传统的三线启停电机控制电路可以通过添加点动功能来增强。这保留了方便的启停按钮功能，同时允许使用额外的点动按钮短暂激活电机。本工程简报探讨了几种不同的基于按钮的启动、停止和点动电路的构建方法。它还包括安全方面的内容，因为一些看似优雅的电路解决方案可能会产生意想不到的（潜在危险的）操作。
每个电路都附有线路图。还包括短视频，展示电路运行并突出不良行为。请注意，所有实验均使用本文中介绍的DigiKey小型工业训练器进行，如图1所示。该训练器非常适合学习环境，因为学生可以使用工业环境中常见的真实组件。24 VDC系统通常是安全的，允许学生从错误中学习。
图 1 ：启停点动电路构建在Phase Dock 1010底座上，并配备了一个施耐德电机启动器，包括过载和辅助模块。使用一个小型24 VDC风扇作为模拟负载。
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本文是介绍电机启动器并探讨其重要且有时微妙应用的更大作品的一部分。请参考以下相关文章以获取更多信息：至少请阅读第一篇文章，因为它提供了先决条件的概述。我们的对话假设您熟悉诸如锁存和电机启动器原理（包括过载模块）等概念。
什么是点动？
点动定义为负载（如电机）的短暂激活。点动功能通常用于小型机械运动，以将产品或机器定位到特定的机械位置。示例包括传送带的短暂操作或水平旋转零件翻滚器的短暂操作以暴露检修口。点动也可用于短暂测试系统的操作，例如需要预充的泵。
术语“点动”与“寸动”同义。相比之下，点动与爬行不同。区别取决于可用设备。点动（寸动）通常作为全功率活动进行，电机启动器将轨道电压直接施加到电机上。爬行，也称为龟速模式，通常保留用于允许部分或可变速度控制的系统。变频驱动器（VFD）是爬行三相电机的必要条件。
技术提示 ：反复点动对电气系统提出了高要求。当我们考虑到与全电压启动相关的高启动（涌流）电流时，这一点尤其适用于电动机。反复的启动-停止循环可能导致电机绕组过热。这可以通过相关电机启动器的热过载模块的跳闸来缓解。请注意，大多数热过载模块必须手动复位。这为电机冷却提供了时间，同时技术人员和操作员可以分享一些关于电机过载的“有趣事实”。这假设电机受到适当尺寸和配置的电机启动器的保护。
启动 - 停止 - 点动控制器的行为是什么？
据我所知，启动-停止-点动控制器的行为并没有被任何标准严格定义。文献搜索显示有多种电路。这表明具体实现取决于个别设备设计师。
这令人不安，尤其是当我们考虑到人因工程的重要性时。
虽然我没有资格提供具体建议，但我们可以确定一些指导原则。我们认识到人类是习惯的动物，我们的注意力有限，我们会感到疲劳，并且在事情出错时反应迟钝。话虽如此，我们可以为理想的启动-停止-点动人机界面提供一些指导原则，以减轻我们人类的局限性：
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不能有意外操作。换句话说，系统必须始终对给定的一组用户输入做出相同的响应。正如将要展示的，用户按下和释放按钮的速度是一个主要考虑因素。
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单一功能控制优于多功能控制。在所有条件相同的情况下，启动按钮应专门用于启动；而不是有时用于点动机器。这是对多状态机器对用户提出额外要求的认识，因为它们要求操作员记住机器处于什么状态。如果操作员被其他任务分散注意力，这可能导致意外操作。
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作为三状态机器，启动-停止-点动界面必须具有层次优先级。停止按钮必须覆盖所有其他输入，使机器返回到关闭状态。点动按钮必须具有优先权，因为它应该打破运行机器的锁定。在某种程度上，这是对原则#1的重述。它确保我们过度疲劳的操作员在按下点动按钮时不会对机器的持续运行感到惊讶。
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指示灯应反映机器的实际状态。例如，当电机启动器的热过载跳闸时，绿色的运行面板灯不应亮起。
这些指导原则直接反映在控制电路中。事实上，无法将电路设计与这些人因因素分开。正如将要展示的，设计者在设计时必须考虑用户、继电器和按钮之间复杂的动态交互。我们将看到，即使是简单的基于继电器的设计也具有复杂的交互。此外，设计者必须考虑各种组件以及这些组件在设备生命周期内的老化。理想情况下，我们选择对组件变化免疫的电路。理想的电路将使用常见的商用现货（COTS）组件，并且不会因这些组件的老化而受到不利影响。
基于 PLC 的控制有哪些挑战？
在我们继续之前，我们需要认识到基于继电器的控制与基于可编程逻辑控制器（PLC）的控制不同。主要区别在于现实世界中的继电器、接触器和电机启动器的动态特性。这些现实世界中的继电器的开启和关闭时间以毫秒为单位。相比之下，PLC的梯形逻辑是内存到内存的操作，可以在一个程序周期内以微秒为单位改变状态。
这些自然延迟可能会给通过专注于PLC的课程学习工业控制和自动化的学生带来问题。基于PLC的课程鼓励学生在统一和净化的环境中思考继电器。学生需要扩展和重新思考他们的期望，以匹配现实世界组件的混乱现实。
既然我们已经定义了人机界面（HMI）的指导原则并识别了现实世界继电器的一些限制，我们可以探索几种启动-停止-点动控制器的常见实现。鼓励您物理构建每个电路，以更好地理解每个控制器的独特特性。动手活动是学习材料的最佳方式。这将导致一种直观的理解，帮助您在将来排除故障和设计电路。
解决方案 1 ：带选择开关的启动 - 停止 - 点动控制器。
我们从图2和图3中描述的控制器开始探索。这个启动-停止-点动电路具有一个选择开关，用于在运行和操作模式之间切换。虽然这个电路具有最简单的电路结构，但它拥有最复杂的操作界面。
它之所以复杂，是因为电路有一个选择开关，用于选择点动或运行。当选择开关处于运行位置时，控制器的操作与三线电机启动器完全相同。按下绿色启动开关将锁定电路。按下红色停止按钮将释放锁定。如果选择开关置于点动位置，电机将在按住绿色启动/点动按钮时运行。
根据我们之前的讨论，这种控制器是不可取的，因为绿色按钮具有双重功能。如果操作员不完全了解控制器的模式，这可能会导致错误。例如，如果选择开关处于运行位置，操作员期望的短暂启动可能会让他们感到惊讶。
图 2 ：带有模式选择开关的启动-停止-点动电路的前面板。绿色按钮根据用户选择的操作模式执行启动或点动的双重任务。
如图3所示的电路，与传统的三线控制器类似。唯一的区别是模式选择开关在点动模式下禁用锁定功能。请注意，已添加了一个双色绿/红指示灯。当M1接通时，显示器将显示绿色，在热跳闸时显示红色。
图 3 ：带有模式选择开关的启动-停止-点动控制器的梯形逻辑图。当开关处于点动位置时，M1锁定功能被禁用。
视频 1 ：带有模式选择开关的启动-停止-点动控制器的操作。
解决方案 2 ：简单但不可靠且潜在危险的启动 - 停止 - 点动控制器
一个简单但不可靠且潜在危险的启动-停止-点动控制器如图4、图5和视频2所示。它具有简单的用户界面，包括用于启动、点动和停止的专用按钮。
我犹豫是否要包含这个电路，因为它的性能非常差。然而，它在网络上很常见。这是那些在纸上看似可行，但未能考虑现实世界中继电器和接触器自然特性的设计之一。
不可靠操作的原因是继电器或接触器的断开速度。仔细检查图5可以发现这个问题。在第2行和第3行，我们可以看到Jog按钮的常开触点和常闭触点。理论上：
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按下Jog按钮将通过常闭触点禁用M1电机启动器锁存。同时，Jog按钮的常开触点将激活M1。
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释放Jog按钮将断开M1线圈并恢复锁存。
问题是M1非常慢，尤其是与Jog按钮的切换速度相比。因此，机制并没有断开线圈并恢复锁存，而是简单地锁存了一个已经关闭的M1。结果是一个系统会根据操作员释放Jog按钮的速度间歇性地锁存M1，如视频2所示。如前所述，操作不可预测的系统是危险的系统。
图 4 ：带有Jog按钮的启动-停止-点动电路的前面板。
图 5 ：简单但不可靠（危险）的启动-停止-点动控制器的梯形图。
视频 2 ：对用户按钮按下速度敏感的不可靠启动-停止-点动控制器。
技术提示 ：如图5所示的电路对元件选择敏感。常开触点和常闭触点之间切换时间略有不同的按钮可以改善电路性能，或者使其在电机启动器几乎100%锁存的情况下无法操作。将M1电机启动器更换为更小更快的控制继电器也可以提高性能，但永远无法达到100%可靠的程度。因此，不应使用此电路，尤其是考虑到工业设备的长期使用寿命以及可能进行元件更换的情况。
解决方案 3 ：传统的启动 - 停止 - 点动控制器
传统的启动-停止-点动控制器的梯形图如图6所示。相应的控制面板如图4所示。与之前的控制器（图5）不同，这个新控制器表现良好，点动操作忠实地响应用户输入。该电路几乎满足此应用所需的行为。唯一的差异是点动按钮不会断开已经运行的电路的锁存。唯一的另一个抱怨是系统启动缓慢，因为继电器和电机启动都参与了锁存机制。启动按钮必须有意按下并保持，系统才会锁存。
这个电路有点复杂，尤其是从PLC梯形图的角度来看。CR1触点之间的交互违反了PLC编程的规则。理解电路的关键在于认识到锁存功能已由CR1接管。回想一下，之前的电路由于自然延迟而出现故障，因为M1既作为电机激活机制又作为锁存器。
启动顺序
启动顺序由图6中黄色序列号突出显示。该顺序可描述为：
- 如果不停止。
- 如果启动，激活CR1。
- 当CR1被激活时，垂直的CR1触点（在第1和第2梯级之间）为M1的线圈（第3行）提供能量。
锁存顺序
- 如果M1和CR1都处于激活状态，则通过停止开关和第2梯级的M1和CR1触点保持连续性。
- 由于CR1已经激活，线圈通过垂直的CR1触点被锁存。
- 第2梯级也为M1锁存提供连续性
注意通过CR1垂直触点的电流流向发生了变化。如果我们假设常规电流流向（富兰克林方向），启动电流从第1梯级向下流到第2梯级。在M1和CR1都激活后，CR1的保持电流从第2梯级向上流到第1梯级。
打破锁存
当按下停止按钮或M1检测到热过载时，锁存被打破。仔细观察第2梯级的保持逻辑。注意这两种方法都会打开M1，并且这两种方法都会打开CR1。这是非常理想的，因为电路避免了CR1被锁存但M1断电的不确定状态。
点动操作
点动按钮位于第3梯级。按下此按钮将激活M1但不会激活CR1，因为第1和第2梯级之间的垂直触点是断开的。如果M1已经被锁存，点动按钮是多余的，不会对电路产生影响。
图 6 ：传统启动-停止-点动控制器的梯形逻辑图。起始序列以黄色高亮显示。
视频 3 ：传统的启动-停止-点动控制器。请注意，点动按钮不会释放锁存器。
技术提示 ：图6是一个激进的电路，展示了继电器基础系统的优势。它简单且可靠。它还违反了与PLC编程相关的许多梯形图逻辑规则。例如，垂直的CR1触点连接在PLC软件中是不允许的。许多PLC教科书专门用一章来介绍PLC编程规则，这有些矛盾。推测这是为了打破习惯于使用继电器的人的“坏习惯”。然而，我想知道在过去十年中情况是否发生了变化，因为许多教育者将重点放在PLC上，而不是继电器、接触器和电机启动器上。
解决方案 4 ：改进的启动 - 停止 - 点动控制器
我们最终的启动-停止-点动控制器如图7所示。该控制器满足本文开头确定的所有行为要求。电路响应迅速、可预测，并且释放点动按钮会打开锁存器。
电路由CR1的传统锁存器组成，如图7的第1和第2梯级所示。仔细分析表明，可以通过停止按钮、点动按钮或电机启动器过载块的热脱扣来释放此锁存器。
电路的其余部分显示在第3和第4梯级上。在这里我们看到电机启动器响应CR1或点动命令。该电路独特之处在于电机启动器不是锁存机制的一部分。因此，该电路对用户输入的响应最为迅速，如视频4所示。与图6中等待CR1和M1不同，锁存器完全通过CR1启动。
图 7 ：改进的启动-停止-点动控制器的梯形图逻辑。当点动按钮释放时，锁存器被释放。
如图7所示的电路更接近我们通常认为的“正确”梯形图逻辑。例外是CR1和M1线圈右侧的合并。这是一个重要的考虑因素，因为过载事件将阻止M1运行并释放CR1上的锁存器。就我个人而言，我觉得图7的电路很容易构建。它具有更线性的布局，只有一个“非法”的垂直连接。这比图6要好得多，图6有复杂的梯级到梯级连接。在图7中，电流沿一个方向流动，而图6中至少有一个触点的电流方向是相反的。
视频 4 ：一个改进的启动-停止-点动电路，满足所有定义的行为。
技术提示 ：梯形图中元素的“正确”放置有一些惯例。过载触点就是一个很好的例子。在美国，触点通常放置在电机触点的右侧。其他地区可能会将触点放置在梯级的开头。在电气上它们执行相同的功能，但有些人会觉得这种放置方式不妥。“正确”的放置有时会内置在电机启动器中，接触器线圈和常闭触点之间有内部连接。这些可能是组件内部的，或者是接触器和过载块之间的跳线套件。其他电机启动器可能是预接线的，如图8所示的西门子单元。
图 8 ：这款由西门子制造的14DUD32AC电机启动器预接线，热过载块直接连接到线圈。因此，热事件将自动打开线圈。
结论
本工程简报探讨了各种基于继电器的启动-停止-点动控制器。有了这些信息，您现在可以从用户界面体验和底层电路的角度来描述这些控制器。更重要的是，您可以开始从人因工程的角度来描述每个控制器。这是电子设计中一个关键但经常被忽视的重要方面。您是否同意人因工程是设计师和操作员之间的一种不成文的语言？您是否同意用户界面中隐含的语言对工厂的安全性和可靠性有深远的影响。
鼓励您构建每个电路，以更好地理解其操作，并更好地欣赏用户如何与控制器交互。也鼓励您回答本笔记末尾的问题和批判性思考问题。