J. Plasma Fusion Res. Vol.90, No.7 (2014)３
６５‐３７３

研究技術ノート

ITER 準拠制御システムによるジャイロトロンローカル制御システムの開発
Development of ITER CODAC Compatible
Gyrotron Local Control System and its Operation
小 田 靖 久１），大 島 克 己１），中 本 崇 志２），橋 本 慰 登３），山 本 剛 史１），林 一 生４），
池 田 幸 治１），池 田 亮 介１），梶 原 健１），高 橋 幸 司１），坂 本 慶 司１）
ODA Yasuhisa１）, OHSHIMA Katsumi１）, NAKAMOTO Takashi２）, HASHIMOTO Yasunori３）,
YAMAMOTO Tsuyoshi１）, HAYASHI Kazuo４）, IKEDA Yukiharu１）, IKEDA Ryosuke１）, KAJIWARA Ken１）,
TAKAHASHI Koji１）and SAKAMOTO Keishi１）
日本原子力研究開発機構，２）Cosylab，３）日本エクス・クロン，４）日本アドバンストテクノロジー

１）（論文受付：２０１
４年１月２４日／論文受理：２
０
１
４年６月１
２日）

日本原子力研究開発機構（原子力機構）では，ITER の EC システムの開発に向け，ITER の Plant Control
Design Handbook に準拠したジャイロトロン運転システムのローカル制御システムのプロトタイプ開発を行った．本システムは，ITER CODAC Core System を使用して開発し，ジャイロトロン運転システムの状態遷移管理と監視をはじめ，ジャイロトロンの発振のための電源システムのタイミング制御と運転波形収集の機能を実装した．本システムを用いて，ITER のジャイロトロン運転システムに準拠した電源構成にて，ITER 用 170 GHz ジャイロトロンの大電力発振シーケンスを ITER 準拠機材で制御する実証試験を行い，大電力 RF 発振を確認した．
Keywords:
ITER, EC H&CD, Gyrotron, CODAC Core System, EPICS

１．はじめに構築が重要な要素となる．そのために，ITER では，ITER

ITER における電子サイクロトロン加熱電流駆動（EC制御計測セクション（CODAC section）において，ITER

H&CD）シ ス テ ム は，170 GHz 高 周 波（RF）を 20 MWにおける制御システムの検討が行われ，ITER 制御システ

入射する計画となっている．このための RF 発振源として，

ムの標準化に取り組んできた［６］．標準化の対象としては，

1 MW 出力ジャイロトロンを２４本使用し，トカマク真空容制御システムの基本ソフトウェア群，通信システム，標準器の水平ポートならびに上側ポートに設置される入射装置

ハードウェア，ならび制御ソフトの開発環境などがあげら（ランチャー）によってプラズマに入射する計画である

れ，その内容は，ITER の Plant Control Design Handbook［１］．日本は２４本のうち８本のジャイロトロン［２，３］，なら（PCDH）［７］という文章において制御機器の標準化を規定

びに水平ポートランチャー［４］の調達を担当する．EC H&

するとともに，ITER CODAC Core System［８］というオペ

CD システムとしては，RF 源とランチャーに加え，ジャイ

レーティングシステムを含むソフトウェア環境の開発が行ロトロンの高電圧電源，ならびに RF 源よりランチャーまわれている．ITERの各機器の制御システムは，PCDHに記で RF を伝送する伝送系により構成され，各々の機器が異載される制御機器，ソフトウェア，ならびに開発手法に準なる極により調達されることになる．このように複数の極拠することが推奨されている．これにより，異なる極で開

で独立に開発された機器を，ITER においてシステムとし発される制御機器同士の統括運転に向けた制御互換性の確て統括して運転するための制御システムを設計することが保をめざして い る．これまでに原子力機構においては重要な要素となる．ITER の EC H&CD システムにおいて

ITER のパルススケジュール管理システムのプロトタイプ

は，各々の RF 源となるジャイロトロンやランチャーなど開発において PCDH ならびに ITER CODAC Core Systemのサブシステムごとのローカル制御系をもたせ，それをが使用された［９，１０］ほか，FTUのトロイダル電源制御におEC H&CD システム全体を統括する主制御装置により制御

いて PCDHで規定されSlow Controllerが使用される［１１］なすることをめざしている［５］．

ど，ITER の複数の国内機関において ITER CODAC を視野

ITERにおいてEC H&CDシステムに限らず，複数の極よに入れた研究開発が進められている．

り調達された機器による統合を前提とした制御システムの一方で，これまでの原子力機構などにおける ITER 用

Japan Atomic Energy Agency, Naka, IBARAKI 311-0193, Japan
Coresponding author’s e-mail:oda.yasuhisa@jaea.go.jp

３６５!2014 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.7 July 2014

ジャイロトロンの開発では，ITER のシステムとは異なる

CCS）［８］というソフトウェアパッケージを標準開発ツーシステムでの運用がなされてきた．したがって ITER 準拠

ルならびに制御システムのプラットフォームとして採用しの制御システムをはじめとした機器によって，ITER 用

た．ITER CCS は，Red Hat Enterprise Linux（RHEL）をジャイロトロンを実際に運用できるかについて，あらため

OS として採用している．また，主に大型加速器分野で開発ての実証が必要である．そこで，原子力機構のジャイロト

された制御通信ソフトウェア群である Experimental Phys-

ロン試験装置を，ITERのEC H&CDシステムの構成に改造

ics and Industrial Control System（EPICS）を採用しておを加えたうえで，PCDH に準拠したジャイロトロンローカ

り，Channel Access が制御情報をネットワーク上でやり取

ル制御装置のプロトタイプを開発した．本報告では，ITERりを行うための標準プロトコルとなる．EPICS は Argonneの EC H&CD システムを模擬した試験設備の開発ととも

National Laboratory など世界各地の研究機関により共同でに，実際の ITER用ジャイロトロンを用いたRF発振制御の開発されている［１６］．これを採用することにより，ヒュー実証試験について報告を行う．なお，本記事で使用されるマンインターフェース（HMI）などは，EPICS 向けにさま略語のうち，ITER CODAC ならびに EPICS に特有な用語

ざまな研究機関などから提供されたツールを利用することについて，略語と元になった用語，簡単な説明を文末の表が可能となった．これらのツールのいくつかは，ITERにまとめて示す．

CCS にパッケージ化されている．EPICS は，世界各地の大型加速器の制御システムで使用されていることに加え，核２．ITER CODAC 準拠制御システムの概要

融合装置としては，米 国 の NSTX
［１７］や韓国の KSTARITER における個別機器の制御は，各機器の調達担当極［１８］において使用実績がある．また，オープンソースソフ

において開発される制御装置によるが，ITER サイトにおトウェアとして開発されてきた経緯に加え，日本を含む世いて統合する段階で，制御機器同士の統合を円滑に進める

界各国にユーザーがいるため，たとえば日本においてもため，ITER においては ITER Plant Control Design Hand-

EPICSユーザーコミュニティー・メーリングリストのようbook（PCDH）［７］と い う 標 準 化 文 書 を 規 定 し て い る．

な形で日本語によるユーザー同士の情報共有が盛んであPCDHにおいては，各機器の計装制御システム（ITERにおり，開発を行う上での大きなメリットとなっている．

いては Plant System Instrumentation and Control（I&C）と

EPICS は，サーバーとクライアントをもつネットワーク

称する）と ITER 全体の制御システムとの間の制御アーキ

通信による機器の遠隔制御を実現しており，ネットワーク

テクチャを規定し，制御システムの開発手続き，開発ツー上の通信プロトコルはChannel Access（CA）と呼ばれていル，ならびに Plant System I&C において使用するべきハー

る．Input Output Controller（IOC）は，制御システムの制

ドウェアのカタログなどによって構成されている．PCDH

御対象機器と CA 通信のネットワークを接続する EPICS

では Plant System I&C で使用するコントローラとして，以の中核とも言うべきソフトウェアであり，制御点に関する

下の２種が定義されている．

情報とそれらを用いた制御ロジックが定義された Data-

・Slow Controller

base，ハ ー ド ウ ェ ア と の や り と り を 行 う Device Sup-

装置の状態監視や比較的低速のデータ収集を目的とし，
SIEMENS 社

port，State Notation Language（SNL）という言語で実装さ

S7 シリーズ PLC 機器を対象とする．PCDH

れた制御シーケンス動作を実行するための Sequencer，おにおいては，おおむね 100 Hz 未満の制御ならびに信号収集

よ び CA ク ラ イ ア ン ト や 他 の IOC と の 通 信 を 行 う CA

周期のデータを取り扱うことが想定されている［７，
１
２，
１３］．

Server から構成される．プロセスデータ，警報およびトレ・Fast Controller

ンドグラフ等を表示する HMI やデータアーカイブシステ

比較的高速での制御や収集周期の早い波形データ収集をムといった機能は CA クライアントとして動作し，IOC目的とし，PCI ファミリのフォームファクターを用いて構と通信し，I/O カードのデータ取得，ならびに I/O カード成される．PCDH においては，Slow Controller で扱うことからの出力データを設定する．ITER においては，Slowができない高速制御を担う機材や，実験用データの大規模Controller は Plant System Host（PSH）というホスト計算

収集システムなど，幅広い機能を持つ制御システムを構築

機上にて IOC を，Fast Controller はその上で IOC を動作さするために，PCI ファミリの派生製品である PXI をはじめせる形態をとっている．HMI としては，特に Control Sys-とし，National Instruments 社の FPGA 機材である FlexRIO/

tem Studio（CSS）［１９］という EPICS ツールの使用を推奨しCompactRIO 機器，あるいは ATCA/MTCA 機器などが採ている．CSS は，Eclipse と呼ばれる広く使われている Java

用されている［７，１４，１５］．

等の統合開発環境（IDE）上に構築された，制御用 HMI

PCDH においては，Plant で採用すべきハードウェアを，開発および実行環境である．Eclipseのプラグインとして実Slow Controller な ら び に Fast Controller の 双 方 に お い

装されたことで，近年主に利用されている IDE と統一されて，詳細に規定している．これは，各制御ハードウェアのた見た目と操作感（ルックアンドフィール）を実現するこITER 運用期間の調達を円滑にするとともに，限られた制とに成功している．

御機器について制御ドライバを ITER が責任をもって開発

３．ITER 準拠ジャイロトロン運転システム

することにより，ITER CODAC team によるサポートを可日本が調達する ITER 用ジャイロトロンのための電源シ能とするためである．

ステムの構成を図１に示す．三極管型電子銃を有する日本

PCDH においては，ITER CODAC Core System（ITER
３６６

Research and Technology Note

Development of ITER CODAC Compatible Gyrotron Local Control System and its Operation

Y. Oda et al.

の ITER 用ジャイロトロン［２，３］は，各電極に対して独立して Fast Controller，Slow Controller における制御システム

た電源で給電する方式を採用している．そのため，カソーのソフトウェアの作成を行った．これにより，本プロトタ

ド電極に対してビーム電流を供給する主電源（MHVPS）

イプは ITER CODAC ネットワークへの直接接続が可能なに加え，電子銃のアノード電極に給電するアノード電源

システムとして開発を行った．

（APS），ならびにCPD運転時の逆バイアス電位を供給する

４．
１ ITER CCS を用いた制御システムの開発手順

ボディー電源（BPS）という複数の高電圧電源を使用する．

ITER CCS を用いて制御システムを構築するにあたり，三極管型電子銃をもつジャイロトロンでは，アノードとカ

ITER の全システムの制御情報を統括管理することをめざ

ソードの電位を短絡させることにより，主電源の電源を印して構成されている Self-Description Data（SDD）［２１］を用加したままビーム電流を遮断することが可能である．そこいることが求められており，そのために SDD Editor というで，ITER の電源構成では，アノード・カソード間にダブツールを用いて制御対象機器の信号線ならびに制御システ

ルスイッチ型アノードスイッチを取り付けている．これにム上の変数を ITER CCS 上に登録しながらシステムの設計

より NTM に同期させたジャイロトロン出力 RF パワーのを行うことになる．SDD Editor は情報の登録を進めること

高速変調運転を，主回路のスイッチングを用いずに実現すにより，Slow Controller ならびに Fast Controller のためのることができる．特に，アノードスイッチはビーム電流に制御ソフトウェアを構築するためのコーディング環境を自くらべて小さな電流しか流れないため，早い変調周波数で動生成する機能を有しており，これを用いて開発作業を進あっても電源機器への負荷が小さく，ITER で要求されるめることが想定されている．
本プロトタイプの開発にあたり，まず制御対象機器から5 kHz と い う 変 調 周 波 数 を 実 現 す る こ と が 可 能 と な る制御装置への信号ラインならびにシステム内の変数を定義［２０］．
原子力機構では，ジャイロトロン試験装置を ITER におし，これらを SDD Editor を用いて ITER CCS 上に登録しける電源構成に変更し，ITER に近い環境でのジャイロト

た．登録にあたって，すべての信号と変数が ITER CODAC

ロン動作環境での試験を進めている．ITER 用ジャイロト

全体で重複なく識別できるよう，Signal and plant system

ロンの制御システムにおいては，特に各々の電源の立ち上I&C Variable Naming Convention［２２］に 基 づ い た Signal

がり時間を考慮した統括制御シーケンスが必要である．

Name と Variable Name の定義を行う必要がある．

４．ジャイロトロンローカル制御システムの概要

る名称であり，制御システム中ではより下位の名称定義とSignal Name は，プラント内の物理的な信号線に対応す
ジャイロトロンローカル制御システムは，ジャイロトロ

なる．以下のようなコロンで区切られた形式である．

ン駆動の高電圧電源機器ならびに，超伝導コイルシステム

PPPPPP-TTT-NNNN:AAAA[RRRR]-SSSを通じたジャイロトロン運転のパラメータ制御と運転波形

コロンより前半は，Component Identifier であり，PPPPPPの収集に加え，冷却システム，補機電源類の運転状態監視は ITER におけるプラント装置に ITER 全体で一意に決定といった複数の機能が必要となる．これらの機能を実装するため に，図２に 示 す よ う に Slow Controller な らびに，
Fast Controller の両者を使用したアーキテクチャを採用している．
本プロトタイプの開発にあたって，主要な部分においてPCDH に指定されるハードウェアとソフトウェアを選定するとともに，ITER CCS における標準的な開発手順に則っ

図１

図２

ITER用ジャイロトロンの運転システムの概略と主要な補機
類．制御対象機器は Component Identifier が定義されている．

３６７

ITER用ジャイロトロンローカル制御システムのアーキテクチャ．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.7 July 2014

されている Plant Breakdown Structure に対応しており，以作する制御端 末 な ど が 接 続 さ れ る Plant Operation Net-下，TTT はプラント装置の構成機器の種別，NNNNは識別

work（PON）上の CA 通信を提供する構成となっている．

番号となる．一方で，後半は Signal Identifier であり，機器が有する信号について，AAA がアクチュエータやセンサ

Slow Controller の機能は以下のとおりである．

のクラスを示し，RRRR が識別番号（なくてもよい），SSS

１）ジャイロトロンシステムの状態遷移の管理

は信号の種類を示している．表１に，本システムにおけるジャイロトロン運転システムの動作にあたって，高電圧

Signal Name の一例を示す．

電源，補機電源類，冷却水システムなどの動作をシステム

Variable Name は物理的な信号をデジタル化したデーの運転状態とリンクさせている．Slow Controller では，シタ，制御システム内の状態遷移に対応するタグや，計測信ステムの状態遷移コマンドに合わせ，各機器に対して運号値の演算結果といった制御システム上の変数に対応する

転・停止指令を発し，機器のステータスの監視の開始を行

名称定義であり，以下のような形式である．

う．

FFFF‐…….FFFF: VV….VV

２）機器の保護動作・アラーム機能

前半は，Control Function Identifier であり，制御上の機Slow Controller は各種電源機器や冷却水システムのス

能グループ単位につけられる ITER 全体で一意に決定されテータスを監視しており，異常が生じた場合には，ジャイた記号である．上位より，プラント装置に対応した符号がロトロンの運転を停止させるなど，運転状態を自動的に遷割 り 当 て ら れ て い る．後 半 は，Variable Identifier で あ移させる機能をもつ．Slow Controller の保護機能にあたっ

り，制御機能上の変数についてその名称を自由に決められては，HMI において機器の異常を把握できるようアラームている．表２に，本システムにおける Variable Name の一

情報をネットワーク上に送信する．

例を示す．
表２

ITER CODAC ネットワークにおいて，Variable Name
は EPICS の Process Variable（PV）名として利用されるたジャイロトロンローカル制御システムで使用される Variable Name の一例．

号レベルや物理単位の定義といった，各信号の属性情報を

信号名称
主電源出力電圧指令値
主電源回路スイッチ ON 指令
ビーム電流値
電子銃ヒーター設定電圧
主磁場マグネット電源電流システム開始（AUX ON）
指令

付与する．このような，属性情報は，EPICS の PV の属性

高電圧機器準備（HVPS start）指令 EC-GN-P0C:PLC1-HVPSSTRT

め，ネットワーク上にて制御情報のアクセスに必要な識別子に相当する．
SDD Editor では，各信号について，名前の定義後，デジタル信号・アナログ信号の識別をはじめ，デジタル信号であれば各状態に対応する名称の定義，アナログ信号では信Variable name
EC-GN-P0C:EW1-VOset
EC-GN-P0C:EW1-IGBTONEC-GN-P0C:EW1-Ic
EC-GN-P0C:FPS101-VOset
EC-GN-P0C:EW101-MC-IOset
EC-GN-P0C:PLC1-SYSSTRT

情報に対応するものとなっている．さらに，Fast Controller の信号インターフェースとなる NI PXI-6259 をはじめとする I/O カードでは，各信号に対応する機器のアドレス情報（CH 番号）を登録することにより，ハードウェアの情報にアクセスできる状態となっているIOCをビルドすることが可能なソースコード群を自動生成する．
なお，開発手続きの詳細については，PCDH ならびに
ITER CCS のマニュアルを参照されたい
［７，
８］．
４．
２ Slow Controller の開発の概要
ジャイロトロンローカル制御システムの Slow Controller
は，PCDH に従い SIEMENS 社 S7-300 シリーズの PLC と，
ITER CCS が動作する 1U ラックサイズの PC サーバー（1Uサーバー）上に構築した Plant System Host により実装を行った［７］．図３に Slow Controller のシステム構成を示す
図３

が，PLC で収集したステータスやデータ，および PLC へのコマンドは，Plant System Host 上で動作する IOC をゲート

ジャイロトロンローカル制御システムにおける Slow Controller のシステム構成ならびに Plant System Host の機能構成．

ウェイとしてユーザーインターフェースとなる HMI が動
表１

ジャイロトロンローカル制御システムで使用される Signal Name の一例．

信号名称
主電源出力電圧指令値
主電源回路スイッチ ON 指令
ビーム電流値
イオンポンプ電源正常

信号種
アナログ出力デジタル出力アナログ入力デジタル入力３６８

Signal name
52HV00-EW-0001:ECZ-CRC
52HV00-EW-0001:CZ[2]-CRC
52HV00-EW-0001:IT-CRC
52RF00-VPS-0101:CT[1]-CRC

Research and Technology Note

Development of ITER CODAC Compatible Gyrotron Local Control System and its Operation

３）計測信号の収集

Y. Oda et al.

グラムは，個別の機能を有するファンクション類により構Slow Controller は，収集サイクル時間が比較的長いため成されており，各機能を担うファンクション（FC），ファ

比較的低速の信号の収集に適用される．本システムでは，ン ク シ ョ ン ブ ロ ッ ク（FB），お よ び デ ー タ ブ ロ ッ ク

ジャイロトロンの冷却水流量，冷却水温度，ジャイロトロ（DB）が，メインサイクルならびに周期サイクルを担う

ン本体の表面温度，管内真空度といった信号の取得を行っ

オーガニゼーションブロック（OB）より呼び出される形とている．本システムの Slow Controller の PLC では，データなる．各ブロックは，LAD 言語や STL 言語などにより記述の収集に合わせ，ジャイロトロンの各部の損失パワーを冷されている．

却水の流量と温度上昇から自動的に計算する機能を実装さITER CCS では，Plant System Host と通信するためのせている．

FC，FB，DB，OB 類が自動的に生成される．STEP 7 環境において，ITER CCS の出力ファイル群をインポートする

ジャイロトロンの制御においては，実験室内の各所に配ことにより，Plant System Host との通信機能を備えた PLC

置 さ れ た 機 器 の 情 報 管 理 を 行 う た め，SIEMENS 社 のプログラムのブランクプロジェクトが生成される．こうし

S7-300PLC システムは CPU をもつメインシステムと複数てできた PLC プログラムに対して，PLC に実装する各機器のリモート I/O により構成されている．リモート I/O は

固有の機能を実装する FC 類を追加した上で，PLC にプロ

Profinet 通信を介してメインシステムに接続される．Slow

グラムをダウンロードするという手続きを踏むことによController は，電源設備やジャイロトロン本体の温度計測

り，Plant System Host と直接通信できる PLC システムを構などを行うリモート I/O を有しており，こういった機器は築することが Slow Controller 開発の標準的 な 手 順 と な

光通信でメインシステムと接続することで，電気的絶縁をる．図４に，本システムの Slow Controller における PLC

確保している．

プログラムの構造を示す．一方で，Plant System Host 側でSlow Controller では，PLC 内に状態管理や監視に必要なは Ethernet を介した PLC と通信するドライバ機能が組みプログラムを実装させている．S7-300 シリーズの PLC シス

込まれ IOC が ITER CCS により生成される．

テムは，SIEMENS 社の STEP 7 という開発環境によりプロ

PLC では，SDD Editor 上で登録されるいわばユーザー定グラミングを行う．STEP 7 を用いた開発では，PLC のプロ

義変数のうち，PLC から Plant System Host に送信される情図４

Slow Controller S7-300 PLC 内部プログラムの主要な FC・FB 類の相互呼び出し関係図．白色ブロックで示す FC200 番台に，ジャイ
ロトロン運転システムの制御ロジックが定義されている．灰色ブロックは SDD Editorによる自動生成ブロックであり，Plant System
Host との通信に使用される．

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報 は デ ー タ ブ ロ ッ ク CodacStates（DB100），逆 に Plant
System Host から PLC に送信される情報はデータブロック
CodacConfiguration（DB101）に登録されている．PLC とPlant System Host との TCP/IP による通信は，デフォルト
で１００ミリ秒周期と設定されており，Plant System Host な
らびに上位のユーザーインターフェース等での Slow Controller 信号情報の更新周期はこの通信サイクルに依存する［１２］．
４．
３ Fast Controller の開発の概要
ジャイロトロンローカル制御シ ス テ ム に お け る Fast
Controller は，図５に示すように ITER CCS が動作する 1
UサーバとPXIeシャーシにより構成され，とくに信号の入出力には，PCDH カタログ
［１４］に掲載される National Instruments 社製 NI PXI-6259 アナログ入出力ボードを採用

図５

している．本プロトタイプの Fast Controller では，PXIe
シャーシは信号のインターフェースとしてのみ動作させ，
1U サーバ上の IOC に制御ロジックを実装する形態としてジャイロトロンローカル制御システムにおける Fast Controller のシステム構成．（なお本システムで使用する PXI
シャーシ（NI PXIe-1073）は，PCDH カタログに収集されていない機材である）．

いる．
なケースでは専用ハードウェアによる実装，または RHEL
Fast Controller の機能は以下のとおりである．

リアルタイムカーネルである MRG-Realtime の使用が必要

１）ジャイロトロン運転パラメータの設定と考えられる．

ジャイロトロン運転には，各高電圧電源，ならびに超電

なお，超電導マグネットの制御については，マグネット

導コイルに設定値を指令する必要があるが，Fast Control-

電源がシリアル通信ポートを有しているため，NI PXI-

ler が一元的に運転パラメータ指令のインターフェースと6259 を介さず，1U サーバに直接接続し，EPICSのコマンドなっている．ジャイロトロンの運転にあたっては，ショッ通信ツールである StreamDevice［２３］を用いた実装を行っト中にパラメータを変更する必要があるため，パラメータた．なお，現段階では，StreamDevice は ITER CCS には含制御を Fast Controller が一元して行うことが可能なシステ

まれておらず，この機能は ITER CODAC のサポートはさムとしている．高電圧電源への設定値指令はアナログ電圧

れない．

値でなされるため，NI PXI-6259 のアナログ出力を使用しFast Controller は PON 上の CA 通信に加え，High Per-ている．

formance Network（HPN）という高速ネットワークに対応

２）電源の運転タイミングの制御している．HPN は，高精度の時刻同期のための Time Com-

ジャイロトロン運転にあたって，電源の運転タイミング

munication Network（TCN），プラズマ制御に必要な高速をミリ秒単位にて制御する必要があり，Fast Controllerのデータ同期を実現する Synchronous Databus Networkより高電圧印加指令を各高電圧電源に送っている．

（SDN），映 像 音 声 を 転 送 す る Audio-Video Network

３）波形データの収集（AVN），大容量高速データ転送を実現する Data Archiv-

ジャイロトロンの電圧・電流値などの運転パラメータにing Network（DAN）など用途に応じた専用ネットワーク

ついて，ジャイロトロンのショット中の波形を収集する機がPCDHにおいて定義されている［７］．現段階では，本シス能を実装している．波形データの収集については，アナロ

テムでは HPN は実装されていないが，プラント機器とプ

グ入出力ボードにおいて 40 ksps にて 16 ch 同時取得システ

ラズマ制御システムとの間の同期など，ITER の実験ではムとして構成しており，１時間の連続データ収集に成功し必須の機能である．

ている．

４．
４ ユーザーインターフェース
ジャイロトロンローカル制御システムのユーザーイン

パラメータ出力並びにタイミングの制御について，本シ

ターフェースは，Plant System Host ならびに Fast Control-

ステムにおいては，Fast Controller における IOC 内で動作

lerが接続されたネットワーク上に設置したITER CCSが動する EPICS Sequencer を使用して実装している．EPICS

作する計算機上に配置している．ITER CCS に含まれる

Sequencer の挙動は，SNL で記述されている．本システム

CSS は，IOC からの情報を CA 経由で取得しており，ネッ

は，特にタイミング制御についてはサイクル時間が短くな

トワークが接続されていれば遠隔での制御も可能である．

る制御ルーチンを構築することにより，専用のハードウェ

本システムは，ジャイロトロン試験装置のある実験室の制アを用いずにミリ秒単位のタイミング制御を実装してい御室に加え，同じ建屋の異なる階にある遠隔制御室を設る．なお，EPICS Sequencer そのものは，通常の OS 上で動け，遠隔での運転を可能としている．

作するプログラムとして実装されているため，リアルタイ

CSS の機能のうち，制御システムのグラフィカルユー

ム性を保証するものではない．タイミングの発生がシビア

ザーインターフェース（GUI）を開発する BOY を用いて，
３７０

Research and Technology Note

Development of ITER CODAC Compatible Gyrotron Local Control System and its Operation

Y. Oda et al.

ジャイロトロン運転システムの制御指令の入力ならびに，開始シーケンスの開始すぐに，APS ならびに BPS の電源印

各機器のステータス情報を表示させている．図６に示す通加（GATE-ON）指令を送る．APS，BPS は市販の定常高電り，ユーザーが直感的に把握できるよう画像を多用した制圧電源であるため，指令より 50 ms 後に電圧が立ち上がり御画面を実装することができる．

はじめ，設定電圧値に到達するまでに 200 ms程度の時間を一方で，システムのアラームハンドルは BEAST を用い要する．ここまでの間，主回路とアノードスイッチによりて，アラーム発生の状況や履歴などを参照できるようにしジャイロトロン電子銃への電圧は印加されていない．各電ている．BEAST に登録される情報は，SDD Editor におい源の電圧が設定値に到達した段階で，まず主回路スイッチて登録している．また，主に Slow Controller で取得した信オン（MHVPS Main-SW Turn ON）指令によりカソードに号波形は，CSS DataBrowser によりアクセスできるように

対して電圧が印加される．この段階では，アノードスイッ

している．CSS による計測データの保存にあたっては，

チを短絡側に設定してあるため，アノード・カソードは同

ITER CCS の Archive Engine によりホスト計算機内，また電位であり，ビーム電流は発生していない．主回路スイッは遠隔アーカイブ計算機に格納する方式となっている．

チオン指令より 1 ms 後にアノードスイッチを短絡側より給電側に切り替え，アノード・カソード間電圧が発生し，

５．ジャイロトロン運転の結果

ジャイロトロン管内にビーム電流を発生させる．ジャイロ

ITER 用ジャイロトロンの発振シーケンスでは，主電源トロン試験装置での実証試験では，図７に波形を示すよう（カソード電源），ボディー電源，アノード電源をスタートに各電源の立ち上がり後，主回路スイッチとアノードス

させ，同じ時刻に設定電圧に到達するようにスタートタイ

イッチを Fast Controller よ り 時 間 差 を も た せ て 動 作 さミン グ を 制 御 す る．続 い て，主 電 源 か らの 供 給 を 行 う

せ，ジャイロトロンのビーム電流発生の制御を確認すると

IGBT 主回路スイッチを動作させ，カソードに電圧を印加する．この時，ダブルスイッチ型アノードスイッチによりジャイロトロンのアノード・カソード間電位を短絡させる
ことにより，ジャイロトロンにおけるビーム電流を停止させる．その後，所定のタイミングでアノードスイッチを動作させてアノード・カソード間電圧を印加することにより，ビーム加速電圧の変化に伴う過渡的状態を経ずにジャイロトロンのビーム電流を発生させることが可能となる．
ジャイロトロン試験装置の主電源は，ビームオン指令
後，設定電圧値まで到達するまで２秒程度かかり，ほかの

図７

高電圧電源機器に比べてタイムスケールが長いため，ビー
ムオン指令後に設定電圧値に到達した後に発報される主電源準備完了（MHVPS Ready）信号をもとにジャイロトロ
ンの発振開始シーケンス動作をスタートさせている．発振

図６

ジャイロトロンローカル制御システムを使用して運転した発振開始シーケンスと ITER 用 170 GHz ジャイロトロンによる１ms パルス運転のジャイロトロンの電圧・電流波
形．左図：運転シーケンス全波形，右図：発振タイミング
での時間拡大波形．

ジャイロトロンローカル制御システムの状態遷移指令と機器監視を行うための BOY を用いた HMI 画面．

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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.90, No.7 July 2014

ともに，所定のタイミングにて 170 GHz 帯 RF ビームを発構成され，ジャイロトロン運転システムの状態遷移管理，

振させることに成功した．

機器の保護動作とアラーム管理，ならびに計測信号の収集

ITER での運転に準拠した電源構成ならびに制御機器をの機能を実装している．一方，Fast Controller は，ITER

用いたジャイロトロン運転シーケンスは，長パルス運転な

CCS が動作するサーバーと NI PXI-6259 ボードをインター

らびに，高速変調動作でも用いられる予定であり，現在は，フェースとする構成としており，ジャイロトロンの発振の長パルス動作に向けた試験の準備を進めている．

ための電源パラメータの設定，電源システムのタイミング

現在，原子力機構では ITER EC システム全体の制御アー

制御，ジャイロトロンの運転波形収集といった機能を実装

キテクチャの実証試験をめざしている．ITER の EC システしている．両者とも ITER CCS において IOC を構築しておムは，RF 発振源となるジャイロトロンのほか，電源設備，り，ネットワーク上の CA を経由し，CSS で開発された

伝送系，ランチャーといったサブシステムが異なる極からHMI 等による制御・監視システムの運用を可能としてい調達されるため，サブシステムごとに制御システムをもたる．

せ，これ を EC シ ス テ ム の Plant System Host と なる EC

原子力機構では，このジャイロトロンローカル制御シス

Main Controller が，EC システム全体を統括制御すること

テムのプロトタイプによるジャイロトロン試験システムのが求められている．なお，EC Main Controllerはトカマク本運用を行っている．特に，ITER のジャイロトロン運転シ

体やプラズマ制御システムなどからの制御情報のゲート

ステムに準拠した電源構成によるジャイロトロン運転試験

ウェイとしての機能を有している．原子力機構では，ITER

においては，各電源の電圧発生タイミングと高電圧スイッ

用長パルスジャイロトロンの試験装置に，ITER 準拠の導チの動作タイミングを制御することにより，170 GHz ジャ波管を用いた長距離伝送系の試験設備，ならびに ITER 用

イロトロンの ITER における発振シーケンスの実証に成功

水平ポートランチャーの実物大モックアップを有しておした．

り，実機システムに近い条件でのシステム統合試験を実施

謝することが可能である．現在は，EC システム全体の制御辞

アーキテクチャ案をベースとし，原子力機構の試験設備に

この記事に記載した ITER EC 機器に関する制御システ

適用できるアーキテクチャの設計を進めており，来年度中ムのプロトタイプ開発において，ITER 機構 EC section D.

の実装と統括動作の実証試験を実施する予定である．

Purohit 氏，CODAC section 米川出氏をはじめ，ITER EC
section team ならびに ITER CODAC team より数多くの助６．まとめ言をいただいたことにこの場を借りて謝意を表明いたしま

原子力機構では，ITER の EC H&CD システムのためのす．

ジ ャ イ ロ ト ロ ン 運 転 シ ス テ ム の 開 発 と し て，ITER の付

PCDH に準拠したジャイロトロン運転システムであるジャイロトロンローカル制御システムのプロトタイプ開発を録

本記事で使用された略語のうち ITER CODAC ならびに行った．

EPICS に特有な用語について，略語と元になった用語，簡ジャイロトロンローカル制御システムは，PCDH に従単な説明を表３に示す．

い，ITER CCS を使用した開発を行っている．本システム
は，Slow Controller ならびに Fast Controller によって構成されている．Slow Controller は，SIEMENS 社 S7-300 PLC
システムと ITER CCS が動作する Plant System Host により
表３

記事中の主要な略語の一覧と説明．

略語
本来の用語
説明
PCDH
Plant Control Design Handbook
ITER におけるプラント制御システムの標準化文書
ITER CCS ITER CODAC Core System
ITER における標準制御システム開発のためのソフトウェアパッケージ
EPICS
Experimental Physic Industrial Control System 大規模実験装置向けの制御通信ソフトウェア群
CA
Channel Access
EPICS における制御通信プロトコル
IOC
Input Output Controller
EPICS における制御対象機器の制御ソフトウェア
SNL
State Notation Language
EPICS の IOC で使用されるシーケンス動作の記述言語
CSS
Control System Studio
ITER CCSで採用される EPICS用の制御用 HMI開発及び実行環境を提供するソフトウェア
SDD
Self-Description Data
ITER CCS における信号・変数の定義手続き
PON
Plant Operation Network
ITER CODAC における制御ネットワーク
HPN
High Performance Network
ITER CODAC における高速ネットワークの総称
TCN
Time Control Network
ITER CODAC における高精度時刻同期ネットワーク
SDN
Synchronous Data Network
ITER CODAC における高速同期データ通信ネットワーク
AVN
Audio Visual Network
ITER CODAC における音声・映像用ネットワーク
DAN
Data Acquisition Network
ITER CODAC におけるデータ収集ネットワーク

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Research and Technology Note

Development of ITER CODAC Compatible Gyrotron Local Control System and its Operation

Y. Oda et al.

(333J63) ver. 3.1, ITER Organization (2012).
［１４］Guideline for Fast Controllers, I/O Bus Systems andCommunication Methods between Interconnected Systems (333K4C) ver. 2.0, ITER Organization (2013).
［１５］ITER Catalog of I&C products - Fast Contollers (345X28)
ver. 2.1, ITER Organization (2013).
［１６］Experimental Physics and Industrial Control System,
http://www.aps.anl.gov/epics/［１７］P. Sichta et al., "Overview of the NSTX Control System,"
8th International Conference on Accelerator and Large
Experimental Physics Control System (PSN TUBT004),(2001).
［１８］M. Kim et al., Fusion Eng. Des. 85, 515 (2010).
［１９］Control System Studio, http://controlsystemstudio.
github.io/［２０］K. Kajiwara et al., Nucl. Fusion 53, 043013 (2013).
［２１］Self-description Data Documentation and Guidelines (34QXCP) ver. 2.1, ITER Organization (2011).
［２２］Signal and plant system I&C Variable NamingConvention (2UT8SH) ver. 8.1, ITER Organization (2013).
［２３］StreamDevice, http://epics.web.psi.ch/software/streamdevice/

参考文献［１］J. How et al. (ed) Plasma stability and control ITER 2009
Baseline: Plant Description (PD) (France: ITEROrganization) chapter 4.6 www.iter.org (2009).
［２］K. Sakamoto et al., Nature Phys. 3, 411 (2007).
［３］K. Kajiwara et al., Fusion Eng. Des. 86, 955 (2011).
［４］K. Takahashi et al., Rev. Sci. Inst. 82, 063506 (2011).
［５］D. Purohit et al., "An overview of Instrumentation andcontrol for ITER ECH&CD system," 26th Symposium on
Fusion Technology (2010).
［６］A. Wallander et al., Fusion Eng. Des. 85, 529 (2010).
［７］Plant Control Design Handbook (27LH2V) ver. 7.0, ITER
Organization (2013).
［８］CODAC Core System Overview (34SDZ5) ver. 4.0, ITER
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［９］Y. Kawano et al., "Progress on Design and R&D for ITER
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［１０］T. Yamamoto et al., Fusion Eng. Des. 87, 2016 (2012).
［１１］V.Vitale et al., Fusion Eng. Des. 87, 2012 (2012).
［１２］PLC Software Engineering Handbook (3QPL4H) ver. 1.4,
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［１３］ITER catalogue for I&C products - Slow controllers PLC

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