第14回FA設備技術勉強会 https://fa-study.connpass.com/event/275807/

1. 第14回 FA設備技術勉強会 Kioto Hirahara - 2023/5/20
OSSはどこまで産業用機器に
使えるか
Pythonとパッケージを使って通信してみた

2. お前誰よ
〜自己紹介
• 平原貴音 (@takaneh)
• 神奈川県在住のフリーランスプログラマ
• ちょっと前まで車載の組み込み
• ここ２〜３年は産業用ソフトウェア開発
• （あまりこの世界には詳しくないので嘘があるかも）
• PythonコミュニティStart Python Club名古屋支部スタッフ

3. Pythonで通信してみた
• OPC UA：たけびしDxpSERVER v5/v6
• Modbus/TCP：Techman Robot
• EtherNet/IP：OMRON NX102-9000
• MQTT：Mosquitto (broker)
プロトコルと通信相手

4. OPC UA
opcua-asyncio概要
• OPC UAパッケージにopcua-asyncio v1.0.1を使用
• https://github.com/FreeOpcUa/opcua-asyncio
• サーバとクライアントの機能を持つ
• たけびしDxpSERVER v5/v6に接続できた
• ただし、クライアントは独特な方法でコードを書く必要がある
• Qiita「たけびしDxpSERVER向けOPC UAクライアントを書いてみた」
• https://qiita.com/kioto/items/f6b6e93a8d2e8191e93f

5. OPC UA
opcua-asyncioの特徴
• ちゃんとオブジェクト名/変数名で参照できる
• ライブラリによってはnode id指定しかできないこともある。当たり前だけど大事。
• サーバーの実装も簡単
• ただし遅い
• Windows環境で自動テストプログラムに使ったら、ポートが足りなくなる問題が発生
• クライアントも簡単に書ける
• ただしサーバーによる（opcua-asyncioのサーバーならさくっと書ける）
• DxpSERVERは大変（前述のQiita記事を参照）

6. Modbus
PyModbus概要
• PyModbus 3.2.2
• https://github.com/pymodbus-dev/pymodbus
• サーバとクライアントの機能を持つ
• コイル、入力ステータス、入力レジスタ、保持レジスタをサポート
• 接続先はTechman Robot
• 問題なく制御できた

7. Modbus
PyModbusの特徴
• 使いやすいかどうかと言われると、多分使いやすい
• そもそもModbusが使いにくい
• IAI RCONと接続しようとしたが、RCON側の情報が少なくて諦めた
• スピードで問題になったことはないので、きっとそれなりに速い
• 細かい話だけど、サーバとクライアントでなぜかアドレスが１ずれている

8. EtherNet/IP
cpppo概要
• cpppo（シースリーピーオー）v4.4.2
• https://github.com/pjkundert/cpppo
• サーバーとクライアントの機能を持つ
• README.mdを読む限り、 RockwellのPLC向けに作られている
• OMRON PLCで使えた型は以下のものだけ
• SINT, INT, DINT, LINT, USINT, UDINT, REAL, LREAL
• INT, REALの配列

9. EtherNet/IP
aphytの概要
• aphyt v0.1.10
• https://aphyt.com/
• クライアント機能のみ
• OMRON PLCのEtherNet/IP専用パッケージ
• OMRON NX102-9000のread/writeができた

10. EtherNet/IP
aphytの概要
• ほぼ一通りの型のread/writeができたが、以下の型は無理だった
• DATE̲AND̲TIMEのwrite（どう書けばいいか分からない）
• BOOL配列のread/write
• STRING配列のwrite
• サーバー機能がないので、ソフトウェアだけで単体テスト環境が作れない
• 起動に時間がかかる
• そこそこ速いIPCのDocker環境で、インスタンスの作成に２〜３秒、最初のread/writeに3秒、合計6秒
• ２回目以降のread/writeは問題ない

11. MQTT
paho-mqtt
• paho-mqtt 1.6.1
• https://github.com/eclipse/paho.mqtt.python
• publisherとsubscriberが使える
• PythonのMQTTパッケージといえばこれ、実績多数
• Mosquitto（MQTT Broker）を介してNode-REDと通信できた
• publisherの起動はちょっと遅いかも、singletonで使った方がいいかも

12. そもそも何がやりたかったのか
Industry 4.0に向けて
下記リンクより抜粋
https://packiot.com/what-is-the-uni
fi
ed-namespace-and-why-you-need-to-implement-it-to-experience-industry-40/

13. そもそも何がやりたかったのか
Industry 4.0に向けて
下記リンクより抜粋
https://sparkplug.eclipse.org/
（こんなに綺麗に繋がるはずがない）

14. そもそも何がやりたかったのか
Industry 4.0に向けて
ここでコンテキスト化(contextualization)が必要

15. コンテキスト化
ロボットアームの例
外からは、この程度の粒度で
アクセスしたい
この裏では、アドレスからデータを取ったり
ビット演算して判定とかしている

16. コンテキスト化
こんな仕組みがあるといい
THIS_DEVICE = 'IAI/RCON1'
State = READY
dh = DeviceHandler(CONFIG_FILES)
def ext_move_arm(pos):
global State
"""外部コマンド：アームを位置posに移動"""
State = BUSY
dh.write(CMD, SERVO_ON) # タグCMDの内容に0x0010をORしてwrite
dh.wait_for(ARM_STATE, ARM_READY) # アームがREADYになるまで待つ
dh.write(CMD, ARM_EXEC) # 実行
dh.wait_for(ARM_STATE, ARM_STOP) # アームが停止するまで待つ
dh.write(CMD, ARM_FINALLY) # 終了処理を指示
dh.wait_for(ARM_STATE, ARM_READY) # アームがREADYになるまで待つ
dh.write(THIS_DEVICE, FINISHED) # 移動完了を通知
State = READY
def ext_get_state():
"""外部コマンド：ステートを返す"""
return State

17. Industry 4.0の主要技術
I4.0コミュニティで中心となっている話題
• MQTT ... 共通通信プロトコル
• Uni
fi
ed NameSpace (UNS) ... 住所構成（国/県/市/町/番地みたいな）
• Sparkplug B (SpB) ... MQTTのtopicとpayloadの仕様
• Historian (ex. In
fl
uxDB) ... 記録手段
• Node-RED ... ロジックの可視化と変更の容易さ

18. Pythonによる解決
メリットとデメリット
• 比較的学習コストが低い（と言われる）
• 義務教育におけるプログラミング教育、そのうち新入社員がみんな使える
• パッケージが豊富
• 動作が遅く、メモリ消費も大きい
• 並列処理が苦手（スレッドの強制終了ができない、GILなど）
• 抽象度の高いプログラム向き

19. その他の実装手段
Elixir/Nerves
• Elixir
• プログラミング言語、コンパイラ
• 動作速度が早く、メモリ消費が少ない
• 堅牢性の高いプログラムが書ける
• 並列処理に強く、製造ラインの工程制御に向いている
• Nerves
• Elixirの組み込み開発フレームワーク
• サポート対象のハードウェアならOSが不要になる

20. その他の実装手段
Rust
• プログラミング言語、コンパイラ
• 堅牢性の高いプログラムが書ける
• 組み込みの世界では、C/C++から置き換わる（と言われている）
• トヨタ・ウーブンの車載OS、Arene（アリーン）で採用
• LinuxやWindowsでドライバ実装に使われ始めた