油气管网数据采集与监控系统国产化之路
2024-04-29 10:31:04
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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�##*#%。
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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