放射光源加速器インターロックシステム更新に伴うフィールドバスの検討○石井 晴乃 A)、 小菅A)隆 A)、濁川和幸 B)

高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所、 B)高エネルギー加速器研究機構 加速器研究施設

1.はじめにビームラインと信号をやり取りする必要があり、加高エネルギー加速器研究機構(KEK)放射光実験

速器制御系や LINAC、ビームラインなどとも必要な施設 Photon Factory(PF)では、放射光源加速器で発生情報のやり取りをする必要がある。これらの他シスさせた放射光から X 線や軟 X 線、真空紫外線などのテムとの情報のやり取りについても一部リモート

波長の光を取り出し利用することで様々な物質・生IO を利用した省配線システムの導入を考えている。

命科学の研究を行っている。
今回、光源加速器インターロックシステムの老朽化対策として、インターロジックのロジック部を担う Programmable Logic Controller(PLC)、非常停止ボタンや状態表示器などの各種機器、これらに付随する配線等の更新[1]を行うことになった。本更新は単なる老朽化対策にとどまるものではなく加速器運転の安全強化や次期放射光光源計画も視野入れたものである（詳細については光源インターロックの更新について経緯や基本方針などは本研究会の濁川和幸氏

図 1

光源インターロック構成の発表である「光源加速器インターロックシステム更新計画」を参照）。

3.省配線システムの要求仕様

新インターロックシステムでは、各種構成機器と今回の光源加速器インターロックシステム更新でPLC 間等にリモート IO を使用した省配線システム

はインターロックシステムの中枢となる PLC は情の採用を考えており、フィールドバスとして報共有や故障時などの物品調達や交換対応等を考慮

DeviceNet 及 び Modbus 、 産 業 用 Ethernet と し てし、KEK の光源加速器制御系や他の加速器施設でもEthernet/IP について通信テストを行い採用について広く利用されている横河電機株式会社(以下の検討を行った。

Yokogawa)製の FA-M3 とした。また、スイッチや表示器等の機器は DC 24V で動作するためこれらに対

2.新光源加速器インターロックシステム の構成と応する入出力リモート IO 等を選定した。配線の最省配線システム

大距離はあらかじめ定めた IO Box や PLC の配置よ

光源インターロックシステムは PLC とリモートり計算しており最長 120m となっている。要求されIO、ドアスイッチや非常停止スイッチ、状態表示器

る応答速度は、本システムで制御する対象の動作速などの入出力機器で構成されている。本システムは度なども鑑み、十分に安全を担保できる速度の 30ms

図 1 のように加速器制御室の PLC が加速器施設内以下とした。これらのパラメータを各種機器と PLCの各所に設置されたリモート IO を介し、ドアスイ間の省配線システムを構築するにあたり想定されるッチや非常停止スイッチなどの入出力機器の制御をフィールドバスや産業用ネットワークの選定条件と行っている。リモート IO は今回の更新で新しく施して表 1 にまとめる。

設内の数か所に設置した IO Box の中に取り付けられ、付近の入出力機器の信号線などが接続される。
PLC とリモート IO 間の配線方法については今回の検討をもとに選定を行う。
また、光源加速器は入射器(LINAC)から入射された電子を使って、放射光を発生させビームラインと呼ばれる実験装置に光を供給している。そのため光源加速器のインターロックシステムは LINAC 及び表 1

選定条件

内容仕様

PLC

Yokogawa FA-M3
4S

入出力電圧

DC24V

最大配線距離120m

応答速度30ms 以下

F3SP71-

4. インターフェイスモジュールとリモート IO

通して PLC に読み込まれる。一方 PLC の出力信号

PLC とリモート IO 間でフィールドバスや産業は省配線システムを通じてリモート IO の出力端子用 Ethernet でのデータ通信を行うためには、図 2 でに出力される。負荷回路としては一般的な抵抗を使示すような、使用する PLC に対応するインターフェ用した。今回、これらの入力部及び出力部の電圧をイスモジュールが必要である。

モニタする事で入出力の応答を観察した。

図 2

インターフェイスモジュール

Yokogawa が提供しているフィールドバスと産業用 Ethernet のインターフェイスモジュールとしては

図 4

通信テストの様子

表 2 のようなものがあり、今回は DeviceNet とPLC のプログラムは FA-M3 用のプログラム開発

Modbus、Ethernet/IP の 3 つについて検討をすること

ソフトウェア WideField3 で作成した。本ソフトウェとした。

アでラダープログラムを作成することで、PLC への
表 2 Yokogawa で提供しているプログラムのインストールなどが簡単にできる。まインターフェイスモジュール

た、PLC やモジュールのアドレスデータのモニタもフィールドバス

DeviceNet, Modbus, CAN2.0B

産業用 Ethernet

Ethernet/IP, FL-net

可能である。
今回テストのために次のような機能を持つプログ
ラムを作成した。

入出力のリモート IO は各インターフェイスに対・インターフェイスモジュールなどの初期設定応し、前述の要求を満たすものを選択している。型・入力の読み込み番などの詳細については、後述の通信テストの各フ・入力の状態を出力に反映ィールドバス、産業用 Ethernet 毎に述べる。

このプログラムはインターフェイスモジュール等の初期設定を運転開始時 1 回のみ行うため、入出力の5.通信テスト応答時間には影響を与えない。なお、設定するパラ省配線システムの選定のために、4 で取り上げたメータなどはインターフェイスモジュールによってインターフェイスモジュールとそれに対応するリモ異なる。入出力の読み書きについても、モジュールート IO を PLC に接続し、それぞれの反応速度等の毎に手順や処理が違うためプログラムの大きさや読確認を行った。

み書きのタイミングが異なっている。そのため各通信規格について、今回のインターロックシステム更新で要求される応答速度や配線距離などを満たしているかどうかだけでなく、設定やプログラム作成の手間など使いやすさについても確認を行った。

図 3

入出力テスト用回路

図 3 は入出力応答を測定するために用意した回路である。右側回路のスイッチはリモート IO の入力端子に接続され、ON/OFF 信号は省配線システムを

図 5 ラダープログラム(WideField3)

スキャンリスト作成ではノードの数だけ表 4 のよ5.1. DeviceNetDeviceNet は PF のビームライン測定器側のインタうな設定をプログラムから行う必要がある。そのたーロックシステムにも利用されているフィールドバめノードが増えるほど設定が複雑かつ、ラダープロスのため、ビームラインインターロックとの連携なグラムが膨大になる。一方で、IO からの入出力デーども考慮しテストを行うことにした。
DeviceNet の代

タはスキャンリストの情報をもとに自動的に既定の表的な仕様について表 3 に示す。

データアドレスに格納されるため入出力プログラムはシンプルなものになった。

表 3 DeviceNet の仕様
制御方式

マスタ・スレーブ方式

最大ケーブル長500m(太ケーブル/伝送速度 125kbps)

ケーブル

DeviceNet 専用ケーブル

入出力の応答時間の最大時間は、下記の式で計算することができ、テスト環境では約 25ms になる。
最大入出力応答時間=送信間隔時間×2+1 スキャン時間+スレーブ内入力遅れ時間+スレーブ内出力遅れ時間

デイジーチェーン、枝状分岐のバス接

実測値は表 5 の通りで、スキャンのタイミング次続、スター型接続など第で送信間隔時間分の入出力応答時間の変動がみら

最大接続数

マスタ 1 台に対し 63 台れる。送信間隔時間はノード数によって設定目安が伝送速度125kbps~500kbpsあり、ノード数が増えるほど長めに設定する必要がI/O 通信(Poll, Bit-Strobe, COS, Cyclic)、ある。大体 10 ノード毎に 10ms 送信間隔時間が増えメッセージ通信

るため、ノード数が増える場合は応答時間に注意が配線方法

通信方式必要である。
通信・入出力応答のテストは 5 の回路に DeviceNet
イ ン タ ー フ ェ イ ス モ ジ ュ ー ル (F3LD01-0N) 、 M-

表 5 DeviceNet 入出力応答時間

SYSTEM のリモート IO(出力ユニット R7D-DC16Aと増設入力ユニット R7D-EA8)を接続し行った。テストのために行った準備は以下のとおりで、実際の設定値(表 4)はリモート IO の EDS(Electronic DataSheet)のパラメータから決定した。
・インターフェイスモジュールとリモート IO のノード番号、伝送速度、終端抵抗を本体のスイッチなどで設定

最小16ms

5.2. Modbus
Modus は通信プロトコルのみが規定された汎用ネットワークで、PF では実験ホールの温度湿度や装置用冷却水の水流量などの環境測定に Modbus/TCP 利用されている。

Modbus では通信ケーブルなどについては規定されていないため、機器の設定に・モジュールの取り付けと配線・ラダープログラムでのスキャンリスト作成
・入出力プログラムの作成

ついては今回利用した Modbus インターフェイスモ
ジ ュ ー ル (F3LC31-2F) と M-SYSTEM の リ モ ー ト
IO(R7M-DAC16C)の仕様をもとに行った。

表 4 DeviceNet 機器の設定値
ノード番号

最大27msF3LD01-0N：64,
R7D-DC16A+R7D-EA8：1

表 6 Modbus の仕様(F3LC31-2F+ R7M-DAC16C)
制御方式

マスタ・スレーブ方式

最大ケーブル長1.2km

結線方式

RS-485

最大接続数

マスタ 1 台に対し 8 台

通信速度200kbs

送信間隔時間10ms

ベンダ ID184

デバイスタイプ0

伝送速度

1.2k ,4.8k ,9.6k, 14.4k, 19.2k,28.8k, 38.4k, 57.6k, 115.2kbps

プロダクトコード33

通信方式

Modbus RTU/ Modbus ASCⅡ

出力データサイズ2

出力データオフセット0

入力データサイズ2

入力データオフセット

0

通信方式

I/O 通信(Poll)

テスト環境は下記のような手順で構築した。その際の機器設定値は表 7 のとおりである。

・インターフェイスモジュールとリモート IO の伝

Ethernet/IP のテスト環境の構築は次のような手順

送速度、リモート IO のノード番号を本体のスイッで行った。

チなどで設定・インターフェイスモジュールとリモート IO の IP・モジュールの取り付けと配線アドレスの設定

・R7M 用のコンフィギュレーションソフトウェア
R7CON で伝送モード、パリティなどを設定

・リモート IO R7G4HEIP-6-DA16 の入力取り込み時間をコンフィギュレーションソフトウェア
R7CFG で設定・入出力プログラムの作成
表 7 Modbus 機器の設定値
局番

F3LD01-0N：0, R7M-DAC16C:1

通信速度

115.2kbs

伝送モード

ASCⅡ

ストップビット

2bit

パリティ

None

データ長

7bit

Modbus の入出力プログラムは初期設定とメッセージ通信によるデータアドレスへの読み書きで構成されたラダープログラムとなっており、入出力応答について測定した結果は表 8 のようになった。

・モジュールの取り付けと配線・インターフェイスモジュールのスキャンリストやタグなどの設定を設定ツールから行う
・CPU モジュールのリンクレジスタ設定
・入出力プログラムの作成
Ethernet/IP の IO 通信では通信を要求する側がスキャナ、要求される側がアダプタとよばれ、スキャナアダプタ間の通信のためにはタグの設定が必要になる。タグ設定では通信周期などもアダプタの入出力ごとに決めることができる。テストでは表 10 のように設定を行った。なお、送受するデータのサイズ等はリモート IO の EDS を使用しているため省略する。

表 8 Modbus 入出力応答時間
最大最小85ms30ms

5.3. Ethernet/IP
Ethernet/IP はイーサーネットを利用したオープンネットワークのためケーブルの調達や配線がしやす

表 10 Ethernet/IP 機器の設定値
入力取り込み時間

1ms

アダプタ R7G4HEIP- アダプタ->スキャナ：1ms
6-DA16 の通信周期 スキャナ->アダプタ：1ms
アダプタ R7G4HEIP- アダプタ->スキャナ：1ms
6-DC16A の通信周期 スキャナ->アダプタ：1ms

いというメリットがある。Yokogawa では産業用
Ethernet を利用したインターフェイスとして FL-net

Ethernet/IP の IO 通信では設定ツールを用いた初も用意されているが、開発状況なども鑑み期設定で、アダプタとの入出力データを格納するア

Ethernet/IP でテストを行うことにした。
Ethernet/IP イ

ドレスを CPU のリンクレジスタに設定、ラダープロ

ン タ ー フ ェ イ ス モ ジ ュ ー ル (F3LN01-0N) と M-

グラム内ではこのリンクレジスタの読み書きを行う

SYSTEM のリモート IO(入力：R7G4HEIP-6-DA16,だけでリモート IO の入出力を行うことができる。

出力：R7G4HEIP-6-DC16A)の仕様を表 9 に示す。

また、入出力応答時間も表 11 のように安定してい表 9Ethernet/IP 仕様(F3LN01-0N+ R7G4HEIP-6DA16+ R7G4HEIP-6-DC16A)

制御方式

セグメント
最大長る。
表 11 Ethernet/IP 入出力応答時間

TCP/IP, CIP

最大

最小9ms

7ms

100m

ケーブル

10BASE-T / 100BASE-TX(ツイストペア UTP/STP, Cat5 以上)

最大接続数

256

通信周期

1~10000ms

伝送速度

10/100Mbps

通信方式I/O 通信、メッセージ通信

6.まとめ
今回 KEK の放射光源加速器インターロックの更新を行う上で、最適な省配線システムを検討するた
めに DeviceNet、Modbus、Ethernet/IP の 3 種類のフィールドバス及び産業用イーサーネットについて機器選定と設定、入出力応答のテストを行った。その結果を表 12 にまとめる。

表 12

DeviceNet、Modbus、Ethernet/IP の比較
ModbusEthernet/IP

少し遅い

十分早い

規格次第

十分長い

注意が必要

自由度が自由度が高い

低い

ケーブル

手間が手間が作成かかるかかる

設定

複雑

簡単

非常に簡単

接続数十分多い

少ない

非常に多い

簡単

複雑

簡単

比較内容
通信速度
配線距離
配線

ラダープログラム

DeviceNet
要求はクリア

自由で簡単

易さなど鑑み総体として Ethernet/IP が今回の光源インターロック更新の配線法として最適と言える。ただし、Ethernet/IP を利用する場合はセグメント間のケーブル距離が 100m 以内になるように注意して配線する必要がある。今後は、これら 3 種類のインターフェイスモジュールユニットの運転動作の安定性や他社 PLC との通信の相性などについても検証していく予定である。

簡単

3 種類の配線法を比較すると応答速度や配線の容

参考文献[1] 濁川和幸 他 光源加速器インターロックシス
テム更新計画 令和 3 年度核融合科学研究所技術研
究会 報告書 (2022)[2] 小菅隆 他 新しいビームラインインターロッ
クシステムと導入の効率化 平成 28 年度高エネル
ギー加速器研究機構 報告書 (2016)