PLC-BASED CONTROL SYSTEMFOR THE KEK DIGITAL ACCELERATOR
Eiichi Kadokura1,Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
The KEK digital accelerator (KEK-DA), which is a small scale induction synchrotron and the renovation of the former
KEK 500MeV booster synchrotron, is under beam commissioning since July 22nd, 2011. For the control of all
equipment’s in the KEK-DA, the PLC (Programmable Logic Controller) made in a single company has been employed.
This enables us to easily develop the operation software and quickly deal with changes in the operation mode. There havebeen no troubles caused by the control system since its start. We can say the present control system is highly reliable.

PLCによるKEKデジタル加速器制御システム
1. 概要
シンクロトロンに於ける誘導加速(デジタル加速)方式を実証する為にKEK-PS-ブースター陽子シンクロトロン(500MeV)を改装して2011年7月22日からテスト運転を行っている。この加速器の全ての機器の制御システムをひとつの会社で製作されているPLC(Programmable Logic Controller)に限定する事によりソフトウェア開発が簡便になり、加速器の運転モード変更に迅速な対応が出来るようになった。運転開始以来、制御システムに起因する故障は皆無であり、非常に高い信頼度を得ている。

イオンビームを発生し、LEBTラインを通しDAリングに入射する。入射されたビームは誘導加速セルにより12MeVまで加速し、取り出しラインに出射する。
現在はDAリングでのDC磁場での誘導加速セルによるビーム閉じ込め、DC＋AC磁場での加速実験を行っている。
デジタル加速器の特徴は低エネルギービームを線形加速器なしに高エネルギービームまで加速できることである。

3. 制御システム構成
誘導加速セル
ECR
イオン源

2. デジタル加速器
LEBT & DA

イオン源

PS
ECR PLCLEBT PLC

各パルス電源室DC

Tr Tr

DA PLCPS

Optical FA Bus2

Safety PLC Timing PLC
TPCPU

Optical FA Bus2

CPU

CPU

Optical FA Bus2
FA-LINK

CPU

TPCPU

PC

PC

Control Network

図2: 制御システム ハードウェア構成

図1: デジタル加速器の構成
デジタル加速器はECR イオン源で200KeVの陽子

1E-mail: eiichi.kadokura@kek.jp

図2に制御システム ハードウェア構成を示す。安
全とビーム スイッチ(Safety)、タイミング(Timing)、
ECR イ オ ン 源 、 LEBT 、誘導加速 (DA) と入射出射(Inj/Ext Pulse)には、PLC親機(CPU)を置き、制御する。
PLCの構成はPLC親機(CPU)と各制御機器と接続するPLC子機(IO)とから成る。親機と子機はOptical FA
Bus2(10Mbps)で接続して絶縁を図る。各PLC親機間はFA-Link(250Kbps)で接続してデータを共有する。
すべてのPLCはタッチパネル(TP 15inch)と信号通信を行う。

図3: 運転操作とソフトウェア開発環境
図3に運転操作とソフトウェア開発環境を示す。
運転操作は基本的にTPからすべて行う。TPからのPLCの操作対応時間は最大で100msec以下にする。
ノートPCにはTPのViewerソフトを動作させ、TP画面を出し、TPと非同期で同じ操作を行う。ノート
PCは各場所に配置してあり、無線LAN接続することで室内を自由に移動できる。ソフトウェア開発は居室にTPとノートPCを置き、開発ソフトの動作確認を行ってCCRのTP、現場のPLCにダウンロードする。

転を停止する。図4にBeam SWとMain TPを示す。運転するには画面中部ボタンのSystem Key (PermissionButton：4桁数字入力)をONにする。次に上部ボタンのイオン源(Ion Source)、Dump、Extractionモードの1つを選択し、Beam SWボタンをONする。TP下部ボタンで各機器の操作TPに移る。
図5にBeam SWのシーケンスを示す。イオン源モードのBeam ONは前のKEK陽子加速器のすべて非常停止SWと放射線モニタが条件になる。Dump、Extractionモードではイオン源モードに加えて加速室に通じるすべてのドアと、パーソナル キーが条件になる。非常停止SWとドアの位置及び、状態は図4
画面中部のDoor、Emergencyボタンを押すことで確認できる。図6にドア、パーソナル キー、回転灯表示TPを示す。図7に非常停止SW 表示TPを示す。
Beam ON/OFF は Ion Source Trigger 、 F-Cup 、 GateValveによってコントロールする。イオン源高圧電源はイオンのコンディションを保つためにシーケンスに加えない。これらはすべてSafety PLCが行う。

4. 安全とビーム・スイッチ

図6: ドア、パーソナルキー、回転灯表示TP

図4: Beam SWとMain TP
図7: 非常停止SW 表示TPRESETDoor Limit SW
AND

パーソナルキー非常停止SW

BEAM SW
放射線量モニタ

30 secORIon SourceTrigger

AND
BEAM SW SYSTEM KEY( Permission Button )Close F-CUP

イオン源単独モード

回転灯

Close Gate-Valve1
AND
IS modeNOTDumpモード
BEAM SWAND
Close Gate-Valve2
OR
Dump mode
NOT

30 secExtraction
モード
BEAM SW

Open Gate-Valve1
OPEN
LimitSW

AND
Extraction mode

図5: Beam SWのシーケンス
加速器運転のBeam ON/OFFはTPで操作する。緊急時はコントロール室内の非常停止ボタンを押して運図8: Beam ON/OFFと安全系履歴表示TP
図8にBeam ON/OFFと安全系履歴表示TPとWeb表示を示す。Beam ON/OFFと安全系履歴は項目とその発生時間と復旧時間が履歴として保存される。また、各運転モードのBeam ONの時間積算も記録する。

5.

タイミング システム

図11: モード プログラマーTP

図 9: DA Ring 磁場と Timing Delay 値設定 TPタイミング システムは DA Ring 磁場 10Hz を基本とする。1 周期 100msec 間に各機器にタイミング信

図11にモード プログラマーTPを示す。モード プ
ログラマーTPで100msec Gate毎に各タイミング信号のON/OFFをする。各タイミング信号はタイミングの ス タ ー ト か ら PLC Delay Module(20MHz 24bitsCounter)で遅延させて作る。Delay用ClockはDA Ringの10Hzを定倍した約10 MHz Clockを使用する。

号を送る。DA Ring 磁場波形の立ち下がり中に、AC成分が 0 になった時をタイミングのスタートとする。
主なタイミング信号は、デジタル加速前(Inj Master)

PG100MHz

CRevolution Clockに Ion source Trigger 、Chopper 、Inj Kicker、デジタル加速後(Ext Master)、Ext Septum、Ext Bump、ExtC

8bits Counter OS

D 8bits

8bits Counter O

C8bits Counter O

D 8bitsS

PLC Output 40bits

SC

Ext Bump Trigger
SKicker がある。図 9 DA Ring 磁場と Timing Delay 値

SETQ

S

R CLR QC

設定 TP を示す。

S

Ext Kicker 1

Ext Kicker 2

D 8bits
8bits Counter O

Ext Kicker 3

D 8bits
8bits Counter O

Ext Kicker 4

D 8bits

Ext Bump
DA RingClock

1Hz Gate

1/10

GCLPulse

Ext Kicker Charge Trigger

Counter 32 Bit

Ext Kicker Charge
3msec

J1

Ext Kicker Charge
Ext Bump

ADC16 Bit

VFC1/101/10

1/10

Latch

1/10

1KHz

Ext Kicker

10usec

10KHz

13 Bit100KHzData1MHz

図12: デジタル加速取り出しタイミング

10MHzASIC

Decoder

ROMFPGA

図10: タイミング・クロック発生器
図10にタイミング クロック発生器を示す。DARing磁場からの10HzのClockを1/10にして1Hz Gateを作る。このGateの間107countsになるようVFCをコントロールする。これにより、常にDA Ring磁場に同期した10MHz clockを作る。

デジタル加速器からの取り出し用Ext Bump、ExtKicker信号は周回周波数(取り出し時：2MHz)と同期をとる。Ext Kicker信号はExt Bump信号から周回周波数を使い 10usec遅らせて、そのあと4台あるExt
Kicker の 1 台 毎 に NIM Delay Module(100MHz 24bitsCounter)で遅延させて入れる。各Ext Kickerの充電は4msce前から行う。図12にデジタル加速取り出しタイミングを示す。モード プログラマーは最大19.8sec(9 ＊ 22)間のパターン制御が可能である。すべてTiming PLCが行う。

6.

電源制御システム

MatrixM Fan Alarm

M Fan Alarm

Trigger
12M Temp
RESET

Modulator
9EnableTrigger

OKM Temp
RESET (always)

EnableEnablePowerPowerCAV TEMP50

DCHV

Cell

79

CAV TEMP70

OKCAV OIL
Match R Water1
Match R Water2

図16: DA加速電源インターロック結線構成

図13: イオン源操作とTrend表示TP

DA加 速 電 源 は DC 充 電 器 7 台、Modulator 9 台、Trigger機器3台（1台:4 Trigger）、加速セル9台で構成される。これらの装置のインターロックと電源をPLC IOに個別接続して制御する。運転条件により機器の組み合わせを変える。それに伴ってインターロック結線をTPで選択する。図15にDA加速電源操作TP、図16にDA加速電源インターロック結線構成を示す。

7.

データベース

図 14: LEBT 操作、Recipe とData Logger

流しインフォメーション TP
デジタル加速器のECRイオン源、LEBT、DA加速とInj/Ext Pulse電源の制御を行っている。各パート電源にTP画面を作り、電源の電圧、電流のTrend(1secstep)表示も行う。TrendデータはTP内のUSBメモリにCSVファイルで保存する。電源の設定値は5つRecipeファイルを用意し、Save/Loadできる。電源が落ちた時はTP下に流しインフォメーションを出す。
また、Interlock、ON/OFF Statusの履歴表示も行っている。

Data Trend
Alarm Log

Data BaseCSV File

OPC Server
Ethernet
ServerPLC

図17: データベース構成

図15: DA加速電源操作TP

図18: OPC Server とData Loggerソフト

データベースはOPC ServerによりPLCからEthernet
を通して設定値、Trend Data、Alarm LogをData Base
Serverに保存する。図17にデータベース構成を示す。
また、図18にOPC Server とData Loggerソフトを示す。Data Loggerソフトによりイオン源データのCSVファイルとTrendグラフを表示している。

8.

おわりに運転開始以来、制御系の故障もなく安定的に動作している。次期ステップとしてExtractionラインの電源制御、安全システム拡張が必要である。また、Beam Monitor信号が制御系に繋がっておらず、早急に行いたい。それに伴いデジタル加速器情報WebPageの製作も必要である。

参考文献[1] E.Kadokura, S.Noguchi, “Beam Operation and Safety
System for the Proton LINAC of the JAERI/KEK Joint
Project”
Submitted to the Second Asian Particle Accelerator
Conference, APAC’01, Media Center, Beijing, China Sept.
17-21, 2001
[2] E.Kadokura, J.Kishiro and T.Ishida “The Timing Control
System for KEK Proton Synchrotron using PLC”
The 3nd International Workshop on Personal Computers
and Particle Accelerator Controls, PCaPAC2000, DESY,Hamburg, Germany Oct. 9-12, 2000
[3] E.Kadokura, T.kawakubo and M.Saotome “KEK-PS
Operation Record and its Statistical Calculation byComputer” The 2nd International Workshop on Personal
Computers and Particle Accelerator Controls, PCaPAC’99,
KEK, Tsukuba, Japan Jan. 12-15, 1999.
[4] E.Kadokura, et al., “The improvement of the KEK PS
control system” International Workshop on Controls for
Small-and Medium-Scale Accelerators (IWCSMSA96)
KEK, Tsukuba, Japan Nov. 11-15, 1996