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穩定正常運行成為了業務員的首要任務，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，要求業務人員能夠掌握故障判斷和處理的基本思路和一些常規技巧。在工作過程中，不斷積累經驗，遇到故障時能夠準確分析和查找故障原因，減少維修次數，提高維修成功率，確保自動站正常運穩定行。

1 故障現象及詳情

1.1 故障現象

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）數據時發現：現用站（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、極大風速數值對應變化基本一致，而且最大風速出現時間與極大風速出現時間主備站也基本一致。

1.2 故障詳情

經主站與備站ISOS 軟件后臺查詢風要素的相關數據，發現從07：38開始風向數據出現跳變，其它常規氣象要素及獨立掛接項（能見度、天氣現象、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 開始表現出極大的不一致性、產生了突變、情況一直持續，而2～7h主備站的二者表現出高度一致性，這說明了從8h開始風向數據異常（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據對比（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

為保證臺站的業務質量，需要盡快診斷出故障原因所在。依據新型自動氣象站的系統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生故障的原因。采取從室內到觀測場、從軟件到硬件、從業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

由于業務終端能正常接收風要素的相關數據，可以排除業務計算機、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。故障發生的位置，確定在采集器至傳感器方向。為穩妥起見，再次校對業務軟件參數，利用ISOS 維護終端查看風向傳感器的開啟和工作狀態，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生的大致部位。

2.3 校驗傳感器是否超檢

傳感器的穩定性有一定的期限[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）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過風橫臂轉接盒傳輸到HY～3000數據采集器。風向通道中主要涉及5 個重要部分：業務軟件、數據采集器風向通道、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。

當日臺站出現持續極端大風天氣，17h 極大風速已達40.5m/s。業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，才發現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難以發現），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現。

3 故障處理研討方案

鑒于風速太大、臺站又地處百里風區且此次大風天氣過程可能會持續多日，考慮到人員安全問題，經上級業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，切換后備站常規氣象要素數據入主站，其余獨立掛接項目PORT口保持不變，異常數據問題迎刃而解。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 三芯信號數據線一頭接入摩薩卡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據線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。該方案優點是實現了數據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據，可以確保轉日界后從20：01 開始全部為備站數據，主站疑誤分鐘數據未能入ISOS數據庫也未參與相關時次數據的挑取，上傳的BUFR分鐘和正點數據也保持了高度一致性。

4 異常數據處理方法

由于備站風向風速數據正常，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時間用備站數據代替、8 時極大風向風速及出現時間從實有記錄及備站數據中挑取；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時間用備站數據代替。8～20 時數據全部重新質控發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據并覆蓋20：01開始的數據并補傳相關的BUFR 分鐘數據（其它獨立掛接設備的數據無需修改）。

5 故障處理的整個流程

在故障發現后規定的時效內電話上報至上級業務管理部門，然后排查故障，盡快恢復自動站正常運行，處理異常數據，上傳更正數據文件，填報ASOM 故障單，填報MDOS 元數據備注及反饋疑誤信息，天元系統補錄相關數據，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務管理部門（業務科、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]，通過數據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→風向數值（十進制乘2.8125°）的轉換規則，將風向解算值與人工固定方位對比，發現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，疑誤數據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、優化處理過程并能快速解決故障，確保自動站數據的準確性、可靠性、及時性及全局的業務質量。