ITER​核融合​実験​炉​の​保守​に​用いる​高​精度​リアルタイム​制御​システム​の​構築

Jouni Mattila (ソース)、タン​ペレ​工科大学

「LabVIEW​は、​遠隔​保守​システム​で​使用​する​多様​な​センサ、​アクチュエータ、​ソフトウェア​環境​と​の​インタフェース​向け​に、​非常​に​柔軟性​の​高い​環境​を​提供​し​ます。​LabVIEW​の​マルチ​コア​プログラミング​機能​により、​この​よう​な​複雑​な​システム​の​開発​を​簡素​化​する​こと​が​でき​ます。」

- Jouni Mattila (ソース) - タン​ペレ​工科大学

課題:

核融合​実験​炉​で​ある​ITER​の​保守​作業​を、​遠隔​操作​によって​ミリメートル​以下​の​精度​で​行う。 ​

ソリューション:

NI LabVIEW、​LabVIEW Real-​Time​モジュール、​NI​データ​収集​ボード​を​使用​し​て、​高​精度​の​制御​システム​を​構築​する。​また、​遠隔​保守​システム​で​使用​する​多様​な​センサ、​アクチュエータ、​ソフトウェア​環境​に​対応​する​柔軟性​に​優​れ​た​インタフェース​を​開発​する。 ​

作成​者:

Jouni Mattila (ソース) - タン​ペレ​工科大学
​Hannu Saarinen (ソース) - VTT​フィンランド​技術​研究​センター

 

核融合​による​エネルギー​の​生成

クリーン​で​持続​可能​な​エネルギー​源​として​核融合​を​利用​する​――。 ITER​は​その​実現​に​向け​て​国際​協力​の​下​で​開発​さ​れ​た​核融合​実験​炉​です。​ITER​では、​核融合​の​実証​用​発電​施設​で​利用​さ​れる​主要​な​技術​に関する​テスト​を​行い​ます。 それ​により、​核融合​エネルギー​の​商用​利用​が​可能​で​ある​こと​を​示す​こと​が​目標​です。​発電​施設​は、​トカマク (Tokamak) の​原理​に​基​づ​い​て​設計​さ​れ​ます。​トカマク​型​の​装置​では、​磁界​で​囲​まれ​た​ドーナツ​状​の​真空​容器​内​に、​1​億℃​という​非常​に​高い​温度​で​プラズマ​を​維持​し​ます。

 

ITER​における​遠隔​保守​の​課題

ITER​を​適切​に​稼働​させる​ため​の​最大​の​課題​は、​容器​内​の​コンポーネント​の​保守​と​交換​を​遠隔​操作​で​行える​よう​にし​な​け​れ​ば​なら​ない​という​こと​です。​いったん​稼働​が​開始​すると、​放射線​の​存在​する​領域​に​ある​コンポーネント​の​変更、​検査、​修復​は、​遠隔​操作​以外​の​方法​で​行う​こと​は​でき​ま​せん。​ITER​に​は​多く​の​コンポーネント​が​使​われ​てい​ます​が、​遠隔​操作​の​複雑​さ​を​緩和​する​ため​に、​保守​作業​は​比較的​大きな​モジュール​式​システム​の​取り外し/​取り付け​で​行える​よう​に​な​って​い​ます。

 

モジュール​式​で​の​交換​を​可能​に​する​ため​に、​ダイバータ​は、​反応炉容器内に固定されたドーナツ型のレール上に個々に設置された​54​個​の​カセット​で​構成​さ​れ​てい​ます。​各​カセット​の​重​さ​は​約​9​トン​で、​外形​寸法​は​長​さ、​高​さ、​幅​が​それぞれ​約​3.5 m、​2.1 m、​0.8 m​です。​容器​から​カセット​を​取り外す​際​に​は、​カセット​台車​と​呼ばれる​遠隔​操作​用​の​装置​を​使用​し​ます。

 

コンポーネント​の​重量​が​重​く、​また​周囲​の​スペース​が​限​ら​れ​て​いる​こと​から、​保守​は​非常​に​困難​な​作業​となり​ます。​その​操作​に​は、​高い​確度​で​位置決め​が​行​え、​大きな​動力​を​持ち、​コンパクト​な​サイズ​の​アクチュエータ​が​必要​に​なり​ます。

 

NI LabVIEW​で​遠隔​操作​装置​を​開発

遠隔​保守​装置​の​開発​と​テスト​は、​VTT​フィンランド​技術​研究​センター​に​ある​ITER​ダイバー​タテ​スト​プラットフォーム​2 (DTP2:​Divertor Test Platform 2) で​行い​ます。​ITER​に​実装​する​前​に​技術​に関する​テスト​を​行う​ため​に、​2​つ​の​遠隔​保守​装置​を​開発​しま​した。 それらの​制御​を​担う​システム​に​は、NI LabVIEWLabVIEW Real-​Timeモジュール、NI​データ​収集 (DAQ) デバイス​を​使用​しま​した。​LabVIEW​は、​遠隔​保守​システム​で​使用​する​多様​な​センサ、​アクチュエータ、​ソフトウェア​環境​と​の​インタフェース​向け​に、​非常​に​柔軟性​の​高い​環境​を​提供​し​ます。​LabVIEW​の​マルチ​コア​プログラミング​機能​により、​この​よう​な​複雑​な​システム​の​開発​を​簡素​化​する​こと​が​でき​ます。

 

DTP2​の​制御​室​用​GUI

LabVIEW​は、​使い​や​すく​強力​な​プログラミング​機能​を​提供​し​ます。​そのため、​VTT​では、​DTP2​の​制御​室​で​使用​する​メイン​の​ユーザ​インタフェース​は​LabVIEW​で​実装​しま​した。​LabVIEW​によって​ユーザ​インタフェース​を​実装​する​の​は​非常​に​容易​で、​テキスト​ベース​の​プログラミング​言語​を​使用​する​場合​より​も​かなり​の​労力​を​削減​する​こと​が​でき​ま​した。​また​メイン​の​制御​室​において、​ユーザ​インタフェース​を​使用​し、​DTP2​の​システム​を​初期​化​し​て​保守​作業​を​行う​ため​の​パラメータ​を​設定​できる​よう​に​しま​した。

 

システム​ステータス​の​表示​に​は、​LabVIEW​の​フロント​パネル​用​コンポーネント​を​使用​しま​した。​標準​的​な​監視​パラメータ​として​は、​マニピュレータ​の​関節​部​の​状態、​水圧​の​情報、​ロボット​の​絶対​位置​と​相対​位置​など​が​あり​ます。​また、​ユーザ​インタフェース​を​使用​し​て、​診断​システム​から​送​られる​すべて​の​エラー、​アラーム、​警告​の​情報​を​監視​し​ます。

 

 

多​機能​な​カセット​台車 (CMM) 用​コントローラ​の​開発

ITER​では、​多​機能​な​カセット​台車 (CMM) によって​ダイバータ​用​の​9​トン​の​カセット​の​移動​を​行い​ます。​カセット​は、​ダイバータ​の​アクセス​ダクト​上の​複雑​な​軌道​に​沿​って​輸送​キャスク​から​プラズマ​容器​まで​移動​し​ます。​この​処理​に​は、​高い​確度​が​求め​ら​れ​ます。​プラズマ​に​触れる​コンポーネント​は​慎重​に​取り​扱​わな​け​れ​ば​なり​ま​せん。​加​えて、​真空​容器​の​表面​から​数​cm​以内​の​領域​を​通す​必要​が​あり​ます。

 

CMM​を​制御​する​ため​に、​マルチ​コア​の​デスク​トップ​ターゲット​を​ベース​と​し、​LabVIEW Real-​Time​モジュール​を​使用​し​て​高​レベル​制御 (HLC) システム​を​設計​しま​した。​HLC​システム​では、​CMM​の​モーション​リファレンス​を​算出​し、​それ​を​CAN (Controller Area Network) バス​を​介​し​て​より​低​レベル​の​サーボ​制御​システム​に​引き渡し​ます。​また、​システム​診断​を​目的​として、​システム​に対する​すべて​の​入力​を​監視​し、​緊急​停止​信号​を​処理​し​ます。​さらに、​LabVIEW Real-​Time​モジュール​を​ベース​と​する​この​HLC​システム​は、​3D​の​シミュレーション​環境​と、​ロボット​の​ダイナミック​モデル​を​実行​する​リアルタイム​シミュレータ​に対して​システム​の​情報​を​提供​し​ます。

 

 

CMM​用​の​水圧​マニピュレータ

フィンランド​の​タン​ペレ​工科大学 液​圧/​自動化​技術​研究所​は、​水圧​マニピュレータ (WHMAN) を​構築​しま​した。​この​WHMAN​は、​パイプ​の​切断/​折​り​曲​げ/​溶接、​カセット​の​ロック/​ロック​解除、​および​カセット​の​取り外し/​取り付け​を​行う​際​の​CMM​の​サポート​など、​ITER​の​ダイバータ​内部​で​行う​遠隔​操作​に​使用​し​ます。​WHMAN​は​CMM​の上部に取り付けられ、​遠隔​操作​を​サポート​し​ます。​この​マニピュレータ​は​8​の​自由​度​を​持つ​関節​部​を​備え​て​おり、​ITER​の​保守​用​トンネル​という​限​ら​れ​た​スペース​内​で​多様​な​操作​に​対応​し​ます。

 

WHMAN​は、​デスク​トップ​ターゲット​で​LabVIEW Real-​Time​モジュール​と​NI​データ​収集​デバイス​を​使用​し​て​制御​し​ます。​マルチ​ファンクション​DAQ​ボード​で​ある​NI PCI-6031E​を​使用​し​て、​圧力​センサ、​線形​電圧​差動​変圧​器 (LVDT) センサ、​温度​センサ、​POT3​センサ​など​さまざま​な​センサ​の​計測​を​実行​し​ます。​PCI-6031E​が​備える​アナログ​出力​チャンネル​によって、​WHMAN​システム​の​サーボ​ドライブ​と​バルブ​を​制御​し​ます。​NI PCI-6703​ボード​を​採用​する​こと​で、​将来​的​に​制御​チャンネル​の​数​を​増やす​こと​も​可能​です。​また、​さまざま​な​サブシステム​の​I/​O​に​アクセス​する​ため​の​汎用​入出力​デバイス​として​工業​用​デジタル​I/​O​ボード​で​ある​NI PCI-6514​を​使用​しま​した。​さらに、​ある​フォースセンサ​の​操作​に​は、​専用​の​インタフェース​カード​が​必要​で​した。​この​カード​に​は​LabVIEW​ドライバ​が​付属​し​てい​ま​せん​で​した​が、​LabVIEW​を​使用​する​こと​で、​ドライバ​も​簡単​に​開発​する​こと​が​でき​ま​した。

 

作成​者:Samuli Bergstrom

マーケティング​エンジニア​―National Instruments Finland

​ ​高​さ​29​メートル、​直径​28​メートル​の​ITER​は、​トカマク​型​の​装置​として​世界​最​大規模​の​もの​に​なる​見込み​です。​© ITER Organization ​
​ ​ITER​の​真空​容器​と​44​の​保守​ポート。​その​重量​は​エッフェル塔​を​やや​上回る​8000​トン​です。​© ITER Organization ​
​ ​多​機能​な​カセット​台車 ​
​ ​水圧​マニピュレータ ​