基于设备的“图模库一体化”油气管道模型

祁国成 黄 河 闫 峰 孙 頔 蒋国栋

1.中国石油北京油气调控中心 2.北京科东电力控制系统有限责任公司

随着近年来中国长输油气管网的快速发展，管道的安全平稳运行对油气管道数据采集与监控（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系统的处理能力提出了更高的要求，不但要实时了解和掌握管道系统的运行情况，还要快速分析处理管道系统的各种事故工况，从而优化油气长输管道的运行方案［1－11］。

在生产过程中，油气管道SCADA系统需要传输大量数据［12］。在以往的SCADA系统中，这些数据和设备信息在数据层是分开进行管理的，在应用层才产生关联。针对应用层中所有的应用（比如管道的工艺流程），均需要编制业务（控制）逻辑。由于很多工艺流程是相似的，区别仅仅在于测量点不同，所以开发过程中存在大量重复的组态测试工作。

借鉴电力行业的一些成熟经验［13－18］，最新的国产油气管道SCADA系统软件PCS（Pipeline Control System）根据业务需求抽象定义出油气管道模型，将应用层的业务逻辑（如工艺流程控制逻辑）与数据剥离、用模型进行统一描述，采用“图模库一体化”技术建模，在数据层实现图形、设备和数据之间的关联，在应用层自动生成实际的业务逻辑。

在SCADA应用设计过程中比较常见的建模方法是面向对象的方法［19］。根据不同的业务需求，可以采用以设备为对象、以场站和连接管道为对象、以输送线的干路支路为对象等不同的建模方式。目前，油气管道行业内尚没有形成统一的模型。为此，急需建立一套较完备的管道基本模型，使之既能满足管道运行数据监测的需要，又能实现管道机组启停、阀门开关等较为基础的控制功能，还能实现较复杂的管道工艺流程。结合静态、动态数据，模型可以很好地支撑SCADA应用业务。

笔者根据油气管道生产运行实际需要，提出了一种基于设备的油气管道模型。该模型采用了一种特定的定义方法，描述了设备的种类、属性以及设备之间的关联关系和拓扑关系。按照“自顶向下、逐层展开”的原则，对油气管道系统中的各种设备进行了分析研究，建立了一套较完备的管道基本模型，为油气管道SCADA系统提供了信息基础，不仅能满足油气管道运行监视和远程控制的需要，还能为工艺流程分析控制等应用功能提供技术支持。

1 模型定义方法

中国石油天然气集团公司的长输油气管道沿线分布多个场站和阀室，所有的场站、阀室中均放置了各种设备。遵循“自顶向下、逐层展开”的设计原则，可按照“管道—场站（阀室）—设备”的层次进行逐次分解，对不同层次的实体进行抽象。管道、场站、阀室以及设备等资源属于某个地区公司，一条管道可能贯通多个行政区域（管道管理处），在某些业务应用中，需要描述这些实体所有管道资源的管理权限等信息。

因此，将设备选为模型的基本元素，将管道、场站、阀室、地区管道公司、管道管理处等信息视为设备之间一种潜在的关联关系，进而将模型定义为两大类，即设备模型和关联关系模型。设备模型用于描述管道设备信息，关联关系模型用于描述管道、场站、阀室、地区管道公司、管道管理处等实体。设备模型需引用关联关系模型的信息。为了进行管道的拓扑着色、油品批次跟踪等特殊计算，局部管段和站内管段也可视为设备。

油气管道系统中，每类典型管道设备均被映射为一种管道模型，有其特定的数据模式。参照IEC 61850－7－1标准［20］的模型定义方法，将应用中需要的设备物理信息进行抽象，形成基本的模型属性，并与真实的设备属性进行映射。此外，还为模型定制告警等必要的逻辑信息。

根据描述信息类型的不同，可将模型属性分为以下4类：①信息属性：相对固化的设备属性，包括名称、描述、工作特性、工艺特性、从属关系及其他物理信息；②状态属性：与设备及工艺相关的实时采集属性，包括温度、压力、流量、开闭状态及其他动态信息；③模式属性：与自动化维护相关的实时采集属性，包括远程控制、就地、手动、自动、检修及其他自动化信息；④告警属性：系统内运行过程中产生的报警、预警信息，包括故障、偏差、火灾、过载及其他越限告警信息。

针对以上属性，还应对其数据规格进行描述，并对特殊的限制条件加以说明。以阀门设备为例，其模型和设备之间的映射关系如图1所示。

图1 模型与设备（阀门）的映射关系图

对于管道、场站、阀室、地区管道公司、管道管理处等实体来说，其信息相对较固化，所以关联关系模型只需要定义信息属性即可。

2 基于设备的油气管道模型

根据油气管道生产运行实际需要，选定了多类典型的设备，包括空冷器、气化器、分析仪、压缩机、换热器、加热炉、流量计、混油处理装置、清管装置、管段、站内管段、泵、过滤器（分离器）、罐、阀、机组、供电设备、安保设备、可编程逻辑控制器（PLC）、不间断电源（UPS）等，加上管道、场站、阀室、地区管道公司、管道管理处等实体，按照前文描述的方法进行模型定义。

2.1 关联关系模型

首先，对管道等表示设备间关联关系的实体进行抽象定义。关联关系模型承载管道设备模型空间位置信息，同时支持管理、权限等应用的扩展，支持多层定义，层与层之间具有包含关系。

根据包含的信息类型不同，关联关系模型可分为空间关系模型和扩展关系模型。空间关系模型是管道简单地理信息的模型，比如管道、场站、阀室等；扩展关系模型用以描述管理、权限等信息，比如地区管道公司、管道管理处等。以空间关系模型为例，其模型信息如表1所示。

表1 部分空间关系模型信息表

2.2 设备模型

管道设备可以大致分为两类：与管道工艺直接相关的设备可称为工艺设备，管道工艺外围设备、安保设备及场站内基础设施可称为扩展设备。工艺设备包括空冷器、气化器、分析仪、压缩机、换热器、加热炉、流量计、混油处理装置、清管装置、管段、站内管段、泵、过滤器（分离器）、罐、阀等，扩展设备包括机组、供电设备、安保设备、PLC、UPS等。以典型的工艺设备为例，其模型信息如表2所示。

表2 部分工艺设备模型信息表

2.3 模型完整性

模型承载的信息用以支撑所有SCADA的上层应用，一个完整的模型信息应包含以下5个要素：①系统，整个SCADA系统的信息，所有模型都是系统的一部分，系统以系统号等属性作为唯一标识ID；②关联关系，关联关系模型存在层次渐进性，不同层次的关联关系模型承载了该层次的标识信息，在交互中逐层记录设备模型在系统内的空间位置及管理权限信息，以上信息最终由设备模型继承，并可生成设备在系统内唯一标识ID的前缀；③设备，系统内某一特定设备，例如阀、泵和压缩机等；④数据模式，根据模型各属性的数据规格及范围不同，选择不同的数据类型来定义该属性数据；⑤数据模式扩展，数据模式中可进一步详细描述数据的扩展属性，如限值和量程等。

模型交互情况如图2所示，5个要素之间存在聚合关系，并共同组成了完备的模型信息。

图2 模型交互示意图

图3 模型实例化示意图

系统、关联关系、设备、数据模式中的属性数据在实例化后均可在SCADA系统中生成唯一标识ID，并与真实世界中所有的管道、场站、阀室、设备以及设备上的测量点进行一一对应。通过唯一标识ID，即可在应用中对它们进行引用、查看、控制，进而在SCADA系统中完整地表示一整套管道自动化系统。

2.4 模型实例化

在油气管道SCADA系统中，模型是以类的形式进行设计的，为了描述真实世界的实体，必须实例化成对象，并在数据库中进行有效存储。

模型实例化的基本方法是按照特定的命名规则为实体进行命名，并作为在SCADA系统中的唯一标识ID。设备模型中的所有属性在实例化时均按照预定义的数据模式生成合法的值，并与真实的设备信息、采集数据进行关联（图3）。

3 模型的应用

基于设备的油气管道模型在PCS软件中得到了实际应用。首先，针对不同层次的实体，规划出不同种类的表，比如管道表、场站表、阀室表、设备表和测量点表等；其次，按照模型的定义和完整性要求为SCADA数据库设计模式；再次，通过编辑图形界面触发实例化过程，一体化录入设备和测量点等信息，在数据层实现设备信息、采集数据和图形界面的关联；最后，泛化业务逻辑，使用模型进行模板式的描述，使之与数据剥离，当启动应用时实际的业务逻辑将自动生成。

3.1 基于模型的SCADA数据库

为了引入油气管道模型，为PCS设计了与之相对应的SCADA数据库，包括管道表、场站表、阀室表、设备表和测量点表等不同类型的表。

测量点表是SCADA系统中底层的数据源，测量点和设备的状态属性产生关联，从而提供动态的设备状态采集信息。除测量点表外，数据库中各表的模式均对应一个特定模型的定义，也对应SCADA系统中的一个类；表中的每条记录均对应一个真实的实体，也对应系统中的一个实例化对象。

设备间的关联关系表现为不同表之间记录的关联引用。例如，同一个场站有多个阀，在数据库中则表现为场站表中一条记录关联阀、表的多条记录。

此外，设备间的拓扑连接结构通过连接设备（管段）属性项进行确立。

3.2 “图模库一体化”建模

当数据库创建完成后，就可以开始为真实的管道系统进行建模。

管道、场站、阀室、管理角色和权限等级等简单量小的固化信息，可以直接录入相应的表。已经配置调试好的采集通信数据点表也应该映射装入测量点表。完成以上工作之后，进而以“图模库一体化”的方式为所有需要监视控制的工艺流程进行建模。

以添加一个设备为例：首先在场站工艺流程图的图形界面上添加设备，和已有设备图形建立连接；然后确定添加，将自动生成实例及其唯一标识ID，并在相应的设备表中增加一条记录，关联关系对应的字段将自动录入相关实体在管道、场站等表中的唯一标识信息，连接设备（管段）字段将自动录入已连接设备在设备表中的唯一标识信息，从而生成该设备的关联关系和相关拓扑结构；接着继续完善该设备的信息属性等其他信息，相关数据将保存到对应字段中；最后将状态属性绑定测量点表中的数据点，将数据点的唯一标识ID存入相应字段，并定义扩展属性、设置是否报警。

重复以上过程，可以完成基本的工艺组态，能够满足基本的监视和控制需要。

3.3 业务逻辑自动生成

为了进一步提高PCS的自动化水平，可以将应用中的一些业务逻辑进行泛化，以模型为原子描述成模板，根据模型实例（设备）的自身属性及实例间的拓扑关系，实现业务逻辑的自动生成。

以某输气站出站区球阀为例，其工艺流程如图4所示。

图4 某输气站出站区工艺流程图

出站阀组的联合控制逻辑如下：为实现出站球阀（ESDV－1301）的平稳开启，在打开 ESDV－1301之前，应判断其两端的压力差值（PT－1303压力值减去PT－1301压力值的绝对值或PT－1303压力值减去PT－1302压力值的绝对值）。若压力差值小于或等于设定阈值则直接打开ESDV－1301；否则先打开旁通电动阀（XV－1305），待压力差值小于或等于设定值时，再打开ESDV－1301。在收到ESDV－1301的“阀全开”返回信号后，关闭XV－1305，使其处于“全关”状态。

在以往的SCADA系统中，要完成这一控制逻辑，必须根据工艺流程图，人工指定测量点PT－1301、PT－1302和PT－1303，同时指定设备 ESDV－1301和 XV－1305，并制订动作顺序和方式。为控制逻辑相同的其他出站区工艺流程进行组态时，需要重复制订，仅仅是选择不同的测量点和设备。

在PCS下，该工艺流程控制逻辑可以用“抠掉设备编号”的方式描述成模板。系统通过查询场站关联设备获取到出站球阀模型实例ESDV－1301；然后根据实例间的拓扑连接关系，获得ESDV－1301两端连接的压力测量点 PT－1301、PT－1302和 PT－1303以及 XV－1305的信息。将相关信息填入控制逻辑模板，系统就可以自动生成设备动作的控制逻辑。在其他控制原则相同的工艺区，均可照此流程自动生成控制逻辑。修改控制逻辑模板，所有相关的控制逻辑也将重新生成。

4 结论

根据油气管道生产运行的实际需要，针对以往油气管道SCADA系统中设备、数据相互孤立的弊端，提出了一种基于设备的油气管道模型。通过对油气管道系统中的各种设备进行分析研究，抽象出较完备的管道模型。基于该模型，采用“图模库一体化”的方式对管道进行建模，在实例化的过程中可以在数据层实现图形、设备和数据之间的关联，并在应用层自动生成实际的业务逻辑，能够基本满足远程监视控制和工艺流程分析等应用的需要，并大大减少了组态维护的工作量。该模型在PCS软件中得到了实际应用，为油气管道SCADA系统提供了良好的信息基础和扩展支持。

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