區(qū)域自動氣象觀測站常見故障診斷方法總結(jié)

徐建文，宋方超，朱富生，侯進忠，趙慧琴

區(qū)域自動氣象觀測站常見故障診斷方法總結(jié)

徐建文1，宋方超1，朱富生2，侯進忠1，趙慧琴1

（1.山西省晉城市氣象局，山西 晉城 048000；2.山西省高平市氣象局，山西 晉城 048400）

區(qū)域自動氣象觀測站（簡稱區(qū)域站）是國家級氣象觀測網(wǎng)的重要組成部分，在城鎮(zhèn)精細化預(yù)報、災(zāi)害性天氣預(yù)測預(yù)警、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、汛期決策服務(wù)中發(fā)揮著重要作用。因區(qū)域站野外運行環(huán)境惡劣，時常出現(xiàn)各種故障，影響觀測資料的及時性、準確性和可用率。通過對區(qū)域站維護維修過程中遇到的實際問題進行綜合分析，總結(jié)出了維護和故障排除中的方法、技巧和經(jīng)驗，以便在日后工作中參考，提高區(qū)域站觀測資料的可用率。

區(qū)域站；故障；排除方法；故障分析

區(qū)域站是自動觀測自動采集數(shù)據(jù)，自動通過移動GPRS網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)為主要手段。承擔(dān)地面氣象要素的時空加密觀測任務(wù)，提供區(qū)域性高時空分辨率的中小尺度災(zāi)害性天氣、局部環(huán)境和區(qū)域氣候等觀測數(shù)據(jù)。區(qū)域站是國家級氣象觀測站的重要補充，在氣象業(yè)務(wù)及各種服務(wù)中發(fā)揮著積極的作用。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

以DZZ4型區(qū)域站為例，區(qū)域站通常由硬件及軟件兩部分組成。硬件包括各要素傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)通信終端和外部設(shè)備等；軟件包括采集器嵌入式軟件和氣象業(yè)務(wù)軟件（包括采集軟件、數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件）兩類。

外部設(shè)備包括電源、終端微機和外存儲設(shè)備等。采集器是區(qū)域氣象站核心，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)運行管理功能，其由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包含高性能嵌入式處理器、高精度A/D電路、高精度實時時鐘電路、大容量的程序和數(shù)據(jù)存儲器、傳感器接口、通信接口、外接存儲器接口、監(jiān)測電路、指示燈等，硬件系統(tǒng)能夠支持嵌入式實時操作系統(tǒng)的運行。

采集器主要有兩大功能：①完成基本氣象要素傳感器和各掛接分采集器的數(shù)據(jù)采樣，對采樣數(shù)據(jù)進行控制運算、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)記錄存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸，與終端電腦或遠程數(shù)據(jù)中心進行交互；②擔(dān)當管理者角色，對組成區(qū)域站的其他分采集器進行管理，包括網(wǎng)絡(luò)管理、運行管理、配置管理、時鐘管理等以協(xié)同完成區(qū)域站的功能。

2 故障判斷方法

保障維護好區(qū)域站須做到以下幾點：要建立一套詳細規(guī)范維修維護記錄；維護時攜帶必要的配件和維修工具；保存好各種傳感器、采集器及電源等輔助設(shè)備說明書；熟練掌握采集器和各類傳感器基本結(jié)構(gòu)和工作原理。以上述幾點為基礎(chǔ)，用恰當?shù)呐袛喙收戏椒?，可快速排查出故障發(fā)生的部位。以下三種方法是最常用方法。

2.1 電原理法

電原理法的原則重點在分析，當故障發(fā)生時，除非危及人身或財產(chǎn)安全，盡量保留故障現(xiàn)象，以利于分析，因為有時干擾、虛焊等原因造成的故障現(xiàn)象在一次正常的操作后有可能會消失，但故障還會隨機出現(xiàn)，必須徹底修復(fù)，而此時故障現(xiàn)象暫時消失，導(dǎo)致無法分析查找、排除而留下隱患。所以保留故障現(xiàn)象進行細致分析，找出最符合電原理的故障原因，從而排除故障。

2.2 排除法

整套采集器的部件很多，要準確確定故障部位比較困難，應(yīng)該斷開部件之間的相互連線，把產(chǎn)品分成一個個獨立的部分，范圍就會縮小，檢查分析就相對容易一些。

2.3 替代法

在大致判斷了故障部位后，用好的部件替代可能出問題的部件，確定故障現(xiàn)象是否消除，如果設(shè)備正常，說明所替代下來的部件已損壞。

上述三種方法相輔相成，不是獨立的，只有經(jīng)過長期實踐，把這些方法融為一體，才能在維修過程中得心應(yīng)手[1]。

3 故障分析及解決

因風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝在10 m高風(fēng)桿頂部，站址處在較為空曠的野外，在夏季極易受到雷電影響，而導(dǎo)致傳感器損壞或數(shù)據(jù)異常，更換傳感器須放倒風(fēng)桿，這是十分麻煩的，因此在不得已放倒風(fēng)桿以前要大致排查出故障發(fā)生部位。

3.1 風(fēng)速風(fēng)向傳感器故障診斷

風(fēng)速數(shù)據(jù)缺測時可能原因有以下幾種：先檢查風(fēng)電纜與采集器連接及采集器參數(shù)配置是否正確；檢查風(fēng)速采集器的工作電壓是否正常；在工作電壓正常情況下，檢查風(fēng)速傳感器的信號輸出頻率，用萬用表頻率擋測量頻率信號輸出，在風(fēng)杯轉(zhuǎn)動情況下有頻率輸出即為正常；檢查風(fēng)速傳感器電纜是否損壞；如上述均正常，可能是采集器或風(fēng)速傳感器出現(xiàn)故障。風(fēng)速傳感器測得數(shù)據(jù)偏小可能原因有以下幾種：采集器參數(shù)配置可能不正確；風(fēng)速傳感器啟動風(fēng)速偏大；如上述均正常，可能是采集器或風(fēng)速傳感器出現(xiàn)故障。

3.2 風(fēng)向傳感器故障診斷

風(fēng)向傳感器缺測時排查方法有以下幾種：檢查采集器參數(shù)配置情況是否正確；檢查風(fēng)速采集器的工作電壓是否正常，如工作電壓不正常則是采集器供電通道故障；檢查風(fēng)速傳感器電纜是否損壞；如上述均正常，可能是采集器或風(fēng)向傳感器工作。

3.3 雨量傳感器故障診斷

雨量數(shù)據(jù)較為常見，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，在沒有堵塞情況下，如數(shù)據(jù)仍異常則可能有以下幾種，應(yīng)逐步排除：檢查雨量傳感器信號線纜與采集器連接及采集器參數(shù)配置是否正確；使用萬用表鳳鳴檔，將萬用表的紅黑表筆與雨量傳感器接線柱對接，翻動計數(shù)翻斗，雨量傳感器有開關(guān)信號輸出，每翻動一次萬用表蜂鳴一次；如上述均正常，可能是采集器或雨量傳感器故障。

雨量傳感器的核心部件是干簧管，無數(shù)據(jù)時很大可能是干簧管損壞，更換即可。有時也會出現(xiàn)翻斗軸承阻力過大，應(yīng)更換。

3.4 溫度傳感器故障診斷

目前氣象業(yè)務(wù)中最常用的溫度傳感器是鉑電阻溫度傳感器，其利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻也隨之改變的特性來測量溫度。判斷溫度傳感器故障的常用方法是測量其各線端間的電阻值，具體方法為：檢查溫度傳感器信號線纜與采集器連接及采集器參數(shù)配置是否正確；溫度傳感器采用4線制方式接入采集器，使用萬用表歐姆檔分別測量鉑電阻兩端（紅、黃或紅、黑之間）和鉑電阻同一端（紅、紅或黃、黑之間）兩電阻，正常情況下，紅黃或紅黑兩端電阻在90～120 Ω，紅紅或黃黑兩端電阻在0～10 Ω；如上述均正常，可能是采集器或溫度傳感器出現(xiàn)故障。

3.5 濕度傳感器故障診斷

通常使用的濕度是相對濕度。目前區(qū)域站對濕度的測量主要使用濕敏電容式傳感器。故障發(fā)生時可能原因有以下幾種，應(yīng)逐步排除：檢查濕度傳感器信號線纜與采集器連接及采集器參數(shù)配置是否正確；檢查濕度傳感器供電電壓，用萬用表電壓檔測量濕度傳感器供電電壓是否正常；在供電電壓正常情況下，測量濕度信號輸出線與屏蔽線之間的直流電壓是否在0～1 V，如測量的電壓為0.5 V，則表示當前濕度傳感器輸出的濕度值為50%，以此判斷傳感器的好壞。如上述均正常，可能是采集器或濕度傳感器出現(xiàn)故障。

3.6 濕度傳感器故障診斷

區(qū)域站使用硅膜盒電容式氣壓傳感器測量大氣壓，其中的感應(yīng)元件是電容式硅膜盒。當該變?nèi)莨枘ず型饨绱髿鈮毫Πl(fā)生變化時，單晶硅膜盒的彈性膜片隨著發(fā)生行變而引起硅膜盒平行電容器電容量改變，通過測量電容量計算大氣壓。當氣壓增加時，單晶硅膜盒的彈性膜片向下彎曲，電壓增大；當氣壓減少時，向上彎曲，電壓減小。

在多年運行中，氣壓傳感器發(fā)生故障的次數(shù)很少，因其結(jié)果復(fù)雜，如出現(xiàn)故障只能更換新的，也出現(xiàn)過數(shù)據(jù)異常情況，可根據(jù)其工作原理進行簡單排查。在檢查接線和參數(shù)設(shè)置無誤后，再逐步排除。

3.7 供電單元故障診斷

區(qū)域站數(shù)據(jù)缺測時首先考慮供電單元是否正常，供電單元包括太陽能板、蓄電池、PV控制器。電源故障主要是由于電池不能給設(shè)備正常供電，在先檢查供電線路連接無松動和保險無燒毀情況下，可從以下幾個方面排查。

首先用萬用表直流電壓檔測量太陽能板的輸出電壓。在排除接線無松動情況下，如無輸出或電壓偏低，則判斷是太陽能板損壞；再測量采集器上的輸入電壓，如低于正常值，則可能是蓄電池性能下降充電不足，需更換電池。

當因白天數(shù)據(jù)采集造成晚上缺測時或者一兩天陰雨天氣出現(xiàn)缺測情況，可初步判斷是電池使用時間過長導(dǎo)致性能下降，蓄電能力不強，需更換電池[2]。因長時間陰雨天氣，太陽能板不能對電池充電，長時間導(dǎo)致電池虧損，需更換備用電池。站點周圍有樹木建筑物等較高的障礙物，影響陽光直接照射到太陽能板上，降低了太陽能利用效率，導(dǎo)致電池充電不足。

當陽光充足且障礙物阻擋，區(qū)域站卻不工作，可能原因有以下幾種：太陽能板端電源輸出線松動未可靠連接到PV控制器；蓄電池電源過低，致使PV控制器自動關(guān)閉負載，電池充電正常后自動恢復(fù)；PV控制器故障，需更換；太陽能板性能下降，需更換。

3.8 通信單元故障診斷

晉城所有區(qū)域站均采用GPRS通信方式上傳數(shù)據(jù)，當發(fā)現(xiàn)某個站點連續(xù)幾個時次無數(shù)據(jù)時。到達現(xiàn)場后再確定供電正常情況下，用筆記本讀取實時數(shù)據(jù)，如能讀取數(shù)據(jù)且正常，則說明各要素傳感器和采集器在正常運行，此時可基本判斷為通信傳輸方面出現(xiàn)問題。再進一步觀察通信模塊指示燈閃爍是否正常，如果不正常，啟用另一家通信公司卡看是否恢復(fù)正常，如不正常再排查。檢查天線是否生銹或折損，檢查SIM卡座連接是否可靠，是否重新插拔；可確認站點此處的GPRS信號強弱，若是信號強弱問題，聯(lián)系通信公司調(diào)整基站信號強度，此時立即用另外一家通信公司卡替換恢復(fù)數(shù)據(jù)上傳。如果上述檢查均正常，再進一步排查通信模塊參數(shù)配置是否發(fā)生異常變化，聯(lián)系省局信息中心核實此站數(shù)據(jù)上傳的IP地址和映射端口號是否正確。如果上述檢查均正常，則說明通信模塊出現(xiàn)故障，更換即可解決。

3.9 采集器故障診斷

采集器發(fā)生故障的原因也是多方面的，但常見的是采集器死機，一般斷電重新啟動即可恢復(fù)正常。如果未能恢復(fù)正?？砂凑找韵虏襟E進行排查：斷電重啟后觀察采集器狀態(tài)指示燈，如指示燈不正常顯示則說明采集器已壞[3]，需更換；指示燈正常顯示，用RS232串口調(diào)試線連接筆記本電腦與采集器，確認二者連接是否成功，如果不能連接成功說明采集器已壞，需更換；如果能連接成功，進一步檢查采集器參數(shù)配置是否發(fā)生異常變化；無變化時再讀取各要素實時數(shù)據(jù)，檢查采集到數(shù)據(jù)正確情況，如果數(shù)據(jù)全部或單個數(shù)據(jù)異常說明采集器出現(xiàn)故障。

4 結(jié)束語

隨著區(qū)域氣象觀測站網(wǎng)不斷完善，以及省局對上傳數(shù)據(jù)嚴格考核的進一步要求，人們對日常維護維修的要求越來越高，在某個程度上來講，定期對站點環(huán)境巡視顯得格外重要?？偨Y(jié)近十年來觀測數(shù)據(jù)異常和裝備故障現(xiàn)象，絕大部分是由于站點環(huán)境差造成的。所以此項工作對維護保障人員要求必須具備很強的責(zé)任心。出現(xiàn)故障要在規(guī)定時間內(nèi)及時解決，同時做好維護維修記錄，不斷總結(jié)積累經(jīng)驗，把故障率降到最低，保障區(qū)域站設(shè)備運行安全和數(shù)據(jù)完整。

［1］徐澤東，廖鑫.無人站、區(qū)域站常見故障維護維修［J］.青海氣象，2010（9）：46-49.

［2］于希，周暉.DWSZ-A型區(qū)域氣象站的故障維修探討［J］.硅谷，2015（4）：153-154.

［3］朱雪峰，樂影誼.榆林市區(qū)域自動站運行情況及常見故障診斷排除［J］.陜西氣象，2011（1）：44-46.

P415.12

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.045

2095－6835（2019）20－0105－02

〔編輯：嚴麗琴〕