# 氣動邏輯閥在控制系統設計中的作用

> Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/the-role-of-pneumatic-logic-valves-in-control-system-design/
> Language: zh-Hant

## Summary

依 Festo 1–10 bar 資料、真值表、ISO 4414 故障狀態、防爆區域限制及安全試車檢查，設計氣動邏輯閥迴路。

## Page Content

# 氣動邏輯閥在控制系統設計中的作用

氣動邏輯閥把壓力訊號轉換成簡單的控制決策。 AND 閥需要兩個有效輸入；OR 梭閥接受任一輸入；定時器或記憶元件則加入順序行為。這類元件適合本地互鎖與純氣動功能，但只靠元件邏輯並不能證明機台安全，也不能證明適用於危險區域。

實際設計工作不只是繪製布林符號。每個壓力狀態都需有明確門檻，每條訊號路徑都需有足夠流量，而且失去供氣時必須導向已記錄的機台反應。因此，氣動邏輯應納入[ISO 4414](https://www.iso.org/standard/44790.html)所述的完整控制系統審查，而不是排除在外。

> 重點摘要 Festo 為其教學用 AND 與 OR 閥列出 1 至 10 bar 的工作範圍。 真值表定義預期邏輯；壓力、時序、洩漏與故障測試則決定迴路能否正常運作。 一般邏輯閥不會自動具備安全額定、本質安全或爆炸性環境適用資格。

![用於氣動訊號迴路 OR 邏輯的 ST 系列氣動梭閥](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/the-role-of-pneumatic-logic-valves-in-control-system-design/wp-st-series-pneumatic-shuttle-valve-or-logic.jpg)

[ST 系列氣動梭閥](/zh-hant/products/control-components/st-series-pneumatic-shuttle-valve-or-logic/)是實體 OR 元件：任一入口都能把壓力訊號傳至出口，同時由梭子隔離另一入口。

[Video: 氣動、氣動控制與電氣氣動教學](https://www.youtube-nocookie.com/embed/SR47RaA1Zdk?start=453)

## 氣動邏輯閥可實現哪些功能？

Festo 為教學用 AND 與 OR 元件都規定 1 至 10 bar 的壓力範圍，標稱流量分別為 550 L/min 與 500 L/min（[Festo《氣動與液壓》](https://media.festo.com/media/235077_documentation.pdf)，2026）。這些數值說明一項基本原則：邏輯功能仍有工作限制與流量容量。

氣動邏輯閥 是處理一個或多個空氣壓力訊號，並產生明確氣動輸出的元件。加壓管路並非在任何壓力下都自動代表 TRUE。迴路設計人員必須依元件資料表，定義有效訊號的最低壓力，以及 FALSE 狀態允許的最高殘壓。

四種常見基本元件如下：

| 功能 | 典型氣動元件 | 輸出規則 | 設計注意事項 |
| --- | --- | --- | --- |
| AND | 雙壓閥 | 只有 A 與 B 都有效時才輸出 | 輸入不等或延遲會改變輸出壓力與時序 |
| OR | 梭閥 | A 或 B 有效時輸出 | 壓力較高或先到達的輸入可能主導 |
| NOT | 常開 3/2 元件或先導配置 | 控制輸入不存在時輸出 | 失去訊號與失去供氣是不同事件 |
| MEMORY | 雙穩態或置位／復位元件 | 保持受命令的閥狀態 | 閥芯狀態保持不代表下游壓力也會保持 |

基本真值表是二進位的，但已安裝迴路的底層仍是類比系統：

| A | B | AND 輸出 | OR 輸出 |
| --- | --- | --- | --- |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 |

Festo 亦列出可在 2 至 30 秒 間調整的氣動定時器，以及具備 10 ms 最短驅動脈衝 、 180 ms 最短復位脈衝 與 2 Hz 連續計數頻率 的氣動計數器（[Festo](https://media.festo.com/media/235077_documentation.pdf)，2026）。因此，時序與脈衝規格是元件資料，而不是氣動邏輯的通用特性。

## 如何把控制需求轉換成氣動迴路？

ISO 4414:2010（2021 年確認）涵蓋氣動系統設計、建造、安裝、調整、操作、維護、可靠性、能源效率與重大危害（[ISO 4414](https://www.iso.org/standard/44790.html)，2010）。先定義機台狀態與故障反應，再選擇能在實際機台上實現這些需求的邏輯元件。

真值表 記錄每一種二進位輸入組合所需的輸出。請在畫管路之前先完成真值表。例如，「按下兩個遠端啟動閥中的任一個便伸出」對應 OR 邏輯；「只有在確認夾持壓力且循環啟用時才伸出」對應 AND 邏輯，前提是完整功能適合相關風險。

| 條件 | 輸入 A | 輸入 B | 所需輸出 | 必須驗證 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 待機 | 0 | 0 | 0 | 出口排氣至低於 FALSE 門檻 |
| 僅命令 A | 1 | 0 | 依應用而定 | OR 通過；AND 維持關閉 |
| 僅命令 B | 0 | 1 | 依應用而定 | OR 通過；AND 維持關閉 |
| 兩個命令 | 1 | 1 | 1 | 出口在容許時間內達到先導壓力 |
| 一條氣管破裂 | 不確定 | 不確定 | 明確故障狀態 | 不會產生非預期命令或受困危害 |
| 供氣消失 | 0 | 0 | 明確機械狀態 | 負載不會危險移動 |

真值表只是第一層。實用的控制規格還應加入壓力門檻、最大反應時間、輸出流量、復歸行為及每一種失效條件。若缺少這些欄位，兩套迴路即使共用同一張布林表，在機台上的行為仍可能不同。

> Figure: 氣動邏輯位於明確輸入與經驗證的機台反應之間；故障行為會跨越每個層級。

若需更完整的歧管與狀態表方法，請參閱[如何使用模組化閥建立可靠的氣動迴路](/zh-hant/blog/how-to-build-a-reliable-pneumatic-circuit-with-modular-valves/)。

## 如何讓空氣訊號邏輯迴路保持可靠？

SMC 為現行某款梭閥與 AND 閥系列列出 最低 0.05 MPa 與 最高 1.0 MPa 工作壓力，並規定流體與環境溫度範圍為 -5°C 至 60°C、不得結冰 （[SMC 梭閥](https://www.smc.eu/en-gb/products/shuttle-valve~148106~nav)，2026 年擷取）。可靠性的第一步，就是讓所選元件保持在限制範圍內。

壓力損失會在先導閥、邏輯元件、接頭及細長氣管中累積。下游先導閥可能需要最低壓力，但上游 TRUE 訊號在切換期間無法維持。排氣阻力會造成相反故障：理應為 FALSE 的管路保持壓力過久，導致復歸延遲或產生命令重疊。

每條訊號鏈都應檢查：

- 各元件的最低與最高工作壓力；
- 輸出流量或導流能力，而不只是連接螺紋；
- 最終方向閥所需的先導壓力；
- 氣管內徑、長度與容積；
- 容許輸入脈衝寬度與輸出反應時間；
- 洩漏與殘壓限制；
- 排氣路徑、消音器狀況與污染敏感度；
- 空氣品質與溫度範圍。

調壓器上的單一壓力表無法顯示以上所有狀況。請在多元件訊號鏈的前後增加測試點，並擷取命令與復歸期間的壓力。[壓縮空氣壓降故障排除指南](/zh-hant/blog/what-causes-pressure-drop-in-pneumatic-systems-and-how-to-fix-it/)說明為何動態讀值比靜態壓力更有用。

串接邏輯閘會消耗壓力裕量。第一個元件在工作台上可能輸出有效訊號，但經過數道限制後，最終先導閥可能顫動或切換緩慢。應從最終先導閥所需壓力反向設計，並為最低預期供氣壓力與正常洩漏保留裕量。

## 氣動邏輯閥可以執行安全功能嗎？

ISO 13849-1:2023 適用於使用電氣、液壓、氣動與機械技術的安全相關控制系統，但它 不會 為特定機台規定安全功能或所需 PLr（[ISO 13849-1](https://www.iso.org/standard/73481.html)，2023）。單一氣動 AND 閘不能證明已達成某個安全等級。

兩個壓力輸入可以表達「A AND B」，但機械安全還取決於架構、元件可靠性、診斷、共同原因故障、故障反應、復歸行為、驗證及由此產生的危險運動。除非完整功能符合適用的機械標準及經驗證的性能要求，否則不應把一般雙壓閥宣稱為雙手安全控制裝置。

同樣地，OR 閥適合替代命令，但這不代表它是緊急停止元件。梭子卡住、氣管接錯、殘壓或共用供氣故障都可能破壞預期反應。除非風險評估與驗證明確把一般控制邏輯納入，否則應將其與安全相關功能分開。

對安全相關卸壓功能而言，請把邏輯設計與[安全排氣閥整合](/zh-hant/blog/integrating-safety-exhaust-valves-into-your-pneumatic-machine-guarding/)比較。邏輯輸出可以提出功能要求，但實際執行必須由具額定值的輸出子系統及經測試的機台反應完成。

OSHA 亦將氣動能量列為保養與維修期間的危險能量（[OSHA 危險能量控制](https://www.osha.gov/control-hazardous-energy/)，2026 年擷取）。控制閥、互鎖與按鈕不能取代適用上鎖／掛牌程序要求的隔離、儲能控制及驗證。

## 氣動邏輯閥在爆炸性環境中屬於本質安全嗎？

IEC 60079-11:2023 將本質安全「i」定義為在評估條件下無法引燃的 電氣設備與電路 ；現行版本包含截至 2026 年 5 月的更正（[IEC 60079-11](https://webstore.iec.ch/en/publication/60654)）。沒有適用的符合性證據時，純氣動邏輯迴路不應沿用這個電氣防護名稱。

氣動設備可以減少危險區域對電氣訊號的依賴，但非電氣設備仍可能因高溫表面、機械火花、靜電放電或材料相互作用形成點火風險。ISO 80079-36:2016 為具有潛在點火源的非電氣防爆設備制定方法與要求（[ISO 80079-36](https://www.iso.org/standard/56550.html)）。

為爆炸性環境指定氣動邏輯之前，請記錄：

- 區域或 Division、氣體或粉塵群組，以及溫度分類；
- 每個閥、接頭、氣管、消音器、致動器與附件是否獲准用於該位置；
- 非電氣設備的符合性途徑；
- 所有電磁閥、感測器、轉換器或介面柵的電氣保護；
- 等電位連接、靜電控制、溫度及材料要求；
- 製造商規定的安裝與維護條件。

「此閥沒有線圈」不是完整的危險區域評估，只代表本地功能少了一個潛在電氣元件。

## 氣動邏輯應如何與 PLC 介接？

ISO 13849-1:2023 對氣動與電氣子系統採技術中立，因此混合架構必須定義每個介面的邊界與故障反應（[ISO](https://www.iso.org/standard/73481.html)，2023）。本地壓力邏輯有用時採用氣動；診斷、排序、配方與通訊有必要時採用電子控制。

常見介面包括壓力開關、氣電轉換器、I/P 或 E/P 轉換器、電磁先導閥及受監控閥輸出。若需了解先導級行為，請閱讀[氣動先導式閥的工作原理](/zh-hant/blog/how-do-pneumatic-pilot-operated-valves-work-and-why-are-they-essential-for-industrial-automation/)。

在兩份原理圖中都定義各介面：

| 介面欄位 | 必要記錄 |
| --- | --- |
| 訊號含義 | TRUE 與 FALSE 在物理上代表什麼 |
| 壓力或電氣門檻 | 保證切換與釋放值 |
| 正常狀態 | 移除命令時的輸出 |
| 失效反應 | 失去供氣、電力、通訊或先導供氣後的行為 |
| 時序 | 預期開啟延遲、關閉延遲、去彈跳及逾時 |
| 診斷 | 如何偵測不一致或卡住狀態 |
| 復歸 | 手動、自動、依壓力或依順序 |

避免重複控制權。若 PLC 與氣動記憶元件都能鎖存同一命令，重新啟動順序可能取決於哪個狀態先恢復。應指派單一狀態擁有者，另一層只能作為已記錄介面或獨立安全措施。

## 如何試車及排除氣動邏輯故障？

Festo 現行教學資料說明為何必須量測時序：一款氣動計數器可接受 10 ms 最短驅動脈衝 ，卻需要 180 ms 最短復位脈衝 ，兩者相差 18:1（[Festo](https://media.festo.com/media/235077_documentation.pdf)，2026）。迴路可能通過緩慢手動測試，卻漏掉生產脈衝。

依固定順序進行試車：

- 對照機台核對原理圖。 追查每個接口、氣管編號、閥正常位置及排氣路徑。
- 獨立測試每個輸入。 記錄 TRUE 壓力、FALSE 殘壓及轉換時間。
- 執行真值表。 套用每種有效輸入組合，包括同步訊號可能到達的順序。
- 量測最後一個邏輯輸出。 確認它在所需時間內達到下游先導閥要求的壓力。
- 測試復歸與排氣。 檢查殘留壓力、堵塞消音器、排氣緩慢及記憶狀態。
- 安全注入已記錄故障。 移除一個輸入、降低供氣壓力、中斷先導空氣，並模擬訊號管破裂或洩漏。
- 在最差條件下重複。 使用最低容許供氣壓力、最高預期循環頻率與實際負載狀態。

實用的故障表可讓排查集中：

| 症狀 | 首先量測 | 可能原因 |
| --- | --- | --- |
| 輸出始終不開啟 | 元件兩個輸入 | 缺少輸入、壓力低於門檻、接口接反 |
| 輸出顫動 | 最終先導壓力曲線 | 壓力臨界、洩漏、輸入快速彈跳 |
| 輸出無法復歸 | 邏輯出口與排氣 | 受困壓力、排氣堵塞、記憶元件狀態 |
| OR 命令回灌 | 兩個輸入的壓力 | 元件錯誤、梭子損壞、管路接錯 |
| 生產時漏掉脈衝 | 脈衝寬度與反應時間 | 氣管容積、先導緩慢、定時器或計數器限制 |
| 只有致動器運動時才發生故障 | 流量峰值期間的訊號壓力 | 共用供氣壓降或支管過小 |

除非製造商提供維修程序，否則不要自行清潔狀況可疑的邏輯閥內部。更換元件、修正污染並執行可重複驗收測試，通常比未記錄的內部修理更容易驗證。

## 氣動邏輯閥選型檢查表

Festo 的 AND 與 OR 範例雖同樣具有 1 至 10 bar 壓力範圍，標稱流量卻相差 50 L/min （[Festo](https://media.festo.com/media/235077_documentation.pdf)，2026）。功能名稱無法代表相同容量、時序、材料或介面，因此採購規格需涵蓋完整工作包絡。

規格或 RFQ 應包含：

- 所需邏輯功能與完整真值表；
- 最低 TRUE 與最高 FALSE 壓力；
- 供氣壓力範圍與最低動態壓力；
- 所需輸出流量與下游先導需求；
- 最大開啟延遲、關閉延遲及脈衝寬度要求；
- 容許洩漏與殘壓；
- 接口類型、氣管尺寸、安裝及流向；
- 空氣品質、溫度、沖洗、振動及材料要求；
- 正常狀態、復歸行為及失氣反應；
- 危險區域或功能安全要求及適用證據；
- 驗收測試與文件版本。

若功能驅動方向閥，請納入閥的先導配置與最低先導壓力。若參與安全功能，請提交安全需求規格，不要只向供應商詢問通用的「故障安全」邏輯閥。

## 常見問題

Festo 為各邏輯元件公布不同工作資料，包括 AND 與 OR 閥的 1 至 10 bar 範圍，以及兩款定時器的 2 至 30 秒 範圍（[Festo](https://media.festo.com/media/235077_documentation.pdf)，2026）。以下答案說明功能，實際限制則以所選資料表為準。

### AND 閥與 OR 閥有何不同？

AND 或雙壓閥必須在兩個輸入都有有效壓力後才輸出。OR 或梭閥會把任一有效輸入傳至出口並隔離另一入口。Festo 範例都在 1 至 10 bar 工作，但標稱流量相差 50 L/min（[Festo](https://media.festo.com/media/235077_documentation.pdf)，2026）。

### OR 梭閥會把兩個輸入壓力相加嗎？

不會。它只選擇可用入口路徑，不是增壓裝置。兩個入口同時加壓時，行為取決於壓力平衡、到達順序及結構。SMC 為某梭閥系列列出最低 0.05 MPa、最高 1.0 MPa 工作壓力，說明製造商限制的重要性（[SMC](https://www.smc.eu/en-gb/products/shuttle-valve~148106~nav)，2026 年擷取）。

### 氣動 AND 閥可用於雙手控制嗎？

它可以示範 AND 關係，但一般 AND 閥本身無法構成符合規範的雙手安全功能。ISO 13849-1:2023 涵蓋氣動安全相關控制系統，卻不會為特定機台規定所需功能或 PLr。同步性、防綁定、診斷、復歸、架構與驗證都可能很重要（[ISO](https://www.iso.org/standard/73481.html)，2023）。

### 失去供氣後，氣動記憶閥會保持壓力嗎？

不一定。雙穩態元件可能保持閥芯或邏輯狀態，但下游壓力仍會因洩漏或排氣路徑而下降。ISO 4414 涵蓋氣動系統設計與運轉中的重大危害，因此壓力保持、負載風險、容許衰減、隔離與機械反應必須視為系統行為進行評估（[ISO 4414](https://www.iso.org/standard/44790.html)，2010）。

### 氣動邏輯迴路需要電力嗎？

純氣動邏輯元件可在沒有本地電力的情況下處理壓力訊號。整台機器仍可能使用電動空壓機、感測器、電磁閥、PLC、監控器或安全控制。IEC 60079-11:2023 也把本質安全「i」限制在經評估的電氣設備與電路，因此純氣動控制不代表整套設備已獲認證（[IEC](https://webstore.iec.ch/en/publication/60654)）。

## 資料來源

- [ISO 4414:2010，氣壓流體動力系統與元件](https://www.iso.org/standard/44790.html)
- [ISO 13849-1:2023，控制系統安全相關零件](https://www.iso.org/standard/73481.html)
- [ISO 80079-36:2016，爆炸性環境用非電氣設備](https://www.iso.org/standard/56550.html)
- [IEC 60079-11:2023，本質安全「i」設備保護](https://webstore.iec.ch/en/publication/60654)
- [OSHA，危險能量控制](https://www.osha.gov/control-hazardous-energy/)
- [Festo，氣動與液壓學習元件](https://media.festo.com/media/235077_documentation.pdf)
- [SMC，梭閥與 AND 閥規格](https://www.smc.eu/en-gb/products/shuttle-valve~148106~nav)
- [Learnchannel-TV.com，氣動邏輯閥](https://learnchannel-tv.com/en/pneumatics/logic-valve/)