采用MQTT实现电子流量测量的现代化

要讨论现代化的电子流量测量(EFM)，让我们从头开始。

1980年，我在阿莫科石油公司(Amoco Oil)工作，EFM，即测量通过管道的石油或天然气流量，是用圆形图表记录仪计算的。

一个大针会记录下一个月的压力和温度，如果墨水没有耗尽或没有被老鼠吃掉，就会有人亲自收集圆形图表(图1)。然后，工程师们会用计算器将温度和压力整合起来，以确定体积。你可以想象一个工程师的办公室里有几百张这样的纸质图表，办公室里的人试图理解这些数据。

在20世纪80年代早期的某个时候，有人意识到数据可以通过电子方式测量并在计算机上集成。最终，美国石油学会(API)发布了一项标准，规定如果你要测量石油和天然气，然后出售，测量必须是精确的。

为了更好地实现EFM自动化，世界各地的公司都安装了数以百万计的流量计算机。在接下来的30年里，EFM出现了十几个不同的制造商和十几个协议。

因此，今天我们看到了一个异构的、遗留的EFM基础设施，其中包含许多特定于客户的专有解决方案。一些石油和天然气公司拥有数千台流量计算机;因此，升级到新技术并不容易。技术人员必须出去拆除/卸载流程计算机，然后重新安装新设备。当你花费数万美元对每台流计算机进行现代化时，成本往往是令人望而却步的。

更不用说，目前该领域的流量计算机是准确的。他们的工作。我们都知道，如果东西没坏，就不要去修。问题不在于准确性，而在于一致性。

不同EFM数据类型的挑战

今天的流计算机具有双重任务，具有多个主机和多种数据类型，这不利于典型的SCADA过程。从操作的角度来看，实时操作数据包括配置、警报、事件和历史数据。根据API标准，这些数据点是原子的，这意味着它们需要保持在一起，并且您需要证明它们都是同时收集的，这是非常具有挑战性的。通过协议访问这些数据点。

流量计算机的另一边是收银机，上面写着，在过去的一个小时里，这条管道输送了x桶石油或x立方英尺天然气。另外，两小时前有人更改了流量计算机的校准。这种会计类型的数据访问方式不同，但使用的是同一种工具。

目前，EFM存在一些挑战，但主要的问题是大多数现有网络没有足够的带宽来满足所有这些数据需求．公司正在做出他们不应该做的决定——他们必须决定哪些数据被搁置，因为他们无法获得所有数据。由于带宽，他们牺牲了数据可用性。

网络没有足够带宽的原因是EFM协议是轮询/响应协议。在网络上，用户发出一个投票，等待流程计算机组装一个响应，响应返回，然后流程移动到下一个流程计算机。轮询/响应协议有限制，因为在网络上的轮询速度不够快，大量有价值的数据滞留在现场。

结论是，由于EFM的状态，用户必须选择他们想要留在字段中的数据——这不是一件好事。

EFM需求

即使用户保持现状，EFM仍然存在明显的挑战。那么，新的要求呢?人工智能、工艺优化、产量增加等技术在这个行业里沸沸扬扬。所有这些活动都意味着多个数据消费者，对带宽的压力更大，以及更多孤立的数据集。

好消息是，要实现这些技术，公司不需要重新配置整个系统。所有的设备都做得很好，我们只需要更好地获取数据。

现在，工厂可以稍微改善它的网络并获得更多的数据。但是，这些新的需求需要比以往任何时候都更多、更快的数据量。也许制造商要求一组5个过程变量，但现在他们想要100个。而不是每小时100个，而是每分钟100个。这些类型的改进是可能的，但必须做出改变。

一旦客户实现了数据点的增加，高级功能就会成为数据的副产品。如果你每分钟都能看到数据，你就可以通过使用这些数据来实现真正的智能，从而实现人工智能、预测性维护和其他新的应用程序。

我曾与一位客户合作，他推出了我们即将讨论的更改，并从每小时获得一次数据变成了每分钟一次。要实现这种可见性，他们需要重新培训他们的操作员，因为他们看到的是实时数据，而这是他们以前从未见过的。他们可以近乎实时地看到输油管道是如何运行的。忘掉优化或人工智能吧，只要有更多的可视性，他们就能更好地运营他们目前拥有的资产。

MQTT解决了EFM挑战

如果我们忘记过去35年的EFM技术，消除任何先入之见，今天发明了一些新的东西，我们希望它如何工作?我们需要一台连接到现代TCP/IP网络的流量计算机。我们想要连接，验证，然后找到我们想知道的一切。应该就是这么简单。

好消息是，有一种方法可以有效地做到这一点，利用我们今天所拥有的底层TCP/IP网络的所有优势。事实证明，我们不必使用民意调查/回应，有更好的方法。

1999年，我与IBM的Andy Stanford-Clark博士共同发明了MQ遥测传输(MQTT)，作为运行管道的开放标准。该项目为Phillips 66，他们希望在实时、关键任务SCADA系统中更有效地使用VSAT通信。多个数据使用者希望访问实时信息(参见图2)。

图3:基本MQTT体系结构允许通过发布/订阅协议提供无限客户端。图片来源:Cirrus Link[/caption]

MQTT是物联网解决方案中最常用的消息传递协议，但油气行业是时候追赶EFM了。我们不需要证明MQTT已经成为主要的物联网传输方式——每个人都在使用它，因为它简单、高效、运行占用的空间小。您可以发布任何主题的任何数据。

我们最近在Eclipse Tahu项目中创建了一个名为Sparkplug的规范，它定义了如何在关键任务的实时环境中使用MQTT。Sparkplug为工业应用程序定义了一个标准的MQTT主题名称空间、有效负载和会话状态管理，同时满足实时SCADA实现的需求。对于如何在EFM中使用MQTT, Sparkplug是一个很好的起点。

旧的EFM方法面临的挑战之一是处理原子数据。SCADA系统可以处理单个过程变量，但是将多个变量放在一起作为记录会给它们带来麻烦。MQTT可以将这种类型的数据作为记录发布。MQTT和Sparkplug可以将单个进程和记录作为一个整体对象处理，并具有数据标准化、数据在源处戳时间、作为不可变对象发送的数据以及存储和转发能力。

EFM和MQTT在实践中的应用

EFM在源端创建了大量的数据。有了MQTT，就有了一种标准的方式在整个企业中发送数据，所以无论什么设备或什么终端应用程序使用什么语言，它都只是一个数据，比如温度。所有这些后端系统现在都可以独立地使用温度。EFM数据可以连接到云端，连接到大数据应用程序——可能性是无限的。

让我们最后看一下在他们的EFM系统上实现MQTT的客户。该公司的首要目标是提高油井产量。使用MQTT，它可以每分钟调整一次井，而不是每小时一次，这使得油田效率提高了5%，或数亿美元。它能够消除三个不同的主机系统，每个系统代表数百个机架服务器，并使用一个大型MQTT代理将数据转移到一个真实数据源，从而极大地简化了整个基础设施。

业内的说法是，现代化EFM需要大量的财务投资以及大量的时间和精力。MQTT是开源的，可以在现有的遗留设备上实现。

原始内容可以在石油与天然气工程．

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