1-1

ㄧ、PLC－氣壓控制迴路設計、裝配調整與故障排除

(一)動作順序：

【必要條件】

◆負載缸C於中間停止或緊急停止時，可用手輕易移動停止於任何位

置而不會滑動。【裝配迴路時、以機具設備表指定的負載氣壓缸

模組呈 □垂直立置升降 □垂直倒置升降﹙二勾選一﹚的姿態下、

承載 □5 □10 □15 □20 Kgf﹙四勾選一﹚的重物】。

◆單循環操作時，負載缸C於步序3中間停止後，要繼續完成氣壓缸B

的運動，必須在步序3'處再按啟動(start)開關才能再啟動、繼續以

後步序的運動。

◆連續循環操作時，步序3’的start免按。

(二)出力要求：【C缸必選、A與B缸則依監評人員勾選決定】

負載氣壓缸C負荷：□1500Kgf、□ Kgf，

1-2

負荷率採：□85％，□90％

以上使用空氣壓力：□4 Kgf/㎝2，□5 Kgf/㎝

2，□6Kgf/㎝

2

選擇符合要求的氣壓缸內徑大小。

(三)速度要求：【依圖示之時間軸】

(四)循環要求：【監評人員由(a)與(b)項中任選一項，要求應檢人完成】

□ (a)、設定氣壓缸B和C於步序2到步序8的動作次數5次，其中氣壓缸

A保持伸出狀態，在做第五次反覆動作，並完成步序2至步序4，

再依照既定步序動作。

□ (b)、設定氣壓缸B做完第五次反覆動作時，氣壓缸A和C保持伸出狀

態。於氣壓缸B完成最後一次循環動作次數時，氣壓缸A和C再依

照既定步序後退。

(五)輔助操作要求：【以下(c)到(f)項為必要條件，要求應檢人完成】

(c)、負載缸C可於任意位置停止，只要一壓下緊急停止按鈕所有氣壓

缸都立即停止於該步序內，解除緊急停止後，再啟動時必須能從

剛停止的步序繼續往下做，負載缸C不可產生〞爆衝〞的動作。

(d)、緊急停止時，按啟動開關無效。

(e)、押按停止開關，機器於完成一整個循環後才停止。

(f)、可用選擇開關切換【單循環／連續】循環動作。

1-3

一、 設計方法：採用 PLC 步進指令

二、 設計步驟：

（一） 繪製氣動部分

垂直立置升降

垂直倒置升降

說明：

1.由必要條件得知，負載缸 C 於中間停止或急停時可用手輕易移動

停止於任何位置而不會滑動，故 C 缸採用平衡迴路。

1-4

2.因為 C 缸為雙動單桿缸，活塞兩側的有效斷面積不同，故利用精

密調壓閥進行出力平衡之調整。而因為 A、B 兩缸要停止於該步

序內，所為了簡化程式指令，故採用具自保能力的雙線圈電磁

閥。

（二） PLC I/0 接點規劃

1-5

(三) 時序圖之解析（模式 A）

說明：

利用步進指令設計的 PLC 程式，基本上可區分為外部驅動程

式及步進階梯程式兩部份來討論：

1.外部驅動程式－機器運轉中，基於安全之考量或控制上的需

求，此時如果操作某一外部輸入開關，則機器必須立即執行

該輸入訊號所欲控制的動作。例如操作緊急停止開關，機器

必須復歸原點或停止在該步序內。其意即機器運轉中的任何

時段某一外部輸入開關的訊號必須被執行。而單一及連續循

環模式的選擇，必須機器處於靜止狀態(即完成一整個循環)

操作才能被執行，則可將其置放在初始狀態步進點 S0 中。

1-6

1.1 輔助操作要求（C）操作緊急停止開關負載缸 C 可於

任意位置停止，而 A、B 兩缸停止在該步序的終點及

必要條件 C 缸於中間停止或緊急停止時，可用手輕易

移動停止於任何位置而不會滑動。

（1）如氣動部分所示，因為 C 缸採用平衡迴路，故當操作

急停開關(X4)時，只要切斷電磁閥線圈 +C 及 −C 的電

源，則負載缸 C 因活塞兩側同時供氣作用力趨於平

衡，故立即停止於任意位置。此時如果對負載施加外

力，因為平衡狀態被破壞，所以負載順著施力方向移

動，當外力消失，則由於活塞兩側的作用力馬上趨於

平衡，故 C 缸立即定位而不會滑動。其程式設計如

下所示：

RST Y4

RST Y5

X4C+

C-

（2）當操作急停開關，負載缸 C 可於任意位置停止而 A、B

兩缸停止於該步序的終點。其意即機器必須執行暫停。

此時可利用急停開關(X4)驅動跳躍指令 CJ，促使其跳

至指標 P0 處繼續往下執行，而被跳躍指令跳躍過的程

式中其負載的輸出線圈均保持在 CJ 指令執行時的

1-7

ON-OFF 狀態，故 A、B 二缸會停止在該步序的終點，

而 Y4 ( +C )及 Y5( −C )的輸出線因先作復置再進行跳躍，

所以保持在 OFF 狀態，即 C 缸可作任意位置停止。其

程式設計如下所示：

P0

RST Y4

RST Y5

CJ P 0

步進程式

RET

END

X4

此二程式的位置必須擺在CJ指令的前面，故當操作急停開關X4，則Y4及Y5先被復置，而後再執行跳躍。所以Y4及Y5均保持在OFF狀態，即C缸可作任意位置停止，

並執行暫停。

1.2 解除急停開關後，再啟動時必須從剛剛停止的步序

繼續往下執行，而負載 C 不可有爆衝的動作，及(d)

急停時，操作啟動開關無效。故將上述的程式更改

為如下所示：

說明：

（1） 當操作急停開關（X4），則內部輔助繼電器 M 4 激

磁並形成自保，同時 C 缸停止於任意位置，而

A、B 兩缸停止於該步序的終點。

1-8

（2） 解除急停開關後，則因為 CJ 指令繼續由自保電

路驅動，故機器繼續執行暫停。

（3） 將啟動開關(X0)的 b 接點，串接在自保接點(M 4 )

的控制線上其目的如下：

(a) 急停狀態下操作啟動開關無效。

(b) 急停解除後，操作啟動開關切斷(M 4 )的自保

電路，則 CJ 指令失效，機器從剛剛停止的

步序繼續往下執行。

（4） 因為 C 缸採用平衡迴路，且利用排氣節流方式

控制其往復，故可提供抵抗氣缸運動的背壓力來

限制其速度。因此可防止氣缸產生爆衝。

1.3 輔助操作要求（f）：用切換開關可選擇單一或連

續循環。

（1） 基於安全上的考量，機器必須復歸原點後(即停止

運轉)才可進行循環模式的切換，故將循環模式的

切換開關置放在初始狀態步進點 S0 中。

（2） 因為機器必須完成一整個循環後，才進行單一或連

續模式的判斷，其意即切換開關的訊號必須執行記

憶。其程式設計如下所示：

1-9

說明：

(1)利用 X2及 X3分別強制驅動內部輔助繼電器 M 2及

M 3，並執行記憶。

(2)上述程式必須擺在初始狀態步進點 S0 中。

1.4 輔助操作要求（e）：操作停止開關，機器於完成

一整個循環後才停止。

(1)依題意得知，在機器執行連續循環的任何時段只要操

作停止開關，其輸入訊號必須保持至機器完成一整個循

環後才作判斷，故利用 X1強制驅動內部輔助繼電器

M1執行記憶。其程式設計如下圖所示。

(2)當機器完成最後一個步進點(S29)的動作後，才

能進行單一或連續模式的判定，茲如下所述。

(A)假如選擇開關切換在 M 2(X2)，則步進點跳至初始狀

態步進點 S0 中執行單一循環。

(B)假如選擇開關切換 M3 (X3)，則機器將進行下列的判

斷：

1-10

a.假如停止開關(X1)未操作，則利用 M3的 a 接點串

接 M1的 b 接點，控制步進點跳至 S21 執行連續循環。

b.假如停止開關已被操作，則利用 M3的 a 接點串接

M1的 a 接點，控制步進點跳至 S0 執行單一循環。

其程式設計如下所示：

S29

M2M3

M1

M3

M1

X5 X5

單

一

連

續

S0 S21

此程式亦需擺在步進階梯程式中

2.步進階梯程式分析：

步進工程驅動前，必須先進行下列兩項任務：

（1） 驅動初始狀態步進點 S0-S9。

（2） 復置各步進點，使其在初始等待狀態，至於此項可區

分為下列兩種狀況：

a. 假如操作急停開關執行機器的原點復歸，則必須進

行各步進點的復置。

b. 假如操作急停開關執行機器的暫停，則可不必復置

1-11

各步進點。

欲驅動初始狀態步進點有很多方式，其中較簡單的方法是

利用特殊電驛 M8002 驅動。M8002 為初始脈波，當 PLC 從

OFF->ON 時，M8002 產生一掃瞄時間脈波，利用此脈波先驅

動初始狀態步進點 S0，而後在 S0 中再進行各步進點的復置。

對單一步進點的復置可利用 RST 指令，同時亦可利用應用指令

FNC40 的 ZRST 指令作各步進點的一併復置。

2.1 由輔助操作要求（c）得知此題屬於暫停模式，故

當步進點 S0 被驅動後，須進行下列各項工作：

1.停止指令的復置

2.循環模式的復置

3.循環模式的再設定

4.機器的原點復歸

其程式如下所示：

1-12

說明：利用磁簧開關驅動的內部輸入電驛(X5，X7，X11)之 b 接點

執行氣缸的原點復歸，當氣缸復歸後磁簧開關因磁性感應

促使內部輸入電驛激磁，其所控制的 b 接點開路，所以輸出

圈(Y1，Y3，Y5)消磁，故在系統的啟始可避免電磁閥線圈依

然處於激磁狀態。

2.2（1）當 A、B、C 三缸復歸原點後，由於 a0（X5），b0（X7）

及 c0（X11）閉合，所以此時如果操作啟動開關 X0，則

步進點移行至 S21 執行 +A 。

（2）A 缸前進作動 a1（X6），則步進點移行至 S22 執行 +C 。

上述兩個步進點的程式設計如下所示：

1-13

S0

S21

X0

X5X7

X11

S22

Y0

Y4

X6A+

C+

2.3 當 C 缸前進至中間位置作動 c1（X12），步進點移行 至

S23，依必要條件的規定，必須進行下列的判斷：

（1）當機器執行單一循環時，則必須操作啟動開關 X0才能

執行 3’處的 B 缸前進。

（2）當機器執行連續循環模時，則不必操作啟動開關，故

利用連續循環的開關 (M3)直接驅動 3’處的 +B 。

（3）同時在步進點 S23 亦須執行 B、C 兩缸於步序 2 到步序

8 的 5 次循環計數。其程式設計如下所示：

S22

S23X0

M3

Y2

C10 K5

X12

B+

2.4 B 缸前進作動 b1（X10），此時需視計數值之完成與

1-14

否進行下列的判斷：

（1）假如步序 2 至步序 8 的 5 次循環計數已完成，則利用 X

X10的 a 接點串接計數器 C10的 a 接點作移行條件，而後

步進點移行至 S24 執行 −A 。

（2）假如步序 2 至步序 8 的 5 次循環計數尚未完成，則利

用 X10的 a 接點串接計數器 C10的 b 接點控制步進點跳

躍至 S25，而忽略步進點 S24 的 −A ，因為 B、C 兩缸進

行循環時 A 缸要保持伸出狀態。其程式設計如下所示：

S23

S24

X10

C10C10

S25Y1 A-

2.5

（1） A 缸回行作動 a0（X5），步進點移行至 S25 執行 +C 。

（2） C 缸前進至端點作動 c2（ X13），步進點移行至 S26 執行

−B 。

（3）B 缸回行原點作動 b0（X7），步進點移行至 S27 執行 −C 。

上述的動作分析，其程式設計如下所示：

1-15

S24

S25

X5

S26

S27

X7

X13

Y4

Y3

Y5

C+

C-

B-

2.6 C 缸回行作動 c0 (X11)，此時需視 A 缸的停留位置，

進行下列的判斷：

（1）假如 A 缸回到原點位置，表示 B、C 兩缸的循環動作

已完成，則利用 X11的 a 接點串接 X5的 a 接點作移行條

件，而後步進點移行至 S28 執行 +A 。

（2）假如 A 缸在尚處於前進端點位置，表示 B、C 兩缸的

循環動作還未完成，則利用 X11的 a 接點串接 X6的 a 接

點控制步進點跳躍至 S22 繼續執行未完成之計數。其

程式設計如下所示：

S27

S28

X11

X5X6

S22Y0 A+

1-16

2.7 A 缸前進作動 a1 (X6)，步進點移行至 S29 執行 −A 及

計數線圈復置。

2.8 (1)A 缸回行作動 X5，則一整個循環完成，此時需

進行循環模式的判斷(請參考外部驅動程式 1.4)。

(2)輸入 RET 指令返回母線及 CJ 指令的指標 P0。

上述動作分析的程式設計如下所示。

Y1

RST C 10

S

29

M2M3

M1

M3

M1

X5 X5

RET

S0 S21

P0

A-

( END)

S

28

X6

1-17

3.基於安全之考量，停止（X1）及緊急停止（X4）開關等，外

部訊號輸入開關必須使用 b 接點，其目的在防止因接點故障，

致造成機器無法停止之危險。

1-18

（四）繪製 SFC 圖（模式 A）

M4

RST Y4

RST Y5CJ P0

X4

M4 X0

X1SET M1

S0

M8002

RST M1

RST M2

RST M3

SET M2

SET M3

Y1

Y3

Y5

X2

X3X5

X7

X11

X5

X7

X11

X0

S21 Y0

Y4

X6

S22

X0

M3

Y2

C10 K5

X12

S23

X10

C10C10

S25Y1S24

S25

X5

S26

X7

X13

Y4

Y3

Y5S27

X11

X5X6

S22Y0S28

X6

Y1

RST C10

S29

M2M3

M1

M3

M1

X5 X5

單一

連

續

RET

S0 S21

P0

A+

C+

C-

A-

B-

B+

A-

C+

B-

C-

A+

A-

(END)

1-19

（三）時序圖之解析（模式 B）

1. 外部驅動程式分析：與模式 A 同，故省略。

2. 步進階梯程式分析：

2.1 從步進點 S0 至步進點 S23，其程式設計同模式 A，故

省略。

2.2 B 缸前進作動 b1（ X10），此時需視計數值之完成與否

進行下列的判斷：

（1）假如步序 3 至步序 7 的 5 次循環計數已完成，則利用

X10的 a 接點串接計數器 c10的 a 接點作移行條件，而後

步進點移行至 S24 執行 −A 。

（2）假如步序 3 至步序 7 的 5 次循環計數尚未完成，則利

1-20

用 X10的 a 接點串接計數器 c10的 b 接點，控制步進點

跳躍至 S26 執行 −B ，繼續未完成的循環計數。其程式

設計如下所示：

S23

S24

X10

C10C10

S26Y1 A-

2.3 從步進點 S25 至 S26 的程式設計如下所示：

S24

S25

X5

S26

X13

Y4

Y3

C+

B-

2.4 B 缸回行作動 b0（X7），此時亦需視計數值之完成

與否進行下列的判斷：

（1）假如循環計數已完成，則利用 X7的 a 接點串接計數器

c10的 a 接點作移行條件，而後步進點移行至 S27 執行

−C ，並繼續未完成的步序。

（2）假如循環計數尚未完成，則利用 X7的 a 接點串接 c10

的 b 接點控制步進點跳躍至 S23 繼續執行未完成的循

環計數。

1-21

其程式設計如下所示：

S26

S27

X7

C10C10

S23Y5 C-

2.5 從步進點 S28 至程式終結同模式 A，故省略。

1-22

（四）繪製 SFC 圖（模式 B）

M4

RST Y4

RST Y5CJ P0

X4

M4 X0

X1SET M1

S0

M 8002

RST M1

RST M 2

RST M 3

SET M 2

SET M 3

Y1

Y3

Y5

X2

X3X5

X7

X11

X5

X7

X11

X0

S21 Y0

Y4

X6

S22

X0

M3

Y2C10 K5

X12

S25

X5

S26

X11

X13

Y4

Y3

Y5S27

X7

C10C10

S23

Y0S28

X6

Y1

RST C10

S29

M2M3

M1

M3

M1

X5 X5

單一

連

續

RET

S23

S24

X10

C10C10

S26Y1

S0 S21

A-

B-

C-

A+

C+

B+

A-

C+

B-

C-

A+

A-

P0

( END)

1-23

第一題計算：

tvsattvsasvvatvv *,21,2, 20

20

20 =+=+=+=

假設 P=5kgf/cm² η=60%

一、 A 缸：

1. 內徑：

)(98.756.0

15044 cmP

Fd A =×××

=××

×=

πηπ

故 A 缸選用 ψ80mm 之氣缸

2. 緩衝能力：

A 缸（水平缸）之移動速度取平均值故 )/(505.0

250 scmvA ==

衝擊能量： )(3.19150980150

21

21 22 cmkgfMVKE −=××==

故 A 缸之緩衝能力需大於 191.3（kgf-cm）

3. 控制閥的有效斷面積

A 缸之瞬間最大用氣量：

min)/(880033.1

5033.110605048

033.1033.11060

43

2

32

Nl

PVDVAQA

=+

×××××

=

+××××=×=

−

−

π

π

控制閥上下游之壓力比：

893.15.1033.1

84

150033.15

2

2

1

1-24

所以有效斷面積：

2

221

7.13)033.199.2)(99.25(6.22

880)033.1)((6.22

mmPPP

QS =+−×

=+−×

=

二、 B 缸

1. 內徑

)(3.1156.0

300456.0

4 cmFd B =×××

=××

×=

ππ

故 B 缸選用 ψ125mm 之氣缸

2. 緩衝能力

B 缸（水平缸）之移動速度取平均值故

sec)/(50sec)/(5001

500 cmmmtsVB ====

衝擊能量： )(6.38250980300

21

21

21 222 cmkgfV

gwMVKE −=××=××==

故 B 缸之緩衝能力須大於 382.6（kgf-cm）以上

3. 控制閥的有效斷面積：

B 缸之瞬間最大用氣量：

min)/(2149033.1

5033.11060505.124

033.15033.11060

432

32

Nl

VDVAQB

=

+×××××=

+×××××=×=

−

−

π

π

控制閥上下游的壓力比：

893.173.1033.1

5.124

300033.15

2

2

1

1-25

所以有效斷面積：

2

221

9.31)033.145.2)(45.25(6.22

2149)033.1)((6.22

mmPPP

QS =+−×

=+−×

=

三、 C 缸

C 缸因需快速移動，故要考慮其慣性力的大小

設 C 缸之速度為等加速度運動，故由 221 ats = 得知

)sec/(4005.05022 222 cmt

sa =×== ，亦即 C 缸的合成加速度必須為

400cm/sec²才能在 0.5sec 移動 500mm，下面分立置和倒置兩種

狀況來討論：

（一） 立置

因為 C 缸的合成加速度 2sec/400cmat = ，即 gyaa ct −= 故 C

缸向上運動所產生的加速度為

,sec/1380980400 2cmgaya tc =+=+=

所以氣缸的推力： kgfmaF 21121380980

1500=×==

1. 內徑

)(95.2956.0

211244 cmP

Fdc =×××

=××

×=

πηπ

故 C 缸選用 ψ300mm 之氣缸

2. 緩衝能力

C 缸之最大移動速度 sec/2005.04000max cmatVV =×=+=

衝擊能量：

1-26

cmkgfVgWMVKE −=××=××== 30612200

9801500

21

21

21 222

故 C 缸之緩衝能力須大於 30612kgf-cm

3. 控制閥的有效斷面積

C 缸之瞬間最大用氣量：

min)/(49514033.1

5033.11060200304

033.1033.11060

432

32

Nl

PVDVAQc

=

+×××××=

+××××=×=

−

−

π

π

控制閥上下游的壓力比：

893.15.1033.1

304

2112033.15

2

2

1

1-27

活塞直徑的 1/3

1. 內徑

（1） 下降行程

)(6.2056.02

88892

9 cmP

Fdc =××××

=×××

×=

πηπ

（2） 上升行程

C 缸回行時，需在 1.5sec 內移動 1000mm，故由

2

21 ats = 得知 222 sec/9.885.1

10022 cmtsa =×== ，即合成加速

度 2sec/9.88 cmat = ，故由 gyaa ct −= 得知回行運動時

由氣缸所產生的加速度

2sec/9.10689809.88 cmgaya tc =+=+=

所以氣缸回行時 1/2 之距離所產生的拉力

kgfmaF 16369.1068980

1500=×==

故 )(96.2756.02

163692

9 cmP

Fdc =××××

=×××

×=

πηπ

所以 C 缸採取上述兩種狀況內徑較大者，故選用

ψ300mm 之氣缸。

2. 緩衝能力

C 缸之瞬間最大速度：

sec/2005.04000max cmatatVV =×==+=

故衝擊能量 cmkgfMVKE −=××== 30612200980

150021

21 22

1-28

故 C 缸之緩衝能力須大於 30612kgf-cm 以上

3. 控制閥的有效斷面積：分上升及下降兩種狀況來分析

（1） 向上：

sec/1335.19.88max cmatV =×==

故 C 缸之瞬間最大用氣量：

893.173.1033.1

)730(4

1636033.15

22

2

1 =

+−×

+=

πPP

為音速流動

所以採用公式 13.11 PSQ ××=

故有效斷面積：

1-29

2

1

726)5033.1(3.11

495143.11

mmP

QS =+×

=×

=

採用上述兩種中較大者，故選用有效斷面積

726mm²以上的電磁閥。