油氣田集輸站場工控系統(tǒng)國產(chǎn)化替代應(yīng)用研究與實(shí)踐

楊智 姚渝琪 談錦鋒 楊克龍 徐勇

1. 中國石油西南油氣田數(shù)字智能技術(shù)分公司 四川 成都 610051 2. 中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 四川 成都 610051 3. 中國石油西南油氣田公司 四川 成都 610051

1 研究背景與意義

國產(chǎn)化和信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新（以下簡稱“信創(chuàng)”）的提出，無論是從國家領(lǐng)導(dǎo)層面的指導(dǎo)思想、還是到具體的方針政策都有“據(jù)”可依。2022年9月，國資委內(nèi)部指導(dǎo)信創(chuàng)的79號文件要求所有“央企+國企+地方國企”應(yīng)在2027年全面落實(shí)國產(chǎn)化替代，涉及生產(chǎn)制造與研發(fā)系統(tǒng)原則上宜“能替就替”。各地政府、國企和央企紛紛響應(yīng)國家號召，促進(jìn)國產(chǎn)化工作在本地落地生根，帶動信息化和工業(yè)化進(jìn)行轉(zhuǎn)型。

現(xiàn)階段，國產(chǎn)處理器工作站、國產(chǎn)操作系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）軟件等產(chǎn)品及體系正蓬勃發(fā)展，基本實(shí)現(xiàn)了工控系統(tǒng)上位機(jī)、下位機(jī)國產(chǎn)軟硬件產(chǎn)品從“可用”到“好用”及“易用”的跨步發(fā)展[1]。工控系統(tǒng)是油氣田安全生產(chǎn)的關(guān)鍵系統(tǒng)，為避免異常情況下，“卡脖子”等技術(shù)封鎖的因素影響安全可控生產(chǎn)，因此有必要加快推進(jìn)國產(chǎn)化替代工作，并指導(dǎo)后續(xù)建設(shè)與改造。

2 油氣田集輸站場工控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1 基礎(chǔ)情況

油氣田集輸站場工控系統(tǒng)分為上位機(jī)與下位機(jī)系統(tǒng)，主要包括：基本過程控制系統(tǒng) BPCS（RTU/PLC/DCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS） 、工作站、服務(wù)器、操作系統(tǒng)軟件、SCADA系統(tǒng)軟件及相關(guān)輔助設(shè)備等見圖1。油氣田集輸站場工控系統(tǒng)作為數(shù)字化氣田的自動化生產(chǎn)基礎(chǔ)系統(tǒng)，確保了工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施自動化運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)與操作高質(zhì)量管控[2]，有效支撐了公司“單井無人值守、大中型站場少人值守、氣田分區(qū)聯(lián)鎖控制和遠(yuǎn)程支持協(xié)作”的生產(chǎn)管控新模式。

圖1 典型油氣田集輸站場工控系統(tǒng)架構(gòu)

通過現(xiàn)場調(diào)研、座談交流與查閱資料，深入掌握各單位在集輸站場工控系統(tǒng)方面開展的工作，整理形成制約氣田集輸站場工控系統(tǒng)安全可控穩(wěn)定運(yùn)行的問題清單，系統(tǒng)了解了公司各生產(chǎn)單位的典型經(jīng)驗(yàn)做法，尤其在技術(shù)攻關(guān)、機(jī)制體制創(chuàng)新、精細(xì)生產(chǎn)管理方面獲取了很多啟發(fā)，為進(jìn)一步提升安全高效、自主可控生產(chǎn)保障能力，夯實(shí)公司數(shù)字化、智能化油氣田建設(shè)基礎(chǔ)提供了借鑒與啟示。

2.2 風(fēng)險影響因素

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施可靠性和功能性

（1）老區(qū)油氣田集輸站場工控系統(tǒng)設(shè)備在役使用時間過長

老區(qū)油氣田集輸站場工控系統(tǒng)投產(chǎn)建設(shè)時間普遍較早，隨著使用年限的增加，部分服役10余年的工作站、服務(wù)器、自動化控制器（RTU/PLC/DCS）等，已到系統(tǒng)設(shè)備故障頻發(fā)期，系統(tǒng)出現(xiàn)設(shè)備老化嚴(yán)重、運(yùn)行不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠性降低等問題，容易造成數(shù)據(jù)采集傳輸中斷、遠(yuǎn)程控制執(zhí)行異常，影響無人值守站場自動化生產(chǎn)的可靠性，導(dǎo)致天然氣站場安全生產(chǎn)運(yùn)行的風(fēng)險增加。

（2）早期建設(shè)工控上位機(jī)SCADA系統(tǒng)軟件運(yùn)行管理和操作困難

生產(chǎn)單位在油氣田地面工程數(shù)字化建設(shè)推進(jìn)下，各級工控系統(tǒng)（區(qū)域調(diào)度中心DCC、作業(yè)區(qū)RCC、中心站SCS）于2010年后陸續(xù)建成投運(yùn)，工作站、服務(wù)器與SCADA系統(tǒng)軟件等24小時全天不間斷運(yùn)行，日常運(yùn)行時可能會出現(xiàn)死機(jī)、運(yùn)行緩慢、軟件崩潰等問題[3]；部分工控系統(tǒng)因數(shù)字化建設(shè)較早的客觀原因，操作系統(tǒng)使用美國微軟公司W(wǎng)indows 7、Windows XP，操作系統(tǒng)版本老舊，微軟公司已不提供操作系統(tǒng)的更新與安全服務(wù)，給SCADA系統(tǒng)軟件運(yùn)行管理和員工操作帶來一定的困難。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備

（1）國外工控系統(tǒng)備件更換、擴(kuò)容調(diào)試與技術(shù)服務(wù)困難

隨著國產(chǎn)化推進(jìn)以及中美貿(mào)易戰(zhàn)的影響，油氣田集輸站場的國外工控系統(tǒng)普遍受制于人，國內(nèi)市場缺少充足的備品備件，進(jìn)口控制器卡件需要從國外派單定制化采購，供貨時間普遍長達(dá)3～6月，甚至延期為更長時間，價格經(jīng)常浮動并伴隨上漲。國外SCADA系統(tǒng)軟件的擴(kuò)容調(diào)試，容易存在授權(quán)點(diǎn)數(shù)少、收費(fèi)成本高等問題，不利于SCADA系統(tǒng)軟件的后期擴(kuò)容建設(shè)。國外工控系統(tǒng)培訓(xùn)渠道單一、學(xué)習(xí)資料難以獲取，公司內(nèi)部具備自主維護(hù)能力的人員較少，有可能出現(xiàn)系統(tǒng)故障處置慢或者運(yùn)維成本高的情況。

（2）優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)化工控系統(tǒng)廠家公司及設(shè)備類別較少

石油天然氣行業(yè)的工業(yè)控制領(lǐng)域存在大量成熟的國外供應(yīng)商和服務(wù)商，然而從設(shè)備性能、市場份額、綜合實(shí)力、應(yīng)用案例等多方面對比，國內(nèi)只有浙江中控、和利時、安控及北京力控等少量優(yōu)質(zhì)廠家公司。優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)化工控系統(tǒng)廠家公司較少，容易造成一定的管理難題：一是企業(yè)在選擇時可選項(xiàng)少，存在“不得不選”情況，控制系統(tǒng)廠家存在漲價情況，增加企業(yè)資金壓力，目前已經(jīng)出現(xiàn)了國內(nèi)同級別設(shè)備價格與國外持平甚至高于國外的情況；二是國內(nèi)控制系統(tǒng)對比國外在功能和用戶體驗(yàn)方面還存在一些不足，在缺少國外市場競爭的情況下，國產(chǎn)工控設(shè)備的功能性能等方面可能存在落后國際先進(jìn)水平的情況[4]。

（3）偽國產(chǎn)化、半國產(chǎn)化工控系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用率高

隨著國家戰(zhàn)略層面國產(chǎn)化工作推進(jìn)，國產(chǎn)品牌被推上了越來越高的位置，使用偽國產(chǎn)化、半國產(chǎn)化工控系統(tǒng)設(shè)備并不是推進(jìn)國產(chǎn)化的有效途徑。部分廠家公司采用國外進(jìn)口產(chǎn)品，通過“貼牌”或組裝等簡單的方式加工后，“偽裝”為國產(chǎn)品牌產(chǎn)品出售。受限于國內(nèi)研發(fā)技術(shù)，半國產(chǎn)化產(chǎn)品的核心部分仍采用國外設(shè)備和電子元件，如國產(chǎn)操作站、服務(wù)器的處理器普遍為x86架構(gòu)的國外芯片（美國專利），本質(zhì)上仍受到較大的國外政策和商業(yè)發(fā)展因素限制。工控系統(tǒng)使用偽國產(chǎn)化、半國產(chǎn)化設(shè)備進(jìn)行國產(chǎn)化替代，既產(chǎn)生了巨大的更新改造工作量與費(fèi)用投資，又沒有實(shí)質(zhì)上解決關(guān)鍵技術(shù)被國外產(chǎn)品“卡脖子”的本質(zhì)安全問題。

3 國產(chǎn)化替代應(yīng)用研究

3.1 管控方法與實(shí)施路徑

為持續(xù)提升油氣田集輸站場工控系統(tǒng)的運(yùn)行效果，減少基礎(chǔ)設(shè)施的低可靠性和功能性對工控系統(tǒng)的影響，一是強(qiáng)化氣田集輸站場工控系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化設(shè)計(jì)，以“管用、夠用、實(shí)用”為原則、生產(chǎn)工藝需求為導(dǎo)向進(jìn)行簡化優(yōu)化，滿足不同類型、不同規(guī)模天然氣站場建設(shè)運(yùn)行的需要。二是持續(xù)推進(jìn)氣田集輸站場工控系統(tǒng)的改擴(kuò)建與更新改造，利用專項(xiàng)資金、成本、老油改、大修和安全隱患治理等方式拓寬費(fèi)用渠道，對集輸站場工控系統(tǒng)的更新改造工作予以支持。

為進(jìn)一步響應(yīng)國家和集團(tuán)公司關(guān)于國家信創(chuàng)戰(zhàn)略的要求，避免工控系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施在關(guān)鍵技術(shù)方面被“卡脖子”影響安全生產(chǎn)和數(shù)據(jù)管控等，一是進(jìn)一步提升新、改、擴(kuò)建集輸站場工控系統(tǒng)硬件配置的標(biāo)準(zhǔn)化，建議具備條件的非高含硫站場工控系統(tǒng)原則上采用國產(chǎn)品牌，宜逐步國產(chǎn)化替代[4]。二是建立氣田集輸站場工控系統(tǒng)國產(chǎn)化資源推薦名單，并根據(jù)行業(yè)市場和生產(chǎn)管理的實(shí)際情況定期更新名單，各生產(chǎn)單位根據(jù)建設(shè)和改造需求優(yōu)先從資源名單內(nèi)擇優(yōu)選擇，原則上宜優(yōu)選3至5個國產(chǎn)化品牌，設(shè)備型號宜統(tǒng)一集約化。三是加快氣田集輸工控系統(tǒng)國產(chǎn)化替代關(guān)鍵技術(shù)與適應(yīng)性應(yīng)用等方面的研究攻關(guān)，打造工控系統(tǒng)國產(chǎn)化替代的一體化解決方案，充分進(jìn)行設(shè)備產(chǎn)品功能、性能、安全等指標(biāo)的現(xiàn)場測試驗(yàn)證，試點(diǎn)示范確保成熟可靠后，開展各生產(chǎn)單位集輸站場的推廣應(yīng)用，進(jìn)一步保障工控系統(tǒng)本質(zhì)上的自主可控、安全穩(wěn)定運(yùn)行。四是充分利用公司內(nèi)部儀表及工控系統(tǒng)人才隊(duì)伍和社會資源，以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，組織實(shí)施工控系統(tǒng)設(shè)備的功能、安全等指標(biāo)研究和測試，抓牢工控設(shè)備質(zhì)量控制，并定制化研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用型的工控系統(tǒng)產(chǎn)品，推進(jìn)科研創(chuàng)新產(chǎn)品的落地和應(yīng)用，全面提升油氣田集輸站場工控系統(tǒng)國產(chǎn)化水平和行業(yè)話語權(quán)。

3.2 工控系統(tǒng)上位機(jī)國產(chǎn)化替代

3.2.1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)評價

氣田集輸站場工控系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)設(shè)備，基于“先易后難、風(fēng)險可控、分步實(shí)施、試點(diǎn)推廣”的工作原則，研究重點(diǎn)初步放在上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)備，主要包括：工作站、服務(wù)器、操作系統(tǒng)軟件、SCADA系統(tǒng)軟件。通過行業(yè)市場和工控領(lǐng)域的廣泛調(diào)研分析，純國產(chǎn)化工作站與服務(wù)器的關(guān)鍵核心是處理器芯片，通用架構(gòu)主要為ARM（進(jìn)階精簡指令集機(jī)器）架構(gòu)和MIPS（一種精簡指令集）的處理器架構(gòu)，芯片廠家主要為鯤鵬、飛騰、龍芯、麒麟等，主流工作站、服務(wù)器廠家以華為、浪潮、長城、龍芯等老牌整機(jī)供應(yīng)商與浙江中控、和利時等傳統(tǒng)工控供應(yīng)商為首；操作系統(tǒng)軟件方面，國內(nèi)市場基本均為麒麟、統(tǒng)信操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)本質(zhì)的代碼編譯和生態(tài)應(yīng)用更加安全適用，近年麒麟操作系統(tǒng)軟件在占有率和應(yīng)用率方面尤其突出；SCADA系統(tǒng)軟件方面，重點(diǎn)由傳統(tǒng)工控廠家公司積極主動適配信創(chuàng)生態(tài)，浙江中控、和利時、北京力控、安控科技等公司先后在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用環(huán)境，完成與信創(chuàng)工作站、服務(wù)器與操作系統(tǒng)軟件的一體化適配與認(rèn)證。整個工控系統(tǒng)上位機(jī)領(lǐng)域的信創(chuàng)生態(tài)環(huán)境比較完善，處于蓬勃發(fā)展階段，積極尋求國產(chǎn)化替代在石油天然氣與化工等能源行業(yè)落地應(yīng)用和迭代完善。

針對工控系統(tǒng)上位機(jī)國產(chǎn)化的發(fā)展趨勢與技術(shù)要求，進(jìn)行基礎(chǔ)信息收集整理，并從可靠性、功能性、操作性、適用性、經(jīng)濟(jì)性等五個關(guān)鍵重要的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評價[5]，明顯看出信創(chuàng)國產(chǎn)化的工作站、服務(wù)器等硬件、操作系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)等軟件，在功能應(yīng)用方面與已建投用的上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)備基本相同，完全能夠滿足油氣田集輸有人值守站的數(shù)據(jù)監(jiān)視采集與遠(yuǎn)程控制的要求。另外，在技術(shù)支持、加密授權(quán)、擴(kuò)容調(diào)試、備件供應(yīng)等方面，明顯比國外系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)備更加安全可靠、可持續(xù)性更有優(yōu)勢，生態(tài)發(fā)展更符合國家和企業(yè)公司的長期要求。

3.2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)測試

通過前期充分的調(diào)研和籌備工作，本次現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)選擇為某氣田集輸站場的有人值守中心站，集單井、集氣、外銷為一體的中心站場，日處理量30萬m3/d。站內(nèi)包含單井井口裝置和集配氣裝置區(qū)，下屬管轄多個井站、閥室、外銷用戶，負(fù)責(zé)集輸氣管線、氣舉管線、氣田水輸送管線及管理工作。為了安全可控地開展試驗(yàn)測試工作，本次使用了新建的信創(chuàng)國產(chǎn)化上位機(jī)系統(tǒng)與原有已建的上位機(jī)系統(tǒng)并行的運(yùn)行方式，充分做到新系統(tǒng)試運(yùn)行測試不影響正常生產(chǎn)開發(fā)任務(wù)，首次在該氣田集輸站場日常的生產(chǎn)環(huán)境下，適配驗(yàn)證了“ARM芯片+麒麟操作系統(tǒng)軟件+SCADA系統(tǒng)軟件”一體化工控系統(tǒng)上位機(jī)解決方案的可行性，并現(xiàn)場測試了功能性、操作性、適用性，均能滿足有人值守下對本站與下屬井站的數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程控制等關(guān)鍵功能，外接打印機(jī)、掃描儀、音箱等配套設(shè)備全部正常。后面，將持續(xù)跟蹤測試信創(chuàng)國產(chǎn)化工控系統(tǒng)上位機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，出具完整全面的試驗(yàn)測試和應(yīng)用報告等，形成可靠成熟的工控系統(tǒng)上位機(jī)國產(chǎn)化替代的方案。

4 結(jié)束語

隨著油氣田開發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與工控系統(tǒng)深化應(yīng)用，推進(jìn)工控系統(tǒng)上位機(jī)及下位機(jī)國產(chǎn)化替代與信創(chuàng)發(fā)展的應(yīng)用研究與實(shí)踐，對于地面集輸站場工控系統(tǒng)的精益管理與安全可控運(yùn)行，具有可觀的創(chuàng)新應(yīng)用意義與長遠(yuǎn)的發(fā)展價值，應(yīng)有計(jì)劃有重點(diǎn)地加速推進(jìn)工作落地。在公司的政策支持和專業(yè)指導(dǎo)下，通過系統(tǒng)化的課題研究與應(yīng)用實(shí)踐，形成的油氣田集輸站場工控系統(tǒng)國產(chǎn)化替代方案、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)等成果，為工控上位機(jī)硬件、軟件多層級的國產(chǎn)化替代提供規(guī)范化的實(shí)施要求，指導(dǎo)站場工控系統(tǒng)上位機(jī)分級分類有計(jì)劃地開展國產(chǎn)化替代工作，工控系統(tǒng)國產(chǎn)化替代實(shí)現(xiàn)從技術(shù)適用向技術(shù)優(yōu)用跨越，數(shù)字化油氣田集輸站場工控系統(tǒng)自主可控、本質(zhì)安全的環(huán)境更加成熟完善，有力支撐油氣田公司效益上產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行。