基于边缘计算的智能RTU系统在油气田的应用研究_郑骏伟.pdf

摘要：数字化和智能化的时代背景下，随着AI、大数据、云计算、物联网等技术的发展和应用，自控设备也逐步向智能化发展。自2012年以来，油气田公司持续开展数字化气田建设工作，新建场站数字化覆盖率逐步提高。但随着数字化建设的不断深入和推进，也出现了许多新情况、新问题。如早期建设的RTU对偏远现场的设备监测能力不足，需增加以太网扩展模块、HART采集器、物联网关等补充相关功能，加大了成本和集成难度；智能化程度低，仅满足数据采集和部分逻辑控制，不具备趋势分析、数据清洗等边缘计算能力；数据可靠性机制缺失，未引入掉电保护、数据缓存、重发等机制。提出了一种基于边缘计算的智能RTU系统，通过利用边缘计算、容器技术等智能技术，解决当前油气田RTU存在运维、安全、智能化方面的问题，实现远程部署、边缘计算。关键词：RTU；边缘计算；自控；智能化Abstract:In the era of digitization and intelligence,with the development and application of technologies such as AI,big data,cloud computing,and the Internet of Things,automatic control equipment is gradually developing towards intelli-gence.Since 2012,the oil and gas field company has continued to carry out digital gas field construction,and the digitalcoverage rate of newly built stations has gradually increased.However,with the continuous deepening and advancement ofdigital construction,many new situations and new problems have also emerged.For example,the RTU built in the earlystage has insufficient monitoring capabilities for equipment in remote sites.It is necessary to add supplementary functionssuch as Ethernet expansion modules,HART collectors,and IoT gateways,which increases the cost and difficulty of integra-tion;the degree of intelligence is low,and it only meets data acquisition requirements.It does not have edge computingcapabilities such as trend analysis and data cleaning.The data reliability mechanism is missing,and mechanisms such aspower-down protection,data caching,and retransmission are not introduced.This paper proposes an intelligent RTU systembased on edge computing.By using intelligent technologies such as edge computing and container technology,it can solvethe problems of operation and maintenance,security and intelligence of RTU in current oil and gas fields,and realize re-mote deployment and edge computing.Keywords:RTU,edge computing,automatic control,intelligentRTU是Remote Terminal Unit（远程测控终端）的缩写，是一种以微处理器（CPU）为基础的智能装置，它以标准的模拟和数字输入、输出信号与工业生产现场的仪表及控制设备相连，实时采集所需要的各工艺参数，如压力、温度、流量、液位、阀门状态等，利用编程，实现就地控制，同时把有关数据进行整理，通过各种通讯接口利用不同的传输协议传给中心站，也可以接收来自中心站的远程控制信号，RTU是整个系统构成的核心1。一般RTU至少具备两种功能：数据采集及处理、数据传输（网络通信）。目前更多RTU还具备PID控制功能或逻辑控制功能、流量累计功能等。随着油气田建设信息化的快速普及，信息化油气田项目的建设发展也在逐渐完善。按照“十四五”信息化建设规划，油气田公司将加快推进油气田数字化转型和智能化发展，打造全面感知、自动操控、智能预测、持续优化为能力特征的智能油气田2。其中通过运用RTU增强了油气田信息化和自动化的实现，但当前油气田井站主要采用的以传统RTU为核心的控制系统，仅实现生产参数的采集、监测和部分逻辑控制等基础功能，且存在大量问题：一是井站RTU品牌、类型、系列较多，现场管理维护难度大；二是部分RTU设备硬件性能较弱，内存和Flash都只有16 Mbytes，无法安装嵌入式数据库等应用；三是大部分RTU网络安全功能缺失、未有入侵检测、访问控制等功能，存在网络安全隐患；四是大部分RTU系统未引入掉电保护、数据缓存、重发等机制，数据可靠性机制缺失；五是大部分RTU不具备运维管理功能，缺乏应用管理能力，无法根据场景的需求动态加载应用，无法实现应用的动态扩展和自动部署；六是当前RTU不具备数据智能分析能力，不具备趋势分析、数据清洗等边缘计算能力，智能化程度低。因此，针对上述问题本文提出了一种基于边缘计算的智能RTU技术，结合了物联网关、边缘计算、容器技术、工控安全等多项关键技术，提出满足油气田生产需要的智能RTU架构及设计，解决当前油气田RTU存在运维、安全、智能化方面的问题，实现远程部署、边缘计算，同时兼容主流控制通讯协议。1基于边缘计算的智能RTU系统1.1系统概况基于边缘计算的智能RTU系统结合了边缘计算、容器技术、工控安全等多项关键技术，使用通过安全加固的Linux系统，以边缘计算+云计算协调的架构设计，在保留传统RTU的数据采集功能的同时，兼容了主流的控制通讯协议，以及实现了数据的缓存、存储机制、系统安全、设备模型的规范化管理和云边协同。通过容器管理实现App的远程管理能力，实现App的资源（如CPU、内存等）管控，以及远程重启、停止等功能。以App的形式，通过系统边缘计算技术，实现趋势分析、数据清洗、设备联动等边缘计算能力。引进完善的安全体系，包括应用签名、接入认证、数据加密等；同时采用OpenSSL安全加密技术，对应用App、文件和容器进行相应的加密和签名等，保证智能RTU基于边缘计算的智能 RTU 系统在油气田的应用研究郑骏伟（中国石油西南油气田分公司通信与信息技术中心，四川 成都610051）Application Research of Intelligent RTU System Based on Edge Computingin Oil and Gas Fields基于边缘计算的智能RTU系统在油气田的应用研究30工业控制计算机2023年第36卷第2期文件的完整性。同时基于云边协同、边缘自治和边缘分析，对系统进行分层分区，实现边缘端、边端集群和边端协同，提升油气田RTU智能化、平台化升级。1.2系统架构整体系统框架基于Linux系统，包含驱动接口、基础系统模块、SDK和应用App四个部分，将复杂的智能RTU系统按照不同的功能进行模块化，实现各个模块之间的层次关系以及调用关系、确定模块间的接口以及输入输出关系、各个模块之间数据交互。1）驱动接口：驱动接口用于完成硬件接口操作，屏蔽硬件细节。驱动接口结合MQTT blocker，向应用层提供调用接口，使得应用程序不依赖于具体的硬件细节，实现应用和硬件的解耦。2）基础系统模块：基础系统模块是智能RTU的核心功能模块，在智能RTU系统上以进程的方式运行，也可以以容器的方式的运行，主要用于完成系统管理、虚拟化、数据存储、为App提供驱动接口等。3）SDK：SDK是智能RTU的App开发套件，随着 智 能RTU的功能不断增强，SDK的内容会更加丰富。4）应用App：应用App是完成业务功能或系统功能的应用程序，以容器镜像的方式出现。1.3功能架构基于边缘计算的智能RTU在满足传统RTU必须功能的前提下，为了实现远程运维、动态部署、边缘计算的能力，基于当前的技术发展，因而选用微服务架构和容器技术，以服务为核心，云平台为支撑，实现传统软件的云化3。在此基础上，基于数据的处理及功能的分类，智能RTU设计为五层架构，如图1所示。1）算法和应用层：边缘计算应用与算法，设备数据和联动规则的管理、算法模型及用户和系统集成App及PLC运行时在此层实现。2）北向连接层：与北向物联网平台进行数据和管理的信息交换接口层，完成应用部署设备管理等远程维护的关键接口，也是响应北向物联网平台的数据请求服务的接口，实现消息分发到智能RTU其他微服务；同时，提供TCP等网络代理网关以支撑SCADA系统。3）数据处理层：接收MQTT消息总线的消息，对消息进行规则处理、数据清洗和存储等，根据规则要求，将数据分析结果存入数据库或者上报到物联网平台。4）数据交换层：采用MQTT总线，连接接入层和数据处理层。5）接入层：连接外设、设备驱动和外部数据接口等。图1基于边缘计算的智能RTU功能架构图1.4内部通信架构基于边缘计算的智能RTU内部通信架构包括内部数据通信、北向数据传输和容器命令交互。通过物联网MQTT协议实现RTU应用App与硬件解耦、App与App间通信的解耦。1）内部数据通信：在智能RTU系统内部，MQTT blocker负责各个功能模块和应用App之间的消息转发。整个系统的各个模块和App使用MQTT协议作为消息总线，实现各个模块的解耦。处于服务模式的模块通过订阅命令主题的方式接收命令，处于客户端模式的App通过主题发送请求给服务模块，服务模块收到请求后，处理请求，并将结果以发布消息的方式推送给App。2）北向数据传输：需要将消息上传到物联网平台或者管理平台的模块，先将数据发送给EdgeCore，EdgeCore负责RTU与管理平台和物联网平台的接入认证和数据交互，同时肩负数据缓存的功能，当出现网络故障或者系统断电的情况时，可将数据缓存到数据库，当网络恢复或系统重新上电后，将尚未上报的数据从SQLite中取出，并上传给物联平台或者管理平台。3）容器命令交互RTU的容器管理通过Docker提供的接口完成应用App的操作，EdgeCore收到远程发来的管理命令后，将命令发送给容器管理模块，容器管理模块通过调用Docker提供的接口完成容器状态查询、启动、停止、卸载、安装等操作。1.5硬件架构结合油气田井站实际数据采集、逻辑控制、数据传输需求，设计了基于边缘计算的智能RTU的芯片选型、硬件电路、外观和输入输出接口。智能RTU主处理器采用ARM多核处理器，其内部集成了高效图形处理器，内置独立的NPU，运行安卓和Linux系统。拥有 丰 富 的 接 口 拓 展 能 力；支 持 多 种 外 围 高 速 接 口，支 持PCIE2.11x1Lane，满足4G/5G、Wi-Fi6、NPU等扩展需求，拥有充裕的外设接口。硬