의 전반적인 제어를 위해 사용된다. 2대의 망원경을 주 제어실에서 제어할 수 있지만 시운전, 유지보수 또는 기타 기술 작업과 같은 특정 작업을 수행하기 위해서는 로컬 제어실을 사용할 수 있다.

모든 제어 노드는 이더넷 네트워크의 스타 토폴로지 그리고 EtherCAT의 링 토폴로지를 통해 링크된다. 후자는 EtherCAT Automation Protocol(EAP)를 통해 C250 카메라의 제어 유닛을 관측소의 EtherCAT 네트워크에 연결한다. 통신은 EtherCAT 또는 이더넷 프로토콜을 사용하는 광섬유 케이블을 통해 이루어진다. EtherCAT의 높은 대역폭은 각각의 사이클 마다 상태 정보를 전송할 수 있게 해준다. 관측소를 관리, 제어 및 운영 할 수 있는 Teruel의 CEFCA 본부에 원격 제어 센터가 설치되어 있다.

그림 1. PC 기반 플랫폼은 관측소에 설치된 모든 시스템 및 하위 시스템의 복잡한 모니터링 및 관리에 사용되며 관측소 내 위치에 따라 5개 그룹으로 나뉜다. 모든 제어 노드 - 운영 빌딩(메인 PLC), T080 망원경(B080), 모니터링 룸(BMON), T250 망원경(B250) 및 주요 운영 빌딩(메인 서버 랙)은 이더넷 네트워크의 스타 토폴로지 및 EtherCAT의 링 토폴로지로 연결된다

임베디드 PC 로 망원경의 복잡한 제어가 용이하다

2대의 망원경 중 작은 것, T80은 2~3년마다 하는 전체 하늘의 포토메트릭 멀티밴드 조사인 J-PLUS를 시작으로 JAST라고 불리는 하늘 조사를 수행한다. 그 결과는 JST/T250 망원경으로 수행되는 천체 물리 J-PAS 조사의 보정을 지원하는데 사용될 것이다. 다음 5년 동안 T250 망원경은 800 평방 각도 또는 전체 하늘의 1/5를 조사할 것이다.

북쪽 하늘의 포토메트릭 감시를 위해 특별히 설계된JPCam 와일드필드 카메라가 T250에 설치되어 있다. 이것은 기계적 필터 셔터 유닛 및 카메라 시스템으로 구성되어 있다. 후자는 냉각과 진공 시스템, CCD 디텍터 필드, 광학으로 제어되는 엔트런스 윈도우 및 전자장치로 구성되어 있다. 필터 인서트, 셔터, 및 망원경과의 인터페이스는 장치의 기계적 기초를 형성한다.

총 4개의 CX5020 임베디드 PC가 광학 렌즈, 카메라 및 카메라에 장착된 헥서포드(hexapod)를 제어한다(그림 2참조). 카메라의 온도 조절 글리콜 워터 제어는 임베디드 컨트롤러, EtherCAT 슬레이브 모듈 및 인라인 EtherCAT 터미널로 수행된다. 냉각 시스템은 전자 및 셔터를 포함하여 시스템에서 모든 열을 제거하여 카메라의 온도가 일정하게 유지되도록 한다. 이는 열에 의해 발생하는 카메라 구성 요소의 팽창 또는 수축으로 인한 이미지의 불규칙성을 방지한다.

그림 2. 이더넷을 통한 카메라 제어의 연결 및 관측소 네트워크의 제어 구조. 카메라 냉각수의 제어, T250 미러를 위한 알루미늄 처리된 룸 및 클린룸의 HVAC 제어와 같은 일부 하위 시스템은 여기에 표시하지 않았다

전 자동화를 통한 돔 제어

T250 망원경을 덮고 있는 돔은 높이가 약 13m이고 무게는 17톤이다. 그것은 TwinCAT 2 NC PTP 소프트웨어 및 CX5020 임베디드 PC에 의해 제어된다. 컴팩트한 PC 기반 컨트롤러는 돔의 회전 운동뿐만 아니라 27m/min의 속도에 달하는 방위각 이동, 앞 유리와 관측 창의 개폐를 제어한다. 전체 시스템은 통합 안전 옵션 카드와 서보 모터 및 Beckhoff의 AX5000 서보 드라이브로 구동된다. 또한 Safety I/O는 TwinSAFE 터미널을 통해 제어 시스템에 매끄럽게 통합된다. CX5020는 PROFIBUS을 통해 슬립 링 시스템과 연결되며 돔의 움직이지 않는 하부에 장착되어 있는 추가 CX5020에 연결되어 있다.

미러의 유지보수는 고정밀 수송이 필요하다

T250 망원경의 미러는 직경 2.55m인데 그 표면을 반사광의 편차가 가능한 작아지도록 매우 정확하게 닦아야 한다. 이러한 미러는 수억 유로의 가치가 있어서 알루미늄 층의 갱신과 같은 유지보수 작업에 세심한 주의를 필요로 한다.

OAJ에는 이를 위해 알루미늄 처리된 특수한 룸이 있다. 가능한 한 공장에서 인도한 상태에 가깝게 남아있도록 미러 표면의 특성값을 세심하게 유지되어야 한다. 미러의 크기와 무게를 고려하여 약 16.5m 떨어진 정비실로 운반하는 것은 엄청난 도전이다. 미러를 올리고 내리는 리프팅 시스템은 안전 기능이 통합 된 서보 드라이브 및 임베디드 PC를 통해 매우 정밀하게 제어된다. 속도는 분당 15㎝로 사람의 눈으로 거의 알아볼 수 없는 움직임이다. 그러나 그 가속 또는 감속이 미러에 관측오류를 초래할 수 있는 아주 작은 스크래치를 유발할 수 있다.

TwinSAFE에 의한 통합 안전 기술

OAJ의 많은 안전 회로는 TwinSAFE 시스템을 기반으로 설계되었다. “EL6900 TwinSAFE 로직 터미널을 사용하여 다양한 입력 및 출력을 제어하는 기능 그룹을 추가 할 수 있으며 Ton과 Toff를 통한 전원 켜기와 전원 끄기 지연 뿐만 아니라 비상 정지, AND 및 OR 논리 기능 블록과 같은 중요한 작업을 구현할 수 있습니다.”라고 OAJ의 엔지니어링 책임자인 Axel Yanes는 설명한다. “OAJ 제어 시스템은 모든 구성 요소가 상호 연결되고 장치들이 지속적으로 정보를 교환하는 글로벌 시스템으로 인식됩니다. 그들이 동기 방식으로 상호 작용하므로 우리의 전체 안전 시스템은 동일하게 작동 할 수 있어야 합니다.”

안전 정보는 FailSafe over EtherCAT(FSoE) 프로토콜을 통해 전송된다. 이 프로토콜을 통해 PLC는 양방향publisher-subscriber관계를 형성하여 각 PLC가 변수(publisher)를 제공하고 다른 subscriber는 받을 수 있게 해준다. 이 변수를 안전 로직 터미널(EL6900) 내에 연결하여 안전 입출력으로 처리한다. EL6900이 오류를 감지하면 EtherCAT 네트워크 내의 다른 CPU가 수신한 경고 신호를 발행하여 자체 시스템을 안전한 상태로 만든다.

이미 계획된 확장 프로그램

Axel Yanes는 이미 미래에 대한 계획을 세우고 있다: “OAJ에서 좀 더 흥미로운 장치를 가동시킬 것입니다. 우리는 지금까지 계획되지 않았던 관측 제어 시스템에 BACnet/IP, 상태 모니터링 및 기타 등등과 같은 몇몇 기능을 통합할 수 있습니다. 우리는 Beckhoff를 기술 파트너로 둔 것에 대해 매우 기쁩니다. Beckhoff는 고품질 및 신뢰성, 동시에 유연성 및 유지관리의 용이성과 관련된 우리의 요구사항을 충족시켰습니다. 이 프로젝트를 위해 협력해주신 총 10 개국의 글로벌 지원 또한 우리에게 매우 귀중한 것이었습니다.”