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)的標準消息傳遞協(xié)議。它被設(shè)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(shè)備。MQTT 協(xié)議具有以下特點：

• 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)備通過不可靠的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行連接。MQTT 對持久性會話的支持減少了將客戶端與代理重新連接的時間。
• 安全：MQTT 使您可以輕松地使用 TLS 加密消息并使用現(xiàn)代身份驗證協(xié)議（例如OAuth）對客戶端進行身份驗證。
  

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)。

本系列文章將詳細解讀 MQTT 協(xié)議在各行業(yè)實際應(yīng)用場景中是如何發(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、無線網(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)實現(xiàn)對油田終端設(shè)備的遠程管理，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存管用的效率、安全性和可擴展性。

在石油生產(chǎn)與運輸儲存場景中，通過工業(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)場實時數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)中心，以實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠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)改造的重點方向之一。

傳統(tǒng)石油生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集場景痛點

傳統(tǒng)采油廠通過現(xiàn)場專用無線或者有線網(wǎng)絡(luò)，將油井中的油壓、油溫、載荷、電量等數(shù)據(jù)實時傳送到 RTU 或者 PLC 中，再通過本地 SCADA 系統(tǒng)進行匯聚后存儲在生產(chǎn)作業(yè)區(qū)或者聯(lián)合站的控制室內(nèi)的數(shù)據(jù)庫。廠區(qū)中心機房需要定期從場站控制機房的數(shù)據(jù)庫中同步數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對多個作業(yè)區(qū)的數(shù)據(jù)匯聚。

隨著企業(yè)對實時數(shù)據(jù)消費需求越來越高，對邊緣數(shù)據(jù)庫的訪問頻率要求也隨之增加，在實際運行過程中逐漸暴露出以下問題：

• 場站數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲軟硬件老化，更新成本高；
• 隨著采集數(shù)據(jù)量不斷增加，整體性能開始無法滿足日益增長的數(shù)據(jù)需求；
• 廠區(qū)無法得到實時數(shù)據(jù)，對場站的實時管理監(jiān)控能力不足；
• 現(xiàn)場技術(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(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 MQTT 協(xié)議獲得采集匯聚與進一步處理，充分發(fā)揮其價值。

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 實現(xiàn)統(tǒng)一接入

在場站端，通過工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)軟件 Neuron 將現(xiàn)場采用 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，再將實時數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)將 MQTT 協(xié)議推送到廠區(qū)中心機房的數(shù)據(jù)接入平臺 EMQX。

對數(shù)據(jù)進行過濾處理并推送

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

采集數(shù)據(jù)實時移動至數(shù)據(jù)庫以供業(yè)務(wù)應(yīng)用

廠區(qū)中心機房的數(shù)據(jù)接入平臺 EMQX 將實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入后存儲到中心機房的數(shù)據(jù)庫中，各種業(yè)務(wù)應(yīng)用可以對接數(shù)據(jù)庫拉取相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

通過 MQTT 協(xié)議實時推送告警信息

生產(chǎn)設(shè)備報警、場站門禁報警等需要實時處理的數(shù)據(jù)可以由數(shù)據(jù)接入平臺 EMQX 通過 MQTT 協(xié)議推送到報警處理業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)快速處理。

使用 MQTT 協(xié)議進行設(shè)備實時監(jiān)控

廠區(qū)數(shù)據(jù)中心平臺也可以通過 MQTT 消息實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制與管理。

MQTT 協(xié)議帶來了什么？提高業(yè)務(wù)實時性

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)實時上報到廠區(qū)數(shù)據(jù)中心，使業(yè)務(wù)實時性大大提高。

降低軟硬件成本

MQTT 的輕量化設(shè)計使客戶端到服務(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 代替了場站側(cè)昂貴的 SCADA 系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集存儲服務(wù)器，使整體軟硬件成本降低超過 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)場設(shè)備數(shù)量與復(fù)雜度大大降低，現(xiàn)場運維負載度與人員成本可降低超過 70% 以上。

通過基于 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)場實時數(shù)據(jù)，從而通過這些高質(zhì)量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行遠程設(shè)備操作、井筒放置位置優(yōu)化分析、監(jiān)測作業(yè)環(huán)境控制排放、遠程輔助檢修等新業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)石油企業(yè)降本增效與業(yè)務(wù)創(chuàng)新。

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