概述

中石油华北油田第一采油厂位于河北省任丘市南部,1975 年投入开发建设,是华北油田成立最早的采油厂。工作区域分布在河间、任丘、文安、安新等地。

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。

本项目旨在基于物联网与云计算技术,通过远程配置与集中化存储方式,搭建云平台实现对生产数据实时采集。探索与实践一种切实可行的方法简化生产数据采集环节、降低运维管理难度。

挑战

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。

传统采油厂一般通过现场专用无线或者有线网络,将油井中的油压、功率、载荷、电流、电压等数据实时传送到 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:

  1. 硬件种类多、厂家多、协议多,采集软件年代不同、版本不同、厂家不同,定制化较强,需要依靠厂家进行加点扩容工作,产生二次费用,且操作复杂;
  2. 数据传输环节多、转换复杂、布置分散,运维难度大,需要依靠外部运维力量在现场进行运维,运维成本高、不自主可控;
  3. 厂区无法得到实时数据,对场站的实时管理监控能力不足。
  4. 采用技术较为老旧,升级困难、安全漏洞难以修补,整体性能无法支撑数据快速增长的需求,数据没有规范化设计、异构严重、整合困难。

解决方案

本项目采用了边云协同架构实现了对油田终端设备的实时数据采集和有效管理。项目中采用了 EMQ 提供的相关套件来实现,包括:边缘工业协议网关软件 Neuron、物联网边缘分析/流式处理软件 eKuiper、运行在 Intel X86 上的云原生分布式物联网消息服务器 EMQX Enterprise 以及 EMQ 云边协同管理平台。

边缘硬件设备

边缘工业软网关以及边缘计算单元运行在场站控制室的 Linux 服务器中,该服务器作为边缘硬件设备,与油田终端设备所在的生产网络之间网络连通。

边缘工业软网关

本项目采用 Neuron 作为工业软网关,将工业数据传输协议解析成为标准的 MQTT 协议,并发布到中心 Broker 集群。

在南向数据采集方面,Neuron 通过 Modbus-TC P与串口服务器 /DTU 通讯,完成对现场仪表的常规数据采集、读仪表参数、示功图采集、电量图采集和专项数据采集等; Neuron 支持 Modbus-TCP Server、 Modbus-TCP Client 两种模式。

Neuron 支持 10000+ 数据点的秒级采集功能,并支持数据的双向传递,数据上报及指令下发。

边缘计算单元

边缘计算单元 eKuiper 是轻量级物联网边缘分析、流式处理开源软件,可以运行在各类资源受限的边缘设备上。eKuiper 结合边缘流式数据处理的特点,采用基于数据源(source)- 业务处理逻辑(rule)- 目标(sink)的规则引擎来进行流式计算。

本方案中 eKuiper 定时从 HTTP 服务器中拉取数据,经过规则处理后,以 MQTT 协议转发数据到中心控制室的 EMQX Enterprise。

中心 Broker

中心 Broker 采用企业级物联网数据接入中间件 EMQX Enterprise,可以实现以下功能:

  • 通过 MQTT 协议接入从 Neuron、eKuiper 以及其他支持 MQTT、HTTP 协议的设备上报的采集数据,并进行统一数据汇聚与数据存储;
  • 提供内置规则引擎支持将设备上报数据分发到多种第三方存储,包括时序数据库(InfluxDB、TDengine 等)、关系型数据库 (MySQL、PostgreSQL、SQLServer 等);
  • 规则引擎通过调用 HTTP API 的方式推送数据到第三方应用;
  • 上层应用通过 MQTT 订阅的方式,读取现场设备上报到 EMQX Enterprise 的数据;上层应用也可以通过数据库存储获取数据;
  • 支持指令下发,上层应用通过 EMQX Enterprise HTTP API 功能,指令最终下发到 Neuron,Neuron 再通过 Modbus-TCP 向现场设备下发指令。

云边协同管理软件

EMQ 边缘管理平台是基于 EMQ 核心产品构建的基础 IoT 平台框架,提供云边协同、EMQX 集群管理等 IoT 平台核心功能。

由于边缘设备众多,手动进行 SSH 连接或者 Web 访问登录配置每一台边缘设备要耗费很大的工作量,很多时候用户需要从云端对边缘设备提供的 HTTP 服务进行访问(边缘设备一般没有公网 IP),方便用户在局域网内通过浏览器查看服务的状态或者进行相应的设置。

通过 EMQ 云边协同管理平台建立基于 TCP 或 MQTT 协议实现的边缘端设备发现与管理的云边通道,可以通过底层 API 实现由云到边服务的访问。通过在中心控制室部署 EMQ 云边协同管理平台,通过统一的入口、界面来管理所有连接的设备,在中心侧实现对 Neuron 的数据采集功能、查看数据点实时值以及告警日志查询等功能,对 eKuiper 的数据流配置、规则配置以及实时监控等功能。

利用了最新的物联网技术,通过 Neuron + eKuiper + EMQX Enterprise 的组合应用,实现了包括石油行业各类仪器仪表的并发接入,在场站端实现了多厂家各类设备数据格式的标准化、统一化,为构筑智能应用提供了高质量的数据支撑。

EMQX Enterprise 支持可弹性扩展的集群模式,随着业务增长可以不停机拓展集群规模,单个集群可以处理百万 TPS 的消息并发,随着智能仪器仪表的扩充以及业务场景对数据采集频率更快的情形下,数据架构层具备良好的可扩展性和稳定性。

通过 EMQ 云边协同的实时数据采集与管理系统,打造了一套新型物联网数据采集与管理平台方案。帮助我厂实现了轻前端、重后端的统一平台架构,减少了现场采集与存储系统的复杂性,降低了运维成本。

统一的数据接入平台为后端组态软件开发提供了灵活的数据接口,减小了系统集成的复杂度,大大降低了研发成本,提高了开发效率,帮助我们更加快速地开发创新业务应用。

项目结构图

项目结构图

成果

经济效益

  • 节约采集系统运维费约 33 万元/年
  • 节约点位接入费,约 14.25 万元/年。
  • 已接入机柜间温湿度数据 14 处、输油管线 8 处、抽油井 45 口、拉油罐 8 处。共节约数据接入费约 8.25 万元。

社会效益

  • 该平台具有轻量化、高可靠、低延时、高吞吐量等特点,有效提升业务实时性。
  • 采用云化部署,简化数据采集环节,提升数据传输效率,提高数据稳定性,为数据传输开通高速通道,在华北油田公司范围内具有首创性及示范意义。
  • 减少现场硬件布置,降低运维难度,实现了统一采集、统一处理、统一存储,从源头规范化数据,便于数据共享,改变了原有的格局。
  • 拥有自主知识产权,实现了自主可控、高效可靠的新形态的数据采集系统,有效降低传统运维成本。
  • 为我厂数字化转型提供技术支持,支撑后期数字化建设高质量发展,为日后深度数据应用埋下伏笔。
  • 通过 EMQ 云边协同的实时数据采集与管理系统,将现场设备在中心控制室进行统一管控,现场运维负载度与人员成本降低 70% 以上。

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