入冬前，與管網(wǎng)聯(lián)通的18座儲氣庫實現(xiàn)注氣153億立方米，完成率達107%;采暖季，累計輸氣量突破1100億立方米，同比增長8%以上;寒潮期，日最高輸氣量10.2億立方米，較歷史極值高17%……
3月底，國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司(以下簡稱“國家管網(wǎng)”)圓滿完成去冬今春4個多月的天然氣保供工作。
“保障人民群眾溫暖過冬，靠的是發(fā)揮‘全國一張網(wǎng)’統(tǒng)一調(diào)控運行優(yōu)勢。這背后，我們自主研發(fā)的油氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))起到重要支撐作用。”近日，國家管網(wǎng)生產(chǎn)部副總經(jīng)理、油氣調(diào)控中心主任祁國成告訴科技日報記者。
經(jīng)過多年努力，國家管網(wǎng)研發(fā)團隊先后破解程序熱備熱啟、數(shù)據(jù)采集擴容、設(shè)備遠程操控等核心技術(shù)，成功研制出軟硬件完全國產(chǎn)化的油氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)。
沖擊“極致靠譜”
如果將我國超10萬公里的油氣管道干線比作“能源動脈”，那么SCADA系統(tǒng)就是控制“動脈”的“神經(jīng)中樞”。曾幾何時，這一系統(tǒng)被國外壟斷，能源保供與安全存在受制于人的風險。
“管網(wǎng)人一直有個夢想——打造自己的‘神經(jīng)中樞’!”祁國成說，早在10年前，油氣調(diào)控中心就啟動了國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)的研發(fā)工作。
那時，國內(nèi)油氣行業(yè)在核心工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域底子很薄，研發(fā)起步階段面臨諸多困難。
系統(tǒng)可靠性是首當其沖的難點。油氣調(diào)控中心自動化與通信部經(jīng)理李亞鋒向記者解釋：“油氣管網(wǎng)需要7×24小時不間斷運行，對SCADA系統(tǒng)可靠性要求極高。只有‘極致靠譜’，才能滿足實際應用需求。”
“這一點連國外SCADA系統(tǒng)也難以做到。”研發(fā)骨干黃河介紹，比如，某個控制程序出現(xiàn)故障后，國外系統(tǒng)需將主機上運行的所有程序都切換到備機上。這一過程雖僅有幾秒，但容易造成整個系統(tǒng)短時失效。
國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)如何規(guī)避這一問題?
“我們幾乎每天都在爭論。”黃河告訴記者，在討論研發(fā)方案時，大家經(jīng)常爭得面紅耳赤。
經(jīng)歷無數(shù)次“吵架”，思路逐漸清晰起來。“能不能做到單個程序熱備熱啟，盡可能降低失效時長?”團隊研究重點越來越聚焦。
“一旦主機上某個程序出現(xiàn)故障，系統(tǒng)只需要把該程序切換到備機上運行，而不是將整個系統(tǒng)都切換過去。”黃河說，“這樣既能有效降低主機宕機概率，又能顯著減少系統(tǒng)失效幾率。”
最終，研發(fā)團隊在國內(nèi)油氣領(lǐng)域，首創(chuàng)了基于應用的分布式冗余系統(tǒng)架構(gòu)。
使用這種架構(gòu)后，程序可實現(xiàn)在主備機之間實時切換、熱啟動，系統(tǒng)可靠性得到有效保障。
“在主機和備機‘1+1’分布式冗余架構(gòu)的基礎(chǔ)上，團隊又進一步提出‘1+N’分布式冗余架構(gòu)。”李亞鋒介紹，“原先的運行負荷都在主機上，現(xiàn)在可以把運行負荷自動分配給N臺備機，備機之間又互為備機。”
經(jīng)過不斷更新迭代，如今，國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)實際可用率已高達99.96%。
完成“百萬擴容”
破解系統(tǒng)可靠性難題只是邁過了第一關(guān)。團隊馬上遇到另一大難關(guān)——如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)多點采集與實時更新。
“數(shù)據(jù)采集點越多、更新越及時，系統(tǒng)才能越了解管網(wǎng)實時狀況。”祁國成說，以前油氣站場使用國外SCADA系統(tǒng)時，有一個令人頭疼的問題——外方從技術(shù)上對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量進行了限制，每擴容一批采集點，只能由外方提供服務(wù)，且需要支付高額費用。
“每采集一處數(shù)據(jù)，就算一個數(shù)據(jù)點。” 李亞鋒回憶道，“因為費用高昂，我們都不敢輕易增加數(shù)據(jù)采集點。”
管網(wǎng)里程數(shù)持續(xù)增加、管網(wǎng)設(shè)備量不斷增多，而國外系統(tǒng)只授權(quán)十幾萬個采集點數(shù)，二者之間的矛盾越來越凸顯。祁國成說：“我們下定決心要在自研系統(tǒng)內(nèi)解決這一難題。”
“擴容的關(guān)鍵是將采集數(shù)據(jù)實時傳回系統(tǒng)，尤其是采集點數(shù)量過百萬后，必須解決系統(tǒng)讀取的堵點。”李亞鋒介紹。
此時，研發(fā)團隊已從“吵架”中摸索出一套更有效的“頭腦風暴”機制——以推動研發(fā)方案落地為導向，不同任務(wù)環(huán)節(jié)的研發(fā)人員從各自角度出發(fā)，互相提意見、挑毛病，從而啟發(fā)和拓寬研發(fā)思路。
通過“頭腦風暴”，研發(fā)團隊碰撞出為國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)擴容的具體方案。
“我們嘗試采用共享內(nèi)存技術(shù)，它可以把系統(tǒng)磁盤上部分存儲空間映射為共享內(nèi)存。”李亞鋒說，這相當于為系統(tǒng)新增了大量虛擬內(nèi)存，使其能夠快速讀寫數(shù)據(jù)。
與此同時，研發(fā)團隊還創(chuàng)建了高性能服務(wù)總線，將數(shù)據(jù)訪問方式由原先基于服務(wù)器—客戶機架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)訪問，改為基于高性能服務(wù)總線的內(nèi)存讀取。
“這就好比把‘綠皮火車’升級為‘高鐵’，使數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)間的交互速度大大提升，實現(xiàn)了每秒24萬個數(shù)據(jù)點實時數(shù)據(jù)更新。”研發(fā)人員咸玉龍打比方說。
通過這些技術(shù)的應用，國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)擁有了超百萬個數(shù)據(jù)點的高效處理能力，數(shù)據(jù)量是原先采用國外SCADA系統(tǒng)時的十幾倍。
實現(xiàn)“無人操控”
系統(tǒng)擴容后，油氣管網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)采集與更新不再是問題。但這些數(shù)據(jù)按照什么邏輯去組織，系統(tǒng)又如何根據(jù)這些數(shù)據(jù)去下達控制指令?
要想讓國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)真正運行起來，這是必須跨越的第三道難關(guān)。
“油氣管網(wǎng)涉及設(shè)備眾多，不同設(shè)備之間交互控制邏輯復雜。只有研制出面向生產(chǎn)的數(shù)據(jù)管理與設(shè)備操控技術(shù)，系統(tǒng)才能實現(xiàn)對各種設(shè)備的遠程控制。”黃河說。
此前，國內(nèi)油氣領(lǐng)域在這方面的經(jīng)驗基本為零。
研發(fā)團隊一方面集思廣益，一方面下足“笨功夫”。設(shè)備的每一項控制流程都要反復研討、修改幾十遍。咸玉龍舉例說：“為了精準控制管道內(nèi)的油氣流量，我們根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)再三校正系統(tǒng)的控制參數(shù)，最終形成控制標準。”
隨著時間的推移，研發(fā)團隊創(chuàng)建出面向油氣管網(wǎng)設(shè)備的模型和圖形描述方法，先后定義了15類油氣管網(wǎng)工藝設(shè)備控制標準，并研發(fā)出油氣管網(wǎng)設(shè)備控制面板模塊化技術(shù)。
“這一過程工作量很大，僅各種設(shè)計文檔，打印出來就有一二百本。”黃河說，“項目評審時，厚厚的文檔擺在桌子上，把專家的視線都擋住了。”
有了控制標準與控制面板后，調(diào)控中心的調(diào)度人員只需要在系統(tǒng)界面上進行操作，就能實現(xiàn)遠在千里之外的油氣管網(wǎng)設(shè)備“無人操控”。
2018年，油氣管網(wǎng)國產(chǎn)“神經(jīng)中樞”研制成功，并被命名為PCS 1.0系統(tǒng)。2019年，中俄東線天然氣管道北段(黑河—長嶺)作為示范工程，首次實現(xiàn)油氣管道全線采用國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)……
“截至2023年底，油氣管網(wǎng)國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)已在國家管網(wǎng)28套中控級系統(tǒng)、354套站控級系統(tǒng)成功應用。”黃河說，目前，國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)正在一邊推廣應用，一邊優(yōu)化升級。升級后的PCS 2.0系統(tǒng)將更加安全、可靠、智能。
“2月29日，習近平總書記在中共中央政治局第十二次集體學習時強調(diào)，能源安全事關(guān)經(jīng)濟社會發(fā)展全局。”祁國成自豪地說，“油氣管網(wǎng)國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)徹底打破了該領(lǐng)域核心工業(yè)控制系統(tǒng)受制于人的局面。未來，我們將強化關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，持續(xù)夯實國家能源安全底座!”
來源：科技日報 記者 劉園園
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