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IPC（工控机）&CodeSYS与EtherCAT 的开放式实时架构
- PLC自动化
- 2026-08-02
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IPC（工控机）&CodeSYS与EtherCAT 的开放式实时架构
***PLC的输入输出端口需要格外供电***
***继电器输出都只是通断，并不供电，需外部供电。晶体管(接直流)与晶闸管(接交流)有源输出带电***
晶体管输出带不动大功率设备时可使用-》中间继电器-》设备
借助AI咨询硬件相关问题如：PNP传感器信号线是输出正还是负
CODESYS是一种功能强大的PLC软件编程工具
CODESYS编程环境开发机写程序编译后下载到装有CODESYS RunTime的IPC（性能不是很高的PC），开发机和运行机分开
Runtime Version 分 Control RTE 和 Softmtion RTE，其中Softmtion RTE 功能最全
CODESYS更像PLC里的JAVA
用了一段时间Codesys的人，都知道一些关于它的优点和缺点。
它支持6种PLC的编程语言，用户可以在同一个项目中选择不同的语言去写程序，支持树莓派系统，也是一款不受制造商限制的自动化软件。
但是Codesys只能为具有Codesys Runtime的设备进行编程。
没有Codesys Runtime的设备，就不能用这个平台，比如三菱的PLC就没有办法安装Codesys Runtime。虽然像倍福、施耐德、汇川这种安装有Codesys Runtime的产品，你可以使用这个平台，但是你使用的仍然是厂商二次开发的软件。
说明并不是所有的PLC都支持Codesys这样的一个软件平台，因为有的PLC厂家没有和Codesys软件商合作。
个人觉得，西门子的博图软件用的要比Codesys软件用的舒服。况且像西门子、三菱这种工控行业的巨头产业，他会一直进步的。
Codesys可以通过你的PC来运行程序，通过总线来达到控制设备的目的，但是用总线就要有Codesys的授权，要拥有授权就要收费，费用还挺高。
没有授权的话，能免费用两个小时。
发展前景个人现在觉得一般，但是以后西门子、三菱不作改进的话，它也还是有一定优势的。
如果你有倍福PLC的客户群体，把倍福玩转了，这个平台也会的差不多了。
个人意见，不喜勿喷，谢谢。
CODESYS 程序完整运行全流程（分 3 种运行模式，结合 IPC / 硬件控制器讲透）
CODESYS 程序不能直接在 Windows 普通桌面环境跑，必须依赖 Runtime 运行时内核，整体分为：离线仿真运行、硬件控制器运行、IPC 软 PLC 运行。
一、模式 1：IDE 内置仿真运行（仅调试，不带真实硬件）
1. 使用场景
写完程序，还没有实物 PLC/IPC，先验证逻辑、SFC 流程、单轴 / 凸轮逻辑，纯电脑虚拟运行。
2. 操作步骤
CODESYS IDE 写完程序（ST/LD/SFC），编译无报错；
顶部菜单栏 → 启动仿真（Simulation）；
软件自动加载虚拟 Runtime，生成虚拟 IO、虚拟 EtherCAT 总线、虚拟伺服轴；
在线监控变量，强制 IO、模拟传感器信号，测试设备动作逻辑。
3. 关键限制
无硬实时，周期抖动大；
无法驱动真实伺服、真实传感器；
关闭软件程序直接销毁，不保存。
二、模式 2：专用 CODESYS 硬件控制器运行（汇川 AC800、倍福 CX、万可 PFC、施耐德 LMC）
市面上预装 Runtime 的运动控制器，工业最常用方案
运行原理
控制器出厂固件内置 CODESYS Runtime，硬件自带实时调度芯片、EtherCAT 硬件接口。
完整步骤
1.PC 打开 CODESYS IDE，新建工程，导入对应设备 EDS 文件完成硬件组态；
2.编写控制逻辑、运动程序，编译；
3.网线连接电脑与控制器网口，设置同一网段，建立在线连接；
4.下载程序到控制器闪存（Flash）；
5.切换控制器为在线运行模式；
6.设备本地 Runtime 独立循环执行程序，断开电脑网线也持续运行；
7.掉电重启后，控制器自动加载闪存内程序，自动运行。
特点
1.出厂硬实时，125μs~1ms 周期稳定；
2.独立硬件，不受电脑影响；
3.程序永久存储在控制器本地。
三、模式 3：IPC 工控机 + CODESYS Runtime（软 PLC，重点，你前面问的 IPC 搭配）
IPC 只是一台工业电脑，本身没有 PLC 功能，必须手动安装 Runtime 才能跑程序。
细分两种系统：Windows IPC / Linux IPC
1、Windows IPC 流程
1.IPC 安装 Windows 系统，安装 CODESYS RTE（实时运行环境），可选 INtime 实时内核降低抖动；
2.电脑 IDE 编写程序，组态 EtherCAT 伺服 / IO；
3.网线直连 IPC，下载程序到 IPC 本地；
4.IPC 上的 RTE 进程后台常驻，以硬实时周期执行控制程序；
5.IPC 断电重启，RTE 自动开机启动，自动加载上次下载的控制程序。
2、Linux IPC（Xenomai 实时补丁，高端多轴设备）
1.IPC 装 Ubuntu / 实时 Linux，部署 Linux 版 CODESYS Runtime；
2.无显示器也能无头运行（后台静默跑 PLC 程序）；
3.性能优于 Windows，多轴同步、视觉联动首选。
IPC 软 PLC 核心特点
IPC 一机多用：一边跑 CODESYS 控制伺服，一边跑 Halcon 视觉、上位机数据采集、MES 通讯。
四、底层统一运行机制（所有模式通用原理）
1.编译：IDE 把 ST/LD 代码编译为 Runtime 可识别的中间二进制代码；
2.调度：Runtime 开启实时任务（周期任务，如 1ms），循环扫描用户程序；
3.IO / 总线交互
每周期开头：读取总线 IO、伺服编码器位置；
执行用户逻辑、运动算法（SoftMotion 凸轮 / 电子齿轮）；
周期末尾：输出控制指令给伺服、电磁阀、执行机构；
4.内存分区
过程映像区：缓存 IO 信号；
保持区：断电保存配方、计数、故障记录；
程序区：固化在控制器 / IPC 本地存储。
五、关键区分：IDE 和 Runtime 分工（很多人混淆）
1.CODESYS IDE（电脑软件）：只负责编写、下载、监控程序，不负责运行；
2.CODESYS Runtime（运行内核）：唯一真正执行 PLC 逻辑的程序，部署在控制器 / IPC 上；
简单比喻：
IDE = 手机微信编辑器；Runtime = 手机系统，程序必须装到 “手机（Runtime 载体）” 才能运行。
六、常见实操问题补充
1.下载程序后拔掉电脑，设备还能跑吗？
仿真模式：不能；硬件控制器 / IPC 软 PLC：完全可以，Runtime 本地独立运行。
2.程序掉电丢失怎么办？
下载时勾选「持久化存储」，程序写入 Flash / 硬盘，重启自动加载。
3.IPC 不装 RTE 能跑 CODESYS 程序吗？
不能，普通 Windows 桌面没有实时调度内核，缺少 Runtime 无法解析 PLC 程序。
工控机跑 CODESYS 软 PLC（IPC 模拟 PLC）硬性 + 软性完整条件
分四大块：硬件配置、系统环境、CODESYS 运行环境、网络总线配套要求，同时区分普通小型 IO 控制 / 多轴 EtherCAT 运动设备两套标准。
一、硬件硬性条件
1. CPU（核心决定实时性）
1）小型单机（≤8 轴、仅 IO 逻辑）
最低：4 核 Intel Celeron / J4125 / ARM 4 核
主频≥2.0GHz，关闭节能降频
2）多轴设备（EtherCAT 16 轴以上、龙门、飞剪、视觉联动）
推荐：Intel i5/i7 6 代及以上、酷睿低功耗 U 系列
必须关闭 CPU 节能（C-State、SpeedStep、睿频波动），防止周期抖动
3）ARM 工控盒低成本方案
四核 A53/A55，主频 1.5G 以上，支持 Linux Xenomai 实时补丁
2. 内存
最低 2GB；多轴 + 视觉 + HMI 同时运行推荐 4GB~8GB
禁止使用虚拟内存（页面文件全部关闭），磁盘交换会破坏硬实时
3. 存储
必须 SSD 固态硬盘，绝对不能用机械硬盘 HDD
HDD 读写延迟极高，会导致总线丢轴、运动抖动；128G SSD 足够
优先工业宽温 SSD，7×24 小时稳定运行
4. 网口（重中之重，分开两张网卡）
强制双网口设计，两张独立网卡，不能共享：
1.网口 A：管理网口（下载程序、上位 HMI、MES、OPC UA），普通千兆网卡
2.网口 B：EtherCAT 实时总线专用网卡（连接伺服、远程 IO）
Intel I210/I211 工业网卡最优，自带硬时间戳，EtherCAT 抖动最低
瑞昱 Realtek 网卡不推荐，实时性差，多轴容易报错
禁止单网卡同时跑 EtherCAT + 下载通讯，网络抢占会破坏实时周期
5. 整机工业特性（车间长期运行必备）
1.宽温：-20~60℃无风扇最佳，避免机房高温死机
2.抗干扰：金属机箱、隔离电源，避免变频器、伺服强电磁干扰
3.看门狗硬件：死机自动重启，无人产线刚需
4.供电：DC24V 工业电源输入，适配控制柜供电
二、操作系统条件（Windows / Linux 两条路线）
方案 A：Windows 工控机（最常用，上手简单）
1.系统版本
Win10 IoT Enterprise / Win11 IoT（专业版家庭版不推荐，后台更新干扰实时）
2.必须配套实时扩展二选一：
CODESYS 官方 RTE（自带轻量实时，适合≤16 轴）
INtime 实时内核（高性能，32 轴以上、高精度凸轮飞剪必备）
3.系统优化强制设置：
1）关闭 Windows 自动更新、后台扫描、杀毒实时防护
2）关闭 CPU 节能、休眠、屏幕自动关闭
3）关闭页面虚拟内存
4）防火墙放行 CODESYS 端口（1208、1210、4840 等）
5）EtherCAT 网卡关闭节能、巨型帧关闭
方案 B：Linux 实时系统（高端多轴首选，抖动最低）
1.系统：Ubuntu 20.04/22.04
2.必须打 Xenomai 3 实时补丁，构建硬实时内核
3.禁用桌面图形界面，无头后台运行（不启动显示器，减少资源占用）
4.单独给 EtherCAT 网卡绑定实时驱动
三、CODESYS 运行环境必备组件
1.对应系统 Runtime
Windows：CODESYS RTE（Runtime Environment），与 IDE 版本号严格匹配（IDE V3.5 SP22，RTE 必须同版本）
Linux：CODESYS Linux Runtime 安装包
2.EtherCAT 专用网卡驱动
Windows 下安装 CODESYS 实时网卡驱动，普通网卡驱动无法作为 EtherCAT 主站
3.授权（关键）
仿真无授权限制
工控机实际带伺服 / IO 运行：需要购买 CODESYS Runtime 授权
按轴数分级：8 轴、16 轴、32 轴、无限轴授权；无授权只能仿真，无法驱动真实硬件
4.功能库授权（按需）
SoftMotion 运动库、OPC UA、MQTT、安全逻辑 Safe 等高级功能需要单独授权
四、网络与总线配套条件
1.EtherCAT 总线侧
独立工业千兆网卡，使用屏蔽网线，两端接地
总线周期：125μs/250μs/500μs/1ms，CPU 性能必须支撑设定周期不超限
2.普通通讯（Modbus TCP/MQTT/ 上位监控）
另一张网卡单独走普通以太网，不占用实时任务周期
五、软件运行逻辑硬性约束（不满足就会失控）
1.实时任务优先级最高
Runtime 进程优先级高于所有系统进程、视觉软件、上位程序
2.资源隔离
多轴场景建议 CPU 核心隔离：指定 1~2 个 CPU 核心专门跑 Runtime，其他核心跑视觉、HMI，避免抢占
3.磁盘读写禁止在实时周期内执行
配方存储、日志保存放到非实时后台任务，否则运动抖动
六、极简选型区分
1. 小型设备（8 轴以内，仅普通 IO、气缸）
最低配置：4 核 J4125 + 4G 内存 + 128G SSD + 双千兆网口 + Win10 IoT + CODESYS RTE 基础授权
2. 高端多轴设备（16 轴以上、龙门、飞剪、视觉抓取）
推荐：i5-10400U 无风扇工控机 + 8G 内存 + 256G 工业 SSD + Intel I210 独立总线网卡 + INtime/Xenomai 实时系统 + 多轴 Runtime 授权
七、常见踩坑点（不满足则无法正常模拟 PLC）
1.只用单网卡：EtherCAT 总线抖动巨大，频繁丢从站
2.机械硬盘：实时周期超限，伺服报警
3.未装实时扩展：普通 Windows 无硬实时，不能用于运动控制，仅能做简易 IO
4.Runtime 版本和 IDE 不一致：无法下载程序、连接断开
5.无官方 Runtime 授权：能连接但无法输出伺服脉冲 / IO 信号，仅仿真模式
6.开启 CPU 节能：凸轮同步抖动，定位精度变差
CODESYS 软 PLC（IPC 工控机）IO + 电机完整控制实现流程
核心逻辑：IPC+CODESYS Runtime 作为 EtherCAT 主站，IO 模块、伺服电机全部是 EtherCAT 从站，通过一根屏蔽网线串联；程序在 IPC 实时内核周期循环执行，每毫秒读写总线数据，完成 IO 开关、电机点位 / 同步运动。
一、硬件整体拓扑（标准方案）
IPC（双网口工控机）
1.网口 1：管理网 → 电脑 CODESYS IDE 下载、触摸屏、MES 上位
2.网口 2：独立 EtherCAT 工业网卡（Intel I210 最优）→ 屏蔽网线串联所有从站
从站链顺序示例：EtherCAT 远程 IO 模块 → 伺服驱动器 1 → 伺服驱动器 2 → 终端电阻
数字 IO 模块：采集光电、接近开关、急停；输出电磁阀、指示灯、继电器
伺服驱动器：支持 CiA402 标准 EtherCAT 伺服（汇川、禾川、倍福、松下 EtherCAT 款）
二、第一步：软件总线主站配置（必须先做）
1.新建 CODESYS 标准工程，设备树右键添加：EtherCAT Master (SoftMotion)
2.双击 EtherCAT 主站，【通用】标签绑定专用 EtherCAT 网卡（按 MAC / 网卡名选择，区分管理网卡）
3.设置总线循环周期：
普通 IO 单机：1ms
多轴同步 / 龙门 / 飞剪：125μs~500μs
4.扫描总线从站：网线接好硬件后，右键主站【扫描设备】，自动导入伺服 / IO 的 EDS 描述文件，设备树生成对应 IO 轴对象。
三、第二部分：数字 IO 控制实现（输入采集 + 输出驱动）
1. 自动生成 IO 变量（无需手动映射寄存器）
扫描完 EtherCAT IO 模块后，设备树下自动生成结构体变量：
输入：EK1100_1.DigitalInputs.Ch01 通道 1 光电信号
输出：EK1100_1.DigitalOutputs.Ch01 电磁阀输出
2. 两种编程方式控制 IO
方式 1：ST 结构化文本（主流）
st
// 输入采集：读取急停、光电
VAR
bEmergencyStop : BOOL := EK1100_1.DigitalInputs.Ch00; // 急停常闭
bPhotoSensor : BOOL := EK1100_1.DigitalInputs.Ch01; // 来料光电
bValveOut : BOOL; // 电磁阀输出中间变量
END_VAR
// 逻辑：光电有料且无急停，打开电磁阀
IF NOT bEmergencyStop AND bPhotoSensor THEN
bValveOut := TRUE;
ELSE
bValveOut := FALSE;
END_IF
// 赋值到总线输出通道
EK1100_1.DigitalOutputs.Ch00 := bValveOut;
方式 2：LD 梯形图
直接拖拽常开 / 常闭触点、线圈，绑定总线 IO 通道，适合电工逻辑。
3. IO 底层运行机制
1.每个 EtherCAT 总线周期开头：Runtime 读取所有从站输入信号，存入内存过程映像区
2.执行用户逻辑（判断、联锁、启停）
3.周期末尾：把计算好的输出值下发到 IO 模块，驱动电磁阀、指示灯
4.实时性：微秒级刷新，无普通串口 Modbus 延迟
四、第三部分：伺服电机运动控制（SoftMotion 标准库）
所有 EtherCAT 伺服遵循 CiA402 协议，CODESYS 内置统一运动功能块，不同品牌伺服代码完全通用。
1. 轴对象自动生成
扫描伺服驱动器后，设备树出现Axis1、Axis2轴结构体，内置：
状态字：Axis1.StatusWord（伺服就绪、故障、使能状态）
控制字：Axis1.ControlWord（软件使能、故障复位）
实际位置 / 速度：Axis1.ActualPosition
目标位置：Axis1.TargetPosition
2. 基础单轴运动流程（标准四步）
1.MC_Power：伺服上电使能（安全前提）
2.MC_Reset：伺服故障复位
3.MC_Home：机械回零
4.MC_MoveAbsolute / MC_MoveRelative：绝对 / 相对点位运动
完整 ST 示例代码
st
VAR
// 运动功能块
AxisPower : MC_Power;
AxisReset : MC_Reset;
AxisHome : MC_Home;
AxisMoveAbs: MC_MoveAbsolute;
bStartRun : BOOL; // 启动按钮（IO输入）
END_VAR
// 1. 伺服使能
AxisPower.Axis := Axis1;
AxisPower.Enable := TRUE;
AxisPower.QuickStop := TRUE;
// 2. 故障自动复位
AxisReset.Axis := Axis1;
AxisReset.Execute := Axis1.StatusWord.Bit3; // 故障位触发复位
// 3. 回零触发
AxisHome.Axis := Axis1;
AxisHome.Execute := NOT AxisHome.Done AND AxisPower.Status;
AxisHome.Position := 0;
// 4. 点位运动：启动后走到10000脉冲位置
AxisMoveAbs.Axis := Axis1;
AxisMoveAbs.Execute := bStartRun AND AxisHome.Done;
AxisMoveAbs.Position := 10000;
AxisMoveAbs.Velocity := 1000;
AxisMoveAbs.Acceleration := 5000;
AxisMoveAbs.Jerk := 10000;
3. 多轴同步高级控制（设备常用）
全部内置 SoftMotion 标准功能块，无需复杂运算：
1.电子齿轮 MC_GearIn：输送带跟随主轴
2.电子凸轮 MC_CamIn：飞剪、裁切、随动抓取
3.MC_CamTableSelect：加载自定义凸轮曲线
4.MC_CoupledAxis：龙门双驱同步，消除横梁偏差
4. 电机底层通讯原理
1.总线周期内，主站 IPC 下发控制字 + 目标位置 / 速度给伺服驱动器
2.伺服闭环运行，编码器实时反馈实际位置上传 IPC
3.Runtime 对比目标与实际位置，下周期自动调整速度，实现高精度定位
4.实时周期 125μs 时，定位误差可控制在 0.01 脉冲内
五、关键：软 PLC 实时调度核心（IPC 区别普通电脑）
1.Windows IPC 安装 CODESYS RTE / INtime；Linux 安装 Xenomai 实时补丁
2.Runtime 进程抢占最高系统优先级，CPU 单独核心隔离，杀毒、桌面、更新全部关闭
3.总线任务为硬实时周期任务，优先于 HMI、视觉、数据库等非实时程序
4.周期内只处理总线 IO 与运动逻辑；日志、配方存储放到后台非实时任务，避免抖动
六、拓展方案：无 EtherCAT 总线时的 IO 控制
如果现场只有普通 Modbus RTU/TP IO 模块：
1.在设备树添加 Modbus TCP Master 主站
2.扫描 Modbus IO 从站，映射寄存器到 PLC 变量
3.优缺点：成本低，但周期延迟高，不能用于伺服高精度运动，仅适合简易开关量控制
七、常见避坑要点
1.EtherCAT 网卡必须独立，不能和下载网口共用，否则运动抖动、丢轴
2.机械硬盘禁止使用，磁盘 IO 会击穿实时周期，伺服频繁报警
3.Runtime 授权必须购买对应轴数，无授权只能仿真，无法驱动真实电机 / IO
4.伺服 EDS 文件匹配驱动器型号，否则轴状态无法读取、不能使能
5急停、安全回路建议硬件硬接线串联，不依赖软 PLC 程序逻辑，满足安全规范
EtherCAT 从站完整讲解（CODESYS 软 PLC 场景）
一、什么是 EtherCAT 从站
EtherCAT 是一主多从实时总线架构：
主站：你的工控机 IPC（CODESYS Runtime），唯一发指令、跑逻辑的设备；
从站：挂在 EtherCAT 总线上、接收主站指令、执行硬件动作、上传采集信号的所有外设。
总线数据流：主站发送一帧数据包，串行流过所有从站，每个从站只读取属于自己的数据，插入自身反馈数据，数据包回流主站，延迟微秒级。
所有从站无独立控制逻辑，完全受主站调度。
二、EtherCAT 从站完整分类（自动化最常用）
1. 伺服驱动器（最核心运动类从站，CiA402 标准）
作用：驱动伺服电机、步进电机，执行点位 / 同步运动
主流品牌：汇川、禾川、倍福、伦茨、施耐德、松下 EtherCAT 款、博世力士乐
功能：
接收主站目标位置、速度、使能指令
本地三环闭环控制电机
上传编码器位置、报警、限位、电流状态
配套：伺服电机、刹车、原点 / 正负限位开关
2. 远程 IO 模块（开关量采集输出）
数字量 IO：采集光电、接近、急停、按钮；输出电磁阀、指示灯、继电器
倍福 EK 系列（EK1100 耦合器 + EL 数字 IO 端子模块）
国产：汇川 EtherCAT IO、微秒、英威腾远程 IO
模拟量 IO 模块（EL3xxx/EL4xxx）：
AI 模拟输入：0-10V/4-20mA 压力、温度、液位传感器
AO 模拟输出：比例阀、变频给定电压信号
3. 一体式步进 / 伺服一体机
小型设备专用，驱动 + 电机一体，直接 EtherCAT 总线，节省控制柜空间。
4. 总线阀岛（气动电磁阀从站）
费斯托、SMC、亚德客 EtherCAT 阀岛
内置多路电磁阀，主站下发位信号直接控制气缸伸缩，流水线大量使用。
5. 编码器采集模块
EL5000 系列，外接外部光栅尺、旋转编码器，独立位置采集，用于龙门、机床双位置反馈。
6. 温控模块（加热 / 温度控制从站）
EL2872 等，接热电偶、PT100，主站下发温度设定值，模块本地 PID 控温。
7. 机器视觉相机（EtherCAT 视觉从站）
工业 EtherCAT 相机，总线同步触发拍照，直接将坐标、识别结果上传主站，视觉 + 运动硬同步。
8. 机器人关节驱动器
多关节协作机器人每个轴驱动器作为独立 EtherCAT 从站，由 IPC 主站做轨迹规划。
9. 变频器（EtherCAT 款）
风机、输送皮带变频调速，主站下发转速、启停指令。
三、补充关键知识点
1.从站必须带 ESC 芯片
每台 EtherCAT 从站硬件内部都有专用 ESC 从站控制器芯片，负责解析总线报文；普通 Modbus 设备不能直接当 EtherCAT 从站。
2.一条总线可串联几十台从站
网线手拉手串联：IPC 总线网卡 → 伺服 1 → IO 模块 → 阀岛 → 伺服 2，最后终端加终端电阻。
3.所有从站统一在 CODESYS 配置
导入厂商 EDS 描述文件，扫描总线后自动识别，变量自动映射，ST 程序直接读写。
4.区分：EtherCAT 从站≠PLC
从站只有硬件驱动能力，没有程序运算；所有逻辑、运动规划全部由 IPC 主站 CODESYS 程序完成。
四、最简设备总线举例
IPC (EtherCAT 主站) → 汇川伺服驱动器 (从站 1) → 倍福 EL1004 输入模块 (从站 2) → EL2008 输出模块 (从站 3) → 费斯托阀岛 (从站 4)
主站循环下发指令：控制电机走动、气缸开关，同时读取光电、急停信号。
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