油气管网数据采集与监控系统国产化之路
2024-04-29 10:15:04
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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�%**#。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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