UPGRADE OF THE CONTROL SYSTEM FOR STEERING MAGNET
POWER SUPPLIES AT SPRING-8 BOOSTER SYNCHROTRON
Souroku Ueda, Takemasa Masuda, Kenji Fukami, Tsuyoshi Aoki
Japan Synchrotron Radiation Research Institute1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5198, Japan

Abstract
Fifteen years has passed since SPring-8 started user operation. A lot of control boards used in the control systemwere already discontinued. The NIO system used for control of the steering magnet power supplies at the booster
synchrotron was one of such discontinued boards. We have replaced it with the OPT-VME system developed bySPring-8. The new slave board called OPT-RMT COMBOdao has been developed for this purpose. We have achieved
synchronized pattern control of all the steering magnets with 10kHz timing clock that are used for pattern control forthe bending, quadrupole and sextupole magnets. In this paper, we present the new control system from the viewpoint ofboth hardware and software.

SPring-8 ブースターシンクロトロン補正電磁石電源制御システムの更新
1.

はじめにB）によるマルチドロップ接続が可能で、1 枚のNIO-C に 32 枚までの NIO-S を接続できる。表 1 にNIO-S の仕様を示す。

SPring-8 ブースターシンクロトロンは周長 396 ｍのレーストラック型の加速器で、線型加速器で表 1：NIO-S の主な仕様
1GeV ま で 加 速 さ れ た 電 子 ビ ー ム を 受 け 取 っ て8GeV まで加速し、蓄積リングへ向けて出射する。
ボードサイズ 3U シングルスロット幅ユーロカード
この入射・加速・取り出しを、通常 1Hz で繰り返さ通信速度2Mbpsれる入射タイミング信号によって繰り返す。加速運
アナログ入力 16bit×1 点、±10V レンジ転に関わる RF 空洞や電磁石などの機器をあらかじ
め決められたパターンで駆動し制御を行うことで、任意の時刻の 3 点をサンプリングし、この 1Hz の加速運転を実現している。特に高精度で偏差異常検出に使用のパターン制御が必要な RF 空洞、偏向電磁石、4アナログ出力 16bit×1 点、±10V/0~10V レンジ極電磁石、6 極電磁石については、10kHz の外部クパターン出力は 100Hz 内部クロックにロックを制御ボードに分配し、これに同期したパ同期。最大 20 の変化点を設定可能。
ターンデータを出力することでパターン制御を行っている。
デジタル入力 8 ビット（プラスコモン一括）
一方、全周で 80 台配置している補正電磁石のパ
デジタル出力 8 ビット（マイナスコモン一括）
ターン制御は、制御ボード自身の 100Hz クロックを用いて行っている。制御ボードには日立造船製のNIO（Network I/O）ボードを使用していたが、このブースターシンクロトロン用の補正電磁石電源は、ボードが 2007 年に製造中止になってしまった。 シンクロトロン電磁石電源室に 24 台、入射パルス1997 年の共用運転開始から既に 15 年が経過してお 電源室に 24 台、出射パルス電源室に 32 台設置されり、制御システムの老朽化が数多く見られるように ている（図１）。各電源室には電源と同数の NIO-Sなっている。NIO ボードのように使用している制御 が設置され、シンクロトロン電磁石電源室に設定しボードが生産中止になってしまうことは最も頭の痛 た VME シャーシ内に 3 枚の NIO-C、4 枚の NIO-Bい問題の一つである。
を実装して、全 80 台の補正電磁石電源の制御を我々はこの問題に対して、SPring-8 で開発を行い 行っていた (図２)。
既に実機で数多く使用されている光伝送ボードをパターン運転のための出力データは、NIO-C からベースとした新システムへの移行を図ることにした。 各 NIO-S に対してあらかじめ変化点の座標データを与えておくことで NIO-S 側で作られた。変化点の間
2. 既存システムは直線で補完された。データ出力のためのクロック
NIO はマスター・スレーブ間を光ケーブルで接続 は NIO-S 上の 100Hz クロックを用いていて、10ms
す る 光 リ ン ク の リ モート I/O システムで、VME おきに値が更新される。パターン出力開始の合図とベースのマスターボードである NIO-C と、1 台の補 なる 1Hz 入射タイミング信号は、BIO-B のハード
正 電 磁 石 電 源 と 信 号 を 取 り 合 う ス レ ー ブ ボ ー ド ウ ェ ア を 用 い て 制 御 系 と は 別 の ラ イ ン （ TOSNIO-S から構成されていた。ブランチボード（NIO- LINK）で各 NIO-S に配信されていた。
- 694 -

実際に NIO での運用を行っていく中で、幾つか 現出来るよう考慮した。また、制御ロジックを変更の改善要望が出てきていた。１つめは、偏向、四極、 することで、NIO-S と非常に類似の機能を持ってい六極の各電磁石電源のパターン駆動用の 10kHz 外部 た三菱電機製 RIO(リモート I/O)システムの Type-A
クロックに同期したパターン出力機能の実現、もう カードの代替ボードとしても使用できるように設計一つは実際に電源に対して行った指令値の読み返し を行った。OPT-RMT COMBOdao ボードの主な使用機能の実現である。実際には指令値の読み返しにつ を表 2 に示す。
いては、VME 上で動作する制御プログラム内で以前の指令値を保持し、上位制御システムから要求があった際にその値を返すことで実現していたが、制御プログラムの再起動等を考慮した結果、実際に制御している機器側で保持している方が望ましいと判断した。NIO の生産中止に伴い上記の要望を考慮したうえで新たな制御ボードの開発を行った。

図３：OPT RMT-COMBOdao

表２：OPT-RMT COMBOdao ボードの主な仕様
ボードサイズ
通信速度
アナログ入力3U シングルスロット幅ユーロカード
10Mbps16bit×1 点、±10V/0~10V レンジ
任意の時刻の 3 点をサンプリングし、偏差異常検出に使用

アナログ出力パターン出力は、内部クロック100Hz、外部クロック（最大 10kHz）から選択可能。パターンデータは 13K
ワード×2 バンク

図１：補正電磁石電源配置構成

図２：NIO システム構成

3.

16bit×1 点、±10V/0~10V レンジ

新システム

光伝送ボードをベースとした新システムへの移行に際し、我々は NIO-S に相当する新たなスレーブ
ボード OPT-RMT COMBOdao(図３) (日立造船製)を開発した[1]。開発にあたっては、NIO での運用の中で出てきた改善要望（10kHz 外部クロックに同期したパターン出力機能、指令値の読み返し機能）が実

デジタル入力8 ビット（プラスコモン一括）

デジタル出力8 ビット（マイナスコモン一括）

短い加速器停止期間内に素早くシステムの入れ替えが出来るよう、既存の構成のうち NIO ボードとNIO-S 用シャーシ以外は置き換えなくても済むように設計した。OPT-RMT COMBOdao ボードの電磁石電源との信号取り合いを行うコネクタのピン配列は、NIO-S とは互換性がない。これはピン配列を RIOType-A ボード側に合わせたためである。ピン配置の違いはシャーシ内で吸収できるよう、OPT-RMTCOMBOdao ボード用シャーシの設計を行った。そのため電源へ接続している信号ケーブルの配線や19 インチラックを変更せずに済んだ。
新たに配信する 10kHz のクロック入力は、配信
元 で あ る Linac 制 御 機 器 室 か ら OPT-RMTCOMBOdao ボードまでの距離や耐ノイズ性を考慮し、光ケーブルを使用して盤内に引き込む仕様とした。また光ケーブルをシャーシに接続するためのO/E 基板（ARKUS 製 Axopt1000）の開発を行った。
クロック信号は TTL 信号として配信する必要があるため、NIM-TTL レベルコンバータ(豊伸電子製)- 695 -

を使用して TTL 信号に変換し、RPN-1130(林栄精器製)を使用して各電源室に光ファイバで分配を行った。
加速器の運転中は中央制御室からでないとシステ
ムにログインできず設定等を確認できないため現場からシステムにログインしなくても設定値が確認可能とするために全面に LED を 20 個とロータリースイッチを設け、ロータリースイッチによって設定値および読み返し値を確認できるように設計した。
開発した OPT-RMT COMBOdao を制御するために、VME の OS である Solaris 用のデバイスドライ
バの整備も合わせて行った。

4.

試験図６：新システムでのテスト結果
ボード及びデバイスドライバの完成後、まずSPring-8 テストスタンド内に実際の補正電磁石電源と試験用の磁石を使用した試験環境(図４)を構築し、高速化単体での試験を行った。また比較のために既存の 5.
試験を行った際に 10,000 ポイントのデータの送NIO システムでのデータの計測を行った(図５)。
COMBOdao ボードを使用し試験を行った結果は図 信に時間が掛かることが判明したため、調査を行っ６が示す通りとなり、実際の制御に関して問題がな た。データの送受信は VME シャーシに搭載されるいことが確認出来た。
中継ボードである OPT-CC(HIMV-588:日立造船製)
その後、実機を使用して複数台の電磁石の制御の試 を経由し３ポイント単位でデータ送信しており、中験を行ったが、10kHz クロック１秒分のデータに相 継ボードからの応答を確認するために 3 回の delay()
当する 10,000 のパターンデータの送信に予想以上関数が呼ばれていた。HZ は 100 に設定し確認しての時間が掛かることが判明し、対策を講じることといたため 1 回の delay()関数で最短でも 15msec スなった。
リープすることになる。そのため 3 ポイントのデー
タ 送 信 で 45msec ス リ ー プ し て い る こ と に な り
10,000 ポイントだと約 150sec となる。HZ を 1000で行った場合スリープは 15sec となるが 80 台へ同時にデータを送信することを考えると約 13 分かかることになる。そのため delay()関数をビジーウエイ
トである drv_usecwait()関数に置き換えることを検討した、結果 80 台へのデータ送信に約 2 分となったが、実際にはスリープしないビジーウエイトを使用したことにより CPU 負荷が増大し VME の応答が悪くなった。そのため CPU ボードをシングル CPUボードの SVA041（サンリツオートメイション製）からマルチコア CPU ボードの VP717（Concurrent
図４：テスト環境Technologies 社製）へ切り替えることにした。結果ビジーウエイトを使用しながらも応答性を高めることに成功した。また VME から 1 枚の OPT-CC から制御することを考えていたが、3 枚の OPT-CC で制御を行った方が時間短縮できるため 3 枚のボードで制御を行うこととし制御用プログラムを複数枚のボードを同時に制御可能とするためマルチタスク構成と変更した。
結果、当初約 2 時間かかる 80 台へのデータ送信を 32 秒まで短縮することに成功した。以上の高速化を考慮した結果 VME シャーシに 3 枚の OPT-CCボードを追加し新システムでの構成は以下の通りとなった(図７)。
図５：NIO システムの波形- 696 -

図７：新システム構成

6.

更新作業

今回の更新で 10KHz のクロック信号用光ケーブ
ル 6 本および制御用光ケーブルを 3 本の敷設、シャーシおよびボードを置き換えた。既存システムをなるべく再利用するために設計したためこの更新作業に関してかかった日数は約 3 週間程度と短く行うことができた。
SPring-8 で使用している制御フレームワークである MADOCA (Message and Database Oriented ControlArchitecture)[2] に 組 み 込 む た め の EM(EquipmentManager)用プログラムの作成を行なった、10,000 ポ
イントのパターンデータを送信するためのプログラ
ムは変更する必要があったが、それ以外はプログラ
ムのインターフェースを NIO システムと同様になるように設計したため呼び出す関数名を変える程度の変更で更新作業を行え、制御用 GUI の変更はな
く更新後そのままテストおよび運用が可能であった。

7.

まとめ

新システムは 2012 年 3 月から導入され、約半年間、安定して運用出来ている。また本システムはボードの状態の一部を VME の制御プログラムで保持し制御に利用しているため 2012 年夏期点検調整期間中にその部分の改修予定である。

8.

参考文献

[1] T. Masuda et al.,「SPring-8 光リンクリモート I/O シス
テム統合化に向けた光伝送ボードの開発”, Proc. of 7th
Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan,Higashi-Hiroshima, Japan, 2008, p.377.
[2] R. Tanaka et al., “The first operation of control system at
the SPring-8 storage ring”, Proc. of ICALEPCS'97, Beijing,
China, 1997, p.1.

- 697 -