一次報(bào)表審核發(fā)現(xiàn)的風(fēng)向數(shù)據(jù)異常故障維修

孫百安 姜水平

一次報(bào)表審核發(fā)現(xiàn)的風(fēng)向數(shù)據(jù)異常故障維修

孫百安1姜水平2

（1.南平市氣象局，福建 南平 353000；2.南平市建陽(yáng)區(qū)氣象局，福建 南平 354200）

格雷碼盤(pán)式風(fēng)向傳感器部分編碼和傳輸通道出現(xiàn)故障時(shí)，仍然有風(fēng)向輸出，造成風(fēng)向記錄混亂，且不易被發(fā)現(xiàn)。而利用這些異常的風(fēng)向觀測(cè)數(shù)據(jù)，大致倒查到風(fēng)向傳感器及傳輸通道的某些通道故障，接著用傳感器替換法和測(cè)量法判斷風(fēng)向信號(hào)各通道短路或斷路，找到具體故障點(diǎn)排除，是一種簡(jiǎn)便有效的故障判斷排除方法。

EL15－2C 故障維修 傳感器 風(fēng)向

目前，DZZ5型自動(dòng)站是我國(guó)新一代多功能新型自動(dòng)氣象站，氣象部門(mén)在國(guó)家天氣站、區(qū)域站中廣泛使用。與其配套使用的是EL15－2C型風(fēng)向傳感器，它是一種7位格雷碼盤(pán)式風(fēng)向傳感器。格雷碼采用絕對(duì)編碼方式，屬于可靠性編碼，是一種錯(cuò)誤最小化的編碼[1]，但格雷碼盤(pán)式風(fēng)向傳感器部分編碼出現(xiàn)故障時(shí)（包括傳輸通道故障），仍然有風(fēng)向輸出，只不過(guò)風(fēng)向是失真的，觀測(cè)員不易察覺(jué)，造成錯(cuò)誤與正確記錄混淆，引起記錄失真而只能按缺測(cè)處理。而利用這些異常的風(fēng)向觀測(cè)數(shù)據(jù)倒查風(fēng)向傳感器及傳輸通道故障，是一種簡(jiǎn)便有效的故障判斷方法。

1 數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象

2017年6月8日，某國(guó)家基本氣象站接到省級(jí)氣象信息中心審核員通知，質(zhì)疑該站5月份氣象月報(bào)表風(fēng)向記錄可能失真，請(qǐng)臺(tái)站人員分析排查。查看該站逐時(shí)風(fēng)向數(shù)據(jù)均存在，并未缺測(cè)，但發(fā)現(xiàn)從4月24日起風(fēng)向只在ESE-WSW之間變化，且實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)在上述風(fēng)向之外的風(fēng)都記錄為上述風(fēng)向，記錄已無(wú)使用價(jià)值。該站主站和備份站2017年5月逐時(shí)風(fēng)向頻率對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 某站2017年5月逐時(shí)風(fēng)向頻率對(duì)照表（主站故障、備份站正常）

通過(guò)與備份站風(fēng)向記錄對(duì)比，主站風(fēng)向在方位W-N-E之間均無(wú)記錄，并且在方位SE-SW度之間風(fēng)向出現(xiàn)頻率較備份站正常記錄明顯偏多，顯然在方位W-N-E之間風(fēng)向出現(xiàn)故障且記錄疊加在方位SE-SW之上。

2 故障原因分析

2.1 EL15-2C型風(fēng)向傳感器編碼轉(zhuǎn)化原理

DZZ5型自動(dòng)站用的是EL15-2C型風(fēng)向傳感器，由主采集器給風(fēng)向傳感器提供5V直流電源，并通過(guò)主采集器讀取風(fēng)向傳感器輸出7位格雷碼（D0~D6與GND間電壓值，高電位為1，低電位為0），由于格雷碼相鄰的兩個(gè)碼組之間只有一位不同，因而在用于風(fēng)向的轉(zhuǎn)角位移量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換中，當(dāng)風(fēng)向的轉(zhuǎn)角位移量發(fā)生微小變化可能引起數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，格雷碼僅改變一位，與別的編碼同時(shí)改變兩位或多位相比更為可靠，可減少出錯(cuò)的可能性。但格雷碼不是權(quán)重碼[2]，每位碼沒(méi)有確定的大小，不能直接比較大小和算術(shù)運(yùn)算，需變成自然二進(jìn)制碼，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換而得到風(fēng)向值。

格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼，最高位二進(jìn)制碼與最高位格雷碼一致，次高位二進(jìn)制碼則為次高位格雷碼與高一位二進(jìn)制碼相異或，其它依次位次的二進(jìn)制碼分別是同位次的格雷碼與高一位二進(jìn)制碼相異或。

七位格雷碼為：G6G5G4G3G2G1G0

對(duì)應(yīng)的七位二進(jìn)制碼為：B6B5B4B3B2B1B0

其中最高位：B6= G6

其余各位B-1=G-1⊕B（=6,5,4,3,2,1）

二進(jìn)制碼B6B5B4B3B2B1B0轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)：

十進(jìn)制數(shù)= B6×64+B5×32+B4×16+B3×8+B2×4+B1×2+B0×1

則對(duì)應(yīng)風(fēng)向=十進(jìn)制數(shù)×360/128°

通過(guò)以上方法，可以算出7位格雷碼共有128種組合，所對(duì)應(yīng)的各個(gè)風(fēng)向見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)向角度與格雷碼對(duì)照表

2.2 風(fēng)向故障對(duì)應(yīng)編碼的判斷

從風(fēng)向統(tǒng)計(jì)表1中可見(jiàn)，主站在W-N-E方向的風(fēng)向缺失，將缺失的風(fēng)向?qū)?yīng)的格雷碼與表2風(fēng)向角度與格雷碼對(duì)照表比較，可以初步判斷出格雷碼盤(pán)以及傳輸通道的大致范圍。此例故障中，第4位、第5位格雷碼G4、G5異常可能性最大，其中G5都是1時(shí)，表現(xiàn)出風(fēng)向只在90~270°范圍內(nèi)。

根據(jù)區(qū)域站風(fēng)向核查辦法[3]，核查特征點(diǎn)風(fēng)向0°和239°時(shí)，對(duì)應(yīng)的七位格雷碼分別是0000000和1111111，將風(fēng)向傳感器的風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)到這兩個(gè)特征點(diǎn)位置時(shí)，測(cè)報(bào)終端機(jī)顯示的風(fēng)向是177度和208度，與實(shí)際風(fēng)向不符，根據(jù)風(fēng)向角度與格雷碼對(duì)應(yīng)關(guān)系，風(fēng)向177度和208度對(duì)應(yīng)的格雷碼是0100000和1101111，顯然在上述風(fēng)向中格雷碼G5應(yīng)該為0，實(shí)際為1，而格雷碼G4應(yīng)該為1，實(shí)際為0。格雷碼G4、G5出錯(cuò)了。

3 故障排查

分析了故障原因，找到故障范圍后，根據(jù)先易后難、先軟件后硬件的原則進(jìn)行故障排查，就能找出第4、第5位格雷碼G4、G5出錯(cuò)的故障點(diǎn)。因其他要素正常，故軟件錯(cuò)誤可能性不大，出現(xiàn)主要故障的點(diǎn)可能在風(fēng)向傳感器、傳輸通道、防雷板和主采集器輸入口等。具體故障點(diǎn)可用替代法和測(cè)量法進(jìn)行排查。風(fēng)向信號(hào)流向圖見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)向信號(hào)流向圖

3.1 用替代法排查傳感器

用備用站同型號(hào)的風(fēng)向傳感器與主站對(duì)換，轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)向標(biāo)，業(yè)務(wù)終端機(jī)輸出的風(fēng)向仍然是W-N-E方向的風(fēng)向缺失，故障情況依舊。可見(jiàn)，故障不在風(fēng)向傳感器而在它的前端。

3.2 用測(cè)量法排查傳輸通道

檢測(cè)風(fēng)橫臂上風(fēng)轉(zhuǎn)接盒內(nèi)1腳和2腳的電壓4.9V，供電正常，各級(jí)接線端子連接堅(jiān)固，無(wú)虛接現(xiàn)象。接著，測(cè)量輸出風(fēng)向格雷碼可判斷風(fēng)向是否故障，風(fēng)轉(zhuǎn)接盒內(nèi)從左向右第4、5、6、7、8 9、10腳分別對(duì)應(yīng)采集器和風(fēng)向傳感器的D0、D1、D2、D3、D4D5、D6腳;防雷板上第12、13、14、15、16、17 、18腳分別對(duì)應(yīng)采集器D0、D1、D2、D3、D4D5、D6腳，在采集器風(fēng)向輸入端、防雷板輸入輸出端和風(fēng)轉(zhuǎn)接盒端測(cè)量結(jié)果D5腳在不同風(fēng)向下始終是高電平（4.5V以上）, 而D4腳始終是低電平（1V以下）。可斷定連接D5腳電纜有短路，而連接D4腳電纜斷路。

再將風(fēng)信號(hào)電纜一端空載，在另一端用萬(wàn)用表蜂鳴檔測(cè)量任意兩根芯線之間電阻應(yīng)為“∞”，但在電纜頭上測(cè)出第6腳和第10腳有短路；接著，電纜一端芯線兩兩短接，在另一端用萬(wàn)用表蜂鳴檔測(cè)量對(duì)應(yīng)兩根芯線之間應(yīng)連通，在電纜頭上第5腳判斷斷路故障。

3.3 檢查風(fēng)信號(hào)電纜

仔細(xì)檢查了線槽內(nèi)風(fēng)信號(hào)電纜，未出現(xiàn)異常，但拉出原來(lái)塞在地下暗管內(nèi)的一段電纜仔細(xì)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)電纜破損，其中紅色的電源線和紫色的信號(hào)線絕緣橡膠破皮后纏繞在一起，造成D5腳始終高電位，格雷碼G5一直為1；另一根橙色信號(hào)線已斷，D4腳始終低電位，格雷碼G4一直為0。重新連接好電纜，包上絕緣膠帶后，通過(guò)業(yè)務(wù)軟件查看監(jiān)控界面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與備用站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)比較，確定風(fēng)向?qū)崟r(shí)記錄恢復(fù)正常。

4 結(jié)論

該站從4月24日出現(xiàn)風(fēng)向故障，至6月8日被省級(jí)資料審核員發(fā)現(xiàn)異常后排查修復(fù)，造成長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)風(fēng)向資料失真。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)類似故障，測(cè)報(bào)員在巡視時(shí)要對(duì)比主站和備用站實(shí)時(shí)風(fēng)向記錄，包括監(jiān)視運(yùn)行的主備站資料對(duì)比小程序；定期生成A文件，在編制的月報(bào)表中查看風(fēng)的統(tǒng)計(jì)欄，看是否出現(xiàn)風(fēng)向缺失或異常偏多；每月儀器定期維護(hù)時(shí)，檢查風(fēng)向標(biāo)方向與終端顯示的風(fēng)向是否一致。用以上方法盡早發(fā)現(xiàn)風(fēng)向故障。

當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)向異常時(shí)，利用異常的風(fēng)向觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析所缺風(fēng)向?qū)?yīng)的七位格雷碼，確定哪些位格雷碼異常，大致倒查到風(fēng)向傳感器及傳輸通道的某些通道故障，進(jìn)一步測(cè)量各接點(diǎn)的高低電位，將測(cè)得的七位格雷碼與對(duì)應(yīng)風(fēng)向比較，確定故障格雷碼位。接著用傳感器替換法和測(cè)量法判斷風(fēng)向信號(hào)各通道短路或斷路，找到具體故障點(diǎn)排除，是一種簡(jiǎn)便有效的故障判斷排除方法。

[1] 鄭亮,張?zhí)烊A,張虎,等.自動(dòng)氣象站風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法改進(jìn)的探討[J].氣象科技,2014,42(4):593-596.

[2] 陳明霞,陳燕萍,楊清玲,等. 風(fēng)向風(fēng)速傳感器原理及故障排除[J]. 青海氣象, 2005(S1) 22-24.

[3] 中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司. 區(qū)域自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)核查方法(試行)[Z]. 2014.

P415.1+1

A

1673-8683(2020)01-0027-03