DZZ 5型自動氣象站電源故障診斷分析

莊 瑤 吳鵬飛 張潔薇

(1.福建省氣象臺，福建 福州 350001；2.南平生態與農業氣象試驗站，福建 南平 354200)

1 概述

地面氣象觀測是氣象觀測的重要組成部分，它是對地球表面一定范圍內的氣象狀況及其變化過程進行系統、連續的觀察和測定[1]。隨著電子測量、數據傳輸和控制系統不斷的穩定、成熟，新型自動氣象站滿足地面氣象全要素自動觀測。新型自動氣象站是基于現代總線技術和嵌入式系統技術構建的自動化測量系統，完成氣溫、濕度、氣壓、風速、風向、降水量、地溫和能見度等要素的數據采集、處理及數據質量控制[2]。目前業務中使用的新型自動氣象站分別由不同廠家按照功能需求書要求生產，具有統一標準、統一功能、統一結構、統一方法和統一規范的DZZ 1～6等6種型號。

新型自動氣象站按照“主采集器+外部總線+分采集器+傳感器+外圍設備”的統一結構構建，但各種型號之間還存在許多不同點。隨著電子元件技術的不斷發展成熟，傳感器也趨于穩定。但隨著綜合硬件控制器、分采集器等節點的增加，自動氣象站故障的發生概率也隨之增加。電源是自動站的動力，主采集器是自動站的核心，綜合硬件控制器是通訊系統的重要樞紐，三者缺一不可。電源又是貫穿自動氣象站每一個環節，電源故障主要表現為保險絲斷路、綜合硬件控制器電源模塊異常、主(分)采集器和傳感器供電以及電源線路異常等。福建省大監站主要采用DZZ 5型，本文主要就DZZ 5型的常規電源故障進行針對性分類診斷，同時針對實際業務中一些特殊故障進行探討，以期為應對極端天氣頻發情況的故障排除節省更多時間，保障數據的完整性。

2 電源故障診斷和特殊故障的排查

電源故障主要是通過現象來初步判斷故障點，選取適當的節點，結合輸入電壓、輸出電壓值的測量進行確認，最后對設備狀態和測量數據進行分析，進而判定故障是否排除成功。DZZ 5自動氣象站結構簡單、布局清晰，排查電源故障時只需選取合適的節點就能節省一定的時間。如圖1所示，第一節點為主采集器防雷板下方50、51口，能快速將電源故障位置定位到電源箱還是主采集器上；第二節點為閘刀開關的輸出端，能迅速判斷是線路故障；第三節點為閘刀開關的輸入端，能迅速判斷是否保險絲故障；第四節點電源控制器模塊的直流輸出端，能將電源模塊與線路快速區別開來；第五節點為電源模塊交流輸入端，通過測量可以較快判別是否有輸入，防雷保護模塊是否正常工作。DZZ 5自動氣象站以蓄電池供電時，前面4個節點一致，最后一個節點是在蓄電池端，測量空載和負載時電池電壓是否12VDC左右。同時，要注意測量時電壓值是否偏大超過15V，萬用表指示的數值是否一直在波動，此時需要注意等電位連接和UPS是否正常。

圖1 電源故障診斷流程

2.1 電源控制器模塊

電源控制器作為自動站動力的源頭，由兩路構成，其一是220VAC通過朝陽電源轉換模塊轉成12VDC供給自動站，同時給蓄電池進行浮充式充電；其二是由蓄電池直接給整個系統供電。

圖2 電源控制器

電源控制器既是輸入端也是輸出端，如圖2所示，從右起依次為火線L、零線N、接地、+12VDC(蓄電池和負載)、蓄電池負極、直流電源負極，大多數電源控制器在接線的下方還有個指示燈。電源控制器模塊主要故障有防雷模塊損壞、交流輸入異常、直流輸出故障和保險管損壞等。

電源故障診斷要通過現象來定位，通過測量來確認。通電時分別測量輸入和輸出端，斷電時可通過電阻檔或通斷檔進一步確認。由于電源控制器有兩路供電，AD/DC供電和蓄電池DC直接供電，交流轉換成直流給蓄電池充電和蓄電池供電輸出都是通過圖2中負載進行直流輸出，一旦電源控制器出現故障，根據數據狀態很難發現。這需要在日常地面巡查維護中通過終端命令PSS查看返回值是AC還是DC。一旦返回值是DC，則要查看電源控制器下方的指示燈是否常亮來進一步判斷，最后通過測量圖2中電源控制器上的負載和電源負極是否有12VDC輸出,同時檢查負載和蓄電池負極，查看蓄電池充放電是否正常進行最后的確診。

2.2 綜合硬件控制器

隨著觀測自動化的推進，越來越多的自動觀測設備取消人工觀測，日照自動觀測、降水現象儀等的加入，主采集器已無法滿足。在地面觀測能力顯著提升的同時也暴露出許多問題，主要體現在“四多”(通信線路多、終端設備多、軟件系統多、數據標準多)和“四低”(系統可靠性低、利用率低、可維護性低、可擴展性低)等方面。綜合硬件控制器通過光纖將采用不同通信方式的多個設備數據進行遠距離傳輸，高度集成多串口通信、信號轉換、光電隔離、數據轉換和光電轉換(光貓)等功能模塊。

由于綜合硬件控制器集成化程度高，電源則成為影響其正常運行的主要故障。電源故障診斷流程如圖3所示，首先通過查看PWR1、PWR2指示燈來初步判別綜合硬件控制器和內置光電轉換模塊的供電是否正常。其次，進一步測量供電端子是否有12VDC電壓，判斷整個硬件控制器的電源是否正常。綜合硬件控制器上還有L1和內置的光電轉換模塊的Tx和Rx指示燈，可通過指示燈狀態進行快速診斷。L1是否閃爍，閃爍異常時，可通過斷電，靜置一段時間后重啟設備。指示燈狀態正常時，可通過Ping命令對綜合硬件控制器進行診斷。

圖3 綜合硬件控制器電源故障診斷流程

2.3 主采集器

主采集器作為整個自動站的核心，一旦主采集器出現問題，將造成所有數據都將缺失。一旦發現所有數據缺測時，如圖4所示，首先查看RUN指示燈，快速判斷是否供電；緊接著快速測量主采集器BAT端口是否有12VDC輸出；然后檢測各測量通道上空載時的電壓和負載時的信號電壓是否正常。

圖4 主采集器故障判識

在實際業務中，故障表現形式各不相同，關于主采集器故障判斷，要特別注意：主采集器電源以及傳感器都正常時，ISOS地面業務軟件無法讀取自動站數據，但通過終端命令可以返回1條數據，隨后終端命令也無法與主采集器進行通訊，斷電重啟后主采集器仍是同樣現象，此時需查看CF卡指示燈是否閃爍，對CF卡狀態進行診斷。在此情況下，如果CF卡指示燈常亮，表明CF已損壞，否則需更換CF卡。

2.4 傳感器

傳感器作為自動站重要組成部分，但它們各自又相互獨立，可逐一排查。依次按照電源→信號→線路→端子→通道的順序進行排查：①確定供電是否12VDC(除風和雨量5VDC外)；②通過測量相應的信號電壓(除溫度傳感器要斷電測量電阻)是否在規定的范圍內；③通過蜂鳴檔或電阻檔，在斷電時測量各線路是否短路或斷路(RS232線路要交叉測量)；④通過測量端子的短路或更換端子以及空載時各通道是否有規定的電壓進行排查。

綜上所述，DZZ 5自動氣象站電源故障無處不在，在故障排除后，需對自動氣象站的狀態和數據進行分析，判斷自動氣象站的工作電壓是否在10.8～13.8VDC，判斷傳感器信號電壓是否在正常范圍內，以確認氣象觀測數據的準確性和自動氣象站的穩定性，確保自動氣象站正常運行，保障數據的完整性和及時性。

3 結論

電源作用于DZZ 5型自動氣象站的每一處，電源發生故障的概率也遍布整個自動氣象站的每一處。新型自動站采用總線式，結構簡單明了，且電子元件相對簡單集成化程度高。在故障判識和排查時，①根據故障現象對故障進行定性判斷，數據全部缺失時，要先檢查自動氣象站供電情況；部分要素缺失時，也要測量相應要素傳感器供電是否正常。②選取適宜的節點，對故障位置進行分段。以最少的節點、最快的速度定位故障部位，減少斷電重啟的次數。③通過測量、指示燈狀態、PSS等終端命令對常規和特殊故障進行確診；通過測量、替換等方式，排除故障。④對排除后的狀態數據進行分析，確認數據的準確性。

致謝：

感謝福建省氣象局觀測預報協同應用創新團隊對本文的資助。