NaraAILab_OpenSemi_202101

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現場で活かそう！オープンソースの活用法 1 「ならAIラボ」オープンデイ・セミナー 2021年１月

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自己紹介  ● 本業：岡山県内の農機具メーカーの生産技術 ○ 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 ○ 瀬戸内ROS勉強会（設立＆岡山主催） ○ NervesJP （設立メンバ） ○ IoTALGYAN （岡山支部長） myasu  @etcinitd @trihome 2 @myasu

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お伝えしたいこと 1. 製造現場での活用例 2. 「オープンソース」で作ること（と覚悟） 3. コミュニティを活用しよう＆貢献しよう 3

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今回の主役を簡単に紹介します 1. Raspberry Pi 4

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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 5

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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 6

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Raspberry Pi をこんな所に使ってます 2. わたしの活用例 7

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背景勤務先の工場の製品・・・農機具（農業で使う道具・設備）「季節に合わせた製品」を「多品種・少量生産」するのが特徴・「多品種・少量生産」→年間約250機種。生産期間は最短3日～最長4ヶ月・「季節に合わせた」　→次回の生産は、来年の同じ季節・時期 8

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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･･･ ● ちょっとしたデータ収集、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） 9 （写真：いらすとや）

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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･･･ ● ちょっとしたデータ収集、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･･･　→どんな効果が出るか（効果の見極め）が見えにくい趣味で使い慣れた Raspberry Piを活用して、試作してみよう！ 10 （写真：いらすとや）

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製造現場のカイゼン作例１：部品の取り間違いを防止する「ポカよけ」装置 ● ”ポカ” ○ 組立作業での部品の取り間違い（微妙な仕様違いなど） ● 作業者の慣れに期待したいが･･･ ○ 農機具：生産数少ない ○ 生産する期間は、短いときで１日～長くても２週間。 ○ 次の生産は来年。作業者の入れ替わり ● 製品の生産期間が短く･･･ ○ 作業手順書、チェックシートの作り込みがしにくい ○ 設備投資の費用回収も難しい 11 （写真：いらすとや）

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製造現場のカイゼン作例１：部品の取り間違いを防止する「ポカよけ」装置 ● 部品を取り上げる順番を、ランプの点灯で誘導 12 ランプ付き  ボタン  （写真：IDEC）左から点灯、ボタンを押したら次を点灯

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製造現場のカイゼン 13 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」装置実物の写真

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製造現場のカイゼン作例２：生産中の作業時間を計測 ● 限られた生産スペースでの、“多品種少量生産” ○ 毎週のように生産ラインを立ち上げ・解体を繰り返し ● 作業者の慣れに期待したいが･･･ ○ 農機具：生産数少ない ○ 生産する期間は、短いときで１日～長くても２週間。 ○ 次の生産は来年。作業者の入れ替わり ● 作業に”慣れ”にくい。生産のペースが掴みにくい 14 （写真：いらすとや）

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製造現場のカイゼン 15 多品種少量に対応：セル生産工程１工程２工程３工程４完成品セル生産部品ストア出荷各々ストップウォッチを持って、時間を測定

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製造現場のカイゼン 16 多品種少量に対応：セル生産工程１工程２工程３工程４完成品セル生産部品ストア出荷ボトルネックを”見える化”→作業カイゼンボトルネック

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製造現場のカイゼン 17 多品種少量に対応：セル生産工程１工程２工程３工程４完成品セル生産部品ストア出荷作業中にいちいちストップウォッチで計っていられない！

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製造現場のカイゼン 18 多品種少量に対応：セル生産工程１工程２工程３工程４完成品セル生産部品ストア出荷 ● 各工程の作業が 1サイクル終わるたびにボタンを押す ● 作業時間が自動的に履歴に残る

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製造現場のカイゼン 19 測定データの履歴を画面に残している工程１　　　　工程２　　　　工程３　　　･･･

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製造現場のカイゼン 20 現場で不要になった画面を  活用  イレクターパイプで筐体組み  RaspberryPiと周辺回路を  収めた制御盤  バッテリーレス  無線スイッチ  高さ約1.4m  実物の写真

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製造現場のカイゼン 21 バッテリーレス  無線スイッチ  工程１（ボタン１）　工程２（ボタン２）　　工程３（ボタン３）　･･･無線スイッチ使用で煩わしい配線無し（シュナイダーエレクトリック製）   https://www.proface.com/ja/product/commu_equip/wireless_p ushbutton/top    （写真：シュナイダーエレクトリック）

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設備稼働の見える化作例３： ● 加工設備の稼働状態は以前から手作業で集計 ○ 自動化のため、加工設備メーカに相談・・・高過ぎて気軽に手が出せない ● （２年くらい前？）旭鉄工さんの作例を思い出した ○ 「安価な部品を使って試作」した記事 ○ 積層表示灯（シグナルタワー）などを検知して設備の状態を把握 ○ 似たような仕組みが作れないか？ 22

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設備稼働の見える化 23 高さ約500mm  実物の写真

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設備稼働の見える化 24 NC複合旋盤に観測装置を設置機械加工設備測定装置

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設備稼働の見える化 25 収集したデータを集計して表示

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Raspberry Piと産業機器の連携 3. 製造現場で活用する工夫 26

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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 27 （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） 28 （写真：Siemens, DIGITAL）

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工場の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･･･（タッチパネルは高価 Raspberry Pi + 安価な液晶モニターの組み合わせで解決しよう！ 29 （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 30 CPU IO AD Ether　･･･  （写真：Siemens, Seeed Studio）

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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そのままFA機器は取り付けできない 31

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センサの信号  FA機器とRaspberryPiの接続 32 （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 33 （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  （ユニバーサル基板で自作） 

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FA機器とRaspberryPiの接続 34 （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 35 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 36 （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 https://github.com/trihome/Grv_FAModules ● 絶縁IO、エキスパンダー ● （準備中）CTセンサアンプ ● （準備中）シグナルタワー点灯検知 ● （準備中）簡易UPS 　　　　　　　　　　 37 自作のGrove互換モジュール→ 

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いきなり自作は難しい･･･ CQ出版社の雑誌「Interface」2020年９月号～　を活用 38 （写真：CQ出版社、秋月電子）ラズパイ  でPLC 

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いきなり自作は難しい･･･市販の拡張ユニットを活用 ● ビット・トレード・ワン ○ リレー制御拡張基板 ○ https://bit-trade-one.co.jp/product/module/adrsru/ ● ラトックシステム ○ 入出力（デジタル・アナログ） ○ https://www.ratocsystems.com/products/rasppi.html 39 （写真：ビット・トレード・ワン、ラトックシステム）

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機能比較 40 PLC Raspberry Pi 記述言語ラダー Python, Ruby, C, C++　... ”RUN中書き込み” できるできないデジタル入出力の電圧 24V 3.3V→別途24V変換必要操作者に対する入出力機器 FA用タッチパネル液晶モニタマウス、キーボード電源の操作いきなり入・切OK シャットダウンの操作必要

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「PLC x “Raspberry Pi”」 ● 横河電機・e-RT3 Plus ○ Ubuntu Linuxがそのまま動作 ○ 横河電機PLC機器と連携容易 ● ハーティング・RevPiシリーズ ○ 産業向けRaspberry Piを搭載 ○ PLCと同じようにIO拡張可能 41 （写真：横河電機、ハーティングページ） https://www.yokogawa.co.jp/solutions/products-platforms/ control-system/real-time-os-controller/

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その他の機器 ● M5Stack ○ マイコンボード＋画面＋ボタン＋ IO＋・・・ ○ Grove System並の豊富なセンサー類 ○ FA向けの拡張オプションも徐々に充実 ● Degu Degu Project (open-degu.com) ○ Grove Systemを直結できる（主にセンサー） ○ AWS、Microsoft Azure（クラウド）のデータ連携 42 （写真：SwitchScience、アットマークテクノ）

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ソフトウェアの話し制御ソフトウェアの選び方 43

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PLCの言語 ● ラダー言語 ● 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 44

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Raspberry Piの言語 RaspberryPiのOS　→　Linux (UNIX)ベース ● ソフトウェアPLC ○ CODESYS ○ OpenPLC ● プログラミング言語 ○ Python （圧倒的なWebの情報量） ○ C/C++言語 ○ Elixir、Rust、･･･（その他多数） 45

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Pythonライブラリ ● GPIO端子の制御 ○ Rpi.GPIO、pigpio ○ 入力イベント取得：GPIO.add_event_detect が便利！ ● I2C ○ smbus ● Grove ○ 公式のライブラリ：Grove.py ● 見える化 ○ Kivy（GUIの作成）、OpenPyXl（Excelシートに出力） ○ plotly（グラフの作成） 46 （写真：Seeed Studio、Plotly Webpage）

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考え方、しくみなどの紹介 4. 製作の実際 47

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作例１：「ポカよけ」装置作例１：部品の取り間違いを防止する「ポカよけ」装置 ● 部品を取り上げる順番を、ランプの点灯で誘導 48 ランプ付き  ボタン  （写真：IDEC）左から点灯、ボタンを押したら次を点灯

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仕様：作例１ ● 次に使う部品を作業者に教える ○ 部品箱そばのランプを点滅 ● 部品を取ったことを検知 ○ 人がボタンを押す ○ 間違ったボタンを押したら警告 ■ （高速に点滅して「押して欲しい」アピール） ● RaspberryPiの電源管理、RTC時刻保持 49

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全体構成（ハード） 50 ランプ付きボタン  操作盤  （押しボタン＆ランプ）  Grove Base Hat for Raspberry Pi  UPS＆電源  監視ユニット  作  業  者  入出力数拡張ユニット  （8ch x4）  Raspberry Pi  GPIO24V～3.3Vレベル変換  本装置のステータス表示  測定対象  赤：通信異常など  青：正常運転  GROVE  I2C  GROVE  DIGITAL  GROVE  I2C  RTCユニット 

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全体構成（ソフト） 51 Python3  プログラム  systemd  電源監視 sh  RTC/NTP管理 sh  Picking.service  時刻合わせ：起動時だけ  （例：Qiita）  UPS＆電源監視ユニットからの信号監視（例：Qiita）  （起動システム） 

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全体構成（ソフト・Pythonプログラム） 52

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作例１　製作中・・・ 53 ボタンボックスの内部  拡張基板の動作テスト 

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作例１　製作中・・・ 54 裏側の配線・・・  整線後 

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作例３：生産中の作業時間を計測作例３：生産中の作業時間を計測 ● 加工設備の稼働状態は以前から手作業で集計 ○ 自動化のため、加工設備メーカに相談・・・高過ぎて気軽に手が出せない ● （２年くらい前？）旭鉄工さんの作例を思い出した ○ 「安価な部品を使って試作」した記事 ○ 積層表示灯（シグナルタワー）などを検知して設備の状態を把握 ○ 似たような仕組みが作れないか？ 55

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仕様：作例３ ● シグナルタワーの点灯状態の検知 ○ 点灯・点滅・消灯の判定（フォト Tr） ● 生産設備の電源の電流値測定（CT） ● 作業者による設備ステータスの入力受付 ○ 自動検知できない事象は人手でボタンを押す ● 測定データをSQL Serverに転送 ○ LAN接続異常時は、ローカルの SQLiteに保存 ● RaspberryPiの電源管理、RTC時刻保持 56

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全体構成（ハード） 57 他（押しボタン＆ランプ）  Grove Base Hat for Raspberry Pi  UPS＆電源  監視ユニット  設備  Raspberry Pi  GPIO24V～3.3Vレベル変換  本装置のステータス表示  測定対象  赤：通信異常など  青：正常運転  GROVE  AD変換  GROVE  DIGITAL  GROVE  I2C  RTCユニット  設備の元電源  フォトトランジスタ  GROVE  AD変換  フィルタ・アンプ  CT 

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全体構成（ソフト） 58 ROS nodes  systemd  roslaunch  電源監視デーモン  RTC/NTP管理デーモン  roslaunch  起動スクリプト  時刻合わせ：起動時だけ  UPS＆電源監視ユニットからの信号監視 

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全体構成（ソフト・Python＆ROS プログラム） 59

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作例3　（見える化） 60 設備の運転状態  始業  終業  緑：加工中    黄：段取り中  当日の部品加工  実績リスト  C#.NETで作ったWindowsアプリで、見やすい形に加工  作業者の状態 

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作例３　製作中・・・ 61 GROVE基板への配線  盤の製作 

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作例３　製作中・・・ 62 Raspberry Piへの追加工  基板の試作 

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作例３　製作中・・・ 63 電源にCTセンサを設置  シグナルタワーへ  光センサを設置  CTセンサ  光センサ x 3  （フォト  　トランジスタ） 

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実際に取り組んでみた感想 ● Pythonで手軽に作成！ ○ （豊富なライブラリと Web情報が有り難い！ ● 単純な事を見えるようにしただけで・・・ ○ 現場も自分もチョットした気付き　 →　改良ネタも出てきた ○ 作例１：時間の長すぎ・短すぎの警告 ■ （作業自体の誤り検知） ○ 作例3：日報の自動入力へ展開 ■ （作業時間、作業内容） ● 使ってもらえる！　→　自身のモチベーションアップ 64 ！　　！ 

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オープンソースを活用すること「オープンソース」　≠　安価に作れる PLCなどの既存のFA機器で作ると･･･ ● 電気回路やプログラムの定石がある程度決まってる ● 価格の想像がつきやすい（材料費、工賃）オープンソースで作ると･･･ ● 多種多様な選択肢の中から、いろいろな組み合わせ ● 未知なる知識、技術　→　自分で学習 65

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作り込みのなかでの注意点実際に作ってみたときの課題など 66

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電源 ● RaspberryPiは”パソコン” ○ 必ずシャットダウンが必要 ● 工場現場で”電源のぶち切り” ○ SDカードが壊れて、起動しなくなる可能性大 ○ 自動シャットダウンユニット、 UPSなど必要 ■ 市販品の例：ADRSZUP ゼロワン電源保持基板 | Bit Trade One, LTD (bit-trade-one.co.jp) ○ SDカードを”読み込み専用”化 ■ 設定例：Raspberry Pi OSのrootfs ROM 化 67

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周辺環境からの保護盤（ケース）に必ず入れよう！ 68 ● 工場現場での使用 ○ 周辺環境からの保護：オイルミスト、ホコリなど ○ 接触不良の予防（SDカードの電極など） ● ノイズ対策 ○ 金属製の盤への収納、シールド線の使用

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盤のなかみ FA部品を活用して制御盤に仕上げる 69 ●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、  　シュナイダーエレクトリック）   ●DINレール、配線ダクト  （篠原電気）  300mm  500mm 

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”覚悟”しておくこと「オープンソース」　≠　安価に作れる RaspberryPi本体は安価だけど･･･ ● 周辺機材を購入 →　費用増加 ● Webを調べて得られる情報 →　学習コスト ● 〃得られない情報 →　試行錯誤の工数 ● 全体のシステム設計 →　ハード、ソフト、運用の幅広い経験 70 （自分で勉強→スキルアップの一環）学習しながら開発すること！

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次のステップへ初回は、まずは投資効果の見極めのための試作と考える ● 効果を見極めて ○ 今の仕様を見直して、次の改良へ繋げる ■ 現場要望の機能を追加、不要な機能の削除 ■ より作りやすい設計に更新 ● いざ水平展開となったとき･･･全部自作は大変 ○ 内作する場合･･･応援者の獲得 ○ 投資効果が十分なら、市販品への置き換え。外注で作り直すなども検討。 ■ （自分で学んだ部分　 →　より洗練された仕様） 71

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オープンソースの情報を得るために 4. 学習するには？ 72

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自主学習の情報源オープンソースの活用　＝　自分で勉強 ● 書籍 ● Webページ ● コミュニティ 73

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Webの情報を活用 ● Qiita https://qiita.com/ IT技術が中心、電気系も豊富 ● elchika https://elchika.com/ ● hackster.io https://www.hackster.io/ ● instructables https://www.instructables.com/ （英語です）いろいろな作例豊富 74 （写真：Qiita、hackster.ioページ）

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コミュニティの活用 ● CONNPASS https://connpass.com/ ○ コミュニティ活動のポータルサイト ○ IT系が多いが、モノ作り系も多数あり ○ 有志・企業のグループ ○ 2020年以前は現地に行って参加するものが多数 ○ コロナ事情もあって最近はオンライン開催に･･･ ○ （2020年以降、大変参加しやすくなりました･･･） 75 （写真：CONNPASSページ）

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コミュニティ ● IoT縛りの勉強会! IoTLT ※ https://iotlt.connpass.com/ IoT系の製作事例を多数紹介 ● IoT ALGYAN https://algyan.connpass.com/ IoT技術の講演（日本MS他）ハンズオン→手を動かして作ってみる ※LT：LightningTalk･･･持ち時間5～10程度で多人数が発表する形式 76

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コミュニティ ● FA設備技術勉強会 ○ https://fa-study.connpass.com/ ○ 産業向け技術のLT形式発表 ● NervesJP ○ https://nerves-jp.connpass.com/ ○ Elixir言語（電話交換機制御 Erlangの派生） ○ 産業応用、長期安定運用のトライ、情報交換 77

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コミュニティ ● OSPN(Open Source People Network) https://ospn.connpass.com/ オープン技術全般の発表・情報交換 ● ROS Japan Users Group https://rosjp.connpass.com/ ロボット制御技術ROSの発表・情報交換 78

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コミュニティ ● トランジスタ技術　イベント情報 https://toragi.connpass.com/ ● mbed祭り https://mbed.doorkeeper.jp/ （その他、調べてみると多数あり） 79 コミュニティに参加･･･技術の習得と、人のつながり

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モチベーションアップ作ったモノをいろいろな人に見てもらおう！ 80

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Makerムーブメント 3Dプリンタ、Arduinoなどオープンソースハードウェアの登場誰もが製造業の起業家になれる時代（製造業が民主化）古い大量生産モデルではつくれない、世界が望む製品をつくれるようになった 81 （写真：MakerFaireTokyo公式ページ）

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Maker Faire 最大のDIYの展示発表会家族で楽しめる、発明と創造と機知に富む人々が集う Makerムーブメントのお祭り ● 第1回 2005年アメリカ・サンフランシスコ ● 日本第1回 2008年東京海外（主要）：ローマ、パリ、デトロイト、オスロ、バルセロナ、　　　　　　　深圳、台北、モスクワ、シンガポール、タイ･･･国内　　　　：東京、大垣、京都、つくば、仙台、浜松 82 （写真：MakerFaireTokyo公式ページ）

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日本国内のモノ作りイベント 83 （独自調べ）：開催継続中  　（これから開催）    ：過去実績  奈良近郊の開催例  ● MakerFaire京都2021  ● 浜松MicroMakerFaire2021  ● 伊勢ギークフェア  ● NT京都  ● NT名古屋  ● NT鯖江  ● NT金沢  ● メイカーズバザール大阪 

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コンテストに応募日経BP社ラズパイマガジン　日経 Linux 日経ソフトウェア　主催ラズパイコンテスト2017・技術賞受賞　 84 （写真：日経トレンディ）

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学んだことは発信しよう！ ● Qiita https://qiita.com/ IT技術が中心、電気系も豊富 ● elchika https://elchika.com/ ● その他ブログ、Twitter、Facebook、instagram ･･･ 85 （写真：Qiitaページ）はじめはやりにくい･･･でも、是非チャレンジを！

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まとめ ● 身の回りのちょっとした”カイゼン”に当てはめる ○ やりたいことの断片が分かれば →　Tips（やり方）が探せる ● 自分で使う、誰かに使って貰う →　次を作るモチベーション　 ● 「作りきる」こと！ ○ ”Done is better than perfect.”　「多分動くと思うからリリースしようぜ」 ○ 妥協と納得の範囲内での ”品質”を目指そう ● まずは効果を見極め　 →　改良の繰り返し、水平展開へ ● モチベーションの向上 →　出展、コンテスト応募 ● 情報を得る側から、発信する側へ →（登壇者Qiita） 86

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有り難うございました 87