Industrial Ethernet 심화 · 5/12

EtherCAT Master 구현 비교 — SOEM·IgH·TwinCAT 분석

2026년 5월 13일 · Hawk · 8분 읽기

#한 줄 요약

“EtherCAT 마스터는 전용 하드웨어가 아니라 일반 NIC + 결정적 소프트웨어로 만든다.” SOEM(작고 portable), IgH(커널 모듈, 고성능), TwinCAT(상용 Windows) 셋 중 목적에 맞춰 고릅니다.

EtherCAT의 경제성을 떠받치는 핵심은 마스터의 단순함입니다. 슬레이브는 ASIC이 필요하지만, 마스터는 일반 1 Gbps NIC + Linux PC면 충분합니다. 이 비대칭이 EtherCAT을 빠르게 퍼뜨렸습니다.

이 장은 마스터 측 구현 세 가지를 비교하고, SOEM C API로 간단한 마스터 코드를 직접 짜 봅니다. 마지막에 슬레이브 측의 ESC 칩 선택과 ENI/ESI XML 파일 구조를 정리합니다.

#세 가지 마스터 — 한눈 비교

항목	SOEM	IgH (EtherCAT Master)	TwinCAT
라이선스	2-clause BSD	LGPL/GPL	Beckhoff 상용
형태	순수 C 라이브러리	커널 모듈 + userspace lib	Windows 통합 IDE
OS	Linux/Windows/RTOS	Linux (커널 패치)	Windows + RT extension
최소 cycle	1 ms (소프트)	100 μs (RT 커널)	50 μs (RTOS)
라이브러리 코드량	~10K LoC	~50K LoC	비공개
학습 곡선	낮음	중간	낮음 (GUI)
진입 비용	0	0	라이선스 비용

세 가지 모두 정상 동작하지만 지향점이 다릅니다.

SOEM: 가볍게 시작하고 싶을 때. 임베디드 RTOS(FreeRTOS, NuttX)에도 포팅 가능.
IgH: production 수준의 결정성. CNC, 로봇 컨트롤러 등에 적합.
TwinCAT: PLC 프로그래머가 익숙한 환경. Beckhoff IO 모듈과 매칭이 자연스러움.

한국 시장도 셋 다 쓰입니다. 대형 로봇 라인은 production-grade IgH, 임베디드 도입은 SOEM 포팅, PLC 환경은 TwinCAT이 전형적인 분포입니다. (특정 회사·라인별 채택 사례는 비공개 정보가 많음. 구체 사례 검증은 공식 발표·기술 자료 기반 권장.)

#SOEM — Simple Open EtherCAT Master

SOEM은 학습용 + 임베디드용 마스터의 표준입니다. 코드가 10K 줄 정도라서 읽고 이해할 수 있는 크기입니다.

#빌드

1
$ git clone https://github.com/OpenEtherCATsociety/SOEM.git
2
$ cd SOEM
3
$ mkdir build && cd build
4
$ cmake .. && make
5
$ sudo make install
6

7
# 또는 시스템 패키지로
8
$ sudo apt install libsoem-dev

빌드 후 libsoem.a와 헤더 ethercat.h가 설치됩니다.

#최소 마스터 코드

64-bit EtherCAT 슬레이브 한 개를 Op 상태로 끌어올리고 주기 process data를 주고받는 최소 예제입니다.

1
#include <stdio.h>
2
#include <stdlib.h>
3
#include <string.h>
4
#include <time.h>
5
#include <unistd.h>
6
#include "ethercat.h"
7

8
#define IF_NAME "eth0"
9
#define EC_TIMEOUT 5000
10

11
static char IOmap[4096];
12

13
int main(int argc, char *argv[]) {
14
    /* 1. EtherCAT 망 초기화 (NIC 이름으로 raw socket 오픈) */
15
    if (!ec_init(IF_NAME)) {
16
        printf("ec_init on %s failed\n", IF_NAME);
17
        return 1;
18
    }
19
    printf("ec_init succeeded\n");
20

21
    /* 2. 슬레이브 검색 + state machine 설정 */
22
    if (ec_config_init(FALSE) <= 0) {
23
        printf("No slaves found\n");
24
        ec_close();
25
        return 1;
26
    }
27
    printf("%d slaves found\n", ec_slavecount);
28

29
    /* 3. process data 매핑 (FMMU 자동 설정) */
30
    ec_config_map(&IOmap);
31

32
    /* 4. DC 동기 시작 (DC-capable slave만 적용됨) */
33
    ec_configdc();
34

35
    /* 5. Safe-Op 도달 대기 */
36
    ec_statecheck(0, EC_STATE_SAFE_OP, EC_TIMEOUT * 3);
37

38
    /* 6. Operational 요청 */
39
    ec_slave[0].state = EC_STATE_OPERATIONAL;
40
    ec_send_processdata();          /* dummy 송신: Op 진입 트리거 */
41
    ec_receive_processdata(EC_TIMEOUT);
42
    ec_writestate(0);
43

44
    /* 7. Op 도달까지 대기 (최대 200 ms) */
45
    int chk = 40;
46
    do {
47
        ec_send_processdata();
48
        ec_receive_processdata(EC_TIMEOUT);
49
        ec_statecheck(0, EC_STATE_OPERATIONAL, 50000);
50
    } while (chk-- && (ec_slave[0].state != EC_STATE_OPERATIONAL));
51

52
    if (ec_slave[0].state != EC_STATE_OPERATIONAL) {
53
        printf("Failed to reach OP state\n");
54
        ec_close();
55
        return 1;
56
    }
57

58
    /* 8. 주기 사이클 (간단 예: 1 ms cycle을 1000회 반복) */
59
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
60
        ec_send_processdata();
61
        int wkc = ec_receive_processdata(EC_TIMEOUT);
62
        if (wkc < ec_group[0].expectedWKC) {
63
            printf("cycle %d: WKC mismatch (%d / %d)\n",
64
                   i, wkc, ec_group[0].expectedWKC);
65
        }
66
        usleep(1000);              /* 1 ms */
67
    }
68

69
    /* 9. 종료 */
70
    ec_slave[0].state = EC_STATE_INIT;
71
    ec_writestate(0);
72
    ec_close();
73
    return 0;
74
}

코드의 핵심 함수 다섯입니다.

함수	역할
`ec_init()`	NIC raw socket 오픈
`ec_config_init()`	슬레이브 검색, station address 부여
`ec_config_map()`	FMMU/SM 설정, process image 매핑
`ec_send_processdata()`	LRW 명령 비동기 전송
`ec_receive_processdata()`	응답 수신 + WKC 검증

빌드는 gcc main.c -lsoem -lpthread -lrt. 실행은 sudo가 필요합니다(raw socket 권한).

#실행 예

1
$ sudo ./simple_master
2
ec_init succeeded
3
4 slaves found
4
Slave 1: EK1100 - EtherCAT Coupler
5
Slave 2: EL1004 - 4 Ch Digital Input
6
Slave 3: EL2004 - 4 Ch Digital Output
7
Slave 4: EL3001 - 1 Ch Analog Input
8
SM/FMMU configured, IOmap size = 16 bytes
9
DC sync configured for 2 slaves
10
Reached OP state
11
cycle 250: data = 0x0a 0x00 0x42 0x18 ...
12
cycle 500: data = 0x0a 0x00 0x42 0x18 ...
13
...

#RT cycle thread

위 코드의 usleep(1000)은 예시입니다. real cycle은 clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, TIMER_ABSTIME, ...)로 절대 시각 wakeup을 씁니다.

1
struct timespec next_cycle;
2
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &next_cycle);
3

4
while (running) {
5
    next_cycle.tv_nsec += 1000000;  /* 1 ms */
6
    if (next_cycle.tv_nsec >= 1000000000) {
7
        next_cycle.tv_sec++;
8
        next_cycle.tv_nsec -= 1000000000;
9
    }
10
    clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, TIMER_ABSTIME, &next_cycle, NULL);
11

12
    ec_send_processdata();
13
    ec_receive_processdata(EC_TIMEOUT);
14

15
    /* control logic here */
16
}

여기에 PREEMPT_RT 커널 + SCHED_FIFO + mlockall + IRQ affinity를 모두 추가하면 ±10 μs jitter 정도가 나옵니다. ns급이 필요하면 IgH 또는 dedicated NIC가 필요합니다.

#IgH EtherCAT Master

IgH(EtherCAT Master, Ingenieurgemeinschaft IgH가 개발)는 커널 모듈 + userspace 라이브러리 구조입니다.

IgH 구조 — userspace API → ioctl → userspace lib → /dev/EtherCAT0 → 커널 모듈 → NIC

IgH가 SOEM보다 빠른 이유는 NIC 드라이버 자체를 패치해서 DMA 경로를 RT-friendly하게 만들기 때문입니다. e1000e, igb, r8169 같은 일반 드라이버에 고유 패치가 들어갑니다.

#설치 (간단 요약)

1
$ git clone https://gitlab.com/etherlab.org/ethercat.git
2
$ cd ethercat
3
$ ./bootstrap
4
$ ./configure --prefix=/opt/etherlab \
5
              --enable-generic \
6
              --enable-e1000e
7
$ make all modules
8
$ sudo make modules_install install
9

10
# /etc/sysconfig/ethercat에서 MASTER0_DEVICE 설정
11
# systemctl start ethercat

./configure --enable-XXX로 어떤 NIC 드라이버를 패치할지 선택합니다. generic은 일반 socket으로 동작(성능 낮음). production은 전용 드라이버 패치를 활성화합니다.

#IgH userspace API 예

1
#include <ecrt.h>
2

3
static ec_master_t *master;
4
static ec_domain_t *domain;
5
static ec_slave_config_t *sc;
6

7
int main(void) {
8
    master = ecrt_request_master(0);
9
    domain = ecrt_master_create_domain(master);
10

11
    sc = ecrt_master_slave_config(master, 0, 1, 0x00000002, 0x044C2C52);
12
    /* PDO 매핑 등 설정 생략 */
13

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    ecrt_master_activate(master);
15

16
    /* RT loop */
17
    while (1) {
18
        ecrt_master_receive(master);
19
        ecrt_domain_process(domain);
20
        /* control */
21
        ecrt_domain_queue(domain);
22
        ecrt_master_send(master);
23
    }
24
}

SOEM의 ec_send_processdata / ec_receive_processdata와 의미가 같지만, 함수 이름 prefix가 ecrt_*입니다.

#TwinCAT (Beckhoff)

TwinCAT은 Windows + RT extension 위에서 동작합니다. PLC 프로그래머의 도구입니다. ladder logic, structured text, motion control NC가 동일 IDE에 통합되어 있습니다.

1
TwinCAT 구조
2
  Visual Studio + TwinCAT IDE (개발)
3
       ↓
4
  TwinCAT XAE / XAR (Runtime)
5
       ↓
6
  Windows + RT extension (kernel-level scheduler)
7
       ↓
8
  Intel NIC (TwinCAT real-time driver)
9
       ↓
10
  EtherCAT 망

TwinCAT의 강점은 모션·CNC·visualization 통합입니다. SOEM/IgH는 EtherCAT만 다룹니다. PLC 로직과 HMI는 별도로 구현해야 합니다. TwinCAT은 한 IDE에서 모두를 합칩니다.

라이선스 비용은 보통 프로젝트당 수백만 원 수준입니다. ROI는 통합된 도구 환경에서 옵니다.

#슬레이브 ESC 칩 — 선택 가이드

슬레이브 측 ESC 칩 선택은 시스템 비용과 성능의 핵심입니다.

칩	포트 수	FMMU	SM	DPRAM	호스트 IF	특징
ET1100	4	8	8	8KB	8/16 bit μC, SPI	Beckhoff 원조
ET1200	3	3	4	1KB	8/16 bit μC, SPI	저가형
LAN9252	3	8	4	4KB	SPI, HBI	Microchip, 가성비
LAN9253	3	8	4	8KB	SPI, HBI	LAN9252 후속
AX58100	2	8	8	8KB	SPI	ASIX, ET1100 호환
ESC IP core	가변	가변	가변	가변	자유	FPGA로 통합

대부분의 슬레이브 보드는 MCU 한 개 + ESC 칩 한 개 구조입니다.

EtherCAT 슬레이브 보드 — RJ45 IN/OUT, LAN9252 ESC, SPI로 STM32F4 연결

STM32 측 application은 EtherCAT Slave Stack을 돌립니다. Beckhoff가 Slave Stack Code (SSC) tool로 자동 생성 코드를 제공합니다. ETG 가입사라면 무료로 받을 수 있습니다.

#ESI (EtherCAT Slave Information) XML

각 슬레이브 모델은 ESI XML을 가집니다. 슬레이브 제조사가 모델별로 발행합니다. 마스터는 이 XML을 읽어 어떤 PDO를 매핑할지, 어떤 mailbox 프로토콜이 지원되는지 알아냅니다.

1
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
2
<EtherCATInfo xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance">
3
  <Vendor>
4
    <Id>#x00000002</Id>             <!-- Beckhoff Vendor ID -->
5
    <Name>Beckhoff Automation GmbH</Name>
6
  </Vendor>
7
  <Descriptions>
8
    <Devices>
9
      <Device Physics="YY">
10
        <Type ProductCode="#x044C2C52" RevisionNo="#x00100000">EL1004</Type>
11
        <Name>EL1004 4 Ch. Dig. Input 24V, 3ms</Name>
12
        <Info>
13
          <VendorSpecific>
14
            <TwinCAT>
15
              <PdoSize>2</PdoSize>
16
            </TwinCAT>
17
          </VendorSpecific>
18
        </Info>
19
        <Fmmu>Inputs</Fmmu>
20
        <Sm Enable="1" StartAddress="#x1000" ControlByte="#x00" DefaultSize="0">MBoxOut</Sm>
21
        <Sm Enable="1" StartAddress="#x1080" ControlByte="#x00" DefaultSize="0">MBoxIn</Sm>
22
        <Sm Enable="1" StartAddress="#x1100" ControlByte="#x00" DefaultSize="0">Inputs</Sm>
23
        <TxPdo Fixed="true" Mandatory="true" Sm="3">
24
          <Index>#x1A00</Index>
25
          <Name>Channel 1</Name>
26
          <Entry>
27
            <Index>#x6000</Index>
28
            <SubIndex>1</SubIndex>
29
            <BitLen>1</BitLen>
30
            <Name>Input</Name>
31
            <DataType>BOOL</DataType>
32
          </Entry>
33
        </TxPdo>
34
      </Device>
35
    </Devices>
36
  </Descriptions>
37
</EtherCATInfo>

ProductCode와 RevisionNo는 슬레이브 칩의 EEPROM에 저장되어 있어, 마스터가 읽어서 어떤 ESI XML과 매칭할지 결정합니다.

#ENI (EtherCAT Network Information) XML

ENI는 마스터가 사용하는 망 전체 구성 파일입니다. 어떤 슬레이브가 어떤 순서로 있는지, 어떤 PDO를 매핑할지, DC 설정은 어떻게 할지 등을 모두 담습니다. TwinCAT은 ESI들을 모아 ENI를 자동 생성합니다.

1
<?xml version="1.0"?>
2
<EtherCATConfig>
3
  <Config>
4
    <Master>
5
      <Info>
6
        <Name>Device 1 (EtherCAT)</Name>
7
        <Source>10.1.1.4</Source>
8
      </Info>
9
      <Cyclic>
10
        <CycleTime>1000000</CycleTime>     <!-- 1 ms = 1000000 ns -->
11
        <Priority>1</Priority>
12
        <Frame>
13
          <Cmd>
14
            <State>2</State>               <!-- 2 = Op 상태에서 -->
15
            <Cmd>10</Cmd>                  <!-- LRW (0x0A?) -->
16
            <Adp>0</Adp>
17
            <Ado>0</Ado>
18
            <Addr>#x10000000</Addr>
19
            <Data>...</Data>
20
            <Cnt>0</Cnt>
21
          </Cmd>
22
        </Frame>
23
      </Cyclic>
24
    </Master>
25
    <Slave>
26
      <Info>
27
        <Name>EL1004</Name>
28
        <PhysAddr>1001</PhysAddr>
29
        <AutoIncAddr>0</AutoIncAddr>
30
      </Info>
31
      <!-- PDO mapping, FMMU config, SM config -->
32
    </Slave>
33
  </Config>
34
</EtherCATConfig>

SOEM은 ENI를 명시적으로 안 씁니다. 슬레이브에서 ESI EEPROM을 읽어 런타임에 자동 설정합니다. IgH도 비슷합니다. ENI 파일이 반드시 필요한 것은 TwinCAT 워크플로뿐입니다.

#EEPROM — 슬레이브 측 ID 저장

각 ESC는 외부 SPI EEPROM (보통 16~64 KB)을 가집니다. 여기에 Vendor ID, Product Code, Revision, 그리고 기본 SM/FMMU 설정이 저장됩니다.

1
EEPROM 영역 (간단)
2
  0x00~0x07: ESC config
3
  0x08~0x0B: Vendor ID
4
  0x0C~0x0F: Product Code
5
  0x10~0x13: Revision
6
  0x14~0x17: Serial Number
7
  0x18~...:  Category data (PDOs, strings, SM, FMMU)

마스터의 첫 단계가 EEPROM read입니다. SOEM의 ec_config_init()이 자동으로 수행합니다. EEPROM이 비어 있거나 손상되면 슬레이브가 Init 상태에서 못 벗어납니다. 슬레이브 보드 양산 시 EEPROM 프로그래밍이 공정 항목입니다.

#자주 하는 실수

#”raw socket 권한이 없어서 안 된다”

sudo 또는 CAP_NET_RAW capability가 필요합니다. systemd unit에서 AmbientCapabilities=CAP_NET_RAW를 주는 것이 일반적입니다. 컨테이너면 --cap-add=NET_RAW.

#”ec_init 성공인데 슬레이브가 0개 발견된다”

NIC가 promiscuous mode가 아니거나, 케이블이 상류/하류가 바뀌어 꽂혔거나, 슬레이브의 EEPROM이 비어 있는 경우입니다. ethtool -i eth0로 link 상태부터 확인합니다.

#”WKC가 expected의 절반이다”

대부분 output PDO가 매핑되지 않은 경우입니다. 슬레이브가 input만 처리해서 +1, output은 +2를 못 더해 +1만 됩니다. SM3(output) 설정을 확인합니다.

#”DC 동기 후 1초마다 drift가 보인다”

ARMW를 한 번만 보내고 끝낸 경우입니다. 슬레이브 clock의 drift를 보정하려면 ARMW를 주기적으로 (보통 매 사이클) 재전송해야 합니다. SOEM의 ec_send_processdata가 자동으로 처리하지만, 수동 LRW 만 보낸다면 별도 DC datagram을 chain해야 합니다.

#”TwinCAT으로 만든 ENI를 SOEM에 그대로 못 쓴다”

원칙적으로는 호환되지만, SOEM은 ENI보다 슬레이브 EEPROM의 ESI를 우선시합니다. SOEM에서 ENI를 사용하려면 ec_ENI 등 별도 라이브러리가 필요합니다.

#정리

EtherCAT 마스터는 전용 하드웨어 없이 일반 NIC + 소프트웨어로 구현됩니다.
세 가지 주류는 SOEM(가벼움), IgH(고성능, 커널 모듈), TwinCAT(상용 통합 환경)입니다.
SOEM의 핵심 API는 ec_init, ec_config_init, ec_config_map, ec_send_processdata, ec_receive_processdata입니다.
IgH는 NIC 드라이버 자체를 패치해 DMA 경로 RT화로 ±1 μs jitter를 노립니다.
슬레이브 ESC 칩은 LAN9252·ET1100·AX58100이 대표. MCU + ESC 한 쌍이 표준 구성입니다.
ESI XML은 슬레이브 모델별 명세, ENI XML은 마스터의 망 구성입니다.
슬레이브 EEPROM에는 Vendor ID, Product Code, 기본 설정이 저장되어 마스터가 런타임에 자동 매핑합니다.
한국 시장에서 IgH는 중대형 로봇·CNC, SOEM은 협동로봇/소형 모션, TwinCAT은 데모기·라인 통합에 자주 보입니다.

다음 편은 Ch 6: PROFINET 개요 — RT·IRT 클래스입니다. Siemens 진영의 PROFINET이 어떻게 RT와 IRT 두 등급으로 결정성을 만드는지, GSDML XML이 무엇인지 풀어봅니다.