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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盄#。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�##*。
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)