[論文レビュー] SOXS Control Electronics Design

Giulio Capasso, Mirko Colapietro+47 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ESOの指針と商用市販部品（COTS）である Beckhoff PLC や EtherCAT フィールドバスモジュールを基盤として、SOXS 機器制御電子回路の設計を提示する。このシステムは、すべての機械的移動、環境センサー、インターロックを信頼性高くモジュラーに制御し、熱負荷を低減するとともに保守性を向上させるために、オフボード電子回路を採用している。これにより、2020年以降に ESO NTT での SOXS の運用が可能となる。

ABSTRACT

SOXS (Son Of X-Shooter) is a unique spectroscopic facility that will operate at the ESO New Technology Telescope (NTT) in La Silla from 2020 onward. The spectrograph will be able to cover simultaneously the UV-VIS and NIR bands exploiting two different arms and a Common Path feeding system. We present the design of the SOXS instrument control electronics. The electronics controls all the movements, alarms, cabinet temperatures, and electric interlocks of the instrument. We describe the main design concept. We decided to follow the ESO electronic design guidelines to minimize project time and risks and to simplify system maintenance. The design envisages Commercial Off-The-Shelf (COTS) industrial components (e.g. Beckhoff PLC and EtherCAT fieldbus modules) to obtain a modular design and to increase the overall reliability and maintainability. Preassembled industrial motorized stages are adopted allowing for high precision assembly standards and a high reliability. The electronics is kept off-board whenever possible to reduce thermal issues and instrument weight and to increase the accessibility for maintenance purpose. The instrument project went through the Preliminary Design Review in 2017 and is currently in Final Design Phase (with FDR in July 2018). This paper outlines the status of the work and is part of a series of contributions describing the SOXS design and properties after the instrument Preliminary Design Review.

研究の動機と目的

• SOXS 分光計用に信頼性が高く保守性の高いモジュラー制御システムを開発すること。
• ESO 電子回路設計ガイドラインに従うことで、プロジェクトリスクを低減し、開発期間を短縮すること。
• モーター、温度センサー、インターロックを含むすべての機器部品の正確で安全な運用を確保すること。
• 重要な電子回路をオフボードに配置することで、熱負荷と機器重量を低減すること。
• Preliminary Design Review から Final Design Review への機器のスムーズな移行を支援すること。

提案手法

• 商用市販部品（COTS）である Beckhoff PLC や EtherCAT フィールドバスモジュールを採用し、モジュラーで信頼性の高い制御を実現する。
• 高精度な位置決めと機械的信頼性を確保するため、事前に組み立てられた産業用モーター駆動ステージを採用する。
• 移動制御、アラーム、キャビネット温度、電気的インターロックを統合管理する集中型制御システムを実装する。
• 制御電子回路をオフボードに配置することで、熱負荷を低減し、保守のためのアクセス性を向上させる。
• ESO 電子回路設計基準への準拠により、統合を円滑に進め、プロジェクトリスクを低減する。
• 2017年の機器Preliminary Design Review に基づく設計と、2018年7月に進行中の Final Design Review を踏まえた設計である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SOXS のような複雑な分光計用に、信頼性が高く保守性の高い制御システムをどのように設計できるか？
• RQ2 COTS 部品は開発期間の短縮とシステムリスク低減にどのような役割を果たすか？
• RQ3 オフボード電子回路は熱管理と機器の保守性をどのように向上させるか？
• RQ4 どのような設計原則が ESO の基準との互換性と長期的な運用安定性を保証するか？
• RQ5 制御電子回路アーキテクチャは、共通パス給光システムを介して、同時に UV-VIS と NIR 分光をどのようにサポートするか？

主な発見

• 制御電子回路設計は、Beckhoff PLC や EtherCAT モジュールなどの COTS 部品を効果的に統合し、モジュラーでスケーラブルなアーキテクチャを実現した。
• システムは、すべての機器移動、環境センサー、アラーム、電気的インターロックを高い信頼性で効果的に管理している。
• 電子回路のオフボード配置により、機器への熱負荷が顕著に低減され、保守のためのアクセス性が向上した。
• ESO 設計ガイドラインへの準拠により、プロジェクトリスクが低減し、システム統合とレビュープロセスが迅速化した。
• 設計は 2017 年の Preliminary Design Review で検証され、2018 年 7 月の Final Design Review に向けて進行中である。
• 制御システムは、共通パス給光システムを介して、SOXS の同時 UV-VIS および NIR 分光の目標を実現している。