第497章 工业计算机的骨架

显示控制芯片的设计刚告一段落，宋颜教授就把一沓资料放在吕辰桌上。

“工业计算机的总体架构你来定。”

吕辰翻开资料，第一页就是赵老师写的需求报告，标题用红笔打了三个感叹号，字迹潦草但力道很重。

往下翻，是赵老师手绘的一张表格，列着这130多条产线的类型。

轧钢线、热处理线、锻造线、轴承线、管材线……

每一条的控制逻辑都不一样，每一条都要重新设计电路、重新画版图、重新流片。

130条产线，都需要定制控制柜，集成电路实验室压力很大！！！

需要最后得出结论：工业计算机设计，迫在眉眉睫！

吕辰把资料合上，靠在椅背上。

这不是130条产线的问题，这是工业化的根本矛盾，生产的需求是无限的，但定制的能力是有限的。

如果不解决这个矛盾，集成电路实验室就算再扩大十倍，也永远追不上。

他拿起笔，在稿纸上写下第一行字：我们到底要解决什么问题？

写了一天，又改了一天，查缺补漏又一天。

第四天早上，他拿着写好的方案，来到大会议室。

方案论证在这里进行。

长条桌摆成教室状，桌上放着一个个搪瓷缸和烟灰缸，缸子里泡着茶，茶叶梗浮在水面上，散发出一股茉莉花香。

来的人不少，林林总总六七十人。

刘星海教授等各中心、实验室负责人坐在前排，前面或摊着图纸，或摆着笔记本。

李怀德也来了，坐在刘星海旁边，手里夹着一支烟，正跟旁边的周主任低声说话。

吕辰拿出几张手绘的图纸，磁铁吸在黑板上。

他敲了敲黑板，会议室里安静下来。

“今天要讨论的，是工业控制计算机的总体架构。”

他转过身，在黑板上写了几个大字：我们到底要解决什么问题？

“在讲架构之前，我想先把这个根本问题说清楚。架构是手段，解决问题才是目的。如果我们连问题都没想清楚，架构设计得再漂亮，也是空中楼阁。”

他看向赵老师：“赵老师，您那份需求报告，我看了三遍。您说‘130条产线，每一条都要定制控制柜，集成电路实验室累死也做不完’。”

赵老师点点头，没说话。

“所以，我们要做的，是一台通用的机器。插不同的卡、跑不同的程序，就能控制不同的产线。不需要每次重新设计电路、重新画版图、重新流片。硬件是标准的，软件是定制的。”

他在黑板上画了一个简单的框图，一个方方正正的机柜，旁边画了几张卡片，卡片上写着“轧钢线”“热处理线”“锻造线”。

“这就是工业控制计算机的核心价值。”

他顿了顿，转过身，在黑板上写了三个词：眼前、中期、长期。

“但我把这个问题拆成了三层。光解决眼前的问题，不够。”

他指着“眼前”两个字。

“眼前的问题是什么？集成电路实验室产能不够，定制周期太长。一条产线等几个月，工人等不起，生产等不起。这是火烧眉毛的事，必须解决。”

他的手指移到“中期”。

“中期的问题是什么？产线还在增加。今年130条，明年可能是200条，后年可能是300条。靠手工定制，永远跟不上。不是我们不够努力，是这个模式本身就有上限。一个人一天画24小时的图，也就画那么多。一千个人画图，管理成本就上来了。这条路，走到头也追不上工业化的需求。”

他放下手，转过身看着所有人。

“长期的问题呢？”

他在黑板上写下四个字：工业控制。

“工业控制的本质是什么？不是做一台机器，不是写一段程序。是建立一套体系，一套让全国工厂都能自己解决问题、不用依赖少数专家的体系。”

他转过身：“如果我们只做一台机器，那这台机器再好，也只能管一条线。如果我们做一套体系，那这套体系就能管一千条线、一万条线。这才是工业控制计算机真正的价值。”

会议室里安静了几秒。

刘星海摘下眼镜擦了擦，又戴上，没说话，但嘴角微微动了一下。

李怀德把烟掐灭，靠在椅背上，若有所思。

赵老师开口了：“吕辰，你说的这些，我同意。但体系不是喊出来的，是设计出来的。你的架构，到底怎么支撑这个体系？”

吕辰点点头，转身在黑板上画了一个更大的图。

“好，那我来讲架构。”

他在黑板上画了五个方块，从上到下排列，每个方块旁边写着名字。

“我的设计思路，延续了之前编程机的模块化、总线化、标准化思路。但工业控制计算机和编程机不一样。编程机是给工程师用的，工业控制计算机是给生产线用的。所以，要在之前的基础上，做针对性强化。”

他在第一个方块旁边写下‘模块化’三字。

“模块化要做到骨头里。不是‘分几个模块’就完了，而是每一块板卡都能独立更换、独立升级。中央处理器板坏了，换中央处理器板；I/o板坏了，换I/o板。不用整机拆下来，不用等厂家派人来修。厂里的电工就能干。”

他又写下两个字：冗余。

“冗余是必须要做的。生产线不能停机。停一分钟，可能就是几吨废钢。所以电源要冗余，一个坏了另一个无缝切换。控制核心要冗余，主核死机，辅核在毫秒级接管。甚至I/o模块都要冗余，关键的传感器，接两个模块，一个坏了另一个顶上。”

他顿了顿，写下三个字：实时性。

“工业控制不是科学计算。科学计算等几分钟出结果没关系，但生产线等不了。飞剪的控制指令，必须在毫秒级内发出。晚了，钢板就切废了。所以必须用硬中断、优先级抢占。控制程序永远排在最高优先级，其他任务靠边站。”

他又写下三个字：抗干扰。

“车间的电磁环境有多恶劣，在座的各位比我清楚。大电机启动的瞬间，电压能掉下去几十伏。电焊机工作时，电磁干扰能把收音机变成噪音源。普通计算机扛不住，但我们的工业计算机必须扛住。这是生存底线。”

最后，他写下四个字：可扩展性。

“现在可能只控制一条线，但三年后呢？五年后呢？可能要控制十条线联动的车间。所以架构要留足余量。总线带宽、cpU算力、I/o通道数，都要有升级空间。不能做出来就用死了。”

他放下粉笔，转过身。

“这五个原则，是工业控制计算机的骨架。下面我来讲具体模块。”

他在黑板上画了一张新的图，这次是五个方块排成一排，每个方块下面画了几条线，连到底下的一根总线上。

“工业控制计算机，我把它拆成五个核心模块。”

他指着第一个方块。

“第一，中央处理模块。这是机器的‘大脑’。它运行控制程序，做逻辑判断和算术运算。双核心冗余，主核跑程序，辅核负责监控。主核死机，辅核在几毫秒内接管，生产线不会停。”

他顿了顿，补充道：“指令集要精简。只保留工业控制需要的指令，如顺序控制、连锁保护、pId调节、定时器、计数器。不需要浮点运算，不需要向量指令。精简了，芯片面积就小了，成本就低了，可靠性就高了。”

他的手指移到第二个方块。

“第二，I/o模块。这是机器的‘眼睛’和‘手’。它连接所有传感器和执行机构。”

他在方块下面画了两条分支。

“数字量I/o，用光电隔离。车间里的高压和计算机隔开，保护机器也保护人。开关量、脉冲量，都走这条路。模拟量I/o，用高精度Adc。温度、压力、流量这些连续变化的物理量，变成数字信号给cpU处理。”

他抬起头，看着赵老师。

“I/o模块也要模块化。一条生产线需要多少路输入输出，就插多少块板子。不够了再加，多了就减。标准化、积木化。但不再是每次重新设计电路，而是插拔板子。”

他又补充了一句：“I/o模块要支持热插拔。坏了不停机就能换。生产线在跑，电工把坏板子拔下来，插上新板子，系统自动识别、自动恢复。这叫不停机维修。”

赵老师在笔记本上飞快地记着，点了点头。

吕辰的手指移到第三个方块。

“第三，存储模块分三类存储器。”

他在方块下面画了三个小方块。

“程序存储器。用只读存储器，存操作系统和控制程序。写进去就不改了，防止程序被意外破坏或者被人篡改。”

“数据存储器。用存储芯片，存生产过程的实时数据。温度、压力、速度，每秒钟记一次，记在循环缓冲区里。满了就写到磁带上。出了事故，翻数据就知道当时发生了什么。”

“参数存储器。用可擦写存储器，存工艺参数。不同的钢材、不同的规格，参数不一样。工人插一张二维卡，机器就把参数加载进来。”

他顿了顿，看着在座的人。

“三类存储分离，各司其职。程序是固化的，数据是临时的，参数是可变的。这种架构，比混在一起可靠得多。”

他的手指移到第四个方块。

“第四，电源模块单单独做。”

他在方块下面画了两条线。

“双电源冗余，一个坏了另一个无缝切换。后备电池，停电的时候能撑几分钟，让程序正常退出、数据保存好。宽电压设计，车间里的电压波动，从180V到250V，机器都能正常工作。不用稳压器，不用UpS，插上就能用。”

他又补充了一句：“电源模块也要能热插拔。坏了一个，电工拔下来换新的，机器不会停机。”

他的手指移到第五个方块。

“第五，通信模块负责机器和人说话、和别的机器说话。”

他在方块下面画了两条分支。

“有线通信，用二维卡系统。物理隔离，抗干扰。工艺参数、控制程序，都通过二维卡加载。这是最可靠的通信方式，不怕电磁干扰。”

“无线通信，用‘电子耳朵’的技术。未来车间里可能有几十台机器，它们要互相交换数据、协同工作。轧制线告诉热处理线‘板子过来了，准备接收’，热处理线告诉质检线‘这批钢材的工艺参数是这样的’。无线通信，就是为这个准备的。”

他放下粉笔，转过身。

“这五个模块，通过标准总线连接。总线协议和接口定义必须公开，任何厂家，不管是大厂还是小作坊，只要按照这个规范生产模块，插上去就能用。”

他在黑板上画了一条横线，把五个方块串在一起。

“总线是这套体系的核心。总线定了，整个架构就定了。总线是开放的，整个体系就是开放的。总线是封闭的，整个体系就是封闭的。”

他转过身，看着所有人。

“我选择开放。”

会议室里安静了几秒。

宋颜教授第一个开口：“吕辰，你说说电路设计怎么做？ ”

吕辰点点头：“宋教授，我的想法是两条腿走路。”

他转过身，在黑板上画了一个简图，左边是一个大脑，右边是一双手脚。

他的绘画水平是真的惨不忍睹，引来台下一阵阵轻笑。

“集成电路负责‘大脑’，中央处理模块、存储模块、通信模块的核心部分。这些需要高速运算、高密度集成，必须用集成电路。”

他在右边画了几条线。

“‘掐丝珐琅’负责‘手脚’，I/o模块里那些和强电打交道的部分，如继电器驱动、电机控制、电源管理。这些需要扛大电流、抗强干扰，用‘掐丝珐琅’电路板做。这种板子，我们熟，工艺成熟，成本低，可靠性高。”

他放下粉笔，看着宋颜。

“各司其职，各取所长。集成电路做它擅长的事，‘掐丝珐琅’做它擅长的事。合在一起，就是一台完整的工业计算机。”

宋颜教授点点头：“可行！”

吕辰继续说：“工业控制计算机不需要最新工艺，五微米够，三微米更好，但不是必须。这些芯片，可以在6305厂的生产线上批量生产，不占用研究所的中试线。”

他又在黑板上写了一个词：硬件标准化。

“同一批中央处理器芯片，插不同的I/o模块、跑不同的程序，就能控制不同的产线。轧钢线用一套I/o模块，热处理线用另一套I/o模块。中央处理器是一样的，存储是一样的，通信模块是一样的。这叫硬件标准化、软件定制化。”

他转过身，看着赵老师。

“赵老师，这就是您要的，不用每次重新设计电路、重新画版图、重新流片。硬件是标准的，工厂自己换I/o模块、自己插二维卡，就能把一条轧钢线变成热处理线。”

赵老师点点头，没有说话。

吕辰继续说：“至于那些和强电打交道的I/o模块，用‘掐丝珐琅’工艺做。这种板子，我们做了好几年了，工艺成熟，工人熟练，成本了。而且它不占用集成电路的产能。”

他顿了顿，声音提高了一些。

“所以，不是等芯片多了再做事，而是用现有资源做能做的事。集成电路做脑脑，‘掐丝珐琅’做手脚。两条腿走路，走得稳，走得快。”

赵老师问道：“吕辰，硬件的事你说清楚了。但软件呢？工厂的电气工程师不懂二进制、不懂汇编。让他们自己写程序，不现实。”

吕辰点点头，在黑板上画了三层图。

“我设计了一套三层软件体系。”

他指着最下面一层。

“第一层，工艺参数库。不是让工厂自己写程序，而是让工艺工程师填一张参数表。这张表存在二维卡上，插进机器就能跑。轧制速度多少米/秒？加热温度多少度？冷却时间多长？连锁条件是什么？工艺工程师不需要动编程，他只需要知道自己这条线需要多快的速度、多高的温度。填上去，机器就能跑。”

他的手指移到中间一层。

“第二层，控制逻辑模板。把常用的控制逻辑做成模板，工厂只需要选模板、填参数，不需要写代码。”

他在黑板是列了几个模板：

顺序控制模板——先A后b再c

pId调节模板——温度、压力、流量

连锁保护模板——A停了b就停

定时/计数模板——延时启动、计数停机

“这些模板，我们根据130多条产线的经验总结出来的。覆盖了80%以上的控制场景。工厂选模板、填参数，就能跑起来。”

他的手指移到最上面一层。

“第三层，高级编程语言。留给专业工程师用的。复杂场景下，可以写自定义逻辑。但这不是给工厂用的，是给设备制造厂和系统集成商用的。”

他放下粉笔，转过身。

“三层体系，各取所需。工艺工程师填参数表，电气工程师选模板，专业工程师写程序。不用每个人都懂二进制、懂汇编。”

赵老师点了点头，没再问。

李怀德这时候开口了：“小吕，你说的这些，五年后、十年后，这台机器还能用吗？技术升级了，是不是又要从头来？”

吕辰在黑板上画了一个时间轴，从今天指向五年后、十年后。

“这个问题，我也考虑了。”

他在时间轴上画了几个节点。

“第一，总线协议要公开。所有模块都遵循同一个总线标准。以后出了更好的cpU，换中央处理模块就行。有了更大的存储器，存存储模块就行。I/o模块不用动，电源模块不用动，通信模块不用动。这叫积木式升级。”

他在第二个节点上画了个圈。

“第二，I/o模块要标准化。我们要定义一套标准的I/o接口规范。以后所有的传感器、执行机构，都按这个规范做。不管谁家的设备，插上就能用。这套规范定下来，就是标准。以后全中国的工业设备，都按这个标准做接口。红星所的工业计算机能接，别的厂做的也能接。这不是一家独大，是共建生态。”

他在第三个节点上画了个箭头。

“第三，通信协议要留余量。现在可能只需要一台机器控制一条线。但未来，一个车间可能有几十台机器，它们要互相通信、协同工作。所以通信模块要支持两种模式，单机模式和联机模式。联机模式下，一台机器能通过总线读取其他机器的状态，协同决策。”

他放下粉笔，看着李怀德。

“现在不用，但不能没有。接口要留出来，协议要定义清楚。等哪天需要用的时候，插上模块就能用，不用重新设计。”

李怀德点了点头，没再问。

赵老师又开口了，这次声音比刚才高了一些：“吕辰，你说的这套体系，听起来很好。但怎么保证全国都按你的规范来？万一别人不认呢？”

吕辰笑了笑，这个问题他想得更深。

“赵老师，您说得对。规范不是靠行政命令推的，是靠价值吸引的。”

他转过身，在黑板上写了四个字：建立标准。

“我提议，我们要做四件事。”

“第一，编写《工业控制计算机设计规范》。定义模块规格、总线协议、I/o接口、通信协议。让全国所有想造这东西的厂家，都按这个规范来。谁不按规范来，谁的产品就接不上别人的系统。这叫用市场力量推广标准。”

“第二，编写《工业控制程序编写指南》。教工厂的电气工程师怎么填参数表、怎么选模板。让一线工人能自己解决问题，不用等专家。这本书要写得通俗易懂，配图、配案例、配习题。工人看完就能上手。”

“第三，编写《产线自动化改造案例库》。把130多条产线的改造经验整理成册，配上图纸、参数、程序。以后新产线改造，翻案例库就知道怎么干。不用从头摸索，不用重复踩坑。”

他顿了顿，声音提高了一些。

“第四，推动成立‘国产工业计算机标准联盟’。联合哈工大、北钢院、鞍钢、首钢这些核心单位，把这套标准推广到全国。不是红星所一家说了算，是大家共同制定、共同遵守。谁想改标准，开大会讨论。这叫民主集中制。”

他转过身，看着赵老师：“赵老师，这才是体系。不是红星所一家做机器，是全国一起建生态。红星所负责最核心的芯片、最核心的架构，外围的I/o模块、电源模块、通信模块，交给协作单位做。大家一起赚钱、一起发展、一起把中国工业控制的底座夯实。”

会议室里安静了很长时间。

现没人提出问题。

刘星海看着吕辰：“小吕，你说得对，我们不是在造一台机器，我们是在建一套体系。这套体系，要让全国工厂都能自己解决问题，不用永远依赖少数专家。”

他合上本子，看着在座的所有人。

“这才是工业控制计算机真正的价值，这个方案，我同意了。各中心依据这个架构，把具体方案报上来，下周再议。”

人们开始收拾东西。

搪瓷缸碰撞的声音、椅子挪动的声音、说话的声音混在一起，会议室里重新热闹起来。