使用氣動閥設計串級迴路指南
使用氣動閥設計串級迴路，是一種無需 PLC 即可執行固定多缸順序的系統化方法。設計人員把動作清單分組，每次只讓一條組別管路供壓，再把該組的允許訊號與行程終點訊號結合。這樣可避免相反的先導命令同時到達同一個方向控制閥。
Festo 的 2025 年工業氣動課程把訊號重疊分析、運動圖及串級分組視為不同技能。這項區分很重要。一排閥雖然能驅動多支氣缸，但在順序、組別邊界、訊號路徑及復位狀態全部定義完成前，仍不能算是可靠的串級迴路（Festo 培訓目錄，2025）。
重點摘要
- 同一氣缸即將在一組內出現第二次時，必須分開順序。
- 同一時間只啟用一條組別壓力管路。
- 每個動作命令都由組別允許訊號與前一步完成訊號共同構成。
- 必須在實際迴路上檢查先導壓力、排氣、停止、復位及重新啟動行為。
本指南採用六動作範例 A+ → B+ → B− → C+ → C− → A−。其中 + 表示伸出，− 表示縮回。若您需要先比較氣動串級、繼電器、步進器及 PLC 架構，請先閱讀較完整的順序氣缸迴路設計指南。
串級迴路設計實際解決什麼問題？
Festo 的進階氣動控制課程列出三項相互關聯的工作：找出訊號重疊、繪製運動與控制圖，以及套用串級分組法。串級迴路不會嘗試在致動器閥處化解兩個同時存在的先導訊號，而是讓氣缸的每個相反命令分別存在於不同壓力組，因此可解決訊號重疊問題（Festo，2025）。
雙先導 5/2 閥會記住上一次切換後的位置。這項特性有利於順序控制，卻也帶來設計問題：若伸出與縮回先導端同時供壓，結果將取決於閥的結構、訊號壓力、訊號到達次序及殘壓。機器可能停頓、延遲反向，或在時序略有變化後出現不同反應。
串級法會在上游預防這項衝突。它把動作順序劃分成連續組別，使同一致動器在每組只出現一次。組別分配器隨後啟用一條組別管路，並讓其他管路排氣。啟用組內的行程終點閥再依次釋放各項動作。
串級組別是指一段連續的致動器動作，其中任何氣缸都不會接收超過一次命令。此定義取決於命令順序，而非氣缸的實際位置，也不是致動器接口所使用的不同工作壓力區。
這也說明串級控制不等同於延時排序。計時器在指定時間經過後推進；串級迴路通常在位置閥或合格的製程條件改變狀態時推進。流量控制閥仍會影響行程時間，但不決定邏輯順序。
實際效益不在於「精準時序」，而是命令權限互斥。一個組別擁有獲准的先導路徑，所有未啟用組別則沒有控制壓力。只要原理圖清楚呈現這項規則，許多間歇性順序故障便可追查為具體的壓力路徑問題，而不是難以解釋的時序問題。
如何把動作順序劃分為串級組別？
Festo 的 PN13 課程在介紹氣動串級控制前，把位移－步序圖與位移－時間圖視為兩種不同的規劃工具。步序圖建立邏輯次序；時間圖顯示持續時間。應由已排序的步驟開始分組，因為即使六個動作的行程時間各不相同，仍可能只需要三組（Festo 培訓課程，2026）。
依序寫出每個氣缸動作，再由左至右檢查。持續把動作加入目前組別，直到下一個動作會使用已經在該組出現的氣缸。請在這個重複氣缸前另開新組，並繼續分配，直到所有動作都完成分組。
本例的分組如下：
| 順序位置 | 動作 | 分組決定 | 原因 |
|---|---|---|---|
| 1 | A+ |
第 1 組 | A 尚未在第 1 組出現 |
| 2 | B+ |
第 1 組 | B 尚未在第 1 組出現 |
| 3 | B− |
開始第 2 組 | B 已在第 1 組出現 |
| 4 | C+ |
第 2 組 | C 尚未在第 2 組出現 |
| 5 | C− |
開始第 3 組 | C 已在第 2 組出現 |
| 6 | A− |
第 3 組 | A 尚未在第 3 組出現 |
因此，最終分配為：
- 第 1 組：
A+ → B+ - 第 2 組：
B− → C+ - 第 3 組：
C− → A−
能否建立更多組別？可以，但額外組別會增加選擇閥、管路、排氣路徑及診斷點。除非機器需要刻意停頓、模式邊界、獨立壓力區或其他有文件記錄的條件，否則應採用最少的有效組數。
迴路所需的閥件與訊號元件
Festo Tiger Classic 資料列出的雙先導 5/2 閥額定流量分別為 600、1,100 及 4,500 L/min，但所引述系列需要 1.2 至 10 bar 的先導壓力。這三種流量規格說明，不能只憑功能符號選閥；先導需求與主流量都必須符合迴路條件（Festo Tiger Classic，2024）。
先依原理圖功能判定需求，再從元件的完整資料表選擇實際產品。基本三組迴路通常需要下列元件：
| 元件 | 在串級迴路中的功能 | 選型檢查 |
|---|---|---|
| 雙先導 5/2 閥 | 保持各雙作用氣缸最後接收的方向命令 | 主流量、先導壓力、洩漏、切換時間、接口配置 |
| 組別分配器或換向閥 | 讓 Z1、Z2 或 Z3 供壓，同時使未啟用組別管路排氣 | 組數、先斷後通特性、復位狀態、排氣路徑 |
| 機械操作 3/2 閥或感測器 | 確認氣缸終點位置並釋放下一步 | 致動幾何、重複精度、流量、釋放行為 |
| 雙壓閥 | 只有組別壓力與步驟條件同時存在時才允許輸出 | 最低輸入壓力、輸入平衡、出口容量 |
| 梭閥 | 確實需要 OR 邏輯時，選擇兩個有效氣動訊號之一 | 壓力範圍、洩漏、逆流隔離、反應速度 |
| 排氣節流流量控制閥 | 設定氣缸速度，但不作為順序記憶元件 | 自由流動方向、所需流量、調整操作空間 |
| 壓力錶或測試接頭 | 顯示組別或先導管路是否達到並釋放所需壓力 | 位置、量程、反應速度、安全操作空間 |
梭閥在兩個氣動輸入中擇一。它不能證明氣缸位置、不會把兩個壓力相加，也不會保持順序狀態。
不要把每個 3/2 閥都稱為記憶閥。彈簧復歸 3/2 限位閥通常只產生暫時訊號。順序記憶一般來自雙穩態方向元件、專用命令記憶模組或步進模組。Festo 把命令記憶模組描述為其氣動步進器架構中的雙先導閥（Festo 控制技術）。
如需了解 AND、OR 及記憶元件的工作原理，請參閱氣動邏輯閥在控制系統設計中的作用。如需了解主閥芯先導配置，請閱讀另一篇氣動先導操作閥指南。
雙穩態方向控制閥可以保持最後的閥芯狀態，但保持狀態不代表具備冗餘或故障安全控制。
如何建立組別管路邏輯？
SMC 為其中一個梭閥及 AND 閥系列規定 0.05 至 1.0 MPa 的工作壓力，而前述 Festo 雙先導閥至少需要 1.2 bar 先導壓力。因此，某個邏輯元件可接受的訊號，對最終閥件而言仍可能太弱。建立每條命令路徑時，應由下游先導需求反向推算（SMC；Festo）。
為每組指定一條管路：Z1、Z2 及 Z3。只有啟用中的管路應有控制壓力。第 1 組完成時，其最後一個完成訊號會切換分配器，使 Z1 排氣、Z2 供壓。相同模式再把控制權由 Z2 轉移至 Z3，最後使迴路回到已定義的待機狀態。
每個動作需要兩項允許條件：
- 其組別管路已啟用；以及
- 前一步的完成條件有效。
在繪製管路前，可先把本例順序記錄成訊號表：
| 動作命令 | 啟用組別 | 步驟條件 | 完成後的轉移 |
|---|---|---|---|
A+ |
Z1 | 循環啟動且已確認原位 | A 伸出訊號允許 B+ |
B+ |
Z1 | A 已伸出 | B 伸出訊號使 Z1 轉移至 Z2 |
B− |
Z2 | Z2 剛啟用 | B 縮回訊號允許 C+ |
C+ |
Z2 | B 已縮回 | C 伸出訊號使 Z2 轉移至 Z3 |
C− |
Z3 | Z3 剛啟用 | C 縮回訊號允許 A− |
A− |
Z3 | C 已縮回 | A 縮回訊號返回待機狀態 |
新啟用組別中的第一個動作，通常會由組別轉移本身取得步驟允許訊號。其餘動作則使用經條件限定的行程終點訊號。若限位訊號在另一組啟用時仍會直接作用於主閥，就不要採用這種接法。
請在每條命令路徑旁畫出釋放路徑。Z1 關閉時，受困的先導空氣從何處排出？限位閥釋放時，較長的控制管路能否迅速排氣？串級迴路的可靠性同時取決於建立新命令及清除舊命令。
配管前應如何繪製並檢查迴路？
Festo 現行 PN13 課程大綱把兩種圖分開：位移－步序圖表示邏輯次序，位移－時間圖表示動作持續時間。兩者都要使用，並加入第三份文件：訊號表。這三種視圖可防止快速的工作台測試掩蓋分組錯誤、缺少完成條件或不切實際的生產時序假設（Festo 培訓課程，2026）。
請依下列順序建立文件：
- 動作順序：寫出每個致動器的方向，包括所需原位。
- 位移－步序圖：顯示每個編號步驟中哪支氣缸改變位置。
- 串級組別：套用不重複規則，並標示各邊界的轉移動作。
- 訊號表：標明啟用組別、步驟條件、輸出先導及下一項轉移。
- 氣動原理圖：把工作氣路與控制氣路分開繪製。
- 時序估算：記錄預期行程時間範圍，但不得以時間自動證明位置。
- 故障表：定義各完成訊號、組別轉移或供氣條件缺失時會發生什麼情況。
為每個接口、閥、感測器、組別管路及測試點指定唯一識別碼。應標示經確認原位條件下的正常狀態，而不只是型錄符號顯示的狀態。若某個終點閥在原位時已受致動，請在初始訊號表中呈現這項實際狀態。
連接致動器前，先以手動方式檢查順序。每次施加一個有效輸入，追查預期壓力路徑，並確認每個競爭先導端均維持排氣。接著針對卡在高位的輸入、缺失輸入、控制壓力降低及供氣中斷，重複追查。
如需了解閥島供氣、壓力區及共用排氣規劃，請參閱如何利用模組化閥件建立可靠的氣動迴路。
串級迴路為什麼會跳步或停滯？
Festo 為一個雙先導閥系列的三種尺寸公布 3、7 及 12 ms 的換向時間，但這些是元件數據，不是迴路時間。管內容積、邏輯流量、致動器行程及排氣限制都可能主導機器反應。故障排除時，應檢查失敗步驟的壓力與狀態，不要只相信型錄切換時間（Festo Tiger Classic，2024）。
| 症狀 | 優先量測項目 | 可能原因 |
|---|---|---|
| 順序完全無法啟動 | Z1 壓力及經確認的原位訊號 | 分配器未復位、缺少啟動脈衝、原位閥未受致動 |
| 一支氣缸動作，但下一支不動 | 前一步終點訊號及下游先導壓力 | 限位閥調整不當、邏輯輸出太弱、先導管堵塞 |
| 兩個動作似乎互相競爭 | 主閥兩個先導端的壓力 | 未啟用組別未排氣、管路交叉、訊號閥卡住 |
| 迴路跳過一個步驟 | 組別轉移時序及終點閥狀態 | 感測器已啟用、壓力突波、OR 路徑錯誤 |
| 手動慢速操作正常，但在生產速率下失敗 | 控制管路壓力曲線及脈衝寬度 | 管內容積、排氣受限、先導壓力臨界 |
| 只有致動器同時動作時才停止 | 動態供氣壓力 | 支路尺寸不足、共用壓降、局部流量不足 |
| 無法返回待機狀態 | 最後完成訊號及分配器狀態 | 缺少 A 縮回確認、轉移閥未切換、壓力受困 |
只看調壓器靜態壓力並不足夠。請在啟用組別管路及最終先導端暫時安裝壓力錶或壓力傳感器，並在工作氣路處於尖峰需求時觀察訊號。無負載時正常的邏輯訊號，可能在數個致動器同時由尺寸不足的供氣管路耗氣時崩落。
現場注意事項：依我們的經驗，最快的診斷方式是從未能改變狀態的主閥先導端開始。先在該處量測，再沿啟用中的組別管路及前一個完成閥反向追查。這樣可避免因真正問題是動態壓力偏低或排氣路徑太慢，而誤換限位閥。
堵塞的消音器也值得注意。受限的排氣可能使未啟用管路維持在閥件釋放閾值以上。若在受控測試中拆下消音器後症狀改變，應修正排氣尺寸或污染問題，而不是讓機器在沒有噪音控制的狀態下運轉。
速度控制器應靠近致動器接口；應用允許時，通常採用較穩定的排氣節流配置。它的功能是控制動作，不是提供順序允許訊號。進氣節流與排氣節流指南說明了這項差異。
停止、復位與失去供氣時的行為
ISO 4414:2010 為第三版，並於 2021 年確認仍為現行版本；其涵蓋氣動系統在設計、安裝、操作、維護、可靠性及能源效率方面的重大危害。ISO 13849-1:2023 涵蓋氣動安全相關控制系統，但不會規定機器所需的安全功能或 PLr。串級邏輯本身無法代替這些決策（ISO 4414；ISO 13849-1）。
請分別定義下列事件：
- 正常停止：目前步驟是完成、暫停，還是返回受控狀態。
- 緊急停止：機器風險評估要求且已驗證的反應。
- 工作供氣中斷：壓力下降時，各閥件、致動器、負載及夾具實際如何動作。
- 控制供氣中斷：組別記憶是保留、復位，還是變成不確定狀態。
- 壓力恢復：迴路保持禁止，還是恢復先前保留的命令。
- 手動復位：啟用 Z1 前必須證明哪些原位條件。
- 維護隔離：如何隔離能量、釋放殘壓並驗證零能量狀態。
雙先導閥可能在下游壓力逐漸洩漏時仍保持閥芯位置，但不能保證負載繼續受到支撐。彈簧復歸閥在失去先導壓力後可能移至已知閥芯狀態，但對垂直氣缸或儲存的機械能而言，該狀態不會自動成為安全狀態。
絕不可加入通用的「旁路故障限位閥」指示。手動復原模式必須限制操作權限、持續看得到危險狀況、在需要時定義速度與力限制，並針對機器完成驗證。不能只因一般串級元件能實現 AND 邏輯或移除訊號，就宣稱它們具備安全額定能力。
復位是另一套順序，不是接回步驟 1 的一條線。請寫明其必要起始位置、允許動作、確認訊號，以及復位中斷時的反應。若這些條件不明確，恢復供氣可能會在機器尚未就緒前重播先前保留的先導命令。
如需規劃安全相關洩壓，請把控制方案與安全排氣閥整合指南互相比較。
如何為完成的迴路進行試運轉？
Festo 的一個雙先導閥系列列出 3 至 12 ms 的閥件換向時間；即使尚未計入管路及邏輯延遲，最大值已是最小值的四倍。因此，試運轉必須量測完整壓力路徑與致動器反應，不能因原理圖符號相同就假設時序一致。應在最低供氣壓力及預定最高循環速率下記錄結果（Festo Tiger Classic，2024）。
請依受控次序試運轉：
- 依原理圖核對實際組裝。檢查接口編號、管路標籤、閥的正常狀態及排氣路徑。
- 在風險降低的條件下手動操作每個致動器。確認方向、終點位置、緩衝及排氣節流調整。
- 在不自動循環的情況下測試組別選擇。證明一條組別管路供壓，其他管路則釋放至有效 FALSE 閾值以下。
- 每次執行一個步驟。記錄每個動作的命令壓力、完成訊號及時間。
- 執行一個完整循環。確認所有組別轉移及最後返回待機狀態。
- 在生產需求下重複測試。採用實際負載、允許的最低供氣壓力、預定循環速率及同時耗氣的設備。
- 以安全方式注入有文件記錄的故障。移除一個完成訊號、中斷控制供氣、降低供氣壓力；除非測試方法能控制所產生的危險，否則不得堵塞任何排氣。
- 測試停止及重新啟動行為。在每個步驟中斷循環，並驗證指定復原路徑。
記錄 Z1、Z2、Z3 及受影響主閥先導端的動態壓力，也要記錄氣缸完成時間及前一訊號的釋放時間。這些量測值可建立維護驗收界限。若沒有基準，污染、洩漏或管路損壞發生後，技術人員只能判斷「好像變慢了」。
交機前，請更新位移－步序圖、訊號表、原理圖、閥件清單、管路標籤、測試結果及復位程序，使其符合機器實際建置狀態。當每項轉移都只有一個控制來源時，串級迴路很容易追查；沒有記錄的現場變更一旦建立第二條路徑，診斷就會迅速變得困難。
如需協助審查組別圖、閥件清單或氣動原理圖，請透過技術聯絡頁面提供動作順序、氣缸尺寸、工作壓力、閥件型號及所需停止行為。
串級迴路設計常見問題
SMC 現行梭閥與 AND 閥系列的工作範圍為 0.05 至 1.0 MPa，壓力範圍比達 20:1，但最終先導閥的最低壓力要求可能更高。以下回答說明分組方法；最終壓力、流量、時序及安全決策仍須依選定元件資料及機器驗證結果判定（SMC）。
氣動串級順序分組的基本規則是什麼？
由左至右讀取已排序的動作。只有目前組內尚未出現該氣缸時，才能把這項動作加入目前組。同一氣缸再次出現前必須另開新組。對於 A+ B+ B− C+ C− A−，最少的有效分組是 A+ B+、B− C+、C− A−。
為什麼同一時間只能有一條串級組別管路供壓？
組別供壓互斥，可防止同一氣缸的伸出與縮回命令同時獲得允許。分配器推進時，前一組必須排氣，下一組則必須供壓。若兩組都維持在其有效切換閾值以上，殘壓便可能再次造成串級法原本要消除的訊號重疊。
雙先導閥能使迴路具備故障安全功能嗎？
不能。雙先導閥為雙穩態，通常會保持最後的閥芯狀態，直到相反先導訊號作用。它不提供冗餘、診斷涵蓋率、安全負載保持能力，也不能為所有能量喪失情況提供確定反應。ISO 13849-1 要求針對應用設計並評估完整的安全相關控制功能。
計時器可以取代氣缸行程終點閥嗎？
一般不可以。計時器只能證明時間已經過，不能證明活塞到達所需位置。應使用位置或合格的製程回授確認動作完成；機器規格要求時，再以計時器偵測動作時間過長。僅以時間排序必須有記錄在案的公差與風險依據。