陳藝萌 張馨月

（1.阜新蒙古族自治縣氣象局，阜新 123100；2.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610200）

為更好更快推進(jìn)地面氣象觀測自動(dòng)化建設(shè)，中國氣象局于2008年編制了新型自動(dòng)氣象站功能規(guī)格需求書。2012年前后，DZZ5型自動(dòng)氣象站開始投產(chǎn)使用。阜新國家基本氣象站（以下簡稱本站）的DZZ5新型自動(dòng)氣象站于2013年6月份開始正式運(yùn)行，在2015年加入了綜合硬件集成控制器設(shè)備，并于2020年4月1日正式啟動(dòng)地面氣象觀測自動(dòng)化改革。為滿足觀測自動(dòng)化改革后崗位職責(zé)調(diào)整對設(shè)備維護(hù)維修、核查標(biāo)?；驒z測的要求，應(yīng)深入了解氣象要素自動(dòng)觀測原理及氣象站工作方式，快速分析常見故障并及時(shí)處理，這對數(shù)據(jù)質(zhì)量的保障及工作效率的提升有非常重要的作用。

1 DZZ5新型自動(dòng)氣象站的組成結(jié)構(gòu)

新型自動(dòng)氣象站是一個(gè)基于現(xiàn)代總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的自動(dòng)化測量系統(tǒng)。作為地面氣象自動(dòng)化觀測系統(tǒng)中的核心組成部分，本站使用的是華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司研制的DZZ5新型自動(dòng)氣象站，主要由硬件和軟件兩大部分組成。其中：硬件包括主/分采集器、外部控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線、傳感器、外圍設(shè)備4部分；軟件包括嵌入式軟件和業(yè)務(wù)軟件2部分。

軟件部分按其功能可分為4個(gè)單元。第一，采集器單元。該單元以HY3000主采集器為核心元件，同時(shí)配以多個(gè)分采集器，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣象數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理。同時(shí)，采集器的硬件系統(tǒng)能夠支持嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)行[1]。分采集器主要包括溫濕分采集器、地溫分采集器、輻射分采集器以及氣候分采集器等，本站只配置了前兩種分采集器。第二，傳感器單元。該單元由多種精密的傳感器組成，能夠?qū)崟r(shí)感應(yīng)氣象要素并轉(zhuǎn)換成不同信號傳遞給采集器。第三，通信單元。該單元的主要控件為綜合集成硬件控制器，且控制器傳輸?shù)男盘柨赏ㄟ^光電轉(zhuǎn)換將其傳輸至設(shè)備終端。第四，供電單元。該單元主要由不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）和蓄電池組成的系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行供電。

2 常見故障分析與處理

DZZ5新型自動(dòng)氣象站的4大硬件和2大軟件部分都時(shí)刻擔(dān)負(fù)著重要的功能，任何一部分出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法采集和傳輸不及時(shí)[2]。基于此，梳理本站出現(xiàn)過的關(guān)于采集器和綜合集成硬件控制器的故障問題并進(jìn)行了歸納和擴(kuò)展，同時(shí)以不同氣象要素?cái)?shù)據(jù)異常的情況進(jìn)行了分類和分析。分析過程中，對于本站沒有安裝的設(shè)備故障問題暫不介紹，主采集器嵌入式軟件版本號為Ver 2.69，萬用表為優(yōu)利德UT39C，業(yè)務(wù)軟件為ISOS軟件（Ver 3.0.3.330），串口調(diào)試助手型號為sscom42。

2.1 電源系統(tǒng)故障

電源系統(tǒng)正常工作是自動(dòng)氣象站穩(wěn)定運(yùn)行的前提，當(dāng)數(shù)據(jù)全部缺測時(shí)，應(yīng)首先檢查是否為總電源系統(tǒng)故障[3]。本站在主采端和綜合集成硬件控制器端有兩個(gè)總電源，其配制方式和檢測方法相同，要按照總電源輸入端電壓測量（應(yīng)為220 V左右）、空氣開關(guān)是否關(guān)閉并正常工作、保險(xiǎn)絲是否損壞、輸出端電壓測量（應(yīng)為12 V左右）、蓄電池電壓測量（應(yīng)為12 V左右）以及電源線路故障的順序逐一檢測。

2.2 采集器故障

2.2.1 溫濕分采集器故障

溫濕分采集器為HY1101型數(shù)據(jù)采集器。當(dāng)ISOS軟件中發(fā)現(xiàn)溫度和濕度數(shù)據(jù)同時(shí)缺測或異常時(shí)，應(yīng)先考慮可能是溫濕分采集器出現(xiàn)了故障。其中：軟件部分可通過ISOS確定地溫分采集器配置是否被更改（目前這一操作可省略，情況在后面說明）；硬件部分要按照分采集器輸入電壓測量（應(yīng)為12 V左右）、數(shù)據(jù)傳輸線路（CAN線）故障、分采集器本身故障、兩個(gè)傳感器同時(shí)故障的順序進(jìn)行檢查[4]。由于數(shù)據(jù)線為CAN線中的H、L會(huì)出現(xiàn)斷路、短路或交叉的情況，此時(shí)斷路和短路情況通過萬用表的蜂鳴檔檢測即可。CAN線連接方式為主采集器端的H端連接分采集器的H端，即同端相連接。H、L線兩端在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)有一個(gè)電壓差，其差值大約在1.7 V。可用萬用表的電壓檔測量H、L線端點(diǎn)處，如果顯示正直，則紅表筆連接的線為H端，如果是負(fù)值，則黑表筆連接的線為H端。

2.2.2 地溫分采集器故障

地溫分采集器為HY1310型數(shù)據(jù)采集器。當(dāng)ISOS軟件中發(fā)現(xiàn)只有10類地溫?cái)?shù)據(jù)全部缺測或異常時(shí)，應(yīng)先考慮可能是地溫分采集器出現(xiàn)了故障。其中：軟件部分同溫濕分采配置方法相同；硬件部分按照電源線路故障、數(shù)據(jù)傳輸線路（CAN線）故障、分采集器本身故障、10個(gè)傳感器同時(shí)故障的順序進(jìn)行檢查。需要注意的是，與溫濕分采集器不同，地溫分采集器主面板上有專門的電源輸入插口，所以有時(shí)地溫分采集器的CAN線4端子插口處只連接了CAN總線的H、L兩根數(shù)據(jù)線而沒有電源線。檢查CAN線時(shí)只需檢查H、L線是否斷路、短路或交叉即可。電源輸入檢查要確定BAT端口接入電源，VDC端不能作為供電輸入，只能作為外部交流電源檢測使用，應(yīng)注意不要將電源接錯(cuò)位置[5]。在故障排查中，還要注意CAN線端子后面的CAN-Jumper處的跳線帽必須插上。如果未插上跳線帽，可能不會(huì)立即顯示數(shù)據(jù)缺測或異常的情況，但在日常運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)地溫個(gè)別數(shù)據(jù)不定時(shí)缺測、不定時(shí)恢復(fù)的問題，在日常維護(hù)中會(huì)經(jīng)常忽略。

2.2.3 主采集器故障

主采集器為HY-3000型數(shù)據(jù)采集器。當(dāng)ISOS中發(fā)現(xiàn)包括溫度、濕度、地溫、風(fēng)向風(fēng)速、雨量、能見度、蒸發(fā)、氣壓、稱重以及雪深等數(shù)據(jù)全部缺測或異常，但其他串口連接的日照、降水現(xiàn)象儀、凍土、天氣現(xiàn)象視頻智能儀等設(shè)備數(shù)據(jù)正常時(shí)，應(yīng)先考慮可能是主采集器出現(xiàn)了故障。軟件部分對于主采集器沒有專門的配制命令，可以通過發(fā)送任意命令查看返回值來確定主采是否工作正常，同時(shí)發(fā)送Reset To Factory命令等待主采集器自動(dòng)重啟，查看是否恢復(fù)數(shù)據(jù)采集功能。硬件部分按照電源線路故障、數(shù)據(jù)傳輸線路（RS232-1端口數(shù)據(jù)線）故障、主采集器本身故障、主采集器上連接的所有傳感器同時(shí)故障的順序進(jìn)行檢查。同時(shí)，主采集器的電源輸入端口同樣為BAT端口，VDC不能作為供電輸入。

2.3 綜合集成硬件控制器故障

ISOS中發(fā)現(xiàn)全要素缺測或異常時(shí)，排除總電源故障和通信線纜故障后，要先考慮綜合集成硬件控制器出現(xiàn)了故障。軟件部分因?yàn)榫C合集成硬件控制器在恢復(fù)出廠設(shè)置后，設(shè)備本身的IP地址會(huì)恢復(fù)到192.168.1.1，而業(yè)務(wù)終端電腦一般都是站內(nèi)固定IP地址，所以需要在終端電腦上的SMOPORT軟件中檢查綜合集成硬件控制器的實(shí)時(shí)IP，修改為與電腦同一網(wǎng)段即可。另外，還需分別檢查每個(gè)PORT串口的傳出方式和通信參數(shù)是否有錯(cuò)誤。本站設(shè)定的多有串口通信參數(shù)均相同，波特率為9 600 Baud，停止位為N，校驗(yàn)位為1，數(shù)據(jù)位為8。其中，降水類天氣象限儀的通信傳輸方式為RS-485，其他的包括主采集器、日照傳感器、天氣現(xiàn)象視頻智能儀、凍土儀等的通信方式均為RS-232。目前，本站沒有RS-422傳輸模式的設(shè)備。同時(shí)，檢查電腦端兩個(gè)服務(wù)程序是否開啟，之后重啟ISOS軟件。硬件部分要按照電源線路故障、數(shù)據(jù)傳輸線路（包括串口端數(shù)據(jù)線、室內(nèi)外兩個(gè)光纖轉(zhuǎn)換模塊、室外短網(wǎng)線、光纖和室內(nèi)網(wǎng)線）故障、PORT口故障、綜合集成硬件控制器本身故障、串口連接的設(shè)備或儀器同時(shí)故障的順序進(jìn)行檢查。需要注意的是，光纖R、T線路兩端需要交叉連接（交叉意為R端出去的數(shù)據(jù)線另一端要連接到T端，反之T端接R端）。RS-232在PORT口處需接1、3、5針腳，同時(shí)1、3針腳對應(yīng)的R、T數(shù)據(jù)線兩端也要交叉連接。RS-485在PORT處需接1、2針腳。RS-422在PORT處需接1、2、3、4針腳。需要說明的是，針腳計(jì)算方向均為正視綜合集成硬件控制器，在串口端5孔綠端子處應(yīng)從右向左依次計(jì)算位置。主要要素故障的檢測流程如表1所示。

表1 主要要素故障的檢測流程

需要說明的是，分采集器的軟件部分配制設(shè)置命令在現(xiàn)有版本下不起作用。在電腦終端發(fā)送命令DAUSET TARH 0后，溫濕分采集器通道處于關(guān)閉狀態(tài)，但采集器正常采集，電腦終端也能正常顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也可以正常入數(shù)據(jù)庫。但是，在以后采集器版本和ISOS軟件版本升級后該功能是否恢復(fù)不得而知，這一項(xiàng)功能需要注意。

3 結(jié)語

一般情況下，DZZ5型自動(dòng)站配套的傳感器運(yùn)行較穩(wěn)定，基本不會(huì)出現(xiàn)多傳感器同時(shí)故障的情況。當(dāng)多個(gè)相關(guān)聯(lián)的傳感器同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，可以優(yōu)先考慮是采集器或是綜合集成硬件控制器處出現(xiàn)故障，以快速找到故障點(diǎn)，及時(shí)排查故障。

上述設(shè)備的故障排查順序都要以輸入電源檢測開始。第二檢測點(diǎn)為數(shù)據(jù)傳輸線路。例如：站內(nèi)最容易出問題的是CAN總線和光纖，其中CAN總線是雙絞線方式連接，雙工通信，總線標(biāo)準(zhǔn)為ISO11898。此外，老鼠、蟲子等的啃咬也是導(dǎo)致線路損壞的重要原因之一，需要警惕。第三檢測點(diǎn)是要確認(rèn)設(shè)備本身是否損壞。例如：每年雨季發(fā)生的感應(yīng)雷和直接雷引發(fā)的過電壓、過電流都可能導(dǎo)致設(shè)備本身故障。第四檢測點(diǎn)是確認(rèn)是否為對應(yīng)的多個(gè)采集器集體故障。因此，每年春季認(rèn)真做好防雷工程維護(hù)和值班員按要求完成觀測場維護(hù)是非常必要的。