一次新型自動站EL15-2C型風向傳感器故障處理過程分析

（哈密市氣象局，新疆哈密市，839000） 芮建梅 芮建文 阿瓦古麗·阿布列孜

氣象觀測是氣象工作的基礎，地面氣象觀測又是氣象觀測的重要組成部分[1]。2020年4月1日起，我國正式邁入地面氣象觀測全面自動化時代，氣象工作也隨之發(fā)生了深刻變革。觀測員面臨著向設備維護、裝備保障方面轉型，保障新型自動站持續(xù)穩(wěn)定正常運行成為了業(yè)務員的首要任務，判斷故障與處理故障自然成為了其工作的重點與難點。本文以EL15-2C型風向傳感器故障為例，要求業(yè)務人員能夠掌握故障判斷和處理的基本思路和一些常規(guī)技巧。在工作過程中，不斷積累經(jīng)驗，遇到故障時能夠準確分析和查找故障原因，減少維修次數(shù)，提高維修成功率，確保自動站正常運穩(wěn)定行。

1 故障現(xiàn)象及詳情

1.1 故障現(xiàn)象

2021年4月22日，保障人員在接收到報警信息后，校對14：00（北京時間，下同）數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)用站（以下簡稱主站）和備份站（以下簡稱備站）在正點時次瞬時風向、2min風向、10min風向、最大風向、極大風向的數(shù)值差值較大，而瞬時風速、2min風速、10min風速、最大風速、極大風速數(shù)值對應變化基本一致，而且最大風速出現(xiàn)時間與極大風速出現(xiàn)時間主備站也基本一致。

1.2 故障詳情

經(jīng)主站與備站ISOS 軟件后臺查詢風要素的相關數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從07：38開始風向數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變，其它常規(guī)氣象要素及獨立掛接項（能見度、天氣現(xiàn)象、日照、視頻智能觀測儀、凍土等）要素均正常。具體情況見表1。

由表1可以看出，主站和備站正點瞬時風向和極大風速風向，從8h 開始表現(xiàn)出極大的不一致性、產生了突變、情況一直持續(xù)，而2～7h主備站的二者表現(xiàn)出高度一致性，這說明了從8h開始風向數(shù)據(jù)異常（文中僅挑取了瞬時風向和極大風速的風向，2min風向、10min風向、最大風向情況類似），原因待查。

表1 某基準站2021年4月22主站與備站正點部分風向數(shù)據(jù)對比（單位：度/°）

2 故障排查診斷過程及原因分析

2.1 自動站故障判斷的總體思路

為保證臺站的業(yè)務質量，需要盡快診斷出故障原因所在。依據(jù)新型自動氣象站的系統(tǒng)結構和各組成部分的工作原理[2]，按照自動站故障判斷的總體思路及步驟進行綜合分析和確診發(fā)生故障的原因。采取從室內到觀測場、從軟件到硬件、從業(yè)務計算機到傳感器的所有傳輸路徑，開始逐一進行逆向排查。具體如圖1所示。

圖1 自動站故障判斷的總體思路及步驟

2.2 故障排查診斷過程

由于業(yè)務終端能正常接收風要素的相關數(shù)據(jù)，可以排除業(yè)務計算機、ISOS軟件→綜合集成硬件控制器（又稱串口服務器）→采集器通訊線路問題。故障發(fā)生的位置，確定在采集器至傳感器方向。為穩(wěn)妥起見，再次校對業(yè)務軟件參數(shù)，利用ISOS 維護終端查看風向傳感器的開啟和工作狀態(tài)，重啟ISOS及計算機，重啟值班室內通訊轉換單元，通過SMOPORT 遠程成功重啟串口服務器，將主站采集器連接至主站串口服務器常用通訊PORT1 端口切換至其它空閑PORT 口，更改主站ISOS軟件上新型自動站通信端口，使其端口和切換后的PORT 口一一對應，情況依舊，進一步明確了故障發(fā)生的大致部位。

2.3 校驗傳感器是否超檢

傳感器的穩(wěn)定性有一定的期限[3]，查看主站和備站風向風速傳感器檢定證，儀器設備均在一年的檢定周期內，確保儀器未發(fā)生性能漂移且“持證上崗”，從而排除儀器超檢的可能性。

2.4 逆向重點排查采集器至傳感器最后一公里

風向風速是國務院氣象主管機構規(guī)定各臺站必須觀測的項目之一。目前，各臺站普遍使用EL15-2C 型風向傳感器記錄風向，由風向標部件、殼體（內裝風向轉換系統(tǒng)）和插座等主要部分所組成[4]。風向傳感器輸出信號由電纜經(jīng)過風橫臂轉接盒傳輸?shù)紿Y～3000數(shù)據(jù)采集器。風向通道中主要涉及5 個重要部分：業(yè)務軟件、數(shù)據(jù)采集器風向通道、防雷板風向通道、信號電纜和風向傳感器[5]。用萬用表直流電壓檔（20V）測量主站采集器電源輸入端，測得電壓為13.5V，顯示主采電源系統(tǒng)正常；測得主采風向風速傳感器的供電電壓在5V 左右，顯示主采對風向風速傳感器供電正常；檢查主采風向風速信號線接線端子、防雷模塊接線端子均牢固；用萬用表蜂鳴檔依次測量防雷板風向風速至主采通道無短路、斷路、虛接、屏蔽線連接正常。一切顯示正常，故障仍未確診。

當日臺站出現(xiàn)持續(xù)極端大風天氣，17h 極大風速已達40.5m/s。業(yè)務保障員把重點放在僅剩的風向傳感器上，決定冒著危險上風塔做最后的排查。做好安全措施爬至風塔一半處，才發(fā)現(xiàn)風向傳感器缺失尾翼（被強風刮斷，因風速太大，地面觀察時風向標處于高速擺動狀態(tài)難以發(fā)現(xiàn)），造成風向指示錯誤，因而主站和備站風向相差甚遠（格雷碼是否故障并未確定），至此故障原因才得以最終發(fā)現(xiàn)。

3 故障處理研討方案

鑒于風速太大、臺站又地處百里風區(qū)且此次大風天氣過程可能會持續(xù)多日，考慮到人員安全問題，經(jīng)上級業(yè)務部門同意待大風天氣結束后第一時間更換風向傳感器。風向風速為配套設備，需同時更換。

將主站、備站采集器至各自串口服務器通訊端口進行對調，切換后備站常規(guī)氣象要素數(shù)據(jù)入主站，其余獨立掛接項目PORT口保持不變，異常數(shù)據(jù)問題迎刃而解。具體做法：將主站、備站串口服務器機箱內光電轉換模塊（MOXA摩薩卡)至各自串口服務器PORT1連接線及接線端子全部拔出，分別用兩根長約1.2m 三芯信號數(shù)據(jù)線一頭接入摩薩卡7口端子中123 口（其中123 口為RS～232 接口、4567口為RS-485接口），另一頭接入5口端子135口（其中GND 接入第1口、Rx接入第3口、Tx接入第5口。三芯信號線兩頭連接方式為直連，線序顏色要一一對應），然后將接好并測通的信號數(shù)據(jù)線7口端子插入備站串口服務器機箱內主采摩薩卡相應位置，5口端子插入主站串口服務器PORT1口；同理另一根線7口端子插入主站機箱內主采摩薩卡相應位置，5口端子插入備站串口服務器PORT1 口。該方案優(yōu)點是實現(xiàn)了數(shù)據(jù)由備入主的無縫銜接，切換后手動下載并覆蓋相應分鐘的數(shù)據(jù)，可以確保轉日界后從20：01 開始全部為備站數(shù)據(jù)，主站疑誤分鐘數(shù)據(jù)未能入ISOS數(shù)據(jù)庫也未參與相關時次數(shù)據(jù)的挑取，上傳的BUFR分鐘和正點數(shù)據(jù)也保持了高度一致性。

4 異常數(shù)據(jù)處理方法

由于備站風向風速數(shù)據(jù)正常，8 時瞬時風向風速、2min 風向風速、10min 風向風速、最大風向風速及出現(xiàn)時間用備站數(shù)據(jù)代替、8 時極大風向風速及出現(xiàn)時間從實有記錄及備站數(shù)據(jù)中挑取；9～20 時瞬時風向風速、2min 風向風速、10min 風向風速、最大風向風速、極大風向風速及出現(xiàn)時間用備站數(shù)據(jù)代替。8～20 時數(shù)據(jù)全部重新質控發(fā)CCA 上傳。20：01 開始按方案一操作，手動下載新型自動站串口處理中的數(shù)據(jù)并覆蓋20：01開始的數(shù)據(jù)并補傳相關的BUFR 分鐘數(shù)據(jù)（其它獨立掛接設備的數(shù)據(jù)無需修改）。

5 故障處理的整個流程

在故障發(fā)現(xiàn)后規(guī)定的時效內電話上報至上級業(yè)務管理部門，然后排查故障，盡快恢復自動站正常運行，處理異常數(shù)據(jù)，上傳更正數(shù)據(jù)文件，填報ASOM 故障單，填報MDOS 元數(shù)據(jù)備注及反饋疑誤信息，天元系統(tǒng)補錄相關數(shù)據(jù)，在值班日記中做好相關備注，將故障情況書面報告至上級業(yè)務管理部門（業(yè)務科、裝備中心綜合保障科、信息中心運行保障科等），并在故障維修結束后3h內關閉故障單，對故障情況做詳細的總結，完善相應的應急預案。

6 格雷碼疑問的驗證

EL15～2C 型風向傳感器是格雷碼盤式風向傳感器，其利用一個低慣性的風向標部件作為感應部件，當風標轉動時，有風時風向標部件隨風旋轉，帶動同軸的格雷碼盤，碼盤每轉動2.8125°，光電耦合器組就會產生新的7位并行格雷碼輸出[6]，通過數(shù)據(jù)采集器將其解算出對應不同的風向角度。后期更換傳感器的過程中，在風塔平臺上人為固定風向傳感器至八方位，依次測量采集器風向端子并記錄D0～D6 與GND 間的電壓值（或者測量采集器箱內防雷板上12～D0、13～D1、14～D2、15～D3、16～D4、17～D5、18～D6 電壓值，-表示對應端口），然后按D6到D0的順序（D6為首位、D0為末位）得到相應的7 位格雷碼值，按照格雷碼→二進制→十進制→風向數(shù)值（十進制乘2.8125°）的轉換規(guī)則，將風向解算值與人工固定方位對比，發(fā)現(xiàn)誤差僅僅是來源于人工目測判斷指示，明確排除了格雷碼故障的疑問。

7 結論

此次故障僅僅是因為風向傳感器尾翼被強風刮斷缺失所致，使得傳感器在蓋型螺母處失去平衡一端超重一端失重，傳感器大致在ESE 至WSW 扇形區(qū)間來回高速擺動，造成部分方位指示缺失，這種情況也確實少見。由于風速太大，保障員未能第一時間將目光定位在傳感器上，前期診斷耗費了大量的時間，顯示出特殊情況下的經(jīng)驗不足。極端天氣下遇到故障無法第一時間確診或維修的，疑誤數(shù)據(jù)可直接通過融合軟件設置快速解決。在日常工作中，保障員要加強儀器的巡視維護力度，減少設備故障率；平時多思考、多動手、多歸納、多總結、多學習，在遇到故障時就會得心應手、迅速響應、對癥下藥、優(yōu)化處理過程并能快速解決故障，確保自動站數(shù)據(jù)的準確性、可靠性、及時性及全局的業(yè)務質量。