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    "content_markdown": "# 使用氣動閥設計串級迴路指南\n\n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。\n\nFesto 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](https://www.festo.com/media/cms/media/mam_upload/IN_Training__Catalogue__2025.pdf)，2025）。\n\n> 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。\n\n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](/zh-hant/blog/how-to-design-a-pneumatic-circuit-for-sequential-cylinder-operation/)。\n\n## 串級迴路設計實際解決什麼問題？\n\nFesto 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](https://www.festo.com/media/cms/media/mam_upload/IN_Training__Catalogue__2025.pdf)，2025）。\n\n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。\n\n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。\n\n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。\n\n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。\n\n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。\n\n## 如何把動作順序劃分為串級組別？\n\nFesto 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](https://media.festo.com/media/290377_documentation.pdf)，2026）。\n\n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。\n\n本例的分組如下：\n\n| 順序位置 | 動作 | 分組決定 | 原因 |\n| --- | --- | --- | --- |\n| 1 | A+ | 第 1 組 | A 尚未在第 1 組出現 |\n| 2 | B+ | 第 1 組 | B 尚未在第 1 組出現 |\n| 3 | B− | 開始第 2 組 | B 已在第 1 組出現 |\n| 4 | C+ | 第 2 組 | C 尚未在第 2 組出現 |\n| 5 | C− | 開始第 3 組 | C 已在第 2 組出現 |\n| 6 | A− | 第 3 組 | A 尚未在第 3 組出現 |\n\n因此，最終分配為：\n\n- 第 1 組： A+ → B+\n\n- 第 2 組： B− → C+\n\n- 第 3 組： C− → A−\n\n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。\n\n> Figure: 分組規則可防止同一氣缸的伸出與縮回命令共用一條已啟用的組別管路。\n\n## 迴路所需的閥件與訊號元件\n\nFesto 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](https://ftp.festo.com/Public/PNEUMATIC/SOFTWARE_SERVICE/Documentation/2025/EN_US/TIGERCLASSIC_ENUS.PDF)，2024）。\n\n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：\n\n| 元件 | 在串級迴路中的功能 | 選型檢查 |\n| --- | --- | --- |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n\n![串級控制迴路中用於 OR 訊號路徑的氣動梭閥](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/a-guide-to-cascade-circuit-design-using-pneumatic-valves/wp-st-series-shuttle-valve.jpg)\n\n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。\n\n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](https://www.festo.com/gr/en/c/products/control-technology-and-remote-i-o-id_pim37/)）。\n\n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](/zh-hant/blog/the-role-of-pneumatic-logic-valves-in-control-system-design/)。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](/zh-hant/blog/how-do-pneumatic-pilot-operated-valves-work-and-why-are-they-essential-for-industrial-automation/)。\n\n![適合控制雙作用氣缸的雙先導方向控制閥](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/a-guide-to-cascade-circuit-design-using-pneumatic-valves/wp-100-series-directional-control-valve.jpg)\n\n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。\n\n## 如何建立組別管路邏輯？\n\nSMC 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](https://www.smc.eu/en-gb/products/shuttle-valve~148106~nav)；[Festo](https://ftp.festo.com/Public/PNEUMATIC/SOFTWARE_SERVICE/Documentation/2025/EN_US/TIGERCLASSIC_ENUS.PDF)）。\n\n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。\n\n每個動作需要兩項允許條件：\n\n- 其組別管路已啟用；以及\n\n- 前一步的完成條件有效。\n\n在繪製管路前，可先把本例順序記錄成訊號表：\n\n| 動作命令 | 啟用組別 | 步驟條件 | 完成後的轉移 |\n| --- | --- | --- | --- |\n| A+ | Z1 | 循環啟動且已確認原位 | A 伸出訊號允許 B+ |\n| B+ | Z1 | A 已伸出 | B 伸出訊號使 Z1 轉移至 Z2 |\n| B− | Z2 | Z2 剛啟用 | B 縮回訊號允許 C+ |\n| C+ | Z2 | B 已縮回 | C 伸出訊號使 Z2 轉移至 Z3 |\n| C− | Z3 | Z3 剛啟用 | C 縮回訊號允許 A− |\n| A− | Z3 | C 已縮回 | A 縮回訊號返回待機狀態 |\n\n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。\n\n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。\n\n## 配管前應如何繪製並檢查迴路？\n\nFesto 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](https://media.festo.com/media/290377_documentation.pdf)，2026）。\n\n請依下列順序建立文件：\n\n- 動作順序： 寫出每個致動器的方向，包括所需原位。\n\n- 位移－步序圖： 顯示每個編號步驟中哪支氣缸改變位置。\n\n- 串級組別： 套用不重複規則，並標示各邊界的轉移動作。\n\n- 訊號表： 標明啟用組別、步驟條件、輸出先導及下一項轉移。\n\n- 氣動原理圖： 把工作氣路與控制氣路分開繪製。\n\n- 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。\n\n- 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。\n\n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。\n\n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。\n\n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](/zh-hant/blog/how-to-build-a-reliable-pneumatic-circuit-with-modular-valves/)。\n\n## 串級迴路為什麼會跳步或停滯？\n\nFesto 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](https://ftp.festo.com/Public/PNEUMATIC/SOFTWARE_SERVICE/Documentation/2025/EN_US/TIGERCLASSIC_ENUS.PDF)，2024）。\n\n| 症狀 | 優先量測項目 | 可能原因 |\n| --- | --- | --- |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n| 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 |\n\n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。\n\n> 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。\n\n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。\n\n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](/zh-hant/blog/which-flow-control-method-delivers-better-performance-meter-in-vs-meter-out/)說明了這項差異。\n\n## 停止、復位與失去供氣時的行為\n\nISO 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](https://www.iso.org/standard/44790.html)；[ISO 13849-1](https://www.iso.org/standard/73481.html)）。\n\n請分別定義下列事件：\n\n- 正常停止： 目前步驟是完成、暫停，還是返回受控狀態。\n\n- 緊急停止： 機器風險評估要求且已驗證的反應。\n\n- 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。\n\n- 控制供氣中斷： 組別記憶是保留、復位，還是變成不確定狀態。\n\n- 壓力恢復： 迴路保持禁止，還是恢復先前保留的命令。\n\n- 手動復位： 啟用 Z1 前必須證明哪些原位條件。\n\n- 維護隔離： 如何隔離能量、釋放殘壓並驗證零能量狀態。\n\n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。\n\n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。\n\n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。\n\n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](/zh-hant/blog/integrating-safety-exhaust-valves-into-your-pneumatic-machine-guarding/)互相比較。\n\n## 如何為完成的迴路進行試運轉？\n\nFesto 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](https://ftp.festo.com/Public/PNEUMATIC/SOFTWARE_SERVICE/Documentation/2025/EN_US/TIGERCLASSIC_ENUS.PDF)，2024）。\n\n請依受控次序試運轉：\n\n- 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。\n\n- 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。\n\n- 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。\n\n- 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。\n\n- 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。\n\n- 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。\n\n- 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。\n\n- 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。\n\n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」。\n\n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。\n\n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](/zh-hant/contact/)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。\n\n## 串級迴路設計常見問題\n\nSMC 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](https://www.smc.eu/en-gb/products/shuttle-valve~148106~nav)）。\n\n### 氣動串級順序分組的基本規則是什麼？\n\n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− 。\n\n### 為什麼同一時間只能有一條串級組別管路供壓？\n\n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。\n\n### 雙先導閥能使迴路具備故障安全功能嗎？\n\n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。\n\n### 計時器可以取代氣缸行程終點閥嗎？\n\n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。\n\n### 資料來源與技術參考\n\n- [Festo，工業氣動控制培訓目錄](https://www.festo.com/media/cms/media/mam_upload/IN_Training__Catalogue__2025.pdf)\n\n- [Festo，PN13 進階工業氣動培訓課程](https://media.festo.com/media/290377_documentation.pdf)\n\n- [Festo，Tiger Classic 閥件技術資料](https://ftp.festo.com/Public/PNEUMATIC/SOFTWARE_SERVICE/Documentation/2025/EN_US/TIGERCLASSIC_ENUS.PDF)\n\n- [Festo，氣動及電氣氣動控制技術](https://www.festo.com/gr/en/c/products/control-technology-and-remote-i-o-id_pim37/)\n\n- [SMC，梭閥及 AND 閥規格](https://www.smc.eu/en-gb/products/shuttle-valve~148106~nav)\n\n- [ISO 4414:2010，氣壓流體動力系統及元件](https://www.iso.org/standard/44790.html)\n\n- [ISO 13849-1:2023，控制系統安全相關部件](https://www.iso.org/standard/73481.html)"
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