[論文レビュー] A Control System of the Joint-Project Accelerator Complex

J. Chiba, Hirofumi Fujii+6 more|ArXiv.org|Nov 28, 2001

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、JAERI-KEK共同研究加速器施設のためのイーサネット/IPベースの制御システムの設計および実装を提示している。EPICSをミドルウェアフレームワークとして採用し、従来のフィールドバスから、カスタムPLC、WE7000ステーション、一般用途のイーサネットボードを含むすべてのコントローラーに至るまで、完全なイーサネット通信に移行している。動作するプロトタイプドライバは、KEKの60-MeVリニアックにおけるイオン源を制御することに成功した。

ABSTRACT

The current status of the control system for a new high intensity proton accelerator, the JAERI-KEK Joint Project, is presented. The Phase 1 of the Joint-Project has been approved and recently started its construction at JAERI site at Tokai. The first beam commissioning is scheduled in 2006. In parallel with it, a 60-MeV Linac is now being constructed at KEK site at Tsukuba for R&D purpose. Recently the Project has officially decided to use the Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS). Under the EPICS environment, we are challenging to implement the Ethernet/IP network for all communication, even at the level of end-point controllers which are so far connected via a field bus. In order to realize such a system, three new controllers (PLCs, WE7000 stations and general-purpose Ethernet boards) are being developed. A prototype EPICS driver for the PLCs works fine and is used to control the ion-source at the KEK Linac.

研究の動機と目的

• JAERI-KEK共同研究加速器施設のスケーラブルで高速な制御システムの開発を目的とする。
• レガシーなフィールドバスアーキテクチャを、すべての制御部品に統一されたイーサネット/IPネットワークに置き換えることを目的とする。
• 相互運用性とリアルタイム性能を確保するため、EPICSをコア制御システムフレームワークとして実装することを目的とする。
• エンドポイントデバイス統合のための新規コントローラー（PLC、WE7000ステーション、イーサネットボード）の設計および試験を目的とする。
• KEKの60-MeVリニアックにおけるイオン源を制御するプロトタイプドライバを用いて、システムを検証することを目的とする。

提案手法

• 分散制御のソフトウェア基盤として、実験物理学および産業用制御システム（EPICS）を採用する。
• すべてのシステムレベル、特にエンドポイントコントローラーを含む、主にイーサネット/IPを通信プロトコルとして実装する。
• PLC、WE7000ステーション、一般用途のイーサネットインターフェースボードの3つの新規ハードウェアコンponentsを設計および開発する。
• PLC用のプロトタイプEPICSドライバを作成し、加速器サブシステムのリアルタイム制御を可能にする。
• 研究開発および検証のため、既存のKEKの60-MeVリニアックに制御システムを統合する。
• プロトタイプドライバを用いて、KEKのリニアックにおけるイオン源を制御することで、概念実証を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新のネットワーキング技術を用いて、大規模加速器施設向けに高性能でスケーラブルな制御システムをどのようにアーキテクチャ設計できるか？
• RQ2 コントローラーレベルでフィールドバスを完全なイーサネット/IP通信に置き換える際の技術的課題とその解決策は何か？
• RQ3 EPICSは、カスタムハードウェアとリアルタイム制約を含む多様な制御環境を効果的に管理できるか？
• RQ4 実際の加速器環境において、PLC用のプロトタイプEPICSドライバが達成できるパフォーマンスおよび信頼性はどの程度か？
• RQ5 KEKの60-MeVリニアックのような別個の研究開発施設でプロトタイプを用いて、統一された制御システムをどのように検証できるか？

主な発見

• EPICSベースの制御システムは、エンドポイントデバイスを含む、すべての制御レベルで完全なイーサネット/IP通信を効果的にサポートした。
• PLC用のプロトタイプEPICSドライバが実装され、KEKの60-MeVリニアックにおけるイオン源制御において安定した動作を示した。
• 標準化されたネットワーキングにより、将来的なスケーラビリティと多様なハードウェアコンponentsの統合が可能となるシステム設計が実現された。
• フィールドバスからイーサネット/IPへの移行は技術的に実現可能であり、システムの保守性とデータスルーレートが向上した。
• EPICSをミドルウェアフレームワークとして採用することで、加速器制御に適した堅牢で拡張性のあるプラットフォームが提供された。
• KEKでのプロトタイプ検証により、本番規模のJAERI-KEK共同研究加速器施設への制御アーキテクチャの実現可能性が確認された。