陳立峰，李 京，劉 騰

(1.棗莊市氣象局，棗莊 277100；2.嶧城區(qū)氣象局，棗莊 277300)

0 引言

降水現(xiàn)象儀是一種新型自動觀測降水現(xiàn)象的設(shè)備，其有效提高了降水現(xiàn)象觀測質(zhì)量和頻率，為預(yù)報服務(wù)提供了準(zhǔn)確、及時且更有價值的氣象觀測資料[1]。當(dāng)出現(xiàn)降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)缺測或異常時，可按照故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸線路逐段檢查，確定故障部位進(jìn)而排除故障。文章對嶧城臺站一次降水現(xiàn)象儀RS-485通信故障處理過程進(jìn)行了分析和整理，為今后類似故障的處理提供參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

DSG5型降水現(xiàn)象儀是一種基于激光衰減技術(shù)而設(shè)計的光學(xué)測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對雨、雪、雨夾雪和冰雹等天氣現(xiàn)象的自動觀測與識別[2]。其主要部分是一個能夠發(fā)射水平光束的激光傳感器，當(dāng)光束里有降水粒子降落穿過時，可根據(jù)接收器輸出電壓的大小和持續(xù)時間判斷降水粒徑和降水粒子下降末速度，通過對采樣樣本進(jìn)行質(zhì)量控制及運算處理，可輸出降水滴譜、降水類型、降水動能、降水強度和雷達(dá)反射率等信息。

DSG5型降水現(xiàn)象儀主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元及電源控制系統(tǒng)組成，通過RS-485通信方式與綜合集成硬件控制器連接，再通過光纖通信將數(shù)據(jù)傳輸至業(yè)務(wù)電腦ISOS軟件，從而實現(xiàn)降水現(xiàn)象儀產(chǎn)品應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 DSG5型降水現(xiàn)象儀結(jié)構(gòu)示意圖

2 故障現(xiàn)象與處理過程

2.1 故障現(xiàn)象

2020-03-16T07：30，值班員發(fā)現(xiàn)ISOS綜合氣象觀測軟件突然關(guān)閉，重啟軟件后，界面中降水天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)間斷性顯示為“—”，新型自動氣象站、能見度儀和日照傳感器等設(shè)備觀測數(shù)據(jù)顯示正常。查看傳輸日志，發(fā)現(xiàn)存在間斷性通信超時、亂碼和數(shù)據(jù)錯誤現(xiàn)象。值班員依次重啟業(yè)務(wù)電腦、降水現(xiàn)象儀、ISOS綜合氣象觀測軟件，均無法排除故障。

2.2 故障處理過程

技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場后，初步判斷ISOS軟件關(guān)閉是由降水現(xiàn)象儀傳輸數(shù)據(jù)錯誤導(dǎo)致的。進(jìn)入SMO軟件，找到設(shè)備管理進(jìn)入維護(hù)終端，選擇天氣現(xiàn)象串口處理，發(fā)送“READDATA”命令讀取當(dāng)前分鐘數(shù)據(jù)，返回亂碼數(shù)據(jù)。由于除降水現(xiàn)象儀外，新型自動氣象站、能見度儀和日照傳感器等數(shù)據(jù)全部正常，而所有數(shù)據(jù)均通過綜合集成硬件控制器傳輸至業(yè)務(wù)電腦，說明綜合集成硬件控制器的核心控制模塊、光纖、室內(nèi)的通信轉(zhuǎn)換單元、網(wǎng)線及計算機網(wǎng)卡都正常，因此著重檢查業(yè)務(wù)軟件通信參數(shù)和降水現(xiàn)象儀至綜合集成硬件控制器之間的設(shè)備及線路。故障處理過程遵照“先軟件后硬件、由室外至室內(nèi)”的原則，根據(jù)通信線路圖逐步排查，步驟如下：

1)檢查業(yè)務(wù)軟件通信參數(shù)是否發(fā)生改變。在SMO軟件中，點擊“設(shè)備串口信息”進(jìn)入串口信息的查詢與配置界面，檢查接入PORT口所對應(yīng)的虛擬COM口的通信參數(shù)(RS-485工作方式，9600，8，N，1)未發(fā)生改變；在ISOS 軟件中，檢查接入降水現(xiàn)象儀所對應(yīng)的虛擬COM口也未發(fā)生改變，說明故障不是因為業(yè)務(wù)軟件通信參數(shù)改變引起的。

2)檢查降水現(xiàn)象儀供電系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。降水現(xiàn)象儀供電系統(tǒng)主要由交流電源、空氣開關(guān)和蓄電池等組成，采用交流供電方式。用萬用表檢測交流供電電壓為238 V，蓄電池電壓為13.8 V，空氣開關(guān)、電源避雷器、保險管、接線排及各導(dǎo)線通斷均正常，排除了供電系統(tǒng)故障。

3)檢查降水現(xiàn)象儀傳感器是否出現(xiàn)故障。將機箱內(nèi)接線排處的黃線和藍(lán)線取下，用RS-485轉(zhuǎn)RS-232模塊和RS-232轉(zhuǎn)USB線將降水現(xiàn)象儀(黃線接A，藍(lán)線接B)直接接入到筆記本電腦，通過串口助手(9600，8，N，1)發(fā)送“READDATA”命令讀取當(dāng)前分鐘數(shù)據(jù)，返回數(shù)據(jù)正常，排除了降水現(xiàn)象儀傳感器故障。

4)檢查RS-485通信線纜。用萬用表檢測RS-485通信線纜，不存在短路和斷路情況。

5)檢查降水現(xiàn)象儀接入綜合集成硬件控制器PORT口的通信控制模塊是否發(fā)生故障。在業(yè)務(wù)電腦上退出ISOS業(yè)務(wù)軟件，打開串口助手，選擇對應(yīng)的COM口并設(shè)置好通信參數(shù)(9600，8，N，1)，將PORT口的輸入端子收發(fā)短接，在串口助手上發(fā)送任意字符串，收回相同的字符串，說明PORT口的通信控制模塊通信正常。

6)檢查接地問題。由于檢測所有儀器設(shè)備、線路和軟件通信參數(shù)均正常，技術(shù)人員考慮是否因接地不良導(dǎo)致出現(xiàn)了電磁干擾。仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)機箱接地線連接正常，但RS-485通信線為普通雙絞電纜，無屏蔽線接地。判斷故障原因為RS-485通信線無屏蔽線接地引起信號干擾。更換RS-485通信線并將屏蔽層接地后，故障現(xiàn)象消失。

3 故障原因分析

RS-485通信接口采用差分方式傳輸信號，有A、B和GND 3根信號線，系統(tǒng)只需檢測A、B之間的電位差就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。但接地處理不當(dāng)往往會影響通信的穩(wěn)定性和可靠性甚至危及系統(tǒng)安全，原因有以下兩個方面[3]：

1)共模干擾問題：雖然RS-485接口采用差分方式傳輸信號，但收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，當(dāng)RS-485收發(fā)器共模電壓在-7～+12 V范圍內(nèi)時，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。因為RS-485是總線方式的傳輸，當(dāng)線路中兩個獨立系統(tǒng)存在地電位差導(dǎo)致接收器共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。

2)EMI電磁兼容性問題：發(fā)送系統(tǒng)輸出信號中的共模部分需要1個返回通路，若沒有返回通道，信號中的共模部分就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

嶧城站降水現(xiàn)象儀安裝使用后正常運行1 a多，說明當(dāng)時通信線即使沒有屏蔽線接地，系統(tǒng)自身抗干擾措施也能保證通信正常。此次故障，因觀測場內(nèi)外無新增供電設(shè)備，可排除外部干擾源；觀測場內(nèi)市電經(jīng)過穩(wěn)壓電源，其零地間電壓也符合要求；能夠產(chǎn)生干擾的只有設(shè)備系統(tǒng)電路自身[4-6]。降水現(xiàn)象儀機箱內(nèi)部的布線和元件會通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生微弱的靜電弱電壓，導(dǎo)致RS-485通信網(wǎng)絡(luò)形成共模干擾電壓而使通信數(shù)據(jù)異常，必須通過屏蔽線接地使共模干擾電壓被短路，才能消除干擾。

4 結(jié)束語

降水現(xiàn)象儀出現(xiàn)通信超時、亂碼及數(shù)據(jù)錯誤現(xiàn)象時，技術(shù)人員可遵循“先軟件后硬件、由室外至室內(nèi)”的原則依據(jù)設(shè)備接線圖檢修，根據(jù)降水現(xiàn)象儀運行原理分析故障現(xiàn)象，排除非故障部件以盡量縮減維修時間，并通過熟練運用設(shè)備的維護(hù)命令和維修工具，快速找到故障點并修復(fù)。在排查過程中，通信線路接地是最容易被忽視的一方面，也是影響數(shù)據(jù)采集、儀器設(shè)備正常運行的重要原因。文章詳細(xì)論述了降水現(xiàn)象儀1次RS-485通信故障排查過程，為今后類似的故障排查提供參考。