文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）12-070-06中圖分類(lèi)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(wǎng)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(guān)鍵詞：SCADA系統；PCSMigrator軟件；工程畫(huà)面；工程數據

1　引言

2013年底，國家管網(wǎng)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(fā)，打破了我國在油氣行業(yè)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(mǎn)足油氣管道調控的需要，正式進(jìn)入工程應用階段。

國家發(fā)布的《中長(cháng)期油氣管網(wǎng)規劃》明確到2025年全國油氣管網(wǎng)規模將達到24萬(wàn)公里，中俄東線(xiàn)、西四線(xiàn)等一批重點(diǎn)工程規劃實(shí)施，各省市區天然氣及成品油主干管網(wǎng)全部聯(lián)通，管道建設即將迎來(lái)新的一輪高峰期。此外，隨著(zhù)時(shí)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(shí)現對在役的ViewStar、OASys等國外SCADA系統工程的國產(chǎn)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(lài)人工，無(wú)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(dòng)遷移至PCS系統的融合技術(shù)及其軟件實(shí)現（PCSMigrator軟件），實(shí)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(cháng)輸油氣管道SCADA系統（PCS）工程數據管理技術(shù)—PCSMigrator軟件（將國外SCADA系統工程轉換遷移到國產(chǎn)PCS系統的工具軟件）必須要運行安全穩定并實(shí)現標準化。PCSMigrator被定義為一種工具類(lèi)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(shù)先進(jìn)、安全穩定等方面在國內處于領(lǐng)先地位。PCSMigrator工程數據管理軟件的研發(fā)設計需建立能充分滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求的運行環(huán)境，能提供優(yōu)良的業(yè)務(wù)功能拓展性和強大的容錯減災的動(dòng)態(tài)擴容能力，能支持系統一體化運行、維護和管理，并能實(shí)現系統的安全穩定運行。

故PCSMigrator軟件的設計需滿(mǎn)足標準化、一體化、可拓展性、復用性、先進(jìn)性、可靠性、實(shí)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(shí)將有以下思路：

（1）將ViewStar（Cegelec開(kāi)發(fā)的監控和數據采集系統）軟件中的工程畫(huà)面、工程數據和工程配置，按對應的數據標準自動(dòng)轉化為標準格式，且用戶(hù)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(kāi)發(fā)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(dòng)轉換為標準格式，且用戶(hù)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(chǎn)PCS系統中；

（4）轉換效率評估：對轉換結果進(jìn)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(guò)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(shí)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(tài)標準配置信息和PCS工程校驗信息。

2.3.1.1畫(huà)面轉換

畫(huà)面導出：將ViewStar系統中的工程畫(huà)面按照工程畫(huà)面對象導出成SCADA工程畫(huà)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(huà)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(guò)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(huà)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(kāi)關(guān)量、模擬量。

表1 功能劃分表

圖1 ViewStar畫(huà)面轉換功能模塊示意圖

表2 ViewStar換面轉換用例說(shuō)明

2.3.1.2點(diǎn)表轉換

將ViewStar工程中導出的點(diǎn)表數據文件進(jìn)行解析，生成一個(gè)或多個(gè)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(diǎn)表數據文件與PCS相關(guān)數據進(jìn)行轉換。該點(diǎn)表轉換模塊將實(shí)現以下3大功能：

（1）選取ViewStar點(diǎn)表數據并進(jìn)行解析。將ViewStar工程中導入的點(diǎn)表數據文件解析后，生成一個(gè)或多個(gè)Excel表格數據，每個(gè)Excel表格中存儲某個(gè)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(diǎn)表數據與PCS系統點(diǎn)表數據對照關(guān)系加載。完成ViewStar工程模型與PCS工程模型匹配后，會(huì )將該模型下所有開(kāi)關(guān)量的關(guān)鍵字列出在“開(kāi)關(guān)量關(guān)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(guān)鍵字，同時(shí)會(huì )將該模型下所有模擬量關(guān)鍵字列出在“模擬量關(guān)系配置”文字下方的列表框中的第一列，后續操作同開(kāi)關(guān)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(guān)數據進(jìn)行轉換。

圖2 ViewStar點(diǎn)表數據轉換功能模塊示意圖

點(diǎn)表導出：將ViewStar系統中的工程數據按照數據分類(lèi)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(chǎng)數據導出、模擬量數據導出、開(kāi)關(guān)量數據導出和計算點(diǎn)導出。

點(diǎn)表導入：將SCADA標準化的數據文件導入到PCS數據庫表中，進(jìn)行數據審核，對比字段名稱(chēng)與類(lèi)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(diǎn)表轉換用例說(shuō)明

2.3.1.3參數配置

分析ViewStar工程的閥門(mén)、壓縮機等設備類(lèi)型，管理和配置與PCS畫(huà)素庫的對應關(guān)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(guān)系。

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

（1）選取配置文件。對在轉換過(guò)程中用到的一些參數信息以及配置文件進(jìn)行配置，兩個(gè)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(huà)面的存儲文件）和PCS工程中的畫(huà)素對應關(guān)系的配置，關(guān)系內容顯示在一個(gè)表中。

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(shuō)明

2.3.2　OASyS工程轉換

將OASyS工程中導出的點(diǎn)表數據文件進(jìn)行解析，生成一個(gè)或多個(gè)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(diǎn)表數據文件與PCS相關(guān)數據進(jìn)行轉換。

2.3.2.1點(diǎn)表轉換

點(diǎn)表導出：將OASyS系統中的工程數據按照數據分類(lèi)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(yǔ)言）格式存儲，主要有通道參數數據導出、通訊站場(chǎng)數據導出、模擬量數據導出、開(kāi)關(guān)量數據導出、計算點(diǎn)數據導出。

點(diǎn)表導入：將SCADA標準化的數據文件導入到PCS數據庫表中，進(jìn)行數據審核，對比字段名稱(chēng)與類(lèi)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(diǎn)表轉換模塊將分為以下3大功能：

（1）選取OASyS點(diǎn)表數據并進(jìn)行解析。將OASyS工程中導出的點(diǎn)表數據文件解析生成多個(gè)Excel文件，每個(gè)Excel表格中存儲某個(gè)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(diǎn)表數據與PCS系統點(diǎn)表數據對照關(guān)系加載。完成OASyS工程模型與PCS工程模型匹配后，會(huì )將該模型下所有開(kāi)關(guān)量的關(guān)鍵字列出在“開(kāi)關(guān)量關(guān)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(guān)鍵字，同時(shí)會(huì )將該模型下所有模擬量關(guān)鍵字列出在“模擬量關(guān)系配置”文字下方的列表框中的第一列，后續操作同開(kāi)關(guān)量相同，所有配置完成后保存信息于配置文件中。

（3）將點(diǎn)表數據文件與SCADA相關(guān)數據進(jìn)行轉換。

圖4 OASyS點(diǎn)表轉換功能模塊示意圖

表5 OASyS點(diǎn)表轉換用例說(shuō)明

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(guān)系。

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

表6 功能劃分表

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(shuō)明

2.3.3PCS工程組態(tài)標準配置

完成PCS工程標準畫(huà)面配置信息，為ViewStar圖形轉換提供校驗數據。在工程轉換時(shí)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(tài)標準。對于這些不符合的內容，通過(guò)在該頁(yè)面進(jìn)行配置后，在轉換時(shí)修正這些信息，完成轉換后的文件符合PCS工程組態(tài)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

圖6 PCS工程組態(tài)標準配置功能模塊示意圖

表9 OASyS轉換參數配置用例說(shuō)明

2.3.4PCS工程校驗

轉換配置設定閥門(mén)、壓縮機等設備類(lèi)型，管理和配置與PCS畫(huà)素庫的對應關(guān)系。模擬運算驗證導入的計算點(diǎn)是否可以正常、準確地計算應用，完成PCS系統計算點(diǎn)的校驗功能，為ViewStar點(diǎn)表轉換和OASyS點(diǎn)表轉換提供校驗數據。

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

畫(huà)素對應關(guān)系檢驗：pnl文件和PCS工程中的畫(huà)素對應關(guān)系的校驗。

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(lái)將使用在北京調控中心和各級站場(chǎng)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(jìn)行軟件安全設計。其可靠性、安全性應滿(mǎn)足以下幾個(gè)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(fā)，對錯誤進(jìn)行統一全局考慮，統一處理。其重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

（1）保證系統不崩潰、不死機。在設計軟件功能時(shí)，需要進(jìn)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(shí)，一方面給用戶(hù)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(kāi)發(fā)人員對錯誤進(jìn)行分析。同時(shí)，將錯誤統一歸檔處理?？傊?，軟件通過(guò)多種的錯誤處理機制和日志跟蹤，有機地實(shí)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(xué)習、易操作等。

為滿(mǎn)足以上要求，系統所選設備應是符合現在國際標準和工業(yè)標準的通用產(chǎn)品，以便維護和升級。系統必須具有完整的技術(shù)資料，可對公用程序及函數提供接口調用說(shuō)明，并可對用戶(hù)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(shí)用戶(hù)能獨立生成可運行的完整系統。

系統應具有簡(jiǎn)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(fā)生的位置以及發(fā)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

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(lài)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(lài)于PCS系統的運行環(huán)境，需要轉換時(shí)調用即可。這一運行模式適用于場(chǎng)站、調控室等獨立環(huán)境，其登錄界面如圖8所示。

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(wú)需單獨登錄。

圖9 PCS內嵌登錄模式

說(shuō)明：點(diǎn)擊工程轉換選項即可進(jìn)入PCSMigrator業(yè)務(wù)系統。

3.3　菜單設計

PCSMigrator業(yè)務(wù)系統下屬有4個(gè)主要的功能模塊，包括ViewStar工程轉換、OASyS工程轉換、PCS工程組態(tài)標準配置及工程校驗，如圖10所示。

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。

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(xiàn)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(jìn)入正式推廣應用階段，現有國外軟件SCADA工程將逐步進(jìn)行國產(chǎn)化替代。本研究設計的PCSMigrator軟件實(shí)現了在役國外SCADA軟件ViewStar、OASyS與PCS系統工程數據的對應關(guān)聯(lián)，實(shí)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(diǎn)等工程組態(tài)工作，大大降低了在役SCADA系統工程國產(chǎn)化替代工程建設的工程量。

作者簡(jiǎn)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(dòng)化及計算機技術(shù)應用。

參考文獻：

[1] 趙國輝. 長(cháng)輸油氣管道自控技術(shù)的發(fā)展與中俄東線(xiàn)SCADA系統[J/OL]. 油氣儲運, 2020.

[2] 姜連田. 長(cháng)輸管道SCADA國產(chǎn)化技術(shù)探討[J]. 科技視界, 2020(19) : 116 - 118.

[3] 姜勇. 系統軟件不國產(chǎn)化, 油氣管道就是下一個(gè)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(cháng)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(cháng)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(fēng)險分析—關(guān)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(dòng)化博覽》2023年12月刊