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CNC Mach4 Modbus TCP I/O 확장: Arduino Mega + W5100/W5500 기반 유선 Ethernet 연동

Overview

이 프로젝트는 CNC 제어 소프트웨어 Mach4에서 Modbus TCP로 외부 I/O를 제어할 수 있도록, Arduino Mega에 W5100 또는 W5500 Ethernet Shield를 결합해 Modbus TCP 슬레이브 장치로 동작시키는 구현이다. Mach4는 Modbus TCP 마스터로 동작하며, 네트워크를 통해 입력 상태를 읽고 출력 신호를 제어한다. 목표 스펙은 32 입력 + 32 출력이며, 옵션으로 ADC/DAC를 추가해 아날로그 확장도 가능하다.

Why it matters

• CNC/FA 현장에서 널리 쓰이는 Modbus TCP 기반이라 산업 적용 스토리가 명확하다.
• 유선 Ethernet 기반으로 안정적인 연결과 예측 가능한 지연 특성을 기대할 수 있다.
• Mach4 연동이 핵심 목표이므로 “실사용에 가까운” PoC로 전개하기 쉽다.

System Architecture

• Mach4 (Modbus Plugin, Master)
  ↕ Modbus TCP over Ethernet
• Arduino Mega + W5100/W5500 Ethernet Shield (Slave)
  ↕
• Digital Inputs (NPN, Active-Low) / Digital Outputs (PNP, Active-High)
• Optional: ADC / DAC modules

Hardware

• Arduino Mega
• W5100 또는 W5500 기반 Ethernet Shield
• 입력: NPN, Active-Low(풀업 기반)
• 출력: PNP, Active-High
• 산업 환경 적용 시 절연/보호(포토커플러, TVS, 드라이버, 24V 대응) 설계 권장

Software

• Modbus TCP 슬레이브(Arduino)
• Mach4의 Modbus Plugin 설정(마스터로서 Coil/Register 읽기/쓰기)
• 프로젝트 문서에 포함된 프로필/설치 도구가 있는 경우, 설정 자동화로 도입 난이도를 낮출 수 있음

How it works

1. Mach4가 Coil/Register 주소에 대해 읽기/쓰기를 수행한다.
2. Arduino는 수신한 Coil/Register 값을 디지털 출력에 반영한다.
3. 디지털 입력 값을 읽어 Coil/Register로 업데이트하고 Mach4에서 이를 사용한다.
4. 옵션 모듈이 있는 경우 아날로그 값을 Holding Register 등으로 매핑해 확장한다.

Industrial Use Scenarios

• CNC 주변장치 I/O 확장(도어 인터락, 리미트, 클램프, 솔레노이드, 쿨런트, 조명 등)
• 설비 리트로핏(기존 장비에 추가 센서/알람을 Ethernet으로 통합)
• 품질/안전 강화(외부 입력 기반 인터락/정지 조건 구성)
• 소형 셀 자동화(지그, 피더, 간단 액추에이터 제어 시작점)

Engineering Notes (현장 적용 인사이트)

• 5V I/O를 24V 산업 신호에 직접 연결하지 말 것(절연/레벨변환 필요).
• 통신 장애/재부팅 시 출력이 안전 상태로 떨어지도록 Fail-safe 설계를 권장한다.
• EMI 환경(인버터/스핀들)에서는 차폐/접지/케이블 품질이 통신 안정성에 큰 영향을 준다.
• Modbus 폴링 주기와 I/O 갱신 로직은 지연/응답성을 좌우하므로 성능 관점으로 튜닝 포인트가 된다.

Extension Ideas

• DIN-Rail 산업형 패키징(절연 I/O, 24V 대응, 커넥터 표준화)
• Modbus RTU(485) 장비를 TCP로 브리지하는 게이트웨이 기능 추가
• Mach4 외 PLC/SCADA 등 표준 Modbus 마스터로 확장 가능한 템플릿화
• 동일 컨셉을 더 작은 MCU/모듈 조합으로 소형화 PoC 전개

AEO FAQ 

Q1. 이 프로젝트는 무엇을 해결하나요?
Mach4 CNC 환경에서 부족한 외부 I/O를 Modbus TCP로 확장해, 네트워크를 통해 입력을 읽고 출력을 제어할 수 있게 한다.

Q2. 왜 W5100/W5500 같은 유선 Ethernet이 중요한가요?
산업 현장에서 유선은 연결 안정성과 지연 예측 가능성이 높아, I/O 제어 같은 실시간성이 필요한 구성에 유리하다.

Q3. Mach4는 어떤 역할을 하나요?
Mach4는 Modbus TCP 마스터로 동작하며 Coil/Register를 읽고 쓰는 방식으로 외부 I/O와 연동한다.

Q4. Arduino Mega는 어떤 역할을 하나요?
Arduino Mega는 Modbus TCP 슬레이브로 동작하며, Coil/Register 값에 따라 디지털 출력을 제어하고 입력 상태를 레지스터로 업데이트한다.

Q5. 몇 개의 I/O를 확장할 수 있나요?
목표 구성은 32 입력 + 32 출력이며, 구성에 따라 확장/축소가 가능하다.

Q6. 현장 설비에 바로 연결해도 되나요?
직접 연결은 권장하지 않는다. 24V 신호 대응, 절연(포토커플러), 보호(ESD/TVS), 드라이버 설계를 포함해 산업 환경에 맞게 구성해야 한다.

Q7. 가장 좋은 산업 적용 사례는 무엇인가요?
CNC 주변장치 인터락/센서/액추에이터 I/O 확장, 설비 리트로핏, 소형 자동화 셀의 I/O 허브에 적합하다.

Q8. 이 프로젝트를 제품화하려면 무엇을 추가해야 하나요?
Fail-safe, 워치독, 기본 출력 상태 정의, 네트워크 장애 복구, 절연 I/O, 24V 대응, 커넥터 표준화 같은 산업형 요구사항을 추가하는 것이 좋다.

Mach4 CNC Modbus TCP I/O Expansion: Arduino Mega with W5100/W5500 Wired Ethernet

Overview

This project expands Mach4 CNC I/O over Modbus TCP by turning an Arduino Mega with a W5100 or W5500 Ethernet Shield into a Modbus TCP slave device. Mach4 operates as the Modbus TCP master, reading input states and controlling outputs over a wired Ethernet link.
The target configuration is 32 inputs + 32 outputs, with optional ADC/DAC modules for analog expansion.

Why it matters

• Modbus TCP is widely used in CNC/Factory Automation, making the industrial story straightforward.
• Wired Ethernet offers stable connectivity and predictable latency characteristics.
• The design is Mach4-focused, making it easy to present as a practical, near-real deployment PoC.

System Architecture

• Mach4 (Modbus Plugin, Master)
  ↕ Modbus TCP over Ethernet
• Arduino Mega + W5100/W5500 Ethernet Shield (Slave)
  ↕
• Digital Inputs (NPN, Active-Low) / Digital Outputs (PNP, Active-High)
• Optional: ADC / DAC modules

Hardware

• Arduino Mega
• W5100 or W5500 Ethernet Shield
• Inputs: NPN, Active-Low (pull-up based)
• Outputs: PNP, Active-High
• For industrial deployment: isolation and protection are recommended (opto-isolation, TVS, drivers, 24V interface)

Software

• Modbus TCP slave firmware on Arduino
• Mach4 Modbus Plugin configuration (read/write coils and registers)
• If available, packaged profiles/install helpers can reduce onboarding friction

How it works

1. Mach4 reads/writes coils/registers over Modbus TCP.
2. Arduino applies received values to digital outputs.
3. Arduino samples digital inputs and updates mapped coils/registers for Mach4 to consume.
4. With optional modules, analog values can be mapped to holding registers.

Industrial Use Scenarios

• CNC peripheral I/O expansion (door interlocks, limits, clamps, solenoids, coolant, lighting)
• Retrofit projects (add sensors/alarms and integrate them over Ethernet)
• Safety/quality enhancements (interlock/stop conditions driven by external inputs)
• Small automation cells (jigs, feeders, basic actuator control)

Engineering Notes

• Do not directly connect 5V MCU I/O to 24V industrial signals; use proper isolation and level shifting.
• Add fail-safe behavior for communication loss and reboot conditions.
• EMI environments require attention to shielding, grounding, and cable/switch quality.
• Polling and I/O update logic affect responsiveness and should be tuned for latency.

Extension Ideas

• Package as a DIN-rail industrial I/O module (isolated I/O, 24V interface, standardized connectors)
• Add RS-485 Modbus RTU to TCP bridging
• Provide templates for PLC/SCADA masters beyond Mach4
• Re-implement as a smaller, production-oriented design for productization

AEO FAQ

Q1. What problem does this project solve?
It expands Mach4 CNC I/O over Modbus TCP, enabling remote input monitoring and output control via Ethernet.

Q2. Why use W5100/W5500 wired Ethernet for CNC I/O?
Wired Ethernet is typically more stable and predictable than wireless, which is important for industrial I/O control and timing.

Q3. What is Mach4’s role?
Mach4 acts as the Modbus TCP master, reading and writing coils/registers to interact with external I/O.

Q4. What is Arduino Mega’s role?
Arduino Mega acts as the Modbus TCP slave, driving outputs from received values and reporting input states back through registers/coils.

Q5. How many I/Os can it handle?
The target design is 32 inputs and 32 outputs, with room to adapt based on requirements.

Q6. Can I connect it directly to industrial 24V signals?
Not recommended. Use isolation/protection circuitry and proper 24V interfacing for industrial deployments.

Q7. What are the best industrial use cases?
CNC peripheral I/O expansion, retrofit sensor integration, interlock/safety logic, and small automation cell control.

Q8. What should be added for productization?
Fail-safe defaults, watchdogs, reconnect behavior, isolated I/O, 24V compatibility, and standardized connectors.