Primera prueba con el sistema de control del radiotelescopio de

Primera prueba con el sistema de control
del radiotelescopio de 40m. Observaciones
P. de Vicente, R. Bolaño y L. Barbas
Informe Técnico IT-OAN 2007-8
ÍNDICE
1
Índice
1. Introducción
2
2. Descripción de los equipos de control
2
3. Sincronización del ACU con el Tiempo Universal Coordinado
8
4. Descripción del sistema remoto de control. Software
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5. Pruebas básicas
9
6. Prueba nocturna de seguimiento
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1.
INTRODUCCIÓN
2
Introducción
Este informe describe las primeras pruebas realizadas en el radiotelescopio de 40m con el
sistema de control desarrollado por los autores de este informe. Las pruebas se hicieron los días
6, 7 y 8 de Junio de 2007 y en el último de ellos se siguió Júpiter con éxito durante varios
minutos. K. Matjull, perteneciente a la empresa MT-Mechatronics y responsable del interfaz
con el radiotelescopio de 40m, participó en las pruebas.
2.
Descripción de los equipos de control
El control del radiotelescopio de 40m del Observatorio Astronómico Nacional se hace empleando dos ordenadores de control; el SCU («subreflector Control Unit») y el ACU («Antenna
Control Unit»), conectados entre sí por una red de área local. En esta red además están conectados el HHP («Hand Held Panel»), uno o varios ordenadores de diagnóstico y el ordenador de
control remoto del OAN. La figura 1 muestra un esquema de las conexiones de los diferentes
equipos en la red de área local (LAN) y sus direcciones IP.
Figura 1: Red de área local con diferentes subredes IP, cada una de ellas en colores diferentes
Como se puede apreciar en la figura 1, en la LAN coexisten varias redes privadas diferentes:
1. La red pública del OAN aparece en el dibujo en color verde y con la demoninación «External Network». A través de esta red el ordenador de control remoto comanda y monitoriza
la antena. El espacio de direcciones de esta red es
.
2. La red de tiempo real aparece en el dibujo en color negro y con la denominación «Realtime Network». Esta red emplea la implementación EtherCAT de Beckhoff y se utiliza
para la comunicación interna entre el ACU y el SCU. La red emplea un ciclo temporal de
50 ms. El espacio de direcciones de la red es
.
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DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE CONTROL
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3. La red keba aparece en el dibujo en color azul y con la denominación «Keba Network».
En esta red se situa el HHP «HandHeld Panel». El espacio de direcciones de esta red es
.
4. La red de diagnóstico aparece en el dibujo en color rojo y con la denominación «Diagnostic Network». En esta red se situan los portátiles y ordenadores auxiliares con los que
se puede depurar el sistema. Habitualmente estos ordenadores disponen de una versión
de TwinCAT y permiten compilar el código y depurarlo. El espacio de direcciones de esta
.
red es
El sistema de control de los servos proporcionado por MT-Mechatronics consta de los siguientes elementos:
Un conmutador o «switch» de la marca Allied-Telesyn con 8 puertos eléctricos de 100
Mb/s.
El ACU o «Antenna Control Unit». El ACU es un ordenador modelo CX1020-0121 de
la casa BECKHOFF que monta un bus PC104 para conectar varios módulos anexos. La
CPU corre el sistema operativo Windows XP Embedded, con TwinCAT PLC/NC run-time
y 2 puertos Ethernet más 2 USB y un DVI. La figura 2 muestra un despiece del sistema.
Está compuesto por los siguientes módulos:
• Módulo CX1100-0002. Fuente de alimentación y bloque de entradas/salidas.
• Módulo CX1020-N060. Conector de red Ethernet de 10/100 Mbits/s.
• Módulo CX1020-0121. CPU: Intel Celeron M ULV, de 1 GHz de frecuencia de reloj.
RAM de 256 Mb y una tarjeta Flash de 64 Mb de capacidad con un límite máximo
de yy operaciones de lectura escritura.
• Módulo CX1020-N000. Dos tarjetas de red Ethernet de 10/100 Mbs/ con un switch
interno.
• Módulo CX1020-N010. Conector DVI, conector USB con una tarjeta de memoria
flash de y otro conector USB que se puede emplear para un teclado y un ratón. La
tarjeta flash se emplea para pruebas.
• Módulo CX1500-M310. Dos unidades para el bus Profibus. En este bus se encuentran conectados los ejes principales y los codificadores.
• Módulo CX1100-0910. SAI de 20 segundos de duración compuesto por condensadores que permiten un apagado ordenado de emergencia.
El SCU, «Subreflector Control Unit». El SCU es el ordenador que hace de interfaz con el
exterior a través de la red ethernet. También gestiona el control del subreflector y de los
espejos utilizando el bus «profibus». Es un ordenador de la casa Beckhoff para insertar en
rack que no dispone de disco duro y corre Windows XP. Este ordenador dispone, además
de los conectores de la tarjeta principal, las siguientes tarjetas PCI de expansión:
• Una tarjeta de dos puertos serie: COM2, y COM3
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DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE CONTROL
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Figura 2: ACU de Beckhoff. Módulos que componen el ACU
• Tres tarjetas para la conexión de otros tantos LCPs. Cada una de ellas dispone de
2 entradas/salidas tipo N para cada LCP y una entrada/salida serie de la que parten
cuatro salidas: una serie para un ratón externo, una serie para un teclado externo,
una PS2 para el ratón del «touch panel» de cada LCP y una PS2 para el teclado de
cada panel.
Los conectores N superiores son de entrada/salida para datos, y los inferiores transportan 24 V hasta los LCPs. Las entradas serie están conectadas entre sí por el bus
interno del PC para llevar la señal del teclado de cada LCP desde las tarjetas LCP3 y
LCP2 hasta la LCP1. Esta señal se inyecta en la entrada estándar PS2 de teclado del
SCU. Además la señal del ratón del LCP1 se conecta a la entrada estándar PS2 de
ratón, mientras que las correspondientes a los LCP2 y LCP3 se conectan a sendos
puertos USB.
De cada conector serie de los LCP2 y LCP3 parten señales de teclado externo que
noes tán conectadas a ningúna entrada en el SCU. Todas estas conexiones se resumen en la figura 4.
• Una tarjeta Beckhoff FC 3102 para bus Profibus a la que se conectan los motores de
M2, PS (M2 primary/secondary), M3R (M3 Redirect), M4 y M4R.
• Una tarjeta de red 10/100 Mb/s .
• Una tarjeta para alojar una memoria flash que hace las veces de disco duro del
sistema.
La figura 3 muestra un esquema del panel trasero del SCU con sus tarjetas de expansión.
Un sistema de tiempos de la casa Meinberg modelo TCR510MP, expresamente fabricado
para MT-Mechatronics con las siguientes entradas y salidas de señales:
• Entrada IRIG B
• Entrada HDLC
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DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE CONTROL
Figura 3: Esquema del panel trasero del SCU con sus tarjetas de expansión.
Figura 4: Esquema de las conexiones procedentes de los LCPs en el panel trasero del SCU.
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DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE CONTROL
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• Salida: Estado del error más 1 PPS. Se envía a través de un conector DB9 donde
cada señal emplea hilos diferentes.
• Salida: RS232: Proporciona el tiempo absoluto. Los parámetros de configuración
de la línea son: 9600 baudios, 8 bits, sin paridad y 1 stop bit. Esta señal se envía al
ACU.
• Salida: RS232: Proporciona el tiempo absoluto. Los parámetros de configuración de
la línea son: 9600 baudios, 8 bits, sin paridad y 1 stop bit. Esta señal está preparada
para ser leida por un equipo externo.
Este sistema proporciona el tiempo absoluto a través de un interfaz serie. También genera
1 PPS e información sobre el estado de enganche del reloj de cuarzo interno con la señal
IRIG-B.
Tres paneles de control local o «LCP» de la marca Beckhoff, modelo 7031-1029. Se
conectan al SCU a través de cables dedicados. Cada panel utiliza tres cables diferentes
que se transforman en 4 conectores. Los cables negros se conectan a sendos conectores
BNC tras el panel, el cable verde se desdobla en dos: uno se conecta a un conector de
rosca con 9 clavijas y el otro a la luz de alarma rotatoria. El cable BNC marcado con una
etiqueta roja transporta 24 V, y el segundo BNC transporta datos entre la CPU y el panel.
El conector de rosca transporta la señal del joystick y de la seta de interlock. Cada panel
permite la conexión de un ratón y un teclado externo.
Los paneles de control no se pueden utilizar simultáneamente. Para poder conmutar entre
ellos se emplea una fila de botones situada en la parte superior izquierda con la leyenda:
LCP R, LCP S, LCP C, donde la «R» indica «Receptores», «S» indica «Servos» y «C»
indica «Control». Existe una jerarquía entre los paneles de suerte que si el control está en
un panel, el control no se puede adquirir desde otro panel. Además desde el panel activo
no es posible transferir el control a cualquiera de los otros. Desde el panel LCP R sólo se
puede transferir el control al LCP S. Desde el LCP S sólo se puede transferir el control al
LCP C y desde este último al LCP S.
Un panel de control manual o «HHP». Este dispositivo es un ordenador con Windows
Mobile y una pantalla táctil que utiliza un escritorio remoto para comandar la antena.
La conexión se realiza a través de una red Ethernet privada. Este dispositivo dispone de
una llave que puede tomar 3 posiciones. En la posición izquierda la antena sólo responde
las órdenes del HHP. En la posición central la antena es comandable desde los LCPs y
remotamente.
Un ordenador portátil para utilizar como elemento de diagnóstico de todo el sistema de
control.
Además el OAN instaló un PC con 2 tarjetas de red que permite el acceso remoto de
MT-mechatronics a través de la red pública del OAN.
La figura 5 muestra un esquema del sistema sobre varias fotografías que permiten identificar
los diferentes elementos del sistema.
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DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE CONTROL
Figura 5: Sistemas en el bastidor de control en la sala de servos con algunas de sus conexiones.
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3
3.
SINCRONIZACIÓN DEL ACU CON EL TIEMPO UNIVERSAL COORDINADO
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Sincronización del ACU con el Tiempo Universal Coordinado
La sincronización del sistema de control de MT-Mechatronics con el Tiempo Universal
Coordinado (UTC) se hace empleando una señal IRIG-B proporcionada por el receptor GPS
TrueTime XL-DC en la sala de backends de la torre del 40 m. Este receptor proporciona una
señal IRIG-B con información temporal cada 10 ms. De acuerdo con el manual del receptor
GPS la precisión es de 100 ns relativa al UTC, aunque se desconoce la incertudimbre que
introduce la longitud del cable. Dicha señal se envía hasta un sistema de tiempos de la casa
Meinberg que dispone de un reloj de cuarzo interno que se sincroniza con ella. El sistema de
Meinberg proporciona una señal de 1 PPS, una salida del estado del reloj y el tiempo absoluto
a través de dos puertos serie. Todas estas señales se envían hasta el ACU que las monitoriza
constantemente.
El ACU emplea dos sistemas temporales: el propio, proporcionado por el reloj interno de la
CPU y el tiempo UTC que recibe del Meinberg. Las operaciones en las que interviene el sistema
de control sólo están gobernadas por el sistema UTC. Cuando la señal IRIG-B se pierde el
sistema Meinberg sigue proporcionando una señal temporal absoluta basada en su reloj interno
de cuarzo aunque advierte que no se encuentra enganchado a la señal de referencia. Cuando se
reinicia el ACU, este toma el tiempo del sistema Meinberg.
La sincronización del ACU se realiza empleando dos ciclos temporales y una señal de 1
PPS procedente de un reloj de la casa Meinberg. A continuación se explican los dos bucles
empleados:
El bucle de 2 ms. En este bucle, utilizando el ciclo de reloj de la CPU, se verifica la
presencia de 1 PPS. Se emplea un contador de 5 pasos. Si se detecta la presencia de
1 PPS se utiliza una variable que indica en qué ciclo del contador se ha producido el
evento. Si el 1 PPS no ha sido detectado el contador mantiene la variable de presencia de
1 PPS a cero. En este ciclo se lee y escribe sobre los motores y codificadores de los ejes
principales.
El bucle de 10 ms. En este bucle se corrige la hora del ACU añadiendo 10 ms. Si en el
ciclo anterior se detectó la señal de 1 PPS se reinicia la hora al último valor leido en el
puerto serie empleando un número entero de segundos y se le añade un múltiplo de 2
ms, que corresponde al ciclo de contador del bucle de 2 ms. Al final del ciclo reinicia el
contador de 2 ms. En este ciclo se lee y escribe sobre los motores y codificadores del resto
de los espejos.
El ACU permite modificar el tiempo del sistema obviando la entrada del sistema de Meinberg. Es posible enviar un tiempo absoluto e incrementar o decrementar el tiempo en 1 segundo
a través del sistema remoto de control. En el momento de las primeras pruebas ninguna de estas opciones estaba operativa. Además tampoco estaba operativa la conexión con el sistema de
Meinberg.
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4.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA REMOTO DE CONTROL. SOFTWARE
9
Descripción del sistema remoto de control. Software
La interfaz entre el sistema de MT-Mechatronics y el sistema del OAN está definida en el
documento «Interface Control Definition». En el momento de las pruebas este documento no
estaba en su versión definitiva. Las órdenes se envían al ACU empleando sockets a través del
puerto 8000. Tras cada orden enviada se recibe un mensaje de confirmación que indica si esta
se ha procesado con éxito o no. El estado del telescopio se publica periodicamente en el puerto
8001.
En el momento de las pruebas el sistema de control de MT-Mechatronics no estaba completo
por lo que la funcionalidad descrita en el ICD era muy limitada. El módulo de más bajo nivel
del sistema de control remoto del OAN estaba completo y de acuerdo con el ICD en la versión
entonces existente. Los módulos de más alto nivel no estaban finalizados.
El control del radiotelescopio se hace empleando un componente ACS denominado «oanAcu40m» cuyas características se describen en otro informe técnico. Existen dos instancias
para este componente: «BECKHOFF» y «ACU_SIMULATOR». El primero permite la operación con el radiotelescopio de 40 m y el segundo con un simulador proporcionado por MTMechatronichs. Ambas instancias implementan todas las funciones descritas en el ICD tal y
como se describen en la última versión en la fecha de este informe. Por ello se trata de un
componente de control remoto de bajo nivel. Este componente se ejecuta sobre un contenedor
denominado «OCacu».
Existe un componente de alto nivel denominado «oanAntenna» que oculta a sus usuarios
los detalles proporcionados por el componente «oanAcu40m». Este componente desarrollado
en Python se describe con detalle en otro informe técnico. Sólo existe una instancia de este
componente. Para poder utilizar cualquiera de las dos instancias de «oanAcu40m» es necesario
modificar una variable privada (self.__a40mName) del componente antes de lanzar este. Este
componente no está completo en el momento de la fecha de este informe aunque dispone de
numerosas funciones útiles. Se completará a medida que se hagan otras pruebas y las primeras
observaciones de regulares.
Finalmente el componente «obsEngine» se ocupa de sincronizar el movimiento de la antena
con la toma de datos. Este módulo está operativo e incompleto aunque en un estado mucho
menos avanzado que el anterior.
5.
Pruebas básicas
Las primeras pruebas consistieron en comunicarse con el SCU siguiendo la secuencia de
inicio que se emplea en el componente «oanAntenna» para inicializar la antena y dejarla lista
para las observaciones. Estas pruebas se realizaron empleando la aplicación genérica de ACS,
«Object Explorer». A continuación se describen los pasos que se llevaron a cabo para poner en
marcha la antena.
Se levantan las setas tanto en el LCP como en el HHP. Es necesario girar al tiempo que
se separa la seta del panel. Cada seta es un «Interlock», es decir un sistema de bloqueo de
la antena.
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PRUEBA NOCTURNA DE SEGUIMIENTO
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Giro de la llave del HHP hasta la posición central (está marcado como 0). En el LCP desaparece la indicación «HPG» de uno de los recuadros y aparece «LCP». Esta indicación
se muestra en la parte superior de la pantalla informativa principal.
Para confirmar que se han eliminado los «interlocks», se pulsa el botón iluminado «Interlock Acknowledge» en el frontal de la puerta de los ordenadores de control.
Envío de la orden de control remoto. Este comando indica al ACU que después de esta
instrucción el sistema será gobernado remotamente. La pantalla principal de los LCP
indica «REM» en lugar de «LCP». En alguna de las ocasiones se ilumina el botón «Fault
Acknowledege» en la puerta del bastidor del ACU y es necesario pulsarlo para eliminar
el error que impide la puesta en marcha.
Envío de la orden de reinicio «reset». Tras el paso de control local a remoto es necesario
reiniciar los ejes principales para partir de una situación conocida al comandar la antena.
Envío de la orden standby. Para evitar problemas imprevistos se envía la orden que desactiva los ejes principales de la antena. En el LCP este estado aparece en dos recuadros,
uno por eje, que indican la situación «Standby».
Envío de la antena de 40m a la posición de enclavamiento. Esta instrucción se ejecutó
correctamente.
Sincronización con la fecha y hora actuales en UTC. Esta operación no se pudo realizar
remotamente porque no estaba implementada en el sistema remoto pero se llevó a cabo
empleando el entorno de desarrollo de TwinCAT.
Envío de una orden de seguimiento de un cuasar en el cielo. Se comprobó que la antena se
movía continuamente durante el intervalo comandado en el área correcta del cielo. No se
pudo comprobar ningún extremo más por no disponer de ningún detector en el momento
de las pruebas.
Tras estas pruebas se programó una observación nocturna con el telescopio óptico instalado
en el subreflector para verificar si el seguimiento era correcto.
6.
Prueba nocturna de seguimiento
Para poder verificar el seguimiento de los motores principales de acimut y elevación se
hizo una prueba nocturna empleando el telescopio óptico instalado en la cabina del subreflector. Esta prueba requería una sincronización temporal con un error inferior a 1 segundo. Dado
que ninguno de los métodos descritos en la sección 3 estaban operativos, el tiempo se ajustó
manualmente desde el propio código de control del ACU.
La caperuza del telescopio se descubrió al atardecer y se desenroscó la bombilla de la baliza
de posición en la pared trasera del subreflector para evitar que su luz interfiriera en la captura de
imágenes. La imagen del telescopio óptico se inyectó en una tarjeta capturadora USB externa
de la casa Pinnacle. Se instaló el software en un PC con Windows XP y se configuró la tarjeta
6
PRUEBA NOCTURNA DE SEGUIMIENTO
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para capturar las imágenes de vídeo en tiempo real. El PC se situó en la sala de servos junto a
los ordenadores que se emplearon en las pruebas del sistema de control. El cable de la señal del
vídeo no puede pasar por los descargadores en la sala de receptores ya que la imagen de vídeo
necesita la componente de contínua para poder sincronizar la imagen.
Para la prueba se seleccionó el sistema Joviano.
Júpiter es suficientemente intenso para detectarlo con un tiempo de integración inferior o
igual a 1 segundo con la cámara CCD adosada al telescopio óptico.
Júpiter salía pronto una vez anochecido y se encontraba en el Sureste de la boveda celeste
en Yebes. Una gran parte del hemisferio Oeste en Yebes resulta inútil ante la presencia de
la iluminación urbana de Madrid.
El campo de visión de la cámara permite incluir lso satélites mayores de Jupiter. Al tratarse de una imagen no simétrica la identificación del objeto resultaría inmediata en la
pantalla.
Al enviar la antena a la posición de Júpiter, se detectó una estrella desconocida de poco brillo
en el campo de visión. Se intentó comandar diferentes posiciones en el sistema de enfoque del
telescopio óptico para optimizar la imagen pero el sistema se averió durante las pruebas y todas
las imágenes se tomaron con la posición de Z=7000, en uno de los extremos del rango.
Para poder localizar Júpiter se probaron diferentes offsets de posición en coordenadas ecuatoriales. Tras varias intentos finalmente se detectó el planeta junto con sus satélites. Una vez
determinado el offset se hizo una pequeña prueba de seguimiento que permitió verificar que este es correcto durante unos minutos. Se grabaron imágenes y un vídeo del momento. La imágen
6 el sistema joviano durante el seguimiento.
Conclusiones:
El algoritmo de cálculo de posiciones de planetas y de otros cuerpos celestes parece funcionar correctamente. Se necesitan más pruebas para confirmar esta afirmación.
El error de puntería fue aproximadamente (400, -2800) segundos de arco en ecuatoriales
que se corresponde con un error de () en coordenadas horizontales. Este error no permite concluir que este error sea adjudicable a la antena. Es posible que el eje óptico del
telescopio óptico difiera en una cantidad desconocida del eje radioeléctrico de la antena.
Las pruebas se hicieron en un área en torno a un acimut de 163 grados y una elevación de
25 grados.
La imagen 6 muestra una instantánea tomada con la cámara una vez invertidos los colores. El tiempo de integración es de 1/60 segundo. Se pueden apreciar varios fuentes, de
izquierda a derecha: Io, Júpiter Ganímedes y Calisto.
El vídeo grabado está volteado horizontal y verticalmente. La imágen que se muestra aquí
ya tiene la orientación correcta.
No se corrigió el apuntado teniendo en cuenta la refracción.
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PRUEBA NOCTURNA DE SEGUIMIENTO
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Se observan algunos puntos brillantes que se corresponden con píxeles en malas condiciones.
Una inspección cuidadosa del vídeo permite descubrir en el campo de visión 4 fuentes
más en la constalación de Ofiuco.
Esta prueba demostró que el seguimiento era correcto y que hacía falta corregir un cierto
número de problemas en los sistemas local y remoto de control. Informes posteriores describirán
observaciones más detalladas.
Figura 6: Imagen del sistema joviano tomado con el telescopio óptico instalado en el subreflector del
40 m. Esta imagen se tomó a las 23:00 UTC. El tamaño de la imagen es de 76 x 57 minutos de arco la
resolución es de 768x576 pixels.