Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

PLC-BASED INJECTION LIMIT SYSTEM OF THE J-PARC MAIN RING I
Shigenobu Motohashi A), Dai Arakawa B), Jun-ichi Odagiri B), Yasunori Takeuchi B) and Takeshi Toyama B)
A)
Kanto Information Service (KIS)
8-21 Bunkyouchou, Tsuchiura, Ibaraki, 300-0045
B)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
An injection limit system of the J-PARC Main Ring has been designed and implemented based on FA-M3, acommercial Programmable Logic Controller (PLC), in order to keep the total amount of injected charge below a level
allowed by the restriction for radiation safety. The system comprises of an analogue module with high resolution A/Dconverters (ADCs), a CPU module, some digital I/O modules and a FA-Link module, which allowed the CPU tocommunicate with other CPUs over the link. Triggered by an external trigger pulse, the system reads the charge of abatch, a pair of bunches, through the one of the ADCs. The system accumulates the charge batch by batch during thelast one hour with checking if the accumulated value stays below the limit, and if not, it issues an alarm to the PersonalProtection System (PPS) to stop the injection. The accumulated value of injected charge is reset to zero every one hourin accordance with the regulation. This paper describes the detail of the design and implementation of the PLC-based
injection limit system.

PLCを用いたJ-PARC主リングの入射制限システム I(FCT)からの出力をビームに同期した適切なタイミングで処理回路により積分する。バッチに亘る積分
平 成 20 年 5 月 か ら 始 ま っ た J-PARC 主 リ ン グが終了した時点で、ADCに対して処理回路からの読[1]（MR）のコミッショニングは順調に進んでいる 。 出しを指示する。このサイクルの最大値（入射の最J-PARCに代表される大強度陽子加速器にとって放小間隔）は25Hz（40ミリ秒）である。
射線管理は最重要の課題の1つであり、法令に基づバッチの通過ごとに読み出した値は1時間に亘りく制限に従ったMRの適正な運転を保証するために積算し、その間に積算値が制限に達した場合には入は、信頼性の高い入射電荷制限システムの構築が不射を止めるべくPPSに対して警報接点により通知を可欠である。このために図1のような入射制限シス行う。積算は複数の運転モードの各々について独立テムを設計し、実装した。に行うため、ある運転モードが制限に達した場合で本システムは、まず入射されるバッチ（近接するあっても、他に制限に達していないモードがあれば、2 バ ン チ ） の 通 過 に 伴 う Fast Current Transformer

１．はじめに上位制御システムへ

ビーム積分値等
FCT1

信号処理回路積分
ピークホールド

トリガ

信号処理回路積分
ピークホールド

トリガ

FCT2

電荷量電荷量PLC
A/D変換
積算と条件判定

PLC
A/D変換
積算と条件判定

信頼性向上のため、2重化を実現している
図１

主リング入射電荷制限システムの概要-277-

警報接点出力(PPS)
運転モード接点入力
警報接点出力(PPS)

運転モード接点入力

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そちらに切り替えることにより警報は解除し、切換
2.1 システム構成
先のモードでの運転が可能にする必要がある。
本入射制限システムは図2に示すように、信頼性入射電荷の積算値と警報接点は毎正時にリセットの向上を目的として同一構成のPLCユニット2機かし、次の1時間に亘る積算を初期状態から再開する。
ら構成される。2重化を実現するために用意する2つ本システムは運転時にこのサイクルを繰返すことにのユニットは完全に同じ構成と機能を持つため、以より、MRへの1時間当りの入射電荷量が許可された下ではそれらの1つについて述べる。1つのユニット上限値を超えないことを保証する。なお、本システが取り扱う信号を表1に示す。
ムの試験時には、随意、手動によりリセットが可能
表１：取り扱う信号でなければならない。このため、キー・スイッチによりリセットを行う機能を設けた。
信号
接続先
点数
本システムに対しては、PPSの観点からは高い信頼性が、実験装置の制御としての観点からは高い柔1トリガ（25Hz）入力
信号処理回路軟性が求められる。これらの相反する要求に高いレ1
入射電荷量入力
信号処理回路ベ ル で 折 り 合 い を 付 け る た め に は Programmable
Logic Controller (PLC)の採用が適当であると判断し、 運転モード入力
5PPS システム
J-PARC加速器制御システムにおいて多くの採用実[2]1警報接点出力
PPS システム績を持つFA-M3 を採用し、システムの設計と実装を行った。本稿では、FCTの処理回路の出力から1試験用リセット入力
キー・スイッチ
PPSへの警報の発報に至るまでの処理の実装について報告し、本システムと上位の制御システムとのイ
2.2 トリガ信号による駆動ンタフェースの開発については、本研究会への報告[3]
WP011 に譲る。
積分回路モジュールから出力されるトリガは高速入力モジュール（F3XH04-3N）に入力される。本シ
ステムでは、同モジュールの割込み機能を使用し、２．FA-M3による実装トリガ入力により処理を駆動するシステムを実現している。トリガ信号を入力するチャネルは、シーケンスCPUモジュール（F3SP53-4S）上で実行されるラダー・プログラムの割込み処理ルーチンに接続され、トリガが入力されるたびに同ルーチンが実行される。
割込み処理ルーチンは、通常のスキャンで実行されるプログラムに対してADCからデータを読むことを指示するためのフラグを立てた後、直ちに処理を終了する。このフラグが立ったことを検出した通常のプログラムは、データを読み込み、モード指定接点を参照して然るべきレジスタに加算し、リンクレジスタにデータをコピー[3]する。最後に、先のフラグを下げることにより処理の完了を記録する。
1回の処理（データの読込みと積算、および警報発報の条件判定）に要する時間はタイマによる遅延500マイクロ秒を含めて1ミリ秒程度に過ぎないため、40ミリ秒（25Hz）の時間があれば1つ前のトリガに伴う処理が終了する前に次の割込みが入ることはないはずであるが、念のため、割込み処理ルーチンの先頭では実行指示フラグを検査することにより先行する処理の終了を確認している。万一、割り込み処理ルーチンが起動された際に実行指示フラグが立っていた場合は、直ちにPPSに対して警報を発報する。
以上の説明から明らかなように、割込み機能はトリガの入力から処理の起動までの遅延時間を最小化することを目的として使用されてはいない。割込み機能は、1回のトリガ入力に対し、必ず1回、しかもただ1回だけ確実に処理を起動することを目的として使用されている。（同じ目的のために同モジュー
図2 FA-M3による実装
ルが提供する他の機能（パルスキャッチ機能）も使用可能であるが、本システムでは割込み機能を選択-278-

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した。）
なお、トリガ信号は、そのパルス幅（4ミリ秒）により、信号処理回路からの出力信号（電荷量）が有効である期間を告げるゲートとしての役割も兼ねている。
2.3 電荷量の読出し本システムはビーム強度が極めて低いコミッショニングの初期段階から、定格のビーム強度に達した後の運転までをカバーする必要があるため、電荷量を読み出すADCには高い分解能が求められる。この要求を満たすため、16ビットの分解能を有するアナログ入力モジュール（F3AD08-5R）を採用した。
同モジュールのADCの変換周期は、複数の選択肢から選ぶことができる。本システムでは有限な変換時間に起因するデータ取得時刻の不定性を最小化するために、最小の変換周期（50マイクロ秒）を設定するとともに、使用しないチャネルについてはAD変換をスキップするようにしている。
入力信号レンジは -10～10V DCを使用するが、ノイズやバックグラウンドの影響により負の値を読んだ場合にはレジスタへの積算は行わない。
2.4 運転モードの指定
運転モードは入射されたビームがダンプされる場
合の行き先によって、当面以下の4つに分類される（将来、拡張される可能性がある）。PPSは、各々のモードに対応する1個の接点によって、以下のモードの中から1つを指定する。
z 入射ダンプモード
z アボートダンプモード
z 遅い取り出しモード
z 速い取り出しモード
これらのモードの各々に対して入射電荷量を積算するためのレジスタ、及びトリガが入った回数を積算するためのレジスタが用意される。
モード切換の過渡的状態で、一時的に複数のモードの接点がON状態であった場合には、ON状態の全てのモードに積算するように論理が組まれている。
また、モード切換の過渡的状態、またはシステムの不具合発生時において、如何なるモードも選択されていない場合は全てのモードについて積算する。

2.6手動リセットおよび正時リセット
本システムの試験時、運転開始時にリセットを掛ける接点入力を設けている。この接点の操作は本システムが設置される現場のラック内に用意したキー・スイッチにより行う。ADCへの入力異常など、万一PLCのステータス異常が発生した場合に、運転員がこのキー・スイッチを使った手動リセットできるようにしている。
手動リセットとは別に、正時毎に積算値やカウンタのリセットを行う機能を有する。万一ステータス異常が発生した場合は、原因究明のため正時リセットを行わないようにしている。正時リセット直前のデータを正時毎に保持する機能も設けている。

３．実機運用J-PARC主リング（MR）の運転前の平成20年4月にはPPSシステムの安全確認のために、入射電荷の積算値を越えて発報するかどうかのテストを行い、問題なく動作することを確認した。
平 成 20 年 5 月 6 月 の J-PARC 主 リ ン グ の ビ ー ム コ
ミッショニングでは、運転中の入射電荷量の監視に本システムが使用され、入射制限システムとして問題なく動作していた。
運転中に、PPSの警報接点出力とは全く独立した問題で、入射電荷を制限する機能自体に関わるものではない不具合が1点見つかり、現在その不具合を解決するために対応中である。当初25Hz運転のみ想定して実装したため、過去20分間のADCデータを記録する機能 [3] に関して、3.64秒周期での運転に対応できずに不具合が発生した。しかし今後の運転に向けて、当機能も25Hz運転以外の運転に対応できるよう変更する予定である。

４．結論
横河電機社製FA-M3 PLCを用いてJ-PARC主リングの入射制限システムを実装した。運転前試験、運転を通じ、本システムは入射電荷制限システムとして十分な機能を備えていることを確認した。今後の運用に向けて、一部機能の不具合を修正する予定である。

2.5 警報信号の出力

参考文献

本システムの警報出力は1つの接点に集約され、以下の何れか1つに該当した場合に当該接点をOFFすることにより警報を発報する。
z 何れかのモードの入射制限を超過した場合
z 割込みが入った時点で、1つ前の割込みに伴う処理が完了していなかった場合
z CPUモジュールが自己診断により異常を検知した場合
z データの有効性を示すゲートから外れてADC
モジュールからの読出しを行った場合
z ADCモジュールからの読出し命令を実行した
結果がエラーとなった場合[1] T. Koseki, “Beam commissioning of J-PARC MR”, WO06
in this meeting[2] http://www.fa-m3.com/jp/[3] S. Motohashi, WP011 in this meeting-279-