MQTT 協(xié)議在石油行業(yè)數據采集中的應用

洞察基

MQTT 協(xié)議概述

MQTT 是用于物聯(lián)網(wǎng)的標準消息傳遞協(xié)議。它被設計為一種非常輕量級的發(fā)布/訂閱消息傳送，非常適合以較小的代碼占用量和網(wǎng)絡(luò )帶寬連接遠程設備。MQTT 協(xié)議具有以下特點(diǎn)：

• 輕巧高效：MQTT 客戶(hù)端非常小，需要設備資源少。MQTT 消息頭很小，可以?xún)?yōu)化網(wǎng)絡(luò )帶寬。
• 雙向通訊：MQTT 允許設備到云之間以及云到設備之間的消息傳遞。
• 可靠的消息傳遞：MQTT 具有 3 種定義的服務(wù)質(zhì)量級別：0-最多一次，1-至少一次，2-恰好一次，可根據業(yè)務(wù)場(chǎng)景保證消息傳遞的可靠性。
• 支持不可靠網(wǎng)絡(luò )：許多物聯(lián)網(wǎng)設備通過(guò)不可靠的蜂窩網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接。MQTT 對持久性會(huì )話(huà)的支持減少了將客戶(hù)端與代理重新連接的時(shí)間。
• 安全：MQTT 使您可以輕松地使用 TLS 加密消息并使用現代身份驗證協(xié)議（例如OAuth）對客戶(hù)端進(jìn)行身份驗證。
  

如今，MQTT 被廣泛應用于汽車(chē)、制造業(yè)、電信、石油和天然氣等行業(yè)。

本系列文章將詳細解讀 MQTT 協(xié)議在各行業(yè)實(shí)際應用場(chǎng)景中是如何發(fā)揮作用的。

石油行業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，新型信息傳感設備以及各類(lèi)有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在石油勘探、生產(chǎn)與儲運環(huán)境中逐漸普及使用。石油石化企業(yè)希望利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現對油田終端設備的遠程管理，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)數據存管用的效率、安全性和可擴展性。

在石油生產(chǎn)與運輸儲存場(chǎng)景中，通過(guò)工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān)將傳統工業(yè)總線(xiàn)協(xié)議與 PLC 協(xié)議轉化成物聯(lián)網(wǎng) MQTT 協(xié)議，將現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據傳遞到數據中心，以實(shí)現對現場(chǎng)數據遠程采集與集中化管理，是目前石油石化企業(yè)生產(chǎn)監控技術(shù)改造的重點(diǎn)方向之一。

傳統石油生產(chǎn)數據采集場(chǎng)景痛點(diǎn)

傳統采油廠(chǎng)通過(guò)現場(chǎng)專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)或者有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，將油井中的油壓、油溫、載荷、電量等數據實(shí)時(shí)傳送到 RTU 或者 PLC 中，再通過(guò)本地 SCADA 系統進(jìn)行匯聚后存儲在生產(chǎn)作業(yè)區或者聯(lián)合站的控制室內的數據庫。廠(chǎng)區中心機房需要定期從場(chǎng)站控制機房的數據庫中同步數據，實(shí)現對多個(gè)作業(yè)區的數據匯聚。

隨著(zhù)企業(yè)對實(shí)時(shí)數據消費需求越來(lái)越高，對邊緣數據庫的訪(fǎng)問(wèn)頻率要求也隨之增加，在實(shí)際運行過(guò)程中逐漸暴露出以下問(wèn)題：

• 場(chǎng)站數據采集與數據存儲軟硬件老化，更新成本高；
• 隨著(zhù)采集數據量不斷增加，整體性能開(kāi)始無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的數據需求；
• 廠(chǎng)區無(wú)法得到實(shí)時(shí)數據，對場(chǎng)站的實(shí)時(shí)管理監控能力不足；
• 現場(chǎng)技術(shù)維護人員工作強度大，人工成本高。
  
  

基于 MQTT 協(xié)議的石油生產(chǎn)數據采集方案

得益于網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在石油行業(yè)中的普及，油田作業(yè)區與廠(chǎng)區之間已基本實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )聯(lián)通，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入提供了基礎網(wǎng)絡(luò )條件。各類(lèi)生產(chǎn)數據也得以通過(guò) MQTT 協(xié)議獲得采集匯聚與進(jìn)一步處理，充分發(fā)揮其價(jià)值。

以 EMQ 云邊數據采集方案為例：

各類(lèi)工業(yè)協(xié)議轉換為 MQTT 實(shí)現統一接入

在場(chǎng)站端，通過(guò)工業(yè)數據采集網(wǎng)關(guān)軟件 Neuron 將現場(chǎng)采用 Modbus-RTU、Modbus-TCP 協(xié)議的儀表數據轉換成高可靠輕量化的 MQTT 協(xié)議，再將實(shí)時(shí)數據通過(guò)專(zhuān)網(wǎng)將 MQTT 協(xié)議推送到廠(chǎng)區中心機房的數據接入平臺 EMQX。

對數據進(jìn)行過(guò)濾處理并推送

部分冗余數據或者其他系統數據，可以通過(guò)部署在場(chǎng)站端的輕量化數據處理軟件 eKuiper 將數據進(jìn)行過(guò)濾處理，將有意義的數據推送到廠(chǎng)區中心機房的數據接入平臺 EMQX。

采集數據實(shí)時(shí)移動(dòng)至數據庫以供業(yè)務(wù)應用

廠(chǎng)區中心機房的數據接入平臺 EMQX 將實(shí)時(shí)數據統一接入后存儲到中心機房的數據庫中，各種業(yè)務(wù)應用可以對接數據庫拉取相關(guān)業(yè)務(wù)數據。

通過(guò) MQTT 協(xié)議實(shí)時(shí)推送告警信息

生產(chǎn)設備報警、場(chǎng)站門(mén)禁報警等需要實(shí)時(shí)處理的數據可以由數據接入平臺 EMQX 通過(guò) MQTT 協(xié)議推送到報警處理業(yè)務(wù)系統中，實(shí)現實(shí)時(shí)數據快速處理。

使用 MQTT 協(xié)議進(jìn)行設備實(shí)時(shí)監控

廠(chǎng)區數據中心平臺也可以通過(guò) MQTT 消息實(shí)現對現場(chǎng)設備的遠程控制與管理。

MQTT 協(xié)議帶來(lái)了什么？提高業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性

MQTT 協(xié)議具有輕量化、高可靠 QoS 等特性，可以將大量生產(chǎn)作業(yè)區的設備以及系統數據實(shí)時(shí)上報到廠(chǎng)區數據中心，使業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性大大提高。

降低軟硬件成本

MQTT 的輕量化設計使客戶(hù)端到服務(wù)端的硬件需求大大降低。在 EMQ 云邊數據采集方案中，在廠(chǎng)區中心機房的高可用 MQTT 消息服務(wù)器 EMQX 以及在生產(chǎn)做業(yè)務(wù)使用的輕量級邊緣工業(yè)網(wǎng)關(guān) Neuron 代替了場(chǎng)站側昂貴的 SCADA 系統與數據采集存儲服務(wù)器，使整體軟硬件成本降低超過(guò) 50%。

節省人力成本

由于采用了輕前端、重后端的架構，現場(chǎng)設備數量與復雜度大大降低，現場(chǎng)運維負載度與人員成本可降低超過(guò) 70% 以上。

通過(guò)基于 MQTT 協(xié)議的數據采集架構，廠(chǎng)區數據中心可以獲得各類(lèi)現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據，從而通過(guò)這些高質(zhì)量的業(yè)務(wù)數據進(jìn)行遠程設備操作、井筒放置位置優(yōu)化分析、監測作業(yè)環(huán)境控制排放、遠程輔助檢修等新業(yè)務(wù)應用，實(shí)現石油企業(yè)降本增效與業(yè)務(wù)創(chuàng )新。

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