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长输油气管道SCADA系统工程数据管理技术软件PCSMigrator设计
  • 企业:     领域:DCS/FCS/SCADA     行业:石油天然气    
  • 点击数:1784     发布时间:2023-12-30 19:09:31
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本研究主要设计了一款内嵌于PCS的PCSMigrator软件,可以将SCADA系统中的工程画面、工程数据按对应的数据标准自动转化为标准格式,然后迁移至PCS系统中,实现了从SCADA系统工程到PCS系统工程的自动化转换和迁移,并在北京天然气管道调度指挥中心工程中取得了成功应用。

文献标识码:B文章编号:1003-0492(2023)12-070-06中图分类号:TP29

★辛若家(昆仑数智科技有限责任公司,北京102299)

★张叶甫(国家管网集团西南管道有限责任公司,成都610000)

★张丽,王超洋,朱明皞(昆仑数智科技有限责任公司,北京102299)

关键词:SCADA系统;PCSMigrator软件;工程画面;工程数据

1 引言

2013年底,国家管网油气调控中心完成了1.0版油气管道SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition,数据采集与监视控制)系统PCS(Pipeline Control System,管道控制系统)的研发,打破了我国在油气行业SCADA系统软件完全依靠国外公司的状况[1]。目前PCS软件已能够完全满足油气管道调控的需要,正式进入工程应用阶段。

国家发布的《中长期油气管网规划》明确到2025年全国油气管网规模将达到24万公里,中俄东线、西四线等一批重点工程规划实施,各省市区天然气及成品油主干管网全部联通,管道建设即将迎来新的一轮高峰期。此外,随着时间的推移,现役管道也都面临管道SCADA系统的全面升级改造,并将逐步实现对在役的ViewStar、OASys等国外SCADA系统工程的国产化替代。

由于SCADA软件数据结构存在差异,其数据存储都是自有格式,且封闭不提供接口,因此对现有工程的替代完全依赖人工,无法直接使用现有SCADA系统工程成果,工程建设人员投入成本高。

本文介绍了在役国外油气管道SCADA系统ViewStar和OASyS工程自动迁移至PCS系统的融合技术及其软件实现(PCSMigrator软件),实现了异构油气管道SCADA系统中的图形及数据的转换、迁移,包括ViewStar工程转换模块、OASys工程转换模块和PCS工程校验模块,充分利用现有SCADA工程成果降低了工程建设成本。

2 功能设计与转换

2.1 软件设计原则

长输油气管道SCADA系统(PCS)工程数据管理技术—PCSMigrator软件(将国外SCADA系统工程转换迁移到国产PCS系统的工具软件)必须要运行安全稳定并实现标准化。PCSMigrator被定义为一种工具类的软件,其必须能集成到现有的PCS软件中,必须在标准化、技术先进、安全稳定等方面在国内处于领先地位。PCSMigrator工程数据管理软件的研发设计需建立能充分满足业务需求的运行环境,能提供优良的业务功能拓展性和强大的容错减灾的动态扩容能力,能支持系统一体化运行、维护和管理,并能实现系统的安全稳定运行。

故PCSMigrator软件的设计需满足标准化、一体化、可拓展性、复用性、先进性、可靠性、实用性、易用性、安全性、信息共享性、高内聚低耦合等原则[2]

2.2 软件设计背景和思路

为了PCSMigrator软件能够顺利完成以上目标,在设计PCSMigrator软件时将有以下思路:

(1)将ViewStar(Cegelec开发的监控和数据采集系统)软件中的工程画面、工程数据和工程配置,按对应的数据标准自动转化为标准格式,且用户可以查看转换处理结果及转换有效率的评估和统计功能;

(2)将OASyS(Open Architecture System,Telvent公司开发的监控和数据采集系统)软件中的工程数据和工程配置按对应的数据自动转换为标准格式,且用户可以查看转换处理结果及转换有效率的评估和统计功能;

(3)将从ViewStar、OASyS软件中导出的标准数据格式文件导入至国产PCS系统中;

(4)转换效率评估:对转换结果进行评估,生成转换评估信息,包括转换成功与否、工程图形、工程数据的转换有效率等,若转换过程中出现故障,应指出故障的具体原因、故障位置和处理建议等信息;

(5)实现PCS工程校验导入数据,确保迁移准确。

2.3 工程转换

2.3.1ViewStar工程转换

完成ViewStar工程数据到PCS数据的转换,需加载PCS工程组态标准配置信息和PCS工程校验信息。

2.3.1.1画面转换

画面导出:将ViewStar系统中的工程画面按照工程画面对象导出成SCADA工程画图标准中定义的SVG(Scalable Vector Graphics,可缩放的矢量图形)格式存储,主要有基本图素导出、空间图素导出和图层导出。

画面导入:将SCADA标准化的SVG图形文件转换成PCS图形文件,在转换为PCS图形文件的过程中,解析SVG图形中标注的控件图素,将控件图素存储到PCS系统中对应的画素(picture element,针对不同设备或用途而预先定义好的图形)的油气管道工控设备数据表,并生成该设备的SCADA开关量、模拟量。

表1 功能划分表

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图1 ViewStar画面转换功能模块示意图

表2 ViewStar换面转换用例说明

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2.3.1.2点表转换

将ViewStar工程中导出的点表数据文件进行解析,生成一个或多个Excel表格数据,完成ViewStar工程模型与PCS工程模型匹配,配置完成后将信息保存在配置文件中;将点表数据文件与PCS相关数据进行转换。该点表转换模块将实现以下3大功能:

(1)选取ViewStar点表数据并进行解析。将ViewStar工程中导入的点表数据文件解析后,生成一个或多个Excel表格数据,每个Excel表格中存储某个模型表格的所有数据或者存储数据采集对应表格数据。

(2)ViewStar点表数据与PCS系统点表数据对照关系加载。完成ViewStar工程模型与PCS工程模型匹配后,会将该模型下所有开关量的关键字列出在“开关量关系配置”文字下方的列表框中的第一列,第二列是空白表格,需要操作员自行配置PCS工程预置对应的关键字,同时会将该模型下所有模拟量关键字列出在“模拟量关系配置”文字下方的列表框中的第一列,后续操作同开关量相同,所有配置完成后将信息保存在配置文件中。

(3)将文件中的SCADA相关数据进行转换。

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图2 ViewStar点表数据转换功能模块示意图

点表导出:将ViewStar系统中的工程数据按照数据分类分别导出成SCADA工程数据标准中定义的XML格式存储,主要有通道参数数据导出、通讯站场数据导出、模拟量数据导出、开关量数据导出和计算点导出。

点表导入:将SCADA标准化的数据文件导入到PCS数据库表中,进行数据审核,对比字段名称与类型,检查数据库条件约束,生成对应的PCS采集数据表、SCADA数据表、工程配置数据表等。

表3 ViewStar点表转换用例说明

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2.3.1.3参数配置

分析ViewStar工程的阀门、压缩机等设备类型,管理和配置与PCS画素库的对应关系;分析ViewStar工程的数据采集数据表、SCADA数据表和工程配置数据表,管理和配置与PCS数据表的对应关系。

通过转换配置管理功能设定阀门、压缩机等设备类型,通过界面配置ViewStar系统与PCS系统各种数据、图素的对应关系,并保存在对应关系配置文件或数据库关系表中,为工程数据、工程画面的导入、导出功能提供数据关系的支持。该转换参数配置模块将实现以下3大功能:

(1)选取配置文件。对在转换过程中用到的一些参数信息以及配置文件进行配置,两个配置文件为colorDB文件和Objects文件。

(2)配置信息设定。Pnl文件(Telvent公司的软件ViewStar用到的工程画面的存储文件)和PCS工程中的画素对应关系的配置,关系内容显示在一个表中。

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图3 ViewStar工程数据转换参数配置功能模块示意图

表4 ViewStar转换参数配置用例说明

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2.3.2 OASyS工程转换

将OASyS工程中导出的点表数据文件进行解析,生成一个或多个Excel表格数据,完成工程模型与PCS工程模型匹配,配置完成后将信息保存在配置文件中;将点表数据文件与PCS相关数据进行转换。

2.3.2.1点表转换

点表导出:将OASyS系统中的工程数据按照数据分类分别导出成SCADA工程数据标准中定义的XML(extensiblemarkuplanguage,一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言)格式存储,主要有通道参数数据导出、通讯站场数据导出、模拟量数据导出、开关量数据导出、计算点数据导出。

点表导入:将SCADA标准化的数据文件导入到PCS数据库表中,进行数据审核,对比字段名称与类型,检查数据库条件约束,生成对应的PCS采集数据表、SCADA数据表、工程配置数据表等。该OASyS点表转换模块将分为以下3大功能:

(1)选取OASyS点表数据并进行解析。将OASyS工程中导出的点表数据文件解析生成多个Excel文件,每个Excel表格中存储某个模型表格的所有数据,或者存储数据采集对应表格数据。

(2)OASyS点表数据与PCS系统点表数据对照关系加载。完成OASyS工程模型与PCS工程模型匹配后,会将该模型下所有开关量的关键字列出在“开关量关系配置”文字下方的列表框中的第一列,第二列是空白表格,需要操作员自行配置PCS工程预置对应的关键字,同时会将该模型下所有模拟量关键字列出在“模拟量关系配置”文字下方的列表框中的第一列,后续操作同开关量相同,所有配置完成后保存信息于配置文件中。

(3)将点表数据文件与SCADA相关数据进行转换。

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图4 OASyS点表转换功能模块示意图

表5 OASyS点表转换用例说明

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2.3.2.2转换配置

分析OASyS系统的数据采集表、SCADA数据表和工程配置数据表,管理和配置与PCS数据表的对应关系。

通过转换配置管理功能,通过界面配置OASyS系统与PCS系统各种数据的对应关系,并保存在对应关系配置文件或数据库关系表中,为工程数据的导入、导出功能提供数据关系的支持。

表6 功能划分表

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图5 OASyS工程转换参数配置示意图

表7 转换参数配置用例说明

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2.3.3PCS工程组态标准配置

完成PCS工程标准画面配置信息,为ViewStar图形转换提供校验数据。在工程转换时可能存在源文件中信息转换后,部分内容不符合PCS工程组态标准。对于这些不符合的内容,通过在该页面进行配置后,在转换时修正这些信息,完成转换后的文件符合PCS工程组态标准。其主要功能包括组件选取、颜色配置和配置保存。

表8 功能划分表

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图6 PCS工程组态标准配置功能模块示意图

表9 OASyS转换参数配置用例说明

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2.3.4PCS工程校验

转换配置设定阀门、压缩机等设备类型,管理和配置与PCS画素库的对应关系。模拟运算验证导入的计算点是否可以正常、准确地计算应用,完成PCS系统计算点的校验功能,为ViewStar点表转换和OASyS点表转换提供校验数据。

配置文件校验:对在转换过程中用到的一些参数信息以及配置文件进行配置。

画素对应关系检验:pnl文件和PCS工程中的画素对应关系的校验。

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图7 PCSMigrator软件功能设计图

2.4 非功能性需求

2.4.1可靠性及安全性

PCSMigrator软件的可靠性及安全性是指软件未来将使用在北京调控中心和各级站场中,应遵循计算机信息系统安全保护等级划分准则(GB/T2239-2019)中的第三级进行软件安全设计。其可靠性、安全性应满足以下几个方面的要求:

(1)系统或系统部件在规定的限度内执行指定的功能;

(2)程序的操作严格符合程序的规程;

(3)运行速度匹配。数据输入或输出的速度符合系统的需求;

(4)输出项完整。既不缺少某些必要的输出值,也不输出系统不期望的数据或指令;

(5)系统可用性必须达到99.98%。

2.4.2出错处理

软件出错处理主要从软件运行和维护角度出发,对错误进行统一全局考虑,统一处理。其重点考虑以下几个方面:

(1)保证系统不崩溃、不死机。在设计软件功能时,需要进行详细的出错情况分析和处理,保证代码设计的容错性。

(2)当软件出错时,一方面给用户提供详细的通知信息,并提供完备的错误代码和描述以帮助开发人员对错误进行分析。同时,将错误统一归档处理。总之,软件通过多种的错误处理机制和日志跟踪,有机地实现软件的容错机制,保证软件运行可靠、稳定。

2.4.3可维护性及易用性

PCSMigrator软件的可维护性及易用性指软件功能容易被理解、易学习、易操作等。

为满足以上要求,系统所选设备应是符合现在国际标准和工业标准的通用产品,以便维护和升级。系统必须具有完整的技术资料,可对公用程序及函数提供接口调用说明,并可对用户提供全部系统编译、链接的工具,以保证在软件修改和新增模块时用户能独立生成可运行的完整系统。

系统应具有简便、易用的维护诊断工具,使系统维护人员可以迅速、准确地确定异常和故障发生的位置以及发生的原因。

PCSMigrator软件需能在不同的操作系统平台上运行,需能适应不同版本内核的UNIX或LINUX版本以及WindowsXP以上版本。

表10 PCSMigrator软件性能指标

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3 运行模式与界面

3.1 独立运行模式

独立运行模式是指不依赖于PCS系统可单独运行的模式。

PCSMigrator软件是将现有的工程文件(主要是ViewStar系统和OASyS系统)转换成PCS系统能够识别的数据资源,可以不依赖于PCS系统的运行环境,需要转换时调用即可。这一运行模式适用于场站、调控室等独立环境,其登录界面如图8所示。

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图8 单独登录模式

3.2 内嵌于PCS系统模式

内嵌于PCS系统,如图9所示,即将PCSMigrator软件内嵌于PCS系统中,无需单独登录。

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图9 PCS内嵌登录模式

说明:点击工程转换选项即可进入PCSMigrator业务系统。

3.3 菜单设计

PCSMigrator业务系统下属有4个主要的功能模块,包括ViewStar工程转换、OASyS工程转换、PCS工程组态标准配置及工程校验,如图10所示。

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图10 菜单示意

3.4  主界面

PCSMigrator主界面的设定遵循了界面友好、功能齐全、方便易用的原则。人机界面整体划分为标题栏、菜单栏、标签栏和编辑区四部分,如图11所示。

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图11 PCSMigrator转换及验证主界面示意图

4 结论

北京油气调控中心目前管控的重要管线近60条,大部分采用Telvent、Ceglec等国外公司软件,而国内自主PCS软件已进入正式推广应用阶段,现有国外软件SCADA工程将逐步进行国产化替代。本研究设计的PCSMigrator软件实现了在役国外SCADA软件ViewStar、OASyS与PCS系统工程数据的对应关联,实现了异构油气管道SCADA系统中的图形及数据的转换、迁移等互操作,包括ViewStar工程转换模块、OASyS工程转换模块和PCS工程校验模块,并替代了人工绘图、配点等工程组态工作,大大降低了在役SCADA系统工程国产化替代工程建设的工程量。

作者简介:

辛若家(1979-),男,山东青岛人,高级工程师,硕士,现就职于昆仑数智科技有限责任公司,主要研究方向为油气管道自动化及计算机技术应用。

参考文献:

[1] 赵国辉. 长输油气管道自控技术的发展与中俄东线SCADA系统[J/OL]. 油气储运, 2020.

[2] 姜连田. 长输管道SCADA国产化技术探讨[J]. 科技视界, 2020(19) : 116 - 118.

[3] 姜勇. 系统软件不国产化, 油气管道就是下一个华为[J]. 中国石油石化, 2020 (15) : 46 - 47.

[4] 郭晓瑛, 路艳斌, 郑娟. 国内外长输管道SCADA系统标准现状[J]. 油气储运, 2011, 30 (02) : 156 - 159 + 80.

[5] 王文平. SCADA系统在长输油气管道系统中的应用[J]. 电子元器件应用, 2012, 14 (Z1) : 51 - 56.

[6] 徐金伟. SCADA系统主要信息安全风险分析—关于我国SCADA系统信息安全的研究与思考之二[J]. 计算机安全, 2012 (01) : 9 - 10.

摘自《自动化博览》2023年12月刊

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