張小俊，賈立東，史 威，艾月喬，劉 雅

（國家管網(wǎng)集團(tuán) 北方管道有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

圖1 中俄東線自動化遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of automatic remote maintenance and diagnosis system for China Russia east line

圖2 中俄東線自動化遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)Fig.2 Data architecture of the remote maintenance and diagnosis system of Russia east railway automation

中俄東線天然氣管道起自俄羅斯東西伯利亞，由布拉戈維進(jìn)入中國黑龍江省黑河市，途徑黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、遼寧、河北、天津、山東、江蘇、上海等9個省區(qū)市，中國境內(nèi)管道全長3371公里，是中國首條智能管道試點工程。全線分為北、中、南三段核準(zhǔn)河建設(shè)。2019年12月2日中俄東線北段正式通氣投產(chǎn)，為了確保中俄東線運(yùn)行穩(wěn)定，保障能源輸送安全，支撐油氣管網(wǎng)運(yùn)行特性的變化及業(yè)務(wù)范圍不斷擴(kuò)展，對自動化系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高要求。傳統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)由于缺乏自動化系統(tǒng)及設(shè)備狀態(tài)實時感知及故障智能判斷與處理，致使運(yùn)行維護(hù)人員對自動化系統(tǒng)及設(shè)備的狀態(tài)和故障做不到及時發(fā)現(xiàn)、診斷和處理，從而影響了自動化系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性。因此，亟需開發(fā)和建設(shè)一套自動化遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)涵蓋中俄東線自動化系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線采集、監(jiān)視、故障診斷和智能運(yùn)維等工作，并指導(dǎo)后續(xù)的系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃，有效提高中俄東線自動化設(shè)備運(yùn)行的可靠性，保障管網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 總體目標(biāo)

研究構(gòu)建中俄東線自動化遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷系統(tǒng)，在全面了解業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的信息技術(shù)，結(jié)合智能化成果，設(shè)計合理的系統(tǒng)架構(gòu)，完成系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)對中俄東線SCADA系統(tǒng)的所有設(shè)備全過程全流程的運(yùn)維，并從監(jiān)視、告警、評估、分析4個方面實現(xiàn)相應(yīng)的有效運(yùn)維。

2 方案設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

基于分布式的客戶端采集，通過二級匯聚實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。平臺有高級應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析等模型，高級應(yīng)用有知識圖譜、全生命周期管控、模型服務(wù)，數(shù)據(jù)存儲采用分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫和分布式實時數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)庫。告警判定服務(wù)，基于對上送數(shù)據(jù)的判定，實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的告警；基于數(shù)據(jù)交互服務(wù)和數(shù)據(jù)分析的手段，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的一體化展示、智能化分析和一體化評價。

1）監(jiān)視：構(gòu)建自動化系統(tǒng)的一體化監(jiān)視模型，實現(xiàn)對自動化系統(tǒng)的多粒度資源監(jiān)視和集中可視化展示。

2）評估：構(gòu)建自動化系統(tǒng)的狀態(tài)評估體系，實現(xiàn)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的整體評估。

3）告警：建立對自動化設(shè)備狀態(tài)的實時告警通報機(jī)制，實現(xiàn)對自動化系統(tǒng)環(huán)境內(nèi)重要告警的實時感知。

4）分析：構(gòu)建自動化系統(tǒng)的分析評估，實現(xiàn)對系統(tǒng)的故障定位和輔助分析。具體如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)匯聚（數(shù)據(jù)上傳）、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)交換服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢、告警判定等?；跀?shù)據(jù)交互服務(wù)和數(shù)據(jù)分析的手段，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的一體化展示、智能化分析和一體化評價[2]。

3 系統(tǒng)建設(shè)

為實現(xiàn)對油氣管道站場自動化設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)，其系統(tǒng)功能包括基本功能和高階功能?；竟δ苣K包括告警信息、基礎(chǔ)配置、設(shè)備運(yùn)行、文件管理、日志管理、系統(tǒng)管理等。具體有以下內(nèi)容：采用突發(fā)方式對各站場的SCS和SIS系統(tǒng)的PLC卡件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測；動態(tài)顯示PLC模塊的運(yùn)行狀態(tài)；實時顯示各卡件的報警及故障信息；統(tǒng)計圖監(jiān)視PLC模塊實時故障數(shù)量；實時準(zhǔn)確顯示PLC模塊告警信息；精準(zhǔn)配置提供告警處理意見；全面的告警統(tǒng)計、告警歷史；程序及配置參數(shù)的在線修改、上載下載、故障分析；提供友好的人機(jī)界面；系統(tǒng)用戶權(quán)限管理[1]。

系統(tǒng)高階功能包括健康評價、知識圖譜。健康評價是指建立健康度評價指標(biāo)體系，結(jié)合專家經(jīng)驗，確定各指標(biāo)權(quán)重，制定各指標(biāo)評價等級；知識圖譜是指通過將應(yīng)用數(shù)學(xué)、圖形學(xué)、信息可視化技術(shù)、信息科學(xué)等學(xué)科的理論與方法與計量學(xué)引文分析、共現(xiàn)分析等方法結(jié)合，并利用可視化的圖譜形象地進(jìn)行展示[3]。

圖3 中俄東線自動化遠(yuǎn)程維護(hù)與診斷系統(tǒng)圖例Fig.3 Legend of automatic remote maintenance and diagnosis system of China Russia east line

圖4 中俄東線自動化遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷系統(tǒng)部署示意圖Fig.4 Deployment diagram of automatic remote maintenance and diagnosis system of East China Russia line

系統(tǒng)建設(shè)后，實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：支持系統(tǒng)擴(kuò)容能力不低于20萬點，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集最小時間間隔，不高于1s或逢變則報；系統(tǒng)負(fù)載，20萬點容量下，安裝實時/歷史數(shù)據(jù)庫軟件的物理服務(wù)器，CPU利用率不高于25%；歷史數(shù)據(jù)存儲時間，在線歷史數(shù)據(jù)保存時間不低于3年；提供服務(wù)器端數(shù)據(jù)壓縮機(jī)制，壓縮比大于40:1；不限制系統(tǒng)并發(fā)連接；數(shù)據(jù)存儲連接需應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的平臺界面配置，無需編程，便捷、快速實現(xiàn)，滿足未來擴(kuò)展需求；支持HMI系統(tǒng)調(diào)用實時/歷史數(shù)據(jù)庫，以趨勢方式呈現(xiàn)；高安全可靠性和資料數(shù)據(jù)的恢復(fù)能力；在服務(wù)器切換過程中保證數(shù)據(jù)的完整性；支持多平臺結(jié)構(gòu)，支持標(biāo)準(zhǔn)的開放數(shù)據(jù)接口；支持冗余，支持鏡像功能；數(shù)據(jù)的存儲效率，以有效的壓縮方式保存管道所有的生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)，壓縮的資料恢復(fù)時間在秒級以內(nèi)；具有與其聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)源的通訊能力，包括各種SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)和國內(nèi)油氣管線常用的PLC智能設(shè)備的接口能力；足夠的系統(tǒng)開放性、可維護(hù)性和二次開發(fā)能力。

4 系統(tǒng)部署

在設(shè)計自動化遠(yuǎn)程維護(hù)與診斷系統(tǒng)現(xiàn)場部署和各類自動化設(shè)備的故障信息采集模式時，考慮自動化遠(yuǎn)程維護(hù)與診斷系統(tǒng)作為SCADA系統(tǒng)運(yùn)行的輔助決策系統(tǒng)，其自身的運(yùn)行不能對SCADA系統(tǒng)運(yùn)行和安全帶來影響。中俄東線自動化遠(yuǎn)程維護(hù)與診斷系統(tǒng)，選用獨立的遠(yuǎn)維數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，旁結(jié)在SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，為自動化設(shè)備規(guī)劃了獨立于SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的管理IP，采用SNMP協(xié)議對交換機(jī)、路由器、工作站、服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用Modbus TCP協(xié)議對安全儀表系統(tǒng)和基本過程控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行和故障信息的采集，并開通單獨的通信信道與控制中心自動化遠(yuǎn)程維護(hù)診斷系統(tǒng)互聯(lián)。

5 結(jié)束語

中俄東線自動化遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷系統(tǒng)的投入應(yīng)用，實現(xiàn)了對SCADA系統(tǒng)軟硬件數(shù)據(jù)的采集及運(yùn)行趨勢的展示和報警。該遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對油氣管道SCADA系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，還能夠?qū)崿F(xiàn)SCADA系統(tǒng)故障的診斷與預(yù)警，并提供快捷的遠(yuǎn)程技術(shù)支持服務(wù)，提高了油氣管道自動化系統(tǒng)維護(hù)水平，提供了工業(yè)自動化系統(tǒng)運(yùn)行全生命周期的管理功能，用戶可以查看所有環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息及設(shè)備狀態(tài)；平臺基于基礎(chǔ)服務(wù)深度開發(fā)應(yīng)用，包括知識圖譜、數(shù)據(jù)分析、模型應(yīng)用，可以通過可視化的界面一覽設(shè)備運(yùn)行狀況；實現(xiàn)了讓管理和技術(shù)人員可快速掌握和分析自動化系統(tǒng)運(yùn)行健康狀態(tài)，從而合理部署保障自動化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的工作計劃。

中俄東線自動化遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷系統(tǒng)，未來可基于該平臺打造一支高精尖的自動化運(yùn)維團(tuán)隊，優(yōu)化目前油氣管道自動化系統(tǒng)的運(yùn)維人員配比，解決目前自動化運(yùn)維人員技術(shù)水平弱、對原廠依賴性高、多運(yùn)維業(yè)務(wù)無法有效整合，存在重復(fù)建設(shè)等困難，逐步建立一個“一體化運(yùn)維”體系，成立油氣管道系統(tǒng)一體化運(yùn)維中心，實現(xiàn)運(yùn)維工作自主可控、降本增效。