WAV151型風(fēng)向儀一次典型故障排查與思考

蔡永斌民航華東空中交通管理局氣象中心

WAV151型風(fēng)向儀一次典型故障排查與思考

蔡永斌
民航華東空中交通管理局氣象中心

WAV151型風(fēng)向儀是由芬蘭Vaisala公司開發(fā)生產(chǎn)用于測(cè)量風(fēng)向的一款產(chǎn)品，與WAA151型風(fēng)速儀組成了一套測(cè)量實(shí)時(shí)風(fēng)向風(fēng)速的機(jī)械風(fēng)組件，以其易于維護(hù)、測(cè)量高精確性以及良好穩(wěn)定性在國內(nèi)機(jī)場中得到普遍應(yīng)用。本文中就近期虹橋機(jī)場一次風(fēng)向儀故障進(jìn)行分析，從原理出發(fā)，闡釋六位格雷碼脈沖在排除該類故障中的解決思路與方法，供相關(guān)技術(shù)人員在此類問題中得到借鑒，快速恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行，協(xié)助航空器安全飛行。

WAV151；風(fēng)向儀；格雷碼脈沖

1　引言

風(fēng)向風(fēng)速信息是氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)（AWOS）中面向眾多用戶提供的重要跑道氣象要素之一。塔臺(tái)管制員根據(jù)風(fēng)向決定機(jī)場起降端。機(jī)場上空若出現(xiàn)強(qiáng)雷暴、強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)常伴有低空風(fēng)切變、微下?lián)舯┝鞯葹?zāi)害性氣候，近地面的風(fēng)向風(fēng)速會(huì)劇烈變化，迫使航空器偏離航道上升或下掉，極易造成墜機(jī)事故，危害航空器的飛行安全和機(jī)場的運(yùn)營秩序。作為前沿探測(cè)器的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)也是機(jī)場觀測(cè)員和管制員發(fā)現(xiàn)、處置惡劣天氣的重要參考依據(jù)。修復(fù)故障的設(shè)備并及時(shí)投入使用，為各類用戶提供準(zhǔn)確的氣象風(fēng)數(shù)據(jù)，顯得尤為重要。

2　風(fēng)向儀結(jié)構(gòu)及原理

虹橋東跑道在用風(fēng)向設(shè)備是由Vaisala公司提供的型號(hào)為WAV151的風(fēng)向傳感器，其原理是：紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組裝連接在風(fēng)向標(biāo)軸上的編碼盤六條碼軌的兩邊，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生六位格雷碼脈沖，脈沖由光電三極管接收，每變化5.63°，格雷碼變化一次[1]，風(fēng)向數(shù)據(jù)也隨之變化一次。每一位都分別通過信號(hào)線從機(jī)身下方的連接頭（高位到低位排列）接入WT521變送器再送往地面的WT501處理。

3　典型故障過程

3.1.故障發(fā)生

2015年06月29日08:40機(jī)務(wù)員觀察到虹橋機(jī)場東跑道南頭與北頭風(fēng)向值在風(fēng)速值一致的情況下差別較大，南頭瞬時(shí)風(fēng)向228°，十分鐘平均風(fēng)向220°—245°，西南風(fēng)；北頭瞬時(shí)風(fēng)向128°，十分鐘平均風(fēng)向112°—166°，東南風(fēng)。設(shè)備監(jiān)控窗口無任何告警，同一跑道兩端風(fēng)向值竟相差達(dá)54°—133°，且持續(xù)較長時(shí)間。

當(dāng)即對(duì)比相應(yīng)點(diǎn)的風(fēng)向歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)日東跑道南頭04:43瞬時(shí)風(fēng)向數(shù)據(jù)由137°跳躍232°,此后十分鐘風(fēng)向值基本穩(wěn)定在204°—252°，同時(shí)段西跑道南頭參考風(fēng)向僅由130°變至127°，十分鐘風(fēng)向值穩(wěn)定在110°—153°。

3.2故障處理

3.2.1故障分析

前往設(shè)備點(diǎn)檢查，設(shè)備電氣箱狀態(tài)燈正常，目視該點(diǎn)風(fēng)向標(biāo)指示與實(shí)際風(fēng)向一致為東南風(fēng)，但用維護(hù)終端連接設(shè)備采集到的風(fēng)向值仍在220°附近，故障點(diǎn)就在設(shè)備或線路內(nèi)。

觀察面板數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)顯示界面上異常風(fēng)向值實(shí)時(shí)值和正常值與180°-360°一線形成了類似軸對(duì)稱的關(guān)系，更為巧合的是兩個(gè)數(shù)值（如當(dāng)前南頭228°和北頭128°兩個(gè)風(fēng)向值）相加356°接近360°。

3.2.2理論推導(dǎo)與模擬故障

本型號(hào)傳感器方向與六位格雷碼脈沖對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。[1]

查詢表1得知228°對(duì)應(yīng)格雷碼111100,128°對(duì)應(yīng)格雷碼011100。

根據(jù)格雷碼與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換公式：[2]

其中為格雷碼第i位，表示前1的個(gè)數(shù)。

=40,=23;兩數(shù)之和為63

進(jìn)一步查閱資料后知道，將格雷碼最高位取反可得到格雷碼的反碼，格雷碼與其反碼之和即為該n位格雷碼二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)（0～）。[2]已知在風(fēng)向傳感器采樣中由6位格雷碼脈沖產(chǎn)生的64組數(shù)據(jù)來代表360度，每變化5.63°（360/2^6）格雷碼變化一次，聯(lián)系到上述的猜測(cè)，兩個(gè)風(fēng)向數(shù)值，正常測(cè)量值+異常測(cè)量值= 356°，相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)格雷碼十進(jìn)制和即為=63。

通過對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)和表中相對(duì)應(yīng)格雷碼的比對(duì)，對(duì)應(yīng)正常值格雷碼與異常值格雷碼互為反碼，差別僅在第六位格雷互異。通過搭建模擬平臺(tái)，模擬了18L點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用高電位接入WT501上最高位35號(hào)管腳使其置1，在維護(hù)終端上顯示的數(shù)值果然和36R的異常數(shù)據(jù)基本一致。由此確認(rèn)本次故障可能由傳感器最高位信號(hào)線置1引起。

3.2.3故障排除

更換信號(hào)線前仍更換新的風(fēng)向儀隨機(jī)測(cè)試幾個(gè)值，其中0°顯示為354°；90°顯示為264°，而128°仍顯示為228°，證明原設(shè)備是好的。換回原來的風(fēng)向儀，找到備份信號(hào)線，替換下原來異常的信號(hào)線?；謴?fù)供電，手動(dòng)調(diào)節(jié)各風(fēng)向也均顯示正常，與其他點(diǎn)的風(fēng)向數(shù)據(jù)保持了一致，故障解決。

4　故障總結(jié)

本故障是由于在風(fēng)向儀格雷碼最高位的信號(hào)線被置為高電位1引發(fā)的數(shù)據(jù)異常，若是當(dāng)時(shí)風(fēng)向在180°—354°，其格雷碼最高位信號(hào)線本身為1，出現(xiàn)故障也會(huì)被忽略，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障造成影響。

風(fēng)向數(shù)據(jù)異常可能是設(shè)備本身也可能是在信號(hào)線上，通過本次故障分析，利用格雷碼表比較正常值和異常值的格雷碼可以快速定位是哪一個(gè)管腳上發(fā)生了問題（常置高電位1或置低電位0），這都能對(duì)故障修復(fù)提供思路。本次故障之前一般只會(huì)認(rèn)為風(fēng)向儀或者WT501變送器有故障，很少會(huì)碰到信號(hào)線引起的故障，這也給以后的相關(guān)故障排查提供了借鑒。

5　結(jié)論

風(fēng)向數(shù)據(jù)是機(jī)場氣象自觀系統(tǒng)中一個(gè)不可或缺的組成部分，任何故障的排查都要遵循科學(xué)的方式進(jìn)行，利用產(chǎn)品自身的原理去推導(dǎo)可能的原因往往事半功倍，這需要我們機(jī)務(wù)人員，熟悉各產(chǎn)品的構(gòu)造原理，更好地維護(hù)設(shè)備狀態(tài)，保障機(jī)場運(yùn)行安全。

[1]VAISALA.Wind Vane WAV151 USER′S GUIDE M210294en-A，April，2002

[2]李正生，馬文彥，閆杰.格雷碼的反碼、補(bǔ)碼與帶符號(hào)格雷碼的補(bǔ)碼[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2013 05 Vol.30 No.5.