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文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京102299）

★張葉甫（國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司,成都610000）

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

關(guān)鍵詞：SCADA系統(tǒng)；PCSMigrator軟件；工程畫面；工程數(shù)據(jù)

1　引言

2013年底，國家管網(wǎng)油氣調(diào)控中心完成了1.0版油氣管道SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)PCS（Pipeline Control System，管道控制系統(tǒng)）的研發(fā)，打破了我國在油氣行業(yè)SCADA系統(tǒng)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(diào)控的需要，正式進(jìn)入工程應(yīng)用階段。

國家發(fā)布的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》明確到2025年全國油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24萬公里，中俄東線、西四線等一批重點工程規(guī)劃實施，各省市區(qū)天然氣及成品油主干管網(wǎng)全部聯(lián)通，管道建設(shè)即將迎來新的一輪高峰期。此外，隨著時間的推移，現(xiàn)役管道也都面臨管道SCADA系統(tǒng)的全面升級改造，并將逐步實現(xiàn)對在役的ViewStar、OASys等國外SCADA系統(tǒng)工程的國產(chǎn)化替代。

由于SCADA軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在差異，其數(shù)據(jù)存儲都是自有格式，且封閉不提供接口，因此對現(xiàn)有工程的替代完全依賴人工，無法直接使用現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)工程成果，工程建設(shè)人員投入成本高。

本文介紹了在役國外油氣管道SCADA系統(tǒng)ViewStar和OASyS工程自動遷移至PCS系統(tǒng)的融合技術(shù)及其軟件實現(xiàn)（PCSMigrator軟件），實現(xiàn)了異構(gòu)油氣管道SCADA系統(tǒng)中的圖形及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、遷移，包括ViewStar工程轉(zhuǎn)換模塊、OASys工程轉(zhuǎn)換模塊和PCS工程校驗?zāi)K，充分利用現(xiàn)有SCADA工程成果降低了工程建設(shè)成本。

2　功能設(shè)計與轉(zhuǎn)換

2.1　軟件設(shè)計原則

長輸油氣管道SCADA系統(tǒng)（PCS）工程數(shù)據(jù)管理技術(shù)—PCSMigrator軟件（將國外SCADA系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)換遷移到國產(chǎn)PCS系統(tǒng)的工具軟件）必須要運(yùn)行安全穩(wěn)定并實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。PCSMigrator被定義為一種工具類的軟件，其必須能集成到現(xiàn)有的PCS軟件中，必須在標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)先進(jìn)、安全穩(wěn)定等方面在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。PCSMigrator工程數(shù)據(jù)管理軟件的研發(fā)設(shè)計需建立能充分滿足業(yè)務(wù)需求的運(yùn)行環(huán)境，能提供優(yōu)良的業(yè)務(wù)功能拓展性和強(qiáng)大的容錯減災(zāi)的動態(tài)擴(kuò)容能力，能支持系統(tǒng)一體化運(yùn)行、維護(hù)和管理，并能實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

故PCSMigrator軟件的設(shè)計需滿足標(biāo)準(zhǔn)化、一體化、可拓展性、復(fù)用性、先進(jìn)性、可靠性、實用性、易用性、安全性、信息共享性、高內(nèi)聚低耦合等原則^[2]。

2.2　軟件設(shè)計背景和思路

為了PCSMigrator軟件能夠順利完成以上目標(biāo)，在設(shè)計PCSMigrator軟件時將有以下思路：

（1）將ViewStar（Cegelec開發(fā)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）軟件中的工程畫面、工程數(shù)據(jù)和工程配置，按對應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自動轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式，且用戶可以查看轉(zhuǎn)換處理結(jié)果及轉(zhuǎn)換有效率的評估和統(tǒng)計功能；

（2）將OASyS（Open Architecture System，Telvent公司開發(fā)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）軟件中的工程數(shù)據(jù)和工程配置按對應(yīng)的數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式，且用戶可以查看轉(zhuǎn)換處理結(jié)果及轉(zhuǎn)換有效率的評估和統(tǒng)計功能；

（3）將從ViewStar、OASyS軟件中導(dǎo)出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式文件導(dǎo)入至國產(chǎn)PCS系統(tǒng)中；

（4）轉(zhuǎn)換效率評估：對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行評估，生成轉(zhuǎn)換評估信息，包括轉(zhuǎn)換成功與否、工程圖形、工程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換有效率等，若轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)故障，應(yīng)指出故障的具體原因、故障位置和處理建議等信息；

（5）實現(xiàn)PCS工程校驗導(dǎo)入數(shù)據(jù)，確保遷移準(zhǔn)確。

2.3　工程轉(zhuǎn)換

2.3.1ViewStar工程轉(zhuǎn)換

完成ViewStar工程數(shù)據(jù)到PCS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，需加載PCS工程組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)配置信息和PCS工程校驗信息。

2.3.1.1畫面轉(zhuǎn)換

畫面導(dǎo)出：將ViewStar系統(tǒng)中的工程畫面按照工程畫面對象導(dǎo)出成SCADA工程畫圖標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)出、空間圖素導(dǎo)出和圖層導(dǎo)出。

畫面導(dǎo)入：將SCADA標(biāo)準(zhǔn)化的SVG圖形文件轉(zhuǎn)換成PCS圖形文件，在轉(zhuǎn)換為PCS圖形文件的過程中，解析SVG圖形中標(biāo)注的控件圖素，將控件圖素存儲到PCS系統(tǒng)中對應(yīng)的畫素（picture element，針對不同設(shè)備或用途而預(yù)先定義好的圖形）的油氣管道工控設(shè)備數(shù)據(jù)表，并生成該設(shè)備的SCADA開關(guān)量、模擬量。

表1 功能劃分表

圖1 ViewStar畫面轉(zhuǎn)換功能模塊示意圖

表2 ViewStar換面轉(zhuǎn)換用例說明

2.3.1.2點表轉(zhuǎn)換

將ViewStar工程中導(dǎo)出的點表數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，生成一個或多個Excel表格數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)文件與PCS相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該點表轉(zhuǎn)換模塊將實現(xiàn)以下3大功能：

（1）選取ViewStar點表數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析。將ViewStar工程中導(dǎo)入的點表數(shù)據(jù)文件解析后，生成一個或多個Excel表格數(shù)據(jù)，每個Excel表格中存儲某個模型表格的所有數(shù)據(jù)或者存儲數(shù)據(jù)采集對應(yīng)表格數(shù)據(jù)。

（2）ViewStar點表數(shù)據(jù)與PCS系統(tǒng)點表數(shù)據(jù)對照關(guān)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(guān)量的關(guān)鍵字列出在“開關(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(yù)置對應(yīng)的關(guān)鍵字，同時會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(xù)操作同開關(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(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖2 ViewStar點表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能模塊示意圖

點表導(dǎo)出：將ViewStar系統(tǒng)中的工程數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)分類分別導(dǎo)出成SCADA工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中定義的XML格式存儲，主要有通道參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)出、通訊站場數(shù)據(jù)導(dǎo)出、模擬量數(shù)據(jù)導(dǎo)出、開關(guān)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出和計算點導(dǎo)出。

點表導(dǎo)入：將SCADA標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到PCS數(shù)據(jù)庫表中，進(jìn)行數(shù)據(jù)審核，對比字段名稱與類型，檢查數(shù)據(jù)庫條件約束，生成對應(yīng)的PCS采集數(shù)據(jù)表、SCADA數(shù)據(jù)表、工程配置數(shù)據(jù)表等。

表3 ViewStar點表轉(zhuǎn)換用例說明

2.3.1.3參數(shù)配置

分析ViewStar工程的閥門、壓縮機(jī)等設(shè)備類型，管理和配置與PCS畫素庫的對應(yīng)關(guān)系；分析ViewStar工程的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)表、SCADA數(shù)據(jù)表和工程配置數(shù)據(jù)表，管理和配置與PCS數(shù)據(jù)表的對應(yīng)關(guān)系。

通過轉(zhuǎn)換配置管理功能設(shè)定閥門、壓縮機(jī)等設(shè)備類型，通過界面配置ViewStar系統(tǒng)與PCS系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)、圖素的對應(yīng)關(guān)系，并保存在對應(yīng)關(guān)系配置文件或數(shù)據(jù)庫關(guān)系表中，為工程數(shù)據(jù)、工程畫面的導(dǎo)入、導(dǎo)出功能提供數(shù)據(jù)關(guān)系的支持。該轉(zhuǎn)換參數(shù)配置模塊將實現(xiàn)以下3大功能：

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

（2）配置信息設(shè)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(yīng)關(guān)系的配置，關(guān)系內(nèi)容顯示在一個表中。

圖3 ViewStar工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)配置功能模塊示意圖

表4 ViewStar轉(zhuǎn)換參數(shù)配置用例說明

2.3.2　OASyS工程轉(zhuǎn)換

將OASyS工程中導(dǎo)出的點表數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，生成一個或多個Excel表格數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)文件與PCS相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.3.2.1點表轉(zhuǎn)換

點表導(dǎo)出：將OASyS系統(tǒng)中的工程數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)分類分別導(dǎo)出成SCADA工程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中定義的XML（extensiblemarkuplanguage，一種用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語言）格式存儲，主要有通道參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)出、通訊站場數(shù)據(jù)導(dǎo)出、模擬量數(shù)據(jù)導(dǎo)出、開關(guān)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出、計算點數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

點表導(dǎo)入：將SCADA標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到PCS數(shù)據(jù)庫表中，進(jìn)行數(shù)據(jù)審核，對比字段名稱與類型，檢查數(shù)據(jù)庫條件約束，生成對應(yīng)的PCS采集數(shù)據(jù)表、SCADA數(shù)據(jù)表、工程配置數(shù)據(jù)表等。該OASyS點表轉(zhuǎn)換模塊將分為以下3大功能：

（1）選取OASyS點表數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析。將OASyS工程中導(dǎo)出的點表數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，或者存儲數(shù)據(jù)采集對應(yīng)表格數(shù)據(jù)。

（2）OASyS點表數(shù)據(jù)與PCS系統(tǒng)點表數(shù)據(jù)對照關(guān)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(guān)量的關(guān)鍵字列出在“開關(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(yù)置對應(yīng)的關(guān)鍵字，同時會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(xù)操作同開關(guān)量相同，所有配置完成后保存信息于配置文件中。

（3）將點表數(shù)據(jù)文件與SCADA相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖4 OASyS點表轉(zhuǎn)換功能模塊示意圖

表5 OASyS點表轉(zhuǎn)換用例說明

2.3.2.2轉(zhuǎn)換配置

分析OASyS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集表、SCADA數(shù)據(jù)表和工程配置數(shù)據(jù)表，管理和配置與PCS數(shù)據(jù)表的對應(yīng)關(guān)系。

通過轉(zhuǎn)換配置管理功能，通過界面配置OASyS系統(tǒng)與PCS系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，并保存在對應(yīng)關(guān)系配置文件或數(shù)據(jù)庫關(guān)系表中，為工程數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出功能提供數(shù)據(jù)關(guān)系的支持。

表6 功能劃分表

圖5 OASyS工程轉(zhuǎn)換參數(shù)配置示意圖

表7 轉(zhuǎn)換參數(shù)配置用例說明

2.3.3PCS工程組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)配置

完成PCS工程標(biāo)準(zhǔn)畫面配置信息，為ViewStar圖形轉(zhuǎn)換提供校驗數(shù)據(jù)。在工程轉(zhuǎn)換時可能存在源文件中信息轉(zhuǎn)換后，部分內(nèi)容不符合PCS工程組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。對于這些不符合的內(nèi)容，通過在該頁面進(jìn)行配置后，在轉(zhuǎn)換時修正這些信息，完成轉(zhuǎn)換后的文件符合PCS工程組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)配置功能模塊示意圖

表9 OASyS轉(zhuǎn)換參數(shù)配置用例說明

2.3.4PCS工程校驗

轉(zhuǎn)換配置設(shè)定閥門、壓縮機(jī)等設(shè)備類型，管理和配置與PCS畫素庫的對應(yīng)關(guān)系。模擬運(yùn)算驗證導(dǎo)入的計算點是否可以正常、準(zhǔn)確地計算應(yīng)用，完成PCS系統(tǒng)計算點的校驗功能，為ViewStar點表轉(zhuǎn)換和OASyS點表轉(zhuǎn)換提供校驗數(shù)據(jù)。

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

畫素對應(yīng)關(guān)系檢驗：pnl文件和PCS工程中的畫素對應(yīng)關(guān)系的校驗。

圖7 PCSMigrator軟件功能設(shè)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(diào)控中心和各級站場中，應(yīng)遵循計算機(jī)信息系統(tǒng)安全保護(hù)等級劃分準(zhǔn)則（GB/T2239-2019）中的第三級進(jìn)行軟件安全設(shè)計。其可靠性、安全性應(yīng)滿足以下幾個方面的要求：

（1）系統(tǒng)或系統(tǒng)部件在規(guī)定的限度內(nèi)執(zhí)行指定的功能；

（2）程序的操作嚴(yán)格符合程序的規(guī)程；

（3）運(yùn)行速度匹配。數(shù)據(jù)輸入或輸出的速度符合系統(tǒng)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(tǒng)不期望的數(shù)據(jù)或指令；

（5）系統(tǒng)可用性必須達(dá)到99.98%。

2.4.2出錯處理

軟件出錯處理主要從軟件運(yùn)行和維護(hù)角度出發(fā)，對錯誤進(jìn)行統(tǒng)一全局考慮，統(tǒng)一處理。其重點考慮以下幾個方面：

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

（2）當(dāng)軟件出錯時，一方面給用戶提供詳細(xì)的通知信息，并提供完備的錯誤代碼和描述以幫助開發(fā)人員對錯誤進(jìn)行分析。同時，將錯誤統(tǒng)一歸檔處理。總之，軟件通過多種的錯誤處理機(jī)制和日志跟蹤，有機(jī)地實現(xiàn)軟件的容錯機(jī)制，保證軟件運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。

2.4.3可維護(hù)性及易用性

PCSMigrator軟件的可維護(hù)性及易用性指軟件功能容易被理解、易學(xué)習(xí)、易操作等。

為滿足以上要求，系統(tǒng)所選設(shè)備應(yīng)是符合現(xiàn)在國際標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通用產(chǎn)品，以便維護(hù)和升級。系統(tǒng)必須具有完整的技術(shù)資料，可對公用程序及函數(shù)提供接口調(diào)用說明，并可對用戶提供全部系統(tǒng)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(dú)立生成可運(yùn)行的完整系統(tǒng)。

系統(tǒng)應(yīng)具有簡便、易用的維護(hù)診斷工具，使系統(tǒng)維護(hù)人員可以迅速、準(zhǔn)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(tǒng)平臺上運(yùn)行，需能適應(yīng)不同版本內(nèi)核的UNIX或LINUX版本以及WindowsXP以上版本。

表10 PCSMigrator軟件性能指標(biāo)

3　運(yùn)行模式與界面

3.1　獨(dú)立運(yùn)行模式

獨(dú)立運(yùn)行模式是指不依賴于PCS系統(tǒng)可單獨(dú)運(yùn)行的模式。

PCSMigrator軟件是將現(xiàn)有的工程文件（主要是ViewStar系統(tǒng)和OASyS系統(tǒng)）轉(zhuǎn)換成PCS系統(tǒng)能夠識別的數(shù)據(jù)資源，可以不依賴于PCS系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，需要轉(zhuǎn)換時調(diào)用即可。這一運(yùn)行模式適用于場站、調(diào)控室等獨(dú)立環(huán)境，其登錄界面如圖8所示。

圖8 單獨(dú)登錄模式

3.2　內(nèi)嵌于PCS系統(tǒng)模式

內(nèi)嵌于PCS系統(tǒng)，如圖9所示，即將PCSMigrator軟件內(nèi)嵌于PCS系統(tǒng)中，無需單獨(dú)登錄。

圖9 PCS內(nèi)嵌登錄模式

說明：點擊工程轉(zhuǎn)換選項即可進(jìn)入PCSMigrator業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

3.3　菜單設(shè)計

PCSMigrator業(yè)務(wù)系統(tǒng)下屬有4個主要的功能模塊，包括ViewStar工程轉(zhuǎn)換、OASyS工程轉(zhuǎn)換、PCS工程組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)定遵循了界面友好、功能齊全、方便易用的原則。人機(jī)界面整體劃分為標(biāo)題欄、菜單欄、標(biāo)簽欄和編輯區(qū)四部分，如圖11所示。

圖11 PCSMigrator轉(zhuǎn)換及驗證主界面示意圖

4　結(jié)論

北京油氣調(diào)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(nèi)自主PCS軟件已進(jìn)入正式推廣應(yīng)用階段，現(xiàn)有國外軟件SCADA工程將逐步進(jìn)行國產(chǎn)化替代。本研究設(shè)計的PCSMigrator軟件實現(xiàn)了在役國外SCADA軟件ViewStar、OASyS與PCS系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了異構(gòu)油氣管道SCADA系統(tǒng)中的圖形及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、遷移等互操作，包括ViewStar工程轉(zhuǎn)換模塊、OASyS工程轉(zhuǎn)換模塊和PCS工程校驗?zāi)K，并替代了人工繪圖、配點等工程組態(tài)工作，大大降低了在役SCADA系統(tǒng)工程國產(chǎn)化替代工程建設(shè)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(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，主要研究方向為油氣管道自動化及計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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摘自《自動化博覽》2023年12月刊