油气管网数据采集与监控系统国产化之路
2024-04-29 13:04:10
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为“能源动脉”打造“神经中枢”
油气管网数据采集与监控系统国产化之路
【创新故事】
◎本报记者 刘园园
入冬前%#**，与管网联通的18座储气库实现注气153亿立方米*%@，完成率达107%；采暖季*@%%，累计输气量突破1100亿立方米@**，同比增长8%以上；寒潮期##%%*，日最高输气量10.2亿立方米*#%，较历史极值高17%……
3月底%##%#，国家石油天然气管网集团有限公司(以下简称“国家管网”)圆满完成去冬今春4个多月的天然气保供工作%#@@。
“保障人民群众温暖过冬%@@##，靠的是发挥‘全国一张网’统一调控运行优势##。这背后%#，我们自主研发的油气管网数据采集与监控系统(SCADA系统)起到重要支撑作用#@。”近日@*#%，国家管网生产部副总经理、油气调控中心主任祁国成告诉科技日报记者@*@。
经过多年努力*#@#%，国家管网研发团队先后破解程序热备热启、数据采集扩容、设备远程操控等核心技术%*%，成功研制出软硬件完全国产化的油气管网SCADA系统*@。
冲击“极致靠谱”
如果将我国超10万公里的油气管道干线比作“能源动脉”@*%%#，那么SCADA系统就是控制“动脉”的“神经中枢”#*#**。曾几何时*#，这一系统被国外垄断%**#，能源保供与安全存在受制于人的风险%*@@*。
“管网人一直有个梦想打造自己的‘神经中枢’！”祁国成说#*，早在10年前@*@，油气调控中心就启动了国产SCADA系统的研发工作%@%%*。
那时@%#@@，国内油气行业在核心工业控制系统领域底子很�###。蟹⑵鸩浇锥蚊媪僦疃嗬袬*@@@。
系统可靠性是首当其冲的难点@**。油气调控中心自动化与通信部经理李亚锋向记者解释：“油气管网需要7×24小时不间断运行@%%#%，对SCADA系统可靠性要求极高#*#。只有‘极致靠谱’**%%*，才能满足实际应用需求*#@**。”
“这一点连国外SCADA系统也难以做到**%%。”研发骨干黄河介绍#*@*，比如*%#，某个控制程序出现故障后@*%#%，国外系统需将主机上运行的所有程序都切换到备机上*%@#@。这一过程虽仅有几秒@%**#，但容易造成整个系统短时失效*#@。
国产SCADA系统如何规避这一问题？
“我们几乎每天都在争论***%%。”黄河告诉记者*%%@，在讨论研发方案时#@*，大家经常争得面红耳赤%#*@。
经历无数次“吵架”@**#%，思路逐渐清晰起来%%%@@。“能不能做到单个程序热备热启##，尽可能降低失效时长？”团队研究重点越来越聚焦##。
“一旦主机上某个程序出现故障#%%*，系统只需要把该程序切换到备机上运行*@#，而不是将整个系统都切换过去#@##%。”黄河说###，“这样既能有效降低主机宕机概率***%，又能显著减少系统失效几率*@@**。”
最终%#*，研发团队在国内油气领域##，首创了基于应用的分布式冗余系统架构@##*%。
使用这种架构后##*，程序可实现在主备机之间实时切换、热启动%@，系统可靠性得到有效保障#%#%*。
“在主机和备机‘1+1’分布式冗余架构的基础上%%%@@，团队又进一步提出‘1+N’分布式冗余架构###@。”李亚锋介绍#*，“原先的运行负荷都在主机上@*%，现在可以把运行负荷自动分配给N台备机%*，备机之间又互为备机##@。”
经过不断更新迭代***，如今@*#*，国产SCADA系统实际可用率已高达99.96%*@*。
完成“百万扩容”
破解系统可靠性难题只是迈过了第一关%*%*。团队马上遇到另一大难关如何实现数据多点采集与实时更新@%**。
“数据采集点越多、更新越及时*@*@，系统才能越了解管网实时状况%*%@%。”祁国成说###**，以前油气站场使用国外SCADA系统时%@，有一个令人头疼的问题外方从技术上对系统的数据容量进行了限制@%，每扩容一批采集点#@，只能由外方提供服务%%，且需要支付高额费用#@%。
“每采集一处数据%@，就算一个数据点#%#*。” 李亚锋回忆道##%#*，“因为费用高昂**%@，我们都不敢轻易增加数据采集点%*#@%。”
管网里程数持续增加、管网设备量不断增多#%*#，而国外系统只授权十几万个采集点数@#*，二者之间的矛盾越来越凸显@%@@#。祁国成说：“我们下定决心要在自研系统内解决这一难题@%#@#。”
“扩容的关键是将采集数据实时传回系统%@%*@，尤其是采集点数量过百万后*#*，必须解决系统读取的堵点@%@@。”李亚锋介绍@#。
此时*@%@，研发团队已从“吵架”中摸索出一套更有效的“头脑风暴”机制以推动研发方案落地为导向#%%，不同任务环节的研发人员从各自角度出发#@%，互相提意见、挑毛睝%#。佣舴⒑屯乜硌蟹⑺悸�#*%。
通过“头脑风暴”@*%*%，研发团队碰撞出为国产SCADA系统扩容的具体方案*@*%。
“我们尝试采用共享内存技术%**#，它可以把系统磁盘上部分存储空间映射为共享内存#@。”李亚锋说*@#，这相当于为系统新增了大量虚拟内存%%#@，使其能够快速读写数据*#%。
与此同时*#%%，研发团队还创建了高性能服务总线@@@，将数据访问方式由原先基于服务器客户机架构的网络访问%%#%，改为基于高性能服务总线的内存读取%@#**。
“这就好比把‘绿皮火车’升级为‘高铁’@%***，使数据流在系统间的交互速度大大提升*#，实现了每秒24万个数据点实时数据更新%@。”研发人员咸玉龙打比方说##。
通过这些技术的应用@%，国产SCADA系统拥有了超百万个数据点的高效处理能力**%%，数据量是原先采用国外SCADA系统时的十几倍**。
实现“无人操控”
系统扩容后%##*，油气管网的海量数据采集与更新不再是问题**。但这些数据按照什么逻辑去组织@%，系统又如何根据这些数据去下达控制指令？
要想让国产SCADA系统真正运行起来##，这是必须跨越的第三道难关***@*。
“油气管网涉及设备众多*@*，不同设备之间交互控制逻辑复杂**。只有研制出面向生产的数据管理与设备操控技术#**#@，系统才能实现对各种设备的远程控制*##。”黄河说@*#*%。
此前%*%#*，国内油气领域在这方面的经验基本为零##%。
研发团队一方面集思广益%@@%，一方面下足“笨功夫”*#%。设备的每一项控制流程都要反复研讨、修改几十遍*%##。咸玉龙举例说：“为了精准控制管道内的油气流量@**%#，我们根据监测数据再三校正系统的控制参数**%，最终形成控制标准%%##。”
随着时间的推移@##，研发团队创建出面向油气管网设备的模型和图形描述方法%#%%#，先后定义了15类油气管网工艺设备控制标准**，并研发出油气管网设备控制面板模块化技术*#%#。
“这一过程工作量很大%#%，仅各种设计文档#%，打印出来就有一二百本#**。”黄河说@@@，“项目评审时#%#，厚厚的文档摆在桌子上#*@#，把专家的视线都挡住了#@*#。”
有了控制标准与控制面板后%*，调控中心的调度人员只需要在系统界面上进行操作*##，就能实现远在千里之外的油气管网设备“无人操控”%##。
2018年**@#%，油气管网国产“神经中枢”研制成功*#，并被命名为PCS 1.0系统#*。2019年#%@，中俄东线天然气管道北段(黑河长岭)作为示范工程#**%%，首次实现油气管道全线采用国产SCADA系统……
“截至2023年底%*%%，油气管网国产SCADA系统已在国家管网28套中控级系统、354套站控级系统成功应用#*@%%。”黄河说@%#%*，目前@@#@#，国产SCADA系统正在一边推广应用#@@，一边优化升级@%*。升级后的PCS 2.0系统将更加安全、可靠、智能@#。
“2月29日#%%，习近平总书记在中共中央政治局第十二次集体学习时强调#*@@，能源安全事关经济社会发展全局%@。”祁国成自豪地说#****，“油气管网国产SCADA系统彻底打破了该领域核心工业控制系统受制于人的局面%*。未来#%@#，我们将强化关键核心技术攻关@%，持续夯实国家能源安全底座！”(科技日报)
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