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Elixirと Raspberry Pi で
産業機器の制御にチャレンジ
2020-7-10 NervesJP #8 / ALGYAN Webinar
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自己紹介
● 本業：とある製造業の”生産技術”
○ 自動化設備・生産治具の設計・製作、現場カイゼン
（ラダー、 Python、C++）
○ 社内向け業務ソフト開発（ C#, SQL Server）
● コミュニティ
○ IoTALGYAN せとうち連合 岡山支部長
○ 瀬戸内ROS勉強会 （設立＆岡山主催）
○ NervesJP （設立メンバ）
○ kurashiki.ex （立ち上げるかも？
myasu
@etcinitd
yasuhiro.miyake.5076
@trihome
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@myasu
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お伝えしたいこと
1. Raspberry Piを、製造現場で活用する工夫
2. Elixirだから、できること（できそうなこと）
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軽く紹介
1. Raspberry Pi
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小型パソコン Raspberry Pi
● イギリス生まれの、教育用コンピュータ
● HDMI出力、USBポート、無線LAN、有線LAN
● 価格：8￡（約1200円）～
“Raspberry Pi Zero W” “Raspberry Pi 3 b+” （写真：Switch Science, raspberrypi.org）
65mm
Linux等のOSが使える
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小型パソコン Raspberry Pi
● デジタルの入出力ポートを装備
● 電子工作、組み込み機器などの業界でも普及が進む
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Raspberry Pi をこんな所に使ってるよ！
2. わたしの活用例
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製造現場のカイゼン
勤務先の農機具工場・現場のリーダの相談･･･
● ちょっとしたカイゼン、ポカよけ
● 多くの費用は掛けられない
● カイゼン失敗→仕様変更→リトライ（の繰り返し）
産業向け（FA）機器は便利だけと、ちょっと試すには高価･･･
趣味で使い慣れた Raspberry Piでやってみよう！
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（写真：いらすとや）
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製造現場のカイゼン
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ランプ付き
ボタン
様々な部品の
入った箱
作例１：部品の取り間違いを防止する「ポカよけ」装置
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製造現場のカイゼン
作例２：現場設備の稼働監視 作例３：生産中の作業時間を計測
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（写真：日経 BP 紹介ページ）
機械加工
設備
https://project.nikkeibp.co.jp/pc/atcl/column/17/062900102/070500004/
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Raspberry Piと産業機器
3. 製造現場で
活用する工夫
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産業用途で使われる機器
● FA機器 （Factory Automation）
● スイッチ、ランプ、センサーなど
○ 誘導電動機、空圧・油圧機器、ガス、液体･･･
● 頑丈！
○ 少々荒い使い方をしても、壊れない
● 電源、基本はDC24V
○ あるいはAC100V, 200V, 三相･･･
○ マイコンなど電子機器と繋げるには、一工夫必要
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（写真：Panasonic, IDEC, PATLITE）
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産業用途で使われる制御機器
● PLC （プログラマブル ロジック コントローラ）
○ 安いものだと1万円程度から
○ 入出力10点くらいから
○ ２０年くらいは販売が継続
○ ネットワーク無し。オプションで＋ 2万円くらい
○ オプション付けると色々出来る。けどあっという間にン十万円（！）
● タッチパネル
○ モノクロ3インチで２万円弱から
○ カラー15インチで30万円以上（！）
（耐障害性、安定性、長期供給は保証）
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（写真：Siemens, DIGITAL）
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工場現場からの要望
必ず言われること → ”モニター”が欲しい
● 作業の状態を見える化
● 図面やチェックシートなどの検索・閲覧
● 離れていても見やすいこと！
となると、大型のモニターがどうしても欲しい･･･（タッチパネル高価
Raspberry Pi + 安価な液晶モニターの組み合わせで解決しよう！
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（写真：いらすとや）
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RaspberryPi を PLCっぽく使う
PLCの考え方を取り込んでみよう！
モジュールを追加して機能拡張する概念→
● RaspberryPiにFA用機器を直接接続する
○ 電圧の違い(3.3V ～ 24V)を相互変換する機能
● 機能拡張しやすい仕組み
○ Seeed社のGROVE System
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CPU IO AD Ether ･･･
（写真：Siemens, Seeed Studio）
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センサの信号
FA機器とRaspberryPiの接続
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（写真：Siemens, DIGITAL）
用センサなど
用表示灯など
で動作する機器
Ｖで動作する部品
フォトカプラで
電気的に絶縁
フォトカプラで
電気的に絶縁
トランジスタ
アレイで
電流増幅
表示灯の信号
表示灯を点灯
センサの信号
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FA機器とRaspberryPiの接続
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（写真：Siemens, DIGITAL）
用センサなど
用表示灯など
で動作する機器
Ｖで動作する部品
GPIO24V～3.3V
レベル変換 ＆RTCユニット
（ユニバーサル基板 泣）
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FA機器とRaspberryPiの接続
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（写真：Siemens, DIGITAL）
用センサなど
用表示灯など
で動作する機器
Ｖで動作する部品
GPIO24V～3.3V
レベル変換 ＆RTCユニット
（基板を作った）
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FA機器とRaspberryPiの接続
GitHubで回路図・ガーバーデータを公開してます
https://github.com/trihome/RasPi_PiFA
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GPIO24V～3.3V
レベル変換 ＆RTCユニット
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GROVE Systemの活用
豊富なデバイスとアクセサリの恩恵
● ４線式でシンプルな規格
● 主要マイコン(Arduinoなど)向けIFも豊富
オープンな規格、”無ければ作る！”
● Seeedの基板製造サービスも活用
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（写真：Seeed Studio）
自作のGrove互換モジュール→
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GROVE Systemの活用
こちらも、GitHubで回路図・ガーバーデータを公開・・・します（まだ
https://github.com/trihome/
● 絶縁IOエキスパンダー
● CTセンサアンプ
● シグナルタワー点灯検知
● 簡易UPS
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自作のGrove互換モジュール→
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RaspberryPi を PLCっぽく使う
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Grove Base
Hat for Raspberry Pi
UPS＆
電源監視
ユニット
Raspberry Pi
GPIO24V～3.3Vレベル変換
＆RTCユニット
アナログ
GPIO24V
赤：通信異常など
青：正常運転
様々な
既製品のセンサー
（無ければ自作）
様々なFA機器
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再利用しやすく・頑丈に
FA部品を活用、汎用的な制御盤に仕上げ
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●サーキットプロテクタ
（IDEC、富士電機）
●端子台
（東洋技研、WAGO）
RaspberryPi
GROVE Hat
●プラボックス
（日東工業、タカチ）
●アルミフレーム
（NICオートテック）
●ゴム足
（タキゲン）
●コンセント
（パナソニック）
●ランプ、スイッチ
（IDEC、オムロン）
●タワー表示灯
（日恵製作所、パトライト）
●DINレール、配線ダクト
（篠原電気）
300mm
500mm
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どんなプログラム言語を使おう？
● C# （作例３）
○ 個人的に一番好きな言語 （ .NET 1.0から使ってる）
○ Windows 10 IoT Core！VisualStudio使える！！画面も作れる！！！最強！！！！
■ でも、最近アップデートがなくてツラい
○ .NET Core → LinuxのGUIが･･･
● Python（作例１、２）
○ 一昨年から勉強はじめた。
○ とにかくサンプルが多くて助かる。（ ”えいやぁ”で、すぐ作れちゃう）
○ GUIもOK（Kivy）
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PLCの言語
● ラダー言語
○ 最初は苦労･･･慣れてきたら、並列処理が書きやす
いので便利
● 実行を止めずにプログラム書き換え
● 変数のリアルタイムモニタ
● ソースコードは丸ごとPLCのメモリに保存
● シリアル通信、Ethernetとか扱うと、ちょっと大
変
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プログラム言語を選ぶ課題
● C#やPythonのような記述ができて
● ラダーのように並列処理が書きやすい
こんなプログラム言語が、あればいいなぁ～
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ROSの活用
● ノード単位で機能を構成
○ ノード間はPUB・SUB通信
● 異種言語の混在OK
● パッケージで機能の再利用
● roslaunchでプロセス管理
● ソースはRaspberryPiの中に保存
● 概ね、やりたいことが出来たが･･･
○ RaspberryPiだと動作が重い
○ 機能が高度・豊富すぎて勿体ない･･･（ Gazebo, MoveIt とか）
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作例２：設備の稼働集計装置は
ROS Melodic (Python)で
動いてます
（Robot Operating System）
（写真：ROS.org）
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ここで、Elixirとの出会い
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（写真：elixir-lang.jp）
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ここで、Elixirとの出会い
takase先生 （←当時はROSのコミュニティ）
「福岡でNervesやるよ！」
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（写真：twitter）
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ここで、Elixirとの出会い
takase先生 （←当時はROSのコミュニティ）
「福岡でNervesやるよ！」
私
「？？？」（Nervesなにそれ？）
その真相を探りに福岡へ（19年7月）
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（写真：CONNPASS, fukuoka/kokura.ex）
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ここで、Elixirとの出会い
「Nerves Training」ハンズオン
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試しに作ってみた
デモその１
手動でLチカ！
（L＝LED回転灯）
ボタンを押したら光る
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構成
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Raspberry Pi
GPIO
I2C
自動運転コード
Auto.ex
個別動作の
定義コード
Worker.ex
Elixir Circuit
モジュール
ドライバ
Mcp23017.ex
Elixirコード
プロセス管理（スーパーバイザ）
Application.ex
:GenServer
電気的
絶縁
＆
電圧
レベル
変換
（写真：IDEC, 日惠製作所 , elixir-circuits.github.io）
FA機器
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構成
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Raspberry Pi
GPIO
I2C
自動運転コード
Auto.ex
個別動作の
定義コード
Worker.ex
Elixir Circuit
モジュール
ドライバ
Mcp23017.ex
Elixirコード
プロセス管理（スーパーバイザ）
Application.ex
:GenServer
電気的
絶縁
＆
電圧
レベル
変換
FA機器
ここの書き方は
こちらの書籍を参考
インプレスR&D
「Elixirへのいざない」
著者：川邑 リュウさん
（写真：IDEC, 日惠製作所 , elixir-circuits.github.io）
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Elixir だから、できそうなこと
興味深いキーワード
● ホットコードデプロイ
○ 稼働中のシステムを停止させずにプログラム変更
● 並行性・メンテナンス性・耐障害性
ひょっとして、PLCのラダー言語のような使い方ができるのでは？
● 実行を止めずにプログラム書き換え ”RUN中書き込み”
● 変数のリアルタイムモニタ
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らんちゅうかきこみ？
RUN中書き込み
?
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RUN中書き込み
● PLC特有（？）の機能
● プログラムの実行を一切止めることなく、ソースを書き換え
● 書き換え直後から、そのまま新しいロジックで動き続ける
○ 設備を作っているとき、試運転中のデバッグ
○ 現場で稼働しながら、制御の小改造をするとき などの場面でよく使う機能
● VisualStudioの「Edit and Continue」みたいな機能？
○ ブレークしなくても書き換えできるのが ”RUN中”
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Elixirで”RUN中書き込み”
それっぽいことが出来そうなので、試してみました
1. 赤と緑のランプが、１秒間隔で同時に点滅
2. 緑のランプは点滅を続けたまま
赤のランプの間隔を100ms間隔に書き換え
これを、プログラムの実行を止めずにできるか？
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積層表示灯
（写真：PATLITE）
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実験：Elixirで”RUN中書き込み”
1. まず、ソース“Auto1.ex”の時間間隔の値を書き換え
2. 次に、実行中の iex のプロンプトから
（ここでソースをコンパイル）
（コンパイルしたモジュールを再読込み）
これだけ。
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iex > recompile
iex > r “Auto1.ex”
※iex
Elixirの対話型シェル （Pythonみたいな感じ）
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実験：Elixirで”RUN中書き込み”
デモその２
1. 赤と緑のランプが
１秒間隔で同時に点滅
↓（ソース書き換え）
2. 赤のランプだけが
100ms間隔で点滅
（緑はそのまま点滅！）
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Elixirで”RUN中書き込み”
できた！これはすごい！！
（ネタ的に地味･･･”刺さる人に刺されば”幸いです）
その他･･･
● 変数のリアルタイムモニタ
○ 出来た
○ 作例 https://github.com/trihome/UecsListner
● ”ホットスワップ”
○ まだ試せてない
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作例・Elixirで動かそう！産業機器
デモその３
● 最近 流行り（？）の「遠隔ハンコ押し機」
○ ･･･の、ハンコを押すアクチュエータを製作
○ クラウド側は、先の方の発表内容でつくれそう！
● 逸般の誤家庭にある「電動サーボシリンダ」
Elixir＆Raspberry Piで制御にチャレンジ
○ 3.3V→24Vレベル変換は、自作回路で。
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（写真：いらすとや）
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作例・Elixirで動かそう！産業機器
電動サーボシリンダ
● 位置制御
○ 精度 ±0.02mm以下
○ 速度 1000mm/sec以上
● トルク制御
○ 指定の押し圧に達したら停止
○ 今回はこの機能を使って、 ”いい感じ”に押印
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（写真：IAI）
スライダが
前後に移動
ロッドが
伸縮
大きさ
200～2000mm
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作ったモノ →
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ここにハンコ
高さ600mm
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4. まとめ
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まとめ
1. Raspberry Piを、製造現場で活用する工夫について
2. Elixirだから、できそうなこと
● 組込み向けの情報が少ないので、色々試行錯誤中・・・
○ （ハマったら、使い慣れた Python |> ROS2（rclex） |> Elixir で解決！）
● ナウでヤング（まだ作例が少ない）→ 試した分だけ新たな知見！
● 少しでも興味を持って頂ければ、”NervesJP”にも JOIN！
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参考情報
1. Elixir概要
a. https://speakerdeck.com/cooldaemon/erlang-falsele-sisatoxin-sa
2. 言語の習得
a. ”完全に理解した！”
i. https://agency-star.co.jp/column/elixir-language
ii. https://employment.en-japan.com/engineerhub/entry/2017/06/12/110000
b. 教科書
i. https://elixirschool.com/ja/
c. Tips
i. https://qiita.com/tags/elixir
d. Nerves
i. https://www.slideshare.net/takasehideki/nerveselixiriot
ii. https://qiita.com/takasehideki/items/94820516ec95b85bae32
e. GUI
i. https://qiita.com/piacerex/items/3f8ee18c9443d63955bf
ii. https://hotch-potch.hatenadiary.jp/entry/2020/06/20/214043
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参考情報
myasu
● https://qiita.com/myasu/
○ 本日の詳細は追ってこちらにまとめます。
● https://github.com/trihome/
● https://speakerdeck.com/myasu/
● https://hotch-potch.hatenadiary.jp/
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