A 順序動作用の空圧回路 は、先行する動作が定義した完了状態に到達してから次へ進むようにします。まず動作シーケンスを書き出し、各ステップにコマンド、完了信号、タイムアウト、異常時の応答を1つずつ割り当てます。バルブの選定は、そのロジックを明確にしてから行います。
このガイドでは、4つの動作 A+ → B+ → B− → A−を例にします。プラス記号は伸長、マイナス記号は収縮を表します。同じ設計方法は、完全空圧式のカスケード回路、電空リレー回路、PLC制御のバルブマニホールドにも適用できます。
順序制御用空圧シリンダー回路 とは、2つ以上のアクチュエータ動作を決められた順序で指令し、ステップ間で許可された遷移を検証する制御システムです。この実例は制御設計を説明するものであり、実機に必要な機械固有のリスクアセスメント、安全要求仕様、妥当性確認に代わるものではありません。
要点
- バルブ記号を描く前に、シーケンスと状態表を作成します。
- 動作完了には終端位置フィードバックを使い、異常検出にはタイマーを使います。フィードバックの代わりとして一律に扱ってはいけません。
- カスケードグループは、空圧だけの回路で反対方向のパイロット信号が競合するのを防ぎます。
- 空気圧喪失、電源喪失、停止、リセット、再起動の動作を個別に定義します。
動作要求を状態表に変換するには？
ISO 4414:2010は、空圧システムの設計、調整、連続運転、保守、信頼性、エネルギー効率、重大な危険を扱います。その適用範囲を踏まえると、バルブだけを描いたスケッチより4ステップの状態表が有用です。各動作について、コマンド、物理的な完了証拠、タイムアウト、異常時の応答を記録できます（ISO 4414、2010年）。
曖昧さのない動作表記から始めます：
A+：シリンダーA伸長；A−：シリンダーA収縮；B+：シリンダーB伸長；B−：シリンダーB収縮。
初期状態では A+ → B+ → B− → A−、両シリンダーが収縮位置にある状態を初期条件と定義します。スタート押しボタンを押しただけでサイクルを開始してはいけません。必要な初期センサー、圧力条件、ガード、機械イネーブルが有効になった場合だけ開始します。
| ステップ | 指令動作 | 必要な完了証拠 | タイムアウト時の動作 | 次のステップ |
|---|---|---|---|---|
| 0: 準備完了 | どちらのシリンダーも動かない | A収縮位置、B収縮位置、サイクルイネーブルが有効 | 始動を禁止し、不足している条件を特定 | A+ |
| 1 | A伸長 | A伸長センサーが有効 | シーケンスを停止し、設計に従ってコマンドを解除または保持し、警報 | B+ |
| 2 | B伸長 | B伸長センサーが有効 | シーケンスを停止して警報 | B− |
| 3 | B収縮 | B収縮センサーが有効 | シーケンスを停止して警報 | A− |
| 4 | A収縮 | A収縮センサーが有効 | シーケンスを停止して警報 | 準備完了または次のサイクル |
「シーケンス停止」には、設計上の定義が必要です。荷重とリスクアセスメントによって、モノステーブルバルブを無励磁にする、指令状態を保持する、管理されたゾーンを排気する、機械的拘束を作動させる、または別の妥当性確認済みの応答を実行する、といった意味になります。この選択を一般的な異常メッセージに委ねてはいけません。
状態表では 許可 と 証拠 を分けて記述します。コマンドは動作を許可し、センサーまたは適格な工程条件がステップの完了を証明します。2つの意味を1つの信号にまとめると、トラブルシューティングが難しくなり、ラッチされたコマンドを物理的な完了と誤認するおそれがあります。
バルブを選ぶ前に制御アーキテクチャを決める
現在のFesto空圧カウンターの1つは10 msのカウントパルスを受け付けますが、リセットパルスには180 msを必要とし、差は18:1です（Festo Learning Components（学習コンポーネント）、2026年）。タイミングとリセット動作は部品ごとに異なるため、慣れたバルブ回路を流用する前に制御アーキテクチャを選定します。
| アーキテクチャ | 適する用途 | 状態の管理主体 | 主な制約 |
|---|---|---|---|
| 純空圧カスケード | 空気のみの制御が妥当な危険区域または洗浄区域；単純な固定シーケンス | 反転バルブ、グループライン、メモリー要素 | 診断機能が限られ、レシピ変更が難しい |
| 空圧ステッパーまたはシーケンサー | 空圧カウント／リセット動作を定義した反復ステップロジック | ステッパーまたはプリセレクトカウンター | パルス幅、リセット、圧力の限界がモデルごとに異なる |
| 電空リレー | I/Oが少なく、ソフトウェアを必要としない小型機械 | リレーロジックとバルブコイル | インターロックと診断が増えると配線が急増する |
| ソレノイドバルブ付きPLC | レシピ変更、診断、複数モード、データ収集、複数機の協調 | PLCステートマシン | ソフトウェア、電気、空圧、安全の各境界をすべて妥当性確認する必要がある |
シーケンス状態の管理主体は1つにします。PLCと空圧メモリーバルブの両方が同じ動作をラッチする場合は、相互作用、リセット順序、喪失時の応答を意図的に規定しなければなりません。そうしないと、先に復帰したメモリーから機械が再起動するおそれがあります。
シーケンスが短く固定されている場合、純空圧カスケード制御は今でも有用です。ただし、PLC回路より自動的に信頼性が高くなるわけではありません。信頼性は、適切な圧力余裕、曖昧さのない信号、制御されたリセット、アクセスしやすいテストポイント、漏れや供給喪失への既知の応答によって得られます。
基礎となるAND、OR、メモリー、タイミング機能については、別の 制御システム設計における空圧ロジックバルブを参照してください。バルブアイランドの配置と共通圧力ゾーンについては、 信頼性の高いモジュール式空圧回路の構築をご覧ください。
カスケードグループはどのように信号競合を防ぐか？
Festoの2025年トレーニングカタログでは、カスケード原理と、グループ分けによる複数シリンダー順序カスケード制御を別々の設計テーマとして扱っています（Festoトレーニングカタログ、2025年）。グループ分けにより、反対方向の2つのコマンドが同じ両パイロットバルブに同時に到達するのを防ぎます。これが実務上の目的です。
初期状態では A+ → B+ → B− → A−、最小のグループ分けは次のとおりです：
- グループ1：
A+ → B+ - グループ2：
B− → A−
分割位置は B− の前です。そうしないとシリンダーBが1つのグループ内に反対方向の動作で2回現れるためです。グループセレクターはアクティブなグループラインだけを加圧します。グループ1の最後の動作の終端信号がセレクターをグループ2へ切り替え、グループ2の最後の信号が回路を定義済みの準備完了状態へ戻します。
カスケードグループ とは、同じシリンダーがグループ内で反対方向のコマンドを受けないように連続したアクチュエータ動作をまとめたものです。各グループには許可用の圧力ラインが1本あり、グループ移行要素は次のラインを有効にする前に旧ラインを排気します。
各動作コマンドは、次の2条件の論理積として構成します：
- 正しいグループラインが加圧されていること；
- 先行ステップの完了バルブまたはセンサーが有効であること。
実際の構造を確認せず、すべてのグループセレクターを「メモリーバルブ」と呼んではいけません。バイステーブルスプールは切替状態を保持できますが、供給喪失後の下流圧力まで保持するとは限りません。漏れ、排気経路、荷重、バルブセンター条件によって、アクチュエータの動作は決まります。
非アクティブ側のパイロット経路も、アクティブ側と同じ精度で描きます。カスケード異常の多くはコマンド不足ではなく、コマンドが排気されないことが原因です。消音器の詰まり、長い制御チューブ、要素の漏れ、ポートの誤接続により、反対側のパイロットに残圧が残ることがあります。
回路にはどのバルブ、センサー、信号要素を組み込むべきか？
SMCは、現行のシャトルバルブおよびANDバルブ製品群の1つについて、0.05～1.0 MPaの作動範囲を示しています。圧力範囲は20:1ですが、それだけでは下流パイロット容量や応答時間は決まりません（SMCシャトルバルブ）。各要素は機能と完全な作動データに基づいて選定します。
| 要素 | シーケンス内の機能 | 重要な選定項目 |
|---|---|---|
| 主方向制御バルブ | シリンダーの伸長または収縮へ流れを切り替える | 5/2、または根拠を示した5/3機能、モノステーブル／バイステーブル状態、パイロット源、流量、圧力、排気、応答 |
| 終端位置センサー | ピストンが定義した検出ゾーンに到達したことを証明する | 検出方式、繰返し性、取付、ケーブル／コネクター、応答、診断カバレッジ |
| シャトルバルブ | 複数の空圧信号からOR選択を行う | 最低／最高圧力、出力流量、漏れ、圧力損失、ポート構成 |
| デュアルプレッシャーバルブ | 2つの有効な空圧入力からAND出力を生成する | 切替しきい値、入力バランス、出力容量、リセット動作 |
| グループセレクターまたはメモリー要素 | 1つのカスケードグループを有効にし、別のグループを無効にする | セット／リセット圧力、保持状態、排気経路、供給喪失時の動作 |
| メーターアウト流量制御 | 排気を絞ってシリンダー速度を安定させる | 自由流方向、調整範囲、必要流量、取付位置 |
| タイマーまたはカウンター | ステップを遅延、カウント、監視、またはリセットする | パルス幅、タイミング範囲、繰返し性、リセットパルス、圧力範囲 |
| 圧力スイッチ | 圧力が定義したしきい値を超えたことを証明する | 切替圧力、ヒステリシス、応答時間、機能試験方法 |
シャトルバルブは2つの空圧入力信号から一方を選択できます。圧力を加算したり、シリンダー位置を証明したり、それだけでシーケンスメモリーを提供したりするものではありません。
スプリングリターンバルブだからといって自動的にフェイルセーフになるわけではありません。無励磁状態が、無負荷の水平シリンダーには適していても、垂直荷重には危険な場合があります。同様に、ダブルソレノイドまたはダブルパイロットバルブはコマンド状態を保持しても、圧力を低下させることがあります。「安全復帰」といったラベルではなく、意図する物理的結果を記録してください。
主スプールのパイロット構成については、 空圧パイロット操作バルブの仕組みを参照してください。安定した速度制御については、 メーターインとメーターアウトの流量制御をご覧ください。
完了フィードバックとタイムアウトはどのように機能させるべきか？
Parkerは検出長32～256 mmの連続式P8Sシリンダーセンサーを提供しています。一方、引用したFestoの空圧カウンターは10 msのカウントパルスと180 msのリセットパルスを区別します（Parker P8S； Festo Learning Components（学習コンポーネント）、2026年）。位置、時間、リセットは別々の制御変数です。
要求が「ピストンがこの位置に到達した」である場合は終端位置センサーを使います。要求が「この分岐が指定圧力に到達した」である場合は圧力スイッチを使います。圧力しきい値はクランプ確認に役立ちますが、シリンダーがストローク端手前で停止しても到達することがあります。万能な位置センサーではありません。
完了フィードバック とは、シーケンスコントローラーが現在のステップを離れることを許可する、測定位置または適格な工程条件です。出力コマンドや、許可時間内に完了しない異常を検出するタイマーとは別のものです。
タイマーは通常、許可された動作時間枠を監視します：
- 動作コマンドを出す；
- タイムアウトを開始する；
- 有効な完了フィードバックを受けたら直ちに進む；
- タイムアウトが先に満了した場合は停止するか、定義済みの異常状態へ遷移する；
- 診断用にコマンド、フィードバック、圧力、経過時間を記録する。
固定時間だけで進めるシーケンスは、リスクと工程が許容し、荷重、圧力、温度、流量、機械条件の変動が実証済みのタイミング余裕内に収まる場合に限り許容できます。その場合でも、タイマーで遅いシリンダーを隠してはいけません。実際の完了時間をトレンド化し、漏れ、絞り、摩耗、芯ずれの変化を見えるようにします。
詳しくは、 空圧アクチュエータへのフィードバックセンサーの統合 のガイドで、離散センサーと連続センサーの選定を説明しています。
流量、圧力、排気の検証
ISO 6358-3:2014は、亜音速流とチョーク流を含め、部品と配管からシステムレベルの定常流量特性を計算します（ISO 6358-3、2025年確認）。正しいロジック図でも、動作中に最終パイロットまたはシリンダーポートの動圧が不足すれば、シーケンスを実行できません。
各ステップを、想定可能な最悪の運転条件で確認します：
- シリンダーボア、ロッド径、ストローク、荷重、姿勢、目標動作時間；
- 指定した上流・下流条件でのバルブ流量データ；
- チューブ内径、長さ、継手、流量制御の絞り；
- 共通マニホールドの供給・排気経路；
- 予想される最低供給圧力でのパイロット圧力要件；
- クランプ、ブローオフ、真空、別のアクチュエータとの重複動作；
- 消音器の汚染と排気背圧；
- 通常生産では使わない保全時のジョグ動作と再起動の組み合わせ。
バルブ入口で圧力を測定し、必要に応じてシーケンス中の両シリンダーポートでも測定します。静止したレギュレーターのゲージが正常でも、共通供給の絞りによって B+ことがあります。同様に、排気が詰まると、供給圧力が十分でも B− が遅くなります。
各方向の必要量を、 シリンダー流量要件計算ツールで推定し、組み立てた回路を動的に検証します。この計算ツールはスクリーニング用であり、バルブスプールの過渡現象、クッション、荷重変化、漏れ、すべての継手をモデル化するものではありません。
測定位置と絞りの診断については、 空圧圧力損失のトラブルシューティングガイドをご覧ください。
喪失、停止、再起動時に何が起きるべきか？
ISO 13849-1:2023は、電気、油圧、空圧、機械技術を用いる安全関連制御システムに適用されますが、特定の機械の安全機能や必要PLrを規定するものではありません（ISO 13849-1、2023年）。したがって、シーケンスロジックと安全ロジックには、明示的で妥当性確認済みの境界が必要です。
次の条件を個別に文書化します：
| 事象 | 設計上の問い | 受入証拠 |
|---|---|---|
| 1つのフィードバック信号の喪失 | アクティブなステップは次のコマンドを出さずにタイムアウトするか？ | 管理された条件で信号を切断または抑制する |
| 電源喪失 | モノステーブルバルブとバイステーブルバルブは、どの状態になるか、または保持するか？ | 設計した電源を遮断し、動作と圧力を観察する |
| 主空気の喪失 | 重力、ばね、外力によっていずれかのシリンダーが動くか？ | 供給を隔離し、圧力低下と荷重移動を記録する |
| パイロット空気の喪失 | メインスプールは移動、復帰、または中間状態の保持をするか？ | 文書化したパイロット源を安全に取り外す |
| 非常停止要求 | どの安全機能が危険動作を停止するか？ | 完全な機能を仕様に対して妥当性確認する |
| 通常停止 | 機械はステップを完了するか、一時停止するか、収縮するか、保持するか？ | 許可されたすべての停止点を試験する |
| リセット | コマンドを戻す前にすべての初期条件を確認するか？ | 不足している各準備完了条件を個別に発生させる |
| 供給復旧 | 圧力の再構築によって意図しないサイクルが起こるか？ | 想定可能なすべての順序で空気と電源を復旧する |
通常の方向制御バルブ、ANDゲート、ソフトウェアの停止ビットが自動的に安全機能になるわけではありません。安全排気バルブが解決策の一部になる場合もありますが、すべての空気を抜くと垂直荷重を解放したり、クランプ力を失わせたりします。リスクアセスメントにより、機械的拘束、監視圧力、冗長チャンネル、制御停止が必要になる場合があります。
OSHA 29 CFR 1910.147は、保全中の空圧エネルギーを危険源とし、危険となり得る蓄積エネルギーまたは残留エネルギーを除去、切断、拘束、その他の方法で安全化するよう求めています。また、押しボタンやセレクタースイッチはエネルギー遮断装置ではないとしています（OSHA 1910.147).
出力側の設計については、 空圧機械ガードに安全排気バルブを組み込む方法をご覧ください。
シーケンスの試運転とトラブルシューティングはどう行うか？
Festoの空圧カウンターデータでは、10 msのカウントパルスと180 msのリセットパルスに170 msの差があります（Festo Learning Components（学習コンポーネント）、2026年）。そのため、ゆっくりした手動実演は成功しても、生産時のパルス、排気遅延、リセットタイミングは失敗することがあります。計測した信号で試運転してください。
次の順序で進めます：
- 2種類の回路図と機械を照合する。 すべての電気I/O点、空圧ポート、チューブ番号、センサー位置、バルブの通常状態、パイロット源、排気を追跡する。
- 初期状態を試験する。 不足している各準備完了条件がサイクル開始を阻止し、正しい理由を報告することを確認する。
- 1動作ずつジョグ運転する。 実荷重下で供給圧力とポート圧力の動的値、ストローク時間、センサー遷移、バルブ応答を測定する。
- 状態表をゆっくり実行する。 各ステップでコマンド、フィードバック、タイムアウトのリセット、状態移行を観察する。
- 生産速度まで上げる。 短いパルス、パイロット残圧、共通流路の圧力損失、センサーバウンス、排気背圧を確認する。
- 定義した異常を安全に注入する。 センサーを1つ外し、供給圧力を下げ、許可されたコマンドを遮断し、電源を中断して、文書化した応答を試験する。
- 停止経路と再起動経路を試験する。 各ステップで停止し、想定可能な順序で電源と空気を復旧し、意図しないサイクルが始まらないことを確認する。
- ベースラインをリリースする。 圧力トレース、ステップ時間、タイムアウト限界、設定値、ソフトウェア改訂、バルブデータ、受入済み異常試験結果を保存する。
| 症状 | 最初に測定する項目 | 考えられる原因 |
|---|---|---|
| 次のステップが始まらない | 先行完了入力とアクティブなグループ／ステップ | センサー位置不良、圧力不足、グループライン違い、導線またはチューブの破損 |
| 反対方向の2つのコマンドが現れる | 両方のパイロットポートまたはPLC出力 | カスケードのグループ分けエラー、残圧、状態管理の重複、ロジック異常 |
| 手動では動作が完了するが自動では失敗する | コマンドとリセットのパルス幅 | タイマー／カウンター限界、センサーバウンス、スキャンロジック、パイロット排気の遅さ |
| 一方向だけ遅い | 動作中の両シリンダーポート圧力 | メーターアウト設定、チューブの絞り、バルブ流量、荷重、排気背圧 |
| 別のアクチュエータが動くときだけ異常が出る | 重複動作中のバルブ入口圧力とパイロット圧力 | 共通供給の低下、レギュレーター容量、マニホールドまたは排気の絞り |
| 機械が予期せず再起動する | 保持状態と準備完了条件のロジック | バイステーブルバルブ状態、ラッチされたPLCステップ、自動リセット、圧力復旧 |
目に見えて停止したシリンダーではなく、最後に有効だった状態からトラブルシューティングします。 B+ が始まらない場合は、まず A+ 完了信号がステートコントローラーに到達したこと、コントローラーが管理主体を移したこと、Bバルブが有効なコマンドを受けたことを証明します。これらの信号を追跡する前にシリンダーBを交換するのは時間の無駄です。
経験上、最も有用なシーケンス記録は、指令状態、両側のパイロットまたはコイル信号、完了フィードバック、動圧、タイムアウト状態を1本の時系列に並べたものです。この記録があれば、オペレーターの記憶に頼らず、ロジック移行の異常とバルブ、流量、センサー、機械の問題をすばやく切り分けられます。
順序動作用空圧回路に関するFAQ
ISO 4414:2010は信頼性の高い空圧運転と重大な危険を扱い、ISO 13849-1:2023は、機械に必要な安全機能を選ぶことなく、安全関連の空圧制御技術に適用されます（ISO 4414； ISO 13849-1）。以下の4つの回答では、シーケンス、タイミング、圧力、安全に関する主張を分けて扱います。
順序動作用空圧回路では、位置センサーの代わりにタイマーを使えますか？
使えます。ただし、工程とリスクアセスメントが時間基準の進行を許容し、圧力、流量、荷重、温度、機械条件の全変動が妥当性確認済みの余裕内に収まる場合に限ります。多くの機械シーケンスでは、位置フィードバックで状態を進め、タイマーで最大許可動作時間を監視し、定義済みの異常応答を起動するべきです。
PLCではなくカスケード制御を使うべきなのはいつですか？
空圧ロジックが妥当で、担当者がグループ、圧力、リセット動作を保守できる場合、短く固定された空圧のみのシーケンスにはカスケード制御を使います。レシピ、診断、複数の運転モード、データ収集、設備間の協調が重要ならPLCを選びます。どちらのアーキテクチャも、妥当性確認なしに本質的な安全性や信頼性を持つわけではありません。
圧力スイッチでシリンダーがストローク端に到達したことを確認できますか？
一律には確認できません。圧力スイッチが証明するのは、測定点がしきい値を超えたことです。同じ圧力は、ピストンがストッパーに達したとき、ワークに接触したとき、手前で停止したとき、障害物に当たったときにも発生します。要求がピストン位置であれば位置センサーを使い、圧力確認は別途定義した工程条件に使います。
非常停止時にシーケンス回路の空気をすべて抜くべきですか？
機械の安全仕様がその応答を要求し、結果として生じる動作が安全な場合に限ります。排気によって動力伸長を止められますが、クランプを解放したり、重力による動作を許したりすることもあります。リスクアセスメントで、安全機能、蓄積エネルギーの扱い、荷重拘束、リセット、監視、妥当性確認の要件を定義する必要があります。