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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�*@@。佣舴⒑屯乜硌蟹⑺悸稝%*#。
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)