LHD 計測シャッターシステムの改修について○西村輝樹 A)、横田光弘 A)、小川英樹 A)、渋谷真之 A)、林 浩 A)
A)

核融合科学研究所技術部

1.はじめに大型ヘリカル装置(以下、LHD と言う)には、プラズマ計測のために観測窓が多数ある。LHD では、実験準備としてグロー放電洗浄により真空容器内壁の洗浄を行うが、その時に観測窓を汚損させ計測不良を招くおそれがある。それを防ぐため各観測窓にはシャッターが設置されており、必要に応じて遠隔で開閉できる計測シャッターシステムが構築されている。
計測シャッターは、LHD が設置されている大型ヘ
図 1．本体室設置の電磁弁

リカル実験棟とは別の制御棟制御室にある PC によって、シリアル通信を用いて通信機器室に設置された PLC へ指示を送り、PLC によって LHD の設置されている本体室にある圧縮空気の電磁弁を動作させて開閉する仕組みとなっており、すでに 20 年以上稼働している。今回、老朽化した PC を更新するにあたり、ため、電磁弁と制御 PLC を収める計測シャッター用の制御ラックを図 2 に示す様に、計測ステージ毎に4 ヵ所設置し、そこから最寄りの各観測窓のシャッターを制御するようにしている。

シリアルポートを有した機種の入手が難しくなったAこともあり、新しい規格であり、より高速であるEthernet を用いたシステムへと改修を行った。

B

2.システムの調査・整理改修作業について、旧システムは 20 年以上前に構築されたもので機器構成の再調査から始めた。

D

観測ポートは、LHD の外周側に設置されているもCのは”O”、内周側は”I”、上部は”U”、下部は”L”の記号＋、LHD を上部から見た時の 12 時の位置から時計回りに 1 番からの番号を組み合わせたものがつけられている。観測窓のシャッターは当初より現在の数があったわけではなく、LHD 実験の進捗により追加・変更・削除が繰り返されてきた。操作画面上では、その順番にボタンが配置されていたが、本体室に設置された電磁弁の順番は必ずしもその順番でないところがあった。そのため、各電磁弁に接続された圧縮空気のチューブの行き先を調査・タグ付け等、操作画面と一致するように整理を行った。
3.旧計測シャッターシステム
LHD は、装置本体の外径 13.5 ｍ、高さ 9.1 ｍ という大きさで、装置各所に設置されたシャッターを本体室内の一か所から制御することが難しい。この

図 2．計測シャッター制御ラック配置図
このラックに設置された電磁弁の制御用 PLC は、
平成 29 年の LHD 実験の重水素化に伴い、重水素実験時に発生する中性子によって故障したり誤作動を起こしたりするおそれがあるため、大型ヘリカル実験棟内の別の部屋である通信機器室に移設されている。(図 3)
通信機器室と制御室は、メディアコンバータにより光に変換され、光ファイバーによってシリアル通信している。
制御室では、PC に四つのシリアルポートを増設・利用していたが、過去の更新において USB-シリアル変換アダプタを用いたものに置き換えられている。

主な入出力ユニットのみの規格を示す。

このうちの、PC を更新し、シリアル通信に関わるところを Ethernet 通信規格のものへ変更を行った。
今回の改修で更新、追加した機器を以下の表 2 に示す。
表2新計測シャッターシステム新規機器一覧

PC

図 3．通信機器室の計測シャッター制御ラック
PC の OS も 、 順 次 更 新 さ れ 、 今 回 の 更 新 前 はWindows7 であった。更新前のシステム構成図を図 4

メーカ

規格

EPSON

Endeavor MR8200
Windows 10

メディアコンバータ

BUFFALO LTR2-TX-MFC2R

スイッチングハブ

BUFFALO

LSW5-GT8EP/WHM

Ethernet
モジュール

オムロン

CS1W-ETN21制御 PLC と電磁弁は、旧システムの機器をそのまに示す。

ま使用した。

制御室

USB

MC
MC
MC
MC

USB-シリアル変換
USB-シリアル変換
USB-シリアル変換
USB-シリアル変換

通信機器室

シリアル
シリアルモジュールシリアルモジュールシリアルモジュール
制御PLC
モジュール
制御PLC
制御PLC
制御PLC

シリアルMCMCMCMC5.新計測シャッターシステムシリアル通信から Ethernet を用いた通信に変更す光ファイバーWindows 7

シリアルるために、上記のように通信機器室のラック内のPLC に Ethernet モジュールを追加した。(図 5)

MC メディアコンバータ

本体室

計測シャッター
計測シャッター
制御ラック
計測シャッター
制御ラック
計測シャッター
制御ラック
電磁弁
制御ラック
電磁弁
電磁弁
電磁弁

計測シャッター

図 4．旧計測シャッターシステム構成図
図 5．通信機器室の PLC と Ethernet モジュール

4.使用機器等改修作業時に旧計測シャッターシステムで使用していた機器は、以下の表 1 の通りであった。
表 1

旧計測シャッターシステム機器一覧

HP

Z200
Windows7
USB-RSAQ5

Ethernet
Ethernet
モジュール
Ethernetモジュール
Ethernet
モジュール
制御PLC
モジュール
制御PLC
制御PLC
制御PLC

計測シャッター
計測シャッター
制御ラック
計測シャッター
制御ラック
計測シャッター制御ラック
電磁弁制御ラック
電磁弁
電磁弁
電磁弁

IO データ機器

メディアコ ネットワークサンバータ
シリアルモ
ジュール
制御 PLC

プライ
オムロン
オムロン

GPNET opt-23A
PLC CPU ユニット
内蔵
CS1W-ID212,OC221 等

注：制御 PLC は、追加した時期により規格が違うため、LAN

Windows 10

シリアルMC

実験LAN

既設機器

LANHUBMC

MC メディアコンバータ

計測シャッター更新・新規機器

図 6．新計測シャッターシステム構成図

光ファイバー

規格

本体室

換器

メーカ

通信機器室

シリアル変に示すような構成へと変更した。
制御室

PC

また、PC 本体の更新（OS：Windows 10）と計測シ
ャッター制御専用で使う LAN カードを追加し、図 6

これまで、制御 PC を設置している机の下は、USBケーブル 4 本と、USB-シリアル変換アダプタ 4 個、4 台のメディアコンバータとその AC アダプタと、乱雑な状態であったのが、LAN ケーブル 1 本とメディアコンバータ 1 台とすっきりとさせることができた。
また、万が一制御 PC が故障した場合に備えて、同じ LAN 上に接続されたバックアップ用 PC からで
図 7．旧操作画面も制御できるようにした。

けをし、操作者がなるべくミスをしないデザインと6.プログラム更新
通信方式をシリアルから Ethernet に変更したことに伴い、これまでの C モードコマンドによるやり取りを、Fins/TCP コマンドを利用した方法に変更した。
プログラムは LabVIEW を用いて開発しているが、今回 FINS/TCP による通信部分は、サブ VI として分離した形で作成し、再利用できるようにした。

した。
また、実験時のみ開けるシャッターは、一括で開閉できる機能を追加した。この機能により、これまで数十個のスイッチ操作を確認しながら行っていたものが 1 クリックで完了するため、操作時間の短縮やシャッターの開け忘れや閉め忘れを防ぐことができる様になった。

ユーザーインターフェースについては、前述したように制御するシャッターは、何度も追加・変更がされてきた。そのため、操作画面もその都度、追加・7.苦労したところ
この改修作業は３年以上前から計画されており、変更されて、デザイン等の統一がなく、少し分かり改修に必要な部品が予算の余裕のある時に既に購入づらいものとなっていた。また、複数の操作プログされて用意されていた。最初は、それらの部品を使ラムで制御を行っていたため、何枚ものウインドウ用して通信テストを行ったが、光ファイバーの通信を開く必要があり、他のウインドウの下に隠れるこ不能の症状が発生し上手くいかず苦労した。その時ともあった(図 7)。

点で、部品の規格を調べればよかったのだが、用意

この複数の操作プログラムを、図 8 に示すように1 つのプログラムに変更した。実験時のみ開けるシされた部品で通信できるはずと言う思い込みがあり、作業が大幅に遅れてしまった。

ャッター、常時開けたままにしておくシャッター、通信機器室に来ている光ファイバーの端子は FC研究者の指示に従って開閉するシャッター等、色分コネクタであったが、新たに導入したメディアコン

図 8．新操作画面

バータのコネクタは SC コネクタであった。そのための変換アダプタが必要であるが、用意されていた1.部品に下記の変換アダプタがあった。

１．

機器が新しい規格になったことにより、故障時の機器の入替が容易になった。
２．

Ethernet 規格にしたことにより、通信速度が向上した。
３．

光ファイバーやケーブル等を減らすことにより、メンテナンスしやすくなった。
４．

操作プログラムの更新により、操作性が向上した。

図 9SC/FC 変換アダプタ

ネットワーク機器に詳しい方ならすぐにお気づきかと思うが、ネットワーク機器にあまり詳しくない私は、こちらのアダプタを疑うことなく他の不具合の可能性を調べるのに時間を費やしてしまった。後日、どうもこの部品が怪しいということに気づき、詳しい者に相談して、ようやく規格が違う事に気づいた。後で見れば、型番に”SM”と明示されていたが、これがシングルモードを表していることには当初、気づかなかった。
上記のような FC オスと SC オスのマルチモード用のアダプタを探したが、見つからなかったため、図のような FC オスと SC メスのアダプタと SC コネ
クタの短い光ファイバーを用いることとした。そのように部品を取り替えることにより通信が復旧することとなった。

図 10SC/FC 変換アダプタ

7.まとめ
今回の改修による以下のメリットが得られた。