DZZ4型自動(dòng)氣象站觀測中常見故障診斷方法

唐 燕，潘 來，陳 蘊(yùn)，張 錦

(1.貴州省水城縣氣象局，貴州 水城 553001；2.貴州省六枝特區(qū)氣象局，貴州 六枝 553400)

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DZZ4型自動(dòng)氣象站觀測中常見故障診斷方法

唐 燕1，潘 來2，陳 蘊(yùn)1，張 錦1

(1.貴州省水城縣氣象局，貴州 水城 553001；2.貴州省六枝特區(qū)氣象局，貴州 六枝 553400)

通過對DZZ4型自動(dòng)氣象站(以下簡稱DZZ4)結(jié)構(gòu)的分析，介紹了DZZ4中常規(guī)要素(包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、降水和地溫)的常見故障的排除方法，正確判斷分析出現(xiàn)異常情況的原因，掌握各種要素故障時(shí)的應(yīng)急處理措施，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、完整性和可用性。

要素；分析；診斷

1 引言

地面氣象觀測業(yè)務(wù)是綜合氣象觀測業(yè)務(wù)的重要組成部分，是我國各級氣象觀測站承擔(dān)的主要任務(wù)之一。隨著傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了地面氣象觀測自動(dòng)化的進(jìn)程。全國2 400多個(gè)國家級地面氣象觀測站全部實(shí)現(xiàn)了7要素(氣壓、溫度、濕度、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速及地溫)等基本氣象要素的觀測自動(dòng)化，觀測精度達(dá)到了WMO的觀測要求。DZZ4采用當(dāng)今成熟的、穩(wěn)定的、先進(jìn)的電子測量、數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)，是運(yùn)用現(xiàn)代總線技術(shù)路線、嚴(yán)格按照中國氣象局《新型自動(dòng)氣象(氣候)站功能規(guī)格書(修訂版)》規(guī)定研制的新一代自動(dòng)氣象站產(chǎn)品。

隨著DZZ4的普遍使用，自動(dòng)氣象站能否正常運(yùn)行及數(shù)據(jù)采集是否準(zhǔn)確、完整、可用就顯得尤為重要。自動(dòng)觀測的數(shù)據(jù)客觀連續(xù)，很大程度上避免了人為誤差，使氣象資料的代表性、準(zhǔn)確性、比較性更強(qiáng)。然而由于DZZ4使用時(shí)間短，對儀器的性能和維護(hù)保養(yǎng)還比較欠缺，為了保證DZZ4的正常運(yùn)行，儀器的維護(hù)是關(guān)鍵。保障DZZ4的正常運(yùn)行，對氣象而言尤為重要。通過臺站在實(shí)際工作中遇到的問題進(jìn)行分析，介紹了DZZ4常規(guī)要素的常見故障的排除方法。

2 DZZ4的組成結(jié)構(gòu)

DZZ4基于現(xiàn)代CAN總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建，它由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括采集器(1個(gè)主采集器和若干個(gè)分采集器)、外部總線、傳感器、外圍設(shè)備4部分；軟件包括嵌入式軟件、業(yè)務(wù)軟件兩部分，其總體結(jié)構(gòu)(見圖1)所示。

3 DZZ4常用的故障判斷方法

3.1 替代法

根據(jù)邏輯分析，確定故障部位。用好的組件替代壞的組件，故障現(xiàn)象消失，則說明分析判斷正確。工作中經(jīng)常用到替代方法的氣象要素主要是地溫。如5 cm地溫超差或明顯不正常，其余地溫均正常，就近原則，我們常用0 cm或者10 cm的地溫來替代5 cm地溫，若數(shù)據(jù)顯示正常，則可判斷地溫分采沒有問題，有可能是5 cm地溫傳感器或線路故障。

3.2 測量法

DZZ4由多種傳感器組成，傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，由于電信號便于測量、傳輸、存儲和處理，因此氣象傳感器一般為電信號輸出。輸出的電信號通常有：電壓、電阻、電容、電流及頻率等。如溫度傳感器輸出信號為電阻，電阻范圍為80～120 Ω；濕度傳感器輸出信號為電壓，電壓范圍為0-1 V；風(fēng)向傳感器輸出信號為7位格雷碼； 風(fēng)速傳感器輸出信號為頻率等等。這些輸出信號都可以通過使用萬用表，只要正確選擇檔位，就可以測量傳感器輸出信號值。

萬用表是自動(dòng)站故障判斷中不可缺少的測量工具。根據(jù)萬用表測量關(guān)鍵測試點(diǎn)電信號參數(shù)，很多時(shí)候就可能分析出故障出現(xiàn)部位。如前面提到的，地溫分采沒有問題，可能是5 cm地溫傳感器或線路故障，這時(shí)我們就可能用測量的方法，測量傳感器是否有輸出信號，輸出信號是否在正常的范圍內(nèi)，以此就可判斷是故障是傳感器或者是線路。

圖1 DZZ4的結(jié)構(gòu)圖

3.3 直連法

在之前使用過的CAWS600系列或ZQZ系列的自動(dòng)站中，氣壓傳感器屬于模擬傳感器，輸出信號為電壓，電壓范圍為0～2.5 V，對應(yīng)的氣壓值為500～1 100 hPa，可以通過萬用表測出輸出信號值，從而計(jì)算出當(dāng)時(shí)的氣壓值。而DZZ4中的氣壓傳感器屬于智能傳感器，所謂的智能傳感器，是一種帶有微處理器的傳感器，具有一定的采集和處理功能，能直接輸出被測要素的采樣值或觀測值。在電源10～35V供電正常的情況下，用微機(jī)通過串口連接到氣壓傳感器的輸出端口。發(fā)送測試指令“.p”，根據(jù)返回的值可以判斷傳感器是否正常。

4 DZZ4的故障分析

由于DZZ4由硬件和軟件兩部分組成，那們我們也將其故障分為軟件故障和硬件故障。

4.1 軟件故障分析

臺站地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件(簡稱ISOS)由采集軟件(SMO)、業(yè)務(wù)軟件(MOI)和通信軟件(MOIFTP)組成，3個(gè)軟件既相對獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)。在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，常出現(xiàn)的軟件故障往往表現(xiàn)為SMO和MOI軟件數(shù)據(jù)缺測。

4.1.1 全部要素?cái)?shù)據(jù)缺測 從MOI軟件的主界面上查看到所有要素缺測，首先、檢查SMO是否關(guān)閉，若因意外關(guān)閉，直接打開SMO就可以了；其次、檢查分鐘數(shù)據(jù)軟件是否關(guān)閉，入庫設(shè)置是否正確，否則就要查看SMO的采集數(shù)據(jù)的采集情況，SMO有數(shù)據(jù)，直接在MOI中補(bǔ)調(diào)數(shù)據(jù)就可以，若SMO中無采集數(shù)據(jù)，則有可能是采集不及時(shí)，或者采集器故障。

4.1.2 個(gè)別要素缺測 查看SMO是否有數(shù)據(jù) ，若有，直接在MOI正點(diǎn)維護(hù)中補(bǔ)調(diào)數(shù)據(jù)；若無數(shù)據(jù)，則從SMO的超級終端中輸入命令：SENST XX(XX是氣象要素傳感器標(biāo)識符)，查看缺測的氣象要素傳感器是否關(guān)閉，返回值為0，則說明該傳感器被關(guān)閉，重新輸入命令：SENST XX 1，打開采集器，以上方法仍不行，那就有可能是傳感器故障，或者是采集器通道故障。

4.2 硬件故障

DZZ4硬件包括采集器(1個(gè)主采集器和若干個(gè)分采集器)、外部總線、傳感器、外圍設(shè)備4部分；將硬件故障分為采集器故障、通信故障和傳感器故障

4.2.1 采集器故障分析和診斷 ① WUSH-BH主采集器 WUSH-BH主采集器(見圖2)，只要供電正常，RUN指示燈正常閃爍，通訊正常的情況下，SMO無數(shù)據(jù)，則很有可能就是采集器故障，重啟采集器，同時(shí)關(guān)閉采集器的交流和電池供電，仍不能恢復(fù)，更換采集器。② 分采集器 在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，常用的分采集器主要是溫濕度分采集器和地溫分采集器(見圖3和圖4)。如SMO顯示溫度和濕度均缺測，首先檢查RUN指示燈是否亮，若不亮，用萬用表檢查CAN端接口，輸入電壓是否為+12VDC；再檢查CANR指示燈是否正常閃爍(綠色常亮、CANE指示燈紅色不亮)，若閃爍不正常，很有可能是CAN通信線路連接不正常，由于CAN通信線路上的電阻120Ω只能是成對使用，檢查是否并接了多余的終端120Ω的電阻。CANE指示燈 依然閃爍，重啟溫濕度分采仍未正常， 更換溫濕度分采集器。

圖2 WUSH-BH主采集器接口圖

圖3 WUSH-BTH型溫濕度分采集器接口圖

圖4 WUSH-BG地溫分采集器接口圖

4.2.2 通信故障分析和診斷 DZZ4和終端微機(jī)之間采用光纖通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主采集器箱內(nèi)和終端微機(jī)前各需配置一個(gè)RS-232/光纖轉(zhuǎn)換器，它們之間實(shí)現(xiàn)一對一的數(shù)據(jù)傳輸。光纖轉(zhuǎn)換器選用MOXA的工業(yè)級產(chǎn)品，具備轉(zhuǎn)換串口(RS-232)及光纖(多模)信號的能力。DZZ4自動(dòng)站采用光纖通信時(shí)，需要把光纖模塊配置開關(guān)撥到“ON OFF OFF OFF”狀態(tài)，光纖模塊使用連接方式(見圖5)。

圖5 自動(dòng)站光纖通信原理圖

通信故障一般表現(xiàn)為計(jì)算機(jī)無法與現(xiàn)場的自動(dòng)站完成實(shí)時(shí)通信。直觀的方法是查看光纖模塊上的收、發(fā)指示燈在收到數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，看指示燈是否閃爍，若不閃爍，則檢查采集器到光纖模塊、光纖模塊到室內(nèi)的光纖模塊、光纖模塊到計(jì)算機(jī)是否接線正確，再檢查微機(jī)上業(yè)務(wù)軟件通信串口配置是否正確，通信仍不正常，用光纖測試筆檢查光纖通信線是否完好。此外，光纖通信線除了在用的一對外，還有兩對備用，可將室外的光纖模塊和室內(nèi)的光纖模塊更換為備用的，注意收發(fā)交叉接。

4.2.3 傳感器故障分析和診斷 業(yè)務(wù)中的常規(guī)要素主要是指七要素，分別為溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、降水和地溫。由于氣溫和地溫均采用四線制的鉑電阻傳感器，原理相同，在此就不對地溫傳感器故障多作介紹。

① 溫度傳感器故障分析和診斷 溫度傳感地對空測溫是采用Pt-100鉑電阻作為傳感器測量元件，利用溫度隨電阻的變化而變化。Pt-100鉑電阻的測量采用的是4線制測量原理(見圖6)。其計(jì)算公式如下：

T=(Rt-100)/ 0.385

(1)

其中T為實(shí)際溫度，Rt為鉑電阻測量值。

圖6 鉑電阻溫度傳感器4線制接線示意圖

出現(xiàn)溫度值缺測或超差，濕度正常時(shí)，排查應(yīng)根據(jù)溫度測量信號流向圖進(jìn)行，首先萬用表電阻200 Ω檔測量1和2、3和4之間的電阻值是否在0～8 Ω，1、2任一端與3、4任一端之間的電阻值是否在80～120 Ω(測量時(shí)需斷電)，否則更換溫度傳感器。確認(rèn)溫度傳感器無故障后，因分采均是通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，在濕度正常的情況下，不會(huì)是通信的原因即CAN線正常。在SMO超級終端中輸入命令(SENST T0)查看溫度傳感器通道是否打開，通過以上方法，溫度仍缺測或超差，更換溫濕度分采集器。

② 濕度傳感器故障分析和診斷 DZZ4濕度傳感器選用DHC2型濕度傳感器，濕敏元件采用新一代電容式濕敏元件HUMICAP180R，采用高分子薄膜電容作為濕敏電容。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度具有比例關(guān)系(見圖7)。

當(dāng)出現(xiàn)濕度值缺測或超差，溫度正常時(shí)，首先我們先檢測濕度傳感器供電是否正常，是否為+12VDC左右，測量濕度有無輸出信號，輸出信號是否在0-1 VDC之間，對應(yīng)濕度0～100%，檢查濕敏電容是否已正確接入，超出范圍時(shí)，則檢查傳感器與接線的接頭處是否有接觸不良的現(xiàn)象。否則，更換濕度傳感器。確認(rèn)濕度傳感器和線路無故障后，因分采均是通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，在溫度正常的情況下，不會(huì)是通信的原因即CAN線正常。在SMO超級終端中輸入命令(SENST U)查看溫度傳感器通道是否打開，通過以上方法濕度仍缺測或超差，更換溫濕度分采集器。

圖7 電容變化與相對濕度比例關(guān)系示意圖

③ 氣壓傳感器故障分析和診斷 DYC1氣壓傳感器是一種智能傳感器，氣壓傳感器線纜連接是通過傳感器底部附帶的一個(gè)DB9型(孔)插頭(見圖8)。出現(xiàn)氣壓缺測或超差時(shí)，首先檢查氣壓供電是否正確，接入采集器時(shí)，接線順序是否正確，因氣壓傳感器與采集相連時(shí)，DB9型孔中的“2”要與采集器上氣壓通道中的“R”相連接，“3”與“T”相連接，“5”與“G”相連接，“9”與“+12VDC”相連接，在SMO上超級終端用命令(SENST P)查看氣壓傳感器是否開啟，若以上檢查都沒有問題，氣壓數(shù)據(jù)仍不正常。給氣壓正常供電，將氣壓傳感器接入計(jì)算機(jī)，利用串口調(diào)試助手，輸入命令“.P”，若返回值正常，則說明主采集器的氣壓通道故障，反之，氣壓傳感器故障。

圖8 DB9型插頭示意圖(2：收，3：發(fā)，5：地，9：電源)

④ 雨量傳感器故障分析和診斷 雨量傳感器故障在幾個(gè)氣象素中是最容易判斷的，出現(xiàn)雨量缺測時(shí)，首先應(yīng)檢測計(jì)數(shù)翻斗翻動(dòng)時(shí)有沒有信號輸出 ，如果沒有就有可能是干簧管故障，應(yīng)更換干簧管。若傳感器無故障，則檢查線纜到采集器之間連接是否可靠；最后確認(rèn)線路連接無故障后，在SMO超級終端中用命令(SENST RAT)查看雨量傳感器是否打開，以上檢查均正常，而無數(shù)據(jù)時(shí)，則有可能是主采集器通道故障。

⑤ 風(fēng)向傳感器故障和診斷 DZZ4中主采集器上風(fēng)向傳感器的供電只有在采集數(shù)據(jù)瞬間，供電才為+5VDC，其它時(shí)間均是變化不固定的。風(fēng)向缺測或者超差時(shí)，首先檢查風(fēng)向傳感器與接線的接頭處是否有接觸不良的現(xiàn)象，所有連接正確和可靠的情況下，再給風(fēng)向傳感器固定的+5VDC的供電，將風(fēng)向傳感器固定一個(gè)方位，測量D0-D6的高低電平，轉(zhuǎn)換成格雷碼，再將格雷碼換成二進(jìn)制， 計(jì)算出的對應(yīng)角度，與真實(shí)值比較是否符合，若不相符，查看風(fēng)向傳感器安裝是否正確，指北針是否準(zhǔn)確指北，檢查風(fēng)向與采集器之間的數(shù)據(jù)線是否完好。若以上檢測都沒有問題，則需查看主采集器中該要素是否被關(guān)閉，否則就需要更換主采集器。

⑥ 風(fēng)速傳感器故障分析和診斷 風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件為三杯式回轉(zhuǎn)架，信號變換電路為霍爾開關(guān)電路。在水平風(fēng)力作用下，風(fēng)杯組旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動(dòng)磁棒盤旋轉(zhuǎn)，其上的36只磁體形成18個(gè)小磁場，風(fēng)杯組每旋轉(zhuǎn)一圈，在霍爾開關(guān)電路中感應(yīng)出18個(gè)脈沖信號，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加。

其校準(zhǔn)方程為：

V= 0.1F

(2)

其中V為風(fēng)速，F(xiàn)為脈沖頻率

當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)速缺測或者超差情況時(shí)，首先逐級檢查主采集器到傳感器的+5VDC供電是否正常、連接是否可靠，轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)速傳感器，用萬用表頻率1K檔檢測是否有信號輸出；并檢查風(fēng)速傳感器到采集器間的數(shù)據(jù)線是否完好，若以上檢查都沒有問題，則需查看主采集器中該要素是否被關(guān)閉，否則更換主采集器。

5 小結(jié)

通過對DZZ4常規(guī)要素的故障分析和診斷，得出：

① 所有觀測要數(shù)異常時(shí)，首先查看相關(guān)業(yè)務(wù)軟件是否正常開啟，主采供電是否正常、采集器到室內(nèi)通訊是否正常，主采工作是否正常工作。

② 部分采數(shù)據(jù)異常時(shí)，首先檢查分采集器供電，再檢查主采與分采間CAN總線的通訊是否正常，分采工作是否正常，最后才檢查相應(yīng)的傳感器。

③ 某觀測要素異常時(shí)，首先檢查相應(yīng)傳感器的供電，信號的輸出，線路是否正確接入且可靠，主采集器的對應(yīng)通道是否開啟。

④ 在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，能有效地減少設(shè)備故障檢查步驟，力爭在最短的時(shí)間內(nèi)找出或修復(fù)設(shè)備故障。

[1] 李黃.自動(dòng)氣象站實(shí)用手冊[M].北京：氣象出版社，2007.

2015-05-06

唐燕(1984—)，女，工程師，主要從事綜合氣象業(yè)務(wù)工作。

1003-6598(2015)06-0083-04

P415.1

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