​记351工业控制系统​之工程思维（三）

原题：记JKX-351工业控制计算机系统诞生——“工程思维”：工业控制中的问题

   1974年至1978年，单台炉温控制试验成功；1978年至1979年，又进行多台炉温控制试验成功。1979年6月经主管部和有关科研所、高等院校十余个单位鉴定验收后投入试产以来，运行正常。生产的产品良品率平均由百分之五十提高到百分之九十以上，退火功效也提高两倍左右。

   生产过程控制是一个“系统工程”，不仅要解决计算机的稳定性问题，也要解决与计算机相连的外部设备、外围设备（仪器仪表）的稳定性问题。不仅要解决“硬件”问题，也要考虑“软件”问题。更要考虑计算机本身的工作环境问题。这就是“工程性问题”。即能进行一百多种排列，组合成上万个参数数据，自行择优编制退火工艺曲线，自动操作控制，进一步发挥控制系统的能力。也是我在研制过程中碰到的最复杂、最难解决的问题，这里也与各位分享。

图13：厂领导观看系统运行 前排从左至右：陈元铮（总工）、何常惠（厂长）、张先康、刘心松。后排从左至右：顾世文、向世清、党立平、林友铭、章仁忠。

   开始，为了获得经验、吸取教训，刘心松老师组织几个小组分别到全国各地一些正在进行工业生产控制的企业取经，参观调研它们的计算机控制生产过程及了解遇到的问题，以及经验教训。

   我这个小组先后到过：兰州炼油厂（采用日本HOC-510计算机，控制催化塔的风、氧、氨、硫等含量及工艺过程）；山西侯马某工厂（他们与太原工学院合作，用计算机对军工产品生产过程控制）；沈阳计算机技术研究所（采用PDP-11小型计算机进行数据处理）；鞍山钢铁公司（冷轧薄板厂采用K351计算机控制退火炉）。

   调研结果给我们的启示：计算机本身的稳定可靠性、电源的稳定性、程序的稳定性和“长线”的稳定性。不少是属于“工程”问题，于是“工程思维”摆在了我们的面前。

五、“计算思维”与“工程思维”

   在此项目研发过程中，计算机研制是一个重点，从运算、控制、存储、数据传输、接口适配等方面重点考虑（不像现在把计算机直接买来用）。另一个重点则是包括系统控制程序（当时还没有软件的概念）在内的生产过程监控和数据处理。

   刘心松老师站高瞩远，从控制过程、系统工程的角度总揽全局。厂方项目组在顾世文高工的领导下，日战高温，不辞辛苦，进行炉温检测控制、仪器仪表管理、过程工艺监控等，积极配合控制系统的实施。

   一台工业控制计算机系统的成功与否，与其监测和控制的对象有关，与整个生产过程有关。机器的可靠性是控制系统稳定的基础，而电源供电、机房环境，与机器相连接的外围设备，即控制生产过程和现场仪器仪表，以及传输信号的线路（称为“长线”），其可靠性不容置疑。

（一）电源与转换

       351机的电源配置很复杂，由于器件、组件、部件的基础电源不同，磁芯存储器内存（含驱动）就有+6v、±12v、-24v，运控部分+6v，-12v、±45v（DCT），显示部分+20v（氖灯）等。各个设备运行的逻辑电平要相互转换，成为可能的“故障点”。供电系统要进行稳压稳频、滤波退耦、掉电保护。为避免市电波动干扰，采用了220v/400Hz发电机组，经整流稳频后供计算机运行。

   开关量和模拟量信号的转换和传输设计是课题组的重要任务，为处置紧急状态，为计算机系统配置了“中断系统”、“实时时钟”、“断点重启”、“报警系统”和“人机切换”等系统功能的硬件（板卡），也编制了程序软件（纸带穿孔程序代码），一一实现。

（二）布线与“长线”

   计算机机柜的布线及各个板卡、插座间连线分别采用0.2、0.5、1mm的软塑线，部分采用1mm的金属屏蔽线和双绞线，防止虚焊和选取双绞线“绞花”的密度对抗干扰有很大影响，传输可靠性也是工程成功实现的保障。

       JKX-351计算机所有功能板卡都是可以插拔的，连接线由插座背后的插头焊接并连接到另一插座或者另一机架。此时，连线的焊接、走向、穿架、捆扎，连线的颜色（便于区别），信号线与电源线间的隔离都成了研究的问题。作为一项工艺标准下达，让负责装配的工人师傅照此执行。

   另一个是“长线”问题。从车间现场到计算机控制室，信号传输距离与时间都很长，“长线传输”要保障信号的质量（稳定、衰减、畸变、时差、干扰......），还要考虑控制信号到达执行装置的时延，以及执行装置的惯性。“长线”（屏蔽线与非屏蔽线）的选择与防干扰处理，接地系统的设计与规划（接地点、采取悬浮地、单端还是双端接地等），外接“长线”的铺设与安全（如穿管、走地、架空、防雷、防水、防鼠...）等，已经不仅仅是计算机系统本身的问题了。

   在考虑计算机的现场安置，我们获得了书本上不可能得到的知识。这一系列的工作，把我们从“计算思维”拓展并增强到“工程思维”，这也就是计算机应用的前提之一，也使我在后期承担的各类项目中受益匪浅。

（三）“软件”与程序

   那时没有“软件”的概念，只有代码和程序。鉴于磁芯存储器容量很小，虽然是非易失性存储，其中也只能存放系统核心代码。所有系统程序（如系统调试、内存检测...）、控制程序（PID控制、工艺曲线模拟...）等都需要预先编制好代码，并制成穿孔纸带保留，届时输入。这对我们也是个很大的考验。我现在也还保留有当时的程序代码穿孔纸带。

   一旦进入生产过程，计算机是不允许停机的，它一直在运行核心控制程序，动态地检测来自生产现场的信号，经运算匹配最佳工艺曲线，进行动态调整和控制。为保证信号时序、电平稳定，以及控制终端的“惯性”时延，程序编制中的指令选择费了不少的脑筋。

六、奋战三五一、系统联调

   系统的联调是最后的冲刺阶段，计算机项目组的师生、技术员、车间师傅和工人一起夜以继日地工作。光学玻璃烧制、退火周期要有几天时间，始终保持工艺参数稳定。

   经过若干次反复调试和修正，351计算机经受住了考验，使企业破天荒地生产出了优质产品，98%的一类产品，2%的二类产品，次品没有了！

      351计算机控制系统的研制并成功应用在业界产生了极大的影响。当时机器运行的平均无故障时间国家标准是50小时，但351机神奇地达到了1000小时（一个多月），成电计算机控制专业的名声一度弘扬国内，成电人走出了一条自己的路。时任省、市领导先后莅临该厂，参观生产过程的计算机控制，全国各地相关企业和学校也先后来人参观和取经。该项目一举获得国家兵器工业部一等奖，电子工业部二等奖和1978年四川省科学大会奖。

图14：1982年获兵器部技术改进一等奖 1980年获五机部一等奖

图15：向世清老师在351计算机系统控制台操作

图16：1980年3月26日《成都日报》报道

  七、后记

   JKX-351工业控制计算机系统的研制成功，是高校与企业联合攻关、人人奉献、奋力拼搏的成果。在当年无“CPU”芯片、无集成电路、无精密加工设备、无精密测量仪器的时代，完全采用“分立器件”、板卡插件、人工焊接布线、普通示波器调试等，研制并装配出了一台工业控制计算机系统，确实是一件破天荒的事。

   在此项目的基础上，该厂后期在顾世文高工的带领下，又将微型计算机用于炉温控制和退火过程。80年代后期的微机性能已远超了JKX-351机，此是后话。

   随着计算机技术的发展，先后出现了微型计算机、单板机、单片机、...，存储器也从磁芯存储器进展到半导体存储器，计算能力和存储容量飞速发展，促进了计算机应用的普及和推广，SOC的出现更是将计算机“嵌入”到了仪器和设备中，为现在“物联网”的时代打下了基础。

 成都电讯工程学院主要参与人员：

   负责人：刘心松。

   成员：刘绍烯，向世清，刘乃琦。杨映华，祁仁义，李曙光（7221班）。党立平，张庶蓉，仝龄，王天仁（7312班）。

 国营光明器材厂（208厂，35信箱）主要参与人员：

领导：王志华（书记）、陈能庆（总工）、负责人：顾世文。

成员：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。

   光阴似箭，时过境迁，今非昔比，回忆昨天DIY计算机的整个过程和几十年后再DIY计算机的过程，真是天壤之别，使我更加认识到：成电人的聪明刻苦、自强不息，他们的自力更生、创新和创造精神是成电精神的宝贵财富。他们无愧于我国电子信息技术领域的排头兵！此项目也是校企合作的结晶，是“计算思维”与“工程思维”的结合。

   最后，以当时写的一首小诗作为本文结尾：《奋战三五一》（记JKX-351工业控制计算机系统联调，35信箱即国营光明器材厂）

接连熬通宵，奋战三五一；

各组齐忙活，系统总联调；

埋头计脉冲，跪地测信号；

开关模拟量，线长防干扰；

浓茶驱困意，凉水浇钝脑；

氖灯齐闪烁，仿佛机器笑；

内存下雨声，催眠寐小觉；

电传声清脆，传出好报告；

炉堂火焰红，水晶玻璃俏；

献礼又一项，光明列前茅！

【参考资料】

01. 刘乃琦，“下雨声叮咚”，载《中国计算机用户协会成立十周年》刊，1989年10月

02. 刘心松，“我在成电的日子”，《成电记忆》，电子科大出版社，2011年9月

03. 刘乃琦，“昨天，我们DIY计算机”，《沧桑历历》，电子科大出版社，2006年9月

04. 刘乃琦，“我们DIY计算机（补遗）”《成电记忆》，电子科大出版社，2011年9月

（照片补充于2011年10月）

附录资料：

光明器材厂科学研究结硕果（成都日报1980年3月26日）研制成功的JKX一351型电子计算机已用于生产，为我国光学玻璃生产采用新技术开创了一条新路

本报讯  光明器材厂研制成功的JKX一351型工业控制电子计算机，已应用于生产，为我国光学玻璃的生产采用新技术开创出一条新路。

   这个厂研制成功的JKX一351型工业控制电子计算机，是为控制光学玻璃精密退火炉炉温而设计的。整个系统由工业控制电子计算机（包括外围设备、外部设备、操作台)和生产现场（包括控制对象、执行机构、检测元件)两部分组成。它可以实现生产过程参数的数据处理，生产工艺曲线的计算，生产过程的监督和自动调节。同时，还具有参数的定时制表、数字显示，并能在操作台上进行人机对话。

   这个厂采用JKX一351型电子计算机群控系统后，使光学玻璃精密退火工艺，由五十年代技术水平跃进了一大步。电子计算机群控系统与原来采用的仪表控制相比较，不仅可以满足大面积光学玻璃精密退火的技术要求，使测量和控制精度大大提高，产品质量有了可靠的工艺保证，而且大大提高了工效。

   据统计，采用JKX一351型电子计算机群控系统进行光学玻璃精密退火后，生产的产品良品率平均由百分之五十提高到百分之九十以上，退火功效也提高两倍左右。这套群控系统，如配以足够的存储能力，可将多种产品名称、规格及精密退火的各项技术要求预先告知中央计算机，计算机处理系统，即能进行一百多种排列，组合成上万个参数数据，自行择优编制退火工艺曲线，自动操作控制，进一步发挥控制系统的能力。

   这个厂从1973年开始进行JKX一351型工业控制电子计算机的科研课题。厂党委很重视这个项目的进展，配备了比较得力的干部和技术人员。这些干部和技术人员，在兄弟单位的大力协作下，于1974年至1978年，作单台炉温控制试验成功；1978年至1979年，又进行多台炉温控制试验成功。1979年6月经主管部和有关科研所、高等院校十余个单位鉴定验收后投入试产以来，运行正常。为了表彰他们的成绩，四川省科学大会1978年授给这项科研小组以先进集体称号，主管部1979年又授子此项科研成果以科学技术研究一等奖。

   为了更好地应用电子技术，适应四化建设的需要，目前，这个厂正在着手积极筹建工业控制计算机全部退火和中心机构，进一步把电子计算机应用推广到主要工序一一配料、加料、熔炼等方面，实现生产的自动化，赶超国外先进技术水平。（白杨树、瞿鸿彬）

（图片）光明器材厂研制成功的JKX一351型电子计算机已用于生产。这是青年工人在操作台前进行人机对话的情形。

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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