Caws600系列新型六要素區(qū)域自動氣象站常見故障分析與處理

唐輝亮 吳昱珊 鄭文君

(1.福建省三明市氣象局，福建 三明 353000;2.福建省大田縣氣象局，福建 三明 366100;3.福建省三明市氣象局，福建 三明 353000)

區(qū)域自動氣象站是國家區(qū)域氣象觀測網(wǎng)的重要組成部分，其提供的區(qū)域數(shù)據(jù)支撐，在加強中小尺度氣象系統(tǒng)研究，提高區(qū)域性災(zāi)害監(jiān)測能力和防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)水平上具有十分重要的意義。目前福建省內(nèi)正逐步將運行10年以上的舊版Caws600-RT型四要素區(qū)域自動氣象站升級改造為使用HY-364采集器的Caws600系列新型六要素區(qū)域自動氣象站(下文簡稱新型站)。新型站相較舊型號區(qū)域自動氣象站有較大升級變動，對該設(shè)備運行過程中遇到的各類故障進行分析總結(jié)，能夠幫助基層氣象保障人員在維修維護新型站時，及時發(fā)現(xiàn)故障并采取有效的處理措施，提高維修效率，保障設(shè)備能持續(xù)提供準確穩(wěn)定的氣象數(shù)據(jù)。

1 維修方法與準備

維修的基本思路，以故障作為起點，逐級尋找故障出現(xiàn)的源頭。區(qū)域自動氣象站維修方法有目測法、檢測法、替換法與綜合分析法。目測法是通過對軟硬件的目測或手動檢查找到故障部位。檢測法主要是對設(shè)備的電阻、電壓等電數(shù)據(jù)進行檢測，通過數(shù)據(jù)異常點定位故障位置。替換法是通過目測法與檢測法找到懷疑的問題部件，對問題硬件進行替換。綜合分析法是結(jié)合目測法、檢測法、替換法結(jié)果，根據(jù)設(shè)備機構(gòu)、觀測原理、電路知識綜合分析，逐步縮小范圍，確定故障源頭。

區(qū)域自動氣象站站點分布廣，數(shù)量多，設(shè)備維修的時間成本與人力成本都較高，所以出發(fā)現(xiàn)場維修前，一定要將維修工具及備件準備充足，避免因維修工具與備件的準備不足而導(dǎo)致多次返修。攜帶的維修工具應(yīng)包含電量充足的移動電腦、萬用表、各類型拆裝工具、電工膠布、備用線纜、備件等。出發(fā)前還應(yīng)結(jié)合天氣狀況、設(shè)備異常數(shù)據(jù)、故障出現(xiàn)時間進行提前分析，初步判斷故障點，針對性地攜帶維修備件與工具。例如，當出現(xiàn)長時間連陰雨天氣時，部分站點因蓄電池性能下降而導(dǎo)致數(shù)據(jù)規(guī)律性夜間缺失，應(yīng)攜帶狀態(tài)良好的蓄電池前往。

2 供電系統(tǒng)故障分析與解決

供電系統(tǒng)由太陽能板、蓄電池、太陽能充電控制器(下文簡稱充電控制器)、刀片開關(guān)、防雷板等部件組成，任何部件故障都可能導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)斷電，直接影響全站數(shù)據(jù)采集傳輸，所以供電系統(tǒng)故障尤其需要重視。

2.1 太陽能板

2.1.1 太陽能板特性

新型站太陽能板峰值功率55W，峰值電壓17.8V，峰值電流3.08A，開路電壓22.1V。根據(jù)12V/65AH電池電功率P=780W，供電時間H≈14.18h，理論上使用55W太陽能板充滿配置12V/65AH的電池需要14.18h。

2.1.2 太陽能板輸出較低

檢查是否有以下典型故障：①表面透光性下降，太陽能受光面板有較多污漬或變色；②組件裂紋，太陽能電池出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致光伏組件輸出功率下降，如銀柵線變色的蝸牛紋；③熱斑現(xiàn)象，組件中的部分電池單元因輸出電流明顯小于其他電池單元，會成為負載被其他單元反向充電而發(fā)熱損壞；④脫層，電池單元外圍出現(xiàn)剝落，導(dǎo)致保護玻璃、封裝材料、電池單元之間發(fā)生剝離，甚至開裂。以上故障都將導(dǎo)致太陽能板輸出功率降低[1]，發(fā)現(xiàn)以上故障，需及時整體更換太陽能板。

2.1.3 太陽能板無輸出

檢查太陽能板輸出線纜是否斷路，明顯的線纜斷開可以直接目測，無備件時可對線纜進行緊急處理，首先將線纜問題部位斷開，把同路線纜剝?nèi)ソ^緣皮預(yù)留出5cm長線頭，然后將兩個線頭交叉絞合3圈，接著再把剩余線頭緊密纏繞在兩側(cè)裸露導(dǎo)線上，最后使用絕緣膠帶緊密包裹以恢復(fù)臨時供電。線纜正常時檢查線纜與電源控制器接口連接是否虛接，可將接口拆卸后使用萬用表測量太陽能板輸出線纜電壓是否正常，電壓正常則為接口虛接故障，應(yīng)將接口重新安裝。接口的安裝應(yīng)避免線纜絕緣皮在接口內(nèi)預(yù)留過多而導(dǎo)致虛接，完成后可嘗試輕輕拉扯接口上所接各路線纜，以判斷連接是否緊固，并使用萬用表確認接口輸出電壓是否恢復(fù)。如線纜與接口都正常而太陽能板仍無輸出電壓，則為太陽能板穩(wěn)壓電路故障，需整體更換太陽能板。以上處理方法適用于所有因線纜意外中斷或接口松動虛接而導(dǎo)致無輸出故障設(shè)備的處理。

2.2 蓄電池

2.2.1 蓄電池特性

新型站使用12V/65AH鉛酸免維護電池，相較過去并聯(lián)3個6V電源供電，既避免了不同容量電池或新舊電池混用導(dǎo)致的單電池短路、短板效應(yīng)等風險，也降低了電池維護難度。該型蓄電池狀態(tài)良好時空載電壓為13～14V，當下降至11.1V充電控制器將啟動過放電保護，電池不再放電，其終止電壓10.8V。新型站系統(tǒng)平均功耗小于1W，功耗電流I≈0.083A，蓄電池電量65A電流放電1小時，則設(shè)備純蓄電池供電時間H≈783h，理論上可持續(xù)供電30日以上。

2.2.2 蓄電池變形、漏液與腐蝕

電池出現(xiàn)鼓漲變形意味著其內(nèi)部已出現(xiàn)熱失控、板棚變形、活性物質(zhì)膨脹、排氣口堵塞等嚴重故障，此時應(yīng)立即更換電池。蓄電池破損、漏液多出現(xiàn)在邊角、密封接口處，此故障對設(shè)備安全威脅最為嚴重，因為蓄電池內(nèi)液具有強腐蝕性，內(nèi)液漏出將腐蝕破壞流經(jīng)的設(shè)備，如發(fā)現(xiàn)應(yīng)立即清除設(shè)備內(nèi)殘余漏液并更換電池。蓄電池腐蝕主要發(fā)生在蓄電池端子處，多為電化學腐蝕，主要原因為端子與水或蓄電池內(nèi)揮發(fā)出的酸接觸構(gòu)成原電池而發(fā)生腐蝕[2]，表現(xiàn)為端子處有藍綠色硫酸銅或白色硫酸鋅等附著物，會造成電流通過困難，嚴重時端子將徹底腐蝕掉落導(dǎo)致蓄電池報廢，因此發(fā)現(xiàn)腐蝕時需立刻使用銅絲刷等清理附著物，將端子金屬部分裸露后涂抹潤滑脂。對出現(xiàn)腐蝕蓄電池要加強觀察，做好電池更換準備。

2.2.3 蓄電池電量簡單判別

充電控制器的蓄電池指示燈的狀態(tài)指示當前蓄電池電量等信息，可根據(jù)此判斷電池狀態(tài)，具體見表1。

表1 蓄電池指示燈狀態(tài)含義與相關(guān)處置措施

2.2.4 蓄電池輸出異常

檢查蓄電池空載電壓，當電池電壓下降2的倍數(shù)且充電時電壓仍然保持零或低值時，表明電池內(nèi)部發(fā)生短路故障，應(yīng)直接更換蓄電池。

接入負載后觀察蓄電池電壓在一段時間內(nèi)的變化情況，如放電時電壓下降速度很快，最終停止供電，表明電池已鹽化較重，可以直接更換電池，此故障原因多為電池過放電引起的極板硫酸鹽化，故障較輕時，可對電池進行全充電及全放電的活化充電，使其活性恢復(fù)[3]。

2.3 太陽能充電控制器

新型站使用了Steca Solsum 8.8B 太陽能充電控制器，相較過去的電源控制插板，可維護性更好。設(shè)備最大電流8A，浮充電壓13.9V，快充電壓14.7V，均沖14.7V，自我恢復(fù)電壓12.5V，深放電保護電壓11.1V。

2.3.2 充電控制器不工作或無指示燈顯示

充電控制器需要連接蓄電池作為穩(wěn)定電源才可正常工作，不接入蓄電池時充電控制器無輸出且無指示燈亮起，所以當出現(xiàn)充電控制器不工作或無指示燈顯示，表明充電控制器蓄電池接口無輸入或控制器損壞，需要檢查蓄電池是否存在極性反接、電壓過低等故障，排除后仍然異常，則需要更換充電控制器。故障時如現(xiàn)場無備件可換，可將蓄電池輸出并接至刀片開關(guān)處進行臨時供電，此為臨時操作，需及時更換充電控制器，否則電池會因過放電而受損。

2.3.3 充電控制器系統(tǒng)指示燈告警

充電控制器系統(tǒng)指示燈紅燈閃爍時，為充電電流過高、過載、短路、過溫導(dǎo)致系統(tǒng)故障，應(yīng)及時斷開所有連接進行逐一檢測,如排除太陽能板與蓄電池故障，則為充電控制器損壞，需更換。

2.3.4 充電控制器充電與輸出異常

如太陽能板開路電壓正常，蓄電池開路電壓大于12.5V，而接入充電控制器后充電控制器充電電壓低于電池電壓，則為充電控制器輸出組件發(fā)生故障。當充電控制器輸出端無電壓時，檢查蓄電池負載電壓，電壓高于11.1V，為充電控制器損壞，電壓低于11.1V，為充電控制器啟動深放電保護功能，此時只需更換狀態(tài)良好的蓄電池即可。

2.3.5 充電控制器保護功能

不同版本的教材在編排方程內(nèi)容時，都用到了“天平”這一情境，因此，教師在教學過程中也用到了“天平”或者天平的變體“蹺蹺板”。這可能與天平平衡狀態(tài)下兩邊質(zhì)量相等這一特征密不可分。當數(shù)值從天平中抽象出來以后，自然就變成了左右兩邊相等的式子。因此，教師能很自然地突出式子兩邊等價這一屬性。延拓開來，就是在列方程過程中，需要找到這樣一種特殊的數(shù)量關(guān)系（等量關(guān)系）。那么，這是方程的本質(zhì)嗎？

充電控制器具有較好的電源保護功能，當出現(xiàn)以下故障時不會損壞控制器，排除后系統(tǒng)可以繼續(xù)正常工作：太陽電池組件短路、太陽電池組件極性錯誤、負載輸出短路、負載電流過大、蓄電池極性錯誤、太陽電池組件電流過大、過溫、負載輸出端電壓過高。

2.4 刀片開關(guān)與防雷板

2.4.1 刀片開關(guān)

刀片開關(guān)配有刀片保險管與保險指示燈，具有大電流保護功能，大電流時保險管熔斷，保險指示燈點亮，開關(guān)為斷路狀態(tài)，可轉(zhuǎn)動刀片開關(guān)上的可拆卸突出的旋鈕，卸下后將內(nèi)部的保險管取出更換。

刀片開關(guān)故障檢查時，可先取出內(nèi)部的保險管，用萬用表蜂鳴檔位進行測試，蜂鳴導(dǎo)通為保險管正常，無蜂鳴中斷狀態(tài)為保險管損壞，根據(jù)保險管與保險指示燈對應(yīng)關(guān)系進而可判斷管保險指示燈是否故障。在確定保險管與保險指示燈正常情況下，開關(guān)閉合時測量采集器供電端與太陽能充電控制器輸出端之間是否正常導(dǎo)通可確認刀片開關(guān)整體狀態(tài)，導(dǎo)通則設(shè)備與導(dǎo)線連接正常，如斷路表明開關(guān)內(nèi)部故障或?qū)Ь€虛接，排除導(dǎo)線虛接確認為刀片開關(guān)內(nèi)部故障時，可將線路移至一旁備用刀片開關(guān)。

2.4.2 防雷板

防雷板使用的是陶瓷氣體放電管，并聯(lián)在電源端、傳感器端至采集器之間，雷電引起瞬間大電能使放電管脈沖擊穿放電，將浪涌電流泄放至大地，從而保護設(shè)備。

防雷板電路開路。檢查時使用萬用表測量防雷板同電路兩端通斷情況，正常為導(dǎo)通，如防雷板線路開路，則為防雷板線路損壞，在無備件時可臨時將線路跳至防雷輸出端，直接連接采集器工作。

防雷板陶瓷氣體放電管損壞。測量各路陶瓷氣體放電管導(dǎo)通狀態(tài)，斷路狀態(tài)為正常，短路狀態(tài)為陶瓷氣體放電管硬件損壞，此時電路處于接地漏電狀態(tài)，該路上的設(shè)備不能正常供電與傳輸數(shù)據(jù)，該故障需要更換陶瓷氣體放電管，緊急時可直接將陶瓷氣體放電管引腳剪斷以防止漏電，后期再及時更換防雷板。

3 采集系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)故障分析與解決

3.1 HY364采集器特點

因采集系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)共同集成在采集器中，所以不再分開敘述。HY-364 數(shù)據(jù)采集器為升級產(chǎn)品，在具備原有功能的基礎(chǔ)上，對通訊單元進行升級，實現(xiàn)了全網(wǎng)通功能。

3.2 采集器主板損壞

主板電路損壞導(dǎo)致采集器無法開機，表現(xiàn)為輸入電壓正常時系統(tǒng)指示燈與網(wǎng)絡(luò)指示燈均不點亮，調(diào)試串口連接區(qū)域自動氣象站調(diào)試軟件后無法識別設(shè)備，所有要素缺測，常見原因有雷擊、誤接16V以上的電源、受潮氧化等，主板硬件損壞時需更換采集器。

3.3 采集器單接口故障

采集器日常主要應(yīng)用接口有RS232串口、模擬串口與調(diào)試串口。其中，調(diào)試串口故障判別較為簡單，設(shè)備正常收集數(shù)據(jù)并傳輸，但使用串口線與區(qū)域自動氣象站調(diào)試軟件連接時不能正常識別設(shè)備。RS232與模擬串口為采集數(shù)據(jù)的主要接口，接口故障時，接口對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)不能被正常采集，其他接口數(shù)據(jù)正常收發(fā)。單接口故障處置時應(yīng)檢查接口針腳是否折斷，串口的供電端口電壓是否正常，采集器對傳感器供電除氣壓傳感器與濕度傳感器需單獨接12V供電外，都為5V供電，采集器出現(xiàn)接口針腳斷裂、供電異常時，應(yīng)更換采集器。

3.4 采集器通訊系統(tǒng)故障

單純通訊故障時采集器系統(tǒng)指示燈綠燈且正常秒閃，而網(wǎng)絡(luò)指示燈無指示，設(shè)備能夠正常讀取各傳感器數(shù)據(jù)但無法發(fā)送數(shù)據(jù)。故障處理首先檢查采集器天線是否安裝正確，天線端需伸出設(shè)備箱體外，不被金屬箱體屏蔽，再檢查設(shè)備現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)信號是否良好，可向設(shè)備手機號發(fā)送“GETDEBUG1!”短信指令或是使用調(diào)試軟件實時監(jiān)控功能查詢手機卡信號數(shù)據(jù)，最后可向當?shù)剡\營商確認手機號碼網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)是否正常，信號較差與號碼服務(wù)異常時需要與運營商溝通解決。實際工作中發(fā)現(xiàn)HY-364對部分舊版CDMA號碼不支持，需特別注意。如無以上問題，則說明采集器通訊系統(tǒng)故障，需更換采集器。

3.5 采集器傳輸設(shè)置故障

使用華云尚通本地維護管理軟件現(xiàn)場檢查采集器軟件設(shè)置，中心站設(shè)置、站點號、分鐘雨量上報間隔設(shè)置錯誤直接影響數(shù)據(jù)的傳輸，需要重點檢查，其中雨量上報間隔設(shè)置影響報文上報間隔，因容易被忽略需特別注意。在該站手機卡號開通短信功能的前提下，可使用短信遠程查看或修改相關(guān)設(shè)置，中心站傳輸設(shè)置，可使用“GETCOMM00!”查看原中心站通訊設(shè)置，再使用設(shè)置參數(shù)命令“SETCOMM00+IP地址+端口號+接入點+協(xié)議+!”進行設(shè)置，返回“SETCOMM00OK!”表明設(shè)置成功。站點信息可使用“SETSTATIC01+站點號+口令+本機號碼+是否采集溫度+偏移量+間隔+分鐘雨量上報門限+分鐘雨量上報間隔+！”設(shè)置，返回“SETSTATIC01OK!”表明設(shè)置成功。使用短信功能完成設(shè)置后要對區(qū)域自動氣象站采集器主板發(fā)送重啟命令，以使設(shè)置過的參數(shù)生效，使用“TECOM RESET!”命令可實現(xiàn)采集器主板遠程重啟[4]。

4 傳感器系統(tǒng)故障分析與解決

4.1 傳感器系統(tǒng)特點與維修基本方法

新型站傳感器系統(tǒng)與舊站最大不同在于新站所有傳感器都連接防雷板后再與采集器串口相連，增強了傳感器的可靠性與穩(wěn)定性。當個別傳感器數(shù)據(jù)異常，維修時應(yīng)首先排除線纜與接線端子故障，如仍處于異常狀態(tài)，再通過傳感器、防雷板、采集器分段采取檢測法與替換法確認故障源頭，全要素缺測時多為采集器故障，可替換采集器確認。

4.2 溫度

溫度傳感器故障判別需在傳感器斷電后分別測量串口上PIN1、PIN3口的電阻R1(80-120Ω)，PIN1、PIN2口的電阻R2(2Ω以下)，使用溫度計算公式計算溫度傳感器溫度值，溫度計算值與環(huán)境溫度接近為正常，明顯偏離環(huán)境溫度時，說明傳感器故障，需要更換溫度傳感器。

4.3 雨量

雨量傳感器雨量異常,應(yīng)拆卸承水器單獨清洗，并使用量具接取定量的清水直接倒入漏斗，觀察各翻斗運行是否流暢，各漏斗水流是否通暢，同時可根據(jù)傳感器計數(shù)值判斷傳感器降雨識別量是否與倒入的清水量符合。當發(fā)現(xiàn)各翻斗、承水器、漏斗與底盤排水不暢，甚至堵塞時要逐一拆卸清潔，并用清水沖洗。翻斗卡滯甚至卡死時，需注意檢查是否有蛛絲等物體阻礙翻斗運行，以及翻斗金屬轉(zhuǎn)芯是否固定過緊導(dǎo)致翻斗翻動不靈活，可手動調(diào)節(jié)金屬轉(zhuǎn)芯兩側(cè)的螺帽，控制靈活度。如清水量與傳感器識別量出入較大，可通過差值C=(清水量-識別量)/清水量×100%計算兩者差值，并根據(jù)差值對計量翻斗的兩個定位螺釘進行調(diào)整，將一個定位螺釘向內(nèi)或向外旋動一圈，其差值改變量為3%左右，為使調(diào)節(jié)位置準確，在旋動定位螺釘前應(yīng)做好記號，以便參照[5]。

線纜故障檢查，雨量采集端口有DC5V左右的驅(qū)動電壓，測量接線柱兩端電壓，當電壓小于5V時，為雨量傳輸線故障，注意檢查線纜頭尾連接是否虛接、斷路。

干簧管故障檢查，萬用表調(diào)整至蜂鳴檔位，紅黑表筆分別連接信號線接線柱，使用工具撥動計數(shù)翻斗，當計數(shù)翻斗翻動一次萬用表短暫蜂鳴說明傳感器干簧管正常，否則檢查干簧管與接線柱連接是否良好，確定連接良好后，依舊未蜂鳴導(dǎo)通，則表明干簧管損壞，應(yīng)更換。

4.4 風向風速

傳感器數(shù)據(jù)異常檢查，測量風速信號接口(PIN2)和接地(PIN3)之間的電壓，如風杯轉(zhuǎn)動時測量值接近2.5V，風杯停止時測量值為0或者接近5V，則風向風速傳感器正常，反之傳感器故障，應(yīng)更換。新型站使用的是電壓風向傳感器，測量風向信號接口(PIN2)和接地(PIN3)之間的電壓，電壓正常范圍為0～2.5V，線性對應(yīng)0～360°，可目測風向傳感器當前所指方向，比例換算后做對比，相對應(yīng)則傳感器正常，反之則風向傳感器故障，應(yīng)更換。

風向風速同時缺測故障，可放下風桿，在轉(zhuǎn)接盒內(nèi)直接測量風向風速信號電壓是否正常，如電壓仍然異常，可使用傳感器替換法確認是傳感器故障還是線纜故障。

4.5 氣壓

因采集器氣壓串口只提供5V供電，所以氣壓傳感器連接采集器時，需要單獨跳接12V電源為傳感器供電。故障判斷需先檢查12V供電是否正常，并使用調(diào)試軟件讀取傳感器數(shù)據(jù)與狀態(tài)，供電正常而數(shù)據(jù)明顯異常，需注意檢查氣壓軟管是否有蟲蟻入侵，出口是否被堵塞，并及時清理，如故障依舊，則為傳感器故障，需更換。

4.6 濕度

當環(huán)境濕度發(fā)生改變時濕度傳感器電容同步變化，其0～1V直流電壓輸出線性對應(yīng)0～100%RH。濕度傳感器與氣壓傳感器一樣，需要單獨跳接12V電源供電，供電正常時，可直接測量濕度串口上信號接口PIN2與接地PIN4之間的電壓，換算為濕度數(shù)值后與環(huán)境濕度作大致對比，符合環(huán)境濕度為正常，如差異較大，則傳感器故障，需更換。

5 結(jié)束語

區(qū)域自動氣象站屬于基層氣象觀察網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)中重要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其數(shù)據(jù)在各類氣象預(yù)報預(yù)警、監(jiān)測評估等業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用，其分布廣、數(shù)量多，發(fā)生故障將嚴重影響氣象數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集，直接影響氣象預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)運行，因此維護人員要密切監(jiān)測設(shè)備日常工作的運行狀況，加強設(shè)備備件儲備，重視異常數(shù)據(jù)分析，合理安排維護行程，力求高效排除區(qū)域自動氣象站的各種故障。故障維護維修工作還需要注重經(jīng)驗總結(jié)，對故障率高的部件應(yīng)開展有針對性的維護保養(yǎng)措施，確保區(qū)域自動氣象站能長期處于良好的工作狀態(tài)。本文所整理的故障判斷與處理方法，有助于維護人員更好地開展區(qū)域自動氣象站的維護維修工作，減少故障對區(qū)域氣象數(shù)據(jù)帶來不良影響。