基于面向对象的SCADA图模一体化建模研究与设计

刘红真，侯晓刚

（中控技术（西安）有限公司，西安 710000）

0 引言

自国内能源行业“十三五”规划发布以来，能源的改革力度进一步加大，中国油气管道行业在此基础上也推出了新的政策。从监控层面，迫切需要一个能够覆盖整个长输管线工程项目的分布式综合方案，使整个长输管线项目中的各种控制设备能够相互协调、安全高效地运行，并且可以及时准确地反馈各种信息，使整个工程项目处于实时的监视控制状态。

SCADA作为油气管线实时监视和调度控制的工具手段，其运行状态直接影响到整体的能源供应。长期以来国内大多数SCADA 项目面临技术陈旧、升级成本高等问题，其中对象化需求日益迫切。在管网监控项目中，存在大量的同类型监控设备，如储油罐、流量计、电磁阀等，每个设备都需要对关联各自特性的点位进行监控。同类型的设备所关联的变量基本相同，但是大多数现有SCADA 系统都是基于独立变量进行架构设计的，这就导致在组态过程中存在大量重复工作，并且变量与变量之间无法直观地表现其物理从属关系，当改变设备的某一动态特性时，需要对所有同类型设备逐一进行更改，不但导致重复工作量巨大，而且容易出现遗漏，导致工程实施难度增大[1]。

图模一体化是电力行业的技术，通过对实体设备的抽象，按照实际的关系进行组织，设备的参数信息加上电网运行外围环境的整体展示，形成一个与实际电网一致的全面信息化系统。参照图模一体化和面向对象的思想，本文设计实现了一种基于面向对象的SCADA 图模一体化解决方案。首先，对油气管线项目中的各类设备进行模型化抽象，建模信息包括设备的基本属性、图形、动作以及操作方法等；多个模型可以组成一个大型设备模型，并且设备模型也可复制扩展。然后，对各个模型进行实际设备的实例化和关系的组合可以构成整个管网的架构，当一批设备的属性需要改变时，可修改模型的逻辑以达到对实例化设备属性信息的统一修改。通过该方案解决了工程实施重复工作量巨大，易出现遗漏等问题，极大程度提升了工程组态效率，降低了维护成本。

1 SCADA面向对象模型技术分析

在SCADA 监控系统里存在大量相同的设备，这些设备的属性、图符样式和动态计算逻辑也一致。例如，当阀门处于高温报警状态时，不但需要在阀门图符上显示深色的闪烁，提示有异常的高温，而且也需要在报警栏中给出提醒“阀门高温报警”。大部分SCADA 系统都是基于离散变量架构设计的，虽然也可以动态配置模板、图符的信息，适配这种大批相似的逻辑，但是在报警的提示、报警查询、数据展示、历史数据的搜索中还是以离散变量进行，系统中未对阀门做结构化定义，因而无法从设备整体角度来分析、处理和统计。基于电力行业图模一体化CIM 模型的结构和面向对象的思想，将SCADA 系统内设备信息模型化处理，模型实例化后用来描述管线上设备、场站、区域内实体对象，可以做到真实设备的抽象，修改和升级也是非常方便的，适应了日常的升级和维护的需要。

1.1 CIM模型

CIM 是Common Information Model（公共信息模型）的缩写，它是对电力信息系统里模型的抽象，提供了抽象类和它们之间的关系用来表示电力系统的各个节点和关系，方便对电力系统的资源进行管理，提高了不同供应商EMS 系统应用的交互和集成。系统之间定义一种基于CIM 的公共语言（即语法和语义），使这些系统之间具有较低的耦合性，能够保证业务可扩展性和相互之间的兼容[2]。

CIM 采用面向对象的方式抽象系统中的实体，CIM中的每一个抽象类包含了描述和识别该类的具体实例的属性[3]。CIM 使用了UML（统一建模语言），它将CIM 定义成一组包。CIM 中的每一个包里定义了多个类图，用图形方式展示该包中的所有类及它们的关系。CIM 模型由13个包组成，这些包涵盖了发电、输电、变电、配电，以及终端售点在内的所有领域的电力对象。每个包代表电力系统模型的某个部分[4]，每个包里都是一组类的集合，每个类包含了类的属性和与此类有关系的类。在CIM 里定义了3 种类的关系：继承、关联和聚合。继承关系是隐式的，属于泛化关系。继承不仅包括了属性，而且还有类的关系，如图1 所示。

图1 CIM包继承关系Fig.1 CIM Package inheritance relationship

1.2 模型实现概述

基于CIM 模型的概念和面向对象的思想，在SCADA系统里可以对设备进行抽象，整个的抽象包括了设备的属性、动态和各个对象的关系。在油气管线中涉及的主要工艺设备包含：过滤器、清管装置、调压装置、计量装置、阀门等，这些都是SCADA 管道系统中监控的重点。油线管道场站的主要设备工艺包括：流量计、调压阀、泵机组、过滤器、密度分析仪和清管器等。

从整体的管道工艺来看，设备的相似度较高，可复用性强，从系统的管理上分为设备—场站—管线。每一层对象都可以进行抽象，抽象后的模型可以由属性、样式和行为3 个方面组成，具体的构成见表1。

表1 管道模型抽象Table 1 Pipeline model abstraction

属性基本信息中，一般有DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）、String（字符串），以及基本数据类型开关量、整型、浮点型、双精度浮点型、时间日期格式、IP 以及用户自定义类型等；属性的关系信息中，一般有管道、运输站与设备之间的包含关系，同样普通设备和合成设备之间的所有、关联关系（继承、简单关联和聚合）；管线、场站/阀室，一般都是静态属性信息描述以及关系信息描述；样式信息中，主要是基于基本属性绘制的设备外观和控制面板，可以和模型实例化后形成对应关系。行为信息中，一般有ON（开）、OFF（关）以及脚本功能，脚本功能主要是根据业务逻辑进行设备控制逻辑的运算，实现“图模一体化”应用。

图模一体化技术要求设备模型和设备展示（图符和面板等）应做到关联，即一个设备模型对应一个设备展示，反过来设备展示可以关联到多个设备模型上，但是均要求提供默认关联项。在展示和模型关联后，同时也支持对象的复制、继承应用。展示里同样需要支持设备静态属性、动态属性以及扩展属性，还需要支持脚本等二次开发技术的应用。

图模一体化，实现了油气关系中生产设备数据的抽象，把设备的相关参数和关于这些属性的运算逻辑、样式、控制面板进行了结构化的处理，实施时只要将这些模型实例化，并和具体的设备对应，便可以将这些数据快速部署到工程中，具体包括如下：

◇模型包含结构类型、图符、脚本、面板。

◇结构类型的引脚支持自定义，可引用I/O 变量、内存变量。

◇变量类型支持：DI、DO、AI、AO、String 和基本数据类型以及用户自定义类型等。

◇结构类型可以嵌套，但不能自身嵌套引用。

◇结构类型引脚属性支持：读写、初值、报警。

◇能够通过分组的方式管理对象模型、结构类型或实例。

◇结构类型的引脚可以使用趋势、日志功能。

◇结构类型和对象模型是一对多关系：同一个结构类型可以创建多个对象模型。

2 SCADA面向对象模型技术设计

2.1 SCADA系统模型定义

SCADA图模一体化通过自定义结构实现了模型的抽象，在具体应用中还需要对设备展示（图符和面板），与实际的结构关联。具体包含功能如下：

1）自定义结构

◇结构：浏览对象结构引脚信息，包括设备整个的各个属性信息（属性名、属性类型、属性类型和属性的类别）。

◇面板：指定对象关联的设备操作面板信息。在监控中添加该类型的面板时，默认弹出该面板。可以关联多个面板，提供“默认面板”列的单元格，即可将此行对应的面板设为默认面板。

◇图符：指定对象关联的流程图中图元显示信息。一个模型中图符也支持多个，在监控中添加该类型的图符时，支持默认图符设置。

2）图符和面板

◇流程图的基本功能使用。

◇流程图软件中简单对象、复杂对象、一般控件的定义及简介。

◇静态操作：如创建、选取、移动图形，改变图形大小、方向等。

21世纪主体地位的继续上升，物质空间的扩大，个性生存方式的转换使日常生活审美问题提上了议程。《文艺争鸣》2003年发表的一系列关于日常生活审美化的文章，开始了人们对这个问题的深入思考。日常生活审美化研究虽未形成正式流派，却是21世纪美学讨论中极重要的一个命题，加上它与21世纪的审美文化研究有千丝万缕的关系，以及21世纪受传媒支配的大众审美现实，日常生活审美化问题俨然已成为审美实践中一项主要主张。

◇可以将自定义图形保存为模板。

◇可以设置受位号数值影响的图形动态效果。

◇可以设置特殊控件的信息。

◇同一时间，软件支持打开多个图符、面板编辑界面，并且相互之间可复制粘贴其中的内容。

◇每个图符支持脚本，并且支持定时任务和逻辑计算操作。

2.2 SCADA模型实例化

SCADA 图模一体化通过模型的关联和属性动作实现了各对象的实例化，具体功能包含如下：

1）模型关联

◇系统模型选择：定义模型对应的结构，可以选择系统中所有模型。

◇结构引脚的关联：当前模型引脚与实际点位进行关联，可以关联当前系统中的位号量，可以按照地址进行绑定。

◇结构引脚的属性配置：基于当前引脚的属性可以和普通位号点一样，具备自身的属性和二次修改，如单位、量程、报警配置。

2）实现

◇属性：静态信息根据实际显示；动态信息，如实时值和普通位号变量的实现方式一致，样式图元和面板根据实际的动作、样式进行计算和显示。

◇动作：每个对象都有一套基于业务上支持计算的逻辑也就是动态动作，动作动态根据对象属性、业务逻辑进行事件、报警的计算。

图模一体化建模应用流程图如图2 所示。

图2 SCADA图模应用流程Fig.2 SCADA Pattern application process

3 应用

基于面向对象的模型研究与设计实现了SCADA 产品内业务逻辑的结构化处理，包含了对模型、对象的复制应用，同时支持设备的静态、动态属性可扩展，并且支持脚本的二次开发和应用。对设备进行建模后，可以将通用设备完成建模之后导出，其他项目中存在同样设备时，直接导入已建好的设备模型。然后，根据现场采集的数据实例化设备模型，极大地缩短了工程实施周期，并且让设备的数据信息之间、数据与图形之间形成整体的关联，不再孤立存在。

4 结束语

业界现有的油气管线SCADA 系统软件多是基于基本变量的架构设计，未引入模型的概念，数据的采集存储都是基于测量点变量进行设计的，设备和采集的设备数据之间是相互孤立的。基于CIM 定义和面向对象思想，实现SCADA 自定义图模一体化建模，可以更加快速、高效准确地进行项目组态，降低项目实施成本。通过对油气长输管线中的各种设备进行分析，抽象出比较完备的管线设备模型，既包含设备基本信息，又可以描述数据之间的关联关系，并且可以将数据跟设备图形关联起来，可以将行业中常用的设备进行图模一体化建模之后，在固化的系统软件中，新项目实施时，如果存在同类型设备，可以直接使用已经建模好的模型进行实例化使用，极大地缩短了工程实施周期。