MQTT 協(xié)議在石油行業(yè)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

洞察基

MQTT 協(xié)議概述

MQTT 是用于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)消息傳遞協(xié)議。它被設(shè)計(jì)為一種非常輕量級(jí)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(yuǎn)程設(shè)備。MQTT 協(xié)議具有以下特點(diǎn)：

• 輕巧高效：MQTT 客戶端非常小，需要設(shè)備資源少。MQTT 消息頭很小，可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬。
• 雙向通訊：MQTT 允許設(shè)備到云之間以及云到設(shè)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(jí)別：0-最多一次，1-至少一次，2-恰好一次，可根據(jù)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(shè)備通過(guò)不可靠的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。MQTT 對(duì)持久性會(huì)話的支持減少了將客戶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(xiàn)代身份驗(yàn)證協(xié)議（例如OAuth）對(duì)客戶端進(jìn)行身份驗(yàn)證。
  

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

本系列文章將詳細(xì)解讀 MQTT 協(xié)議在各行業(yè)實(shí)際應(yīng)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)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，新型信息傳感設(shè)備以及各類有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在石油勘探、生產(chǎn)與儲(chǔ)運(yùn)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(xiàn)對(duì)油田終端設(shè)備的遠(yuǎn)程管理，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存管用的效率、安全性和可擴(kuò)展性。

在石油生產(chǎn)與運(yùn)輸儲(chǔ)存場(chǎng)景中，通過(guò)工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān)將傳統(tǒng)工業(yè)總線協(xié)議與 PLC 協(xié)議轉(zhuǎn)化成物聯(lián)網(wǎng) MQTT 協(xié)議，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集與集中化管理，是目前石油石化企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控技術(shù)改造的重點(diǎn)方向之一。

傳統(tǒng)石油生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景痛點(diǎn)

傳統(tǒng)采油廠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)專用無(wú)線或者有線網(wǎng)絡(luò)，將油井中的油壓、油溫、載荷、電量等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到 RTU 或者 PLC 中，再通過(guò)本地 SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行匯聚后存儲(chǔ)在生產(chǎn)作業(yè)區(qū)或者聯(lián)合站的控制室內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)。廠區(qū)中心機(jī)房需要定期從場(chǎng)站控制機(jī)房的數(shù)據(jù)庫(kù)中同步數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)作業(yè)區(qū)的數(shù)據(jù)匯聚。

隨著企業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)消費(fèi)需求越來(lái)越高，對(duì)邊緣數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)頻率要求也隨之增加，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中逐漸暴露出以下問(wèn)題：

• 場(chǎng)站數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟硬件老化，更新成本高；
• 隨著采集數(shù)據(jù)量不斷增加，整體性能開始無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求；
• 廠區(qū)無(wú)法得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)場(chǎng)站的實(shí)時(shí)管理監(jiān)控能力不足；
• 現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)維護(hù)人員工作強(qiáng)度大，人工成本高。
  
  

基于 MQTT 協(xié)議的石油生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(qū)與廠區(qū)之間已基本實(shí)現(xiàn)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(chǔ)網(wǎng)絡(luò)條件。各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集方案為例：

各類工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換為 MQTT 實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接入

在場(chǎng)站端，通過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)軟件 Neuron 將現(xiàn)場(chǎng)采用 Modbus-RTU、Modbus-TCP 協(xié)議的儀表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高可靠輕量化的 MQTT 協(xié)議，再將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)專網(wǎng)將 MQTT 協(xié)議推送到廠區(qū)中心機(jī)房的數(shù)據(jù)接入平臺(tái) EMQX。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理并推送

部分冗余數(shù)據(jù)或者其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)部署在場(chǎng)站端的輕量化數(shù)據(jù)處理軟件 eKuiper 將數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理，將有意義的數(shù)據(jù)推送到廠區(qū)中心機(jī)房的數(shù)據(jù)接入平臺(tái) EMQX。

采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)移動(dòng)至數(shù)據(jù)庫(kù)以供業(yè)務(wù)應(yīng)用

廠區(qū)中心機(jī)房的數(shù)據(jù)接入平臺(tái) EMQX 將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入后存儲(chǔ)到中心機(jī)房的數(shù)據(jù)庫(kù)中，各種業(yè)務(wù)應(yīng)用可以對(duì)接數(shù)據(jù)庫(kù)拉取相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

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

生產(chǎn)設(shè)備報(bào)警、場(chǎng)站門禁報(bào)警等需要實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)可以由數(shù)據(jù)接入平臺(tái) EMQX 通過(guò) MQTT 協(xié)議推送到報(bào)警處理業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速處理。

使用 MQTT 協(xié)議進(jìn)行設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控

廠區(qū)數(shù)據(jù)中心平臺(tái)也可以通過(guò) MQTT 消息實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)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(qū)的設(shè)備以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)到廠區(qū)數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)使客戶端到服務(wù)端的硬件需求大大降低。在 EMQ 云邊數(shù)據(jù)采集方案中，在廠區(qū)中心機(jī)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(jí)邊緣工業(yè)網(wǎng)關(guān) Neuron 代替了場(chǎng)站側(cè)昂貴的 SCADA 系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)服務(wù)器，使整體軟硬件成本降低超過(guò) 50%。

節(jié)省人力成本

由于采用了輕前端、重后端的架構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量與復(fù)雜度大大降低，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維負(fù)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(shù)據(jù)采集架構(gòu)，廠區(qū)數(shù)據(jù)中心可以獲得各類現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而通過(guò)這些高質(zhì)量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備操作、井筒放置位置優(yōu)化分析、監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境控制排放、遠(yuǎn)程輔助檢修等新業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)石油企業(yè)降本增效與業(yè)務(wù)創(chuàng)新。

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