工控机# 工控机
#工控机# 工控机（Industrial Personal Computer, IPC）品牌榜单随着时间的变化可能会有所调整，但以下品牌在2024年的工控机市场中被公认为领先的品牌：
1. **西门子SIEMENS**：德国品牌，全球知名的工业自动化解决方案提供商，提供多种工控机产品。
2. **PHOENIX菲尼克斯**：德国品牌，专注于电气连接技术和电子接口技术，也提供工业计算机解决方案。
3. **宝德PowerLeader**：中国品牌，专注于服务器和存储产品的研发与制造，也涉足工控机领域。
4. **研华Advantech**：中国台湾品牌，全球领先的工业自动化和嵌入式计算机解决方案提供商。
5. **添添呼ttf**：这个品牌在提及的榜单中出现，但具体信息较少，可能是一个专注于特定工业应用领域的工控机品牌。
6. **EVOC研祥**：中国品牌，提供高性能工控机和嵌入式计算机解决方案。
7. **Contex康泰克斯**：可能是Contec或Cntec的误写，日本品牌，提供工业自动化和控制产品。
8. **互视达**：中国品牌，专注于视频监控和网络通信设备，可能也提供工控机解决方案。
9. **贝加莱B&R**：奥地利品牌，提供自动化技术，包括工控机和控制系统。
10. **可塑科技**：这个品牌在提及的榜单中出现，但具体信息较少，可能是一个新兴或专注于特定市场的工控机品牌。
此外，其他知名的工控机品牌还包括：
- **天迪工控tardetech**：可能是指天迪科技，中国品牌，专注于工业自动化产品。
- **康泰克Contec**：日本品牌，提供工业自动化和测量设备。
- **威强电IEI**：中国台湾品牌，提供工业计算机和嵌入式系统。
- **控创Kontron**：德国品牌，专注于嵌入式计算机模块和系统。
- **倍福BECKHOFF**：德国品牌，提供开放式自动化系统和PC控制技术。
- **华北工控**：中国品牌，专注于工业自动化和控制产品。
请注意，这些信息基于2024年的数据，工控机市场可能会因为技术创新和市场趋势的变化而产生新的竞争者或者导致现有品牌的排名发生变化。如果您需要最新信息，建议查阅最新的行业报告或市场分析。
EtherCAT总线运动控制协议分析—从Wireshark抓封包说起
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【导读】EtherCAT ( Ethernet for Control Automation Technology ) 是一种基于以太网的开放构架的实时工业现场总线通讯协议，它于2003年被引入市场，于2007年成为国际标准，并于2014年成为中国国家标准。
本文首先在EtherCAT主站上采用Wireshark进行网络抓包并详细分析了EtherCAT协议帧，进而描述了EtherCAT的工作原理，最后介绍PCI -1203作为主站EtherCAT对运动控制和IO控制功能的软件及硬件集成。
一. 工控机上PCI-1203作为主站使用Wireshark网络抓包EtherCAT协议分析
首先介绍一下工具，如下面所示，主控主机上插上PCI-1203板卡，用网线连接1203和EtherCAT步进驱动器(Ever Elettronica)，安装1203的驱动和调试软件Uitility，最后下载并安装Wireshark抓包软件。需要注意思的是，因为1203上的网口并不是真正的以太网口，所以采用以下交换机(Switch)中转的拓扑型的连接方式。
Wireshark (前称Ethereal) 是目前全世界最广泛的网络封包分析软件之一，它使用WinPcap作为接口，直接与网卡进行数据报文交换。在过去，网络封包分析软件是非常昂贵的，或是专门属于盈利用的软件，Ethereal的出现改变了这一切。在GNUGPL通用许可证的保障范围底下，使用者可以免费取得软件与其源代码，并拥有针对其源代码修改及客制化的权利。
下面进入主题，首先运行Wireshark(v2.4.1)，点击菜单中的"捕获-选项",弹出捕获接口对话框，如下图所示，选择接入路由器的那个本地连接，点击开始按扭。
然后打开1203的调试工具Utility，点选1203并找到从站设备后，再回到Wireshark，它就已经不断地在捕获EtherCAT的数据包了。Wiresharv2.4.1版本已经集成了EtherCAT协议分析插件，直接可以分析EtherCAT的协议内容。下面我们结合EtherCAT协议来分析下封包数据。
从上图可以看出，EtherCAT 网络采用的是主从式（Master/Slave）通信方式，主站发起EtherCAT 下行数据帧，数据帧遍历所有的从站。下图红或绿色框内两条数据包完成了一次周期通讯，已经历遍包括所有的从站。红绿框中紫色框中的时间差为0.000502s，即500us为PCI-1203的扫描周期时间。
Wireshark分析解析部分与以下EtherCAT协议格式完全符合，我们重点关注一下EtherCAT子报文。
名称
含义
子报文头
命令(Cmd)
EtherCAT 命令类型
索引(Idx)
帧索引，由主站指定，以防止帧重复或丢失
地址区(Address)
从站地址(根据不同的寻址方式含义不一样)
长度(Len)
子报文数据区的长度
C
循环帧标志: 1 - 循环帧; 0 – 非循环帧
M
最后一个子报文标志: 0 – 该子报文已经是最后一个; 0 – 后面还有后续子报文
IRQ
中断事件: 所有从站的事件请求寄存器的逻辑或
数据区
EtherCAT数据
工作计数器(WKC)
从站硬件把报文的工作计数器加1，表示该数据被处理
结合Wireshark的抓取的数据包，EtherCAT的协议帧基本上比较清晰了。
最后我们来看一下EtherCAT的命令Cmd类型。目前共有15种命令类型，对于读写操作命令，读操作先于写操作。
这15种命令类型为主从站的数据读写操作提供了丰富的方式，提高了数据交换的效率。
二. EtherCAT的工作原理及PCI -1203主站的运动和IO控制功能集成
1. EtherCAT的工作原理
EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一种用于确定性以太网的高性能工业通信协议，它扩展了IEEE 802.3以太网标准，使得数据传输中具有可预测性定时及高精度同步等特点。这个开放性标准作为IEC 61158的组成部分，常用于运动控制及IO控制等应用中。
从以上Wireshark协议分析过程可以看出，EtherCAT协议结构组成与常用的Modbus TCP等协议的结构大同小异，但为什么它能实现更高速的数据传输呢？
如上图所示，传统ModbusTCP等通讯方式，从站MCU需要接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。假设有50台从设备，需要向每个从设备发送不同数据，总共需要发送50个不同的数据包，这种数据率是比较低的。
EtherCAT通讯方式突破了这种限制，这是因为EtherCAT从站上使用专用的从站控制芯片ESC(EtherCAT Slave Control)，它采用介质访问控制方式(MAC,Media Access Control)，即以太网帧内部所使用的协议。主站发起EtherCAT 下行数据帧，数据帧遍历所有的从站，每个从站在数据帧经过时分析寻址到本站数据，并根据帧中的命令来提取数据或插入返回数据，然后更新数据帧中相应的工作计数器(WKC)以标识出该数据帧被从站处理过；一个从站处理完数据帧中与本从站相关的部分后就会将它转发到下一个相邻的从站。在从站中，数据帧的接收与解码、数据的提取与插入、数据帧的转发都是由硬件来实现的，这使得 EtherCAT 数据帧经过每个从站的时间极小，延迟约为100~500ns，保证了网络的高度实时性。遍历完所有从站后，经过从站处理后的数据帧作为上行帧从最后一个从站返回主站。主站收到上行数据报文后，处理返回的数据，一次通信结束。EtherCAT 这种通信机制使整个网络中不会出现通信冲突，从而使网络具有确定性和高度实时性。假设有50台从设备，对于EtherCAT，只需发送一个包含所有从设备数据的长数据包就行了，该数据包将遍历所有从设备。如果所有从设备需要接受相同的数据，那么只需要发送一个短数据包，所有从设备接收数据包的同一部分便可获得该数据，从而优化了数据传输速度及带宽。
简单点来说，EtherCAT从站多了个ESC(EtherCAT Slave Controller从站芯片)硬件及协议栈，相当于多了个专职的管家。打个比方，这就很像现实生活中的火车，连接的部分是轨道，每个节点就像一个车站，而数据就是火车上的乘客。但与其它以太网标准不同，EtherCAT是实时的，每个节点都有进口和出口，这就好比乘客在每一站不需火车停车，就可以顺利地上下车。换句话说，EtherCAT基本上是没有延迟的，这对需要实时控制的电机来说非常重要。
另一个重要特性，EtherCAT的分布式时钟(DC，Dsitributed Clock)可以使所有EtherCAT设备使用相同的系统时间，从而控制各设备任务的同步执行。精确同步对于同时动作的分布过程而言尤为重要，例如，几个伺服轴在同时执行协调运动时便是如此。最有效的同步方法是精确排列分布时钟。简单点来说就是，两个人(或多个人)拿着手表在一起，通过对点的方式确保各自的时间是一致的。这样，在后续的某个约定的时间，一起做某事才能确保是同步去做的。否则就会有时间的误差，就会影响办事。
简单总一下，EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，它符合甚至降低了现场总线的使用成本。同时，它还包括高精度设备同步(分布式时钟DC)，EtherCAT冗余，热插拔技术和功能性安全协议(SIL3)。其他的EtherCAT特性请参考EtherCAT特点详解。
2. PCI -1203主站的运动和IO控制功能集成
从以上EtherCAT协议分析来看，单帧EtherCAT本身并不复杂，但如果要实现多从站设备精确同步控制，数据内存寻址及出错等处理，又要同时保证实时性能的话就比较繁琐复杂。
研华PCI-1203 能够为 EtherCAT 通信自动执行数据交换与内存寻址进程。EtherCAT的高性能通信特性使用户无需应对复杂的 EtherCAT通信协议。PCI-1203自带650MHz双核心ARM处理器，板载实时Linux OS系统，双主站设计，达到效能最佳化；运动主控制器的循环时间小于 500 微秒，I/O 主控制器的循环时间小于 200 微秒。无需占用 PC 中的 CPU 资源，支持高准确度轨迹规划和快速响应时间，提升周期性数据交换速度。并且通过一个从站参考时钟同步所有从站时钟，实现延迟补偿和运行时监控和偏差修正等功能。
虽然从站设备都遵循EtherCAT协议，但不同品牌的从站设备在兼容性上还存在一定的问题，目前能PCI-1203 支持的EtherCAT从站设备列表如下图所示，当然仍然在不断扩充中。对于传统的脉冲型的伺服及步进，还有专门的EtherCAT转脉冲模块，如AMAX-3285等。
单张PCI卡(多张则用板卡上拨码ID区分)目前支持到 32 轴直线圆弧等空间插补，支持立即和缓冲区插补，额外支持板载 8路隔离 DI和 4 路隔离 DO。当然也可以通过1203的IO Ring口扩展更多的数字和模拟量IO模块。
在软件二次开发上，PCI-1203通过 “Common Motion API” 整合所有研华 SoftMotion控制卡的软件编程，即在PC上使用高级语言C++,LabVIEW,.NET,Python,Delphi等进行软件开发。
Common Motion API 是为了统一所有研华运动控制卡的软件接口，也就是说，不管是4，6，8，10，16，32轴运动控制卡，软件开发都只需要用统一的软件接口，这样就降低了软件维护成本并具备可扩展性。具体的Common Motion API ，将在该系列中用专门的文章再作详细的介绍。
最后，介绍一下1203软件有特色的ARES(Advantech Realtime Enhanced Script)功能。从名称上可以看出，ARES是为了增强运动和IO控制的实时性能而产生的，称之为实时增强脚本功能。
对于基于PC架构的运动轨迹控制及IO来说，由于Windows不是实时的操作系统，所以实时性是一个必须考量的问题。举个粟子来说，要实现如下图所示运动轨迹。
对于采用直接直线插补的方式来说，当CPU在做其他高负荷的运算(如视觉算法等)，最糟糕的情况是会出现运动轨迹的停顿现象，这是不被允许的。
当然一般运动控制卡目前的解决办法是在缓冲区里做插补。PCI-1203也提供了Path运动，即缓冲区插补功能，如果下图所示，可以任意编辑运动轨迹的路径数据，然后下载到缓冲FIFO中，最后启动路径运动指令并等待路径运动结束(当然路径运动中间也是可以暂停或有DIO控制的)。
但是，缓冲区插补也有不足的地方的。比如说，路径指令中没有逻辑控制指令(If Else While等指令)，也就是说路径轨迹是预设好的，路径运动启动后不能更改，除非停止运动并重新下载新的路径数据。比如说，一个路径运动中要去等待另一个路径运动结束后才执行下一条指令，或者等待一个DI信号，或者等待插补速度高于200mm/s时才执行下一条指令等等。
PCI-1203的ARES正是为解决这种问题而产生的。简单点来说，ARES就是实现一种可编程的可逻辑控制的缓冲区插补功能。它用类似于G-Code那样的语言，即脚本语言，允许上位程序把高实时性要求的运动及IO控制通过脚本逻辑形式下载到板卡内部缓冲区，从而获得更弹性的运动及IO控制性能。它主要的实现原理是指令队列预读及缓冲机制，具体的实现将在该系列中用专门的文章再作详细的介绍。下图为ARES的编译软件平台，只需要编写运动轨迹和IO控制逻辑后，编译并下载到PCI-1203即可。
最后，EtherCAT总线运动控制系列文章开篇就这样结束了，原创不易，转载请注明出处。
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