基于面向?qū)ο蟮腟CADA圖模一體化建模研究與設(shè)計(jì)

劉紅真，侯曉剛

（中控技術(shù)（西安）有限公司，西安 710000）

0 引言

自國內(nèi)能源行業(yè)“十三五”規(guī)劃發(fā)布以來，能源的改革力度進(jìn)一步加大，中國油氣管道行業(yè)在此基礎(chǔ)上也推出了新的政策。從監(jiān)控層面，迫切需要一個(gè)能夠覆蓋整個(gè)長輸管線工程項(xiàng)目的分布式綜合方案，使整個(gè)長輸管線項(xiàng)目中的各種控制設(shè)備能夠相互協(xié)調(diào)、安全高效地運(yùn)行，并且可以及時(shí)準(zhǔn)確地反饋各種信息，使整個(gè)工程項(xiàng)目處于實(shí)時(shí)的監(jiān)視控制狀態(tài)。

SCADA作為油氣管線實(shí)時(shí)監(jiān)視和調(diào)度控制的工具手段，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整體的能源供應(yīng)。長期以來國內(nèi)大多數(shù)SCADA 項(xiàng)目面臨技術(shù)陳舊、升級(jí)成本高等問題，其中對(duì)象化需求日益迫切。在管網(wǎng)監(jiān)控項(xiàng)目中，存在大量的同類型監(jiān)控設(shè)備，如儲(chǔ)油罐、流量計(jì)、電磁閥等，每個(gè)設(shè)備都需要對(duì)關(guān)聯(lián)各自特性的點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)控。同類型的設(shè)備所關(guān)聯(lián)的變量基本相同，但是大多數(shù)現(xiàn)有SCADA 系統(tǒng)都是基于獨(dú)立變量進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)的，這就導(dǎo)致在組態(tài)過程中存在大量重復(fù)工作，并且變量與變量之間無法直觀地表現(xiàn)其物理從屬關(guān)系，當(dāng)改變設(shè)備的某一動(dòng)態(tài)特性時(shí)，需要對(duì)所有同類型設(shè)備逐一進(jìn)行更改，不但導(dǎo)致重復(fù)工作量巨大，而且容易出現(xiàn)遺漏，導(dǎo)致工程實(shí)施難度增大[1]。

圖模一體化是電力行業(yè)的技術(shù)，通過對(duì)實(shí)體設(shè)備的抽象，按照實(shí)際的關(guān)系進(jìn)行組織，設(shè)備的參數(shù)信息加上電網(wǎng)運(yùn)行外圍環(huán)境的整體展示，形成一個(gè)與實(shí)際電網(wǎng)一致的全面信息化系統(tǒng)。參照?qǐng)D模一體化和面向?qū)ο蟮乃枷耄疚脑O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于面向?qū)ο蟮腟CADA 圖模一體化解決方案。首先，對(duì)油氣管線項(xiàng)目中的各類設(shè)備進(jìn)行模型化抽象，建模信息包括設(shè)備的基本屬性、圖形、動(dòng)作以及操作方法等；多個(gè)模型可以組成一個(gè)大型設(shè)備模型，并且設(shè)備模型也可復(fù)制擴(kuò)展。然后，對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行實(shí)際設(shè)備的實(shí)例化和關(guān)系的組合可以構(gòu)成整個(gè)管網(wǎng)的架構(gòu)，當(dāng)一批設(shè)備的屬性需要改變時(shí)，可修改模型的邏輯以達(dá)到對(duì)實(shí)例化設(shè)備屬性信息的統(tǒng)一修改。通過該方案解決了工程實(shí)施重復(fù)工作量巨大，易出現(xiàn)遺漏等問題，極大程度提升了工程組態(tài)效率，降低了維護(hù)成本。

1 SCADA面向?qū)ο竽Ｐ图夹g(shù)分析

在SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)里存在大量相同的設(shè)備，這些設(shè)備的屬性、圖符樣式和動(dòng)態(tài)計(jì)算邏輯也一致。例如，當(dāng)閥門處于高溫報(bào)警狀態(tài)時(shí)，不但需要在閥門圖符上顯示深色的閃爍，提示有異常的高溫，而且也需要在報(bào)警欄中給出提醒“閥門高溫報(bào)警”。大部分SCADA 系統(tǒng)都是基于離散變量架構(gòu)設(shè)計(jì)的，雖然也可以動(dòng)態(tài)配置模板、圖符的信息，適配這種大批相似的邏輯，但是在報(bào)警的提示、報(bào)警查詢、數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)的搜索中還是以離散變量進(jìn)行，系統(tǒng)中未對(duì)閥門做結(jié)構(gòu)化定義，因而無法從設(shè)備整體角度來分析、處理和統(tǒng)計(jì)。基于電力行業(yè)圖模一體化CIM 模型的結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢CADA 系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備信息模型化處理，模型實(shí)例化后用來描述管線上設(shè)備、場站、區(qū)域內(nèi)實(shí)體對(duì)象，可以做到真實(shí)設(shè)備的抽象，修改和升級(jí)也是非常方便的，適應(yīng)了日常的升級(jí)和維護(hù)的需要。

1.1 CIM模型

CIM 是Common Information Model（公共信息模型）的縮寫，它是對(duì)電力信息系統(tǒng)里模型的抽象，提供了抽象類和它們之間的關(guān)系用來表示電力系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)和關(guān)系，方便對(duì)電力系統(tǒng)的資源進(jìn)行管理，提高了不同供應(yīng)商EMS 系統(tǒng)應(yīng)用的交互和集成。系統(tǒng)之間定義一種基于CIM 的公共語言（即語法和語義），使這些系統(tǒng)之間具有較低的耦合性，能夠保證業(yè)務(wù)可擴(kuò)展性和相互之間的兼容[2]。

CIM 采用面向?qū)ο蟮姆绞匠橄笙到y(tǒng)中的實(shí)體，CIM中的每一個(gè)抽象類包含了描述和識(shí)別該類的具體實(shí)例的屬性[3]。CIM 使用了UML（統(tǒng)一建模語言），它將CIM 定義成一組包。CIM 中的每一個(gè)包里定義了多個(gè)類圖，用圖形方式展示該包中的所有類及它們的關(guān)系。CIM 模型由13個(gè)包組成，這些包涵蓋了發(fā)電、輸電、變電、配電，以及終端售點(diǎn)在內(nèi)的所有領(lǐng)域的電力對(duì)象。每個(gè)包代表電力系統(tǒng)模型的某個(gè)部分[4]，每個(gè)包里都是一組類的集合，每個(gè)類包含了類的屬性和與此類有關(guān)系的類。在CIM 里定義了3 種類的關(guān)系：繼承、關(guān)聯(lián)和聚合。繼承關(guān)系是隱式的，屬于泛化關(guān)系。繼承不僅包括了屬性，而且還有類的關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 CIM包繼承關(guān)系Fig.1 CIM Package inheritance relationship

1.2 模型實(shí)現(xiàn)概述

基于CIM 模型的概念和面向?qū)ο蟮乃枷耄赟CADA系統(tǒng)里可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行抽象，整個(gè)的抽象包括了設(shè)備的屬性、動(dòng)態(tài)和各個(gè)對(duì)象的關(guān)系。在油氣管線中涉及的主要工藝設(shè)備包含：過濾器、清管裝置、調(diào)壓裝置、計(jì)量裝置、閥門等，這些都是SCADA 管道系統(tǒng)中監(jiān)控的重點(diǎn)。油線管道場站的主要設(shè)備工藝包括：流量計(jì)、調(diào)壓閥、泵機(jī)組、過濾器、密度分析儀和清管器等。

從整體的管道工藝來看，設(shè)備的相似度較高，可復(fù)用性強(qiáng)，從系統(tǒng)的管理上分為設(shè)備—場站—管線。每一層對(duì)象都可以進(jìn)行抽象，抽象后的模型可以由屬性、樣式和行為3 個(gè)方面組成，具體的構(gòu)成見表1。

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

屬性基本信息中，一般有DI（數(shù)字量輸入）、DO（數(shù)字量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、String（字符串），以及基本數(shù)據(jù)類型開關(guān)量、整型、浮點(diǎn)型、雙精度浮點(diǎn)型、時(shí)間日期格式、IP 以及用戶自定義類型等；屬性的關(guān)系信息中，一般有管道、運(yùn)輸站與設(shè)備之間的包含關(guān)系，同樣普通設(shè)備和合成設(shè)備之間的所有、關(guān)聯(lián)關(guān)系（繼承、簡單關(guān)聯(lián)和聚合）；管線、場站/閥室，一般都是靜態(tài)屬性信息描述以及關(guān)系信息描述；樣式信息中，主要是基于基本屬性繪制的設(shè)備外觀和控制面板，可以和模型實(shí)例化后形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。行為信息中，一般有ON（開）、OFF（關(guān)）以及腳本功能，腳本功能主要是根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行設(shè)備控制邏輯的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)“圖模一體化”應(yīng)用。

圖模一體化技術(shù)要求設(shè)備模型和設(shè)備展示（圖符和面板等）應(yīng)做到關(guān)聯(lián)，即一個(gè)設(shè)備模型對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備展示，反過來設(shè)備展示可以關(guān)聯(lián)到多個(gè)設(shè)備模型上，但是均要求提供默認(rèn)關(guān)聯(lián)項(xiàng)。在展示和模型關(guān)聯(lián)后，同時(shí)也支持對(duì)象的復(fù)制、繼承應(yīng)用。展示里同樣需要支持設(shè)備靜態(tài)屬性、動(dòng)態(tài)屬性以及擴(kuò)展屬性，還需要支持腳本等二次開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用。

圖模一體化，實(shí)現(xiàn)了油氣關(guān)系中生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的抽象，把設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和關(guān)于這些屬性的運(yùn)算邏輯、樣式、控制面板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化的處理，實(shí)施時(shí)只要將這些模型實(shí)例化，并和具體的設(shè)備對(duì)應(yīng)，便可以將這些數(shù)據(jù)快速部署到工程中，具體包括如下：

◇模型包含結(jié)構(gòu)類型、圖符、腳本、面板。

◇結(jié)構(gòu)類型的引腳支持自定義，可引用I/O 變量、內(nèi)存變量。

◇變量類型支持：DI、DO、AI、AO、String 和基本數(shù)據(jù)類型以及用戶自定義類型等。

◇結(jié)構(gòu)類型可以嵌套，但不能自身嵌套引用。

◇結(jié)構(gòu)類型引腳屬性支持：讀寫、初值、報(bào)警。

◇能夠通過分組的方式管理對(duì)象模型、結(jié)構(gòu)類型或?qū)嵗?/p>

◇結(jié)構(gòu)類型的引腳可以使用趨勢、日志功能。

◇結(jié)構(gòu)類型和對(duì)象模型是一對(duì)多關(guān)系：同一個(gè)結(jié)構(gòu)類型可以創(chuàng)建多個(gè)對(duì)象模型。

2 SCADA面向?qū)ο竽Ｐ图夹g(shù)設(shè)計(jì)

2.1 SCADA系統(tǒng)模型定義

SCADA圖模一體化通過自定義結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了模型的抽象，在具體應(yīng)用中還需要對(duì)設(shè)備展示（圖符和面板），與實(shí)際的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。具體包含功能如下：

1）自定義結(jié)構(gòu)

◇結(jié)構(gòu)：瀏覽對(duì)象結(jié)構(gòu)引腳信息，包括設(shè)備整個(gè)的各個(gè)屬性信息（屬性名、屬性類型、屬性類型和屬性的類別）。

◇面板：指定對(duì)象關(guān)聯(lián)的設(shè)備操作面板信息。在監(jiān)控中添加該類型的面板時(shí)，默認(rèn)彈出該面板。可以關(guān)聯(lián)多個(gè)面板，提供“默認(rèn)面板”列的單元格，即可將此行對(duì)應(yīng)的面板設(shè)為默認(rèn)面板。

◇圖符：指定對(duì)象關(guān)聯(lián)的流程圖中圖元顯示信息。一個(gè)模型中圖符也支持多個(gè)，在監(jiān)控中添加該類型的圖符時(shí)，支持默認(rèn)圖符設(shè)置。

2）圖符和面板

◇流程圖的基本功能使用。

◇流程圖軟件中簡單對(duì)象、復(fù)雜對(duì)象、一般控件的定義及簡介。

◇靜態(tài)操作：如創(chuàng)建、選取、移動(dòng)圖形，改變圖形大小、方向等。

21世紀(jì)主體地位的繼續(xù)上升，物質(zhì)空間的擴(kuò)大，個(gè)性生存方式的轉(zhuǎn)換使日常生活審美問題提上了議程。《文藝爭鳴》2003年發(fā)表的一系列關(guān)于日常生活審美化的文章，開始了人們對(duì)這個(gè)問題的深入思考。日常生活審美化研究雖未形成正式流派，卻是21世紀(jì)美學(xué)討論中極重要的一個(gè)命題，加上它與21世紀(jì)的審美文化研究有千絲萬縷的關(guān)系，以及21世紀(jì)受傳媒支配的大眾審美現(xiàn)實(shí)，日常生活審美化問題儼然已成為審美實(shí)踐中一項(xiàng)主要主張。

◇可以將自定義圖形保存為模板。

◇可以設(shè)置受位號(hào)數(shù)值影響的圖形動(dòng)態(tài)效果。

◇可以設(shè)置特殊控件的信息。

◇同一時(shí)間，軟件支持打開多個(gè)圖符、面板編輯界面，并且相互之間可復(fù)制粘貼其中的內(nèi)容。

◇每個(gè)圖符支持腳本，并且支持定時(shí)任務(wù)和邏輯計(jì)算操作。

2.2 SCADA模型實(shí)例化

SCADA 圖模一體化通過模型的關(guān)聯(lián)和屬性動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了各對(duì)象的實(shí)例化，具體功能包含如下：

1）模型關(guān)聯(lián)

◇系統(tǒng)模型選擇：定義模型對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，可以選擇系統(tǒng)中所有模型。

◇結(jié)構(gòu)引腳的關(guān)聯(lián)：當(dāng)前模型引腳與實(shí)際點(diǎn)位進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以關(guān)聯(lián)當(dāng)前系統(tǒng)中的位號(hào)量，可以按照地址進(jìn)行綁定。

◇結(jié)構(gòu)引腳的屬性配置：基于當(dāng)前引腳的屬性可以和普通位號(hào)點(diǎn)一樣，具備自身的屬性和二次修改，如單位、量程、報(bào)警配置。

2）實(shí)現(xiàn)

◇屬性：靜態(tài)信息根據(jù)實(shí)際顯示；動(dòng)態(tài)信息，如實(shí)時(shí)值和普通位號(hào)變量的實(shí)現(xiàn)方式一致，樣式圖元和面板根據(jù)實(shí)際的動(dòng)作、樣式進(jìn)行計(jì)算和顯示。

◇動(dòng)作：每個(gè)對(duì)象都有一套基于業(yè)務(wù)上支持計(jì)算的邏輯也就是動(dòng)態(tài)動(dòng)作，動(dòng)作動(dòng)態(tài)根據(jù)對(duì)象屬性、業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行事件、報(bào)警的計(jì)算。

圖模一體化建模應(yīng)用流程圖如圖2 所示。

圖2 SCADA圖模應(yīng)用流程Fig.2 SCADA Pattern application process

3 應(yīng)用

基于面向?qū)ο蟮哪Ｐ脱芯颗c設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了SCADA 產(chǎn)品內(nèi)業(yè)務(wù)邏輯的結(jié)構(gòu)化處理，包含了對(duì)模型、對(duì)象的復(fù)制應(yīng)用，同時(shí)支持設(shè)備的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)屬性可擴(kuò)展，并且支持腳本的二次開發(fā)和應(yīng)用。對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模后，可以將通用設(shè)備完成建模之后導(dǎo)出，其他項(xiàng)目中存在同樣設(shè)備時(shí)，直接導(dǎo)入已建好的設(shè)備模型。然后，根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)實(shí)例化設(shè)備模型，極大地縮短了工程實(shí)施周期，并且讓設(shè)備的數(shù)據(jù)信息之間、數(shù)據(jù)與圖形之間形成整體的關(guān)聯(lián)，不再孤立存在。

4 結(jié)束語

業(yè)界現(xiàn)有的油氣管線SCADA 系統(tǒng)軟件多是基于基本變量的架構(gòu)設(shè)計(jì)，未引入模型的概念，數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)都是基于測量點(diǎn)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)的，設(shè)備和采集的設(shè)備數(shù)據(jù)之間是相互孤立的。基于CIM 定義和面向?qū)ο笏枷耄瑢?shí)現(xiàn)SCADA 自定義圖模一體化建模，可以更加快速、高效準(zhǔn)確地進(jìn)行項(xiàng)目組態(tài)，降低項(xiàng)目實(shí)施成本。通過對(duì)油氣長輸管線中的各種設(shè)備進(jìn)行分析，抽象出比較完備的管線設(shè)備模型，既包含設(shè)備基本信息，又可以描述數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且可以將數(shù)據(jù)跟設(shè)備圖形關(guān)聯(lián)起來，可以將行業(yè)中常用的設(shè)備進(jìn)行圖模一體化建模之后，在固化的系統(tǒng)軟件中，新項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，如果存在同類型設(shè)備，可以直接使用已經(jīng)建模好的模型進(jìn)行實(shí)例化使用，極大地縮短了工程實(shí)施周期。