[Beckhoff 제공] Giant Magellean 망원경(GMT) 프로젝트는 12개 기관이 참여하는 국제 컨소시엄이 주관한다. 이 차세대 망원경은 Las Campanas 천문대에 설치돼 2029년에 가동될 예정이다.  

애리조나주립대학교, 천문호주유한공사(Astronomy Australia Limited), 호주국립대학교, 카네기과학원(Carnegie Institution for Science), 상파울루연구소(FAPESP), 하버드대학교, 스미스소니언연구소(Smithsonian Institution), 텍사스A&M대학교, 오스틴텍사스대학교, 애리조나대학교, 시카고대학교 그리고 한국천문연구소 등의 기관들은 망원경 설비의 제작과 운영을 위해 자금을 대고 있다. 연구원들이 프로젝트의 우선순위를 정해, GMT를 사용할 수 있는 권한을 부여할 계획이다.

거울 7개와 총 지름 25m의 Giant Magellan 망원경은 2029년 칠레의 라스 캄파나스 천문대에 가동할 전망이다. [사진=GMTO Corporation, Chile/USA]

이 가운데 Beckhoff의 PC 기반 제어는 미래형 자동화 설비로 지정됐다. 까다로운 테스트를 거쳐 다양한 임베디드 PC 그리고 3,000개 이상의 모션 축을 움직이는 AM8000 서보모터가 공식 지정됐다. 여기에는 모든 망원경 기능을 연결해 사이트 전체에 대한 실시간 통신을 가능하게 하는 EtherCAT이 빛을 발했다. 

GMT는 천체물리학과 우주 연구 분야 관계자들에게 괄목할 만한 기회를 제공할 것으로 기대된다. 총 직경 25m인 7개의 거울을 단일 광학 시스템으로 결합한 형태로, Hubble Space 망원경이 제공하는 것보다 10배나 더 큰 해상도를 제공한다. 빅뱅 이후의 시간까지도 되돌아볼 수 있을 정도다. GMT는 적응형 광학 시스템을 사용해 지상 대기로 인한 왜곡을 최소화함으로써 현재보다 더 선명한 천체 이미지를 포착할 수 있게 해줄 것이다. 

비슷한 망원경 프로젝트를 연구하고 있는 과학자들과 엔지니어들은 통상 자동화 솔루션을 도입하기 위해 흔히 맞춤 제어 구성 요소를 사용하고 있다. 하지만 GMT 컨소시엄 팀은 이러한 전통적인 시각에서 벗어나 있다. GMTO 수석전자공학자 José Soto는 “다른 자동화 시스템과 달리 망원경만을 특별 취급하는 전통적 방법을 고수하고 싶지 않다. 미래 지향적인 산업 제어 솔루션은 오늘날 천체물리학 분야가 직면하고 있는 많은 문제들을 해결할 힘을 가지고 있다”고 밝혔다.

고유한 프로젝트를 위한 표준 기반 자동화

GMT에 대한 자동화 및 제어 구성 요소를 지정하려면 실시간 통신 및 제어 요구 사항에 부합해야 하고 특히, 3,000개 이상의 모션 축을 구성해야 한다는 점에서 신중한 접근이 필요하다. 22층 높이의 육중한 망원경 인클로저가 회전해야 하고, 유연한 거울은 복잡한 적응형 광학장치여야 한다. 또한, 높은 해상도를 달성하려면 최대한 정밀하게 움직여야 할 것이다.

GMTO 엔지니어 José Soto(왼쪽)와 Hector Swett는 Beckhoff의 TwinCAT 3 자동화 소프트웨어를 이용해 망원경 사양에 따라 다양한 구성품을 검증한다. [사진=GMTO Corporation, Chile/USA]

일례로 각 거울의 무게를 지지하기 위한 능동 광학 시스템에서는 거울마다 170개의 공압식 액추에이터를 통합할 필요가 있다. José Soto는 “현재 엔지니어 팀은 완벽한 자동화 및 제어 구성요소의 필요성을 확인했고, 향후 기술 발전을 지원할 것이다. 노후화에 대처하는 가장 효과적인 방법은 검증된 산업기술을 표준화하는 것이다”고 설명했다. 이러한 이유들로 GMTO는 Beckhoff의 솔루션과 같은 산업 표준을 이용한 제어 시스템의 기본 사양을 제시했다.

GMTO 엔지니어들이 산업 자동화 및 제어를 발굴하기 시작했을 때 여러 산업용 이더넷 네트워크도 조사했다. 그들은 EtherCAT이 유연한 토폴로지 및 확장성을 제공함과 더불어 하나의 네트워크에 최대 6만5,535개의 EtherCAT 디바이스를 통합할 수 있다는 것을 확인했다. 이는 GMT 기준을 충족했다. Soto는 "EtherCAT은 기본 거울부터 대기 분산 보상기, 인클로저, 마운트 및 시설 내 빌딩 자동화까지 거의 모든 GMT 망원경 시스템에 내장될 것이다"고 밝혔다.

GMTO 엔지니어인 Hector Swett에 따르면 Safety over EtherCAT(FSoE)은 망원경의 인터락 및 안전시스템을 위해 뛰어난 기능을 제공한다. FSoE는 GMT에 표준 EtherCAT 네트워크를 통한 안전 등급의 TÜV-인증 통신, 분산형 TwinSAFE I/O 모듈을 위한 다양한 옵션, Beckhoff 엔지니어링 환경 및 산업용 PC와의 통합 등도 거뜬히 소화한다.

현재 GMT는 여러 PC 기반 컨트롤러를 권장하고 있다. 인터락 및 안전 시스템은 EL6910 TwinSAFE Logic I/O 모듈과 함께 작동하는 많은 안전 컨트롤러, 딘 레일에 장착되는 CX9020 임베디드 PC에 의존하고 있다. Swett는 위험 분석에서 요구되는 안전 기능을 구현하기 위해 EtherCAT Automation Profile(EAP)을 통한 FSoE로 상호 접속한다고 말한다. Beckhoff의 CX2020 임베디드 PC는 파트너들이 망원경용 계측기를 개발하기 위해 제작된 GMT 하드웨어 개발에 사용된다.

Beckhoff AM8000서보모터는 망원경 설계 전반에 지정돼 있으며, 여기에는 3,000개 이상의 모션 축이 포함된다. [사진=GMTO Corporation, Chile/USA]

Beckhoff의 TwinCAT 3 자동화 소프트웨어는 디바이스를 테스트하기 위한 핵심 플랫폼을 제공했으며, 망원경 주위의 구조를 제어할 수 있도록 지정됐다. Hector Swett는 "망원경의 인클로저용 PC 기반 컨트롤러가 TwinCAT을 직접 작동시킬 것이다. OPC UA를 통해 대규모 애플리케이션과 관측 제어 시스템을 연결할 수 있는 실시간 기능까지 제공한다"고 말했다. 시스템 개방성을 보여주는 TwinCAT은 ADS 및 EtherCAT을 통해 타사 장치를 자동으로 스캔하고 구성할 수 있으므로, 감지에서부터 모션 제어까지 모든 작업에 최적화된 플랫폼을 제공한다.

이 망원경은 수천 개의 모션 축을 갖고 있기 때문에, 최종 구성 단계에서 신뢰할 수 있는 모터와 드라이브가 제 역할을 해줘야 한다. José Soto는 Beckhoff 제품인 AM8000 서보모터가 독보적이라고 판단하고 있다. Soto는 “우리 팀이 망원경을 커미셔닝할 때 AM8000 서보모터를 사용할 가능성이 매우 높다. 예를 들어 Cassegrain 포커스에 부착된 모든 기구를 움직이는 대기 확산 보상기 또는 GIR(Gregorian Instrument Rotator)에서 사용할 것이다"고 말했다.

창의적인 아이디어를 위한 새로운 기술

José Soto는 "EtherCAT은 처음으로 GMTO 엔지니어들을 Beckhoff로 이끌었으며, 망원경의 제어 아키텍처 설계에 기초로 남아 있다. EtherCAT을 GMT의 필드버스로 사용하면 I/O 레벨까지 실시간 통신이 가능하다"고 설명했다. 또한 “우리는 2ms의 사이클 타임을 달성해 다양한 하위 시스템에서 루프를 닫을 수 있는 충분한 대역폭을 제공하는 것으로 제어 및 네트워킹 기능을 크게 확장했다”고 덧붙였다. 

Hector Swett는 "열을 줄이는 것은 GMT에게 매우 큰 난제였다. 열은 인클로저 내부의 공기를 더 난류로 만들고, 이 난류는 빛이 공기를 통과할 때 이미지를 왜곡시킨다. 이 가운데 분산된 I/O 아키텍처는 이를 방지하는 데 크게 도움을 준다”고 밝혔다.

10여년 내 이러한 관찰 및 발견은 GMT를 설계하고 구축하는 엔지니어들만의 일이 아니라, 우주 탐사를 위해 이를 사용하는 모든 천체물리학자들과 우주론자들로 확대될 것으로 예상된다. 연구원들은 아직 상상조차 할 수 없는 위대한 발견을 하기 위해 자신들의 창의적인 아이디어를 가져올 수 있는 유연성을 갖게 될 것으로 보인다.

[최정훈 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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