Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 FRP13

KEK 電子陽電子入射器における安全系システムの情報管理
INFORMATION MANAGEMENT OF THE SAFETY SYSTEM AT THE KEK e-/e+
INJECTOR LINAC
佐藤政則#, A, B), 佐武いつか A), 白川明広 A), 草野史郎 C), 工藤 拓弥 C)
Masanori Satoh#, A, B), Itsuka SatakeA), Itsuka SatakeA), Akihiro ShirakawaA), Takuya KudouC), Shiro KusanoC)
A)
High Energy Accelerator Organization (KEK), Accelerator LaboratoryB)
The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), Department of Accelerator ScienceC)
Mitsubishi Electric System & Service Co., Ltd (MSC)

Abstract

In the KEK e-/e+ injector linac, the simultaneous top-up injection to five rings has been successfully conducted sinceMay 2019. For the long-term stable beam operation under such complex operational scheme, the high availability ofcontrol system is very important. The reliable safety system is also important to prevent the personnel radiation accidents
and protect the machine components. In the KEK linac, the control system has been developed with EPICS framework
widely used in the accelerator science community. However, the safety system was originally developed without EPICS
framework. To enhance the compatibility between the control system and the safety system, EPICS IOC of the safetysystem was developed with the netDev device support. Furthermore, it is possible to quickly identify the causes of invalid
linac operational conditions by using a newly developed beam operation logic status GUI. In this paper, we report thedata communication between the KEK linac control system and safety system in detail.
テムとは独立に構築されているが、ビーム運転条件のロジックが複雑化するにともない、ビーム運転条件が不成
KEK の電子陽電子入射器（入射器）は 1982 年に PF 立になった場合、その原因を即座に同定し、解決するこ
リング専用入射器として稼働を始め、その後、TRISTAN、 とが下流リングの運転可用性向上のために重要である。
PF-AR、KEKB の異なるエネルギーのリングへ電子・陽 このため、入射器では、安全系システムと制御システム電子ビームを供給してきた。当初、各リングへのビーム入 の親和性を高め、制御システムの枠組みの中から安全射は、定時刻入射に基づくタイムシェアリング方式が採 系システムの情報を読み出すことを可能としている。
用されていた。しかしながら、第 3 世代放射光源で一般入射器制御システム化されてきたトップアップ入射の要望が PF ユーザーから 2.
入射器の制御システムは、加速器制御に広く使用さ高まり、また、積分ルミノシティ向上のため KEKB リングからもトップアップ入射の要求が強くなっていた。このよう れている標準的なサーバ/クライアントモデルを基盤としな状況を鑑みて、2004 年に全リング同時トップアップを た Experimental Physics and Industrial Control System
目指したプロジェクトチームを立ち上げ、2009 年 4 月に、 (EPICS) フレームワークを用いて構築されている[8]。
KEKB 電子・陽電子・PF の 3 リング同時トップアップ入射 サーバ部は EPICS Input/Output Controller (IOC) としてを実現した。その後、2012 年に PF-AR 専用入射路を建 実装され、クライアント部からは EPICS Process Variable
設した後、2019 年 5 月、SuperKEKB 電子、陽電子、陽 (PV) として読み出し、制御が可能である。計算機サー
電子ダンピングリング、PF、および PF-AR への 5 リング同 バとし て 堅牢 な HPE Blade システム 、お よび Hyper
時トップアップ入射を実現した[1]。現在、最大 50 Hz で Converged Infrastructure である HPE SimpliVity を採用生成される入射器の電子・陽電子ビームは、あらかじめ した。これらにハイパーバイザである VMWare ESXi を設定したパターンに基づいて任意のリングへ入射するこ 導入し、約 40 台の仮想マシンを運用している。ゲスト OSとしては、主に Linux である CentOS 7、 CentOS 8 を使とができる。
同時トップアップ入射を実現するため、イベントタイミン 用しているが、サポート期間の問題などから Rocky Linux
グシステム[2]、レーザー光陰極 RF 電子銃[3]、陽電子捕 9 への移行を徐々に進めている。約 20 台ある運転用端
獲用フラックスコンセントレータ[4]、高精度ビーム位置モ 末は、Windows をインストールした小型 PC 上で、仮想マニタ[5]、パルスステアリング電磁石およびパルス四極電 シンとして Linux を動作させ、種々の運転用アプリケー磁石システム[6, 7]などが開発、導入され、入射器のビー ションプログラムを実行している。KEKB 立ち上げ当初、ム運転が複雑化すると共に制御システムの高度化が進 運転用アプリケーションプログラムの開発には Tcl/Tk スめられてきた。このような複雑化した運転形態のもと、入 クリプト言語が多く使われてきたが、近年ではほぼすべて射器および下流リングの人的、機器的安全性を担保す のものが Python スクリプト言語で実装されている。電子るためには安全系システムのロジックおよび堅牢性がま 運転ログやアーカイバビューアなどの Web アプリケーすます重要性を帯びてくる。安全系システムは制御シス ション構築には、Angular を用いている[9, 10]。
制 御 シ ス テ ム の 中 核 ス ト レ ー ジ と し て 、 Network

1.

はじめに

___________________________________________# masanori.satoh@kek.jp- 859 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 1: List of Local Controllers Used for the Linac
Control SystemDevices

VME64xLadder based
PLCNetworkattached power
supplyLinux based
PLC
EmbeddedLinux
Data logger
VME based
module
NIM modules
PXI
Total

Accelerator
components (# ofcomponents)
Event based timingsystem (MRF EVG230, EVR-230RF)
Magnet (153)
Vacuum (375)Charge interlock (9)SafetyMagnet (113)# of local
controllers

Profile monitor (108)30

Klystron (76)
DC Magnet (166)
Temperature (690)
Beam position monitor(107)Timing watchdog (15)Pulsed magnet (107)

76
166
28
23

46
172633113

1517563

Table 2: Number of EPICS IOCs Used for Each Subsystem
Subsystem
SafetyBeam monitor
RFMagnetVacuum
TimingTemperature
Total# of ICOs
353106209
14629447いる。その他、主タイミングステーションやパルス電磁石制御ステーションにおいて、49 台の Buffalo businessSwitch を導入している。これらのエッジスイッチと PLC な
どのローカル制御機器間は、ノイズの影響を避けるために光ケーブルで接続され、約 400 台のメディアコンバー
タを使用している。制御ネットワークの異常を迅速に検知し、原因箇所の特定を容易にするため、Grafana によるネットワーク監視もおこなっている[12]。
入射器制御システムのローカル制御部では、VME やPLC を始めとした多様な機器が使用されている。Table 1に、ローカル制御機器ごとの使用目的および使用台数をまとめた。ラダーPLC は真空機器制御、安全系システ
ムなどに用いている。KEKB 運転中盤頃まで約 170 台使用していた CAMAC および VME 用の信号遅延モジュー
ルは、VME64x を基盤としたイベントタイミングシステムへ刷新された。これは、20 ms 間隔でタイミング信号を制御し、下流リングへの同時トップアップ入射を実現するためである。同時に、タイミング関連のモジュール数が大幅に削減されたため、結果として制御システムの可用性が向上した。Table 2 に、サブシステムごとに使用しているEPICS IOC の数をまとめた。ローカル制御機器を直接制御しない、フィードバック演算用 IOC などビーム運転上使用しているものは、これ以外に数百個に上る。
入射器制御システムでは、2003 年の EPICS 導入開始
当初、base R3.14.9 を基盤として IOC の開発をおこなった。当時は、RPC を基盤とした入射器独自の既存制御ソフトウェアへのラッパーとして開発した。しかしながら、制御機器追加や変更にともなうソフトウェア変更作業が繁雑となり、制御対象機器数の増加による制御速度低下が問題となってきた。このため、PLC などのローカル制御機器を直接制御するための IOC を開発し、現在では独自制御ソフトウェアはすべて廃止され、純粋な EPICS IOCのみで制御システムを運用している。使用している baseは R3.14.12 を経て、現在では R3.15.9 へ徐々に移行している。

3.
Attached Storage (NAS) である NetApp FAS8200 を使用している。本機は約 35 TB の容量を有し、制御プログラムやアーカイバデータなど、入射器運転上特に重要なデータが蓄積されている。そのため、冗長化コントローラおよび RAID-DP により、高い信頼性が担保されている。
その他、本機のデータバックアップやグループ内のファイル共有システムとして NetApp 以外にも 6 台の NAS を運用しており、総容量は約 700 TB である。アーカイバには EPICS Archiver Appliance を使用し、登録 PV 数は約12 万点にのぼる[11]。
計算機サーバ、ストレージと並び制御システムの根幹をなす機器がネットワークである。入射器の制御用ネットワークは、基幹部分に Cisco C9500 および C9200 それぞれ 2 台ずつを用いた冗長構成を採用している。エッジス
イッチには主に 47 台の Cisco C9200 を導入し、コアスイッチとの間は 10 Gbps および 1 Gbps の Active/Standby 構成での光ケーブル接続をおこなっている。さらに、いくつかの C9200 配下には 15 台の C1000 が 1 Gbps 二系統による Active/Active 構成での冗長化接続にて運用して入射器安全系システム

加速器の安全系システムは、機器を保護するためのMachine Protection System (MPS) と人的保護のためのPersonnel Protection System (PPS) に大別される。電子および陽電子ビームを加速する入射器運転において、トンネル内の加速器本体である放射線発生装置室内では人体被ばく許容量を超える放射線が発生する。そのため入射器の放射線安全対策としては、PPS により人的安全を保障した上で、さらに MPS により機器の保護を図っている。
人的安全が保障され、入射器運転が可能となった状態を「LINAC READY」と呼んでいる。これは、入射器のみならず、下流の全てのリングの PPS 条件が入射器運転を許可する状態を表している。これら諸条件に関係する全ての信号は、 PLC に DC 24 V 信号として入力される。
このうち、入射器緊急停止用の非常停止信号系統は、PLC を経由することなく機械式リレーのみで構築している。
入射器の安全系システムは、YOKOGAWA のラ
ダーPLC を基盤として構築している。入射器主制御室にメイン PLC として 1 台、ABC 副制御室にサブ- 860 -Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PLC として 2 台、合計 3 台の PLC を使用している。
これらの PLC には、約 300 点の信号が入力されている。これらの信号は、下流リングからの READY 状態、建屋や高電圧電源筐体のドア開閉状態、非常停止信号発報などの状態を表している。これらの信号は PLC の DIO モジュールで読み出され、安全系ロジック処理が施された後、約 200 点の信号として出力される。出力された信号は、トリガ許可信号や高圧電源出力許可信号などとして使用されている。３台ある PLC 間の情報伝達は、DC 24 V の接点信号を用いておこなっている。
上述した 3 台の PLC 以外に、通信専用 PLC が 2 台運用されており、制御ネットワーク上の計算機に安全系システムの情報を送るためのゲートウエイとして使用している。制御ネットワークに障害が起きた場合、安全系システムには影響が及ばぬよう、制御ネットワーク上の計算機からは PLC 情報の読み出しのみを許可している。Figure 1 に PLC を用いた安全系システムのブロック図を示す。
Figure 2 は、安全系システムのインタロック状態表示 GUI を示している。GUI は、当初 Microsoft
Visual Basic 6.0 で開発されたが、その後、サポート期限切れの問題から Visual Basic .NET に移植して運用している。安全系 PLC の状態を通信専用 PLC から読み出し、各リングの READY 信号の有無や PPSに組み込まれているドアの開閉状態を一瞥することができる。全ての状態表示が緑色表示であれば入射Linac sub-control room
DIO

Sub PLC1

PLC link
DIO
PLC link

Communication
Gateway PLC

Sub PLC2器の運転が可能となる。PPS の条件不足で入射器の運転が開始できない場合は、本 GUI 上で赤色表示の項目を確認することにより、運転条件を満たしていない原因を迅速に特定することができる。

4.

入射器安全系システムの情報管理

KEK 入 射 器 で は 、 制 御 シ ス テ ム と し て 全 面 的 に
EPICS フレームワーク使用している。各機器の制御に使用している IOC を始めとして、CSS アラームやアーカイバなどを基盤とした統括的な運用をおこなっている。
従来の入射器安全系システムは、制御システムとは独立したラダーPLC、I/O モジュール、および機械式リレーなどから構成され、状態表示の GUI や状態遷移記録なども独立に開発、維持されてきた。制御システムとの親和性を高め、データアーカイバやアラームなどの仕組みを共通化することにより保守性を高めるため、安全系システ
ムの情報を EPICS PV として読み出すための実装をおこなった。安全系システムには YOKOGAWA のラダー
PLC が使用されているため、EPICS IOC の構築には、すでに入射器制御システムでも広く利用されている EPICS
デバイスサポートである netDev を使用した[13]。PV 化さ

Linac main control room
Main PLCDIO

PLC link

Server computerfor Linac control system(EPICS IOC)

Figure 3: New interlock status GUI of Linac safety systemdeveloped with Microsoft C#.

Communication
Gateway PLC

Linac control network

Figure 1: Block diagram of Linac safety system using PLC
and Linac control network.

Figure 2: Interlock status GUI of Linac safety systemdeveloped with Microsoft Visual Basic .NET.

Figure 4: Screenshot of Linac beam information status
GUI developed by Python.

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さらに、安全系の信号履歴やビーム運転成立条件の確認が以前より容易になり。特に長期保守後の立ち上げ時、迅速にビーム運転を開始することができるようになった。

参考文献[1] K. Furukawa et al., “Achievement of 200, 000 Hours ofOperation at KEK 7-GeV Electron 4-GeV Positron Injector
Linac”, in Proc. 13th Int. Particle Accelerator Conf.
(IPAC'22), Bangkok, Thailand, Jun. 2022, pp. 2465-2468(2022).
[2] Di Wang, Kazuro Furukawa, Masanori Satoh, Hiroshi Kaji,
Hitoshi Sugimura, Yoshinori Enomoto, Fusashi Miyahara,"Analysis and stabilization of AC line synchronized timing
system for SuperKEKB", Nuclear Inst. and Methods inPhysics Research, A 1015 (2021) 165766.
https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165766(accessed Oct. 25th, 2021).
[3] R. Zhang, X. Y. Zhou, M. Yoshida, H. Kumano, and N.
Toyotomi, “LASER SYSTEM FOR SuperKEKB RF GUN
IN PHASE III COMMISSIONING”, in Proceedings ofFigure 5: Example of Linac beam operation logic status
IPAC2022, Bangkok, Thailand, June 12-17, pp.2914-2916
GUI developed with Python.
(2022).
れた信号点数は約 1200 にのぼり、すべてアーカイバに [4] Y. Enomoto, K. Abe, N. Okada, T. Takatomi, “A New Flux
Concentrator Made of Cu Alloy for the SuperKEKB Positron
記録されている。安全系システム用 EPICS IOC は、制御
Source”, in Proceedings of IPAC2021, Campinas, SP, Brazil,
システム用 IOC と同じく、Fig. 1 にある制御システム用計May 23-28, pp.2954-2956 (2021).
算機サーバ上で動作させている。
[5] F. Miyahara, K. Furukawa, M. Satoh, Y. Seimiya, T. Suwada,
R. Ichimiya, H. Saotome, “HIGH POSITION
Figure 3 に、新たに開発したインタロック状態表示 GUIRESOLUTION BPM READOUT SYSTEM WITHの画面を示す。従来の GUI と同様の項目を表示しておCALIBRATION PULSE GENERATORS FOR KEK e+/eり、開発には Microsoft C#を用いた。EPICS PV の読み
LINAC”, in Proceedings of IBIC2015, Melbourne, Australia,
出しには C#で開発された EPICS .NET ライブラリを使用
September 13-17, pp.369-372 (2015).
している。
[6] Y. Enomoto, K. Furukawa, T. Kamitani, F. Miyahara, T.
Natsui, M. Satoh, K. Yokoyama, M. Yoshida, S. Ushimoto,Figure 4 は、入射器ビーム運転にかんする詳細な情報
H. Saotome, “Pulse-to-pulse Beam Modulation for 4 Storage
表示用 GUI のスクリーンショットを示している。本 GUI は、
Rings with 64 Pulsed Magnets”, in Proceedings ofPython スクリプト言語により開発され、PPS にかかわる
LINAC2018, Beijing, China, Sept. 16-21, pp.609-614 (2018).
READY 信号のみならず、各リング入射用ビームの繰り [7] Y. Enomoto, K. Furukawa, T. Natsui, M. Satoh, H. Saotome,返し、ビームゲートの開閉、各リングからのビーム要求信“Pulsed Magnet Control System Using COTS PXIe Devices
and LabVIEW”, in Proceedings of ICALEPCS2019, New号の有無など、ビーム運転により直接的に関係する情報
York, NY, USA, Oct. 5-11, pp.946-949 (2019).
をまとめて表示している。
[8]
EPICS;
Figure 5 に、入射器ビーム運転条件のための論理図および各信号の状態を示す GUI を示す。本 GUI は、熱電子銃からビームを出力するために必要な信号の状態および論理図が示されており。ビーム運転が開始できない場合に、どの必要条件が不成立であるかを迅速に特定することが可能である。同様の GUI が、RF 電子銃運転用、主タイミングステーション運転用にも準備されている。

5.

まとめ

KEK 入射器では、5 つのリングへ同時トップアップ入射をおこなっており、長期間安定に複雑な形態での運転を実現している。このため、入射器安全系システムは、多数の情報信号を処理する複雑なシステムになっている。
従来の入射器安全系システムは EPICS を基盤とした制御システムとは独立に構築されていた。そのため、入射器安全系システムの信号情報を EPICS IOC 化し、EPICSPV として読み出し可能とすることにより、制御システムで使用しているアーカイバおよびアラームシステムに組み込むことにした。これにより、安全系システムと制御システ
ムの親和性が高まり、システム全体の保守性が向上した。

https://epics.anl.gov/
https://epics-controls.org/[9] Angular;

https://angular.jp/[10]Takuya Kudou, Shiro Kusano, Masanori Satoh, Itsuka Satake,“DEVELOPMENT OF OPERATOR INTERFACE USINGANGULAR IN KEK E-/E+ INJECTOR LINAC”,
PASJ2023, Funabashi, Japan, Aug.-Sep. 2023, FRP11, thismeeting.
[11] Itsuka Satake, Masanori Satoh, Masaya Hirose, Shinya
Sasaki, Shiro Kusano, Takuya Kudou, Di Wang, "Operation
status of Archiver Appliance in KEK electron positron
injector linac", in Proceedings of the 17th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, September 2-4, 2020,Online, pp.735-738 (2020).
[12] Itsuka Satake, Masanori Satoh, Shinya Sasaki, Masaya
Hirose, Shiro Kusano, Takuya Kudou, “Introduction ofnetwork monitoring system using Grafana in the KEK
electron/positron injector linac”, in Proceedings of the 19th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,
October 18-21, 2022, Online (Kyushu University), pp.305308 (2022).
[13] https://github.com/shuei/netDev/- 862 -