文献标识码：B文章编号：1003-0492（2025）10-092-06中图分类号：TP273

★洪滨，王吉祥（合肥经济技术职业学院，安徽合肥230031）

★林泽民（安徽欣意电缆有限公司，安徽合肥230041）

我国电缆年产值已突破1万亿，成为仅次于汽车制造业的第二产业，其中97%的电缆是铜芯电缆，用铜量约占全国消费量的50%。而我国是个贫铜国家，目前进口依存度高达60%。因此，如何寻求战略物资替代，解决铜原料安全和可持续供应，已经成为涉及国家发展与安全的重大战略课题。

“稀土高铁铝合金电缆成缆控制设计”课题，来源方为安徽欣意电缆有限公司。为了确定稀土铝合金导体材料的最佳成分，本课题组参考了安徽欣意电缆有限公司关于“电缆用高延伸率铝合金材料及其制备方法”专利（CN101525709B）提供的参数，确定了Fe、Cu、Mg、B及Ce元素的大概范围，即高性能稀土铝合金含有重量百分比为0.10～1.00%的铁、0.01～0.40%的铜、0.005～0.20%的镁、0.01～0.30%的铈，硼的加入量为0.008%，其余为铝及不可避免的杂质，并采用正交试验确定了这些合金元素的较优值，获得了具有高的导电率和良好机械性能的铝合金导体材料。配料计算课题实验得所需纯铝7658.5千克、铁剂16.25千克、铝铜中间合金64千克、纯镁4.8千克、铝铈中间合金240千克、铝硼中间合金21.33千克、熔剂精炼剂（30%NaC＋47%KCl＋23%Na₃AlF₆）8千克。为了高质量地生产稀土铝合金电缆，本课题组在常规PID控制器的基础上引入了蚁群优化算法（Ant Colony Optimization Algorithm，ACO）和卡尔曼滤波算法（Kalman Filtering Algorithm，KF），并通过实践证明了ACOKF-PID复合控制器是可行的。

1　稀土高铁铝合金电线电缆生产线

电线电缆生产线包括：放线装置、挤出机组、测径仪（线径检测设备）、冷却装置、印字设备、牵引设备、收线装置，也可根据具体生产要求添加检测设备，如偏心度测试仪、电火花检测仪、表面光洁度（凹凸）检测仪等。高铁稀土铝合金成缆生产系统总体结构如图1所示。

图1稀土铝合金成缆生产系统结构图

（1）放线装置：放线装置作为挤出生产线的首处设备，主要作用是对电线电缆芯线进行放出。为了能够使芯线经过挤出设备组时维持生产所需要的适定程度的拉直状态，放线装置需要保持一定的速度放线，使芯线一直处于适定的张力释放。目前的放线装置针对不同的生产场合和生产需求分为主动、大轴以及被动等多种放线形式。

（2）挤出机组：挤出机组由机筒、螺杆、加热圈（加热片组成）、进料斗、模芯、模套、减速箱、电动机等组成。颗粒状绝缘料是由螺杆旋转推进，由机筒外壁的铸铝电热器熔融，加热圈的加热温度根据挤出的绝缘料品种有所不同，温度高低可由控制屏上数显温度调节仪调节，控制方便。

（3）检测设备：检测设备针对测试目标点的不同，分为多种测试设备，包括：测径仪、偏心度检测器、火花检测器（用于绝缘层的耐压检测）等。线径测试仪通过所采集到的电线电缆外径与事先设定的线径标准值进行对比，从而查看系统是否生产出满足生产指标的合格产品；偏芯度测试仪是检测系统产出的电线电缆成品中芯线相对于中轴线的偏移度；火花测试仪利用高压击穿原理，用于检测各类电线电缆裸芯、破皮、针孔等绝缘不良点，是保证电线电缆绝缘质量的重要试验设备。

图2稀土铝合金电线电缆绞线装置

（4）冷却装置：电线电缆生产行业根据产品种类或者生产需要采用水冷和风冷两种冷却装置。冷却装置主要是用于挤塑完成后的电线电缆绝缘层的冷却以及绝缘层外表水分的干燥。电线电缆在挤塑完成后，绝缘层尚未冷却，如果不经过冷却装置处理，由于重力作用，绝缘层存在发生形变的可能，会影响电线电缆成品的质量和外观。

（5）印字设备：印字设备的作用是在电线电缆成品绝缘层表面印刷标志，同时记录已生产的电线电缆的长度。

（6）牵引设备：牵引设备主要是用于拉动芯线前行，使芯线稳定通过挤出机组，且拉动速度决定了整个绝缘挤出生产线的生产速度。

（7）收线装置：收线装置的方式也分为多种，其具体方式根据产品包装要求而定。对于小批量，成品长度要求相对较小的生产需求，可采用成卷包装方式，此包装方式应用的收线装置为摇盘收线设备。对于大批量，成品长度长的生产需求，需要用落桶收线装置，成品包装为桶装形式。如果产出的电线电缆成品依据用途还需要进一步进行绞线成缆生产，则此时的收线方式采用双轴收线方式，这种收线方式具有速度快的特点，并且方便绞线成缆的生产。

2　稀土高铁铝合金电缆成缆控制系统设计

当前，电线电缆自控设备大多数采用PID控制，参数调节需要技术人员凭借工作经验进行调节，致使产出的电线电缆成品线径经常不能完全满足生产技术指标要求。

基于电缆生产线常规PID控制存在较大超调，且系统趋于稳定过渡时间长达25s，致使绝缘料浪费，影响电线电缆成品绝缘层的质量；同时，PID控制器对电线电缆生产过程中的抗干扰能力不够强。鉴于此，我们在常规PID控制方法的基础上，引入了ACO和KF两种智能算法，并研究设计了一种复合算法控制策略用于线径控制系统。其中，ACO也称为蚁群算法，是根据蚂蚁集体可以沿最优最短路径寻找到食物的过程这一生物学现象演变而成的一类群智能寻优方法，该算法对电缆生产PID控制参数的在线寻优具有较优的性能。KF是在线性系统中应用广泛的滤波算法，该算法对时变系统、多输入和多输出系统等受随机干扰影响较大的动态系统有较好的应用。

所以，引入ACO和KF两种智能算法，电缆生产线的PID控制有了以下的鲜明特点：

（1）引入ACO对PID控制参数进行实时寻优，使其贴近生产过程中控制所需的实际要求值，同时缩短生产初期系统趋于稳定的调节时间；

（2）使用KF对线径控制系统进行滤波，避免生产过程内外界干扰对线径精确控制的影响。

亦即：在常规PID控制优点的基础上，引入ACO，利用其分布式并行计算特性对参数进行寻优，实现控制参数的实时在线调整，缩短调节过程的过渡时间，并且把KF和基于ACO的PID控制方法结合，构成ACO-KFPID复合控制算法，在线优化控制参数、缩短调节时间的同时，抑制系统生产过程中的控制干扰和测量噪声对线径精确控制的影响。

2.1　基于ACO优化PID参数设计

ACO是一种仿生优化算法，用ACO优化PID参数分为适应阶段和协作阶段。在适应阶段，信息素的多少决定了蚂蚁对路径选择的概率，各待搜选解也随着实时更新的信息对自身结构进行相应的调整。协作阶段，各待搜选解互相进行信息比较，以获得期望的最优解。基于ACO和PID控制器的线径控制系统结构图如图3所示。

图3基于ACO-PID控制器的线径控制系统结构图

ACO优化PID参数具体方案如下：

（1）控制参数转化为数字序列：设定KP、KI和KD三个控制参数为小数部分为四位、整数部分为一位的有效数字，则可将（K_P，K_I，K_D）转化为15位的数字序列。此序列可标记为{t_j,j＝1,2,3,...,15}，其中t_j的取值为1～9的整数。则任一序列都可由{(x_i,y_j)|x_i＝1,2,3,…15,y_j为t_j的取值}表示。

（2）性能指标函数建立：在ACO优化PID参数过程中，为了保证系统的准确性、快速性以及稳定性，在系统的控制误差、控制量和上升时间为约束条件下，确定最优性能指标函数为式（1）：

其中，W₁、W₂、W₃、W₄都为权值，tu为上升时间，u(t)为控制器输出，e(t)为系统偏差。

（2）路径构建：设定O点为蚁群的初始位置，由（x_i,y_j）可构成一矩形区域。假设蚂蚁从矩形区域的一个位置结点爬到下一位置结点的时间一样，任一（x_i-1，y_j^*）上的蚂蚁按照pK选择规则，爬到下一个节点（x_i，y_j）。当最后一只蚂蚁爬到（15，y_j^**），完成一次循环，如式（2）所示：

其中，p_k（x_i，y_j，t）为第k只蚂蚁在t时刻从（x_i-1，y_j^*）爬到下一结点的概率；λ（x_i，y_j，t）表示结点在t时刻存在的信息量；γ（x_i，y_j，t）表示t时刻在结点上的能见度；α、β为经验参数。能见度可由y_j和y_j^*决定。

2.2　基于KF和PID控制器的线径控制系统设计

在绝缘挤出生产过程中，同一时间用于生成绝缘层的绝缘料受热不均会对线径控制系统产生影响。线径测量仪器是对精确信号的捕捉，存在着干扰和噪声波动。KF的最优估计特性，使Kalman滤波器对系统具有良好的滤波作用，可以抑制干扰信号和测量噪声信号对线径控制系统的影响。基于KF和PID控制器的线径控制系统结构图如图4所示。

图4基于KF-PID控制器的线径控制系统结构图

系统模型为存在滞后的二阶惯性环节，状态空间可描述为式（3）：

卡尔曼滤波是一种可以剔除干扰误差，使获取的有用信息逼近实际情况，能够对观测值进行自适用处理的滤波算法。其采用时域状态空间法，容易在计算机上实现算法递推过程。将式（3）离散化得式（4）：

其中，w(k)、v(k)分别为控制干扰信号和测量噪声信号，x(k)为k时刻系统的状态，u(k)是k时刻系统的控制量，y(k)是时刻系统的观测量，A(k)为转移矩阵，B(k)为系统控制矩阵，C（k）为测观测矩阵。

2.3　ACO-KF-PID复合控制器设计

针对单纯PID控制器的参数实时整定困难、调节时间长、多干扰特性的缆线生产线控制难题，将ACO和Kalman滤波器分别与PID控制器结合起来，在缆线生产线中引入一种基于ACOKF以及比例-积分-微分（PID）的复合控制算法，即“ACO-KF-PID”算法，进而设计一种“ACO-KF-PID复合控制器”，并将其应用于缆线生产控制系统中，实现绝缘层壁厚的精确生产控制，使电线电缆成品线径达到最优指标要求。基于ACO和KF的PID控制系统结构图如图5所示。

图5基于ACO-KF-PID控制器的线径控制系统结构图

2.4　基于智能PID电线电缆自动线现场总线系统

电缆生产智能控制采用“IPC＋PLC＋现场总线”模式来实现，其系统设计分为三层：（1）“管理监控级”采用IPC作为上位机，实现对系统的整体监控以及管理；（2）“过程控制级”中心为人机接口（Human Machine Interface，HMI），通过触摸屏操作进行人机之间的信息交互，显示生产过程中各种设备运行情况，实现设备控制参数的在线调整以及运行、暂停等基本功能控制，并结合管理监控级，维持生产过程的有序进行；（3）在“现场控制级”中PLC作为下位机，与生产设备直接进行通信，实现线径控制过程中各种数据的采集、上传，功能命令下达、执行等功能。

可编程逻辑控制器PLC，因其编程简单、灵活性强、体积小、维修方便、能耗低、功能强大等诸多优点，在电缆生产线中，作为功能性的控制器直接与上位机进行通信，接收管理控制命令并且反馈生产状况及各种参数变化的同时，对现场放线、挤塑、检测、牵引、收线等设备直接进行通讯控制。所以，我们设计的现场工控系统，主要以PLC为中心展开，即选择S7-300系列的PLC作为“IPC＋PLC＋现场总线”系统设计所需的中央控制器。

图6线径控制过程IPC＋PLC＋现场总线系统控制结构图

如图6所示，“IPC＋PLC＋现场总线”模式以一台PLC作为中央控制器，其余每个生产节点对应一个控制器。对该控制系统所需的PLC进行型号选择及模块配置时，原则上应该在节约成本的条件下达到最优系统控制要求，进而对PLC进行配置。

表1归列出工控系统设计所需的主要硬件，包括现场总线、上位机以及触摸屏型号的选择。

表1PLC硬件配置明细表

IPC＋PLC＋现场总线系统主要依靠STEP7和MCGS对其进行软件设计。其中，STEP7主要负责系统程序设计，MCGS主要负责组态界面设计。

2.4.1　程序设计

图7电缆线径控制硬件组态图

PLC作为电缆线径控制过程IPC＋PLC＋现场总线系统的主控制器，系统程序依赖与其配套的SETP7软件环境进行编程设计，程序设计采用SETPV5.5软件。其根据线径控制系统硬件配置情况，结合实际生产设备功能实现要求，进行硬件组态以及软件程序设计，并且与现场设备进行通信，进行程序的调试与检测。电缆线径控制过程控制的硬件组态如图7所示。

2.4.2　界面设计

电缆生产自动线用MCGS组态软件对其上位机界面进行设计。MCGS主要是通过对实际生产设备工作的实时数据进行采集处理，进而基于搭建的仿真平台或者设置的监控界面进行流程控制、仪表参数显示、故障报警以及动态效果图显示等多种需求的界面显示。控制技术员可通过界面效果图实时了解生产系统及设备运行情况。我们设计的线径控制系统操作界面，主要包括放线机、挤塑机、测径仪、牵引机以及收线机五部分，分别对其控制参数进行设置监控，可实时进行设备运行状态观察。针对ACO-KF-PID控制器用于电缆线径控制设计的仿真界面如图8所示，其中，点击图8中ACO-KF-PID控制仿真实时曲线右边的↑按钮，可显示如图8右下角的界面。若在系统成功运行的情况下，图8右下角的界面可显示如图9的曲线效果图。根据曲线效果可知，系统调节初期趋于稳定的过渡时间短，稳定性好。

图8线径控制系统ACO-KF-PID控制实验仿真界面

图9ACO-KF-PID控制仿真实时曲线

3　结论

各种金属的导电性各不相同，在常温20℃下，金属导电性排序前五位为：银、铜、金、铝、钙。导电性好则电阻率低，在常温20℃下，这五种金属的电阻率依次为：15.86、16.78、24、26.548、39.1。因为金、银高昂的价格，没有成为电缆材料，而钙在自然界很难以金属的形态存在，所以电缆材料只能选择铜和铝。铜的电阻率为16.78，铝的电阻率为26.548，铜的导电性能优势明显，铜芯电缆是当前优先选择的最安全的电缆。表2为新型稀土铝合金电缆与国标铜芯电缆、传统铝芯电缆技术指标比较。

表2新型稀土铝合金电缆与铜电缆、纯铝电缆性能对比表

图10稀土铝合金电缆各种产品

由表2可见，稀土铝合金具有导电性好、载流量大、强度高、耐磨损、易加工、寿命长等优点，可用于制造电缆线、架空输电线、线芯、滑接线和特殊用途的细导线，如图10所示。稀土还可以提高铝合金系的拉伸强度、耐热性和耐腐蚀性，采用稀土铝合金的电缆、导线可以加大架设电缆线铁塔的跨距，并延长电缆的使用寿命。

当前铜价约为8万元/吨左右，铝价约为2万元/吨左右，铜、铝的价格差别很大，铝芯电缆的价格优势明显。并且，铝在空气中能形成一层很薄的抗氧化层，有一定耐腐蚀能力。而且铝的比重是2.7kg/m3，铜的比重为8.9kg/m3，铝芯电缆重量轻，有利于线路的施工。所以铝芯电缆也被广泛用于电力输送工程。因为铜和铝在价格和比重方面的差异，购买1m2铜的成本和购买10m3铝的成本相当。这样，就可以通过增大铝芯电缆的截面积，来提高铝芯电缆的导电能力，并减少电缆的重量。

★基金项目：2023年度安徽省质量工程项目（2023sdxx303）。

作者简介：

洪　滨（1962-），男，合肥巢县人，教授，高级工程师，现就职于合肥经济技术职业学院，主要从事工业电气与自控系统设计、新能源与智能制造技术开发方面的研究。

王吉祥（1990-），男，安徽宿州人，硕士，现就职于合肥经济技术职业学院，在接口硬件系统设计和选型、电子多种元器件安装调试、基于ros系统功能调试和开发、硬件系统维护等工作多有建树。

林泽民（1952-），男，安徽怀远人，高级经济师，学士，现任安徽欣意电缆有限公司董事长兼总经理，主要从事电缆生产管理与特种电力电缆研发工作，特别在铝铁锌镁稀土合金电线方面，有多项发明专利。

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摘自《自动化博览》2025年10月刊