MQTT 協議在石油行業數據采集中的應用

洞察基

MQTT 協議概述

MQTT 是用于物聯網的標準消息傳遞協議。它被設計為一種非常輕量級的發布/訂閱消息傳送，非常適合以較小的代碼占用量和網絡帶寬連接遠程設備。MQTT 協議具有以下特點：

• 輕巧高效：MQTT 客戶端非常小，需要設備資源少。MQTT 消息頭很小，可以優化網絡帶寬。
• 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 種定義的服務質量級別：0-最多一次，1-至少一次，2-恰好一次，可根據業務場景保證消息傳遞的可靠性。
• 支持不可靠網絡：許多物聯網設備通過不可靠的蜂窩網絡進行連接。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 加密消息并使用現代身份驗證協議（例如OAuth）對客戶端進行身份驗證。
  

如今，MQTT 被廣泛應用于汽車、制造業、電信、石油和天然氣等行業。

本系列文章將詳細解讀 MQTT 協議在各行業實際應用場景中是如何發揮作用的。

石油行業中的物聯網業務

隨著物聯網技術迅猛發展，新型信息傳感設備以及各類有線、無線網絡技術在石油勘探、生產與儲運環境中逐漸普及使用。石油石化企業希望利用物聯網技術實現對油田終端設備的遠程管理，優化物聯網數據存管用的效率、安全性和可擴展性。

在石油生產與運輸儲存場景中，通過工業邊緣網關將傳統工業總線協議與 PLC 協議轉化成物聯網 MQTT 協議，將現場實時數據傳遞到數據中心，以實現對現場數據遠程采集與集中化管理，是目前石油石化企業生產監控技術改造的重點方向之一。

傳統石油生產數據采集場景痛點

傳統采油廠通過現場專用無線或者有線網絡，將油井中的油壓、油溫、載荷、電量等數據實時傳送到 RTU 或者 PLC 中，再通過本地 SCADA 系統進行匯聚后存儲在生產作業區或者聯合站的控制室內的數據庫。廠區中心機房需要定期從場站控制機房的數據庫中同步數據，實現對多個作業區的數據匯聚。

隨著企業對實時數據消費需求越來越高，對邊緣數據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：

• 場站數據采集與數據存儲軟硬件老化，更新成本高；
• 隨著采集數據量不斷增加，整體性能開始無法滿足日益增長的數據需求；
• 廠區無法得到實時數據，對場站的實時管理監控能力不足；
• 現場技術維護人員工作強度大，人工成本高。
  
  

基于 MQTT 協議的石油生產數據采集方案

得益于網絡技術在石油行業中的普及，油田作業區與廠區之間已基本實現了網絡聯通，為物聯網技術的引入提供了基礎網絡條件。各類生產數據也得以通過 MQTT 協議獲得采集匯聚與進一步處理，充分發揮其價值。

以 EMQ 云邊數據采集方案為例：

各類工業協議轉換為 MQTT 實現統一接入

在場站端，通過工業數據采集網關軟件 Neuron 將現場采用 Modbus-RTU、Modbus-TCP 協議的儀表數據轉換成高可靠輕量化的 MQTT 協議，再將實時數據通過專網將 MQTT 協議推送到廠區中心機房的數據接入平臺 EMQX。

對數據進行過濾處理并推送

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

采集數據實時移動至數據庫以供業務應用

廠區中心機房的數據接入平臺 EMQX 將實時數據統一接入后存儲到中心機房的數據庫中，各種業務應用可以對接數據庫拉取相關業務數據。

通過 MQTT 協議實時推送告警信息

生產設備報警、場站門禁報警等需要實時處理的數據可以由數據接入平臺 EMQX 通過 MQTT 協議推送到報警處理業務系統中，實現實時數據快速處理。

使用 MQTT 協議進行設備實時監控

廠區數據中心平臺也可以通過 MQTT 消息實現對現場設備的遠程控制與管理。

MQTT 協議帶來了什么？提高業務實時性

MQTT 協議具有輕量化、高可靠 QoS 等特性，可以將大量生產作業區的設備以及系統數據實時上報到廠區數據中心，使業務實時性大大提高。

降低軟硬件成本

MQTT 的輕量化設計使客戶端到服務端的硬件需求大大降低。在 EMQ 云邊數據采集方案中，在廠區中心機房的高可用 MQTT 消息服務器 EMQX 以及在生產做業務使用的輕量級邊緣工業網關 Neuron 代替了場站側昂貴的 SCADA 系統與數據采集存儲服務器，使整體軟硬件成本降低超過 50%。

節省人力成本

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

通過基于 MQTT 協議的數據采集架構，廠區數據中心可以獲得各類現場實時數據，從而通過這些高質量的業務數據進行遠程設備操作、井筒放置位置優化分析、監測作業環境控制排放、遠程輔助檢修等新業務應用，實現石油企業降本增效與業務創新。

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