基于Automation Studio的塔式起重机的建模与仿真

王亚男

（陕西能源职业技术学院，咸阳 712000）

塔式起重机工作效率高，是现代建筑施工的重要设备[1]，但其占地面积大，存在一定的操作危险性。操作人员若操作不当，很可能直接影响人们的生命财产安全。因此，对塔式起重机进行建模仿真，配合人机交互界面模拟塔吊操作的基本动作，如左右回转、吊钩上下移动和小车前后变幅等，建立驾驶模拟平台，实现模拟驾驶效果，才能提高训练效率，保证操作人员的实习时间和实习安全，减少实训设备的投入。

Automation Studio[2]集机械、液压、气压、电子、电工、 电气、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， PLC）、顺序功能图（Sequential Function Chart，SFC）及OPC（OLE for Process Control）于一体，建模、控制和动画仿真等功能较为强大，编程语言较为丰富，包括梯形图、指令表和SFC等[3]。

本文首先利用SolidWorks建模软件对塔式起重机零件的主要零部件进行三维建模，其次将建好的塔式起重机零件模型导入AS软件进行装配，并关联分配变量，最后设计塔式起重机的PLC控制系统和PLC硬件结构，利用AS软件对塔式起重机进行了进一步的建模和仿真。

1 塔式起重机结构模型的建立

塔式起重机基本结构包括金属结构、工作机构和驱动控制系统。金属结构主要包括支承座、吊臂、平衡臂及回转台等。小车变幅方式变幅速度快，幅度利用率较高。回转机构能够通过回转支承，使回转部分在左右方向上做360°全回转。起升机构通常包括电动机、制动器、卷筒、滑轮组及吊钩等零件。

本文设计的塔身标准节为空间桁架结构，标准节长2.5 m。标准节间的连接方式为套筒螺栓联结，塔身复杆为角钢，采用米字型布置方式。塔式起重机臂架使用SolidWorks自顶向下的三维设计方法，上弦杆为圆钢，下弦杆为角钢。总装配模型如图1所示。

图1 塔机三维模型

2 塔式起重机PLC控制系统的设计

塔式起重机PLC电气控制系统[3]应遵循塔机控制需求的原则，使控制系统简单、经济、可靠，且满足PLC各项技术指标和环境要求[4]。

本文将塔式起重机控制系统设计为PLC控制，塔机有回转机构、小车变幅机构和起升机构等。塔式起重机的起升、变幅和回转都需要独立运行，分别由3个电机控制，且使用1台PLC控制。

根据控制要求[5]，PLC的输入包括回转机构的逆时针和顺时针转动长动与点动开关信号、小车左行和右行的开关控制信号、两个限位开关信号、吊钩的上升和下降点动与长动开关信号等共计15个开关量输入信号。PLC控制系统的输出包括小车前进和后退驱动信号、限位开关驱动信号、回转顺时针和逆时针驱动信号、吊钩上升和下降驱动信号、吊钩上升和下降点驱动信号等共10个输出信号。总的控制系统梯形图[6]如图2所示。

图2 控制系统梯形图

3 塔机起重机的三维动画仿真

3D编辑器功能将虚拟系统的概念带到了一个更深的层次，是对其他如液压、气动和电气等自动化工作室及模块的一种补充。3D编辑器可以方便建设虚拟环境并进行模拟，在3D工作室中可以进行旋转和平移等动画演示，但不能对其进行任何动态分析（如质量、惯性和摩擦等）。AS允许导入用其他的专业软件创建3D零件，导入后零件将被机械地连接到其他AS变量并相互关联。3D图中同一个零件只能导入一次，要导入零件必须打开3D图，导入方式为将“物体组”-“导入零件”导入的文档在3D图中打开，并插入到3D管理器的树形图中，使其位于管理器顶部，且在零件上方。

零件创建或者插入3D管理器后可以彼此连接，从而实现实物的高度仿真。在装配的过程中，可以通过选择不同的连接类型确定零件的相对位置，也可以和其他AS工作室进行同步动画仿真。将STL文件转入到AS中，如图3所示。

图3 零件的STL文件转入

由硬件设计可知，共有13个按钮控制，分别为回转停止按钮、长动回转1按钮、点动回转1按钮、长动回转2按钮、点动回转2按钮、吊装停止按钮、长动吊装1按钮、点动吊装1按钮、长动吊装2按钮、点动吊装2按钮、变幅停止按钮、变幅1按钮以及变幅2按钮。它们的交互模型界面如图4所示。

图4 交互模型界面

4 结语

本文对塔式起重机进行基于AS软件的建模与仿真，先用SolidWorks软件对塔式起重机进行零件三维建模，然后将零件导入AS并关联，再用AS软件控制塔式起重机的运动过程。控制系统平台采用AS软件平台编程实现，完成了塔机的过程控制系统和硬件结构的设计。AS软件的PLC控制改进了传统塔式起重机继电器控制系统的电能浪费大和效率低等缺点，完成了塔式起重机的三维动画仿真，且运行控制的主要参数均可控，具有较大的灵活性。