Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

SUMMARY OF 3GeVRCS CONTROL SYSTE
H.Takahashi1,A), H.Sakaki A), H.Sako A), H.Yoshikawa A), Y.Kato A), M.Sugimoto B), M.Kawase C)A)Japan Atomic Energy Research Institute
2-4 Shirane, Shirakata, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki, 319-1195
B)
Mitsubishi Electric Control Software Co.,Ltd.
1-1-2 Wadamisakichou, Hyougo-ku, Kobe-shi, Hyougo, 652-8555
C)
Accelerator Engineering Center, Mitsubishi Electric System & Service Co.,Ltd.
2-8-8 Umezono, Tsukuba-shi, Ibaraki, 305-0045
Abstract
3GeVRCS send the beam of a different parameter to both the institutions of MLF and 50GeVMR. Therefore,
3GeVRCS Control System is required to supervise by distinguishing the beam for every institution correctly. Moreover,since a parameter change is made during continuation operation, without suspending an accelerator, it is required thatthe beam loss by operation should be reduced as much as possible.
This report shows the examination and design situation of 3GeVRCS control system that aim at these realizations.

3GeVRCS制御システムの概要
１．はじめに

２．3GeVRCSビーム周期

大強度陽子加速器を用いた科学技術の展開を図るために、原研とKEKは「大強度陽子加速器計画（J3GeVRCSの代表的なビーム周期の例を図1に示す。
PARC計画）」を共同で推進している。施設は原研
3GeVRCSは25Hz（40ms）で運転され、そのうち
東 海 研 究 所 内 に 建 設 中 で ある。J-PARCはLinac、3GeVRCSが必要とする加速時間は20msである。J3GeVRCS 、 50GeVMR の 加 速 器 と L3BT 、 3NBT のPARCの運転周期は50GeVMRの運転周期を基準に考ビーム輸送系、MLF、原子核素粒子施設の利用施設
え ら れ て お り 、 図 1 に 示 す よ う に 3NBT-MLF とからなる多目的利用の施設である。
50GeVMRの両施設にビームを送る運転モードの1周
3GeVRCSはLinacからのビームを3GeVまで加速し、 期(MR周期)は3.64秒(91ビーム)である。そのうち3NBT-MLFと50GeVMRの両施設に、それぞれ異な3.48秒間(87ビーム)は3NBT-MLFに、0.16秒間(4ビーるパラメータのビームを送る。よって、3GeV制御ム)は50GeVMR施設にビームを送る[1]。
システムでは、いずれの施設に送るビームかを正確に区別して監視・操作を行うことが必要である。ま
３．制御システム
た、一般的な加速器同様に、パラメータの調整等がそれぞれの施設が要求するビームのパラメータがビームを停止することなく連続運転中に行われるこ
パルス毎に異なるため、いずれの施設に送るビームとも考えられるため、操作によるビームロスを可能かを正確に区別して監視・操作を行うことがな限り低減することも必要である。
3GeVRCS制御システムには要求される。この要求
本報告では、これらの実現を目指す3GeVRCS制御システムの検討・設計等の現状について報告する。 実現には、機器情報データが同時性・同期性をもったものであることが必須である。
しかしながら、J-PARCではEPICSを用いてLANで機器と上位制御系間のデータ通信を行うため時刻保証することが出来ず、上位制御系が機器情報を受信した時間が、その瞬間の機器情報である保証が全くない。
3GeVRCS制御システムにおいては、時間の同時性が保証されないLANを利用したハードウェア構成において、同時性制御を実現するシステムを設計することが重要となる。
図1 3GeVRCSビーム周期の例
1E-mail: htaka@linac.tokai.jaeri.go.jp
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3.1 監視（モニタリング）
加速器の運転に際しては、機器のステータス情報等の収集・監視が行われるが、モニタ値を例に、現在検討を行っている3NBT-MLFビームと50GeVMRビームのデータかを混同することなく監視するための方法を説明する。
もし、どの施設に送られるビームのデータかが正確に区別されなかったならば、パラメータの異なるビームのモニタ値が混在したデータが、あたかも、ある1つのビームのモニタ値であるかのように表示される。そして、その区別されないデータをもとに行われる電磁石の電圧変更、パターン変更等の操作は、本来行われるべきではない施設側の操作となる可能性がある。
整理前データ（収集データ）

そこで、それぞれのビームのモニタ値にビーム番号（ビームタグ）と時間情報をつけることで、どの施設に送られるビームのデータかを区別する方法を検討している。
ビーム番号は、モニタ機器がデータ収集を開始するトリガ（タイミング信号）のカウント値とし、時間情報は、モニタ機器がもつ時間（ms）とする。モ
ニタ機器は、この2つの情報をモニタ値に取り付け、数秒間のデータ配列としてレジスタ上等に保管する。
3GeV制御システムは、全モニタ機器上のデータ配列を読み込み、ビーム番号を基準にデータの整理（並び替え）を行う。これにより、ビーム番号毎に整列されたデータを表示等が可能となる。さらに、同ビーム番号のデータが40ms内（3GeVRCSの1周期内）であることを時間情報より確認することで、ビーム番号の数え落としエラーをチェックし、より信頼できるデータとすることが可能となる。図2にデータ整理の概念を示す。図は、データはBPM1,2〜BPM53,54の場合について示したものである。整理前はそれぞれのBPMのデータの順序が、上位計算機が収集した時間順で並んでいるためビーム毎には区別されていないが、整理後は（BPM54を基準にして）ビーム番号（Tag）を使用して並び替えが行われたため、ビーム毎に区別されたデータとなっている。
3.2 操作

整理後データ

図2 モニタデータ整理の概念

操作においては、パラメータ変更等が、加速器を停止することなく連続運転中に行われることから、操作によるビームロスを可能な限り低減することが重要である。
前 述 の よ う に 、 J-PARC で は EPICS を 使 用 し 、LANを介して操作が行われ、上位計算機（OPI）から の 操 作 命 令 が 、 各 機 器 の Input/Output Controller（IOC）に送信されることで、各機器が動作する。
LANを介して操作が行われるため、OPIからの操作命令が、操作対象となるIOC全てに同時に受信され、機器が同時性を確保した動作を行うことは保証されない。例えば、Q-Magnetの電流パラメータ変更操作を行った場合、各々のQ-Magnetはそれぞれが変更操作命令を受信したタイミングでパラメータ変更を 行 う た め 、 Q-Magnet 全 て が 同 時 に （ 同 期 性 をも っ て ） パ ラ メ ー タ の 変 更 が 行 わ れ な い （ 図 3.
General Beam Operation）。全てのQ-Magnetのパラメータが変更されるまでの過渡状態においては、シミュレーション等で想定されないビームロスが生じる。
この場合1回のQ-Magnetの電流パラメータ変更操作におけるビームロス量は実際には少ないかもしれないが、ビームロスは全てのQ-Magnet電流パラメータ変更操作時に生じるため、長期間でみたビームロス量は多くな

図3 同時操作の概念
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タとして整理し、さらに、タイミングシステムのタ
イ プ 情 報 を も と に し 、 3NBT-MLF 、 又 は 、50GeVMRのどちらの施設に送られたビームのデータかを区別して記録する。
OPIには、運転DBで整理され記録されているデータから、MLFと50GeVMRの各施設に送られたビームのデータを読み出すことで、パラメータの異なるビームが混同して表示されることなく、MLFビーム用と50GeVMRビーム用の画面を表示する。
次に、操作の場合について述べる。
OPIからの操作は、操作制御WSに送られる。操作制御WSは、運転DBのデータ等から要求された操作が適切かの判別を行う。適切な場合、操作制御WS
は操作対象機器（IOC）から、現在のビーム番号及び時間情報を収集し、ビーム番号の同期性を確認する。もし、数え落とし等ある機器があった場合は、その機器のビーム番号の補正を行う。そしてビーム番号の同期性が確認された後、操作対象機器に対して、「ビーム番号：XX後にパラメータ変更」の命令を送信する。これにより、対象機器のパラメータは同期して変更されることとなる。また、これらの操作は、運転DBに操作履歴として記録される。
一方、各機器の機器情報を記録する機器データ
ベース（機器DB）は、各機器のIO情報などから、EPICSレコードの自動生成を行う。このレコードを使 用 し て IOC は 動 作 す る こ と と な る 。 既 に 、3GeVRCSキッカ電磁石電源において、自動生成さ４．構成と現状れたEPICSレコードを使用し、監視・操作を行った。
3章で述べた監視・操作を実現する3GeVRCS制御
また、機器DBに記録されている機器パラメータ等システムの構成概略を図4に示す。制御システムは、 は、運転DB及びOPIに反映される。
上位計算機（OPI）、各機器（IOC:VME）、データ現在、特にデータ量が多いと考えられるモニタ、ベースシステム、及び、操作制御WSで構成される。 同期操作が必要と考えられるパターン電源の、送受まず、監視の場合について述べる。
信データ量、動作パターンから、ネットワーク負荷、機器（IOC）は、LANによるデータ送受信においハードウェア負荷等の概算を行っており、今回示しては、絶対時間が保証されないこと、及び、周期性た構成で実現可能かを検討している。
が保証されないことを考慮し、数秒間の25HzモニタデータをIOC上のデータレジスタに保持する。
５．まとめ
運転データデータベースシステム（運転DB）は、ボーリングによりIOCに保持されている数秒間分の監視、及び、操作の同時性・同期性を確保するたモニタデータ等を収集する。収集したデータを、めの3GeVRCS制御システムについての検討状況にビーム番号、及び、時間情報から同ビーム毎のデーついて述べた。今回報告した方法の他に、EPICSレコードを利用した方法、ハードワイヤで同期操作を行う方法等も検討しており、それぞれのシステムの比較検討を行い、2004年度中に最適な3GeVRCS制御システムの選定と設計を行う予定である。また、機器DBについてはEPICSレコード自動生成については、その動作確認を行っている。今後は、ハードウェア面のみならず、ソフトウェア面、及び、ハード、ソフトを合わせた制御システムの信頼性等についても検討を進め、2005年9月完成を目指して、設計・製作を行う予定である。
ると考えられる。さらに、Q-Magnet以外の機器におけるパラメータ変更操作時にも同様のことが考えられるため、ビームロス量はさらに多くなり、施設は想定よりも放射化されると考えられる。
このビームロスを可能な限り低減するために、機器操作を、同期性をもって行うことが必要となる。
この実現の方法として、それぞれの機器動作について、モニタと同様に、ビーム番号（ビームタグ）と時間情報を活用し、同期性を持った機器操作の検討をしている。
各機器はタイミングシステムから送信される動作トリガにより1パターンの動作を開始する。この動作トリガを機器（IOC）がカウントする。上位制御系（操作用計算機）は、操作直前に機器から現在のカウント値を読み取る。そして、現在のカウント値とLANの通信状態を考慮し、「現在のカウント値＋（数カウント〜数十カウント）にカウント値がなった時（なった直後）にパラメータの変更を行う」という操作命令を各機器（IOC）に送信する。これにより、各機器のパラメータ変更の同時操作が可能となると考えられる（図3. Ideal）。
また、時間情報を利用し、操作前にカウント値が全操作対象機器で合っているか（トリガカウントミスが無いか）を確認することで、より確実な同時性を確保する。

参考文献[1] F.Tamura, et al.,. “J-PARC TIMING SYSTEM”,
Proceedings of ICALEPCS2003 in Korea.
図4 3GeVRCS制御システムの構成概略

URL: http://icalepcs2003.postech.ac.kr/235