◎ 科技日報記者 劉園園
入冬前，與管網聯通的18座儲氣庫實作註氣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集團有限公司（以下簡稱「國家管網」）圓滿完成去冬今春4個多月的天然氣保供工作。
利用油氣管網國產SCADA系統，遠在千裏之外的油氣管網裝置實作「無人操控」。
「保障人民群眾溫暖過冬，靠的是發揮‘全國一張網’統一調控執行優勢。這背後 ，我們自主研發的油氣管網數據采集與監控系統（SCADA系統）起到重要支撐作用。」近日，國家管網生產部副總經理、油氣調控中心主任祁國成告訴科技日報記者。
經過多年努力， 國家管網研發團隊先後破解程式熱備熱啟、數據采集擴容、裝置遠端操控等核心技術， 成功研制出軟硬體完全國產化的油氣管網SCADA系統。
沖擊「極致靠譜」
如果將中國超10萬公裏的油氣管道幹線比作「能源動脈」， 那麽SCADA系統就是控制「動脈」的「神經中樞」。 曾幾何時，這一系統被國外壟斷，能源保供與安全存在受制於人的風險。
「管網人一直有個夢想——打造自己的‘神經中樞’！」祁國成說，早在10年前，油氣調控中心就啟動了國產SCADA系統的研發工作。
那時，國內油氣行業在核心工業控制系統領域底子很薄，研發起步階段面臨諸多困難。
系統可靠性是首當其沖的難點。油氣調控中心自動化與通訊部經理李亞鋒向記者解釋：「油氣管網需要7×24小時不間斷執行，對SCADA系統可靠性要求極高。只有‘極致靠譜’，才能滿足實際套用需求。」
「這一點連國外SCADA系統也難以做到。」研發骨幹黃河介紹，比如，某個控制程式出現故障後，國外系統需將主機上執行的所有程式都切換到備機上。這一過程雖僅有幾秒，但容易造成整個系統短時失效。
國產SCADA系統如何規避這一問題？
「我們幾乎每天都在爭論。」黃河告訴記者，在討論研發方案時，大家經常爭得面紅耳赤。
經歷無數次「吵架」，思路逐漸清晰起來。「能不能做到單個程式熱備熱啟，盡可能降低失效時長？」團隊研究重點越來越聚焦。
「一旦主機上某個程式出現故障，系統只需要把該程式切換到備機上執行，而不是將整個系統都切換過去。」黃河說，「這樣既能有效降低主機宕機機率，又能顯著減少系統失效機率。」
最終， 研發團隊在國內油氣領域，首創了基於套用的分布式冗余系統架構。
使用這種架構後，程式可實作在主備機之間即時切換、熱啟動，系統可靠性得到有效保障。
「在主 機和備機‘1+1’分布式冗余架構的基礎上，團隊又進一步提出‘1+N’分布式冗余架構。」李 亞鋒介紹，「原先的執行負荷都在主機上，現在可以把執行負荷自動分配給N台備機，備機之間又互為備機。」
經過不斷更新叠代， 如今， 國產SCADA系統實際可用率已高達99.96%。
完成「百萬擴容」
破解系統可靠性難題只是邁過了第一關。團隊馬上遇到另一大難關——如何實作數據多點采集與即時更新。
「數據采集點越多、更新越及時，系統才能越了解管網即時狀況。」祁國成說，以前油氣站場使用國外SCADA系統時，有一個令人頭疼的問題——外方從技術上對系統的數據容量進行了限制，每擴容一批采集點，只能由外方提供服務，且需要支付高額費用。
「每采集一處數據，就算一個數據點。」 李亞鋒回憶道，「因為費用高昂，我們都不敢輕易增加數據采集點。」
管網裏程數持續增加、管網裝置量不斷增多，而國外系統只授權十幾萬個采集點數，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內解決這一難題。」
利用油氣管網國產SCADA系統，遠在千裏之外的油氣管網裝置實作「無人操控」。
「擴容的關鍵是將采集數據即時傳回系統，尤其是采集點數量過百萬後，必須解決系統讀取的堵點。」李亞鋒介紹。
此時，研發團隊已從「吵架」中摸索出一套更有效的「頭腦風暴」機制—— 以推動研發方案落地為導向，不同任務環節的研發人員從各自角度出發，互相提意見、挑毛病，從而啟發和拓寬研發思路。
透過「頭腦風暴」，研發團隊碰撞出為國產SCADA系統擴容的具體方案。
「我們嘗試采用共享記憶體技術，它可以把系統磁盤上部份儲存空間對映為共享記憶體。」李 亞鋒說，這相當於為系統新增了大量虛擬記憶體，使其能夠快速讀寫數據。
與此同時，研發團隊還建立了高效能服務匯流排，將數據存取方式由原先基於伺服器—客戶機架構的網路存取，改為基於高效能服務匯流排的記憶體讀取。
「這就好比把‘綠皮火車’升級為‘高鐵’，使數據流在系統間的互動速度大大提升，實作了每秒24萬個數據點即時數據更新。」研發人員鹹玉龍打比方說。
透過這些技術的套用， 國產SCADA系統擁有了超百萬個數據點的高效處理能力，數據量是原先采用國外SCADA系統時的十幾倍。
實作「無人操控」
系統擴容後，油氣管網的海量數據采集與更新不再是問題。但這些數據按照什麽邏輯去組織，系統又如何根據這些數據去下達控制指令？
要想讓國產SCADA系統真正執行起來，這是必須跨越的第三道難關。
「油氣管網涉及裝置眾多，不同裝置之間互動控制邏輯復雜。只有研制出面向生產的數據管理與裝置操控技術，系統才能實作對各種裝置的遠端控制。」黃河說。
此前，國內油氣領域在這方面的經驗基本為零。
研發團隊一方面集思廣益，一方面下足「笨功夫」。裝置的每一項控制流程都要反復研討、修改幾十遍。鹹玉龍舉例說：「為了精準控制管道內的油氣流量，我們根據監測數據再三校正系統的控制參數，最終形成控制標準。」
隨著時間的推移， 研發團隊建立出面向油氣管網裝置的模型和圖形描述方法，先後定義了15類油氣管網工藝裝置控制標準，並研發出油氣管網裝置控制台模組化技術。
「這一過程工作量很大，僅各種設計文件，打印出來就有一二百本。」黃河說，「計畫評審時，厚厚的文件擺在桌子上，把專家的視線都擋住了。」
有了控制標準與控制台後，調控中心的排程人員只需要在系統界面上進行操作，就能實作遠在千裏之外的油氣管網裝置「無人操控」。
國家管網集團油氣調控中心工作人員正在使用國產油氣管網SCADA系統進行天然氣調控。
2018年，油氣管網國產「神經中樞」研制成功，並被命名為PCS 1.0系統。2019年，中俄東線天然氣管道北段（黑河—長嶺）作為示範工程，首次實作油氣管道全線采用國產SCADA系統……
「截至2023年底，油氣管網國產SCADA系統已在國家管網28套中控級系統、354套站控級系統成功套用。」 黃河說，目前，國產SCADA系統正在一邊推廣套用，一邊最佳化升級。升級後的PCS 2.0系統將更加安全、可靠、智慧。
「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，能源安全事關經濟社會發展全域。」祁國成自豪地說， 「油氣管網國產SCADA系統徹底打破了該領域核心工業控制系統受制於人的局面。未來，我們將強化關鍵核心技術攻關，持續夯實國家能源安全底座！」
來源：科技日報， 文中圖片由國家石油天然氣管網集團有限公司提供
編輯：劉義陽
稽核：張爽
