李永順 馬季芳 張 仙 羅延年

（海西州氣象局，青海 海西 817099）

0 引言

隨著地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，觀測(cè)人員的工作重心已轉(zhuǎn)移到地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的維護(hù)維修中。新型自動(dòng)化氣象站的功能更加完善，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)雨量稱重、日照、雪深、降水天氣現(xiàn)象、凍土、能見度等的自動(dòng)觀測(cè)。能見度作為氣象觀測(cè)的一項(xiàng)重要因素，對(duì)日常生活和社會(huì)生產(chǎn)有著很大的影響。廣泛應(yīng)用能見度觀測(cè)儀為氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供豐富的數(shù)據(jù)資料和科學(xué)依據(jù)。為了保證能見度觀測(cè)儀獲取到的數(shù)據(jù)資料及時(shí)、準(zhǔn)確、完整，維修工作就顯得十分重要。目前，臺(tái)站人員對(duì)能見度觀測(cè)儀的工作原理和維修方法的了解很少，主要原因有以下三個(gè)方面。一是地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，出現(xiàn)故障的概率比較低。二是能見度觀測(cè)儀的維修不容易，需要一定時(shí)間的積累。三是在能見度觀測(cè)儀故障維修方面的研究很少［1-6］。因此，本研究對(duì)DNQ1型前向散射式能見度觀測(cè)儀的故障分析和校準(zhǔn)方法進(jìn)行分析，為保障技術(shù)人員在進(jìn)行維修能見度觀測(cè)儀時(shí)提供參考，確保能見度觀測(cè)儀能穩(wěn)定運(yùn)行。

1 能見度觀測(cè)儀工作原理

DNQ1型前向散射式能見度觀測(cè)儀是由能見度傳感器、橫臂、供電機(jī)箱、立柱等部件組成。PWD50型能見度傳感器由發(fā)射機(jī)、控制接收機(jī)、Pt100溫度傳感器、護(hù)罩加熱器等部件組成，如圖1 所示。能見度傳感器采用立柱安裝的方式，采樣區(qū)的中心距地高度為2.8 m，接收單元朝北、發(fā)射單元朝南，能見度傳感器橫臂保持水平方向。發(fā)射單元的紅外發(fā)光管發(fā)射出近似平行的紅外光束，接收單元將采樣區(qū)內(nèi)的大氣前向散射光匯集到接收單元中的光電傳感器的接收面上，并將其轉(zhuǎn)換成與大氣能見度成反比關(guān)系的電信號(hào)，將處理后的電信號(hào)上傳到控制器數(shù)據(jù)處理單元中，CPU 對(duì)其進(jìn)行采樣、計(jì)算散射光強(qiáng)，由此計(jì)算出大氣能見度數(shù)值。主采集器通過RS485 通信線進(jìn)行能見度傳感器的數(shù)據(jù)采集、質(zhì)控和存儲(chǔ)，光纖轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)RS232 電信號(hào)與光信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，串口服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)各觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)的串口傳輸模式到以太網(wǎng)傳輸模式的轉(zhuǎn)換。光纖交換機(jī)分布在光纖的兩端，用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和光通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。最終用終端業(yè)務(wù)機(jī)ISOS 業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件來顯示能見度等氣象數(shù)據(jù)，通過ISOS業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件來監(jiān)控各設(shè)備氣象數(shù)據(jù)。DNQ1型前向散射式能力度觀測(cè)儀系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 PWD50型能見度傳感器實(shí)物圖

2 能見度觀測(cè)儀的故障分析

根據(jù)圖2 所示的系統(tǒng)框架圖，遵循先室內(nèi)后室外、先軟件后硬件、先簡單后復(fù)雜的原則，對(duì)能見度觀測(cè)儀進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的故障處理分析。

圖2 DNQ1型前向散射式能見度觀測(cè)儀系統(tǒng)框圖

2.1 檢查ISOS業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件

ISOS 業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件主要用于對(duì)地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｒ⒁庖韵挛鍌€(gè)事項(xiàng)。①安裝ISOS 業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件的計(jì)算機(jī)，其操作系統(tǒng)應(yīng)使用Windows 7 專業(yè)版、旗艦版或以上操作系統(tǒng)，32 位、64 位均可，安裝正版殺毒軟件。②做好備份機(jī)ISOS 業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件安裝、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊臏y(cè)試，若現(xiàn)用業(yè)務(wù)機(jī)出現(xiàn)故障，要及時(shí)切換到備份業(yè)務(wù)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)?，F(xiàn)用業(yè)務(wù)機(jī)和備份業(yè)務(wù)機(jī)要同時(shí)對(duì)ISOS 業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件進(jìn)行升級(jí)，做好ISOS 安裝軟件、升級(jí)軟件、數(shù)據(jù)及參數(shù)的備份工作。③若ISOS 業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件中新型自動(dòng)氣象站、降水現(xiàn)象觀測(cè)儀、日照觀測(cè)儀等觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)全部缺測(cè)，則說明是硬件綜合集成控制器出現(xiàn)故障；若新型自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測(cè)，而其他觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)正常，則說明是新型自動(dòng)氣象站出現(xiàn)故障；若新型自動(dòng)氣象站掛接的能見度數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測(cè)，而其他數(shù)據(jù)正常，則說明是能見度觀測(cè)儀出現(xiàn)故障。④檢查ISOS 業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件中新型自動(dòng)氣象站等觀測(cè)設(shè)備的串口參數(shù)配置是否正確，在設(shè)置串口號(hào)時(shí)要與Nport 驅(qū)動(dòng)軟件中分配給新型自動(dòng)氣象站的串口號(hào)應(yīng)保持一致。⑤若ISOS業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件能見度數(shù)據(jù)缺測(cè)，先進(jìn)入設(shè)備管理下的終端維護(hù)，依次發(fā)送DEVMODE FD12P 2、SERIAL 1 OPEN、SERIAL 1 STA 調(diào)試命令來檢查能見度傳感器，并根據(jù)錯(cuò)誤或警告提示信息對(duì)能見度傳感器進(jìn)行維護(hù)維修。

2.2 電源系統(tǒng)故障分析

硬件綜合集成控制器、新型自動(dòng)氣象站、能見度觀測(cè)儀的電源系統(tǒng)組成部分和工作原理完全一致。能見度觀測(cè)儀電源系統(tǒng)的工作原理如下。AC220 V 經(jīng)過空氣開關(guān)和交流防雷模塊，開關(guān)電源會(huì)將AC220 V 轉(zhuǎn)換成DC14.5 V，DC14.5 V 經(jīng)過充電保護(hù)模塊后，對(duì)能見度傳感器進(jìn)行供電，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。若AC220 V 出現(xiàn)掉電的情況，蓄電池將直接對(duì)能見度傳感器進(jìn)行供電。能見度觀測(cè)儀的電源系統(tǒng)由空氣開關(guān)、交流防雷模塊、開關(guān)電源、充電保護(hù)模塊、接線端子、信號(hào)防雷模塊和蓄電池組成。電源系統(tǒng)故障的處理方法詳見表1。

表1 DNQ1型前向散射式能見度觀測(cè)儀的電源系統(tǒng)故障處理方法

2.3 ZQZ-PT1硬件綜合集成控制器故障分析

ZQZ-PT1 硬件綜合集成控制器是一種新型的網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)換設(shè)備，能將新型自動(dòng)氣象站和其他串口設(shè)備進(jìn)行集中管理，并通過網(wǎng)絡(luò)來完成新型自動(dòng)氣象站等設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。ZQZ-PT1 硬件綜合集成控制器是由電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，電源系統(tǒng)故障的處理方法與能見度觀測(cè)儀電源系統(tǒng)故障的處理方法完全一致。通信系統(tǒng)由光纖轉(zhuǎn)換器、串口服務(wù)器和光纖交換機(jī)組成，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行燈的閃爍情況進(jìn)行故障處理。故障處理方法見表2。

表2 ZQZ-PT1硬件綜合集成控制器通信系統(tǒng)的故障處理方法

2.4 主采集器故障分析

新型自動(dòng)氣象站的主采集器用于對(duì)能見度等氣象數(shù)據(jù)的采集、質(zhì)控、存儲(chǔ)和傳輸。WUSHBH 型主采集器的故障處理方法如下。①觀察主采集器紅色RUN 指示燈是否秒閃，若指示燈不亮或閃爍異常，則說明主采集器存在故障。對(duì)主采集器進(jìn)行重啟，重啟后檢查RUN 指示燈是否恢復(fù)到秒閃狀態(tài)。②測(cè)量主采集器的供電電壓是否在DC13.8 V 左右，若供電電壓不正常，則對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行維修。③主采集器的CF 數(shù)據(jù)卡出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致主采集器運(yùn)行異常，應(yīng)更換或去掉CF 數(shù)據(jù)卡，并重啟主采集器，重啟后檢查運(yùn)行是否正常。④當(dāng)主采集器的傳感器通道、CAN 通道、通信通道出現(xiàn)損壞時(shí)，要更換主采集器。⑤將主采集器與筆記本電腦的USB 轉(zhuǎn)串口線連接在一起，運(yùn)行SSCOM32串口助手調(diào)試軟件，通信參數(shù)設(shè)置為“9 600，8，1，N”，勾選發(fā)送新行，打開串口，發(fā)送samples 調(diào)試命令。若讀取主采集器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)失敗，則重啟主采集器，重啟后讀取數(shù)據(jù)依舊失敗，需要更換主采集器。⑥通過主采集器來檢查能見度傳感器是否正常。發(fā)送“DEVMODE FD12P 2”命令，回顯“T”，進(jìn)入能見度傳感器調(diào)試模式；發(fā)送“SERIAL 1 OPEN”命令來調(diào)試“COM1”上的能見度傳感器；發(fā)送“SERIAL 1 MES”命令，能顯示1 min和10 min的能見度數(shù)據(jù)；發(fā)送“SERIAL 1 STA”命令，來檢查能見度傳感器的運(yùn)行狀態(tài)信息，若最后顯示“HARDWARE:OK”，則說明能見度傳感器運(yùn)行正常；若最后顯示硬件錯(cuò)誤或警告信息，能見度數(shù)據(jù)會(huì)顯示缺測(cè)，根據(jù)提示信息來解決能見度傳感器的故障，直到顯示“HARDWARE:OK”為止；發(fā)送“DEVMODE FD12P 0”命令，退出能見度傳感器的調(diào)試模式。⑦檢查主采集器的能見度通道是否正常。發(fā)送“SENST VI 1”命令，開啟能見度的觀測(cè)要素。顯示“T”，發(fā)送“COMDEV 1 FD12P”命令，設(shè)置主采集器COM1 為能見度傳感器；顯示“T”，發(fā)送“SETCOMEX 1 4800 8 N 1”命令，設(shè)置能見度傳感器的通信參數(shù)；顯示“T”，依次發(fā)送“SUPER ADMIN”“VARCH VI COM.1 V”“V10”和“VIASC 12”命令，從而設(shè)置完成能見度的計(jì)算方法。

2.5 RS485通信線故障分析

WUSH-BH 型主采集器與PWD50 型能見度傳感器是通過RS485 線進(jìn)行通信的，能見度傳感器電纜線含紅黑2 根電源線、白棕2 根信號(hào)線、綠黃灰3根調(diào)試線。將能見度傳感器的電纜線接入到供電機(jī)箱信號(hào)防雷模塊中，再將接線端子接到主采集器RS485 口。RS485 通信線的故障處理方法如下。①檢查能見度傳感器接收器底部的電纜插頭是否旋緊，檢查信號(hào)防雷模塊、接線端子、主采集器上的RS485接線頭是否出現(xiàn)松動(dòng)或脫落的情況。②測(cè)量信號(hào)防雷模塊、接線端子、主采集器之間的RS485通信線是否導(dǎo)通。若萬用表發(fā)出聲響，說明RS485 通信線是正常的。③檢查信號(hào)防雷模塊是否被雷擊擊穿，測(cè)量接線端子兩側(cè)是否導(dǎo)通。

2.6 能見度傳感器故障分析

檢查能見度傳感器是否正常。筆記本電腦通過調(diào)試線與能見度傳感器進(jìn)行連接，發(fā)送調(diào)試命令進(jìn)行故障分析。PWD50 型能見度傳感器的故障處理方法如下。①將DB9母頭2、3、5引腳上的3根線纜分別與能見度傳感器的綠、黃、灰電纜連接在一起，再將DB9母頭與筆記本電腦的USB轉(zhuǎn)串口線進(jìn)行對(duì)接。②將能見度傳感器斷電，運(yùn)行SSCOM32串口調(diào)試軟件，通信參數(shù)設(shè)置為“4 800,8,1,N”，勾選“發(fā)送新行”，打開串口，給能見度傳感器通電，響應(yīng)窗口顯示版本信息，若版本信息不顯示，檢查波特率的設(shè)置是否正確，重新上電進(jìn)行嘗試。③在調(diào)試軟件命令框中輸入OPEN 命令，按回車鍵顯示信息為“PWD OPENED FOR OPERATOR COMMANDS”，則說明成功打開能見度傳感器接口。④發(fā)送STA 調(diào)試命令，檢查能見度傳感器的硬件狀態(tài)。若顯示“HARDWARE:OK”，則說明能見度傳感器的硬件狀態(tài)正常；若顯示硬件錯(cuò)誤或警告信息（見表3），要對(duì)能見度傳感器進(jìn)行故障維修。繼續(xù)發(fā)送STA 命令，直到顯示“HARDWARE:OK”為止。⑤發(fā)送MES 調(diào)試命令，檢查能見度傳感器的狀態(tài)和能見度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是否正常。

表3 DNQ1型前向散射式能見度傳感器的硬件錯(cuò)誤和警告信息

3 能見度觀測(cè)儀的校準(zhǔn)方法

為了保證能見度觀測(cè)儀測(cè)量的準(zhǔn)確性，使用PWA11 校準(zhǔn)套件對(duì)能見度傳感器每隔半年進(jìn)行一次校準(zhǔn)。校準(zhǔn)前必須要注意以下兩個(gè)事項(xiàng)。一是在能見度大于500 m 的條件下對(duì)能見度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。二是在標(biāo)定前要清潔能見度傳感器的鏡頭和標(biāo)定用的遮光板和散光板。

能見度觀測(cè)儀的校準(zhǔn)維護(hù)步驟如下。①將能見度傳感器綠、黃、灰三色線纜與筆記本電腦上的RS-232 通信線轉(zhuǎn)接USB 串口線連接在一起。②運(yùn)行SSCOM32 串口調(diào)試軟件，將波特率設(shè)置為“4 800,1,8,N”，并發(fā)送“OPEN”命令，打開能見度傳感器。③將遮光板放在接收器的護(hù)罩上，用于阻止光路，等待30 s 后，輸入MES 調(diào)試命令來讀取能見度儀標(biāo)稱量值的上限值，若未達(dá)到標(biāo)稱量值的上限值（35 000），則要對(duì)其進(jìn)行維修。④在完成標(biāo)稱量值上限讀取后，發(fā)送ZERO命令，顯示“ZERO SIGNAL:OK”。⑤取走遮光板，將散光板裝到鏡頭護(hù)罩上，注意要使散光板與鏡頭平行，否則會(huì)引起示值誤差。⑥移出光路，確保收發(fā)光路上沒有任何障礙物，并等待60 s。⑦發(fā)送CHEC 命令，1 min 后讀取顯示的信號(hào)值，將該信號(hào)值與印在散光板上的值進(jìn)行對(duì)比，若誤差小于5%，則校準(zhǔn)正確。⑧將鼠標(biāo)放在響應(yīng)窗口上，按ESE 鍵來終止CHEC 命令。⑨若校準(zhǔn)結(jié)果誤差超過5%，發(fā)送“CAL”命令，對(duì)能見度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整，如發(fā)送“CAL 472”命令，則“472”為印在散光板上的校準(zhǔn)儀信號(hào)值。⑩繼續(xù)執(zhí)行第⑦步，檢查能見度傳感器的信號(hào)值與印在散光板值的誤差是否小于5%。若誤差大于5%，則重新進(jìn)行校準(zhǔn)；若誤差超過20%，檢查能見度傳感器是否存在硬件或機(jī)械錯(cuò)誤。

4 結(jié)語

本研究從電源系統(tǒng)、RS485通信線、能見度傳感器、主采集器、ZQZ-PT1通信轉(zhuǎn)換器、ISOS業(yè)務(wù)觀測(cè)軟件等方面出發(fā)，對(duì)DNQ1 型前向散射式能見度觀測(cè)儀的故障進(jìn)行分析，從而形成一套完整的維修流程，幫助保障技術(shù)人員及時(shí)解決能見度觀測(cè)儀出現(xiàn)的各種故障，保證能見度觀測(cè)儀能正常運(yùn)行，提高地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性。由于能見度觀測(cè)儀的維修工作比較繁重，氣象站業(yè)務(wù)人員應(yīng)熟練掌握工作原理，不斷積累維修經(jīng)驗(yàn)，確保能見度觀測(cè)儀能穩(wěn)定運(yùn)行。另外，要建立標(biāo)準(zhǔn)化的儀器庫房和規(guī)范化的管理制度，保證氣象儀器設(shè)備備件充足，如果出現(xiàn)因設(shè)備缺少備件而導(dǎo)致長時(shí)段缺測(cè)，會(huì)影響業(yè)務(wù)質(zhì)量。