一次降水現象儀通信故障分析

陳立峰，李 京，劉 騰

(1.棗莊市氣象局，棗莊 277100；2.嶧城區氣象局，棗莊 277300)

0 引言

降水現象儀是一種新型自動觀測降水現象的設備，其有效提高了降水現象觀測質量和頻率，為預報服務提供了準確、及時且更有價值的氣象觀測資料[1]。當出現降水現象儀數據缺測或異常時，可按照故障現象進行分析，根據數據傳輸線路逐段檢查，確定故障部位進而排除故障。文章對嶧城臺站一次降水現象儀RS-485通信故障處理過程進行了分析和整理，為今后類似故障的處理提供參考。

1 系統結構和工作原理

DSG5型降水現象儀是一種基于激光衰減技術而設計的光學測量系統，可以實現對雨、雪、雨夾雪和冰雹等天氣現象的自動觀測與識別[2]。其主要部分是一個能夠發射水平光束的激光傳感器，當光束里有降水粒子降落穿過時，可根據接收器輸出電壓的大小和持續時間判斷降水粒徑和降水粒子下降末速度，通過對采樣樣本進行質量控制及運算處理，可輸出降水滴譜、降水類型、降水動能、降水強度和雷達反射率等信息。

DSG5型降水現象儀主要由傳感器、數據采集單元及電源控制系統組成，通過RS-485通信方式與綜合集成硬件控制器連接，再通過光纖通信將數據傳輸至業務電腦ISOS軟件，從而實現降水現象儀產品應用。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 DSG5型降水現象儀結構示意圖

2 故障現象與處理過程

2.1 故障現象

2020-03-16T07：30，值班員發現ISOS綜合氣象觀測軟件突然關閉，重啟軟件后，界面中降水天氣現象數據間斷性顯示為“—”，新型自動氣象站、能見度儀和日照傳感器等設備觀測數據顯示正常。查看傳輸日志，發現存在間斷性通信超時、亂碼和數據錯誤現象。值班員依次重啟業務電腦、降水現象儀、ISOS綜合氣象觀測軟件，均無法排除故障。

2.2 故障處理過程

技術人員到達現場后，初步判斷ISOS軟件關閉是由降水現象儀傳輸數據錯誤導致的。進入SMO軟件，找到設備管理進入維護終端，選擇天氣現象串口處理，發送“READDATA”命令讀取當前分鐘數據，返回亂碼數據。由于除降水現象儀外，新型自動氣象站、能見度儀和日照傳感器等數據全部正常，而所有數據均通過綜合集成硬件控制器傳輸至業務電腦，說明綜合集成硬件控制器的核心控制模塊、光纖、室內的通信轉換單元、網線及計算機網卡都正常，因此著重檢查業務軟件通信參數和降水現象儀至綜合集成硬件控制器之間的設備及線路。故障處理過程遵照“先軟件后硬件、由室外至室內”的原則，根據通信線路圖逐步排查，步驟如下：

1)檢查業務軟件通信參數是否發生改變。在SMO軟件中，點擊“設備串口信息”進入串口信息的查詢與配置界面，檢查接入PORT口所對應的虛擬COM口的通信參數(RS-485工作方式，9600，8，N，1)未發生改變；在ISOS 軟件中，檢查接入降水現象儀所對應的虛擬COM口也未發生改變，說明故障不是因為業務軟件通信參數改變引起的。

2)檢查降水現象儀供電系統是否出現故障。降水現象儀供電系統主要由交流電源、空氣開關和蓄電池等組成，采用交流供電方式。用萬用表檢測交流供電電壓為238 V，蓄電池電壓為13.8 V，空氣開關、電源避雷器、保險管、接線排及各導線通斷均正常，排除了供電系統故障。

3)檢查降水現象儀傳感器是否出現故障。將機箱內接線排處的黃線和藍線取下，用RS-485轉RS-232模塊和RS-232轉USB線將降水現象儀(黃線接A，藍線接B)直接接入到筆記本電腦，通過串口助手(9600，8，N，1)發送“READDATA”命令讀取當前分鐘數據，返回數據正常，排除了降水現象儀傳感器故障。

4)檢查RS-485通信線纜。用萬用表檢測RS-485通信線纜，不存在短路和斷路情況。

5)檢查降水現象儀接入綜合集成硬件控制器PORT口的通信控制模塊是否發生故障。在業務電腦上退出ISOS業務軟件，打開串口助手，選擇對應的COM口并設置好通信參數(9600，8，N，1)，將PORT口的輸入端子收發短接，在串口助手上發送任意字符串，收回相同的字符串，說明PORT口的通信控制模塊通信正常。

6)檢查接地問題。由于檢測所有儀器設備、線路和軟件通信參數均正常，技術人員考慮是否因接地不良導致出現了電磁干擾。仔細檢查，發現機箱接地線連接正常，但RS-485通信線為普通雙絞電纜，無屏蔽線接地。判斷故障原因為RS-485通信線無屏蔽線接地引起信號干擾。更換RS-485通信線并將屏蔽層接地后，故障現象消失。

3 故障原因分析

RS-485通信接口采用差分方式傳輸信號，有A、B和GND 3根信號線，系統只需檢測A、B之間的電位差就可以實現數據通信。但接地處理不當往往會影響通信的穩定性和可靠性甚至危及系統安全，原因有以下兩個方面[3]：

1)共模干擾問題：雖然RS-485接口采用差分方式傳輸信號，但收發器有一定的共模電壓范圍，當RS-485收發器共模電壓在-7～+12 V范圍內時，整個網絡才能正常工作。因為RS-485是總線方式的傳輸，當線路中兩個獨立系統存在地電位差導致接收器共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠，甚至損壞接口。

2)EMI電磁兼容性問題：發送系統輸出信號中的共模部分需要1個返回通路，若沒有返回通道，信號中的共模部分就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

嶧城站降水現象儀安裝使用后正常運行1 a多，說明當時通信線即使沒有屏蔽線接地，系統自身抗干擾措施也能保證通信正常。此次故障，因觀測場內外無新增供電設備，可排除外部干擾源；觀測場內市電經過穩壓電源，其零地間電壓也符合要求；能夠產生干擾的只有設備系統電路自身[4-6]。降水現象儀機箱內部的布線和元件會通過電磁感應產生微弱的靜電弱電壓，導致RS-485通信網絡形成共模干擾電壓而使通信數據異常，必須通過屏蔽線接地使共模干擾電壓被短路，才能消除干擾。

4 結束語

降水現象儀出現通信超時、亂碼及數據錯誤現象時，技術人員可遵循“先軟件后硬件、由室外至室內”的原則依據設備接線圖檢修，根據降水現象儀運行原理分析故障現象，排除非故障部件以盡量縮減維修時間，并通過熟練運用設備的維護命令和維修工具，快速找到故障點并修復。在排查過程中，通信線路接地是最容易被忽視的一方面，也是影響數據采集、儀器設備正常運行的重要原因。文章詳細論述了降水現象儀1次RS-485通信故障排查過程，為今后類似的故障排查提供參考。