文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2025）10-092-06中圖分類號：TP273

★洪濱，王吉祥（合肥經濟技術職業學院，安徽合肥230031）

★林澤民（安徽欣意電纜有限公司，安徽合肥230041）

我國電纜年產值已突破1萬億，成為僅次于汽車制造業的第二產業，其中97%的電纜是銅芯電纜，用銅量約占全國消費量的50%。而我國是個貧銅國家，目前進口依存度高達60%。因此，如何尋求戰略物資替代，解決銅原料安全和可持續供應，已經成為涉及國家發展與安全的重大戰略課題。

“稀土高鐵鋁合金電纜成纜控制設計”課題，來源方為安徽欣意電纜有限公司。為了確定稀土鋁合金導體材料的最佳成分，本課題組參考了安徽欣意電纜有限公司關于“電纜用高延伸率鋁合金材料及其制備方法”專利（CN101525709B）提供的參數，確定了Fe、Cu、Mg、B及Ce元素的大概范圍，即高性能稀土鋁合金含有重量百分比為0.10～1.00%的鐵、0.01～0.40%的銅、0.005～0.20%的鎂、0.01～0.30%的鈰，硼的加入量為0.008%，其余為鋁及不可避免的雜質，并采用正交試驗確定了這些合金元素的較優值，獲得了具有高的導電率和良好機械性能的鋁合金導體材料。配料計算課題實驗得所需純鋁7658.5千克、鐵劑16.25千克、鋁銅中間合金64千克、純鎂4.8千克、鋁鈰中間合金240千克、鋁硼中間合金21.33千克、熔劑精煉劑（30%NaC＋47%KCl＋23%Na₃AlF₆）8千克。為了高質量地生產稀土鋁合金電纜，本課題組在常規PID控制器的基礎上引入了蟻群優化算法（Ant Colony Optimization Algorithm，ACO）和卡爾曼濾波算法（Kalman Filtering Algorithm，KF），并通過實踐證明了ACOKF-PID復合控制器是可行的。

1　稀土高鐵鋁合金電線電纜生產線

電線電纜生產線包括：放線裝置、擠出機組、測徑儀（線徑檢測設備）、冷卻裝置、印字設備、牽引設備、收線裝置，也可根據具體生產要求添加檢測設備，如偏心度測試儀、電火花檢測儀、表面光潔度（凹凸）檢測儀等。高鐵稀土鋁合金成纜生產系統總體結構如圖1所示。

圖1稀土鋁合金成纜生產系統結構圖

（1）放線裝置：放線裝置作為擠出生產線的首處設備，主要作用是對電線電纜芯線進行放出。為了能夠使芯線經過擠出設備組時維持生產所需要的適定程度的拉直狀態，放線裝置需要保持一定的速度放線，使芯線一直處于適定的張力釋放。目前的放線裝置針對不同的生產場合和生產需求分為主動、大軸以及被動等多種放線形式。

（2）擠出機組：擠出機組由機筒、螺桿、加熱圈（加熱片組成）、進料斗、模芯、模套、減速箱、電動機等組成。顆粒狀絕緣料是由螺桿旋轉推進，由機筒外壁的鑄鋁電熱器熔融，加熱圈的加熱溫度根據擠出的絕緣料品種有所不同，溫度高低可由控制屏上數顯溫度調節儀調節，控制方便。

（3）檢測設備：檢測設備針對測試目標點的不同，分為多種測試設備，包括：測徑儀、偏心度檢測器、火花檢測器（用于絕緣層的耐壓檢測）等。線徑測試儀通過所采集到的電線電纜外徑與事先設定的線徑標準值進行對比，從而查看系統是否生產出滿足生產指標的合格產品；偏芯度測試儀是檢測系統產出的電線電纜成品中芯線相對于中軸線的偏移度；火花測試儀利用高壓擊穿原理，用于檢測各類電線電纜裸芯、破皮、針孔等絕緣不良點，是保證電線電纜絕緣質量的重要試驗設備。

圖2稀土鋁合金電線電纜絞線裝置

（4）冷卻裝置：電線電纜生產行業根據產品種類或者生產需要采用水冷和風冷兩種冷卻裝置。冷卻裝置主要是用于擠塑完成后的電線電纜絕緣層的冷卻以及絕緣層外表水分的干燥。電線電纜在擠塑完成后，絕緣層尚未冷卻，如果不經過冷卻裝置處理，由于重力作用，絕緣層存在發生形變的可能，會影響電線電纜成品的質量和外觀。

（5）印字設備：印字設備的作用是在電線電纜成品絕緣層表面印刷標志，同時記錄已生產的電線電纜的長度。

（6）牽引設備：牽引設備主要是用于拉動芯線前行，使芯線穩定通過擠出機組，且拉動速度決定了整個絕緣擠出生產線的生產速度。

（7）收線裝置：收線裝置的方式也分為多種，其具體方式根據產品包裝要求而定。對于小批量，成品長度要求相對較小的生產需求，可采用成卷包裝方式，此包裝方式應用的收線裝置為搖盤收線設備。對于大批量，成品長度長的生產需求，需要用落桶收線裝置，成品包裝為桶裝形式。如果產出的電線電纜成品依據用途還需要進一步進行絞線成纜生產，則此時的收線方式采用雙軸收線方式，這種收線方式具有速度快的特點，并且方便絞線成纜的生產。

2　稀土高鐵鋁合金電纜成纜控制系統設計

當前，電線電纜自控設備大多數采用PID控制，參數調節需要技術人員憑借工作經驗進行調節，致使產出的電線電纜成品線徑經常不能完全滿足生產技術指標要求。

基于電纜生產線常規PID控制存在較大超調，且系統趨于穩定過渡時間長達25s，致使絕緣料浪費，影響電線電纜成品絕緣層的質量；同時，PID控制器對電線電纜生產過程中的抗干擾能力不夠強。鑒于此，我們在常規PID控制方法的基礎上，引入了ACO和KF兩種智能算法，并研究設計了一種復合算法控制策略用于線徑控制系統。其中，ACO也稱為蟻群算法，是根據螞蟻集體可以沿最優最短路徑尋找到食物的過程這一生物學現象演變而成的一類群智能尋優方法，該算法對電纜生產PID控制參數的在線尋優具有較優的性能。KF是在線性系統中應用廣泛的濾波算法，該算法對時變系統、多輸入和多輸出系統等受隨機干擾影響較大的動態系統有較好的應用。

所以，引入ACO和KF兩種智能算法，電纜生產線的PID控制有了以下的鮮明特點：

（1）引入ACO對PID控制參數進行實時尋優，使其貼近生產過程中控制所需的實際要求值，同時縮短生產初期系統趨于穩定的調節時間；

（2）使用KF對線徑控制系統進行濾波，避免生產過程內外界干擾對線徑精確控制的影響。

亦即：在常規PID控制優點的基礎上，引入ACO，利用其分布式并行計算特性對參數進行尋優，實現控制參數的實時在線調整，縮短調節過程的過渡時間，并且把KF和基于ACO的PID控制方法結合，構成ACO-KFPID復合控制算法，在線優化控制參數、縮短調節時間的同時，抑制系統生產過程中的控制干擾和測量噪聲對線徑精確控制的影響。

2.1　基于ACO優化PID參數設計

ACO是一種仿生優化算法，用ACO優化PID參數分為適應階段和協作階段。在適應階段，信息素的多少決定了螞蟻對路徑選擇的概率，各待搜選解也隨著實時更新的信息對自身結構進行相應的調整。協作階段，各待搜選解互相進行信息比較，以獲得期望的最優解。基于ACO和PID控制器的線徑控制系統結構圖如圖3所示。

圖3基于ACO-PID控制器的線徑控制系統結構圖

ACO優化PID參數具體方案如下：

（1）控制參數轉化為數字序列：設定KP、KI和KD三個控制參數為小數部分為四位、整數部分為一位的有效數字，則可將（K_P，K_I，K_D）轉化為15位的數字序列。此序列可標記為{t_j,j＝1,2,3,...,15}，其中t_j的取值為1～9的整數。則任一序列都可由{(x_i,y_j)|x_i＝1,2,3,…15,y_j為t_j的取值}表示。

（2）性能指標函數建立：在ACO優化PID參數過程中，為了保證系統的準確性、快速性以及穩定性，在系統的控制誤差、控制量和上升時間為約束條件下，確定最優性能指標函數為式（1）：

其中，W₁、W₂、W₃、W₄都為權值，tu為上升時間，u(t)為控制器輸出，e(t)為系統偏差。

（2）路徑構建：設定O點為蟻群的初始位置，由（x_i,y_j）可構成一矩形區域。假設螞蟻從矩形區域的一個位置結點爬到下一位置結點的時間一樣，任一（x_i-1，y_j^*）上的螞蟻按照pK選擇規則，爬到下一個節點（x_i，y_j）。當最后一只螞蟻爬到（15，y_j^**），完成一次循環，如式（2）所示：

其中，p_k（x_i，y_j，t）為第k只螞蟻在t時刻從（x_i-1，y_j^*）爬到下一結點的概率；λ（x_i，y_j，t）表示結點在t時刻存在的信息量；γ（x_i，y_j，t）表示t時刻在結點上的能見度；α、β為經驗參數。能見度可由y_j和y_j^*決定。

2.2　基于KF和PID控制器的線徑控制系統設計

在絕緣擠出生產過程中，同一時間用于生成絕緣層的絕緣料受熱不均會對線徑控制系統產生影響。線徑測量儀器是對精確信號的捕捉，存在著干擾和噪聲波動。KF的最優估計特性，使Kalman濾波器對系統具有良好的濾波作用，可以抑制干擾信號和測量噪聲信號對線徑控制系統的影響。基于KF和PID控制器的線徑控制系統結構圖如圖4所示。

圖4基于KF-PID控制器的線徑控制系統結構圖

系統模型為存在滯后的二階慣性環節，狀態空間可描述為式（3）：

卡爾曼濾波是一種可以剔除干擾誤差，使獲取的有用信息逼近實際情況，能夠對觀測值進行自適用處理的濾波算法。其采用時域狀態空間法，容易在計算機上實現算法遞推過程。將式（3）離散化得式（4）：

其中，w(k)、v(k)分別為控制干擾信號和測量噪聲信號，x(k)為k時刻系統的狀態，u(k)是k時刻系統的控制量，y(k)是時刻系統的觀測量，A(k)為轉移矩陣，B(k)為系統控制矩陣，C（k）為測觀測矩陣。

2.3　ACO-KF-PID復合控制器設計

針對單純PID控制器的參數實時整定困難、調節時間長、多干擾特性的纜線生產線控制難題，將ACO和Kalman濾波器分別與PID控制器結合起來，在纜線生產線中引入一種基于ACOKF以及比例-積分-微分（PID）的復合控制算法，即“ACO-KF-PID”算法，進而設計一種“ACO-KF-PID復合控制器”，并將其應用于纜線生產控制系統中，實現絕緣層壁厚的精確生產控制，使電線電纜成品線徑達到最優指標要求。基于ACO和KF的PID控制系統結構圖如圖5所示。

圖5基于ACO-KF-PID控制器的線徑控制系統結構圖

2.4　基于智能PID電線電纜自動線現場總線系統

電纜生產智能控制采用“IPC＋PLC＋現場總線”模式來實現，其系統設計分為三層：（1）“管理監控級”采用IPC作為上位機，實現對系統的整體監控以及管理；（2）“過程控制級”中心為人機接口（Human Machine Interface，HMI），通過觸摸屏操作進行人機之間的信息交互，顯示生產過程中各種設備運行情況，實現設備控制參數的在線調整以及運行、暫停等基本功能控制，并結合管理監控級，維持生產過程的有序進行；（3）在“現場控制級”中PLC作為下位機，與生產設備直接進行通信，實現線徑控制過程中各種數據的采集、上傳，功能命令下達、執行等功能。

可編程邏輯控制器PLC，因其編程簡單、靈活性強、體積小、維修方便、能耗低、功能強大等諸多優點，在電纜生產線中，作為功能性的控制器直接與上位機進行通信，接收管理控制命令并且反饋生產狀況及各種參數變化的同時，對現場放線、擠塑、檢測、牽引、收線等設備直接進行通訊控制。所以，我們設計的現場工控系統，主要以PLC為中心展開，即選擇S7-300系列的PLC作為“IPC＋PLC＋現場總線”系統設計所需的中央控制器。

圖6線徑控制過程IPC＋PLC＋現場總線系統控制結構圖

如圖6所示，“IPC＋PLC＋現場總線”模式以一臺PLC作為中央控制器，其余每個生產節點對應一個控制器。對該控制系統所需的PLC進行型號選擇及模塊配置時，原則上應該在節約成本的條件下達到最優系統控制要求，進而對PLC進行配置。

表1歸列出工控系統設計所需的主要硬件，包括現場總線、上位機以及觸摸屏型號的選擇。

表1PLC硬件配置明細表

IPC＋PLC＋現場總線系統主要依靠STEP7和MCGS對其進行軟件設計。其中，STEP7主要負責系統程序設計，MCGS主要負責組態界面設計。

2.4.1　程序設計

圖7電纜線徑控制硬件組態圖

PLC作為電纜線徑控制過程IPC＋PLC＋現場總線系統的主控制器，系統程序依賴與其配套的SETP7軟件環境進行編程設計，程序設計采用SETPV5.5軟件。其根據線徑控制系統硬件配置情況，結合實際生產設備功能實現要求，進行硬件組態以及軟件程序設計，并且與現場設備進行通信，進行程序的調試與檢測。電纜線徑控制過程控制的硬件組態如圖7所示。

2.4.2　界面設計

電纜生產自動線用MCGS組態軟件對其上位機界面進行設計。MCGS主要是通過對實際生產設備工作的實時數據進行采集處理，進而基于搭建的仿真平臺或者設置的監控界面進行流程控制、儀表參數顯示、故障報警以及動態效果圖顯示等多種需求的界面顯示。控制技術員可通過界面效果圖實時了解生產系統及設備運行情況。我們設計的線徑控制系統操作界面，主要包括放線機、擠塑機、測徑儀、牽引機以及收線機五部分，分別對其控制參數進行設置監控，可實時進行設備運行狀態觀察。針對ACO-KF-PID控制器用于電纜線徑控制設計的仿真界面如圖8所示，其中，點擊圖8中ACO-KF-PID控制仿真實時曲線右邊的↑按鈕，可顯示如圖8右下角的界面。若在系統成功運行的情況下，圖8右下角的界面可顯示如圖9的曲線效果圖。根據曲線效果可知，系統調節初期趨于穩定的過渡時間短，穩定性好。

圖8線徑控制系統ACO-KF-PID控制實驗仿真界面

圖9ACO-KF-PID控制仿真實時曲線

3　結論

各種金屬的導電性各不相同，在常溫20℃下，金屬導電性排序前五位為：銀、銅、金、鋁、鈣。導電性好則電阻率低，在常溫20℃下，這五種金屬的電阻率依次為：15.86、16.78、24、26.548、39.1。因為金、銀高昂的價格，沒有成為電纜材料，而鈣在自然界很難以金屬的形態存在，所以電纜材料只能選擇銅和鋁。銅的電阻率為16.78，鋁的電阻率為26.548，銅的導電性能優勢明顯，銅芯電纜是當前優先選擇的最安全的電纜。表2為新型稀土鋁合金電纜與國標銅芯電纜、傳統鋁芯電纜技術指標比較。

表2新型稀土鋁合金電纜與銅電纜、純鋁電纜性能對比表

圖10稀土鋁合金電纜各種產品

由表2可見，稀土鋁合金具有導電性好、載流量大、強度高、耐磨損、易加工、壽命長等優點，可用于制造電纜線、架空輸電線、線芯、滑接線和特殊用途的細導線，如圖10所示。稀土還可以提高鋁合金系的拉伸強度、耐熱性和耐腐蝕性，采用稀土鋁合金的電纜、導線可以加大架設電纜線鐵塔的跨距，并延長電纜的使用壽命。

當前銅價約為8萬元/噸左右，鋁價約為2萬元/噸左右，銅、鋁的價格差別很大，鋁芯電纜的價格優勢明顯。并且，鋁在空氣中能形成一層很薄的抗氧化層，有一定耐腐蝕能力。而且鋁的比重是2.7kg/m3，銅的比重為8.9kg/m3，鋁芯電纜重量輕，有利于線路的施工。所以鋁芯電纜也被廣泛用于電力輸送工程。因為銅和鋁在價格和比重方面的差異，購買1m2銅的成本和購買10m3鋁的成本相當。這樣，就可以通過增大鋁芯電纜的截面積，來提高鋁芯電纜的導電能力，并減少電纜的重量。

★基金項目：2023年度安徽省質量工程項目（2023sdxx303）。

作者簡介：

洪　濱（1962-），男，合肥巢縣人，教授，高級工程師，現就職于合肥經濟技術職業學院，主要從事工業電氣與自控系統設計、新能源與智能制造技術開發方面的研究。

王吉祥（1990-），男，安徽宿州人，碩士，現就職于合肥經濟技術職業學院，在接口硬件系統設計和選型、電子多種元器件安裝調試、基于ros系統功能調試和開發、硬件系統維護等工作多有建樹。

林澤民（1952-），男，安徽懷遠人，高級經濟師，學士，現任安徽欣意電纜有限公司董事長兼總經理，主要從事電纜生產管理與特種電力電纜研發工作，特別在鋁鐵鋅鎂稀土合金電線方面，有多項發明專利。

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摘自《自動化博覽》2025年10月刊