基于設(shè)備的“圖模庫(kù)一體化”油氣管道模型

祁國(guó)成 黃 河 閆 峰 孫 頔 蔣國(guó)棟

1.中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心 2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司

隨著近年來中國(guó)長(zhǎng)輸油氣管網(wǎng)的快速發(fā)展，管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)油氣管道數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)的處理能力提出了更高的要求，不但要實(shí)時(shí)了解和掌握管道系統(tǒng)的運(yùn)行情況，還要快速分析處理管道系統(tǒng)的各種事故工況，從而優(yōu)化油氣長(zhǎng)輸管道的運(yùn)行方案［1－11］。

在生產(chǎn)過程中，油氣管道SCADA系統(tǒng)需要傳輸大量數(shù)據(jù)［12］。在以往的SCADA系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)和設(shè)備信息在數(shù)據(jù)層是分開進(jìn)行管理的，在應(yīng)用層才產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。針對(duì)應(yīng)用層中所有的應(yīng)用（比如管道的工藝流程），均需要編制業(yè)務(wù)（控制）邏輯。由于很多工藝流程是相似的，區(qū)別僅僅在于測(cè)量點(diǎn)不同，所以開發(fā)過程中存在大量重復(fù)的組態(tài)測(cè)試工作。

借鑒電力行業(yè)的一些成熟經(jīng)驗(yàn)［13－18］，最新的國(guó)產(chǎn)油氣管道SCADA系統(tǒng)軟件PCS（Pipeline Control System）根據(jù)業(yè)務(wù)需求抽象定義出油氣管道模型，將應(yīng)用層的業(yè)務(wù)邏輯（如工藝流程控制邏輯）與數(shù)據(jù)剝離、用模型進(jìn)行統(tǒng)一描述，采用“圖模庫(kù)一體化”技術(shù)建模，在數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)圖形、設(shè)備和數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，在應(yīng)用層自動(dòng)生成實(shí)際的業(yè)務(wù)邏輯。

在SCADA應(yīng)用設(shè)計(jì)過程中比較常見的建模方法是面向?qū)ο蟮姆椒ǎ?9］。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，可以采用以設(shè)備為對(duì)象、以場(chǎng)站和連接管道為對(duì)象、以輸送線的干路支路為對(duì)象等不同的建模方式。目前，油氣管道行業(yè)內(nèi)尚沒有形成統(tǒng)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(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的需要，又能實(shí)現(xiàn)管道機(jī)組啟停、閥門開關(guān)等較為基礎(chǔ)的控制功能，還能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的管道工藝流程。結(jié)合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，模型可以很好地支撐SCADA應(yīng)用業(yè)務(wù)。

筆者根據(jù)油氣管道生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際需要，提出了一種基于設(shè)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(shè)備的種類、屬性以及設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系。按照“自頂向下、逐層展開”的原則，對(duì)油氣管道系統(tǒng)中的各種設(shè)備進(jìn)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(tǒng)提供了信息基礎(chǔ)，不僅能滿足油氣管道運(yùn)行監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制的需要，還能為工藝流程分析控制等應(yīng)用功能提供技術(shù)支持。

1 模型定義方法

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司的長(zhǎng)輸油氣管道沿線分布多個(gè)場(chǎng)站和閥室，所有的場(chǎng)站、閥室中均放置了各種設(shè)備。遵循“自頂向下、逐層展開”的設(shè)計(jì)原則，可按照“管道—場(chǎng)站（閥室）—設(shè)備”的層次進(jìn)行逐次分解，對(duì)不同層次的實(shí)體進(jìn)行抽象。管道、場(chǎng)站、閥室以及設(shè)備等資源屬于某個(gè)地區(qū)公司，一條管道可能貫通多個(gè)行政區(qū)域（管道管理處），在某些業(yè)務(wù)應(yīng)用中，需要描述這些實(shí)體所有管道資源的管理權(quán)限等信息。

因此，將設(shè)備選為模型的基本元素，將管道、場(chǎng)站、閥室、地區(qū)管道公司、管道管理處等信息視為設(shè)備之間一種潛在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而將模型定義為兩大類，即設(shè)備模型和關(guān)聯(lián)關(guān)系模型。設(shè)備模型用于描述管道設(shè)備信息，關(guān)聯(lián)關(guān)系模型用于描述管道、場(chǎng)站、閥室、地區(qū)管道公司、管道管理處等實(shí)體。設(shè)備模型需引用關(guān)聯(lián)關(guān)系模型的信息。為了進(jìn)行管道的拓?fù)渲⒂推放胃櫟忍厥庥?jì)算，局部管段和站內(nèi)管段也可視為設(shè)備。

油氣管道系統(tǒng)中，每類典型管道設(shè)備均被映射為一種管道模型，有其特定的數(shù)據(jù)模式。參照IEC 61850－7－1標(biāo)準(zhǔn)［20］的模型定義方法，將應(yīng)用中需要的設(shè)備物理信息進(jìn)行抽象，形成基本的模型屬性，并與真實(shí)的設(shè)備屬性進(jìn)行映射。此外，還為模型定制告警等必要的邏輯信息。

根據(jù)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(duì)固化的設(shè)備屬性，包括名稱、描述、工作特性、工藝特性、從屬關(guān)系及其他物理信息；②狀態(tài)屬性：與設(shè)備及工藝相關(guān)的實(shí)時(shí)采集屬性，包括溫度、壓力、流量、開閉狀態(tài)及其他動(dòng)態(tài)信息；③模式屬性：與自動(dòng)化維護(hù)相關(guān)的實(shí)時(shí)采集屬性，包括遠(yuǎn)程控制、就地、手動(dòng)、自動(dòng)、檢修及其他自動(dòng)化信息；④告警屬性：系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的報(bào)警、預(yù)警信息，包括故障、偏差、火災(zāi)、過載及其他越限告警信息。

針對(duì)以上屬性，還應(yīng)對(duì)其數(shù)據(jù)規(guī)格進(jìn)行描述，并對(duì)特殊的限制條件加以說明。以閥門設(shè)備為例，其模型和設(shè)備之間的映射關(guān)系如圖1所示。

圖1 模型與設(shè)備（閥門）的映射關(guān)系圖

對(duì)于管道、場(chǎng)站、閥室、地區(qū)管道公司、管道管理處等實(shí)體來說，其信息相對(duì)較固化，所以關(guān)聯(lián)關(guān)系模型只需要定義信息屬性即可。

2 基于設(shè)備的油氣管道模型

根據(jù)油氣管道生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際需要，選定了多類典型的設(shè)備，包括空冷器、氣化器、分析儀、壓縮機(jī)、換熱器、加熱爐、流量計(jì)、混油處理裝置、清管裝置、管段、站內(nèi)管段、泵、過濾器（分離器）、罐、閥、機(jī)組、供電設(shè)備、安保設(shè)備、可編程邏輯控制器（PLC）、不間斷電源（UPS）等，加上管道、場(chǎng)站、閥室、地區(qū)管道公司、管道管理處等實(shí)體，按照前文描述的方法進(jìn)行模型定義。

2.1 關(guān)聯(lián)關(guān)系模型

首先，對(duì)管道等表示設(shè)備間關(guān)聯(lián)關(guān)系的實(shí)體進(jìn)行抽象定義。關(guān)聯(lián)關(guān)系模型承載管道設(shè)備模型空間位置信息，同時(shí)支持管理、權(quán)限等應(yīng)用的擴(kuò)展，支持多層定義，層與層之間具有包含關(guān)系。

根據(jù)包含的信息類型不同，關(guān)聯(lián)關(guān)系模型可分為空間關(guān)系模型和擴(kuò)展關(guān)系模型?？臻g關(guān)系模型是管道簡(jiǎn)單地理信息的模型，比如管道、場(chǎng)站、閥室等；擴(kuò)展關(guān)系模型用以描述管理、權(quán)限等信息，比如地區(qū)管道公司、管道管理處等。以空間關(guān)系模型為例，其模型信息如表1所示。

表1 部分空間關(guān)系模型信息表

2.2 設(shè)備模型

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

表2 部分工藝設(shè)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(yīng)用，一個(gè)完整的模型信息應(yīng)包含以下5個(gè)要素：①系統(tǒng)，整個(gè)SCADA系統(tǒng)的信息，所有模型都是系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)以系統(tǒng)號(hào)等屬性作為唯一標(biāo)識(shí)ID；②關(guān)聯(lián)關(guān)系，關(guān)聯(lián)關(guān)系模型存在層次漸進(jìn)性，不同層次的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型承載了該層次的標(biāo)識(shí)信息，在交互中逐層記錄設(shè)備模型在系統(tǒng)內(nèi)的空間位置及管理權(quán)限信息，以上信息最終由設(shè)備模型繼承，并可生成設(shè)備在系統(tǒng)內(nèi)唯一標(biāo)識(shí)ID的前綴；③設(shè)備，系統(tǒng)內(nèi)某一特定設(shè)備，例如閥、泵和壓縮機(jī)等；④數(shù)據(jù)模式，根據(jù)模型各屬性的數(shù)據(jù)規(guī)格及范圍不同，選擇不同的數(shù)據(jù)類型來定義該屬性數(shù)據(jù)；⑤數(shù)據(jù)模式擴(kuò)展，數(shù)據(jù)模式中可進(jìn)一步詳細(xì)描述數(shù)據(jù)的擴(kuò)展屬性，如限值和量程等。

模型交互情況如圖2所示，5個(gè)要素之間存在聚合關(guān)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(shí)例化示意圖

系統(tǒng)、關(guān)聯(lián)關(guān)系、設(shè)備、數(shù)據(jù)模式中的屬性數(shù)據(jù)在實(shí)例化后均可在SCADA系統(tǒng)中生成唯一標(biāo)識(shí)ID，并與真實(shí)世界中所有的管道、場(chǎng)站、閥室、設(shè)備以及設(shè)備上的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。通過唯一標(biāo)識(shí)ID，即可在應(yīng)用中對(duì)它們進(jìn)行引用、查看、控制，進(jìn)而在SCADA系統(tǒng)中完整地表示一整套管道自動(dòng)化系統(tǒng)。

2.4 模型實(shí)例化

在油氣管道SCADA系統(tǒng)中，模型是以類的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)的，為了描述真實(shí)世界的實(shí)體，必須實(shí)例化成對(duì)象，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行有效存儲(chǔ)。

模型實(shí)例化的基本方法是按照特定的命名規(guī)則為實(shí)體進(jìn)行命名，并作為在SCADA系統(tǒng)中的唯一標(biāo)識(shí)ID。設(shè)備模型中的所有屬性在實(shí)例化時(shí)均按照預(yù)定義的數(shù)據(jù)模式生成合法的值，并與真實(shí)的設(shè)備信息、采集數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)（圖3）。

3 模型的應(yīng)用

基于設(shè)備的油氣管道模型在PCS軟件中得到了實(shí)際應(yīng)用。首先，針對(duì)不同層次的實(shí)體，規(guī)劃出不同種類的表，比如管道表、場(chǎng)站表、閥室表、設(shè)備表和測(cè)量點(diǎn)表等；其次，按照模型的定義和完整性要求為SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)模式；再次，通過編輯圖形界面觸發(fā)實(shí)例化過程，一體化錄入設(shè)備和測(cè)量點(diǎn)等信息，在數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息、采集數(shù)據(jù)和圖形界面的關(guān)聯(lián)；最后，泛化業(yè)務(wù)邏輯，使用模型進(jìn)行模板式的描述，使之與數(shù)據(jù)剝離，當(dāng)啟動(dòng)應(yīng)用時(shí)實(shí)際的業(yè)務(wù)邏輯將自動(dòng)生成。

3.1 基于模型的SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)

為了引入油氣管道模型，為PCS設(shè)計(jì)了與之相對(duì)應(yīng)的SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)，包括管道表、場(chǎng)站表、閥室表、設(shè)備表和測(cè)量點(diǎn)表等不同類型的表。

測(cè)量點(diǎn)表是SCADA系統(tǒng)中底層的數(shù)據(jù)源，測(cè)量點(diǎn)和設(shè)備的狀態(tài)屬性產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，從而提供動(dòng)態(tài)的設(shè)備狀態(tài)采集信息。除測(cè)量點(diǎn)表外，數(shù)據(jù)庫(kù)中各表的模式均對(duì)應(yīng)一個(gè)特定模型的定義，也對(duì)應(yīng)SCADA系統(tǒng)中的一個(gè)類；表中的每條記錄均對(duì)應(yīng)一個(gè)真實(shí)的實(shí)體，也對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的一個(gè)實(shí)例化對(duì)象。

設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系表現(xiàn)為不同表之間記錄的關(guān)聯(lián)引用。例如，同一個(gè)場(chǎng)站有多個(gè)閥，在數(shù)據(jù)庫(kù)中則表現(xiàn)為場(chǎng)站表中一條記錄關(guān)聯(lián)閥、表的多條記錄。

此外，設(shè)備間的拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)通過連接設(shè)備（管段）屬性項(xiàng)進(jìn)行確立。

3.2 “圖模庫(kù)一體化”建模

當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建完成后，就可以開始為真實(shí)的管道系統(tǒng)進(jìn)行建模。

管道、場(chǎng)站、閥室、管理角色和權(quán)限等級(jí)等簡(jiǎn)單量小的固化信息，可以直接錄入相應(yīng)的表。已經(jīng)配置調(diào)試好的采集通信數(shù)據(jù)點(diǎn)表也應(yīng)該映射裝入測(cè)量點(diǎn)表。完成以上工作之后，進(jìn)而以“圖模庫(kù)一體化”的方式為所有需要監(jiān)視控制的工藝流程進(jìn)行建模。

以添加一個(gè)設(shè)備為例：首先在場(chǎng)站工藝流程圖的圖形界面上添加設(shè)備，和已有設(shè)備圖形建立連接；然后確定添加，將自動(dòng)生成實(shí)例及其唯一標(biāo)識(shí)ID，并在相應(yīng)的設(shè)備表中增加一條記錄，關(guān)聯(lián)關(guān)系對(duì)應(yīng)的字段將自動(dòng)錄入相關(guān)實(shí)體在管道、場(chǎng)站等表中的唯一標(biāo)識(shí)信息，連接設(shè)備（管段）字段將自動(dòng)錄入已連接設(shè)備在設(shè)備表中的唯一標(biāo)識(shí)信息，從而生成該設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系和相關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；接著繼續(xù)完善該設(shè)備的信息屬性等其他信息，相關(guān)數(shù)據(jù)將保存到對(duì)應(yīng)字段中；最后將狀態(tài)屬性綁定測(cè)量點(diǎn)表中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)ID存入相應(yīng)字段，并定義擴(kuò)展屬性、設(shè)置是否報(bào)警。

重復(fù)以上過程，可以完成基本的工藝組態(tài)，能夠滿足基本的監(jiān)視和控制需要。

3.3 業(yè)務(wù)邏輯自動(dòng)生成

為了進(jìn)一步提高PCS的自動(dòng)化水平，可以將應(yīng)用中的一些業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行泛化，以模型為原子描述成模板，根據(jù)模型實(shí)例（設(shè)備）的自身屬性及實(shí)例間的拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的自動(dòng)生成。

以某輸氣站出站區(qū)球閥為例，其工藝流程如圖4所示。

圖4 某輸氣站出站區(qū)工藝流程圖

出站閥組的聯(lián)合控制邏輯如下：為實(shí)現(xiàn)出站球閥（ESDV－1301）的平穩(wěn)開啟，在打開 ESDV－1301之前，應(yīng)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(duì)值或PT－1303壓力值減去PT－1302壓力值的絕對(duì)值）。若壓力差值小于或等于設(shè)定閾值則直接打開ESDV－1301；否則先打開旁通電動(dòng)閥（XV－1305），待壓力差值小于或等于設(shè)定值時(shí)，再打開ESDV－1301。在收到ESDV－1301的“閥全開”返回信號(hào)后，關(guān)閉XV－1305，使其處于“全關(guān)”狀態(tài)。

在以往的SCADA系統(tǒng)中，要完成這一控制邏輯，必須根據(jù)工藝流程圖，人工指定測(cè)量點(diǎn)PT－1301、PT－1302和PT－1303，同時(shí)指定設(shè)備 ESDV－1301和 XV－1305，并制訂動(dòng)作順序和方式。為控制邏輯相同的其他出站區(qū)工藝流程進(jìn)行組態(tài)時(shí)，需要重復(fù)制訂，僅僅是選擇不同的測(cè)量點(diǎn)和設(shè)備。

在PCS下，該工藝流程控制邏輯可以用“摳掉設(shè)備編號(hào)”的方式描述成模板。系統(tǒng)通過查詢場(chǎng)站關(guān)聯(lián)設(shè)備獲取到出站球閥模型實(shí)例ESDV－1301；然后根據(jù)實(shí)例間的拓?fù)溥B接關(guān)系，獲得ESDV－1301兩端連接的壓力測(cè)量點(diǎn) PT－1301、PT－1302和 PT－1303以及 XV－1305的信息。將相關(guān)信息填入控制邏輯模板，系統(tǒng)就可以自動(dòng)生成設(shè)備動(dòng)作的控制邏輯。在其他控制原則相同的工藝區(qū)，均可照此流程自動(dòng)生成控制邏輯。修改控制邏輯模板，所有相關(guān)的控制邏輯也將重新生成。

4 結(jié)論

根據(jù)油氣管道生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際需要，針對(duì)以往油氣管道SCADA系統(tǒng)中設(shè)備、數(shù)據(jù)相互孤立的弊端，提出了一種基于設(shè)備的油氣管道模型。通過對(duì)油氣管道系統(tǒng)中的各種設(shè)備進(jìn)行分析研究，抽象出較完備的管道模型?；谠撃Ｐ?，采用“圖模庫(kù)一體化”的方式對(duì)管道進(jìn)行建模，在實(shí)例化的過程中可以在數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)圖形、設(shè)備和數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，并在應(yīng)用層自動(dòng)生成實(shí)際的業(yè)務(wù)邏輯，能夠基本滿足遠(yuǎn)程監(jiān)視控制和工藝流程分析等應(yīng)用的需要，并大大減少了組態(tài)維護(hù)的工作量。該模型在PCS軟件中得到了實(shí)際應(yīng)用，為油氣管道SCADA系統(tǒng)提供了良好的信息基礎(chǔ)和擴(kuò)展支持。

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