PLC-BASED BEAM-CHARGE INTERLOCK SYSTEM FOR RADIATIONSAFETY AT THE KEKB INJECTOR LINACⅡ
Eiichi Kadokura1, Tsuyoshi Suwada, Masanori Satoh and Kazuro Furukawa
Accelerator Laboratory, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
Abstract
A new PLC-based beam-charge interlock system has been developed for radiation safety at the KEKB injector linac.
This system restricts a prescribed amount of integrated beam charges passing through at several locations along thelinac for machine protection, and it also monitors the amount of integrated beam charges injecting to four different
storage rings (KEKB e+ & e- storage rings, PF, PF-AR) at the linac beam switchyard. The beam charges delivered froman electron gun are measured with the PLC-based beam-charge interlock system. This system comprises wall-current
monitors, beam-charge integration circuits, and a PLC-based control system. This system generates and sends beamabort signals directly to another radiation safety control system with hard-wire cables when the amount of theintegrated beam charges is beyond the prescribed threshold level. This system began operating on March 27, 2008. This
report is we have done the improvement that reliability and the operativeness of the PLC-based beam-charge interlocksystem.

PLCによるKEKB入射器の放射線安全のためのビーム電荷インターロックシステムⅡ
１．はじめにKEKB入射器ではパルス運転による2台の放射光(PF、PF-AR)及び、2台のKEKBリング（電子、陽電子リング）への同時連続入射の計画をしている。そのためには、放射線安全インターロックシステムを確実なものにする必要がある。放射線安全管理ではKEKB入射器に対する、一定時間のビーム電荷制限量を規定している。このため、KEKB入射器の各ラインを通過するすべてのビーム電荷量を確実に計測・監視し、ビーム電荷制限量を超えないように運転する必要がある。また、ビーム電荷量及び、加速回数を計測することにより、KEKB入射器での年間の加速ビーム積算電荷量の実積を出すことを可能にしている。このシステムは2008年3月27日より運用を開始した。運用までにシステムの信頼性及び、操作性を向上させる改良をしてきたので報告する。

ヤーにより放射線安全システムに送られ、ビームラ
イ ン の ビ ー ム 停 止 を 行 う 。 す べ て の BCI はPLC(Programmable Logic Controller) に よ り 管 理 を行っている。PLCはモジュールに対するビーム電荷制限量の設定及び、モジュールから積算電荷量を１秒毎に読み出している。PLCは各BCIから読み出したビーム積算電荷量及び、Shot数を元に秒、時間、日、週データを作る。また、現在の秒及び時間ビー
ム積算電荷値がビーム電荷制限量の何%かを計算し、上位制御システムに知らせて、80%を超えた場合に警報を出し、事前ビーム量の調整を行なう。
WCM R0_01

WCM PFWCM ARWCM 22_44
WCM KEKBWCM LINAC

２．ビーム電荷インターロックシステム
PLCによるビーム電荷インターロックシステム（参照 図１）では入射器ライン及び、同時入射のためのビームスイッチヤードに設置した壁電流モニタ(WCM)からのビーム電荷信号をビーム積算電荷制限モジュール(BCI)に接続している。このモジュールは各ラインでの一定時間のビーム電荷量の積算を行うと同時に放射線安全で定められたビーム電荷制限量の比較判定を行い、超えた場合はハードワイ
1E-mail: eiichi.kadokura@kek.jp

Safety PLC
B8226A

BCI

BCI

BCI

Main Control BCR PF-AR

32bits32bits32bitsTPRS422Main PLC

PLC

PLC
DODI

BCI
32bitsTU Sub PLC

PLC
DODI

DODIDODIDODIRS CPU SV

Fiber Optical FA Bus (Type2)

Linac Control Network (Ethernet)

SV CPUDO DI

図１：ビーム電荷インターロックシステム構成図

度を上げている。PLC CPUは横河(F3SP66-4S)を使用し、ネットフィルターを掛けて特定の上位計算機のみ接続可能にしている。操作用にタッチパネル （ TP ： デ ジ タ ル GP-3500 ） を PLC とRS422(115Kbps)で接続し、上位制御ネットワークを通さず、操作可能にしている。また、他に、携
帯 用 TPを 用 意 し 、 BCIが設置されている近くのネットワークに接続すれば、現場でのBCI調整も可能にしている。すべてのBCI及び、PLCの電源にUPSを入れ、瞬停時も落ちないようにしている。
PLC及び、TPは制御用ネットワークと繋がりソフトのダウンロード、ソフトの修正を容易に行なえる。
4.2 PLC、TPソフト

図２：BCIのビーム電荷積分とAbort信号

3. ビーム積算電荷制限モジュール
BCIはWCMからの電子・陽電子ビーム・バンチ(最大50Hz、幅2ns)信号を受ける。そしてビーム信号自身により、自己トリガーを作り、ビーム検出を行なう。これにより外部ビームゲート信号なしで動作するのでシステムをシンプルにし、安全性を向上させている。内部にはCPUと時計を持ち、2ms間隔でビーム電荷信号をAD変換し、1秒間の合計を1秒ビーム積算電荷量とし、これをもとに時間ビーム積算電荷量も出している。最大500Hzまでビーム電荷信号を受けることが可能できる。また、同時にPLCより事前にセットされた秒及び、時間のビーム電荷制限量との比較を行い、ビーム積算電荷量がビーム電荷制限量を超えたとき、Abort信号を出す。秒及び、時間積算の開始は正時に秒及び時間ビーム積算電荷量をクリヤーにして積算を開始する。秒Abort信号は100ms幅のパルス信号出し、時間のAbort信号は次の正時が来るまでレベル信号（最小500ms幅）を出し続ける。Abort信号ラインは一つのため、信号幅により秒及び、時間Abort信号を区別している。
また内部CPUの異常時もAbort信号に200ms幅のパルス信号を出す。（参照 図2）

PLCソフトは1.上位計算機から時間セットFlagをもらい、1日1回正時にすべてのBCIに対し、時間セットを行なう。
2.1秒毎に秒及び、時間ビーム積算電荷量とShot数を読み取っている。
3.ビーム電荷制限量、校正係数その他すべての読み書きを行なう。
4.時間ビーム積算電荷量を元に、時間、日、週、データの積算をする。Shot数も同じ。（参照写真1）
5.秒、時間ビーム積算電荷制限値に対する監視を行なう。（参照 写真2）
PLC実行速度は周辺処理を5msにし、上位計算機Flagの読み落としをなくし、DIサンプリングタイムを250usに設定し、読み込みミスを無くしている。これにより1スキャンタイム5.1msになる。

4. PLC制御
4.1 PLCの構成
PLCの構成はMain 及び、Sub PLCから成り、Main PLCは親機と子機3台でSub PLCは親機のみである。これらでBCI 6台を管理する。Main PLCの機器間は光FABusType2(10Mbps)で接続している。
総延長で1.3Kmにおよぶ。Main PLCの親機電源にONディレー・タイマーを入れ、停電復帰後も自動的 に 子 機 を 認 識 す る 。 Main及 び 、Sub PLC間のデータ通信は既存のペア線１対を使用したため、128bits双方向のシリアル転送で行っている。BCIにはPLCのデジタル入出力 32bitsで接続し、通信速

写真1：TPによる秒、時間、日、週のビーム積算電荷量とShot数の積算写真2：TPによるビーム積算電荷制限
インジケータ
TPのパネルはメイン、アラーム履歴、ビーム電荷制限インジケータ、トレンド、ビーム電荷制限
量設定、各BCI操作パネルから成る。

5. データ通信
5.1 PLCとBCIの通信
PLCとBCIの通信はWordデータ及び、Bitデータがあり、Wordデータはハンドシェーク方式にしている。これにより通信ミスを無くしている。
BCIの信号のダイナミックレンジが広いため、校正計数及び、すべての電荷量データは指数をつけて行っている。
Main PLC

Input 32 bits
Output 96 bits

CH1
1.1Km 4φ
FA RS CPU SV(F3SVH64)

TU

Input 96 bits
Output 32 bits

Sub PLC

CH2100m 0.8φ

(DTVX-H256)(F3SVH64) SV CPUDO DI

図3：Main PLCとSub PLC間の接続図

表１：Main PLCとSub PLCとのBitデータ
データトランスファユニットはCH1からのInputBitシリアルデータをシリパラ変換し、CH2にパラシリ変換しOutput Bitシリアルデータを出す。また、同じようにCH2からのInput BitシリアルデータをCH1にOutput Bitシリアルデータを出す。Main PLC
はInput96点、Output32点のBitシリアル通信を行い、反対にSub PLC側がInput32点、Output96点となる。
Sub PLCより1秒毎にPF-ARの秒及び、時間ビーム積算電荷量とShot数データがMain PLCに送られてくる。(参照 表1)また、Main PLCからはPF-ARのBCIに対してこのBitシリアル通信を通して行い、設定及び、BCIの読み返しを可能とした。伝送遅れ時間は41msである。

６．おわりに放射線安全に関わるこのシステムは作る上で極力外部との繋がりを避け、単独システムにして信頼性を上げ、故障がないシステムにする必要がある。
現在までの運転では確実に動作している。これからも加速器の運転に伴う改良がある場合は動作の安定性を考えてシステムの改善をする必要がある。

5.2 Main PLCとSub PLCの通信
Main PLCとSub PLCとの通信はBitシリアル通信を行なっている。Main及びSub PLCの間にNKEのデータトランスファユニット(DTVX-H256)を置き、両側 に NKE の ユ ニ ラ イ ン イ ン タ ー フ ェ ー ス(F3SVH64Z12)を置いている。(参照 図3)

参考文献[1] T.Suwada, et al., Procs. The 31th Linear Accelerator
Meeting in Japan, 2006, p. 789.
[2] T.Suwada, et al., Procs. The 32th Linear Accelerator
Meeting in Japan, 2007, p. 850.
[3] E.Kadokura, et al., Procs. The 32th Linear Accelerator
Meeting in Japan, 2007, p.357[4] T.Suwada, et al., Rev.Sci.Instrum. 79,023302（2008）.
[5] T.Suwada, et al., this meeting.