农业园区水闸自动化系统工程技术方案.docx
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农业园区水闸自动化系统工程技术方案
第一章工程概况
1.概况
金山现代农业园区位于东海之滨的杭州湾畔（见图1），园区作为金山区“三区一线”开发重点之一，属市级现代农业园区，总面积约51.0平方公里，以原廊下镇为中心，西、南至浙江省界，北至朱吕公路，东至新卫公路（规划A6高速公路）。
该农业园区的总体规划以产业规划和项目布局为基础，综合整个园区生态系统架构，形成“一心一环五区”的布局特点，即建立起园区管理中心、农业科技孵化区、现代农业示范区、现代农业加工区、国际农业展示园和农业生态休闲区等功能分区。
图1.地理位置分布图
园区总体规划为该园区的高起点、高标准、高质量发展提供了广阔的舞台和发展机遇，也奠定了良好的基础，但各功能区的建设和发展，必须在水安全得到充分保障、水资源得到优化配置、水环境和水生态得到充分改善的基础上，才能得以实现并保持可持续发展。
水务信息化作为现代农业园区的一部分，在规格与设计时我们同样以高起点、高标准和高质量为目标，结合水务管理的行业特点，以需求为导向、以应用为核心，以数据平台、网络平台、应用平台为基本框架，建立起一套好用、能用的自动化管理系统，以实现园区对水资源的智能化管理。
2.工程范围
金山现代农业园区由浦南东片和浦南西片两部分，其水系分布和特点则相应存在差异。
在浦南西片内，部分河道与上游杭嘉湖河道敞开式相通，并为上游洪水下泄提供足够的通道，其余河道则通过水闸形成可以小范围控制的圩区；而在浦南东片内，所有河道通过控制水闸，拒流域来水于外围。
所以，本农业园区的水系具有上述浦南西片和浦南东片水系的特点。
此次规划方案主要对浦南西片的三个圩区即中丰中联圩、庄家圩、山塘新建圩进行规划与设计，建立统一调度的防洪除涝远程控制体系，使得西片所有水闸和排涝泵得以远程调控和监控，从而减少防洪除涝损失，逐步形成和建立农业园区水利现代化体系。
同时考虑到系统的可持续发展要求，系统在设计时应对园区内东片部分及其它水利水资源设施予以充分考虑，在主控中心、硬软件、网络的资源配置上预留接口或通道，以便将来的发展要求。
3.设计内容
整个项目包含园区内西面的3个圩区共38个水闸和14个泵站，控制中心设在廊下镇中心区域。
地理位置图及工况表如下所示：
图2圩区及水闸泵站地理位置图
水闸泵站资料表：
圩区
水闸名称
所在村
闸门宽度
水泵
电动机容量
庄家圩
中心河闸
友好村
四米单闸
友好中心河西
45
千泾河闸
庄家村
四米单闸
千泾河
45
曹家河闸
南陆村
四米单闸
南陆三队河闸
南陆村
四米单闸
南陆港闸
南陆村
四米单闸
瓦漕泾闸
南陆村
四米单闸
千泾河闸
向化村
四米单闸
向阳河南口闸
向化村
四米单闸
向阳河北段南
45
向阳河北口闸
向化村
五米套闸
向阳河北段北
45
新浜桥港河西闸
新浜村
四米单闸
新浜西新浜北闸
新浜村
四米单闸
新浜东新浜北闸
新浜村
四米单闸
新浜青龙港北闸
新浜村
四米单闸
老惠高泾东闸
新浜村
四米单闸
中联中丰圩
奶年场闸
中联村
四米单闸
中联陆家浜闸
中联村
四米单闸
中联陆家浜
45
吴泾港东口闸
中联村
四米单闸
泖秀北河闸
中联村
四米单闸
西高泾闸
中丰村
四米单闸
西高泾
45
徐家楼闸
中丰村
四米单闸
天仙港西口闸
中丰村
四米单闸
天仙港东口闸
中丰村
四米单闸
丰产河闸
中丰村
四米单闸
向河河
45
向阳河闸
中丰村
四米单闸
山塘新建圩
东高泾闸
中民村
四米单闸
中民高泾河西
45
向阳河北口闸
中民村
四米单闸
中心河闸
中华村
四米单闸
中华中心河西
45
千泾河闸
中华村
四米单闸
向阳河南口闸
中华村
四米单闸
向阳河南段北
45
泥桥港闸
山塘村
四米单闸
山红河南口闸
山塘村
四米单闸
潮阳河闸
山塘村
四米单闸
独圩港闸
建江村
四米单闸
独圩港南
45
金家泾闸
建丰村
四米单闸
金家浜东
45
朱家河闸
建丰村
四米单闸
朱家河北
45
长浜河闸
建丰村
四米单闸
王湾港闸
南陆村
四米单闸
山红河北口闸
南陆村
四米单闸
山红河北
45
系统以三个平台（网络、数据、应用）的模式来建设，由水闸泵站远程自动监控系统、现场视音频监控及防盗报警系统、水文数据处理及数据库系统、防汛调度及引清调水系统、GIS地理信息系统等组成，系统以千兆以太网（自愈合环网）传输，控制中心通过对现场38个站的遥测、遥控实现对所有现场水资源、设备的工作状态的实时监测和控制。
4.项目背景
本项目的提出单位：
上海市金山区水务局；
本项目规划设计单位：
中国高科集团上海锦滔智能科技有限公司；
5.设计规划原则
遵循“统筹兼顾”的原则，充分利用现有的设备和资源，使系统建设既满足近期要求，又能适应长期发展，既确保防汛需求，又兼顾水资源、水环境管理信息系统的需要。
✧先进性：
在方案设计与设备选型上，选择技术先进、可靠、成熟的产品，使本系统达到“国内先进，行业一流”的水平。
✧经济实用性：
系统设计切合实际需求，保证系统运行管理和操作简单、高效，同时在满足系统需求的前提下，合理有效地降低运营成本。
✧扩展性：
考虑到系统今后的性能升级和设备数量的扩充，各接口均配用标准性、通用性强的设备，保证系统升级和扩充方便；保证后期工程实施的连续性。
✧安全性：
设置多级操作密码和软件安全功能，确保本系统安全可靠的通过网络与上级各系统相联，在硬件上设置红外报警器及防雷装置，保证系统的安全可靠。
✧互连性：
本系统在与其它系统相联时，系统在网络协议等方面具有最大的灵活性和适应性。
第二章采用标准
●ISO9001《关于设计、试制、产品、安装和服务》
●IEE1991第16版本关于电气设备安装规则。
●IEC950关于信息技术设备的安全
●GB/T-97泵站设计规范
●SD704-86泵站技术规范
●SDJ9-87定测量仪表装置设计规范
●DL/T5065-1997《水利发电厂计算机监控系统设计规定》
●GB7450-87《电子设备雷击保护导则》
●GB8566-88《计算机软件开发规范》
●SL265-2001水闸设计规范
●GB/7260-87不间断电源设备
●DL/T5051-1996《水利水电工程水情自动测报系统设计规定》
●SL75-94《水闸技术管理规程》
●SL170-96《水闸技术管理设计规范》
●SD133-84《水闸设计规范》
●SD-138-85《水文水情预报规范》
●GBJ115-87《工业电视系统设计规范》
●GB4943-95《信息技术设备包括电气设备的安全》
●GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》
●GB/T15644-95《视听系统设备互连用连接器的应用》
●GB/T15859-1995《视听、视频和电视系统中设备互连的优选配接值》
第三章解决方案
6.系统结构
金山现代农业园区（浦南西片）水闸泵站计算机自动控制系统综合了计算机技术、网络技术、数据库技术、多媒体技术、PLC技术、微电子控制技术，系统以全开放式的分层分布结构，主控级全部采用计算机来实现自动化的管理，其中2台工控机以双机热备的形式用于水闸泵站的监控，1台工控机用于GIS地理信息系统，2台服务器用于视音频的监控与录像和SQL数据库的存储与管理。
各现场站设有38个现地控制单元，各现场控制单元均采用PLC可编程序控制器，以以太网的通讯方式与上位机通讯。
系统结构见下图：
7.系统的特点
✧千兆环形以太网通讯
系统的主干采用光纤传输网络，并配千兆网络交换机，使网络带宽达到1000M，并且以环形的方式通讯，每个现场站有两条以上路由过往主控中心，当某个位置发生通讯故障时，系统能自我检测寻找合适的备用路由，即系统有自愈合的通讯能力。
✧图像、语音、数据实时传输
由于系统具有足够的网络带宽，所以每一个站点的图像、语音、数据具有了实时的传输条件，系统中每个站点配置的视频服务器采用目前主流的Mpeg4图像语音处理算法，能最大的保证图像和语音的质量。
✧数据的共享能力
系统使用外置式数据库系统SQLServer，具有开放式、通用性的特点，可以轻易的为专家决策系统、电子政务系统、数学模式控制、Web/Gis系统系统提供数据共享。
✧远程控制/本地控制
在电气设计上，远程控制与现场手动控制不发生直接的关联性，远程控制的故障不影响现场手动控制，现场控制为最高级。
✧双机冗余备份能力
上位机以双机冗余备份的方式工作，任何一台主机的故障不会影响另一台主机的正常运行，两台主机的控制与数据具有统一性，一台主机的操作和数据的变化会影响别一台主机的变化。
✧安全防盗能力
由于廊下镇水闸泵站都位于比较偏避的郊外，所以经常发生线缆、设备被盗被破坏的情况，故本次规划设计时我们把安全防盗能力也列为重要设计的内容。
我们在每个现场站及中控室设置有红外线报警探测器及闭路电视监控摄像机，当有非法闯入时主控中心立刻会有报警提示，并且摄像机开始录像，现场的声光报警警号也会触发，利用双向语音对讲系统还可以实现主控中心与现场站的直接通话，可以有效的防止被盗事情的发生。
✧DLP大屏幕显示
在中控室我们配置有一套多媒体大屏显示系统，约8.4平方米，使用DLP无缝拼接技术，可以有多种显示方式，可以显示GIS地图、上位机软件、视频监控等。
✧可扩展性
考虑到农业园区的可持续性发展的要求，此次规划设计时我们在硬件、软件及网络的技术方案中作了充分的考虑，所用的设备、软件、网络等都是标准的、主流的、开放式、分层次的结构体系，方便了将来的扩展需求。
8.网络平台的建设
本项目的网络平台主要建设内容包括：
各水闸泵站与控制中心之间的内部工业控制局域网、控制中心与上级主管部门之间的专线城域网、控制中心与远程工作站之间的Internet通讯网络。
在本方案中我们将重点对内部工业控制局域网进行设计，对于其它专线网络只作预留的考虑但不做深化的设计。
Ø内部工业控制局域网的设计
根据本项目中各种数据流量特点，网络拓扑必须具有实时采集、长距离、高带宽的网络传输和冗余备份等特性。
在结合该网络的实际情况，决定采用4芯单模或多模光纤和光纤布线产品自行组建千兆光纤自愈合环网。
本方案采用专业的冗余环网交换机，构成冗余光纤环形网络结构，环形网络设备采用台湾友讯网络公司的千兆系列以太网产品，分布在38个结点的38台DES1226G以太网交换机和一台DES6000核心交换机用光纤链路连成环状拓扑结构，此结构充分利用了冗余环网结构的优点，当通讯链路发生故障时其网络传输具有自愈合恢复通讯功能。
此外，环形拓扑结构便于工程扩充和维护，安全性能高。
采用网络监控软件对网络交换机进行网络实时监控，同时和计算机自动控制系统进行有机协调，保证互不影响。
由于三个圩区在地理位置上相对独立，而泵闸在地理位置上本身就具有独立成环的条件，故我们在网络的拓扑结构及光缆敷设上采用的是复合式环网方式，即环中环的方式：
三个圩区独立成环，并且具有自愈合能力，而圩区与圩区、圩区与中心机房也有环网的方式来通讯，这样系统中可以选择的数据通道就更多了，系统的安全性、可靠性也大大的提高了。
见下图：
网络拓扑结构图：
图3.光纤路由图
系统特点：
1．多链路自动冗余备份
在冗余环网中，我们采用DES1226G交换机和DES6000核心交换要，它能自动冗余备份，能自动协商到达最近节点的路径，如果一处线路损坏，网络拓扑会自动重新配置具有自愈合恢复通讯能力。
2．较长的传输距离
环型结构采用光纤介质类型，在传输中有低损耗的特性，使得传输线路的无中继传输距离变长，相邻站之间最大长度多模光纤可达2KM，单模光纤可达40-60KM，最大覆盖范围为100KM。
3．具有较大的带宽
环网传输带宽为1000Mbps，同时采用新的多数据处理技术，使得网络在重负荷情况下，仍能保持很高的带宽。
4．可靠性高
环型结构在网络出现故障时仍能自行重构，保证系统安全可靠，同时传输光纤具有对电磁和射频干扰抑制能力，在传输过程中不受电磁和射频噪声的影响，也不影响其设备。
由于光纤传输的是光信号，两端的电源相对隔离，所以有效地解决了光纤两端电源和地线对设备可能造成的严重威胁。
5．安全性好
光纤在通信时光束在纤维内部传输，不会产生任何形式的辐射，可防止传输过程中被分接，也杜绝了辐射波的窃听，因而是最安全的通信介质。
6．扩展性强
由于采是的是环网通讯方式，系统中各站点的路由比较大，而且系统的带网很大，所以将来其它的一些网络都可以很方便的接入到我们的网络中。
Ø网络交换机的选择与配置
1、核心交换机：
用于主控中心
DES-6000是一款可网管机箱式千兆以太网交换机，将10/100/1000Mbps以太网交换技术融合在同一个大容量机箱设备中。
DES-6000提供了9个扩展插槽，其中1个用于安装管理模块，另外8个插槽可选插10M、100M及1000M等多种交换模块，能够适应各种不同带宽及介质需求。
10/100/1000Mbps可升级性
DES-6000采用模块化设计，具有8个可用插槽，可选择高密度的10BASE-T、100BASE-TX、100BASE-FX模块，以及千兆光纤或双绞线模块，因此易于扩展和升级，提高了应用的灵活性，并能够保护用户投资。
128个10/100Mbps端口
DES-6000可选插16个10/100Mbps端口模块，最多可配置128个10/100Mbps端口。
在全双工模式下具有流量控制功能（FlowControl），支持端口聚合（PortTrun-king），既可以用于建立百兆主干，又可以直接用于百兆交换到桌面。
96个100BASE-FX光纤端口
DES-6000可选插12口100BASE-FXMT-RJ接口的光纤模块，最多可配置96个100BASE-FX端口，对于园区网、智能社区、部队等远距离以及数据安全性要求较高的场所非常适用。
16个千兆端口
DES-6000的8个插槽可以全部配置千兆模块，每个模块提供2个千兆端口，有4种类型的千兆模块可以选择：
SC接口的1000BASE-SX模块、MT-RJ接口的1000BASE-SX模块、SC接口的1000BASE-LX模块（远距离的光纤传输）和RJ-45接口的1000BASE-T模块。
通过千兆端口可以将部门网络与高速千兆主干相连，同时也可以连接高性能服务器，从而消除网络瓶颈，更好地支持大数据量及多媒体传输。
冗余备份
DES-6000提供热插拔冗余电源模块，可以提高园区或企业级应用的可靠性。
全面的网络管理
DES-6000支持Telnet、SNMP和RMON网管。
根据此交换机的特点，此次我们的配置为：
4个千兆光口：
用于与各现场站交换机之间的环网链接；
8个千兆电口（RJ45口）：
用于与数据库服务器、上位机、视频服务器的链接；
8个百兆电口（RJ45口）：
备用
2、节点交换机：
用于各现场站
DES-1226G是中小企业实施以太网包交换网络的经济的解决方案，并能提供网络性能和安全方面的简易的配置。
它提供24个10/100Mbps端口，2/4个千兆光缆端口用于灵活的千兆光纤骨干连接。
这款交换机为服务器和网络骨干连接提供了端口干路功能，也提供了像VLANs和优先级队列等对带宽敏感应用来说很重要的功能，你可以实施服务质量（QoS）和安全性，但不用进行复杂的网络管理设置。
24个10/100Mbps端口用于工作站连接
交换机提供24个10/100Mbps端口，并支持网络速度和全/半双工模式的自动感知和自动协商。
这些端口可以用来连接工作站和打印服务器，并且每个端口都有专门的带宽。
所有端口支持MDI-Ⅱ/MDI-X上连自动调整，允许你用交换机的任何端口来连接工作站、服务器或其他的交换机，而不需要改变你的通用直通双绞线。
2/4个组合1000BASE-T/SFP端口用于灵活的千兆连接
交换机提供2/4个1000BASE-T/SFP（miniGBIC）组合千兆端口，提供灵活的光纤千兆连接。
对于光纤连接，你可以选择适当的收发器安装在SFP插槽里来支持短、中、长距离的光缆骨干接入。
端口干路提供聚合带宽
端口结合在一起，为服务器或网络骨干形成一个多链路、负载均衡的聚合带宽。
为了扩展网络，你也可以使用端口干路来消除级联交换机之间的瓶颈。
交换机允许每个干路集成2到4个端口，并且每个交换机能创建两组端口干路。
VLAN增强性能和安全性
VLAN通过限制广播域并且把组内部的数据限制在他们自己的网段上来提高安全性和带宽利用率。
通过网络分段，支持VLAN的工作站和服务器能被分组到不同的VLAN中。
支持QoS
这款交换机支持二层的802.1p优先队列控制，通过数据包的优先级对用户数据进行分类。
这个功能允许您运行带宽敏感和时延敏感的应用，比如把视频服务器连接到交换机，来运行视频会议。
特性
-用于工作站的24个10/100Mbps端口
-2/4个1000BASE-T/SFP（迷你GBIC）组合端口用于灵活的千兆连接
-所有双绞线端口支持MDI/MDIX自适应
-802.3x流量控制
-用于服务器/网络骨干连接的端口干路
-基于端口的VLAN加强了网络性能和安全性
-802.1p优先级队列，基于端口的QoS
-基于web的简易配置
-标准机架尺寸
9.数据平台的建设
数据平台的作用是对数据的采集、传输、存储和处理，是为了满足各系统、各行各业对水文信息监测、查询、预报调度和历史水文信息的对比分析而建设的水文数据库及管理系统。
水文数据系统由历史水文数据库、实时水情数据库二部分组成。
在综合管理系统作用下，实现二个层面的交互应用，在网络系统支持下，可以实现水文信息资源的交换与共享。
系统充分利用计算机数据库技术，并且要求所用的数据库有比较好的扩展性和开放性，可向各上级主管部门提供讯情、雨情等数据，为排涝、挡潮提供科学依据，做到防洪标准化、管理科学化。
在本项目中我们选择了由Wonderware公司与Microsoft公司共同开发的具有比较好的通用性和开放性的数据库管理系统：
IndustrialSQLServer数据库系统。
Ø数据库系统的建设
科学的防洪离不开准确详实的数据，防汛中常用的气象数据、水情数据和防洪工程数据是各级防汛部门进行洪水调度、防汛决策的基本依据。
这些数据种类繁多、数据量大，很多是实时更新的，而防汛工作是分秒必争的，往往需要利用现有的数据进行快速的检索、分析计算，这就对数据的接收、管理、共享、使用提出了很高的要求。
水文信息数据库的一个最主要功能就是方便的实现了水文信息数据的信息共享，而且可以根据不同的用户设定不同的权限。
由于数据库提供了用户管理的功能，所以信息的共享比以往更方便、更安全。
超级用户可以对数据库任何数据进行读取、修改、更新；一般用户根据所设权限不同，有的可以读取数据，有的可以修改数据、追加数据，另外读、写的范围也可以设定。
信息在数据库技术的支持下就实现了共享、安全、管理的完美结合。
数据库的另一个优势在于它对数据的集中管理，从而保障了数据的一致性。
数据以文件管理时，每台使用它的计算机都有一个拷贝，有时一台机器的不同地方还会重复出现，数据如果进行修改，往往所有的相关数据都需修改一遍。
这样修改的工作量大，而且容易遗漏，造成数据不统一。
实时水情数据库建立以后，防汛用的水情信息都集中存贮在SQLServer数据库中，如果出现了错误数据，只需在数据库服务器中修改即可。
为将来水利信息服务的网页查询、水情预报、雨量分析等有关软件系统无需做任何改动，它们会自动从数据库中提最新的数据用以显示、计算。
基于数据库系统的管理平台大大提高了防汛数据的一致性、正确性。
数据库技术方便了数据提取，降低了数据操作的复杂度，目前数据库大都支持通用的SQL语句，程序开发者只需要将SQL语句传给数据库，数据库就可自动为用户完成数据查找提取等工作。
依托数据库技术，几百成条甚至上千万条水情信息可以迅速找到。
数据库不仅提供数据的快速检索功能，而且提供常用的数据统计、分类汇总等功能，如求取最大值、最小值等。
数据库对检索、计算进行了优化，极大了提高了执行的效率，用户只需输入几句SQL语句，便可享受到数据库带来的检索计算的便捷服务。
数据库的使用，极大的提高了工作效率。
以前许多水文分析计算工作依靠人工完成，现在基于数据库技术，集查询、计算、分析于一体，工作效率成倍提高。
利用水情数据库、气象数据库、防洪工程数据库，防汛人员可以及时掌握流域的雨水情信息、工程运用情况以及天气发展趋势。
数据库的运用对于提高预报精度、降低灾害损失、做好调度与决策等工作发挥了重要作用。
数据库已成为防汛工作中不可或缺的工具。
在计算机得到广泛应用以前，这些资料主要是纸制的文档，查找数据费时费力，使用起来相当不便。
计算机在防汛工作中得到广泛应用后，资料的存储形式往往是文件的方式，数据存在计算机文件里，需要时打开文件读取。
这种方式目前在很多地方还在使用，但它存在非常明显的不足，主要表现在：
数据的结构、格式等诸多方面不能做到标准化、规范化；一个文件拷贝多份，数据的一致性很难保证；对数据无法做到集中有效的管理，影响了数据高效率的使用。
随着关系型计算机数据库系统的出现以及计算机网络技术的普及，数据的管理与使用达到了全新的高度。
数据库系统以统一管理数据和共享数据为主要特征的系统。
数据库系统通过对数据格式的规范化，使数据得以集中管理，保证了数据的一致性以及维护的便捷性；同时基于网络技术的数据库系统为提供非常方便的共享数据的方式，用户可以根据各自不同的权限，安全快速的提出自己想要的数据。
IndustrialSQLServer是世界上第一个适用于工业数据的高性能实时关系型数据库。
它把关系型数据库的强大功能及灵活性和实时系统的速度及压缩功能相结合，使办公室和车间紧密地联系起来。
IndustrialSQLServer内嵌了MicrosoftSQLServer,可提供广泛的数据访问，一个强大的关系型机制以及同MicrosoftBackOffice的紧密集成。
IndustrialSQLServer全方位地获取和储存数据，并将实时和历史数据与配置，事件，概貌和生产数据集成起来。
通过大量的客户端应用程序，可以访问系统的全部信息，从而在竞争激烈的工业软件领域中，确立了它在开放性和灵活性方面无人可敌的地位。
现在可以在各处，查看，分析和报告系统的数据处理–第一次真正将办公室和现场连接起来。
它主要具有以下特点：
Ø它直接从大量的WonderwareI/OServer中获取数据。
用WonderwareI/OServer可以连结大量的数据源，使得IndustrialSQLServer可以直接存储来自于各种不同设备的数据。
它的存储速度要比传统关系型数据库快100倍以上。
Ø由于需要存储工业现场快速产生的大量数据，IndustrialSQLServer采用了高效的实时压缩算法，使IndustrialSQLServer只用较小的存储空间就可以存储大量的数据，它所需要的存储空间只是
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