撫州新一代天氣雷達CINRAD/SA停機故障分析和處理

廖恒 張初江 鄧圣

1. 南城縣氣象局 江西 南城 344700；2. 撫州市氣象局 江西 撫州 344000

引言

撫州新一代多普勒天氣雷達坐落于撫州市臨川區秋溪鎮園石張家村（郊外），經緯度116°15′44″ E，27°53′38″N，海拔高度71.7m，凈空環境極佳，以上無遮擋。該雷達屬于無人值守站，采用異地遠程控制，對于雷達機務保障方面要求較高，運行期間故障較多，尤其以伺服系統停機為主，嚴重影響了雷達站的業務質量[1]。現就撫州新一代天氣雷達報警停機出現連續問題以后故障排查、分析處理進行闡述。

1 報警名稱概述

311 ELEVATION - NORMAL LIMIT，仰角負限位-正常限位；

308 ELEVATION IN DEAD LIMIT，仰角死區限位；

300 ELEVATION AMPLIFIER INHIBIT，仰角放大器禁用；

398 STANDBY FORCED BY INOP ALARM，不可操作報警系統強制待機。

1.1 故障現象

雷達多次報308、311、300、398號報警停機。

1.2 報警名稱分析

308號報警，當天線的仰角低于-2.5°±0.1°或大于92.5°±0.1°時，會觸發天線死限位行程開關，雷達會報警警示并停機，并禁止俯仰功率放大器繼續工作，禁止為雷達天線俯仰角度轉動提供電能。

311號報警，當天線的仰角低于-1.2°±0.1°時，會觸發天線負電限位行程開關，出現此報警后，雷達會報警警示并停機，但允許俯仰功率放大器繼續工作，允許雷達天線俯仰角度繼續轉動。

300號報警，當天線俯仰出現安全級別較高的報警時，出現此報警，會禁止俯仰功率放大器為俯仰電機供電，導致RDASC軟件不能繼續控制天線俯仰轉動，此次出現300號報警是仰角死區限位報警導致。

398號報警，當出現的報警能導致雷達某個分系統不能工作，且不是信號處理類問題時，會出現此報警。

2 故障分析

2.1 據報警名稱做報警分析

雷達天線俯仰硬件實際能到的角度為-4°至94°，天線俯仰在-1.2°和91.2°處設置只電限位開關，當俯仰轉到這個位置時，雷達報警停機給予警示；俯仰在-2.5°和92.5°處設置了死限位開關，俯仰轉到這個位置時，雷達報警停機并禁止俯仰功率放大器繼續為俯仰電機供電，禁止繼續為天線俯仰轉動提供能量；在-4°和94°處設置機械限位，天線俯仰可能由于慣性轉到這個位置，會撞到機械限位上，機械限位會消耗掉天線俯仰剩余的動能。

雷達體掃模式設定的俯仰工作角度是0.5°～19.5°，正常天線不會轉到0°以下的角度。

這次出現308和311號報警，這兩個報警都代表天線轉到了負的角度，所以首先認為應該不是虛警，因為同時出現兩個相關的虛警的概率很小，應該是天線真的轉到負仰角很低的位置，天線轉到這個位置，通常叫它“天線砸頭”了，出現這兩個報警是對雷達天線的一種保護[2]。

一般有三種情況能導致天線砸頭，分別是俯仰角度閃碼、其他伺服控制系統故障和天線配重不平衡。

雷達伺服系統由電流環、速度環和位置環3個環組成。俯仰角碼傳輸線路和雷達控制終端發出的指令構成位置環，位置環接收雷達控制終端位置指令并和俯仰角碼傳輸線路反饋的當前位置進行比較，其差值經過比例積分放大后的電壓值作為位置環的輸入端；俯仰放大器與俯仰電機構成速度環和電流環，速度環接收雷達控制終端速度指令并和電機的速度反饋量進行比較，其差值經過比例積分放大后作為電流給定值送到電流環的輸入端。電流環把電流給定值和電流反饋值進行比較后，其差值輸出到俯仰放大器，經過功率放大，輸出驅動電壓給俯仰電機，俯仰電機帶動天線按照命令的要求轉動。

俯仰角度閃碼指的是反饋的俯仰角度值出現跳變，正常的角度變化是連續的且受天線最大轉速限制，短時間內俯仰角度不可能出現很大的變化[3]。當俯仰角度閃碼時，反饋給伺服控制系統的俯仰角度是錯誤的，伺服控制系統會根據錯誤的俯仰反饋角度及控制終端的角度命令來控制天線俯仰轉動，此時位置環出錯，導致天線俯仰轉動異常，可能出現“天線砸頭”。

其他伺服控制系統故障指的是由于伺服系統速度環和電流環故障導致的天線轉動異常。

天線配重不平衡指俯仰倉前后天線端和配重端的力矩不平衡，導致天線在不通電情況下會向天線端或配重端慢慢傾斜轉動，一般不會在雷達連續工作狀態下出現。

此次出現300號報警是由于308號報警導致。

此次出現398號報警是由于300號報警導致。

從報警名稱來看導致雷達報警停機的根本原因是308和311號報警。

2.2 日志分析

Alarm報警文件分析參考以下文件。

2023-05-17T00:12:13.989671+08:00 ALARM 311 ELEVATION - NORMAL LIMIT

2023-05- 17T00:12:14.095660+08:00 ALARM 300 ELEVATION AMPLIFIER INHIBIT

2023-05- 17T00:12:14.095698+08:00 ALARM 398 STANDBY FORCED BY INOP ALARM

2023-05- 17T00:12:14.095729+08:O0 ALARM 308 ELEVATION IN DEAD LIMIT

Error日志里記錄了大量的俯仰角碼校正記錄。為了防止偶爾出現的角度閃碼導致天線的劇烈晃動，控制終端會增加角碼平滑功能，當出現的角度變化，控制終端認為不合理時，會做角度平滑處理并將處理記錄在error日志文件里。比如下面第一行的意思是，接收到俯仰角碼為89.17°，認為不合理做平滑處理，處理后角度為2.11°，記錄在Ant文件里。

2023-05- 170012:12.745119+08:00 Ped[8218]dcu err TIME=00102a46, fix E1089.17, 3F6C to002.11, 0184

2023-05- 1700:12:12790192 +08:00 Ped[8218]dcu err TIME=00102a73, fx E| 089.17, 3F6C to 002 .90, 0214

2023-05- 1700:12:12.822941+08:00 MainA[8187]ped errel:1.32 fixed el: 0.48

2023-05- 170012:12.822971+08:00 MainA[8187]ped err el:1.32, fixed el: 0.48

2023-05- 1700:12:12.822990+08:00 MainA[8187]ped errel:2.11, exp el: 0.48

2023-05-170012:12.823011+08:00 MainA[8187]ped err el:2.90, exp el 0.48

Ant日志里記錄了俯仰角度，當出現平滑處理，Ant會記錄平滑后的俯仰角度。盡管增加了平滑功能，出故障時Ant記錄的角度依然是不平滑的，有劇烈的波動。

2.3 視頻分析

查看天線罩內監控視頻記錄，出故障時，天線出現劇烈的上下晃動，最終天線俯仰砸到最低處。

2.4 雷達站現場分析

故障時，看到控制終端顯示的俯仰角度劇烈的上下變化，最終報警停機時俯仰角度停在-4°同時能感受到停機瞬間天線撞擊機械限位時產生的樓體震動。

此時需要關電，到天線罩內手動把天線推高，雷達才能再次工作。

3 分析結論與原因查找

雷達報警停機是308和311號報警導致，308和311號報警是由于俯仰角度閃碼導致。

3.1 俯仰閃碼可能的原因

出現比較多的導致俯仰角度閃碼的原因包括匯流環故障、俯仰光電碼盤故障、俯仰軸角盒故障、上下光纖板故障、DCU數字板故障、強電干擾、電磁波泄露干擾、鎖存與移位信號異常及傳輸電纜問題。

3.2 俯仰角度傳輸線路

俯仰大齒輪-俯仰同步箱-俯仰光電碼盤-俯仰軸角盒-匯流環-上光纖板-下光纖板-DAU大底板-DCU數字板-雷達控制終端。

3.3 故障范圍排除法縮小

故障時實測鎖存與移位信號未見異常。

現場檢查角碼傳輸線纜未見異常。

斷開伺服系統強電，關閉發射機的電磁波發射，手推天線做方位轉動，發現俯仰角度依然閃碼，排除了強電干擾及電磁波干擾。

多次控制天線做RHI轉動（天線方位不轉，俯仰轉動），俯仰角度不閃碼，說明天線可以單純做俯仰轉動。

多次控制天線做PPI轉動（天線俯仰不轉，方位轉動），俯仰角度閃碼，且閃碼時有明顯規律，發現當方位角度在0°至90°區間內時，俯仰角度不會出現閃碼，當方位角度在90°至360°區間內時，俯仰角度會劇烈閃碼，俯仰角度閃碼的出現與方位角度位置高度相關。

俯仰角度的產生及傳輸線路與方位角度的交集并不多，交集包括俯仰光電碼盤、俯仰軸角盒的供電與方位光電碼盤、方位軸角盒的供電是共用的，方位角碼和俯仰角碼傳輸在上下光纖板、DCU數字板上是同一條傳輸線路及方位轉動時會帶動匯流環跟著轉動。故障時測量光電碼盤和軸角盒的供電是5V，供電正常；如果是上下光纖板、DCU數字板問題，正常俯仰閃碼的同時方位也會閃碼，因為他們共用一根傳輸線纜，但方位角度傳輸正常。

3.4 結論

根據排除法，俯仰角度閃碼最可能的原因是匯流環。

4 故障處理

4.1 匯流環簡介

匯流環又稱滑環，其作用是使雷達方位轉動時保證雷達俯仰的各種信號能正常傳輸。

4.2 匯流環問題通常處理辦法

通常判斷匯流環導致雷達工作異常后，我們首先要用酒精和紗布清理匯流環軌道和碳刷，我和臺站機務人員多次清理匯流環軌道后，故障未消除。

4.3 匯流環更換

更換新的匯流環后，雷達恢復正常工作。此次更換的是免維護匯流環。

圖1 更換新一代天氣雷達匯流環

5 結束語

新一代天氣雷達需要全天不間斷的持續工作，因此匯流環的工作負荷較重，平日應加強對匯流環的內部維護，掌握一定的排故方法和處理方法，可快速排除此類故障，有助于提高雷達的業務質量。