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    20240703
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    長輸油氣管道SCADA系統工程數據管理技術軟件PCSMigrator設計
    • 企業:     領域:DCS/FCS/SCADA     行業:石油天然氣    
    • 點擊數:1869     發布時間:2023-12-30 19:09:31
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    本研究主要設計了一款內嵌于PCS的PCSMigrator軟件,可以將SCADA系統中的工程畫面、工程數據按對應的數據標準自動轉化為標準格式,然后遷移至PCS系統中,實現了從SCADA系統工程到PCS系統工程的自動化轉換和遷移,并在北京天然氣管道調度指揮中心工程中取得了成功應用。

    文獻標識碼:B文章編號:1003-0492(2023)12-070-06中圖分類號:TP29

    ★辛若家(昆侖數智科技有限責任公司,北京102299)

    ★張葉甫(國家管網集團西南管道有限責任公司,成都610000)

    ★張麗,王超洋,朱明皞(昆侖數智科技有限責任公司,北京102299)

    關鍵詞:SCADA系統;PCSMigrator軟件;工程畫面;工程數據

    1 引言

    2013年底,國家管網油氣調控中心完成了1.0版油氣管道SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition,數據采集與監視控制)系統PCS(Pipeline Control System,管道控制系統)的研發,打破了我國在油氣行業SCADA系統軟件完全依靠國外公司的狀況[1]。目前PCS軟件已能夠完全滿足油氣管道調控的需要,正式進入工程應用階段。

    國家發布的《中長期油氣管網規劃》明確到2025年全國油氣管網規模將達到24萬公里,中俄東線、西四線等一批重點工程規劃實施,各省市區天然氣及成品油主干管網全部聯通,管道建設即將迎來新的一輪高峰期。此外,隨著時間的推移,現役管道也都面臨管道SCADA系統的全面升級改造,并將逐步實現對在役的ViewStar、OASys等國外SCADA系統工程的國產化替代。

    由于SCADA軟件數據結構存在差異,其數據存儲都是自有格式,且封閉不提供接口,因此對現有工程的替代完全依賴人工,無法直接使用現有SCADA系統工程成果,工程建設人員投入成本高。

    本文介紹了在役國外油氣管道SCADA系統ViewStar和OASyS工程自動遷移至PCS系統的融合技術及其軟件實現(PCSMigrator軟件),實現了異構油氣管道SCADA系統中的圖形及數據的轉換、遷移,包括ViewStar工程轉換模塊、OASys工程轉換模塊和PCS工程校驗模塊,充分利用現有SCADA工程成果降低了工程建設成本。

    2 功能設計與轉換

    2.1 軟件設計原則

    長輸油氣管道SCADA系統(PCS)工程數據管理技術—PCSMigrator軟件(將國外SCADA系統工程轉換遷移到國產PCS系統的工具軟件)必須要運行安全穩定并實現標準化。PCSMigrator被定義為一種工具類的軟件,其必須能集成到現有的PCS軟件中,必須在標準化、技術先進、安全穩定等方面在國內處于領先地位。PCSMigrator工程數據管理軟件的研發設計需建立能充分滿足業務需求的運行環境,能提供優良的業務功能拓展性和強大的容錯減災的動態擴容能力,能支持系統一體化運行、維護和管理,并能實現系統的安全穩定運行。

    故PCSMigrator軟件的設計需滿足標準化、一體化、可拓展性、復用性、先進性、可靠性、實用性、易用性、安全性、信息共享性、高內聚低耦合等原則[2]

    2.2 軟件設計背景和思路

    為了PCSMigrator軟件能夠順利完成以上目標,在設計PCSMigrator軟件時將有以下思路:

    (1)將ViewStar(Cegelec開發的監控和數據采集系統)軟件中的工程畫面、工程數據和工程配置,按對應的數據標準自動轉化為標準格式,且用戶可以查看轉換處理結果及轉換有效率的評估和統計功能;

    (2)將OASyS(Open Architecture System,Telvent公司開發的監控和數據采集系統)軟件中的工程數據和工程配置按對應的數據自動轉換為標準格式,且用戶可以查看轉換處理結果及轉換有效率的評估和統計功能;

    (3)將從ViewStar、OASyS軟件中導出的標準數據格式文件導入至國產PCS系統中;

    (4)轉換效率評估:對轉換結果進行評估,生成轉換評估信息,包括轉換成功與否、工程圖形、工程數據的轉換有效率等,若轉換過程中出現故障,應指出故障的具體原因、故障位置和處理建議等信息;

    (5)實現PCS工程校驗導入數據,確保遷移準確。

    2.3 工程轉換

    2.3.1ViewStar工程轉換

    完成ViewStar工程數據到PCS數據的轉換,需加載PCS工程組態標準配置信息和PCS工程校驗信息。

    2.3.1.1畫面轉換

    畫面導出:將ViewStar系統中的工程畫面按照工程畫面對象導出成SCADA工程畫圖標準中定義的SVG(Scalable Vector Graphics,可縮放的矢量圖形)格式存儲,主要有基本圖素導出、空間圖素導出和圖層導出。

    畫面導入:將SCADA標準化的SVG圖形文件轉換成PCS圖形文件,在轉換為PCS圖形文件的過程中,解析SVG圖形中標注的控件圖素,將控件圖素存儲到PCS系統中對應的畫素(picture element,針對不同設備或用途而預先定義好的圖形)的油氣管道工控設備數據表,并生成該設備的SCADA開關量、模擬量。

    表1 功能劃分表

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    圖1 ViewStar畫面轉換功能模塊示意圖

    表2 ViewStar換面轉換用例說明

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    2.3.1.2點表轉換

    將ViewStar工程中導出的點表數據文件進行解析,生成一個或多個Excel表格數據,完成ViewStar工程模型與PCS工程模型匹配,配置完成后將信息保存在配置文件中;將點表數據文件與PCS相關數據進行轉換。該點表轉換模塊將實現以下3大功能:

    (1)選取ViewStar點表數據并進行解析。將ViewStar工程中導入的點表數據文件解析后,生成一個或多個Excel表格數據,每個Excel表格中存儲某個模型表格的所有數據或者存儲數據采集對應表格數據。

    (2)ViewStar點表數據與PCS系統點表數據對照關系加載。完成ViewStar工程模型與PCS工程模型匹配后,會將該模型下所有開關量的關鍵字列出在“開關量關系配置”文字下方的列表框中的第一列,第二列是空白表格,需要操作員自行配置PCS工程預置對應的關鍵字,同時會將該模型下所有模擬量關鍵字列出在“模擬量關系配置”文字下方的列表框中的第一列,后續操作同開關量相同,所有配置完成后將信息保存在配置文件中。

    (3)將文件中的SCADA相關數據進行轉換。

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    圖2 ViewStar點表數據轉換功能模塊示意圖

    點表導出:將ViewStar系統中的工程數據按照數據分類分別導出成SCADA工程數據標準中定義的XML格式存儲,主要有通道參數數據導出、通訊站場數據導出、模擬量數據導出、開關量數據導出和計算點導出。

    點表導入:將SCADA標準化的數據文件導入到PCS數據庫表中,進行數據審核,對比字段名稱與類型,檢查數據庫條件約束,生成對應的PCS采集數據表、SCADA數據表、工程配置數據表等。

    表3 ViewStar點表轉換用例說明

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    2.3.1.3參數配置

    分析ViewStar工程的閥門、壓縮機等設備類型,管理和配置與PCS畫素庫的對應關系;分析ViewStar工程的數據采集數據表、SCADA數據表和工程配置數據表,管理和配置與PCS數據表的對應關系。

    通過轉換配置管理功能設定閥門、壓縮機等設備類型,通過界面配置ViewStar系統與PCS系統各種數據、圖素的對應關系,并保存在對應關系配置文件或數據庫關系表中,為工程數據、工程畫面的導入、導出功能提供數據關系的支持。該轉換參數配置模塊將實現以下3大功能:

    (1)選取配置文件。對在轉換過程中用到的一些參數信息以及配置文件進行配置,兩個配置文件為colorDB文件和Objects文件。

    (2)配置信息設定。Pnl文件(Telvent公司的軟件ViewStar用到的工程畫面的存儲文件)和PCS工程中的畫素對應關系的配置,關系內容顯示在一個表中。

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    圖3 ViewStar工程數據轉換參數配置功能模塊示意圖

    表4 ViewStar轉換參數配置用例說明

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    2.3.2 OASyS工程轉換

    將OASyS工程中導出的點表數據文件進行解析,生成一個或多個Excel表格數據,完成工程模型與PCS工程模型匹配,配置完成后將信息保存在配置文件中;將點表數據文件與PCS相關數據進行轉換。

    2.3.2.1點表轉換

    點表導出:將OASyS系統中的工程數據按照數據分類分別導出成SCADA工程數據標準中定義的XML(extensiblemarkuplanguage,一種用于標記電子文件使其具有結構性的標記語言)格式存儲,主要有通道參數數據導出、通訊站場數據導出、模擬量數據導出、開關量數據導出、計算點數據導出。

    點表導入:將SCADA標準化的數據文件導入到PCS數據庫表中,進行數據審核,對比字段名稱與類型,檢查數據庫條件約束,生成對應的PCS采集數據表、SCADA數據表、工程配置數據表等。該OASyS點表轉換模塊將分為以下3大功能:

    (1)選取OASyS點表數據并進行解析。將OASyS工程中導出的點表數據文件解析生成多個Excel文件,每個Excel表格中存儲某個模型表格的所有數據,或者存儲數據采集對應表格數據。

    (2)OASyS點表數據與PCS系統點表數據對照關系加載。完成OASyS工程模型與PCS工程模型匹配后,會將該模型下所有開關量的關鍵字列出在“開關量關系配置”文字下方的列表框中的第一列,第二列是空白表格,需要操作員自行配置PCS工程預置對應的關鍵字,同時會將該模型下所有模擬量關鍵字列出在“模擬量關系配置”文字下方的列表框中的第一列,后續操作同開關量相同,所有配置完成后保存信息于配置文件中。

    (3)將點表數據文件與SCADA相關數據進行轉換。

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    圖4 OASyS點表轉換功能模塊示意圖

    表5 OASyS點表轉換用例說明

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    2.3.2.2轉換配置

    分析OASyS系統的數據采集表、SCADA數據表和工程配置數據表,管理和配置與PCS數據表的對應關系。

    通過轉換配置管理功能,通過界面配置OASyS系統與PCS系統各種數據的對應關系,并保存在對應關系配置文件或數據庫關系表中,為工程數據的導入、導出功能提供數據關系的支持。

    表6 功能劃分表

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    圖5 OASyS工程轉換參數配置示意圖

    表7 轉換參數配置用例說明

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    2.3.3PCS工程組態標準配置

    完成PCS工程標準畫面配置信息,為ViewStar圖形轉換提供校驗數據。在工程轉換時可能存在源文件中信息轉換后,部分內容不符合PCS工程組態標準。對于這些不符合的內容,通過在該頁面進行配置后,在轉換時修正這些信息,完成轉換后的文件符合PCS工程組態標準。其主要功能包括組件選取、顏色配置和配置保存。

    表8 功能劃分表

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    圖6 PCS工程組態標準配置功能模塊示意圖

    表9 OASyS轉換參數配置用例說明

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    2.3.4PCS工程校驗

    轉換配置設定閥門、壓縮機等設備類型,管理和配置與PCS畫素庫的對應關系。模擬運算驗證導入的計算點是否可以正常、準確地計算應用,完成PCS系統計算點的校驗功能,為ViewStar點表轉換和OASyS點表轉換提供校驗數據。

    配置文件校驗:對在轉換過程中用到的一些參數信息以及配置文件進行配置。

    畫素對應關系檢驗:pnl文件和PCS工程中的畫素對應關系的校驗。

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    圖7 PCSMigrator軟件功能設計圖

    2.4 非功能性需求

    2.4.1可靠性及安全性

    PCSMigrator軟件的可靠性及安全性是指軟件未來將使用在北京調控中心和各級站場中,應遵循計算機信息系統安全保護等級劃分準則(GB/T2239-2019)中的第三級進行軟件安全設計。其可靠性、安全性應滿足以下幾個方面的要求:

    (1)系統或系統部件在規定的限度內執行指定的功能;

    (2)程序的操作嚴格符合程序的規程;

    (3)運行速度匹配。數據輸入或輸出的速度符合系統的需求;

    (4)輸出項完整。既不缺少某些必要的輸出值,也不輸出系統不期望的數據或指令;

    (5)系統可用性必須達到99.98%。

    2.4.2出錯處理

    軟件出錯處理主要從軟件運行和維護角度出發,對錯誤進行統一全局考慮,統一處理。其重點考慮以下幾個方面:

    (1)保證系統不崩潰、不死機。在設計軟件功能時,需要進行詳細的出錯情況分析和處理,保證代碼設計的容錯性。

    (2)當軟件出錯時,一方面給用戶提供詳細的通知信息,并提供完備的錯誤代碼和描述以幫助開發人員對錯誤進行分析。同時,將錯誤統一歸檔處理。總之,軟件通過多種的錯誤處理機制和日志跟蹤,有機地實現軟件的容錯機制,保證軟件運行可靠、穩定。

    2.4.3可維護性及易用性

    PCSMigrator軟件的可維護性及易用性指軟件功能容易被理解、易學習、易操作等。

    為滿足以上要求,系統所選設備應是符合現在國際標準和工業標準的通用產品,以便維護和升級。系統必須具有完整的技術資料,可對公用程序及函數提供接口調用說明,并可對用戶提供全部系統編譯、鏈接的工具,以保證在軟件修改和新增模塊時用戶能獨立生成可運行的完整系統。

    系統應具有簡便、易用的維護診斷工具,使系統維護人員可以迅速、準確地確定異常和故障發生的位置以及發生的原因。

    PCSMigrator軟件需能在不同的操作系統平臺上運行,需能適應不同版本內核的UNIX或LINUX版本以及WindowsXP以上版本。

    表10 PCSMigrator軟件性能指標

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    3 運行模式與界面

    3.1 獨立運行模式

    獨立運行模式是指不依賴于PCS系統可單獨運行的模式。

    PCSMigrator軟件是將現有的工程文件(主要是ViewStar系統和OASyS系統)轉換成PCS系統能夠識別的數據資源,可以不依賴于PCS系統的運行環境,需要轉換時調用即可。這一運行模式適用于場站、調控室等獨立環境,其登錄界面如圖8所示。

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    圖8 單獨登錄模式

    3.2 內嵌于PCS系統模式

    內嵌于PCS系統,如圖9所示,即將PCSMigrator軟件內嵌于PCS系統中,無需單獨登錄。

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    圖9 PCS內嵌登錄模式

    說明:點擊工程轉換選項即可進入PCSMigrator業務系統。

    3.3 菜單設計

    PCSMigrator業務系統下屬有4個主要的功能模塊,包括ViewStar工程轉換、OASyS工程轉換、PCS工程組態標準配置及工程校驗,如圖10所示。

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    圖10 菜單示意

    3.4  主界面

    PCSMigrator主界面的設定遵循了界面友好、功能齊全、方便易用的原則。人機界面整體劃分為標題欄、菜單欄、標簽欄和編輯區四部分,如圖11所示。

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    圖11 PCSMigrator轉換及驗證主界面示意圖

    4 結論

    北京油氣調控中心目前管控的重要管線近60條,大部分采用Telvent、Ceglec等國外公司軟件,而國內自主PCS軟件已進入正式推廣應用階段,現有國外軟件SCADA工程將逐步進行國產化替代。本研究設計的PCSMigrator軟件實現了在役國外SCADA軟件ViewStar、OASyS與PCS系統工程數據的對應關聯,實現了異構油氣管道SCADA系統中的圖形及數據的轉換、遷移等互操作,包括ViewStar工程轉換模塊、OASyS工程轉換模塊和PCS工程校驗模塊,并替代了人工繪圖、配點等工程組態工作,大大降低了在役SCADA系統工程國產化替代工程建設的工程量。

    作者簡介:

    辛若家(1979-),男,山東青島人,高級工程師,碩士,現就職于昆侖數智科技有限責任公司,主要研究方向為油氣管道自動化及計算機技術應用。

    參考文獻:

    [1] 趙國輝. 長輸油氣管道自控技術的發展與中俄東線SCADA系統[J/OL]. 油氣儲運, 2020.

    [2] 姜連田. 長輸管道SCADA國產化技術探討[J]. 科技視界, 2020(19) : 116 - 118.

    [3] 姜勇. 系統軟件不國產化, 油氣管道就是下一個華為[J]. 中國石油石化, 2020 (15) : 46 - 47.

    [4] 郭曉瑛, 路艷斌, 鄭娟. 國內外長輸管道SCADA系統標準現狀[J]. 油氣儲運, 2011, 30 (02) : 156 - 159 + 80.

    [5] 王文平. SCADA系統在長輸油氣管道系統中的應用[J]. 電子元器件應用, 2012, 14 (Z1) : 51 - 56.

    [6] 徐金偉. SCADA系統主要信息安全風險分析—關于我國SCADA系統信息安全的研究與思考之二[J]. 計算機安全, 2012 (01) : 9 - 10.

    摘自《自動化博覽》2023年12月刊

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