From micro greenhouse to plant factory on a chip チップを利用して マイクロ温室から植物工場へ The Journey • • • • • This presentation is about the innovation of a new control system concept Its is about a journey rather than the destination Innovation is the journey Sometimes the things you learn along the way are more revealing and important than the original destination I wanted a good visual metaphor – but couldn’t find a single metaphor so I had to settle for 3. Netherlands Workshop on Plant Factories 3 道のり • • • • • このプレゼンテーションでは、革新的な新しい管理システムの コンセプトについて説明します。 目的地についてではなく、そこに至るまでの道のりをお話しします。 革新とは道のりです。 本来の目的地よりも、その道中に学んだことの方が有意義で、 より多くのことを明らかにしてくれる場合があります。 これらを象徴する写真を用意しました。ただ、1枚では表現しきれ ず、3枚の写真を使用しています。 蘭日植物工場ワークショップ 4 Innovation Journey: Freedom to set boundaries and go in any direction Netherlands Workshop on Plant Factories 5 革新の道のり： 境界線を設定し、好きな方向へ進む自由。 蘭日植物工場ワークショップ 6 Innovation Journey: There will always be a legacy which can work for us or against us. Netherlands Workshop on Plant Factories 7 革新の道のり： 役に立つ、または障害となるレガシー（遺産）が必ず存在します。 蘭日植物工場ワークショップ 8 Innovation Journey: The way forward may not be clear and one can choose to go around or over the obstacles Netherlands Workshop on Plant Factories 9 革新の道のり： 進むべき道がはっきりと見えないとき、周り道をし、または障害を乗 り越えて進むという選択肢もあります。 蘭日植物工場ワークショップ 10 A strategic question • Priva has been a major player in greenhouse automation for more than 50 years. With 50% of the world market. • The product portfolio which has evolved around the high-tech greenhouses of Northern Europe is a highly centralised process control system • Urban farming or plant factories require a different control system solution – multi crop – Scalable from the kitchen to the factory – Artificial environment • Because of this problem in 2013 Priva set up a research program to investigate the architecture of a new control platform that could be used in urban farming projects • The micro greenhouse project Netherlands Workshop on Plant Factories High tech, single crop, centralised control, expensive HOW TO GET TO More high tech, Multi crop, Decentralised, Scalable Low cost 11 戦略上の課題 • プリバ社は50年以上にわたり、温室オートメー ションに携わっています。業界大手の企業であり、 世界市場で50%のシェアを占めています。 • 高度に集中化したプロセス制御システムを中心と する製品ポートフォリオは、ヨーロッパ北部のハ イテク温室とともに発展してきました。 • 都市農園または植物工場は、それぞれ異なる制御 システムを必要としています。 – 多毛作 – キッチンから工場まで拡張可能 – 人工的な環境 • この課題に対処するため、プリバ社は2013年、都 市農園プロジェクトに利用できる、新しい制御プ ラットフォームの構造について検討するリサーチ プログラムを立ち上げました。 • マイクロ温室プロジェクト 蘭日植物工場ワークショップ ハイテク 単作 集中制御 高価 転換 方法 より高度なハイテク 多毛作 分散制御 拡張可能 低コスト 12 The first step of the journey is to evaluate and relinquish the legacy baggage • • • Horticulture is a conservative industry. Many people in the industry become intransigent and resistant to change because things have been done the same way for a long time For Priva this meant changing the basis of our control system architecture Product portfolio architecture (retrospective and restricts vision) Netherlands Workshop on Plant Factories Legacy Platform architecture (enabling for new vision) 13 道のりの第1歩は、障害となるレガシー（遺産）の評価・ 排除 • • • 園芸業界は保守的です。 業界の人々の多くは、長い間 同じやり方を続けてきたため、 変化を頑なに拒む傾向があり ます。 プリバ社にとっての変化は、 自社制御システムの構造に関 し、基幹となるものを変える ことでした。 製品ポートフォリオ 構造 （従来のまま、 将来構想が制限） 蘭日植物工場ワークショップ レガシー プラットフォーム 構造 （新しい将来構想が 可能） 14 On an Innovation Journey It helps to have an innovation compass! I have few Priva Innovation compasses to give away…. If you can answer some questions? 革新の道のりにおいては、革新の方向性を 示す羅針盤が役立ちます！ プリバ社における羅針盤をご紹介します。 次の質問に正解した方に… The best compass user of them all Who Is this (full name please) ? Netherlands Workshop on Plant Factories 17 羅針盤を上手に活用している人々 彼は誰でしょう？（フルネームでお答えください） 蘭日植物工場ワークショップ 18 Who is this Netherlands Workshop on Plant Factories 19 彼は誰でしょう？ 蘭日植物工場ワークショップ 20 And this ? Shinji Kagawa Netherlands Workshop on Plant Factories 21 では、彼は? Shinji Kagawa 蘭日植物工場ワークショップ 22 Start of Journey: The micro greenhouse Lighting • highly integrated solution for – – – – CLIMATE WATER FERTIGATION LIGHT Climate • Unique control system approach Water Netherlands Workshop on Plant Factories 23 出発点：マイクロ温室 光 • 以下を高度に統 合したソリュー ション – – – – 温度・湿度 水 肥料 光 温度・湿度 • 独自の制御シス テムアプローチ 水 蘭日植物工場ワークショップ 24 Micro greenhouse scalability • From the beginning there were important key aspects – Flexibility – Saleability • Stepping stone to larger plant factory and urban farming projects such as ….. Netherlands Workshop on Plant Factories 25 マイクロ温室から拡張 • 初期段階から重視 した点 – 柔軟性 – 商品性 • より大規模な植物工場 および都市農園プロ ジェクトへの足掛かり 例えば… 蘭日植物工場ワークショップ 26 Some of many Plant Farm examples • Particularly the micro greenhouse control system is designed to be scalable so it can accommodate any form of urban farming and plant factory concept. Netherlands Workshop on Plant Factories 27 植物農場の事例 • マイクロ温室制御システム は、あらゆる形態の都市農 園および植物工場のコンセ プトに適合できるよう、特 に拡張性を重視して設計さ れています。 多段栽培ベッド 光源（LEDランプ、蛍光灯、冷陰極管） 光源 （HIDランプ） 制御盤 空調装置 栽培室 エアシャワーブース 窓 単段栽培ベッド 出入口 蘭日植物工場ワークショップ パスボックス （注） 実際の外壁の色はアイボ リーです。 28 The end of the journey • The plant factory on a chip control module • I will pass some around. Netherlands Workshop on Plant Factories 29 終着点 • 制御チップモジュー ルを利用した植物工 場 • 実物をお見せします 蘭日植物工場ワークショップ 30 4 important steps for new control system Micro greenhouse project 1. Vertically organised Architecture 2. Multi core CPU 3. Functional control 4. Point of growing control Vertically Organised architecture Multi Core PU Functional control Point of Growing control modular & Distributed Control system Netherlands Workshop on Plant Factories 31 新しい制御システムの重要な4つの段階 マイクロ 温室 プロジェクト 1. 2. 3. 4. 垂直型構造 マルチコアCPU 機能別制御 生長点制御 垂直型 構造 マルチコア CPU 機能別 制御 生長点 制御 モジュラー および 分散制御 システム 蘭日植物工場ワークショップ 32 1st step: vertically organised architecture Monolithiic Application Water app Climate app light app Libraries Water library Climate library Light library IO drivers Water IO driv ers Climate IO driv ers LightIO driv ers IO hardware Water Hardware Climate Hardware Light Hardware System hardware System HW Horizontal organised architecture - many layers • • • A Horizontally organised architecture is characterised by different layers w ith horizontal dependencies across m odules. This is w hat a product portfolio approach to architecture looks like As the portfolio becomes m ore complex it is difficult to add or rem ove applications. Vertically organised architecture – becomes a platform • • • Netherlands Workshop on Plant Factories A vertically organised architecture has vertical slices w ith little or no horizontal dependencies betw een slices and applications Even the IO HW has been m ade specific to functions required by each slice This represents a platform approach which can easily support new vertical slices and applications 33 第1段階：垂直型構造 モノリシック・アプリケーション 水 アプリケー ション 温度・湿度 アプリケー ション 光 アプリケー ション ライブラリ 水 ライブラリ 温度・湿度 ライブラリ 光 ライブラリ I/O（入出力）ドライバ 水 I/O ドライバ 温度・湿度 I/O ドライバ 光 I/O ドライバ I/O（入出力）ハードウェア 水 ハード ウェア 温度・湿度 ハード ウェア 光 ハード ウェア システムハードウェア システムハードウェア 水平型構造： 複数レイヤー • • • 水平型構造は、モジュール内に水平依存関係にある複数 のレイヤーを備えていることを特徴としています。 これは、製品ポートフォリオ構造を表したものです。 製品ポートフォリオが複雑になるにつれ、アプリケー ションの追加または削除が難しくなります。 垂直型構造： プラットフォームとして機能 • • • 蘭日植物工場ワークショップ 垂直型構造はスライスを垂直に積み重ねており、スライ ス間およびアプリケーション間には水平依存関係がほと んど、またはまったくありません。 I/Oハ ードウェアも、各スライスが要求する機能に合わ せてつくられています。 プラットフォーム式で、新規の垂直スライスやアプリ ケーションを簡単にサポートすることができます。 34 2nd step: multicore XMOS CPU W slice C slice C slice App Specific Slice SW Com slice 8 Cores 8 Cores 8 Cores 8 Cores Tile 1 Tile 2 Tile 1 Tile 2 XMOS CPU Programmable IO ports Water IO HW • Climate IO HW XMOS platform XMOS CPU Programmable IO ports Light IO HW On the left we see the architecture of an XMOS SOC Water IO HW • Climate IO HW Light IO HW In the middle we can see how this maps to our vertical slice architecture Netherlands Workshop on Plant Factories Functional IO HW Comm IO HW • On the right we see a generic representation of an XMOS based slice 35 第2段階：マルチコアCPU 水 スラ イス 温度 ・ 湿度 スラ イス 温度 ・ 湿度 スラ イス 共通 スライ ス 8コア 8コア 8コア 8コア タイル1 タイル2 タイル1 タイル2 XMOS CPU • 温 度 ・ 湿度 I/Oハ ー ド ウェア XMOS プラット フォーム XMOS CPU プログラム可能な I/Oポート 水 I/O ハード ウェア アプリ ケーショ ン専用 スライス ソフト ウェア プログラム可能な I/Oポート 光 I/O ハード ウェア 左図 XMOS SOCの 構造 蘭日植物工場ワークショップ 水 I/O ハード ウェア • 温度・湿度 I/Oハード ウェア 光 I/O ハード ウェア 中央図 プリバ社の垂直スライ ス型構造 機能別 I/O ハード ウェア 共通I/O ハード ウェア • 右図 一般的なXMOS ベースのスライス 36 3rd step: Functional control • App Specific Slice SW • • – Separation of concerns XMOS platform Functional IO HW • • Once we have created the concept of vertical slice architecture it became possible to modularise the system architecture based on FUNCTION rather than on some SW or HW feature. – – – Each module has a specific function in the system Only the functions that are required to make a solution need to be combined in a system In this way we achieve one of the most important architectural principles Functional design concepts also allow us to focus on actuators rather than sensors as the center of system design – – – – Separation of sensors and actuators Improved integration Improved mechanical integration and mechatronic design Lower costs Water control Climate control Light control Netherlands Workshop on Plant Factories 37 第3段階：機能別制御 アプリ ケーショ ン専用 スライス ソフト ウェア • • • システム内の各モジュールは専用の機能 を担っています。 ソリューションが求められる機能のみを システムに組み込みます。 この方法により、最も重要となる構造的な 原則の1つを達成しています。 – 依存関係の分離 XMOS プラット フォーム 機能別 I/O ハード ウェア • 垂直スライス型構造のコンセプト策定後は、 「ソフトウェア」や「ハードウェア」に合 わせるのではなく、「機能」に基づいてシ ステム構造をモジュール化することができ るようになりました。 – – – • さらに機能別制御のコンセプトにより、 システム設計において、センサーではなく アクチュエーターに重点を置くことができ るようになりました。 – – – – センサーとアクチュエーターの分離 統合性の向上 機械的統合とメカトロニクス設計の改善 低コスト化 水制御 温度・湿度制御 光制御 蘭日植物工場ワークショップ 38 4th step: Point of growing control • • • Individual bed control means Each bed or gowing area has its own control system The following are controlled and monitored close to the Bed – – – – – – • • • Once the concept of functional control and focus on actuators has been understood • We can start to talk about individual bed control Netherlands Workshop on Plant Factories Water Climate Light Fertigation Growth rates Soil/substrate chemistry This system can be integrated into the bed design or construction At this stage a new vision becomes clear – – – – – New ways of doing things New ways of integrating things More efficient use of materials More efficient use of water and nutrients Lower cost of installation 39 第4段階：生長点制御 • • • 個々のベッド制御手段 各ベッドまたは各栽培エリアには、専用 の制御システムが備わっています。 ベッド脇でモニターし制御する項目は 以下の通りです。 – – – – – – • • • 機能別制御のコンセプト策定後、アク チュエーターに重点を置くことができる にようになったことをご理解いただけた ことと思います。 では次に、個々のベッド制御について説 明します。 蘭日植物工場ワークショップ • 水 温度・湿度 光 肥料 成長率 土壌・生息環境の化学的性質 本システムはベッド設計または構造に統 合することができます。 この段階で新たな将来構想が明確になり ました。 – – – – – 新しい物事のやり方 新しい統合方法 資材の利用効率の改善 水・肥料の利用効率の改善 導入コストの削減 40 Journeys end: DCS platform architecture • • • Network • • Although we came to this architecture through the XMOS multi Core CPU this is but one implementation The most logical way forward is to deploy this as a decentralised solution on a network Netherlands Workshop on Plant Factories Next Step Evaluation DCS architecture Many questions to discuss – – – – Single function node Multi function node Wireless sensor nodes Separation of sensor and actuator functions – Integration with Plant factory design – Integration with third party equipment 41 道のりの終着点：DCS プラットフォーム構造 アプリ ケーショ ン専用 スライス ソフト ウェア XMOS プラット フォーム ネットワーク • • 機能別 I/O ハードウェア • • • 次の段階 DCS構造の評価 検討事項 単一機能ノード 多機能ノード ワイヤレスセンサーノード センサー機能とアクチュエーター 機能の分離 – 植物工場設計への統合 – サードパーティの装置との統合 – – – – この構造は、XMOSマルチコアCPUを利用して構 築していますが、一例にすぎません。 次の段階として最も論理的に考え得るのは、この構 造をネットワーク上で分散型ソューションとして展 開することです。 蘭日植物工場ワークショップ 42 Highly integrated smart devices Water in • • • • These decentralised control nodes will be highly integrated with the mechanical parts Take the water and fertigation controller for example Other functional controllers can be imagined Downsize to coffee machine technology Nutrients Wired or wireless network Control system Water valve Nutrient valve manifold driplines Netherlands Workshop on Plant Factories Sensor interfacing 43 Water, EC, PH sensors 高度に統合されたスマートデバイス 給水 • • • • この分散型制御ノードを機械パー ツと高度に統合する予定です。 水と肥料のコントローラーを例と して見てみましょう。 他のコントローラーについても、 ここから推測できるはずです。 コーヒーメーカーほどのサイズに 小型化します。 肥料投与 有線または ワイヤレス ネットワーク 制御システム 水 バルブ 肥料 バルブ 多岐管 ドリップライン 蘭日植物工場ワークショップ センサー 接続 44 水・EC・PH センサー Conclusions • We have made a journey away from traditional control systems towards a future control platform which differentiates itself considerably from our legacy products – – – – – – Platform architecture has replaced a product portfolio architecture Functional HW interfaces and functional control SW has replaced general purpose IO systems This architecture is based on the vertically arranged functional slices Cn be implemented on a multicore MCU Can be implemented as a distributed system The concept is focused on integration with actuators • It is not just a technical journey • Focus actuators and functional control provides Netherlands Workshop on Plant Factories – – – – Radical New perspectives New ways of integration New business models New business partners 45 結論 • 従来の制御システムから将来の制御プ ラットフォームへの道のりを振り返っ てきました。新しいプラットフォーム は当社のレガシー製品と大きく異なっ ています。 – – – – – – 製品ポートフォリオ構造からプラットフォー ム構造に転換 全般的な目的に対応したI/Oシステムから、機 能別ハードウェアインターフェースと機能別 制御ソフトウェアへの転換 垂直に積み重ねた機能別スライスをベースに した構造 マルチコアMCUに実装可能 分散型システムとして実装可能 アクチュエーターとの統合に重点を置いたコ ンセプト 蘭日植物工場ワークショップ • 単に技術を求める道のり ではありません。 • アクチュエーターに重点 を置き、機能別制御を提 供します。 – – – – 根本的に新しい観点 新しい統合方法 新しいビジネスモデル 新しいビジネスパートナー 46 Partners helping us with micro greenhouse research • XMOS • Multi core MCU • www.xmos.com • Murata • Sensor systems • www.murata.com Netherlands Workshop on Plant Factories 47 マイクロ温室のリサーチパートナー • XMOS • マルチコアMCU • www.xmos.com 蘭日植物工場ワークショップ • 村田製作所 • センサーシステム • www.murata.com 48 Report and references • The is an MSC report available about the Micro Greenhouse project • This is full of interesting information and references • Available for download from the workshop website Netherlands Workshop on Plant Factories 49 報告書および参考文献 • マイクロ温室プロジェクトに関するMSC報告書 の入手が可能です。 • 興味深い情報や参考文献が記載されています。 • 本ワークショップのウェブサイトからダウン ロードできます。 蘭日植物工場ワークショップ 50
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