ＬＨＤ低温制御システムの長期安定運転への取り組み〇大場 恒揮 a)、鷹見 重幸 a)、岩本 晃史 b)、森内 貞智 a)a)
核融合科学研究所 技術部、b)核融合科学研究所 装置工学・応用物理研究系

１．はじめに核融合科学研究所の大型ヘリカル装置（ＬＨＤ）は、超伝導コイルにより発生させた磁場を使用してプラズマを閉じ込める実験を行う。ＬＨＤ低温システムはヘリウム液化冷凍機と被冷却体である超伝導コイル群等で構成され、その運転監視制御をＬＨＤ低温制御システムで行っている。ＬＨＤ低温制御システムは実験を安全に遂行するために常に安定な運転継続が求められる。これまでの長期安定運転への取り組みについて報告する。

2. ＬＨＤ低温システムの概略と運転
ＬＨＤ低温システムの概略フローを図１に示す。ＬＨＤ低温システムは、コイルを冷却するための寒冷を発生・回収するヘリウム液化冷凍装置、被冷却体である超伝導ヘリカルコイル、超伝導ポロイダルコイル、超伝導バスラインで構成され、その冷却重量は約 820ton である。ヘリカルコイルは液体ヘリウムによる浸漬冷却、ポロイダルコイルは超臨界圧ヘリウムの強制冷却、超伝導バスラインはヘリウムの二相流強制冷却で冷却される。これらの寒冷が 1 台のヘリウム液化冷凍装置から供給及び回収される。そのため運転は、ヘリウム液化冷凍装置と被冷却体の連携を取りながら温度や状態に応じて流路、弁、センサー等の切替が必要となる。運転のサイクルは、冷却を開始する前に 2 週間程度ヘリウム系統内の不純物を除去する精製運転を行い、その後 4 週間の冷却運転を経て 3 から 5 カ月の定常運転期間中にプラズマ実験が行われる。プラズマ実験期間終了後 3 週間の加温運転を経てメンテナンスのためにシステムを停止する。このサイクルを25 年間に 24 回行ってきた。
図 1 ＬＨＤ低温システム

3. ＬＨＤ低温制御システムの安定運転への取り組み
ＬＨＤ低温制御システムは、汎用の制御機器の採用、長期間超伝導システムの冷却状態を監視制御、ヘリウム液化冷凍装置と被冷却体が連携した安定的な運転、多数の計測点監視を行うためＬＨＤ専用の制御システムとして開発された。制御点数はアナログ入力 1045 点、アナログ出力 216 点、デジタル入力 896 点、デジタル出力 768 点である。1998 年の運用開始時はＶＭＥバスを採用したフィールドコントローラ、プログラム開発・アラーム監視用設定ワークステーション、専用運転操作端末、それらを接続するネットワーク等で構成される。制御を担当するＶＭＥコントローラはＣＰＵ、通信、メモリ、共有メモリ、入出力のボードで構成され、ヘリウム液化冷凍機用、ヘリカルコイル用、ポロイダルコイル用、超伝導バスライン用、全体統括用、運転操作端末用に分散されている。さらに運転操作端末以外のＶＭＥは常用系と待機系で冗長化されており、合計 11 台のＶＭＥコントローラがデータを共有するためリフレクティブメモリで接続されている。リフレクティブメモリはＶＭＥコントローラ毎に 1 枚、全体統括用と運転操作端末用は全系統のデータを共有するため 5 枚の合計 23 枚で接続されている。プログラ
ム開発・アラーム監視を担当するワークステーションはヘリウム液化冷凍機用、被冷却体 3 系統用、全体統括用の 3 台に分散されている。操作監視を担当する専用運転操作端末は 3 台のタッチパネルが 1 台のグラフィックコントローラに接続される構成で冗長化されている。
この構成で運用を始めたが、機器故障やトラブル対策として様々な変更を講じてきた。1999 年度にワークステーションを分散された系統毎に冗長化し、2 台間をＲＡＩＤＨＤＤによる共有や専用運転操作端末にグラフィックコントローラを追加し、2 台のタッチパネルが 1 台のグラフィックコントローラに接続される構成の 3 重化への変更、低温システムの状態を遠隔監視するＷｅｂやメールサーバーの運用を行っている。2001 年度にヘリウム液化冷凍機用のリフレクティブメモリ 5 枚をメタル仕様から光仕様に変更し、それらを接続するため光ＨＵＢの設置や運転操作端末を汎用パソコン上で動作する互換操作端末ソフトへ変更を行っている。2002 年度にワークステーションで動作していたプログラム開発・アラーム監視用ソフトを汎用パソコンへ移植を行っている。2003 年度に全系統のリフレクティブメモリを光仕様に変更し、ＶＭＥコントローラ毎に 1 枚使用の合計 11 枚に減数して光ＨＵＢ2 台で接続する構成へ変更を行っている。2008 年度にＶＭＥコントローラで使用するメモリと入出力ボードを国産品へ変更を行っている。
2013 年度に制御を担当するＶＭＥコントローラからコンパクトＰＣＩバスを採用したフィールドコントローラに変更し、複雑になりすぎたシステムを単純化した制御システムへ完全移行を実施している。
新しいＬＨＤ低温制御システムの構成を図２に示す。制御システムのコントローラはＣＰＵ性能向上に伴い各負荷毎の分散から 1 つのコント
ローラですべての制御を行う方式とし、リフレクティブメモリによるデータ共有を不要とした。多数の入出力点を取り扱うため、入出力ボードをＣＰＣＩラックに配置するのではなく、リモートＩ／Ｏ機器を負荷毎に分散して設置し、リモートＩ／ＯとＣＰＣＩコントローラ間はＥｔｈｅｒＮｅｔ／Ｉ
Ｐで接続した。冗長化はＣＰＣＩのＣＰＵ、メモリ、ＬＡＮ、リモートＩ／Ｏをそれぞれ 2 重化して対応している。設定パソコンはアラーム監視機能を運転操作端末に移行し、プログラム
図 2 ＬＨＤ低温制御システム開発専用とし 1 台に集約している。運転操作端末は 6 台のパソコンに分散し、遠隔監視を想定してＪＡＶＡベースのソフトを採用している。この制御システムで現在も安定な運転を継続している。

4. ＬＨＤ低温制御システムのトラブル件数と対応
ＬＨＤ低温制御システムは、運用開始から 25 年間に285 件のトラブルが発生している（図３）。その半数は運転操作端末のフリーズや停止である。原因は低速な

図 3 トラブル件数

ネットワーク環境に大量のデータやアラームなどを通信で送信していたためである。対応として操作端
末をパソコンに移行、アラーム処理を操作端末側で行うことで減少しているが、操作端末やワークステーションの汎用パソコン移行に伴いハードディスクや電源故障の周辺機器トラブルは増加している。周辺機器は冗長化でトラブル対応を行っている。制御を担当するコントローラ関係はＶＭＥで 51 件、ＣＰＣＩで 15 件発生している。ＶＭＥトラブルの半数は通信エラーによる稼働側から待機側への切替である。また、件数は少ないが稼働側から待機側への切替失敗時やリフレクティブメモリのトラブルにより制御不能になった重大トラブルも発生している。対応として高性能ＣＰＵボードへの移行、国産ボード使用、リフレクティブメモリによるデータ共有を不要としたＣＰＣＩ制御システムへ移行を行っている。ＣＰＣＩトラブルはＣＰＵとリモートＩ／Ｏの稼働側から待機側への切替である。残りはネットワーク関係 14 件、その他 6 件となっている。

5. まとめ
ＬＨＤ低温制御システムは、25 年間に 24 サイクルの長期連続運転を実施してきた。ＬＨＤ低温シス
テムの総運転時間は 106,662 時間で、この間の低温制御システム停止は約 96 時間である。システム停止となるトラブルの発生はＶＭＥ制御システムで起きていたが、ボードや機器の性能向上・大容量化に伴うシステム更新、迅速に状況判断出来るようにＷｅｂやメールによる遠隔監視、保守性・入手性向上のために国産品への移行などの長年の取り組みにより、ＣＰＣＩ制御システム移行後は実験に影響を与えるような重大なトラブルは発生していない。今後は機器の老朽化が懸念されるので保全交換や迅速な対処によって安定な運転継続を行っていきたい。