공압 5포트 솔레노이드 밸브 원리｜5/2·5/3 Way 포트 전환과 복동 실린더 제어
공압 자동화 장비를 구성할 때 가장 자주 볼 수 있는 방향제어밸브 가운데 하나가 5포트 솔레노이드 밸브입니다.
특히 복동 에어실린더를 전진·후진시키는 회로에서는 5/2 Way 솔레노이드 밸브가 널리 사용됩니다.
2포트와 3포트 밸브까지 이해했다면 5포트 밸브도 어렵지 않습니다. 가장 큰 차이는 하나의 작업 포트만 사용하는 것이 아니라 A와 B라는 두 개의 작업 포트를 번갈아 가압하고 배기한다는 것입니다.
Festo의 실제 솔레노이드 밸브 제품군에서도 3/2 방식과 함께 5/2 단솔레노이드·복솔레노이드, 5/3 중앙 가압·중앙 배기·중앙 차단 등의 기능이 구분됩니다.
1. 5/2 Way 솔레노이드 밸브란?
5/2라는 숫자를 먼저 이해하면 구조가 간단해집니다.
앞의 숫자 5는 포트 개수, 뒤의 숫자 2는 전환 위치 개수입니다.
따라서 5/2 Way Valve는
5개의 포트를 가지고 두 가지 유로 상태를 전환하는 방향제어밸브
입니다.
일반적으로 포트 번호는 다음과 같이 이해합니다.
1번 P : 압축공기 공급
2번 A : 작업 포트 A
4번 B : 작업 포트 B
3번 R 또는 EA : 배기
5번 S 또는 EB : 배기
제조사나 표기 규격에 따라 문자 표현은 조금씩 다르게 보일 수 있지만 기본적인 역할은 공급 1개, 작업 2개, 배기 2개입니다.
2. 왜 5개의 포트가 필요할까?
복동 실린더를 생각하면 바로 이해할 수 있습니다.
복동 실린더에는 피스톤 양쪽에 압축공기를 공급할 수 있는 두 개의 포트가 있습니다.
실린더를 전진시키려면 한쪽 챔버에 공기를 공급하면서 반대쪽 챔버의 공기를 배출해야 합니다.
후진시킬 때는 반대로 해야 합니다.
즉,
전진 : 한쪽 공급 + 반대쪽 배기
후진 : 반대쪽 공급 + 기존 공급측 배기
가 동시에 이루어져야 합니다.
따라서 공급 포트 하나, 실린더로 연결되는 작업 포트 두 개, 각각의 공기를 배출할 수 있는 배기 포트 두 개가 필요합니다.
이 구조가 바로 5포트 방향제어밸브입니다.
3. 5/2 밸브 첫 번째 위치의 공기 흐름
5/2 밸브의 한쪽 위치에서 다음과 같은 유로가 만들어진다고 가정해 보겠습니다.
P(1) → A(2)
B(4) → 배기(5 또는 해당 배기 포트)
압축공기가 공급 포트 P에서 작업 포트 A로 이동합니다.
A가 실린더의 후단 챔버와 연결되어 있다면 피스톤을 밀어 로드가 전진합니다.
동시에 피스톤 반대쪽 챔버에 들어 있던 공기는 B를 통해 배기 포트로 빠져나갑니다.
따라서 실린더는 원활하게 전진합니다.
4. 두 번째 위치로 전환되면?
솔레노이드가 동작해 스풀 또는 내부 가동부가 반대 위치로 이동하면 유로가 바뀝니다.
이번에는 개념적으로
P(1) → B(4)
A(2) → 반대쪽 배기 포트
가 됩니다.
압축공기가 B를 통해 실린더 반대쪽 챔버로 들어가면서 피스톤을 반대 방향으로 밀게 됩니다.
동시에 기존 A측 챔버의 압축공기는 A에서 배기 포트 방향으로 빠져나갑니다.
결과적으로 실린더가 후진합니다.
즉 5/2 솔레노이드 밸브가 하는 핵심적인 일은 A와 B 중 어느 포트에 압력을 공급할 것인지 전환하고, 나머지 한쪽을 동시에 배기시키는 것입니다.
5. 3포트와 5포트가 다른 이유
3포트 밸브에는 작업 포트가 하나입니다.
따라서 한쪽 방향만 압축공기로 움직이고 반대 방향은 스프링 등으로 복귀하는 단동 액추에이터를 제어하기에 적합합니다.
반면 5포트 밸브에는 A와 B 두 개의 작업 포트가 있습니다.
그래서 실린더의 양쪽 챔버에 압축공기를 번갈아 공급할 수 있습니다.
정리하면,
3/2 밸브 → 공급 1 + 작업 1 + 배기 1
5/2 밸브 → 공급 1 + 작업 2 + 배기 2
라고 이해하면 구조를 쉽게 구분할 수 있습니다.
6. 스풀은 어떻게 포트를 바꾸는가?
5포트 방향제어밸브에서는 스풀 구조가 많이 사용됩니다.
스풀은 밸브 본체 내부에서 이동하는 원통형 부품으로 생각하면 쉽습니다.
스풀 표면에는 직경이 큰 부분과 작은 부분 등이 배치되어 있어 스풀의 위치에 따라 특정 내부 통로가 열리고 다른 통로는 닫히게 됩니다.
스풀이 한쪽 위치에 있을 때는 P와 A를 연결하고 B를 배기로 연결합니다.
스풀이 반대 위치로 이동하면 P와 B를 연결하고 A를 배기로 연결합니다.
바로 이 기계적인 위치 변화가 포트 전환입니다.
솔레노이드 밸브에서는 전기 신호를 이용하여 이 스풀의 위치를 제어합니다.
7. 단솔레노이드 5/2 밸브
5/2 밸브에는 단솔레노이드 방식과 복솔레노이드 방식이 있습니다.
단솔레노이드 방식은 한쪽에 솔레노이드 코일이 있고 반대쪽에는 스프링 복귀 구조가 있는 형태가 대표적입니다.
PLC가 출력 신호를 보내 코일을 여자하면 스풀이 한쪽 방향으로 이동합니다.
신호가 없어지면 스프링 힘으로 원위치로 복귀합니다.
따라서 전기가 끊겼을 때 어떤 위치로 복귀하는지가 정해져 있다는 특징이 있습니다.
Festo 제품군에서도 5/2 single solenoid와 double solenoid 기능이 각각 구분되어 제공됩니다.
8. 복솔레노이드 5/2 밸브
복솔레노이드는 밸브 양쪽에 각각 코일이 설치된 형태입니다.
한쪽 코일에 신호를 주면 스풀이 한쪽으로 움직이고, 반대쪽 코일에 신호를 주면 반대 방향으로 전환됩니다.
제품 구조에 따라 이전 위치를 유지하는 메모리 성격의 동작을 이용할 수도 있기 때문에 제어 회로를 설계할 때 단솔레노이드와 같은 방식으로 생각해서는 안 됩니다.
특히 PLC 프로그램 작성 시 두 솔레노이드가 동시에 부적절하게 여자되지 않도록 인터록을 고려하는 것이 중요합니다.
9. 그렇다면 5/3 Way 밸브는 무엇일까?
5포트 밸브에는 5/2뿐 아니라 5/3 Way Valve도 있습니다.
5/3에서 5는 포트 수이고 3은 전환 위치 수입니다.
좌측 위치, 중앙 위치, 우측 위치의 세 상태를 가진다는 뜻입니다.
중앙 상태를 어떻게 구성하는가에 따라 특성이 달라집니다.
대표적으로 중앙 차단형, 중앙 배기형, 중앙 가압형 등 여러 형태가 있습니다.
Festo의 제품 사양에서도 5/3-way closed, exhausted, pressurised와 같은 중앙 위치 기능이 별도로 구분됩니다.
따라서 5/3 밸브를 사용할 때에는 단순히 “5포트 3위치”라는 정보만 확인해서는 부족하고 중립 위치에서 P, A, B, 배기 포트가 어떻게 연결되는지를 반드시 회로 기호로 확인해야 합니다.
10. 직접 작동형과 파일럿 작동형
대유량 공압 밸브에서는 솔레노이드 힘만으로 메인 스풀 전체를 직접 움직이는 대신 파일럿 압력을 이용하는 구조를 많이 볼 수 있습니다.
솔레노이드가 먼저 작은 파일럿 밸브를 전환하면 공급 압력이 메인 스풀 한쪽에 작용하고 압력 차이에 의해 스풀이 이동하는 원리입니다.
이러한 방식은 작은 전기 구동부를 이용하면서도 비교적 큰 공기 유량을 제어하는 데 유리합니다.
반대로 직접 작동형은 솔레노이드 힘을 이용해 가동부를 직접 움직이는 구조입니다.
제품마다 필요한 최소 작동 압력이나 유량 조건이 달라질 수 있기 때문에 장비 설계 시 해당 제조사의 사양 확인이 필요합니다.
11. 5포트 밸브의 배기 포트가 두 개인 이유
5포트 밸브를 처음 보는 사람은 “배기 포트가 왜 두 개나 필요할까?”라는 궁금증이 생길 수 있습니다.
그 이유는 A와 B라는 두 작업 포트를 각각 효율적으로 배기시키기 위해서입니다.
실린더를 빠르게 전진·후진시키려면 압축공기를 빠르게 공급하는 것만큼 반대편 챔버의 공기를 빠르게 빼내는 것도 중요합니다.
배기 유량이 충분하지 않으면 피스톤 반대쪽에 잔압과 배압이 생기고 실린더 속도가 원하는 만큼 나오지 않을 수 있습니다.
따라서 밸브를 선정할 때에는 공급 유량뿐 아니라 배기 측 흐름도 함께 고려할 필요가 있습니다.
12. 복동 실린더 연결을 쉽게 기억하는 방법
5/2 밸브와 복동 실린더의 연결을 다음과 같이 기억하면 편리합니다.
P는 항상 공급원으로 연결합니다.
A와 B는 실린더의 두 포트로 연결합니다.
두 배기 포트는 대기로 배출하거나 필요에 따라 적절한 소음기를 설치합니다.
그리고 밸브가 전환되면
P→A / B→배기
상태와
P→B / A→배기
상태가 서로 바뀐다고 기억하면 됩니다.
단, 실제 장비에서 A와 B 중 어느 쪽이 전진 또는 후진이 되는지는 실린더 배관 연결 방향에 따라 달라질 수 있습니다.
13. 솔레노이드 밸브를 교체할 때 포트만 같으면 될까?
현장에서 고장 난 밸브를 교체할 때 “5포트니까 다른 5포트 제품으로 교체하면 된다”고 생각하기 쉽지만 그렇지 않습니다.
5/2인지 5/3인지 확인해야 합니다.
단솔레노이드인지 복솔레노이드인지도 확인해야 합니다.
5/3이라면 센터 포지션의 내부 유로도 확인해야 합니다.
또한 포트 나사 규격, 정격 유량, 사용 압력, 코일 전압, 커넥터 형태, 수동 조작 방식, 파일럿 방식, 배선 방법 및 장착 규격도 확인해야 합니다.
같은 5포트라도 내부 회로가 다르면 장비의 동작이 완전히 달라질 수 있습니다.
14. 공압 회로도에서 5/2 밸브 읽는 방법
방향제어밸브 기호를 보면 사각형이 나란히 표시되어 있습니다.
5/2 밸브라면 두 개의 사각형이 두 전환 위치를 나타냅니다.
각 사각형 내부의 화살표는 현재 위치에서 연결되는 유로를 의미하고, 막힌 통로는 차단 상태를 나타냅니다.
한쪽에 솔레노이드 기호가 있고 반대쪽에 스프링이 있다면 단솔레노이드 스프링 리턴 방식으로 볼 수 있습니다.
양쪽 모두 솔레노이드가 있다면 복솔레노이드 방식일 가능성이 높습니다.
회로도를 읽을 때 단순히 포트 숫자만 보지 말고 무전원 상태에서 어떤 사각형이 실제 기본 위치인지, 그리고 그 위치에서 P·A·B·배기가 어떻게 연결되어 있는지를 확인하는 습관이 중요합니다.
15. 5포트 솔레노이드 밸브 선정 시 체크할 사항
제품을 선정하기 전에는 최소한 다음 조건을 확인하는 것이 좋습니다.
사용 압력과 필요 유량, 포트 크기, 정격전압, 밸브 방식, 복귀 구조, 작동 빈도, 주변 온도 및 환경조건입니다.
실린더 크기가 커지거나 동작 속도가 빨라지면 필요한 공기 유량도 커지기 때문에 단순히 배관 나사 규격만 맞추어서는 원하는 속도가 나오지 않을 수 있습니다.
또한 코일 정격전압이 PLC 출력과 맞는지 확인해야 하며, 필요한 경우 서지 전압 억제 회로나 표시등 내장 여부도 검토할 수 있습니다.
마무리
5포트 솔레노이드 밸브를 이해하는 핵심은 복잡한 내부 구조를 외우는 것이 아닙니다.
공급 포트 P 하나, 실린더로 연결되는 A·B 두 개의 작업 포트, 사용한 공기를 내보내는 두 개의 배기 포트가 있으며 밸브가 전환될 때 A와 B의 공급·배기 역할이 서로 바뀐다는 사실을 이해하면 됩니다.
5/2 밸브에서는 두 위치를 전환하면서 복동 실린더를 전진·후진시킬 수 있고, 5/3 밸브에서는 여기에 중앙 위치가 추가되어 중립 상태에서의 공기 흐름을 별도로 설정할 수 있습니다.
따라서 공압 솔레노이드 밸브를 선택할 때에는 단순히 “5포트 제품”이라고만 판단하지 말고 5/2 또는 5/3, 단솔레노이드 또는 복솔레노이드, 스프링 복귀 여부, 센터 포지션, 사용 압력과 유량, 전압 및 포트 규격을 종합적으로 검토해야 합니다.
2포트의 ON/OFF 원리, 3포트의 공급·배기 원리를 이해한 뒤 5포트의 A·B 전환 구조를 공부하면 공압 방향제어 회로의 기본 구조를 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다.