We have been developing FA/SCADA system with Nerves that is a platform of IoT with Elixir language. This is an interim report of our project. It shows how to abstract hardware devices with Elixir processes and Erlang registration method.

1. Elixir ベースのシステムとコミュニティで
産業制御を令和化する
菊池 豊
RICC-PIoT workshop 2020
@ 沖縄産業支援センター

2. お題
• 組込とクラウドとの融合についてお話します
– 産業制御に IoT な DNA を注入しようとしてます
• もちょっと踏み込むと伝統的PLCをIoT的エッジノードで置き換
えようという話をします
• 2018年からやってきた話が具体的に動いています
– 今日は work in progress な話です
• 本研究の一部は以下の助成を受けています
– 平成31年度高知県産学官連携産業創出研究推進事業
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 2

3. 渓流取水の発電所（フランシス145kW）
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 5

4. 砂防堰堤の発電所（カプラン 49.9kW）
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 6

5. 敷地内湧水の発電所（ペルトン 19.9kW）
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 7

6. これらで構築したシステム
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 8

7. 制御に係る技術文化のギャップ
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 10
盤のヒト
ハードのヒト ソフトのヒト

8. PLC (Programmable Logic Controller)
• シーケンス制御用マイコン
– 電気機械的リレーを代替
• 代表的な製品で国内10社ぐらい
– 三菱、オムロン、キーエンス
– 海外は Siemens, Rockwell が強い
– 互換性なし
• 記述言語も方言多し
– IEC61131-3 というのがあるが
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 12
三菱電機のホームページから

9. IoT・クラウドのノリを産業制御に
• ハードウェア
– 完全に理解した
• ソフトウェア
– 爆速の進化
• クラウド
– スケールアウト
• エコシステム
– OSS、コミュニティ
• 物理媒体に紐付きすぎてる
– 多層化による抽象性の導入
• パラダイムシフトなき魔改造
– 現代的な成果の反映
• 細胞壁バリに外界が遠い
– せめて細胞膜へ
• 基本クローズドなので
– オープン化
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 14

10. Elixir を採用
• 並行・並列プログラミング関数型言語
– アクターモデルによる並行性（プロセスとメッセージ）
• プロセス（OSのプロセスと異なる軽量スレッド）
– 1CPUで数十万プロセスも可能
– 1プロセスあたり3kB程度のメモリ使用
• 耐障害性
– アプリ停止なしの障害時プロセス再起動
– プロセスのホットスワップ可能
• 元々は電話交換システム用（1986〜）
– にできた Erlang の上に乗ってる
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 15

11. Nerves: Elixir の IoT フレームワーク
• Elixir の環境に連続する IoT 開発環境が利用可能
• 基本的な I/O アクセス手法を提供
• ターゲット用に 12MB〜 のファームウェアを生成
• ターゲットHW: Raspberry Pi, BeagleBone, x86_64
• Apache 2.0
• https://nerves-project.org/
– hex と github も
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 16

12. HW 制御を綺麗に書く
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 17
• 入出力の抽象化
– Elixir プロセスで
– プロセス間はメッセージで
• あるいは Pub/Sub で
• イベントドリブン
– ループ回すのをやめたい
• 複数ホストへのシームレスな拡張

13. :button
_a
:button
_b
logical_
and
logical_
or
:led_x
:led_y
GPIO 17
GPIO
18
GPIO
23
GPIO 22
Circuits.GPIO.read
Circuits.GPIO.read
{:ok, 0}
{:ok, 1}
GpioInOut.read
GpioInOut
.read
{:ok, 0}
{:ok, 1}
{:ok, 1}
{:ok, 0}
GpioInOut
.read
GpioInOut
.read
GpioInOut.write Circuits.GPIO.write
Circuits.GPIO.writeGpioInOut.write
:true
:false
1
0
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 18

14. :global
:button
_yu
:global
:button
_ma
logical
_and
:global
:led-rGPIO 24
GPIO
17
GPIO 24
Circuits.GPIO.read
Circuits.GPIO.read
{:ok, 0}
{:ok, 1}
GpioInOut.read
{:ok, 0}
{:ok, 1}
{:ok, 0}
GpioInOut
.read
GpioInOut.write Circuits.GPIO.write
:false 0
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 19

15. 2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 20
172.20.10.14/28
global :button_yu
global :button_ma
global :led_r
global :led_y
global :led_g
各エッジからこのホストに対して
Node.connect/1
する

16. これで何が出来たのかと言うと
• HW にグローバルユニークな名前をつける
– エッジの HW の再コンフィグが容易
• I/O点数が足りないときにモジュールを追加するなど
• 工場内での物理的なリロケーション（ライン変更）
• メッセージングによる直観的なプログラミング
– v.s. リレー回路をシミュレーション (e.g. PLC)
• 同一のソースコードで異なる振る舞い
– クラウドからエッジに撒くことを可能に（スケールする）
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 21

17. エッジはこんなのを試作してます
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 22

18. やろうとしていること・やったこと
• ハードウェア
– エッジを作ってみる
• Codename: Exi 1
– エッジとして評価してみる
• GRiSP, AtomVM
• ソフトウェア
– デザインパターン
• over Nerves (Elixir/Erlang/OTP)
– ラダーからの変換
• メッセージ and/or Pub/Sub
• クラウド
– Nerves Hub の利用
– Public Cloud との連携
– 連続・広域・自律・分散
• コミュニティ
– kochi.ex
– Qiita 投稿
– 他コミュとの連携
• Elixir とか盤とか制御とか
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 23

19. アクターモデルはいいぞ
• Dr. Alan Kay
on the Meaning of “Object-Oriented Programming”
– http://www.purl.org/stefan_ram/pub/doc_kay_oop_en
2020.02.26 菊池豊 高知工科大学 24
OOP to me means only messaging, local
retention and protection and hiding of state-
process, and extreme late-binding of all things.
It can be done in Smalltalk and in LISP. There
are possibly other systems in which this is
possible, but I'm not aware of them.
I thought of objects being like
biological cells and/or
individual computers on a
network, only able to
communicate with messages.
That’s Elixir / Erlang