DZZ5新型自動氣象站采集器及綜合集成硬件控制器故障分析

陳藝萌 張馨月

（1.阜新蒙古族自治縣氣象局，阜新 123100；2.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610200）

為更好更快推進地面氣象觀測自動化建設(shè)，中國氣象局于2008年編制了新型自動氣象站功能規(guī)格需求書。2012年前后，DZZ5型自動氣象站開始投產(chǎn)使用。阜新國家基本氣象站（以下簡稱本站）的DZZ5新型自動氣象站于2013年6月份開始正式運行，在2015年加入了綜合硬件集成控制器設(shè)備，并于2020年4月1日正式啟動地面氣象觀測自動化改革。為滿足觀測自動化改革后崗位職責(zé)調(diào)整對設(shè)備維護維修、核查標(biāo)校或檢測的要求，應(yīng)深入了解氣象要素自動觀測原理及氣象站工作方式，快速分析常見故障并及時處理，這對數(shù)據(jù)質(zhì)量的保障及工作效率的提升有非常重要的作用。

1 DZZ5新型自動氣象站的組成結(jié)構(gòu)

新型自動氣象站是一個基于現(xiàn)代總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的自動化測量系統(tǒng)。作為地面氣象自動化觀測系統(tǒng)中的核心組成部分，本站使用的是華云升達（北京）氣象科技有限責(zé)任公司研制的DZZ5新型自動氣象站，主要由硬件和軟件兩大部分組成。其中：硬件包括主/分采集器、外部控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線、傳感器、外圍設(shè)備4部分；軟件包括嵌入式軟件和業(yè)務(wù)軟件2部分。

軟件部分按其功能可分為4個單元。第一，采集器單元。該單元以HY3000主采集器為核心元件，同時配以多個分采集器，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣象數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理。同時，采集器的硬件系統(tǒng)能夠支持嵌入式實時操作系統(tǒng)的運行[1]。分采集器主要包括溫濕分采集器、地溫分采集器、輻射分采集器以及氣候分采集器等，本站只配置了前兩種分采集器。第二，傳感器單元。該單元由多種精密的傳感器組成，能夠?qū)崟r感應(yīng)氣象要素并轉(zhuǎn)換成不同信號傳遞給采集器。第三，通信單元。該單元的主要控件為綜合集成硬件控制器，且控制器傳輸?shù)男盘柨赏ㄟ^光電轉(zhuǎn)換將其傳輸至設(shè)備終端。第四，供電單元。該單元主要由不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）和蓄電池組成的系統(tǒng)對設(shè)備進行供電。

2 常見故障分析與處理

DZZ5新型自動氣象站的4大硬件和2大軟件部分都時刻擔(dān)負著重要的功能，任何一部分出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法采集和傳輸不及時[2]?；诖?，梳理本站出現(xiàn)過的關(guān)于采集器和綜合集成硬件控制器的故障問題并進行了歸納和擴展，同時以不同氣象要素數(shù)據(jù)異常的情況進行了分類和分析。分析過程中，對于本站沒有安裝的設(shè)備故障問題暫不介紹，主采集器嵌入式軟件版本號為Ver 2.69，萬用表為優(yōu)利德UT39C，業(yè)務(wù)軟件為ISOS軟件（Ver 3.0.3.330），串口調(diào)試助手型號為sscom42。

2.1 電源系統(tǒng)故障

電源系統(tǒng)正常工作是自動氣象站穩(wěn)定運行的前提，當(dāng)數(shù)據(jù)全部缺測時，應(yīng)首先檢查是否為總電源系統(tǒng)故障[3]。本站在主采端和綜合集成硬件控制器端有兩個總電源，其配制方式和檢測方法相同，要按照總電源輸入端電壓測量（應(yīng)為220 V左右）、空氣開關(guān)是否關(guān)閉并正常工作、保險絲是否損壞、輸出端電壓測量（應(yīng)為12 V左右）、蓄電池電壓測量（應(yīng)為12 V左右）以及電源線路故障的順序逐一檢測。

2.2 采集器故障

2.2.1 溫濕分采集器故障

溫濕分采集器為HY1101型數(shù)據(jù)采集器。當(dāng)ISOS軟件中發(fā)現(xiàn)溫度和濕度數(shù)據(jù)同時缺測或異常時，應(yīng)先考慮可能是溫濕分采集器出現(xiàn)了故障。其中：軟件部分可通過ISOS確定地溫分采集器配置是否被更改（目前這一操作可省略，情況在后面說明）；硬件部分要按照分采集器輸入電壓測量（應(yīng)為12 V左右）、數(shù)據(jù)傳輸線路（CAN線）故障、分采集器本身故障、兩個傳感器同時故障的順序進行檢查[4]。由于數(shù)據(jù)線為CAN線中的H、L會出現(xiàn)斷路、短路或交叉的情況，此時斷路和短路情況通過萬用表的蜂鳴檔檢測即可。CAN線連接方式為主采集器端的H端連接分采集器的H端，即同端相連接。H、L線兩端在傳輸數(shù)據(jù)時會有一個電壓差，其差值大約在1.7 V?？捎萌f用表的電壓檔測量H、L線端點處，如果顯示正直，則紅表筆連接的線為H端，如果是負值，則黑表筆連接的線為H端。

2.2.2 地溫分采集器故障

地溫分采集器為HY1310型數(shù)據(jù)采集器。當(dāng)ISOS軟件中發(fā)現(xiàn)只有10類地溫數(shù)據(jù)全部缺測或異常時，應(yīng)先考慮可能是地溫分采集器出現(xiàn)了故障。其中：軟件部分同溫濕分采配置方法相同；硬件部分按照電源線路故障、數(shù)據(jù)傳輸線路（CAN線）故障、分采集器本身故障、10個傳感器同時故障的順序進行檢查。需要注意的是，與溫濕分采集器不同，地溫分采集器主面板上有專門的電源輸入插口，所以有時地溫分采集器的CAN線4端子插口處只連接了CAN總線的H、L兩根數(shù)據(jù)線而沒有電源線。檢查CAN線時只需檢查H、L線是否斷路、短路或交叉即可。電源輸入檢查要確定BAT端口接入電源，VDC端不能作為供電輸入，只能作為外部交流電源檢測使用，應(yīng)注意不要將電源接錯位置[5]。在故障排查中，還要注意CAN線端子后面的CAN-Jumper處的跳線帽必須插上。如果未插上跳線帽，可能不會立即顯示數(shù)據(jù)缺測或異常的情況，但在日常運行中會出現(xiàn)地溫個別數(shù)據(jù)不定時缺測、不定時恢復(fù)的問題，在日常維護中會經(jīng)常忽略。

2.2.3 主采集器故障

主采集器為HY-3000型數(shù)據(jù)采集器。當(dāng)ISOS中發(fā)現(xiàn)包括溫度、濕度、地溫、風(fēng)向風(fēng)速、雨量、能見度、蒸發(fā)、氣壓、稱重以及雪深等數(shù)據(jù)全部缺測或異常，但其他串口連接的日照、降水現(xiàn)象儀、凍土、天氣現(xiàn)象視頻智能儀等設(shè)備數(shù)據(jù)正常時，應(yīng)先考慮可能是主采集器出現(xiàn)了故障。軟件部分對于主采集器沒有專門的配制命令，可以通過發(fā)送任意命令查看返回值來確定主采是否工作正常，同時發(fā)送Reset To Factory命令等待主采集器自動重啟，查看是否恢復(fù)數(shù)據(jù)采集功能。硬件部分按照電源線路故障、數(shù)據(jù)傳輸線路（RS232-1端口數(shù)據(jù)線）故障、主采集器本身故障、主采集器上連接的所有傳感器同時故障的順序進行檢查。同時，主采集器的電源輸入端口同樣為BAT端口，VDC不能作為供電輸入。

2.3 綜合集成硬件控制器故障

ISOS中發(fā)現(xiàn)全要素缺測或異常時，排除總電源故障和通信線纜故障后，要先考慮綜合集成硬件控制器出現(xiàn)了故障。軟件部分因為綜合集成硬件控制器在恢復(fù)出廠設(shè)置后，設(shè)備本身的IP地址會恢復(fù)到192.168.1.1，而業(yè)務(wù)終端電腦一般都是站內(nèi)固定IP地址，所以需要在終端電腦上的SMOPORT軟件中檢查綜合集成硬件控制器的實時IP，修改為與電腦同一網(wǎng)段即可。另外，還需分別檢查每個PORT串口的傳出方式和通信參數(shù)是否有錯誤。本站設(shè)定的多有串口通信參數(shù)均相同，波特率為9 600 Baud，停止位為N，校驗位為1，數(shù)據(jù)位為8。其中，降水類天氣象限儀的通信傳輸方式為RS-485，其他的包括主采集器、日照傳感器、天氣現(xiàn)象視頻智能儀、凍土儀等的通信方式均為RS-232。目前，本站沒有RS-422傳輸模式的設(shè)備。同時，檢查電腦端兩個服務(wù)程序是否開啟，之后重啟ISOS軟件。硬件部分要按照電源線路故障、數(shù)據(jù)傳輸線路（包括串口端數(shù)據(jù)線、室內(nèi)外兩個光纖轉(zhuǎn)換模塊、室外短網(wǎng)線、光纖和室內(nèi)網(wǎng)線）故障、PORT口故障、綜合集成硬件控制器本身故障、串口連接的設(shè)備或儀器同時故障的順序進行檢查。需要注意的是，光纖R、T線路兩端需要交叉連接（交叉意為R端出去的數(shù)據(jù)線另一端要連接到T端，反之T端接R端）。RS-232在PORT口處需接1、3、5針腳，同時1、3針腳對應(yīng)的R、T數(shù)據(jù)線兩端也要交叉連接。RS-485在PORT處需接1、2針腳。RS-422在PORT處需接1、2、3、4針腳。需要說明的是，針腳計算方向均為正視綜合集成硬件控制器，在串口端5孔綠端子處應(yīng)從右向左依次計算位置。主要要素故障的檢測流程如表1所示。

表1 主要要素故障的檢測流程

需要說明的是，分采集器的軟件部分配制設(shè)置命令在現(xiàn)有版本下不起作用。在電腦終端發(fā)送命令DAUSET TARH 0后，溫濕分采集器通道處于關(guān)閉狀態(tài)，但采集器正常采集，電腦終端也能正常顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也可以正常入數(shù)據(jù)庫。但是，在以后采集器版本和ISOS軟件版本升級后該功能是否恢復(fù)不得而知，這一項功能需要注意。

3 結(jié)語

一般情況下，DZZ5型自動站配套的傳感器運行較穩(wěn)定，基本不會出現(xiàn)多傳感器同時故障的情況。當(dāng)多個相關(guān)聯(lián)的傳感器同時出現(xiàn)故障時，可以優(yōu)先考慮是采集器或是綜合集成硬件控制器處出現(xiàn)故障，以快速找到故障點，及時排查故障。

上述設(shè)備的故障排查順序都要以輸入電源檢測開始。第二檢測點為數(shù)據(jù)傳輸線路。例如：站內(nèi)最容易出問題的是CAN總線和光纖，其中CAN總線是雙絞線方式連接，雙工通信，總線標(biāo)準為ISO11898。此外，老鼠、蟲子等的啃咬也是導(dǎo)致線路損壞的重要原因之一，需要警惕。第三檢測點是要確認設(shè)備本身是否損壞。例如：每年雨季發(fā)生的感應(yīng)雷和直接雷引發(fā)的過電壓、過電流都可能導(dǎo)致設(shè)備本身故障。第四檢測點是確認是否為對應(yīng)的多個采集器集體故障。因此，每年春季認真做好防雷工程維護和值班員按要求完成觀測場維護是非常必要的。