遼寧地震觀測儀器遠程電源控制器常見故障及解決方法

趙 雷，李琳琳

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.沈陽開放大學，遼寧 沈陽 110003）

0 引言

隨著地震科技水平不斷提高，我國地震觀測逐步走向數(shù)字化，其大動態(tài)、高精度的觀測數(shù)據(jù)在地震科研和預(yù)報中得到了廣泛應(yīng)用。隨著遼寧省更多地震儀器安裝項目的完成，地震臺站和無人地震臺站的數(shù)量和地震儀器設(shè)備逐步增多，因此全面保證地震儀器數(shù)據(jù)連續(xù)率十分重要，對于逐漸增多的地震儀器，維修維護工作要求更高，地震儀器維修維護技術(shù)水平急需提高。如何保證數(shù)字設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，以提供連續(xù)、準確、可靠的觀測數(shù)據(jù)，是地震工作者的一項重要工作[1]。無線遠程控制技術(shù)是傳統(tǒng)的有線控制技術(shù)和現(xiàn)代先進的無線遠程通訊相結(jié)合而發(fā)展起來的一種控制技術(shù)。也正是因為融入了現(xiàn)代先進的無線遠程通訊技術(shù)，無線遠程控制系統(tǒng)具有了傳統(tǒng)有線控制系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)點：通訊范圍極為廣泛、系統(tǒng)投資少經(jīng)濟性好、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡單等[2]。地震觀測儀器遠程電源控制器從2014 年至今已在遼寧省地震系統(tǒng)推廣使用，現(xiàn)已有十余家單位使用本監(jiān)控設(shè)備[3]，使用過程中，在地震臺站設(shè)備發(fā)生故障時，通過遠程控制重啟相關(guān)設(shè)備或啟動備用設(shè)備進行工作，并可有效解決地震數(shù)據(jù)采集器、交換機、路由器、光貓等設(shè)備的死機問題，實現(xiàn)遠程斷電重啟等功能，可在極大程度上節(jié)省地震子臺儀器維護的相關(guān)人力成本和經(jīng)費[4]，大多故障經(jīng)過處理，10 分鐘內(nèi)信號就可以恢復(fù)正常。該設(shè)備既解決了地震臺站遠程維護問題，增強了現(xiàn)有地震監(jiān)測系統(tǒng)的運行保障能力，同時又減少了測震信號斷記時間。地震觀測儀器遠程電源控制器功能與更普通地震儀器供電電源相比，功能相對較多，電路更復(fù)雜，維修難度也相對較大，其核心部分單片機、電源模塊、繼電器等用于數(shù)字控制和數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電路發(fā)生故障的幾率較小，但在受外力作用和環(huán)境因素，如潮濕、雷擊等還是有發(fā)生故障的可能。筆者作為儀器研制和開發(fā)人員，結(jié)合多年的實際工作經(jīng)驗，系統(tǒng)地總結(jié)分析了地震遠程電源控制儀器常見的故障問題，并給出了相應(yīng)的維修和解決方法，可供廣大維修人員參考。

1 地震觀測儀器遠程電源控制器主要結(jié)構(gòu)

地震觀測儀器遠程電源控制器主要有220V轉(zhuǎn)12VDC 兵裝開關(guān)電源、電路板和Q2403 通迅模塊三大部分組成。兵裝開關(guān)電源相對于普通開關(guān)電源，參數(shù)完全符合國家標準，雖然價格高，但是質(zhì)量更好，壽命更長。兵裝開關(guān)電源外殼采用鋁合金材質(zhì)，內(nèi)部風扇穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速高，這兩點使得開關(guān)電源散熱性好。電路板終端采用Atmel 公司生產(chǎn)的AT89S52 單片機作為監(jiān)控處理核心。為存儲一些數(shù)據(jù)和內(nèi)容，在AT89S52 單片機外部，擴展安裝了一片可以擦除非易失串行EEPROM 存儲器AT24C02（2 Kbit），該器件具有兩線串行接口、雙向數(shù)據(jù)傳輸握手、硬件數(shù)據(jù)寫保護、八字節(jié)頁寫方式和獨立定時的寫周期（10ms 最大）等特點，可在1.8～5.5V寬電源范圍內(nèi)可靠工作，該芯片在掉電后仍然能夠保存所存儲的數(shù)據(jù)，可保證100000 次擦/寫周期和有效保存數(shù)據(jù)10 年[5]。為了使監(jiān)控單元能夠與Q2403 模塊通訊，通信接口選用正負15kV 靜電電擊保護的MAX232E 芯片完成TTL和RS232 電平轉(zhuǎn)換[6]。Q2403 負責短信的收發(fā)。監(jiān)控單元則用來讀取Q2403 收到的短信，并執(zhí)行相應(yīng)的監(jiān)控操作。兩者之間通過RS232 串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 地震觀測儀器遠程電源控制器主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of remote power controller for seismic observation instrument

2 常見故障及解決方法和工具

通過對2015 到2021 年遼寧省多個地震臺站內(nèi)地震觀測儀器遠程電源控制器維修維護工作的總結(jié)分析，可得出儀器故障主要有三大方面，即開關(guān)電源或電源模塊故障、通訊故障和繼電器故障，下文主要針對這三大方面故障進行了詳細的分析并提出解決方法。維修地震觀測儀器遠程電源控制器需要用到專業(yè)的電子維修工具，如測量電壓電流和電路通斷需要用電子萬用表，更換電子元器件的工具需要恒溫電烙鐵和吸錫器或吸錫條。恒溫電電烙鐵使用溫度一般設(shè)定在在200～300℃左右，過低的溫度焊錫不容易化，過高的溫度會使電路板焊盤脫落，嚴重損壞電路板；吸錫器最好使用恒溫電子吸錫器或吸錫條，電子吸錫器使用溫度也一般設(shè)定在200～300℃左右，防止焊盤脫焊；吸錫條需要配合恒溫電烙鐵使用，吸錫條墊在恒溫電烙鐵下面進行吸除焊錫，使得電路板不會短時間內(nèi)局部過熱，這兩種工具都能更好的保護電路板，更容易清除電路板上的焊錫。

2.1 開關(guān)電源或電源模塊故障及解決方法

地震觀測儀器遠程電源控制器供電手段主要有開關(guān)電源和電源模塊，一種是220VAC 轉(zhuǎn)12VDC 開關(guān)電源，另一種是12VDC 轉(zhuǎn)5VDC電源模塊。

（1）外部電源指示燈不亮問題：電源指示燈不亮，有兩種故障可能，第一是電源開關(guān)機指示燈故障，如用萬用表測量電源開關(guān)通斷不正常，此時需要更換電源開關(guān)；第二是電源模塊（圖2）故障，地震遠程電源控制儀器前端采用220VAC 轉(zhuǎn)12VDC 開關(guān)電源，首先萬用表檢測外部220V 輸入供是否正常，以及供電線是否插緊，接下來用萬用表檢測220VAC 轉(zhuǎn)12VDC 開關(guān)電源輸入端是否有220V 交流電的輸入，如果有則需檢測開關(guān)電源輸出端有沒有12V 直流輸出；如無輸出則可判斷開關(guān)電源損壞，更換220VAC 轉(zhuǎn)12VDC 開關(guān)電源即可。

圖2 220VAC-12VDC 電源模塊Fig.2 220VAC-12VDC switching power supply

（2）12VDC 轉(zhuǎn)5VDC 電源模塊發(fā)熱嚴重問題：可能是因為潮濕等問題導(dǎo)致12VDC 轉(zhuǎn)5VDC 電源模塊與地短路，地震遠程電源控制儀器采用LM1086 作為5V 電源模塊，根據(jù)LM1086 的引腳圖（圖3a）。用萬用表測量LM1086 引腳電壓是否為正常工作電壓，并把萬用表調(diào)到通斷檔位，測量LM1086 的引腳焊盤與接地焊盤（圖3b）之間是否短路，如果短路需要清理焊盤原有的焊錫，分割接地焊盤和引腳焊盤之間的電路使其斷路，再更換新的電源模塊。

圖3 LM1086 引腳和焊盤Fig.3 LM1086 pin and pad

2.2 通信故障及解決方法

地震觀測儀器遠程電源控制器的通訊故障問題比較復(fù)雜，主要分為兩種情況。

（1）通訊無法收到指令也無法回復(fù)指令：第一種可能是本身所用的通訊模塊有問題，通訊模塊的型號為WAVECOM 公司生產(chǎn)的Q2403模塊，Q2403 模塊內(nèi)部主要由ARM9 處理器、電源電路、射頻電路、存儲器、音頻電路、SIM 卡電路等部分組成，通過60 腳的通用接口，與外圍電路連接。外圍電路包括電源電路，監(jiān)控電路，串行通信接口電路，SIM 卡座電路和天線等[7]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般不單獨維修，整個模塊更換即可；第二種可能由于沒有及時向聯(lián)通公司欠費所導(dǎo)致業(yè)務(wù)停機，這種情況比較少見。

（2）通訊可以接收到指令信息卻無法反饋回復(fù)信息：首先要排除電路板通訊區(qū)域是否是MAX232e 芯片故障引起的問題與串口線是否斷路問題，用萬用表繼續(xù)測量串口連接線通斷，如果有斷路或焊點脫焊虛連，則需更換連接線或用電烙鐵重新加固焊點；其次有可能是MAX232芯片損壞，電子系統(tǒng)絕大部分都采用單電源供電，而系統(tǒng)中特別是一些儀器儀表中的模擬和轉(zhuǎn)換器件又常常需要雙電源供電。MAX232 芯片（圖4a）是最常用的單電源供電RS232 標準串行電平轉(zhuǎn)換芯片，可將0～5V 的供電電壓轉(zhuǎn)化為正負10V 電壓[8]。根據(jù)芯片引腳圖（圖4b）測量引腳電壓是否為正常工作電壓，如果不是正常電壓，可判斷模塊損壞，此時需要更換MAX232e 模塊；最后有可能是因為元器件受損所導(dǎo)致，主要涉及元器件有核心單片機AT89S52以及上方的10k 排阻（圖5）和非易失儲存器AT24C02（圖6）。AT24Cxx 系列芯片優(yōu)點較多，受到了廣大電子工程師的喜愛，因此應(yīng)用非常廣泛。由于其具有I2C 結(jié)構(gòu)，必須在時鐘的嚴格控制之下進行數(shù)據(jù)的傳輸[9]。以上所述元器件有其中一個受損都會造成通訊可以接收到指令信息卻無法反饋回復(fù)信息，檢測時首先測量排阻每個點阻值為10k，不正常更換排阻；然后更換核心單片機AT89S52 還有非易失儲存器AT24C02，由此判斷出是否是AT89S52和AT24C02的問題，如果是，更換即可。

圖4 MAX232 芯片和引腳Fig.4 MAX232 chip and pin

圖5 AT89S52 芯片F(xiàn)ig.5 AT89S52

圖6 AC24C02 芯片F(xiàn)ig.6 AC24C02

2.3 繼電器失效故障及解決方法

地震遠程電源控制儀器繼電器失效問題，主要涉及兩種元器件，一種是電子開關(guān)CD4066（圖7a）損壞，另一種是繼電器本身損壞。電子開關(guān)CD4066 是四雙向模擬開關(guān)，廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)的各個領(lǐng)域[10]，根據(jù)CD4066 的引腳圖（圖7b），用萬用表測量CD4066 是否為正常工作狀態(tài)，不是則更換；排除CD4066 開關(guān)問題后，接下來排除固態(tài)繼電器（圖8）的故障問題，繼電器在控制電路與保護電路中起到信號轉(zhuǎn)換作用。執(zhí)行元件接通和斷開控制電器的產(chǎn)品種類很多，常用的有電流繼電器，中間繼電器、固態(tài)繼電器，時間繼電器，熱繼電器[11]。固態(tài)繼電器，是由微電子電路、分立電子器件、電力電子功率器件組成的無觸點開關(guān)。用隔離器件實現(xiàn)了控制端與負載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅(qū)動大電流負載[12]。用萬用表測量得到儀器收到開關(guān)指令后是否有正常的電壓改變，如果繼電器不能正常工作則需更換繼電器。

圖7 CD4066 芯片和引腳圖Fig.7 CD4066 chip and pin

圖8 固態(tài)繼電器Fig.8 Solid state relay

3 結(jié)論

本文基于遠程電源控制器的主要結(jié)構(gòu)，結(jié)合自身工作經(jīng)驗，從電源模塊故障、通信故障、繼電器故障三方面詳細分析總結(jié)了地震觀測儀器遠程電源控制器常見的故障和維修解決方法。地震觀測無人值守臺站這種運行模式是目前地震觀測的發(fā)展趨勢，它不僅可以減少臺站人員編制，節(jié)約人員經(jīng)費，還可以提高地震觀測資料質(zhì)量，但也對遠程電源控制器的穩(wěn)定性和故障解決的及時性要求更高。作為儀器的開發(fā)人員和維修人員，應(yīng)該積極推廣儀器結(jié)構(gòu)原理和維修知識，以便提高維修工作者的設(shè)備維護效率并降低維修成本，從而保證地震儀器數(shù)據(jù)采集的連續(xù)率。