PF リングへの漏水検知システムの導入
塩澤 真未
大学共同利用機関法人

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KEK つくばキャンパスの放射光実験施設 Photon Factory(PF)は学生や企業などの多くのユーザーを抱えている。ユーザーラン中になんらかのトラブルが発生して加速器が停止することは、ユーザーに多大な迷惑が掛かる上に職員の負担も増える。しかしながら PF は運用開始後 40 年以上経過している加速器であるため、軽微なものから甚大な被害を引き起こすものまでトラブルは尽きない。トラブルを未然に予防することがベストではあるものの予算や人手の問題等により困難であることも少なくない。そこでトラブルが発生した際に運転員が気付いて素早く対応することが、被害を最小限にとどめるためには重要である。本稿ではその一例として PF 加速器室に導入した漏水検知システムについて紹介する。
2020 年 12 月に PF 加速器室内で発生した水漏れ(図 1)は、BL-12 の光モニターでシンフレックスチューブが抜けたことが原因であった。当時の加速器室内に漏水検知システムは存在していたものの、この時は動作しなかった。従来のシステムでは配水盤などの水漏れが予測される場所にしかセンサーがなく、BL-12 の光モニターからの漏水はこのセンサーにかからない領域で発生したためである。そのため、加速器室の床とその地下のトレンチの天井を貫く貫通孔から流れ出た水を通りかかった職員が発見したことで漏水が発覚し、推定される漏水発生時刻から約 30 分以上経過した後に発見されたため、漏水箇所が広範囲にまで広がってしまった。そこで本件では漏水をできるだけ早期に検知するシステムを作製した。
新しい漏水検知システムに求めたのは以下の様な要件である。
⚫ リング全域をカバーすること⚫ 漏水箇所の特定⚫ 加速器分散制御フレームワーク EPICS への組み込み⚫ Archiver Appliance(AA)への登録⚫ アラームへの登録⚫ メンテナンス性の高さ
図 1 PF 加速器室内の水漏れの様子⚫ 信頼性
どの場所で発生した漏水も検知し、漏水発生後に素早く対応できることを一番の目標とした。また、
EPICS へ組み込んだり、EPICS のレコードを収集・記録するアーカイブシステム AA や CSS アラームへの登録をしたりすることで制御室にいる人がリング内の異常に気づき、後ほど原因究明などに使うために漏水の履歴を残せるような機能をもたせることにした。さらに、従来のシステムでは金属の板にキムタオルを挟んだものをセンサーとして利用しているため一度濡れてしまうと再びセットするのに手間がかかっていた。そのため、メンテナンス性が高く設置後も長期間にわたって維持管理ができることも要件に含めた。
２．漏水検知の仕組み
漏水検知の仕組みは水が電気を通すことを利用した非常にシンプルなものである。図 2 にその概略を示す。図 2 左図のように漏液監視状態では検知帯(センサー)の一方の電極に信号を送っており、検知帯間は開ループとなっている。この状態で検知帯に水がかかると漏液を通じて検知帯のもう一方の電極に信号が流れて検知器に戻る。すると、検知器は抵抗値の違いから漏水と判断する。

図 2 漏水検知の概略図[1]３．部品について実際にテストベンチにてパーツを組み立てて動作試験を行ったあと、加速器室内に仮設置して放射線耐性や検知帯の設置のしやすさなどの確認を行い本設置で用いるパーツの選定を行った。
３.１ 漏水検知器
漏水検知器は工場等で用いられているオムロン社の 61F-GPN-V50(図 3)という製品を使用した。半導体不足の影響もあり、納期が比較的短く入手できる製品が本製品しかなかったためである。表 1 に主な仕様を示す。なお、この製品は 2023 年 6 月に受注終了予定となっている。
表 1 漏水検知器の仕様[2]形式61F-GPN-V50

電源電圧AC100 V、AC200 V
50/60 Hz

電極間電圧

AC24 V

消費電力

3.2 VA 以下

応答時間

動作時 : 80 ms 以下
復帰時 : 160 ms 以下

図 3 漏水検知器 61F-GPN-V50

３.２ 漏水検知帯(センサー)
漏水検知のセンサーはスポットでの検知が可能なポイントセンサータイプと広範囲での検知が可能な検知帯タイプの二種類が広く用いられているが、加速器室内の広い領域をカバーするには検知帯タイプが向いている。そこで、
図 4 に示すようなオムロン社製の F03-16PE と F0316SFC の二種類の検知帯を購入して実際に加速器室内に仮設置をした。
F03-16PE はオムロンの検知帯の中で最もオーソドックスな製品である。電極は SUS316 で絶縁被覆部はポリエチレン製である。一方で F03-16SFC の電極は 0.75 mm2の錫メッキ軟銅撚り線で絶縁被覆部は吸水性と撥水性の特殊プラスチック繊維の編組となっている。吸水すると内部の赤い被覆が見えるようになることで漏水箇所を容易に確認できるという特徴がある。

接点仕様

2c 接点

使用周囲温度-10～+50 ℃

使用周囲湿度

45~85 %RH

図 4 漏水検知帯(上 : F03-16PE、中 : F0316SFC(乾燥時)、下 : F03-16SFC(漏水検知時))

３.３ 仮設置
2021 年度第三期運転(2022 年 1 月 31 日～2022 年 3 月 24 日)の際に PF 加速器室内の超伝導ウィグラー下流に仮設置をした(図 5)。その結果、F03-16PE は検知帯自体が固く配線の取り回しが難しい上に検知帯をしっかり固定しないと床から浮いてしまうことが分かった。また、検知帯を仮設置した場所が PF リング内でも比較的放射線量が高い場所であったため、絶縁被覆部がペタペタするなどの放射線によるものとみられる劣化があった。
一方で F03-16SFC は検知帯自体が柔らかく施工性に優れていた上に目立った劣化もなかった。以上より本設置では検知帯は F03-16SFC を採用することにした。さらに、メーカー推奨の端子台はスクリューレスタイプのものであったが端子台自体が小さく加速器室内には固定しづらいことが分かった。メンテナンス等の作業中に誤って検知帯をひっかけてしまうことも考えられるため、検知帯や配線ケーブルがより抜けづらくなるようにするために圧着端子を付けて、
図 5 PF 加速器室内での仮設置の様子
端子台をねじ式のものに変更することにした。
４．本設置
仮設置をしたことで得られた知見を活かしてパーツを購入し、PF リング全域への設置を行った。
４.１ PF 加速器室内全域への設置
全体の構成の概略図を図 6 に示す。ノイズや放射線の影響を避けるために本体は地下トレンチにあるモニターステーション#6 として利用していた 19 インチラックに DIN レールを介して固定した(図 7)。
このラックは 100V コンセントがついているので各機器の電源はそこからとっている。ノイズ対策のために検知器と検知帯との間はできるだけ近い方がよいのでその間は約 5 m となっている。検知帯は 1 周
187 m ある PF リング全域をカバーできるよう 100 m の長さのものを 2 本使用した。また、前述した既存の漏水検知システムは特に不具合等があるわけではないため撤去せずに新システムと併用をし、二重で監視することとした。

AC 100V

2A breaker
検知器

PF 地下トレンチ

AC adaptor

2A breaker

Raspberry

検知器

PiPF controlnetwork

PF 加速器室内
約5 m

端子台

約5 m

検知帯(センサー)検知帯(センサー)

PF リング西側へ

PF リング東側へ
100 m×2 本

図 6 全体の構成

図 7 地下トレンチに設置した本体

４.２ EPICS への組み込み検知器が漏水を検知した際は、本体表面の赤いランプが点灯する。しかし地下トレンチにある本体のランプが点灯してもほとんどの人が気付くことはないため実用的ではない。そこで、加速器などの大型実験装置の分散制御システム構築のためのフレームワークである EPICS に組み込むことにした。EPICSは現在の PF においてほとんどの機器に用いられており、Channel Access というプロトコルで ProcessVariable(PV≒レコード)の値を読み書きすることで機器を監視・制御している。本開発では、検知器本体からのリレー出力を小型で安価なシングルボードコンピュータ Raspberry Pi の GPIO に取り込み、Raspberry Pi 上で EPICS の IOC(Input Output Controller)を立ち上げることで、PF 制御ネットワーク上にあるどの端末からも漏水情報をリアルタイムで監視できるようにした。レコード名は既存のものにならい、”PFRMON:WTRLEAK:WEST”および”PFRMON:WTRLEAK:EAST”とした。Raspberry Pi には procServをインストールすることで IOC を起動し続けるようにした。procServ には自動で再起動する機能があるため、万が一プロセスが落ちてしまってもすぐに IOC が立ち上がる。さらに、Raspberry Pi が再起動した際にも自動的に IOC が立ち上がるように設定した。これにより漏水を検知していても IOC が立ち上がっていないために漏水に気付かないという状況を回避できる。
また、
任意の EPICS レコードに閾値を設定してアラームを出す CSS アラームの機能を用いることで、モニターを監視していなくても音と光でオペレーターにリング内の漏水をすぐに知らせるようにした。
これにより早期発見および対応が見込める。さらに、EPICS レコードを収集・記録するアーカイブシステムである Archiver Appliance(AA)への登録を行ったことで、漏水履歴の確認や他のレコードと比較することができ、原因の究明などに役立つと期待される。図 8 の一部飛んでいるデータは動作試験中のものであり、正しく動作していることが AA のデータからも確認できた。

図 8 AA に登録したレコード
５．今後の展望PF の加速器室はドーナツ状であり、今回検知帯を設置したのは図 9 の赤線で示したような加速器の内側の領域である。BL12 の光モニターの漏水は外側(加速器室内のビームライン側)で発生したこともあり、漏水の早期発見のためにも今後は外側にも検知帯を設置する予定である。
また、漏水は加速器室内だけでなく地下トレンチや地下機械室においてもたびたび発生している。本稿で紹介した漏水検知システムは運転中に人の立ち入ることのできない加速器室内を最優先に設置したが、加速器室内に限らずどこでも設置が可能である。地下トレンチや地下機械室には電源や各ラッ今回設置した範囲
拡張予定の範囲

図 9 今回の設置範囲と今後の拡張予定

クなどの加速器運転のための重要な機器が数多く設置されているため、機器保護の観点からも将来的にはそちらへの設置も考えている。
本件の検知帯は漏水箇所の色が変わる仕様であり、加速器の内側という比較的人がアクセスしやすい場所に敷設された(図 10)。そのため、加速器停止中のメンテナンスなどの加速器室内での作業の際に検知帯を踏むことを想定している。そのため実用上は断線検知機能を付けることが必要である。
オムロン社の製品で断線検知機能つきの漏水検知器 K7L-UD という製品がある[3]。この製品では検知帯の端にターミネータを付け、送る信号の種類を
図 10 設置した検知帯分けて断線と漏水を区別している(図 11)。漏水監視時は AC 2.5 V の矩形波の信号を送っていて通常はターミネータでカットされる。漏水時には水を通じて信号が流れて検知器に戻ることで抵抗値の違いにより漏水を検出する。一方で断線監視時には Max
DC 10 V, 200 ms の信号を送っていて、これはターミネータでカットされずに検出器に戻ることで通常状態と判断される。しかし断線時には信号は検出器には戻らないので断線と判断される。この断線監視信号は 7 秒に 1 回の頻度で発信される。今後はこの漏水検知器を導入して EPICS に組み込んで運用していきたいと考えている。

断線検知信号

漏水検知信号

図 11 断線検知の信号と漏水検知の信号
６．まとめ
PF リングに新たに漏水検知システムを構築した。このシステムではリング全域をカバーしており、色の変わる検知帯を 2 本用いたことでおおよその漏水箇所を特定できるようになった。また、EPICS への組み込みや CSS アラーム、AA への登録をしたことで、加速器室内の漏水に簡単に気付けるようになり、漏水履歴の確認も行えるようになった。使用した検知帯は漏液をよく拭き取ればすぐに再利用が可能なためメンテナンス性の高さも向上したといえる。今後は断線検知機能を追加した上で PF 加速器室内の敷設面積を増やす予定である。この漏水検知システムは加速器室内に限らずどこでも設置が可能である
ため、将来的には PF 地下トレンチや地下機械室、他の加速器などへの展開を考えている。

参考文献
[1]

https://www.fa.omron.co.jp/guide/technicalguide/48/182/index.html[2]

https://www.fa.omron.co.jp/products/family/566/download/catalog.html[3]

https://www.fa.omron.co.jp/products/family/1819/download/catalog.html

謝辞
・電子工作についてご助言いただいた KEK 下ヶ橋技師、KEK 多田野シニアフェロー
・Raspberry Pi や EPICS についてご助言いただいた KEK 帯名教授・AA や CSS アラームへの登録を行っていただいた東日本技術研究所 路川氏に深く御礼申し上げます。