基于設備的“圖模庫一體化”油氣管道模型

祁國成 黃 河 閆 峰 孫 頔 蔣國棟

1.中國石油北京油氣調控中心 2.北京科東電力控制系統有限責任公司

隨著近年來中國長輸油氣管網的快速發展，管道的安全平穩運行對油氣管道數據采集與監控（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統的處理能力提出了更高的要求，不但要實時了解和掌握管道系統的運行情況，還要快速分析處理管道系統的各種事故工況，從而優化油氣長輸管道的運行方案［1－11］。

在生產過程中，油氣管道SCADA系統需要傳輸大量數據［12］。在以往的SCADA系統中，這些數據和設備信息在數據層是分開進行管理的，在應用層才產生關聯。針對應用層中所有的應用（比如管道的工藝流程），均需要編制業務（控制）邏輯。由于很多工藝流程是相似的，區別僅僅在于測量點不同，所以開發過程中存在大量重復的組態測試工作。

借鑒電力行業的一些成熟經驗［13－18］，最新的國產油氣管道SCADA系統軟件PCS（Pipeline Control System）根據業務需求抽象定義出油氣管道模型，將應用層的業務邏輯（如工藝流程控制邏輯）與數據剝離、用模型進行統一描述，采用“圖模庫一體化”技術建模，在數據層實現圖形、設備和數據之間的關聯，在應用層自動生成實際的業務邏輯。

在SCADA應用設計過程中比較常見的建模方法是面向對象的方法［19］。根據不同的業務需求，可以采用以設備為對象、以場站和連接管道為對象、以輸送線的干路支路為對象等不同的建模方式。目前，油氣管道行業內尚沒有形成統一的模型。為此，急需建立一套較完備的管道基本模型，使之既能滿足管道運行數據監測的需要，又能實現管道機組啟停、閥門開關等較為基礎的控制功能，還能實現較復雜的管道工藝流程。結合靜態、動態數據，模型可以很好地支撐SCADA應用業務。

筆者根據油氣管道生產運行實際需要，提出了一種基于設備的油氣管道模型。該模型采用了一種特定的定義方法，描述了設備的種類、屬性以及設備之間的關聯關系和拓撲關系。按照“自頂向下、逐層展開”的原則，對油氣管道系統中的各種設備進行了分析研究，建立了一套較完備的管道基本模型，為油氣管道SCADA系統提供了信息基礎，不僅能滿足油氣管道運行監視和遠程控制的需要，還能為工藝流程分析控制等應用功能提供技術支持。

1 模型定義方法

中國石油天然氣集團公司的長輸油氣管道沿線分布多個場站和閥室，所有的場站、閥室中均放置了各種設備。遵循“自頂向下、逐層展開”的設計原則，可按照“管道—場站（閥室）—設備”的層次進行逐次分解，對不同層次的實體進行抽象。管道、場站、閥室以及設備等資源屬于某個地區公司，一條管道可能貫通多個行政區域（管道管理處），在某些業務應用中，需要描述這些實體所有管道資源的管理權限等信息。

因此，將設備選為模型的基本元素，將管道、場站、閥室、地區管道公司、管道管理處等信息視為設備之間一種潛在的關聯關系，進而將模型定義為兩大類，即設備模型和關聯關系模型。設備模型用于描述管道設備信息，關聯關系模型用于描述管道、場站、閥室、地區管道公司、管道管理處等實體。設備模型需引用關聯關系模型的信息。為了進行管道的拓撲著色、油品批次跟蹤等特殊計算，局部管段和站內管段也可視為設備。

油氣管道系統中，每類典型管道設備均被映射為一種管道模型，有其特定的數據模式。參照IEC 61850－7－1標準［20］的模型定義方法，將應用中需要的設備物理信息進行抽象，形成基本的模型屬性，并與真實的設備屬性進行映射。此外，還為模型定制告警等必要的邏輯信息。

根據描述信息類型的不同，可將模型屬性分為以下4類：①信息屬性：相對固化的設備屬性，包括名稱、描述、工作特性、工藝特性、從屬關系及其他物理信息；②狀態屬性：與設備及工藝相關的實時采集屬性，包括溫度、壓力、流量、開閉狀態及其他動態信息；③模式屬性：與自動化維護相關的實時采集屬性，包括遠程控制、就地、手動、自動、檢修及其他自動化信息；④告警屬性：系統內運行過程中產生的報警、預警信息，包括故障、偏差、火災、過載及其他越限告警信息。

針對以上屬性，還應對其數據規格進行描述，并對特殊的限制條件加以說明。以閥門設備為例，其模型和設備之間的映射關系如圖1所示。

圖1 模型與設備（閥門）的映射關系圖

對于管道、場站、閥室、地區管道公司、管道管理處等實體來說，其信息相對較固化，所以關聯關系模型只需要定義信息屬性即可。

2 基于設備的油氣管道模型

根據油氣管道生產運行實際需要，選定了多類典型的設備，包括空冷器、氣化器、分析儀、壓縮機、換熱器、加熱爐、流量計、混油處理裝置、清管裝置、管段、站內管段、泵、過濾器（分離器）、罐、閥、機組、供電設備、安保設備、可編程邏輯控制器（PLC）、不間斷電源（UPS）等，加上管道、場站、閥室、地區管道公司、管道管理處等實體，按照前文描述的方法進行模型定義。

2.1 關聯關系模型

首先，對管道等表示設備間關聯關系的實體進行抽象定義。關聯關系模型承載管道設備模型空間位置信息，同時支持管理、權限等應用的擴展，支持多層定義，層與層之間具有包含關系。

根據包含的信息類型不同，關聯關系模型可分為空間關系模型和擴展關系模型。空間關系模型是管道簡單地理信息的模型，比如管道、場站、閥室等；擴展關系模型用以描述管理、權限等信息，比如地區管道公司、管道管理處等。以空間關系模型為例，其模型信息如表1所示。

表1 部分空間關系模型信息表

2.2 設備模型

管道設備可以大致分為兩類：與管道工藝直接相關的設備可稱為工藝設備，管道工藝外圍設備、安保設備及場站內基礎設施可稱為擴展設備。工藝設備包括空冷器、氣化器、分析儀、壓縮機、換熱器、加熱爐、流量計、混油處理裝置、清管裝置、管段、站內管段、泵、過濾器（分離器）、罐、閥等，擴展設備包括機組、供電設備、安保設備、PLC、UPS等。以典型的工藝設備為例，其模型信息如表2所示。

表2 部分工藝設備模型信息表

2.3 模型完整性

模型承載的信息用以支撐所有SCADA的上層應用，一個完整的模型信息應包含以下5個要素：①系統，整個SCADA系統的信息，所有模型都是系統的一部分，系統以系統號等屬性作為唯一標識ID；②關聯關系，關聯關系模型存在層次漸進性，不同層次的關聯關系模型承載了該層次的標識信息，在交互中逐層記錄設備模型在系統內的空間位置及管理權限信息，以上信息最終由設備模型繼承，并可生成設備在系統內唯一標識ID的前綴；③設備，系統內某一特定設備，例如閥、泵和壓縮機等；④數據模式，根據模型各屬性的數據規格及范圍不同，選擇不同的數據類型來定義該屬性數據；⑤數據模式擴展，數據模式中可進一步詳細描述數據的擴展屬性，如限值和量程等。

模型交互情況如圖2所示，5個要素之間存在聚合關系，并共同組成了完備的模型信息。

圖2 模型交互示意圖

圖3 模型實例化示意圖

系統、關聯關系、設備、數據模式中的屬性數據在實例化后均可在SCADA系統中生成唯一標識ID，并與真實世界中所有的管道、場站、閥室、設備以及設備上的測量點進行一一對應。通過唯一標識ID，即可在應用中對它們進行引用、查看、控制，進而在SCADA系統中完整地表示一整套管道自動化系統。

2.4 模型實例化

在油氣管道SCADA系統中，模型是以類的形式進行設計的，為了描述真實世界的實體，必須實例化成對象，并在數據庫中進行有效存儲。

模型實例化的基本方法是按照特定的命名規則為實體進行命名，并作為在SCADA系統中的唯一標識ID。設備模型中的所有屬性在實例化時均按照預定義的數據模式生成合法的值，并與真實的設備信息、采集數據進行關聯（圖3）。

3 模型的應用

基于設備的油氣管道模型在PCS軟件中得到了實際應用。首先，針對不同層次的實體，規劃出不同種類的表，比如管道表、場站表、閥室表、設備表和測量點表等；其次，按照模型的定義和完整性要求為SCADA數據庫設計模式；再次，通過編輯圖形界面觸發實例化過程，一體化錄入設備和測量點等信息，在數據層實現設備信息、采集數據和圖形界面的關聯；最后，泛化業務邏輯，使用模型進行模板式的描述，使之與數據剝離，當啟動應用時實際的業務邏輯將自動生成。

3.1 基于模型的SCADA數據庫

為了引入油氣管道模型，為PCS設計了與之相對應的SCADA數據庫，包括管道表、場站表、閥室表、設備表和測量點表等不同類型的表。

測量點表是SCADA系統中底層的數據源，測量點和設備的狀態屬性產生關聯，從而提供動態的設備狀態采集信息。除測量點表外，數據庫中各表的模式均對應一個特定模型的定義，也對應SCADA系統中的一個類；表中的每條記錄均對應一個真實的實體，也對應系統中的一個實例化對象。

設備間的關聯關系表現為不同表之間記錄的關聯引用。例如，同一個場站有多個閥，在數據庫中則表現為場站表中一條記錄關聯閥、表的多條記錄。

此外，設備間的拓撲連接結構通過連接設備（管段）屬性項進行確立。

3.2 “圖模庫一體化”建模

當數據庫創建完成后，就可以開始為真實的管道系統進行建模。

管道、場站、閥室、管理角色和權限等級等簡單量小的固化信息，可以直接錄入相應的表。已經配置調試好的采集通信數據點表也應該映射裝入測量點表。完成以上工作之后，進而以“圖模庫一體化”的方式為所有需要監視控制的工藝流程進行建模。

以添加一個設備為例：首先在場站工藝流程圖的圖形界面上添加設備，和已有設備圖形建立連接；然后確定添加，將自動生成實例及其唯一標識ID，并在相應的設備表中增加一條記錄，關聯關系對應的字段將自動錄入相關實體在管道、場站等表中的唯一標識信息，連接設備（管段）字段將自動錄入已連接設備在設備表中的唯一標識信息，從而生成該設備的關聯關系和相關拓撲結構；接著繼續完善該設備的信息屬性等其他信息，相關數據將保存到對應字段中；最后將狀態屬性綁定測量點表中的數據點，將數據點的唯一標識ID存入相應字段，并定義擴展屬性、設置是否報警。

重復以上過程，可以完成基本的工藝組態，能夠滿足基本的監視和控制需要。

3.3 業務邏輯自動生成

為了進一步提高PCS的自動化水平，可以將應用中的一些業務邏輯進行泛化，以模型為原子描述成模板，根據模型實例（設備）的自身屬性及實例間的拓撲關系，實現業務邏輯的自動生成。

以某輸氣站出站區球閥為例，其工藝流程如圖4所示。

圖4 某輸氣站出站區工藝流程圖

出站閥組的聯合控制邏輯如下：為實現出站球閥（ESDV－1301）的平穩開啟，在打開 ESDV－1301之前，應判斷其兩端的壓力差值（PT－1303壓力值減去PT－1301壓力值的絕對值或PT－1303壓力值減去PT－1302壓力值的絕對值）。若壓力差值小于或等于設定閾值則直接打開ESDV－1301；否則先打開旁通電動閥（XV－1305），待壓力差值小于或等于設定值時，再打開ESDV－1301。在收到ESDV－1301的“閥全開”返回信號后，關閉XV－1305，使其處于“全關”狀態。

在以往的SCADA系統中，要完成這一控制邏輯，必須根據工藝流程圖，人工指定測量點PT－1301、PT－1302和PT－1303，同時指定設備 ESDV－1301和 XV－1305，并制訂動作順序和方式。為控制邏輯相同的其他出站區工藝流程進行組態時，需要重復制訂，僅僅是選擇不同的測量點和設備。

在PCS下，該工藝流程控制邏輯可以用“摳掉設備編號”的方式描述成模板。系統通過查詢場站關聯設備獲取到出站球閥模型實例ESDV－1301；然后根據實例間的拓撲連接關系，獲得ESDV－1301兩端連接的壓力測量點 PT－1301、PT－1302和 PT－1303以及 XV－1305的信息。將相關信息填入控制邏輯模板，系統就可以自動生成設備動作的控制邏輯。在其他控制原則相同的工藝區，均可照此流程自動生成控制邏輯。修改控制邏輯模板，所有相關的控制邏輯也將重新生成。

4 結論

根據油氣管道生產運行的實際需要，針對以往油氣管道SCADA系統中設備、數據相互孤立的弊端，提出了一種基于設備的油氣管道模型。通過對油氣管道系統中的各種設備進行分析研究，抽象出較完備的管道模型。基于該模型，采用“圖模庫一體化”的方式對管道進行建模，在實例化的過程中可以在數據層實現圖形、設備和數據之間的關聯，并在應用層自動生成實際的業務邏輯，能夠基本滿足遠程監視控制和工藝流程分析等應用的需要，并大大減少了組態維護的工作量。該模型在PCS軟件中得到了實際應用，為油氣管道SCADA系統提供了良好的信息基礎和擴展支持。

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