機器選定 #17：2ポート、3ポート、5ポートの電磁弁 — 回路と安全状態で選ぶ
先に結論を述べます。一つのエアラインを開閉するには2/2弁を選びます。単動シリンダ、または一つの作動ポートで給気・排気が必要なエア信号には3/2弁を選びます。前進・後退の反転が必要な複動シリンダには5/2弁を選びます。どちらのコイルも励磁されないときにスプールの中間位置が定められた挙動を作る必要があるなら5/3弁を選びます。コイル電圧、ねじ、マニホールドを選ぶ前に、給気ライン、作動ライン、排気ラインを描き、停電時に機構が何をすべきかに答えます。
早見比較
| 弁形式 | 代表的なポート・位置 | 用途 | 判断の問い |
|---|
| 2/2 | 2ポート、開閉 | エアの給気・遮断、ブロー、補助弁 | 通常は開か閉か。流量は十分か |
| 3/2 | 給気・作動・排気 | 単動シリンダ、パイロット、信号 | コイル解放時、作動ポートは給気か排気か |
| 5/2 | 給気、作動2、排気2 | 複動シリンダ | 単・複ソレノイドのどちらか。解放状態は |
| 5/3 | 5/2に中間位置あり | 特定の中間挙動を要する軸 | 中間閉・排気・加圧は機械安全に正しいか |
弁コードからではなく機構から記号を読む
弁は、エアの経路を変える要素です。運動の要求を作りはしません。シリンダ、クランプ機構、吸着カップ、パイロットこそが、要求の源です。単動・複動のシリンダ、負荷方向、接続、排気ラインを描きます。次に、弁が各位置にあるとき、どの室が給気され、どの室が排気されるかを決めます。この方法は、一つのラインの給気・排気だけを要する機構に5ポート弁を選ぶこと、複動シリンダに3/2弁を使い、もう一方の制御ラインが足りなくなることを避けます。
MISUMIカタログは、5ポート直配管、ベース配管、2ポート弁を同じ空圧の領域にまとめています。これは、ポート数が最初の段階であり、取付形式、マニホールド、継手、消音器、スピードコントローラが回路の一部であることを思い出させます。機能上は正しい弁でも、機械が多くのステーションを要するときに単独ユニットとして選ぶと、配管、配線、保守を必要以上に複雑にします。
2/2弁：エアラインを開くか遮断するだけのとき
2/2弁は二つのポートと二つの状態を持ちます。開閉の機能に使います。分岐へエアを給気する、ブローで清掃する、ラインを遮断する、下流の要素へ給気する、などです。最初の点は、常時閉か常時開かです。コイルが電源を失うとき、エアラインは閉じるか開くか。答えは、在庫の種類ではなく、望む機械の挙動に基づく必要があります。
2/2弁も、ねじだけでなく流量と圧力で選ぶ必要があります。適切なねじでもオリフィス・流量の小さい弁は、機構を遅くし、圧力降下を生み、真空発生器の性能を悪くします。長い配管、継手、フィルタ、消音器は、いずれも損失を生みます。正確なメーカーの流量仕様を読み、機器での圧力条件を確認します。
3/2弁：一つの作動ラインの給気と排気
3/2弁は、給気ポート、作動ポート、排気ポートを持ちます。通常、ばね戻りの単動シリンダに使います。一つの状態がシリンダを走らせるために給気し、もう一つがばね・外力で戻すために排気します。パイロット、ブローオフ、エア信号にも使えます。記号で常時閉と常時開を区別します。コイルが励磁されないとき、作動ポートは源に通じるか、排気に通じるか。
クランプ機構では、停電時の状態を負荷とリスクとともに考慮する必要があります。NC弁は停電時にシリンダ室を排気し得ますが、それ自体でクランプが安全であること、ワークが落ちないことを証明しません。クランプを保持すべき機構、安全のために解放すべき機構、機械ロックが要る機構があります。この要求をリスクレビューに入れ、NC/NOの文字から推論しないこと。
5/2弁：複動シリンダの一般的な選択
5/2弁は、一つの給気、二つのシリンダ室につながる二つの作動ポート、二つの排気を持ちます。スプールが位置を変えると、一方の室が給気され、他方が排気されるため、前進・後退の制御に適します。単ソレノイド弁は通常、コイル解放時にばねが既定状態へ戻します。複ソレノイド弁は、構造に応じて励磁したコイルにより位置を保持・変更します。これは、PLCがリセットする、コイル線が断線する、制御電源が失われるときに重要な違いです。
5/2弁では、大きいコイルを選ぶのではなく、回路の流量とスピードコントローラで機構の速度を確認します。メータアウトは、多くの機構で排気を絞り、運動をより安定させるのによく使われます。しかし、取付方向と負荷条件は依然として試験する必要があります。排気には適切な消音器・排気ラインが要ります。汚れた、または小さすぎる消音器は、機構を遅くしサイクルを変え得るためです。
5/3弁：正しい中間位置を選ぶ
5/3弁は中間位置を加えます。一般的な三つの中間構成は異なる挙動を作ります。ポートを閉じる、作動ポートを排気する、メーカー定義の記号に従い圧力を供給する、です。すべての機械に「既定で安全」な構成はありません。中間閉は室に圧力を保ち得ますが、漏れ、負荷、摩擦、シリンダの取付方法が残ります。中間排気は機構を自由にし、または負荷で下げ得ます。中間加圧は回路形状に従い保持・押し得ます。
機械がこの中間状態を本当に必要とするとき、5/3を選びます。例えば、制御された条件で機構を止める、または特別な要求のある回路設計です。サイクルが明確な前進・後退だけを要するなら、より単純な5/2が運転上の仮定の数を減らせます。中間とパイロットの記号は、カタログで系列により異なり得るため、常に正確なモデルの記号を読みます。
流量、応答、取付形式
弁の流量は、シリンダ容積、サイクル速度、給気圧力、配管を満たす必要があります。大きなボアや長いストロークのシリンダは、弁・チューブが小さすぎるとサイクル時間に達しないことがあります。詰まったチューブ、継手、フィルタを保ったまま大きい弁に替えても、損失の連鎖は解決しません。多くの弁では、マニホールド・ターミナルが給気・排気と配線をまとめます。その代わり、総流量、ステーションの分離能力、保守空間を計算する必要があります。
コイル電圧、コネクタ形式、IP、温度、デューティ、手動オーバライドの能力を確認します。手動オーバライドは立ち上げに有用ですが、誤操作されないよう保護する必要があります。粉塵、水、薬品の環境では、コイルのIPだけを確認するのは不十分です。コネクタ、チューブ、継手、排気位置も適切である必要があります。
エア経路全体の一部として流量を読む
メーカーの流量仕様には、定められた試験条件があります。二つのモデルを比べるとき、同じ表現を保ち、圧力条件、差圧、媒体、継手形式も読みます。弁の公称流量は、エアがFRL、細いチューブ、エルボ、スピードコントローラ、消音器を通るなら、実際の速度のすべてを語りません。計算シートに明記します。期待される最低源圧、機械側の調整圧、各分岐の内径と長さ、同時に走る機構の数、達成すべき前進・後退時間です。
実務的な確認は、多くのステーションが同時に走るような不利なサイクルで、ストローク時間と弁の給気ポートでの圧力を測ることです。弁での圧力が源から大きく下がるなら、弁だけの交換では原因を解決しないことがあります。そのデータは、保守が、詰まった弁を、汚れたフィルタ、折れたチューブ、詰まった消音器、締めすぎたスピードコントローラと区別するのにも役立ちます。チューブや継手の変更は、試験結果が追跡できるよう、エア図とBOMに更新すべきです。
単ソレノイド、複ソレノイド、制御信号
単ソレノイド弁は、一つのコイルと、コイルが電源を失うとき定められた位置へ戻す機構を持ちます。一つの明確な既定状態だけを要するサイクルに読みやすい選択です。複ソレノイド弁は、二つの別々の指令でスプールを変える二つのコイルを持ちます。指令を失ったあとの状態は、弁の構造、パイロット圧、機械的条件に依存するため、PLCはそれが自ら初期位置へ戻ると仮定すべきではありません。弁形式は、特にトランジスタ出力、リレー、リモートI/Oを使うとき、コイルのロジック状態とともにI/O図に記録する必要があります。
コイルの突入・保持電流、定格電圧、保護付きDCコイルなら極性、コネクタ標準、配線方向も確認します。紙上で妥当な選択でも、M8/M12のジャック、配線、24 VDC電源が、同時に入るコイルの数に対して見積もられていなければ、立ち上げの不具合を起こし得ます。診断要求のある機械では、位置フィードバック、LED表示、圧力スイッチ、ストローク端センサを読む必要があるかを最初から決めます。標準の弁は通常、機構が位置に達したことを確認する信号の代わりにはなりません。
パイロット、低圧、真空用途
一部の弁は、内部の源圧を使ってパイロットを制御します。したがって最低作動圧力を持ちます。このしきい値未満では、スプールは期待どおりに状態を変えないことがあります。SMCは、内部パイロット、外部パイロット、直動を区別します。外部パイロットは、主圧が最低値より低いとき、または真空用途で使います。これが、同じポート数を記す弁がすべて真空回路で互換だと推論してはいけない理由です。
真空ラインを開閉するとき、選ぶ系列のカタログで、正しい圧力範囲、ポートマッピング、パイロット条件を読みます。排気ポートは、通常の空圧回路とは異なる扱いを要することがあります。真空系はさらに、ワークを素早く解放する真空破壊弁、エジェクタ・ポンプへの異物侵入を防ぐフィルタ、真空圧を確認するセンサを要することがあります。圧力・真空センサの選定の記事は、この確認の部分を説明します。ここでは、弁はつかむ・保持・解放の順序の一つの環にすぎません。
運用と交換に便利なマニホールドの配置
マニホールドは、ステーションが同じ形式の多くの弁を持つときに検討に値します。給気・排気の点数、配線、取付空間が減り、ステーションの番号付けが明確になります。方式を確定する前に、レイアウト上の弁位置、コネクタの向き、弁を抜く隙間、チューブ挿入位置、排気ラインを記録します。フレーム壁に接して置かれ、チューブが付いたままステーションを抜けないマニホールドは、数分の交換を組立全体の分解に変えます。
サプライヤと確定すべき点は、今使うステーション数と予備、ベース・ブランキングプレートの形式、共通給気・排気またはゾーンの分け方、電気接続、フィールドバスまたはマルチピン、コイル・弁カートリッジの予備を含みます。シリンダが異なる圧力要求を持つなら、共通のマニホールド給気が妥当と決めてかからないこと。レギュレータのゾーン、同時に運転する分岐、保守時のロックアウト手順を検討します。回路図は、機械とI/O一覧のラベルに合うステーションのラベルを示すべきです。
サイクル制御と安全機能の分離
方向切替弁はプロセス制御に応じますが、それ自体が系を安全機能にはしません。人が危険域に入るとき、解は、エア供給のロック・遮断、制御された圧力の排出、圧力監視、機械的な負荷保持機構、または適用規格で評価された安全アーキテクチャを要し得ます。実装の方法は、機械のリスク評価とプロジェクトの要求に依存します。
レビューでは、各故障の結果を記述します。24 VDCの喪失、エア圧の喪失、コイルの断線、パイロット圧の不足、チューブの外れ、E-stop、E-stop後の起動です。次に、機構が動いてよいか静止すべきか、誰が区域の安全を確認するか、どの状態がリセットを許すかを決めます。これらの条件を、5/3の中間状態を確定する前に書くことは、弁の記号に安全の意味を割り当てようとするよりはるかに明確です。
見積を依頼する前に持つべきデータの見本
有用な弁の要求は次を示すべきです。無励磁状態を記したエア図、機構の形式とシリンダなら内径・ストローク、媒体、源圧範囲、流量・サイクル時間の要求、同時に動作する弁の数、取付形式、接続ポート、コイル電圧、環境、保護等級、配線・フィールドバスの要求、交換の要求です。レイアウト写真や取付空間の図を添えると、フレームに当たるコネクタや、汚れた区域へ向く排気を選ぶのを避けられます。
モデルを受け取ったあと、部品番号を比べるだけでなく、カタログの記号を意図した図と照合します。検収の前に、単一操作の試験、連続サイクル、低圧の状況を実行します。チューブの状態、PLCのタイマ値、測定圧力の写真を機械の記録に保存します。次のアップグレードは、現在の弁がなぜ選ばれたかを知ります。
回路による選定手順
- 機構を決める。エアラインの開閉、単動・複動シリンダ、真空、パイロット。
- 機構で、運転、通常停止、停電、E-stop、保守の状態を描く。
- 給気・排気が必要なエアラインと中間状態に応じて、2/2、3/2、5/2、5/3を選ぶ。
- 必要に応じて、単・複ソレノイド、電圧、配線、手動オーバライド、フィードバックを選ぶ。
- チューブ、継手、フィルタ、消音器、スピードコントローラ、サイクル時間とともに弁の流量を確認する。
- 最低圧力のときと、多くの機構が同時に走るときの両方で試験する。
よくある選定の失敗
- シリンダの状態を描かずに習慣でポート数を選ぶ。
- 室が排気するときの負荷・機構を見ずにNC弁をフェイルセーフと呼ぶ。
- 正しいねじを選ぶが、チューブ・継手・消音器の連鎖流量を確認しない。
- 5/3中間閉で負荷を「保持」し、漏れ、負荷、安全レビューを無視する。
- 手動オーバライド、コネクタ、IP、弁の交換方法を保守設計から外す。
手早い選定チェックリスト
- [ ] 各機構状態の給気、作動、排気のラインを描いたか。
- [ ] 一つのラインの開閉だけか。該当 → 2/2弁を検討。
- [ ] 単動シリンダ・パイロットで、一つの作動ポートの給気・排気が要るか。該当 → 3/2弁とNC/NOを検討。
- [ ] 複動シリンダの前進・後退か。該当 → 単・複ソレノイドで5/2弁を検討。
- [ ] 中間位置で定められた挙動が必要か。必要 → 5/3弁の正しい中間状態を読む。
- [ ] 回路全体の流量と、停電・E-stopの状態を確認したか。
MINATAは、BOMを確定する前に、機械チームとともにエア図、流量、弁マニホールド、機構の状態を見直せます。技術・製造チームに相談する。
参考
MINATAの技術記事をすべて見る