空気圧バルブを使用したカスケード回路設計は、PLCを使わずに、複数シリンダの定められたシーケンスを動作させる体系的な方法です。設計者は動作リストをグループに分け、一度に1本のグループラインだけを加圧し、そのグループの動作許可信号とストローク端信号を組み合わせます。これにより、相反するパイロット指令が同じ方向制御弁へ同時に到達することを防ぎます。
Festoの2025年版産業空気圧シラバスでは、信号重複の解析、動作線図、カスケードのグループ分けをそれぞれ別の技能として扱っています。この区別は重要です。バルブを並べれば複数のシリンダを動かせますが、シーケンス、グループ境界、信号経路、リセット状態をすべて定義しない限り、信頼できるカスケード回路にはなりません（Festoトレーニングカタログ、2025年）。
要点
- 1つのグループ内に同じシリンダが2回現れる直前で、シーケンスを分割します。
- 一度に有効にするグループ圧力ラインは1本だけにします。
- 各動作指令は、グループの動作許可と直前ステップの完了条件を組み合わせて成立させます。
- 実機回路で、パイロット圧力、排気、停止、リセット、再始動の挙動を確認します。
本ガイドでは、6動作の例 A+ → B+ → B− → C+ → C− → A− を詳しく説明します。ここで、+ は伸長、− は後退を表します。空気圧カスケード、リレー、ステッパ、PLCの各方式を先に比較したい場合は、より広範なシリンダ順次動作回路の設計ガイドをご覧ください。
カスケード回路設計は実際に何を解決するのでしょうか
Festoの上級空気圧制御コースでは、相互に関連する3つの課題として、信号重複の検出、動作線図・制御線図の作成、カスケード式グループ分けの適用を挙げています。カスケード回路は、アクチュエータ用バルブで2つの有効なパイロット信号の競合を処理するのではなく、相反するシリンダ指令をそれぞれ異なる圧力グループで有効にすることによって重複問題を解決します（Festo、2025年）。
ダブルパイロット式5/2弁は、最後に切り換わった位置を保持します。この特性はシーケンス制御に有用ですが、設計上の問題も生じます。伸長側と後退側のパイロットが同時に加圧されると、結果はバルブの構造、信号圧力、信号の到着順序、残圧に左右されます。機械が一時停止したり、反転が遅れたり、わずかなタイミング変化で異なる動作を示したりする可能性があります。
カスケード方式は、その競合を上流で防止します。同じアクチュエータが各グループに1回だけ現れるよう、動作シーケンスを連続したグループに分割します。次に、グループ分配器が1本のグループラインを有効にし、ほかのラインを排気します。有効なグループ内のストローク端弁が、各動作を順番に許可します。
カスケードグループとは、同じシリンダに2回以上の指令を出さない、連続したアクチュエータ動作のまとまりです。この定義が対象とするのは指令シーケンスであり、シリンダの物理的な配置でも、アクチュエータポート用に分けた作動圧力ゾーンでもありません。
このため、カスケード制御は遅延時間に基づくシーケンス制御とは異なります。タイマは設定時間の経過後に次へ進めます。カスケード回路は通常、位置検出弁または適切に確認された工程条件の状態が変わったときに次へ進みます。流量制御弁は移動時間に影響しますが、論理的な動作順序を決めるものではありません。
実務上の利点は「精密なタイミング」ではなく、指令権限の排他性です。1つのグループだけが許可されたパイロット経路を支配し、無効なグループには制御圧力が供給されません。この規則が回路図上で明確になれば、断続的なシーケンス異常の多くを、不可解なタイミング問題ではなく、追跡可能な圧力経路の問題として診断できます。
動作シーケンスをカスケードグループに分ける方法
FestoのPN13コースでは、空気圧カスケード制御を導入する前の計画ツールとして、変位ステップ線図と変位時間線図を別々に扱っています。ステップ線図は論理的な順序を示し、時間線図は所要時間を示します。6つの動作すべてでストローク時間が異なっていても、必要なグループが3つだけの場合があるため、順序付けしたステップを基にグループ分けを始めます（Festoトレーニングコース、2026年）。
すべてのシリンダ動作を順番に書き出し、左から右へ確認します。次の動作が、現在のグループにすでに含まれるシリンダを使用するまで、そのグループに動作を追加します。そのシリンダが再度現れる直前で、新しいグループを開始します。すべての動作を割り当てるまで、この手順を続けます。
例のシーケンスは、次のようにグループ分けします。
| シーケンス位置 | 動作 | グループ判定 | 理由 |
|---|---|---|---|
| 1 | A+ |
グループ1 | Aはグループ1にまだ現れていない |
| 2 | B+ |
グループ1 | Bはグループ1にまだ現れていない |
| 3 | B− |
グループ2を開始 | Bはグループ1にすでに現れている |
| 4 | C+ |
グループ2 | Cはグループ2にまだ現れていない |
| 5 | C− |
グループ3を開始 | Cはグループ2にすでに現れている |
| 6 | A− |
グループ3 | Aはグループ3にまだ現れていない |
したがって、最終的な割り当ては次のとおりです。
- グループ1：
A+ → B+ - グループ2：
B− → C+ - グループ3：
C− → A−
グループ数を増やすことは可能です。ただし、グループを増やすと、選択弁、配管、排気経路、診断箇所も増えます。意図的な一時停止、モード境界、独立した圧力ゾーン、その他の文書化された条件が機械に必要でない限り、成立する最小のグループ数を使用してください。
回路を構成するバルブと信号要素
FestoのTiger Classicデータには、公称流量600、1,100、4,500 L/minのダブルパイロット式5/2弁が掲載されていますが、引用した製品群には1.2～10 barのパイロット圧力が必要です。この3つの流量サイズは、機能記号だけではバルブを選定できない理由を示しています。パイロット側の要件と主流量の両方が、回路に適合しなければなりません（Festo Tiger Classic、2024年）。
まず回路図上の機能を決め、その後、完全なデータシートに基づいて実際の部品を選定します。基本的な3グループ回路には、通常、次の要素が必要です。
| 要素 | カスケード回路での役割 | 選定時の確認事項 |
|---|---|---|
| ダブルパイロット式5/2弁 | 各複動シリンダについて、最後に指令された方向を保持する | 主流量、パイロット圧力、漏れ、切換時間、ポート構成 |
| グループ分配器または切換弁 | 無効なグループラインを排気しながら、Z1、Z2、Z3のいずれかを加圧する | グループ数、ブレーク・ビフォア・メーク動作、リセット状態、排気経路 |
| 機械作動式3/2弁またはセンサ | シリンダのストローク端を確認し、次のステップを許可する | 作動形状、繰返し精度、流量、復帰挙動 |
| 二圧弁 | グループ圧力とステップ条件の両方が成立した場合にのみ出力を許可する | 最低入力圧力、入力バランス、出口容量 |
| シャトル弁 | OR論理が実際に必要な箇所で、有効な2つの空気圧信号のいずれかを選択する | 圧力範囲、漏れ、逆流遮断、応答性 |
| メータアウト流量制御弁 | シーケンスの記憶要素にならずに、シリンダ速度を設定する | 自由流れ方向、必要流量、調整部へのアクセス |
| 圧力計またはテストカップリング | グループラインまたはパイロットラインが必要圧力に到達し、適切に解放されるかを示す | 取付位置、測定範囲、応答性、安全なアクセス |
シャトル弁は2つの空気圧入力のいずれかを選択します。シリンダ位置を証明するものでも、2つの圧力を加算するものでも、シーケンス状態を保持するものでもありません。
すべての3/2弁をメモリ弁と呼ばないでください。スプリングリターン式3/2リミット弁が生成するのは、通常、一時的な信号です。シーケンスの記憶は一般に、双安定方向制御要素、専用の指令メモリモジュール、またはステッパモジュールが担います。Festoは、空気圧ステッパ方式の指令メモリモジュールをダブルパイロット弁として説明しています（Festo制御技術）。
AND、OR、メモリ要素の動作原理については、制御システム設計における空気圧論理弁をご覧ください。メインスプールのパイロット構成については、空気圧パイロット操作弁の専用ガイドをご利用ください。
双安定方向制御弁は最後のスプール状態を保持できますが、状態の保持は、冗長制御やフェイルセーフ制御と同じではありません。
グループラインのロジックを構築する方法
SMCは、あるシャトル弁・AND弁製品群の使用圧力を0.05～1.0 MPaと規定しています。一方、引用したFestoのダブルパイロット弁には、少なくとも1.2 barのパイロット圧力が必要です。したがって、ある論理要素では有効な信号でも、最終段のバルブには弱すぎる場合があります。各指令経路は、下流側のパイロット要件から上流へさかのぼって設計してください（SMC、Festo）。
各グループにZ1、Z2、Z3の1本ずつを割り当てます。制御圧力を供給するのは、有効なラインだけにします。グループ1が完了すると、最後の完了信号が分配器を切り換え、Z1を排気してZ2を加圧します。同じパターンで制御をZ2からZ3へ移し、その後、回路を定義済みの待機状態へ戻します。
各動作には、次の2つの許可条件が必要です。
- 対応するグループラインが有効であること
- 直前ステップの完了条件が成立していること
配管を描く前に、例のシーケンスを次の信号表にまとめることができます。
| 動作指令 | 有効なグループ | ステップ条件 | 完了後の移行 |
|---|---|---|---|
A+ |
Z1 | サイクル開始および確認済みの原位置状態 | A伸長端信号がB+を許可 |
B+ |
Z1 | A伸長済み | B伸長端信号がZ1からZ2へ切換 |
B− |
Z2 | Z2が新たに有効 | B後退端信号がC+を許可 |
C+ |
Z2 | B後退済み | C伸長端信号がZ2からZ3へ切換 |
C− |
Z3 | Z3が新たに有効 | C後退端信号がA−を許可 |
A− |
Z3 | C後退済み | A後退端信号が待機状態へ復帰させる |
新たに有効になったグループの最初の動作は、グループ切換そのものからステップ許可信号を受けることがよくあります。ほかの動作では、条件を満たしたストローク端信号を使用します。別のグループが有効な間もリミット信号が作用し続けることになる場合は、その信号をメインバルブへ直接接続しないでください。
すべての指令経路の隣に、解放経路も描いてください。Z1が無効になったとき、閉じ込められたパイロットエアはどこから抜けるでしょうか。リミット弁が復帰したとき、長い制御配管は十分な速さで排気されるでしょうか。カスケード回路の信頼性は、新しい指令を生成することと同じくらい、古い指令を確実に除去することに左右されます。
配管前の回路作図と確認方法
Festoの現行PN13概要では、論理順序を示す変位ステップ線図と、動作時間を示す変位時間線図を区別しています。両方を使用し、さらに3つ目の文書として信号表を追加してください。この3つの視点により、短時間のベンチテストで、グループ分けの誤り、完了条件の欠落、非現実的な生産時タイミングの想定が見逃されるのを防げます（Festoトレーニングコース、2026年）。
次の順序で文書を作成します。
- 動作シーケンス： 必要な原位置状態を含め、すべてのアクチュエータ動作方向を記載します。
- 変位ステップ線図： 番号を付けた各ステップで、どのシリンダの位置が変わるかを示します。
- カスケードグループ： 同一シリンダを重複させない規則を適用し、各境界でグループを移行させる動作を明記します。
- 信号表： 有効なグループ、ステップ条件、出力パイロット、次の移行を記載します。
- 空気圧回路図： 作動空気の経路と制御空気の経路を分けて描きます。
- タイミング見積り： 時間を位置確認の自動的な証拠として使わず、予想ストローク時間範囲を記録します。
- 故障表： 各完了信号、グループ切換、供給条件が欠けた場合の動作を定義します。
すべてのポート、バルブ、センサ、グループライン、テストポイントに一意の識別子を付けます。カタログ記号に描かれた状態だけではなく、確認済みの原位置条件における通常状態を明記します。ストローク端弁が原位置ですでに作動している場合は、その物理的事実を初期信号表に示してください。
アクチュエータを接続する前に、シーケンスを手作業で確認します。有効な入力を1つずつ加え、想定される圧力経路を追跡し、競合するすべてのパイロットが排気されていることを確認します。続いて、入力がオン状態で固着した場合、入力が欠けた場合、制御圧力が低下した場合、供給が中断した場合についても同じ追跡を行います。
マニホールド供給、圧力ゾーン、共通排気の計画については、モジュラーバルブを使用した信頼性の高い空気圧回路の構築方法をご覧ください。
カスケード回路がステップを飛ばす、または停止する原因
Festoは、あるダブルパイロット弁製品群の3サイズについて、反転時間を3、7、12 msと公表しています。ただし、これは部品単体の値であり、回路全体の時間ではありません。配管容積、論理要素の流量、アクチュエータの移動、排気抵抗が機械の応答を支配する場合があります。カタログの切換時間をそのまま信用せず、異常が発生したステップの圧力と状態を調査してください（Festo Tiger Classic、2024年）。
| 症状 | 最初に測定する項目 | 考えられる原因 |
|---|---|---|
| シーケンスが開始しない | Z1圧力と確認済みの原位置信号 | 分配器がリセットされていない、開始パルスがない、原位置弁が作動していない |
| 1本のシリンダは動くが次が動かない | 直前のストローク端信号と下流側パイロット圧力 | リミット弁の調整不良、論理出力が弱い、パイロット配管の詰まり |
| 2つの動作が競合しているように見える | メインバルブの両パイロット | 無効なグループが排気されていない、誤配管、信号弁の固着 |
| 回路がステップを飛ばす | グループ切換のタイミングとストローク端弁の状態 | センサがすでに作動している、圧力スパイク、OR経路の誤り |
| 手動の低速動作では正常だが、生産速度では異常になる | 制御ラインの圧力波形とパルス幅 | 配管容積、排気抵抗、限界に近いパイロット圧力 |
| アクチュエータが同時に動くときだけ停止する | 動的な供給圧力 | 分岐配管の容量不足、共通圧力降下、局所流量の不足 |
| 待機状態に戻らない | 最終完了信号と分配器の状態 | A後退端確認の欠落、切換弁が切り換わらない、残圧 |
レギュレータの静圧だけでは十分ではありません。有効なグループラインと最終パイロットに、一時的な圧力計または圧力変換器を取り付けます。作動空気回路が最大需要状態にある間の信号を観察してください。無負荷時には正常な論理信号でも、複数のアクチュエータが容量不足の同一供給源から空気を消費すると、圧力が低下する場合があります。
現場メモ： 当社の経験では、最も迅速な診断は、状態が切り換わらなかったメインバルブのパイロットから始めます。まずそこで測定し、次に有効なグループライン、直前の完了弁へと上流にさかのぼります。これにより、実際の原因が動的圧力の低下や排気経路の遅れであるにもかかわらず、リミット弁を交換してしまうことを避けられます。
サイレンサの詰まりにも注意が必要です。排気が制限されると、無効なラインの圧力がバルブの復帰しきい値を上回ったままになることがあります。管理された試験でマフラを取り外した後に症状が変化した場合は、騒音対策なしで機械を運転し続けるのではなく、排気容量または汚染の問題を是正してください。
スピードコントローラはアクチュエータポートの近くに配置し、用途上可能であれば、通常は安定したメータアウト制御となるように構成します。その役割は動作制御であり、シーケンスの許可ではありません。メータインとメータアウトの比較ガイドで、この違いを説明しています。
停止、リセット、空気圧喪失時の挙動
ISO 4414:2010は第3版で、2021年に現行規格であることが確認されています。この規格は、設計、設置、運転、保守、信頼性、エネルギー効率にわたる重要な空気圧危険源を扱っています。ISO 13849-1:2023は空気圧式の安全関連制御システムを対象としますが、機械に必要な安全機能やPLrを規定するものではありません。カスケードロジックだけで、これらを決定することはできません（ISO 4414、ISO 13849-1）。
次の事象をそれぞれ個別に定義します。
- 通常停止： 現在のステップを完了するのか、一時停止するのか、制御された状態へ戻すのか。
- 非常停止： 機械のリスクアセスメントで要求され、妥当性確認された応答。
- 供給空気の喪失： 圧力低下時に、各バルブ、アクチュエータ、負荷、クランプが物理的にどのように動くか。
- 制御空気の喪失： グループメモリが保持されるのか、リセットされるのか、不定状態になるのか。
- 圧力の復帰： 回路が禁止状態を維持するのか、保持された指令を再開するのか。
- 手動リセット： Z1を有効にする前に、どの原位置条件を確認しなければならないか。
- 保守時の隔離： エネルギーをどのように隔離し、残圧を解放し、ゼロエネルギー状態を確認するか。
ダブルパイロット弁は、下流側の圧力が漏れて低下しても、スプール位置を保持する場合があります。しかし、負荷が保持されることを保証するものではありません。スプリングリターン弁はパイロット圧力喪失後に既知のスプール位置へ移動する場合がありますが、その位置が垂直シリンダや蓄積された機械エネルギーに対して自動的に安全であるとは限りません。
「故障したリミット弁をバイパスする」という一般的な指示を追加しないでください。手動復旧モードには、権限の制限、危険源を継続的に視認できること、必要に応じた速度・力の制限、機械固有の妥当性確認が必要です。通常のカスケード部品は、AND論理を実現する、または信号を除去するという理由だけで、安全定格品として扱うべきではありません。
リセットもまた、ステップ1へ戻すだけの配線ではなく、1つのシーケンスです。必要な開始位置、許可される動作、確認信号、リセット中断時の応答を記載してください。これらの条件が明確でなければ、機械の準備が整う前に、空気圧の復帰によって保持されたパイロット指令が再実行される可能性があります。
安全関連の圧力除去については、制御計画を安全排気弁の統合と比較してください。
完成した回路の試運転方法
Festoのあるダブルパイロット弁製品群では、バルブ反転時間が3～12 msと記載されており、配管や論理要素の遅延を加える前の段階でも4倍の差があります。したがって、同じ記号だからタイミングも同じだと想定せず、試運転では圧力経路全体とアクチュエータの応答を測定する必要があります。最低供給圧力および予定する最高サイクル速度で結果を記録してください（Festo Tiger Classic、2024年）。
管理された順序で試運転を行います。
- 回路図どおりに組み立てられていることを確認します。 ポート番号、配管ラベル、バルブの通常状態、排気経路を確認します。
- リスクを低減した状態で各アクチュエータを手動操作します。 動作方向、ストローク端、クッション、メータアウト調整を確認します。
- 自動サイクルを行わずにグループ選択を試験します。 1本のグループラインが加圧され、ほかのラインが有効なFALSEしきい値未満まで解放されることを確認します。
- 1ステップずつ動作させます。 各動作の指令圧力、完了信号、所要時間を記録します。
- 完全な1サイクルを実行します。 すべてのグループ切換と、最後に待機状態へ戻ることを確認します。
- 生産時の需要条件で繰り返します。 実際の負荷、許容最低供給圧力、予定サイクル速度、同時に空気を消費する機器を使用します。
- 文書化した故障を安全に付与します。 1つの完了信号を除去し、制御空気を遮断し、供給圧力を下げます。試験方法で結果として生じる危険を管理できない限り、排気を塞いではなりません。
- 停止・再始動時の挙動を試験します。 各ステップでサイクルを中断し、規定の復旧経路を確認します。
Z1、Z2、Z3、および対象となるメインバルブのパイロットで動的圧力を記録します。シリンダの完了時間と、直前信号の解放時間も記録してください。これらの測定値により、保守用の合否判定基準を設定できます。基準値がなければ、汚染、漏れ、配管損傷が生じたとき、技術者が判断できるのは「以前より遅いようだ」ということだけです。
引き渡し前に、変位ステップ線図、信号表、回路図、バルブ一覧、配管ラベル、試験結果、リセット手順を更新し、完成した実機の状態を反映させます。各移行を担う要素が1つに定まっていれば、カスケード回路は容易に追跡できます。現場で文書化されていない変更を行い、2つ目の経路が生じると、急速に把握が難しくなります。
グループ線図、バルブ一覧、空気圧回路図の確認をご希望の場合は、動作シーケンス、シリンダサイズ、作動圧力、バルブ型式、必要な停止挙動を技術お問い合わせページからお送りください。
カスケード回路設計に関するよくある質問
SMCの現行シャトル弁・AND弁製品群は0.05～1.0 MPa、すなわち20:1の使用圧力範囲に対応していますが、最終段のパイロット弁には、これより高い最低圧力が必要な場合があります。以下ではグループ分けの方法を説明します。最終的な圧力、流量、タイミング、安全性は、選定した部品のデータと機械の妥当性確認に基づいて決定する必要があります（SMC）。
空気圧カスケードシーケンスを分割する基本規則は何ですか
順序付けした動作を左から右へ確認します。そのシリンダが現在のグループにまだ現れていない場合に限り、動作を同じグループに含めます。同じシリンダが再度現れる直前で、新しいグループを開始します。A+ B+ B− C+ C− A−の場合、成立する最小のグループ分けは、A+ B+、次にB− C+、最後にC− A−です。
一度に有効にできるカスケードグループラインが1本だけなのはなぜですか
グループ圧力を排他的にすることで、同じシリンダの伸長指令と後退指令が同時に有効になることを防ぎます。分配器が次へ進むとき、直前のグループは排気され、次のグループが加圧されなければなりません。両方の圧力が有効な切換しきい値を上回ったままになると、カスケード方式で解消するはずの信号重複が、残圧によって再発する可能性があります。
ダブルパイロット弁を使用すれば回路はフェイルセーフになりますか
いいえ。ダブルパイロット弁は双安定であり、通常は反対側のパイロットが作用するまで、最後のスプール状態を保持します。冗長性、診断範囲、安全な負荷保持、あらゆるエネルギー喪失条件に対する所定の応答を提供するものではありません。ISO 13849-1では、安全関連制御機能全体を用途に応じて設計・評価することが求められます。
タイマでシリンダのストローク端弁を置き換えるべきですか
原則として置き換えるべきではありません。タイマが証明するのは時間が経過したことだけであり、ピストンが必要な位置に到達したことではありません。完了確認には位置フィードバックまたは適切に確認された工程フィードバックを使用し、機械仕様で必要な場合に、動作時間超過を検出する目的でタイマを使用します。時間だけに基づくシーケンス制御には、許容差とリスク上の根拠を文書化する必要があります。