一次新型自動(dòng)站EL15-2C型風(fēng)向傳感器故障處理過(guò)程分析

（哈密市氣象局，新疆哈密市，839000） 芮建梅 芮建文 阿瓦古麗·阿布列孜

氣象觀測(cè)是氣象工作的基礎(chǔ)，地面氣象觀測(cè)又是氣象觀測(cè)的重要組成部分[1]。2020年4月1日起，我國(guó)正式邁入地面氣象觀測(cè)全面自動(dòng)化時(shí)代，氣象工作也隨之發(fā)生了深刻變革。觀測(cè)員面臨著向設(shè)備維護(hù)、裝備保障方面轉(zhuǎn)型，保障新型自動(dòng)站持續(xù)穩(wěn)定正常運(yùn)行成為了業(yè)務(wù)員的首要任務(wù)，判斷故障與處理故障自然成為了其工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文以EL15-2C型風(fēng)向傳感器故障為例，要求業(yè)務(wù)人員能夠掌握故障判斷和處理的基本思路和一些常規(guī)技巧。在工作過(guò)程中，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，遇到故障時(shí)能夠準(zhǔn)確分析和查找故障原因，減少維修次數(shù)，提高維修成功率，確保自動(dòng)站正常運(yùn)穩(wěn)定行。

1 故障現(xiàn)象及詳情

1.1 故障現(xiàn)象

2021年4月22日，保障人員在接收到報(bào)警信息后，校對(duì)14：00（北京時(shí)間，下同）數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)用站（以下簡(jiǎn)稱主站）和備份站（以下簡(jiǎn)稱備站）在正點(diǎn)時(shí)次瞬時(shí)風(fēng)向、2min風(fēng)向、10min風(fēng)向、最大風(fēng)向、極大風(fēng)向的數(shù)值差值較大，而瞬時(shí)風(fēng)速、2min風(fēng)速、10min風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速數(shù)值對(duì)應(yīng)變化基本一致，而且最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間與極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間主備站也基本一致。

1.2 故障詳情

經(jīng)主站與備站ISOS 軟件后臺(tái)查詢風(fēng)要素的相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從07：38開始風(fēng)向數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變，其它常規(guī)氣象要素及獨(dú)立掛接項(xiàng)（能見度、天氣現(xiàn)象、日照、視頻智能觀測(cè)儀、凍土等）要素均正常。具體情況見表1。

由表1可以看出，主站和備站正點(diǎn)瞬時(shí)風(fēng)向和極大風(fēng)速風(fēng)向，從8h 開始表現(xiàn)出極大的不一致性、產(chǎn)生了突變、情況一直持續(xù)，而2～7h主備站的二者表現(xiàn)出高度一致性，這說(shuō)明了從8h開始風(fēng)向數(shù)據(jù)異常（文中僅挑取了瞬時(shí)風(fēng)向和極大風(fēng)速的風(fēng)向，2min風(fēng)向、10min風(fēng)向、最大風(fēng)向情況類似），原因待查。

表1 某基準(zhǔn)站2021年4月22主站與備站正點(diǎn)部分風(fēng)向數(shù)據(jù)對(duì)比（單位：度/°）

2 故障排查診斷過(guò)程及原因分析

2.1 自動(dòng)站故障判斷的總體思路

為保證臺(tái)站的業(yè)務(wù)質(zhì)量，需要盡快診斷出故障原因所在。依據(jù)新型自動(dòng)氣象站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各組成部分的工作原理[2]，按照自動(dòng)站故障判斷的總體思路及步驟進(jìn)行綜合分析和確診發(fā)生故障的原因。采取從室內(nèi)到觀測(cè)場(chǎng)、從軟件到硬件、從業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)到傳感器的所有傳輸路徑，開始逐一進(jìn)行逆向排查。具體如圖1所示。

圖1 自動(dòng)站故障判斷的總體思路及步驟

2.2 故障排查診斷過(guò)程

由于業(yè)務(wù)終端能正常接收風(fēng)要素的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以排除業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)、ISOS軟件→綜合集成硬件控制器（又稱串口服務(wù)器）→采集器通訊線路問(wèn)題。故障發(fā)生的位置，確定在采集器至傳感器方向。為穩(wěn)妥起見，再次校對(duì)業(yè)務(wù)軟件參數(shù)，利用ISOS 維護(hù)終端查看風(fēng)向傳感器的開啟和工作狀態(tài)，重啟ISOS及計(jì)算機(jī)，重啟值班室內(nèi)通訊轉(zhuǎn)換單元，通過(guò)SMOPORT 遠(yuǎn)程成功重啟串口服務(wù)器，將主站采集器連接至主站串口服務(wù)器常用通訊PORT1 端口切換至其它空閑PORT 口，更改主站ISOS軟件上新型自動(dòng)站通信端口，使其端口和切換后的PORT 口一一對(duì)應(yīng)，情況依舊，進(jìn)一步明確了故障發(fā)生的大致部位。

2.3 校驗(yàn)傳感器是否超檢

傳感器的穩(wěn)定性有一定的期限[3]，查看主站和備站風(fēng)向風(fēng)速傳感器檢定證，儀器設(shè)備均在一年的檢定周期內(nèi)，確保儀器未發(fā)生性能漂移且“持證上崗”，從而排除儀器超檢的可能性。

2.4 逆向重點(diǎn)排查采集器至傳感器最后一公里

風(fēng)向風(fēng)速是國(guó)務(wù)院氣象主管機(jī)構(gòu)規(guī)定各臺(tái)站必須觀測(cè)的項(xiàng)目之一。目前，各臺(tái)站普遍使用EL15-2C 型風(fēng)向傳感器記錄風(fēng)向，由風(fēng)向標(biāo)部件、殼體（內(nèi)裝風(fēng)向轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）和插座等主要部分所組成[4]。風(fēng)向傳感器輸出信號(hào)由電纜經(jīng)過(guò)風(fēng)橫臂轉(zhuǎn)接盒傳輸?shù)紿Y～3000數(shù)據(jù)采集器。風(fēng)向通道中主要涉及5 個(gè)重要部分：業(yè)務(wù)軟件、數(shù)據(jù)采集器風(fēng)向通道、防雷板風(fēng)向通道、信號(hào)電纜和風(fēng)向傳感器[5]。用萬(wàn)用表直流電壓檔（20V）測(cè)量主站采集器電源輸入端，測(cè)得電壓為13.5V，顯示主采電源系統(tǒng)正常；測(cè)得主采風(fēng)向風(fēng)速傳感器的供電電壓在5V 左右，顯示主采對(duì)風(fēng)向風(fēng)速傳感器供電正常；檢查主采風(fēng)向風(fēng)速信號(hào)線接線端子、防雷模塊接線端子均牢固；用萬(wàn)用表蜂鳴檔依次測(cè)量防雷板風(fēng)向風(fēng)速至主采通道無(wú)短路、斷路、虛接、屏蔽線連接正常。一切顯示正常，故障仍未確診。

當(dāng)日臺(tái)站出現(xiàn)持續(xù)極端大風(fēng)天氣，17h 極大風(fēng)速已達(dá)40.5m/s。業(yè)務(wù)保障員把重點(diǎn)放在僅剩的風(fēng)向傳感器上，決定冒著危險(xiǎn)上風(fēng)塔做最后的排查。做好安全措施爬至風(fēng)塔一半處，才發(fā)現(xiàn)風(fēng)向傳感器缺失尾翼（被強(qiáng)風(fēng)刮斷，因風(fēng)速太大，地面觀察時(shí)風(fēng)向標(biāo)處于高速擺動(dòng)狀態(tài)難以發(fā)現(xiàn)），造成風(fēng)向指示錯(cuò)誤，因而主站和備站風(fēng)向相差甚遠(yuǎn)（格雷碼是否故障并未確定），至此故障原因才得以最終發(fā)現(xiàn)。

3 故障處理研討方案

鑒于風(fēng)速太大、臺(tái)站又地處百里風(fēng)區(qū)且此次大風(fēng)天氣過(guò)程可能會(huì)持續(xù)多日，考慮到人員安全問(wèn)題，經(jīng)上級(jí)業(yè)務(wù)部門同意待大風(fēng)天氣結(jié)束后第一時(shí)間更換風(fēng)向傳感器。風(fēng)向風(fēng)速為配套設(shè)備，需同時(shí)更換。

將主站、備站采集器至各自串口服務(wù)器通訊端口進(jìn)行對(duì)調(diào)，切換后備站常規(guī)氣象要素?cái)?shù)據(jù)入主站，其余獨(dú)立掛接項(xiàng)目PORT口保持不變，異常數(shù)據(jù)問(wèn)題迎刃而解。具體做法：將主站、備站串口服務(wù)器機(jī)箱內(nèi)光電轉(zhuǎn)換模塊（MOXA摩薩卡)至各自串口服務(wù)器PORT1連接線及接線端子全部拔出，分別用兩根長(zhǎng)約1.2m 三芯信號(hào)數(shù)據(jù)線一頭接入摩薩卡7口端子中123 口（其中123 口為RS～232 接口、4567口為RS-485接口），另一頭接入5口端子135口（其中GND 接入第1口、Rx接入第3口、Tx接入第5口。三芯信號(hào)線兩頭連接方式為直連，線序顏色要一一對(duì)應(yīng)），然后將接好并測(cè)通的信號(hào)數(shù)據(jù)線7口端子插入備站串口服務(wù)器機(jī)箱內(nèi)主采摩薩卡相應(yīng)位置，5口端子插入主站串口服務(wù)器PORT1口；同理另一根線7口端子插入主站機(jī)箱內(nèi)主采摩薩卡相應(yīng)位置，5口端子插入備站串口服務(wù)器PORT1 口。該方案優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)由備入主的無(wú)縫銜接，切換后手動(dòng)下載并覆蓋相應(yīng)分鐘的數(shù)據(jù)，可以確保轉(zhuǎn)日界后從20：01 開始全部為備站數(shù)據(jù)，主站疑誤分鐘數(shù)據(jù)未能入ISOS數(shù)據(jù)庫(kù)也未參與相關(guān)時(shí)次數(shù)據(jù)的挑取，上傳的BUFR分鐘和正點(diǎn)數(shù)據(jù)也保持了高度一致性。

4 異常數(shù)據(jù)處理方法

由于備站風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)正常，8 時(shí)瞬時(shí)風(fēng)向風(fēng)速、2min 風(fēng)向風(fēng)速、10min 風(fēng)向風(fēng)速、最大風(fēng)向風(fēng)速及出現(xiàn)時(shí)間用備站數(shù)據(jù)代替、8 時(shí)極大風(fēng)向風(fēng)速及出現(xiàn)時(shí)間從實(shí)有記錄及備站數(shù)據(jù)中挑?。?～20 時(shí)瞬時(shí)風(fēng)向風(fēng)速、2min 風(fēng)向風(fēng)速、10min 風(fēng)向風(fēng)速、最大風(fēng)向風(fēng)速、極大風(fēng)向風(fēng)速及出現(xiàn)時(shí)間用備站數(shù)據(jù)代替。8～20 時(shí)數(shù)據(jù)全部重新質(zhì)控發(fā)CCA 上傳。20：01 開始按方案一操作，手動(dòng)下載新型自動(dòng)站串口處理中的數(shù)據(jù)并覆蓋20：01開始的數(shù)據(jù)并補(bǔ)傳相關(guān)的BUFR 分鐘數(shù)據(jù)（其它獨(dú)立掛接設(shè)備的數(shù)據(jù)無(wú)需修改）。

5 故障處理的整個(gè)流程

在故障發(fā)現(xiàn)后規(guī)定的時(shí)效內(nèi)電話上報(bào)至上級(jí)業(yè)務(wù)管理部門，然后排查故障，盡快恢復(fù)自動(dòng)站正常運(yùn)行，處理異常數(shù)據(jù)，上傳更正數(shù)據(jù)文件，填報(bào)ASOM 故障單，填報(bào)MDOS 元數(shù)據(jù)備注及反饋疑誤信息，天元系統(tǒng)補(bǔ)錄相關(guān)數(shù)據(jù)，在值班日記中做好相關(guān)備注，將故障情況書面報(bào)告至上級(jí)業(yè)務(wù)管理部門（業(yè)務(wù)科、裝備中心綜合保障科、信息中心運(yùn)行保障科等），并在故障維修結(jié)束后3h內(nèi)關(guān)閉故障單，對(duì)故障情況做詳細(xì)的總結(jié)，完善相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

6 格雷碼疑問(wèn)的驗(yàn)證

EL15～2C 型風(fēng)向傳感器是格雷碼盤式風(fēng)向傳感器，其利用一個(gè)低慣性的風(fēng)向標(biāo)部件作為感應(yīng)部件，當(dāng)風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有風(fēng)時(shí)風(fēng)向標(biāo)部件隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)同軸的格雷碼盤，碼盤每轉(zhuǎn)動(dòng)2.8125°，光電耦合器組就會(huì)產(chǎn)生新的7位并行格雷碼輸出[6]，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器將其解算出對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)向角度。后期更換傳感器的過(guò)程中，在風(fēng)塔平臺(tái)上人為固定風(fēng)向傳感器至八方位，依次測(cè)量采集器風(fēng)向端子并記錄D0～D6 與GND 間的電壓值（或者測(cè)量采集器箱內(nèi)防雷板上12～D0、13～D1、14～D2、15～D3、16～D4、17～D5、18～D6 電壓值，-表示對(duì)應(yīng)端口），然后按D6到D0的順序（D6為首位、D0為末位）得到相應(yīng)的7 位格雷碼值，按照格雷碼→二進(jìn)制→十進(jìn)制→風(fēng)向數(shù)值（十進(jìn)制乘2.8125°）的轉(zhuǎn)換規(guī)則，將風(fēng)向解算值與人工固定方位對(duì)比，發(fā)現(xiàn)誤差僅僅是來(lái)源于人工目測(cè)判斷指示，明確排除了格雷碼故障的疑問(wèn)。

7 結(jié)論

此次故障僅僅是因?yàn)轱L(fēng)向傳感器尾翼被強(qiáng)風(fēng)刮斷缺失所致，使得傳感器在蓋型螺母處失去平衡一端超重一端失重，傳感器大致在ESE 至WSW 扇形區(qū)間來(lái)回高速擺動(dòng)，造成部分方位指示缺失，這種情況也確實(shí)少見。由于風(fēng)速太大，保障員未能第一時(shí)間將目光定位在傳感器上，前期診斷耗費(fèi)了大量的時(shí)間，顯示出特殊情況下的經(jīng)驗(yàn)不足。極端天氣下遇到故障無(wú)法第一時(shí)間確診或維修的，疑誤數(shù)據(jù)可直接通過(guò)融合軟件設(shè)置快速解決。在日常工作中，保障員要加強(qiáng)儀器的巡視維護(hù)力度，減少設(shè)備故障率；平時(shí)多思考、多動(dòng)手、多歸納、多總結(jié)、多學(xué)習(xí)，在遇到故障時(shí)就會(huì)得心應(yīng)手、迅速響應(yīng)、對(duì)癥下藥、優(yōu)化處理過(guò)程并能快速解決故障，確保自動(dòng)站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、及時(shí)性及全局的業(yè)務(wù)質(zhì)量。