淺析河北地震臺(tái)網(wǎng)大地電場(chǎng)觀測(cè)儀器故障特征

張廣莉，王莉森，馬 佳

(1.河北省地震局陽(yáng)原地震臺(tái)，河北 陽(yáng)原 075800；2.河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

觀測(cè)儀器的運(yùn)行狀態(tài)是直接影響產(chǎn)出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的主要原因。地震數(shù)字化觀測(cè)儀器在網(wǎng)運(yùn)行約20年，觀測(cè)設(shè)備的故障特征也逐漸呈現(xiàn)出來(lái)。地電場(chǎng)儀是用于觀測(cè)地表地電場(chǎng)強(qiáng)度的專用儀器，具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍等性能特點(diǎn)及良好的抗干擾能力和較高的可靠性等，主要觀測(cè)地電場(chǎng)強(qiáng)度及其時(shí)空變化，為地球物理場(chǎng)研究和地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)服務(wù)。

河北省地震局是系統(tǒng)內(nèi)較早開(kāi)展數(shù)字化地電場(chǎng)觀測(cè)的單位之一，經(jīng)過(guò)“首都圈”“九五”“十五”等項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)行，地電場(chǎng)觀測(cè)儀器已運(yùn)行約17年，儀器運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了多種故障。以河北省地震前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析記錄事件、臺(tái)站觀測(cè)日志、全省維修記錄為依據(jù)，統(tǒng)計(jì)地電場(chǎng)觀測(cè)儀器的6種主要故障類型，分別為電極故障、主機(jī)故障、數(shù)采故障、電源故障、外線路故障、參數(shù)混亂，其中電極故障、主機(jī)故障為主要類型，約占80.43%。通過(guò)對(duì)故障特征及典型實(shí)例的分析，為儀器故障點(diǎn)位的快速查找、判斷以及部件的快速更換提供技術(shù)參考。

1 儀器測(cè)量原理及結(jié)構(gòu)

1.1 觀測(cè)原理

地電場(chǎng)強(qiáng)度矢量測(cè)量，是按照分量測(cè)量、矢量合成的方法對(duì)地表地電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)測(cè)量得到至少兩個(gè)(正交)分量以后，由如下式1和式2可以計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)O的平均地電場(chǎng)強(qiáng)度值E和方位角。

(1)

(2)

在進(jìn)行地電場(chǎng)分量值測(cè)量時(shí)，一般情況下測(cè)量磁南北和磁東西兩個(gè)正交分量。也可以根據(jù)觀測(cè)場(chǎng)地條件，在平行和垂直于斷層走向方向進(jìn)行測(cè)量[1]。矢量測(cè)量合成如圖1所示。

圖1 地電場(chǎng)矢量示意圖Fig.1 Vector schematic diagram of telluric electricity field

1.2 儀器結(jié)構(gòu)

圖2 地電場(chǎng)儀工作原理框圖Fig.2 The working principle of the telluric equipment

2 故障識(shí)別方法

按照儀器組成結(jié)構(gòu)分類，地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)常見(jiàn)故障包括電源故障、裝置系統(tǒng)故障(含外線路、電極、避雷等)、主機(jī)/采集故障、通訊故障等。故障發(fā)生后，一般通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化特征與觀測(cè)原理相結(jié)合的方式判斷故障發(fā)生點(diǎn)，采用“替換法”和“逐步逼近法”檢測(cè)故障。

2.1 替換檢測(cè)法

替換法是最直接的維護(hù)方式，可粗略快速查找故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng)的快速恢復(fù)[2]。其適合臺(tái)站或維修中心，通過(guò)足夠的備機(jī)備件，采用輪流替換的方式快速查找影響觀測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的故障點(diǎn)，并通過(guò)替換法實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的正常采集。替換法可根據(jù)故障發(fā)生誘因采用合適的替換方式，而非盲目的替換造成系統(tǒng)的無(wú)法恢復(fù)。

2.2 逐步逼近法

逐步逼近法是通過(guò)分析、實(shí)驗(yàn)精細(xì)查找故障的一種方式。其原則是按照容易到復(fù)雜的順序，即“先查供電、后查儀器主機(jī)(采集、通訊、儀器內(nèi)供電)、之后外線路、最后電極”的順序?qū)赡艹霈F(xiàn)的故障進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)和排除，最終確定故障點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)故障的維修。

3 故障特征與實(shí)例分析

文章以河北省地電場(chǎng)觀測(cè)儀2008至2017年上半年數(shù)據(jù)跟蹤分析記錄事件、臺(tái)站觀測(cè)日志、全省維修記錄為數(shù)據(jù)源，統(tǒng)計(jì)分析儀器故障6類，統(tǒng)計(jì)維修次數(shù)200余次，各類故障比例如表1所示。

表1 干擾類型信息表Table 1 Interference types information

如表1所示，地電場(chǎng)觀測(cè)儀器故障主要是電極故障、主機(jī)故障，占80.43%，其次是數(shù)采故障、電源故障、外線路故障、參數(shù)混亂，占19.57%。根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，合并部分故障類型，重點(diǎn)對(duì)主機(jī)故障(數(shù)采故障、參數(shù)混亂)、電源故障、電極故障、外線路故障進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)例分析，為臺(tái)站、省局儀器維修的故障判斷提供解決思路。

3.1 主機(jī)故障

主機(jī)是地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的核心部件之一，主要承擔(dān)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通訊、測(cè)量控制、數(shù)據(jù)采集等。地電場(chǎng)儀主機(jī)主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集兩部分組成來(lái)完成觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、格式轉(zhuǎn)換、通訊等。其中工控機(jī)又稱為上位機(jī)，數(shù)據(jù)采集部分稱為下位機(jī)，均可獨(dú)立工作。下位機(jī)是由單片機(jī)組成的采集控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；上位機(jī)就是工控機(jī)部分，類似于一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)，在該儀器中主要負(fù)責(zé)網(wǎng)路通訊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。

主機(jī)故障占儀器所有故障的38.04%，主機(jī)故障是觀測(cè)儀器故障的統(tǒng)稱，詳細(xì)的故障劃分為工控機(jī)故障(硬件故障)、數(shù)采故障、通訊故障、測(cè)量參數(shù)混亂4大類，每類故障均對(duì)應(yīng)不同的故障現(xiàn)象，每類故障均有各自的判別方法。

本文在對(duì)《崗位技能實(shí)訓(xùn)》課程與CDIO進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)上，將CDIO教育理念引入到該課程具體的教學(xué)過(guò)程中，主要在授課內(nèi)容、授課方式與考核方式三方面體現(xiàn)出來(lái)，并借鑒項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)與對(duì)分的思想，通過(guò)在學(xué)生中的具體實(shí)施證明該方案可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)融合能力、個(gè)人實(shí)踐能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3.1.1 工控機(jī)故障

(1) 故障現(xiàn)象主要有死機(jī)、通訊故障、命令無(wú)響應(yīng)、無(wú)數(shù)據(jù)文件、工控機(jī)反復(fù)發(fā)出“嘟”聲(重啟)、系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)、儀器工作參數(shù)與測(cè)量參數(shù)混亂等。

(2) 工控機(jī)的工作狀態(tài)較容易識(shí)別，主要通過(guò)兩種方式確定其工作狀態(tài)。首先，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連通命令ping儀器主機(jī)，根據(jù)響應(yīng)情況判斷工控機(jī)通訊模塊和儀器命令響應(yīng)情況；其次，通過(guò)Web界面或Ftp方式登錄儀器，查看儀器基本配置參數(shù)或下載觀測(cè)數(shù)據(jù)等方式判斷工控機(jī)的工作狀態(tài)。

(3) 實(shí)例分析以河北興濟(jì)臺(tái)電場(chǎng)儀工控機(jī)故障為例。2014年3月29日值班人員巡檢地電場(chǎng)儀工作狀態(tài)，查看儀器前面板，工作指示燈閃亮，工作正常。備份觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)登錄觀測(cè)儀器Web界面下載儀器當(dāng)天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，登錄儀器失敗，提示“儀器未連接”。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連通命令ping儀器主機(jī)，無(wú)返回信息。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查看儀器工作狀態(tài)的情況，判斷為工控機(jī)故障。由于下位機(jī)(數(shù)采)工作正常，通過(guò)串口數(shù)據(jù)采集軟件調(diào)收儀器當(dāng)天數(shù)據(jù)正常后，打開(kāi)儀器機(jī)箱，通過(guò)將工控機(jī)5 V供電系統(tǒng)斷電(不是主機(jī)斷電)，重新加電實(shí)現(xiàn)儀器重啟后繼續(xù)登錄儀器Web界面，此時(shí)儀器登錄成功，檢查儀器工作參數(shù)及基礎(chǔ)信息均正常，儀器恢復(fù)工作，初步判斷此次故障為工控機(jī)死機(jī)。此時(shí)應(yīng)當(dāng)刪除當(dāng)天“.epd”格式文件，重啟數(shù)據(jù)采集控制軟件，確保數(shù)據(jù)的完整性。但是由于臺(tái)站值班人員未按此操作，丟失當(dāng)天3個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，即13：47數(shù)據(jù)斷記，16：01數(shù)據(jù)恢復(fù)(見(jiàn)圖3)。

圖3 河北興濟(jì)臺(tái)電場(chǎng)儀工控機(jī)故障曲線Fig.3 Curve of industrial personal computer trouble of telluric equipment at Xingji station

3.1.2 數(shù)采故障

(1) 故障現(xiàn)象。

前提是工控機(jī)正常，單道或多道觀測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或缺測(cè)。主機(jī)前面板工作狀態(tài)指示燈不正常或指示燈無(wú)顯示，且前面板顯示觀測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或無(wú)數(shù)據(jù)，或者可聽(tīng)到主機(jī)內(nèi)有繼電器不規(guī)則的切換聲,甚至為數(shù)采死機(jī)。

(2) 判別方法。

首先查看儀器主機(jī)前面板的工作指示燈與顯示測(cè)量數(shù)據(jù)是否正常；其次，通過(guò)遠(yuǎn)程登錄工控機(jī)下載數(shù)據(jù)文件，查看當(dāng)前數(shù)據(jù)是否與臺(tái)站正常的背景數(shù)據(jù)一致，如不一致，基本可以確定為數(shù)采故障(電極老化反應(yīng)與此不一致)。

(3) 實(shí)例分析。

以河北昌黎后土橋地震臺(tái)電場(chǎng)儀數(shù)采故障為例。2014年5月7日巡檢儀器工作狀態(tài)，遠(yuǎn)程登錄儀器工控機(jī)，查看觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)背景噪聲高于往日數(shù)據(jù)特征且出現(xiàn)雜亂無(wú)章的連續(xù)動(dòng)態(tài)尖峰曲線。現(xiàn)場(chǎng)檢查儀器主機(jī)前面板，儀器工作指示燈常亮，且6個(gè)測(cè)道均出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的現(xiàn)象，排除電極同時(shí)損壞的可能，初步懷疑為數(shù)采工作不正常。備份當(dāng)天數(shù)據(jù)文件，重啟儀器并檢查儀器工作參數(shù)無(wú)誤后儀器恢復(fù)工作。數(shù)據(jù)變化如圖4所示。

3.1.3 參數(shù)故障

參數(shù)混亂或丟失可分為測(cè)量參數(shù)混亂與工控機(jī)工作參數(shù)混亂兩種形式。其中測(cè)量參數(shù)混亂的直接特征是儀器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，出現(xiàn)與背景噪聲不一致的現(xiàn)象，均為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；工控機(jī)工作參數(shù)混亂表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)不通、數(shù)據(jù)文件形成錯(cuò)誤(文件名或文件內(nèi)容)等。兩種方式的表現(xiàn)形式均不一致。因其診斷容易，所以需在工控機(jī)、數(shù)采故障開(kāi)始檢查前完成參數(shù)核對(duì)，確保儀器工作正常。

圖4 河北昌黎后土橋臺(tái)數(shù)采故障數(shù)據(jù)缺測(cè)曲線Fig.4 Data shortage curve of data acquisition trouble at Tuqiao station in Changli

以興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)儀器參數(shù)混亂為例。2014年5月16日12：19地電場(chǎng)觀測(cè)6個(gè)測(cè)道同時(shí)出現(xiàn)臺(tái)階狀變化，數(shù)據(jù)限幅，壓制觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示為一條直線。初步懷疑場(chǎng)地環(huán)境干擾或主機(jī)故障，巡視測(cè)區(qū)環(huán)境，標(biāo)定設(shè)備均正常，查看儀器測(cè)量參數(shù)，所有參數(shù)恢復(fù)到出廠設(shè)置，查找原因，初步判斷為設(shè)備老化造成。重新設(shè)定為興濟(jì)臺(tái)工作參數(shù)后，儀器工作正常。數(shù)據(jù)變化如圖5所示。

圖5 河北興濟(jì)臺(tái)地電場(chǎng)儀器參數(shù)混亂曲線Fig.5 Curve of disordered telluric equipment parameter at Xingji station

3.2 電源故障

電源故障主要包含供電電源故障和儀器電路板電源故障兩種。供電電源出現(xiàn)故障后，整套儀器停止工作或工作不正常；電路板電源故障主要表現(xiàn)為主機(jī)停止工作、工控機(jī)啟動(dòng)時(shí)“滴”的聲音頻繁、公用數(shù)采繼電器反復(fù)切換等[3]。出現(xiàn)以上情況后，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)診斷解決。通過(guò)萬(wàn)用表量取供電電源輸出電壓，判斷電源供電是否正常。如，市電供電電壓在210～230 V之間可作為正常供電，直流供電在11.5～13 V之間可作為正常范圍，儀器內(nèi)部電路板供電在4.5～5.5 V之間可作為正常供電。因此在現(xiàn)場(chǎng)診斷電源故障時(shí)，需根據(jù)每個(gè)供電單元的實(shí)際情況來(lái)判斷儀器供電是否正常。電源故障的特點(diǎn)是，電場(chǎng)儀6道數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)變化，變化特征呈趨勢(shì)性變化或方波形態(tài)。

以興濟(jì)臺(tái)電場(chǎng)儀電路板電源故障為例。2011年4月5日00:02至19:11，滄縣興濟(jì)地震臺(tái)ZD9A地電場(chǎng)儀6道數(shù)據(jù)均出現(xiàn)大于日變化峰-峰幅度2倍的多次方波(見(jiàn)圖6)，系降雨造成電網(wǎng)停電，UPS供電超過(guò)5個(gè)小時(shí)后逐漸停止供電引起。

圖6 河北興濟(jì)臺(tái)電場(chǎng)儀電路板電源故障曲線Fig.6 Curve of circuit board power trouble of telluric equipment at Xingji station

3.3 裝置故障

地電場(chǎng)觀測(cè)裝置由電極與線路兩部分組成。電極故障(老化)為地電觀測(cè)的主要故障之一，占所有觀測(cè)故障的48.91%。

3.3.1 電極故障

地電場(chǎng)測(cè)量電極故障可分為兩大類，一類為電極與線路連接處故障，主要為線路銹蝕造成的接觸不良，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排除；另一類為電極老化，包括電極與土壤接觸不良和電極超過(guò)使用時(shí)限等，需要在附近地表埋設(shè)檢測(cè)電極進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行確認(rèn)后，需要對(duì)故障電極進(jìn)行更換。電極故障特征如下：電極故障直接影響與之相關(guān)的測(cè)道數(shù)據(jù)，變化特征為不規(guī)律數(shù)據(jù)跳動(dòng)；電極一旦出現(xiàn)故障，若不經(jīng)過(guò)處理，不能自行修復(fù)；異常變化有可能朝單一方向緩慢漂移而不能自行恢復(fù)。電極故障后，應(yīng)及時(shí)更換，無(wú)其他恢復(fù)方法。

3.3.2 外線路故障

外線路故障主要包括線路虛接與斷開(kāi)、線路漏電、線路連接錯(cuò)誤等。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)兩道或多道數(shù)據(jù)較大幅度的同步非正常變化，按照如下步驟進(jìn)行裝置系統(tǒng)的故障分析檢測(cè)。

(1) 首先檢查可能故障線路的對(duì)地絕緣電阻，如果絕緣電阻比較低，應(yīng)繼續(xù)逐段檢查，找到真正的漏電點(diǎn)。

(2) 然后從電極與外線路連接點(diǎn)開(kāi)始逐個(gè)檢查所有連接點(diǎn)是否接觸良好，特別是信號(hào)線避雷器所在的接線盒中的所有接頭，必要時(shí)可用備用導(dǎo)線臨時(shí)替換整個(gè)避雷器接線盒，再進(jìn)行檢測(cè)。

(3) 最后利用斷開(kāi)指定電極的方法，檢測(cè)外線路與室內(nèi)線路的標(biāo)示和連接是否正確。

4 討論

地電場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備故障的快速判斷是獲得準(zhǔn)確觀測(cè)數(shù)據(jù)的基本保障。臺(tái)站維修人員可根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用“替換檢測(cè)法”和“逐步逼近法”，結(jié)合地電場(chǎng)各類故障特征快速查找并進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)，根據(jù)故障發(fā)生概率，優(yōu)先排查主要故障，節(jié)省故障查詢時(shí)間，起到事半功倍的效果[4]。