自動(dòng)氣象站常見故障分析*

施海瑞，徐 爽，劉立輝，張可嘉，黃學(xué)寧

（1.邢臺(tái)市氣象局，河北邢臺(tái) 054099；2.環(huán)境氣象創(chuàng)新工作室，河北邢臺(tái) 054200）

0 引言

區(qū)域氣象觀測(cè)站以氣象要素的自動(dòng)觀測(cè)為手段，承擔(dān)地面氣象要素的時(shí)空加密觀測(cè)任務(wù)，提供區(qū)域性高時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)［1］。區(qū)域自動(dòng)站在偏遠(yuǎn)地區(qū)可完成長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)任務(wù)［2］，并且在天氣預(yù)報(bào)［3］、自然災(zāi)害防御［4］及氣象專業(yè)服務(wù)［5］等方面均可提供關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)支撐。區(qū)域氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)是國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站的重要補(bǔ)充，在為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、增強(qiáng)氣象監(jiān)測(cè)手段和提高氣象服務(wù)能力方面發(fā)揮著重要作用。區(qū)域站在業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無人值守自動(dòng)觀測(cè)，其長(zhǎng)期穩(wěn)定觀測(cè)需要良好的日常維護(hù)和及時(shí)維修，因此區(qū)域站維修問題成為了基層業(yè)務(wù)人員更為關(guān)注的問題，也直接影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和氣象業(yè)務(wù)質(zhì)量。本文將區(qū)域站長(zhǎng)期業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的設(shè)備故障進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)故障處理方法進(jìn)行了深入討論，以期為區(qū)域站良好運(yùn)行提供技術(shù)參考。

目前邢臺(tái)市共建有131 套DSD3 型自動(dòng)氣象站，是由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理雨量、空氣溫度氣象數(shù)據(jù)的自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)可在采集器液晶屏幕上顯示，還可通過GPRS 數(shù)據(jù)終端傳送到中心站，降水量5 min上傳，溫度1 h上傳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1 區(qū)域站系統(tǒng)組成

DSD3 型自動(dòng)氣象站主要由采集器、傳感器、供電系統(tǒng)、無線通信部分組成［6］，如圖1 所示，可以測(cè)量環(huán)境溫度和雨量等氣象要素，具有顯示、自動(dòng)記錄、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通訊等功能，通過太陽能電池板給蓄電池充電，為傳感器、采集器、通信模塊供電。電源采用雙電池隔離分時(shí)供電技術(shù)，可有效地防止共模、差模干擾侵入。

圖1 DSD3 型自動(dòng)氣象站結(jié)構(gòu)

2 故障診斷及維修方法

2.1 個(gè)別時(shí)次缺測(cè)

目前值班人員通過運(yùn)行監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域站在線情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)來源于中心站，采集器與中心站每小時(shí)會(huì)自動(dòng)對(duì)時(shí)1 次，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)時(shí)鐘錯(cuò)誤的故障，當(dāng)前時(shí)次數(shù)據(jù)就會(huì)缺測(cè)，而通信終端心跳包時(shí)間實(shí)時(shí)更新仍然在線，正常情況下中心站會(huì)自動(dòng)校時(shí)，區(qū)域站下一時(shí)次數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)正常；若心跳包時(shí)間不再更新，則通信中斷，需要現(xiàn)場(chǎng)維修。

2.2 整站數(shù)據(jù)連續(xù)缺測(cè)

整站數(shù)據(jù)連續(xù)缺測(cè)的原因一般是供電系統(tǒng)、采集器或是通信部分故障造成的，需要首先通過監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行檢查、判斷，通過故障發(fā)生的時(shí)間段初步判斷是否存在日照不足供電故障、電力檢修的原因造成通信中斷等情況。到現(xiàn)場(chǎng)檢修前應(yīng)充分估計(jì)情況帶全備件，首先檢查是否有人為或其他原因造成的站點(diǎn)被破壞情況。檢修時(shí)采用追蹤法、替代法和測(cè)量法定位排除故障［7］，遵循供電、通信、傳感器、采集器的順序排查，如圖2所示。

圖2 維修流程

2.2.1 供電故障

當(dāng)供電系統(tǒng)［8］出故障時(shí)，整站將停止工作，首先要檢查外觀，看太陽能板是否有污物、遮擋和損壞，連接線纜是否有損壞，電池是否有腐蝕、泄漏、凹癟或是鼓脹現(xiàn)象，連接線纜是否有損傷，接線端子是否有松動(dòng)現(xiàn)象。外觀檢查正常的情況下，采用測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量采集器電源輸入端子上的電壓，如果電壓讀數(shù)大于11.5 V，則供電正常；如果電壓讀數(shù)小于11 V，則可能是供電出現(xiàn)問題。在太陽能充電控制器上測(cè)量負(fù)載的正負(fù)端的電壓，如果在充電控制器上測(cè)量的電壓超過11.5 V，但在數(shù)據(jù)采集器上測(cè)量的電壓明顯低于11.5 V，則需要檢查它們之間的導(dǎo)線。

在測(cè)量過程中，電池電壓大于11.5 V，而太陽能控制器負(fù)載端電壓小于11.5 V；或者太陽能板的電流輸出正常，而太陽能控制器的負(fù)載端電壓超過14.4 V；或者采集器和太陽能充電控制器負(fù)載端的測(cè)量讀數(shù)都小于11.5 V，斷開太陽能板的線纜來測(cè)量電池電壓，電壓讀數(shù)大于11.5 V，則電池正常，但是控制器可能存在問題。

電池電壓讀數(shù)小于11.5 V，斷開電池，測(cè)量太陽能板上的電壓，測(cè)量之前需要斷開太陽能板與太陽能充電控制器之間的連接。在太陽能板能夠正常接受太陽光直射時(shí)測(cè)量，測(cè)量太陽能板電源線的末端裸線電壓，電壓小于額定值，則太陽能板損壞需要更換；或?qū)?shù)字萬用表設(shè)置在10 A直流電流擋，測(cè)量太陽能電池板上的電流。為避免產(chǎn)生火花，在測(cè)試前臨時(shí)覆蓋太陽能電池板，連接好萬用表表筆后從太陽能電池板上取下覆蓋物，讓太陽能電池板暴露在陽光下。如果來自太陽能電池板的電流測(cè)量結(jié)果不顯示或明顯偏低，則太陽能電池板或太陽能電池板與電源之間連接的導(dǎo)線可能被損壞。

當(dāng)連接電池時(shí)，電壓低于11.5 V，而斷開電池時(shí)，電壓升至14.4 V，說明需要更換電池，更換下來的電池可以通過測(cè)量?jī)?nèi)阻檢測(cè)，當(dāng)內(nèi)阻測(cè)試值高于初始值40%時(shí)，可以判定電池性能變差，不能再充電使用。

2.2.2 通信故障

通信模塊不工作或不能登錄網(wǎng)絡(luò)都會(huì)造成通信故障，正常運(yùn)行時(shí)，通信模塊電源指示燈和網(wǎng)絡(luò)指示燈閃亮，有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)燈閃亮。

首先檢查供電是否正常，供電正常的情況下電源指示燈不亮，說明通信模塊故障需要更換。電源指示燈閃亮，網(wǎng)絡(luò)指示不亮，說明通信模塊未連接至網(wǎng)絡(luò)，可能的原因有：（1）環(huán)境信號(hào)不好；（2）SIM卡沒插好；（3）天線沒插好或斷開。在模塊配置正確的前提下，通過手機(jī)設(shè)置查看當(dāng)?shù)匦盘?hào)強(qiáng)度能否滿足工作要求、檢查天線的接觸是否良好、采集器串口到通信模塊的數(shù)據(jù)線是否接好，用橡皮擦或用棉簽沾點(diǎn)白醋把SIM 卡金屬面氧化層去除，檢查完畢后給模塊重新加電，電源指示燈開始閃爍。剛開始時(shí)，模塊要尋找網(wǎng)絡(luò)，基本1～2 min 的時(shí)間即可獲得自己的IP并且附著到移動(dòng)網(wǎng)上，等待數(shù)據(jù)的傳輸，此時(shí)綠色指示燈約2 s閃爍1 次，否則，更換模塊或增加當(dāng)?shù)匦盘?hào)強(qiáng)度。

2.2.3 傳感器故障

采集器不采集雨量，檢查傳感器的接線是否良好、雨量翻斗放置是否正確、雨量傳感器是否堵塞［9］等。

雨量數(shù)據(jù)線的測(cè)試：采集器正常工作情況下，用萬用表20 V直流擋測(cè)試采集器J2 接線端子的1、2 腳，電壓應(yīng)為12 V，若無，拔下接線端子重新接線。若有，打開雨量傳感器，測(cè)試雨量傳感器的接線端子應(yīng)為12 V，若無，檢查航空插頭是否接好。

雨量翻斗的檢查：翻斗帶平衡螺絲的一側(cè)應(yīng)放在外測(cè)，小心放在翻斗支撐點(diǎn)上，輕輕撥動(dòng)使其可正常翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)1 次采集器應(yīng)記錄0.1 mm。如不記錄，用萬用表的20 V 直流擋測(cè)試雨量數(shù)據(jù)線的兩端電壓，在翻斗不動(dòng)作時(shí)，電壓為12 V，翻斗動(dòng)作時(shí)，電壓值變小，如無變化，在確定數(shù)據(jù)線接觸良好的情況下，可判斷雨量傳感器故障［10－12］。如果堵塞，清洗維護(hù)雨量傳感器。

2.3 采集器不采集溫度

DSD3 型自動(dòng)氣象站采用DS18b20 數(shù)字式溫度傳感器，利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系，通過對(duì)振蕩周期的計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。傳感器的三根引線分別是電源、數(shù)據(jù)輸出和傳感器接地。溫度不采集一般是接觸不好，首先把溫度端子拆下重新擰緊螺絲，同時(shí)注意接線順序?yàn)殡娎|顏色紅－黃－藍(lán)，不可顛倒；其次將遮陽罩拆下，檢查航空插頭處是否連接良好，包括端子焊接處是否有脫焊等；否則更換溫度傳感器。

采集器故障，顯示屏顯示錯(cuò)誤或采集器顯示屏不顯示、界面的時(shí)間顯示不變化，但通信模塊在線、數(shù)據(jù)采集、傳輸正常，此現(xiàn)象為不刷新屏幕，即死屏，可關(guān)閉采集器，待1 min 后重啟采集器，查看是否正常，若不正常則更換采集器。采集器顯示屏顯示的時(shí)間錯(cuò)誤，此現(xiàn)象為時(shí)鐘芯片故障，更換時(shí)鐘芯片或采集器即可。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹DSD3 型自動(dòng)氣象站的原理、功能和結(jié)構(gòu)，分析各種故障發(fā)生的原因，總結(jié)診斷維修方法，幫助維修保障人員提高業(yè)務(wù)技能。在進(jìn)行維修前，應(yīng)充分分析監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)信息，判斷故障可能的成因，這樣才能精準(zhǔn)、快速、高效維修故障站點(diǎn)，減少故障時(shí)長(zhǎng)，保障業(yè)務(wù)運(yùn)行質(zhì)量。主要故障與排查方法為：

（1）預(yù)判為供電故障時(shí)，主要從太陽能電池板和電池兩方面進(jìn)行接線和電壓故障排查；

（2）預(yù)判為通信故障時(shí)，主要從環(huán)境信號(hào)、SIM 卡和天線三方面開展故障排查；

（3）預(yù)判為傳感器故障時(shí)，當(dāng)雨量采集有誤時(shí)，主要從傳感器接線、供電、翻斗位置及傳感器是否堵塞四方面開展故障排查，當(dāng)溫度采集有誤時(shí)，主要從傳感器接線和供電兩方面進(jìn)行故障排查；

（4）預(yù)判為采集器故障時(shí)，主要從屏顯及芯片兩方面開展故障排查。