MQTT 协议在石油行业数据采集中的应用

MQTT 协议概述

MQTT 是用于物联网的标准消息传递协议。它被设计为一种非常轻量级的发布/订阅消息传送,非常适合以较小的代码占用量和网络带宽连接远程设备。MQTT 协议具有以下特点:

  • 轻巧高效MQTT 客户端非常小,需要设备资源少。MQTT 消息头很小,可以优化网络带宽。
  • 双向通讯:MQTT 允许设备到云之间以及云到设备之间的消息传递。
  • 可靠的消息传递:MQTT 具有 3 种定义的服务质量级别:0-最多一次,1-至少一次,2-恰好一次,可根据业务场景保证消息传递的可靠性。
  • 支持不可靠网络:许多物联网设备通过不可靠的蜂窝网络进行连接。MQTT 对持久性会话的支持减少了将客户端与代理重新连接的时间。
  • 安全:MQTT 使您可以轻松地使用 TLS 加密消息并使用现代身份验证协议(例如OAuth)对客户端进行身份验证。

如今,MQTT 被广泛应用于汽车、制造业、电信、石油和天然气等行业。

本系列文章将详细解读 MQTT 协议在各行业实际应用场景中是如何发挥作用的。

石油行业中的物联网业务

随着物联网技术迅猛发展,新型信息传感设备以及各类有线、无线网络技术在石油勘探、生产与储运环境中逐渐普及使用。石油石化企业希望利用物联网技术实现对油田终端设备的远程管理,优化物联网数据存管用的效率、安全性和可扩展性。

在石油生产与运输储存场景中,通过工业边缘网关将传统工业总线协议与 PLC 协议转化成物联网 MQTT 协议,将现场实时数据传递到数据中心,以实现对现场数据远程采集与集中化管理,是目前石油石化企业生产监控技术改造的重点方向之一。

传统石油生产数据采集场景痛点

传统采油厂通过现场专用无线或者有线网络,将油井中的油压、油温、载荷、电量等数据实时传送到 RTU 或者 PLC 中,再通过本地 SCADA 系统进行汇聚后存储在生产作业区或者联合站的控制室内的数据库。厂区中心机房需要定期从场站控制机房的数据库中同步数据,实现对多个作业区的数据汇聚。

随着企业对实时数据消费需求越来越高,对边缘数据库的访问频率要求也随之增加,在实际运行过程中逐渐暴露出以下问题:

  • 场站数据采集与数据存储软硬件老化,更新成本高;

  • 随着采集数据量不断增加,整体性能开始无法满足日益增长的数据需求;

  • 厂区无法得到实时数据,对场站的实时管理监控能力不足;

  • 现场技术维护人员工作强度大,人工成本高。

基于 MQTT 协议的石油生产数据采集方案

得益于网络技术在石油行业中的普及,油田作业区与厂区之间已基本实现了网络联通,为物联网技术的引入提供了基础网络条件。各类生产数据也得以通过 MQTT 协议获得采集汇聚与进一步处理,充分发挥其价值。

以 EMQ 云边数据采集方案为例:

EMQ 云边数据采集方案

各类工业协议转换为 MQTT 实现统一接入

在场站端,通过工业数据采集网关软件 Neuron 将现场采用 Modbus-RTU、Modbus-TCP 协议的仪表数据转换成高可靠轻量化的 MQTT 协议,再将实时数据通过专网将 MQTT 协议推送到厂区中心机房的数据接入平台 EMQX

对数据进行过滤处理并推送

部分冗余数据或者其他系统数据,可以通过部署在场站端的轻量化数据处理软件 eKuiper 将数据进行过滤处理,将有意义的数据推送到厂区中心机房的数据接入平台 EMQX。

采集数据实时移动至数据库以供业务应用

厂区中心机房的数据接入平台 EMQX 将实时数据统一接入后存储到中心机房的数据库中,各种业务应用可以对接数据库拉取相关业务数据。

通过 MQTT 协议实时推送告警信息

生产设备报警、场站门禁报警等需要实时处理的数据可以由数据接入平台 EMQX 通过 MQTT 协议推送到报警处理业务系统中,实现实时数据快速处理。

使用 MQTT 协议进行设备实时监控

厂区数据中心平台也可以通过 MQTT 消息实现对现场设备的远程控制与管理。

MQTT 协议带来了什么?

提高业务实时性

MQTT 协议具有轻量化、高可靠 QoS 等特性,可以将大量生产作业区的设备以及系统数据实时上报到厂区数据中心,使业务实时性大大提高。

降低软硬件成本

MQTT 的轻量化设计使客户端到服务端的硬件需求大大降低。在 EMQ 云边数据采集方案中,在厂区中心机房的高可用 MQTT 消息服务器 EMQX 以及在生产做业务使用的轻量级边缘工业网关 Neuron 代替了场站侧昂贵的 SCADA 系统与数据采集存储服务器,使整体软硬件成本降低超过 50%。

节省人力成本

由于采用了轻前端、重后端的架构,现场设备数量与复杂度大大降低,现场运维负载度与人员成本可降低超过 70% 以上。

通过基于 MQTT 协议的数据采集架构,厂区数据中心可以获得各类现场实时数据,从而通过这些高质量的业务数据进行远程设备操作、井筒放置位置优化分析、监测作业环境控制排放、远程辅助检修等新业务应用,实现石油企业降本增效与业务创新。

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