记351工业控制系统（一）

控制光学玻璃生产之计算机

楔子

  把一台计算机用于工业过程控制，现在看来是比较容易实现的了。因为我们已经有了微型计算机，也有了专门的工业控制计算机（Industrial Computer），而且，在工业生产过程中的若干设备和仪器仪表也已经“数字化”了，其内部甚至具有自己的“嵌入式计算机”及SOC部件。既能够独立运行，也能够彼此联网，构成“物联网”类型的过程控制系统。这就是电子计算机在工业自动控制中的应用。

  但在50年前，70年代初期，把计算机用于工业过程控制是一个新生事物，是一项极大的挑战。因为那时计算机非常昂贵，体积庞大，运算速度慢，存储容量小，缺乏人机交互设备。要解决工业过程自动控制问题怎么办？一是要有“计算机”（数字型），二是要把计算机与生产过程控制终端（模拟型）连接起来，达到双向数据交换，根据工业生产过程及工艺要求，完成自动处理和精确控制。

      JKX-351计算机的诞生，就是围绕这样一个目的。当年，计算机的研制和过程控制间的连接是项目的重点。我有幸参加了这台工业控制计算机研制的整个过程，自1974年底，持续两年多，机器正常交付生产过程控制现场，系统稳定运行，明显提高了产品生产质量，在业界产生了重大的影响。

一、初识“计算机过程控制”和“工控计算机”

   这个项目是成都电讯工程学院计算机专业与成都国营光明器材厂（208厂、35信箱）合作的一个重点工程，该厂生产国防特种光学玻璃。项目目标是用计算机对光学玻璃产品的退火过程进行炉温控制，通过炉体上的热电偶采集温度数据，经模—数转换后传至工控计算机，处理后的反馈信号传至生产现场装置控制退火温度，形成一个实时闭环系统。

   成都电讯工程学院的刘心松老师是总体负责人，主要参与人员有刘绍烯和向世清老师，我和同学杨映华、祁仁义、李曙光作为毕业设计进入项目组。国营光明器材厂的技术科也加入项目组，由工厂书记王志华、总工陈能庆领衔，技术负责人顾世文（清华毕业）。成员有：张先康（交大）、蒋维富（交大）、谭万友（华南工学院）、赵恒友、林友铭、郑启明、赵世成、刘亚烈，及多位装配工。

   初次接触工控项目，首先感到的“一窍不通”，于是开始“恶补”。补什么？补课堂上学到的、还未真正领会的计算机运算器、控制器、存储器的原理。补“工业过程控制”，即PID自动控制的原理：“在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。”

   我的导师刘心松老师是一位思想睿智、治学严谨、做事踏实、管理严格和学术造诣甚高的学者，在项目实施过程中，我们既是师生，又是朋友，他对我们的关心、要求、指导和鼓励使我们受益匪浅。这是我参与完成的第一个项目，以后又先后完成了十余个大大小小的项目，刘心松老师的严谨治学、站高瞩远和认真工作的精神，一直激励着我，并贯彻于始终。

图1：刘心松老师

      208厂生产的军用光学玻璃，由于炉温控制及退火温度的不稳定等诸多问题，常在二、三类产品间徘徊，不见一类，次品却不少，既浪费了材料，消耗了能源，又极大地影响国防工业和相关应用。这类特种石英玻璃如果从德国进口，当时一两黄金还买不到一两玻璃。出于为国争光，为国防出力，成电的老师和工厂的技术人员承担了这个光荣而艰巨的任务。

   当时，没有现成的计算机，研制工业控制计算机的任务也就落在了项目组肩上，成员有刘心松、刘绍烯、向世清等老师。控制计算机代号为JKX-351，即“计算机控制系统（35信箱）1号”。

   整个系统工程包括“工业控制计算机”的研制和生产过程控制（含仪器仪表）连机的准备。现在，我仍保留着当初研制过程的整套笔记、设计记录和程序编制本。

图2：我保存的351机设计笔记本和程序编制本

图3：351机指令设计

二、设计“CPU”（运算器与控制器）

  工业控制计算机既有通用计算机的性能要求，更有专用计算机的特殊要求，首先是稳定可靠，其次还是稳定可靠，即“无故障时间”要达到一定的要求”，运行不能出错，更不能在生产过程中“宕机”，引发严重事故。

   那时还没有CPU这个词，计算机系统的运行依赖运算装置（运算器）、存储装置（存储器）和控制装置（控制器），三者有机结合。

   这三部分都需要自己设计和组装，每部分又被分解成若干独立的、由引线互连的板卡，再通过接口装置（部件）与外部的控制装置（称为外部设备）相连。为了简单可靠，351机没有设计全加器，而仅用B、C两个寄存器组外加进位链组成运算电路。

 设计字长为14位，定点数表示为：2^-13< x ≤ 1- 2^-13     也就是：10^-4 < x ≤ 1- 10^-4

  数据和指令皆以原码方式存放于内存（磁芯存储器）中，从内存取出的指令和数据都以原码方式保留在C寄存器中。C寄存器是唯一与内存直接交换数据的部件，兼作再生寄存器。

  指令设计采用微指令形式，编码微操作共77条。指令14位字长，与数据共同排列，以操作码判定，程序设计和编程以八进制编码记录，并编制穿孔纸带。351机的系统频率为125Kc，故每相为8μs（1/125）。

  由“实时时钟”来控制整个生产过程，每条指令的执行时间、指令组合执行时间，以及脉冲延迟、整形和电平稳定（暂存）的时间有严格要求。在后期的系统调试中，我们不断精确地计算和调试执行时间（时刻点），选择最短指令执行周期。例如：“加1”操作，不用加法指令，而采用“异或”或“逻加”指令来替代。

   我的主要任务是对控制器电路和微指令译码器电路的设计、修改和调试。众所周知，指令及其译码线路是现代CPU核心中最重要的部分，指令码的长短、操作码的位数、地址与控制码的类型、是否“间址”或“变址”等，都是需要逐字逐句地研究和讨论的。在指令确定后，必须设定它的微操作电位和脉冲，并进行译码线路设计，这是我们的难点。每条指令经过译码后的电位或者脉冲输出都必须与相应的电路部件相连接，这些接口部件，有的是运算器（累加器）的数据门和进位链，有的是寄存器的端口，有的是存储器的译码阵列。必须熟悉整个系统工作的时序，才能了解指令译码后形成的电位或者脉冲在什么时间、什么地点产生、以什么极性驱动（正极性脉冲还是负极性脉冲），它们下一步应当到达什么位置，这个时间期限有多长？

   采用晶体管分立元件组成逻辑和时序电路，有一个非常重要、影响很大的问题，就是“门延迟”。器件的不归一性和传输延迟很可能影响和毁掉整个系统。我们每天都为图纸上的电路的“与非门”结构、“反向器”结构、电平和脉冲极性、门的级连、选通脉冲的控制和时序问题而争论。此外，每一条指令执行的时间是多少？指令组合后的执行时间又是多少？能否用某条指令代替另一条指令，达到相同的结果？“公操作”和“空指令”要用到什么地方等等。

   当时，系统的电路图和电路插件板PCB图都由人工手绘，使用绘图板与鸭嘴笔、丁字尺、直尺，然后“晒”制成蓝图。351机的代码总线为14位，一块约200×100mm的电路板上仅能排列可怜的两位触发器，加上附加电路。因此，寄存器组加上进位链电路等需要7块电路板！

   计算机机柜是一人多高的铁框架，框架上均匀地排列着插件板槽，每个插件槽安装有一个双排直插式插座，插件板上是分立元件的寄存器（双稳态触发器）、级连电路和控制电路。而从机柜的背面看过去，则是令人眼花缭乱的走线，这些信号线、数据线、电源线都要根据起点和终点在机架的空隙中穿过。机架间隙有限，线径是0.2、0.5-1mm，布线要考虑的因素很多，如：最短路径、最佳中继点、最可靠焊接点等。还要考虑线间干扰，双绞线“绞花”密度、非屏蔽线与屏蔽线的使用、脉冲线与电平线与电源线的隔离与屏蔽、接地线的接地点与机架屏蔽点、外部设备（长线）的接口和接入点等。有时为一条线的走向伤透了脑筋，为消除线间干扰一次又一次的换线。

   插件板上双稳态电路的布局、晶体管的选择、测试和配对、电阻电容的筛选都必须精心进行。为了保证性可靠，虽然价格贵，也尽可能选择军品器件。

   运算器加控制器终于成功完成，与磁芯存储板相连，能够正常运行。微指令和地址译码所产生的电平和脉冲工作正常、时序正常，从启动到数据显示也正常。

图4：使用军品级开关三极管3AK、3DK J系列、二极管2AK系列

图5：显示用氖灯        PCB插件板

      351机的运控部分相当于CPU，存储器采用磁芯存储，那么，指令和数据是如何进入存储器存储，并引入运控部件运算执行的呢？

  **本项目回忆共分三篇文章，陆续发出。请见“记351工业控制系统诞生（二）” ------ 控制机输入输出与唱歌下雨。

刘乃琦

刘乃琦：电子科技大学教授，四川省教学名师，四川省有突出贡献的优秀专家。1968年参军入伍，1972年进入成都电讯工程学院计算机工程专业学习，毕业留校任教，1984年后先后到加拿大、美国进修学习。1988年后历任电子科技大学计算机科学与工程系副系主任、系主任，计算机学院副院长，电子科大国家示范性软件学院副院长。2010年兼任四川托普信息技术职业学院院长，2015年退休。

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