DZZ 5型自动气象站电源故障诊断分析

庄 瑶 吴鹏飞 张洁薇

(1.福建省气象台，福建 福州 350001；2.南平生态与农业气象试验站，福建 南平 354200)

1 概述

地面气象观测是气象观测的重要组成部分，它是对地球表面一定范围内的气象状况及其变化过程进行系统、连续的观察和测定[1]。随着电子测量、数据传输和控制系统不断的稳定、成熟，新型自动气象站满足地面气象全要素自动观测。新型自动气象站是基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动化测量系统，完成气温、湿度、气压、风速、风向、降水量、地温和能见度等要素的数据采集、处理及数据质量控制[2]。目前业务中使用的新型自动气象站分别由不同厂家按照功能需求书要求生产，具有统一标准、统一功能、统一结构、统一方法和统一规范的DZZ 1～6等6种型号。

新型自动气象站按照“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+外围设备”的统一结构构建，但各种型号之间还存在许多不同点。随着电子元件技术的不断发展成熟，传感器也趋于稳定。但随着综合硬件控制器、分采集器等节点的增加，自动气象站故障的发生概率也随之增加。电源是自动站的动力，主采集器是自动站的核心，综合硬件控制器是通讯系统的重要枢纽，三者缺一不可。电源又是贯穿自动气象站每一个环节，电源故障主要表现为保险丝断路、综合硬件控制器电源模块异常、主(分)采集器和传感器供电以及电源线路异常等。福建省大监站主要采用DZZ 5型，本文主要就DZZ 5型的常规电源故障进行针对性分类诊断，同时针对实际业务中一些特殊故障进行探讨，以期为应对极端天气频发情况的故障排除节省更多时间，保障数据的完整性。

2 电源故障诊断和特殊故障的排查

电源故障主要是通过现象来初步判断故障点，选取适当的节点，结合输入电压、输出电压值的测量进行确认，最后对设备状态和测量数据进行分析，进而判定故障是否排除成功。DZZ 5自动气象站结构简单、布局清晰，排查电源故障时只需选取合适的节点就能节省一定的时间。如图1所示，第一节点为主采集器防雷板下方50、51口，能快速将电源故障位置定位到电源箱还是主采集器上；第二节点为闸刀开关的输出端，能迅速判断是线路故障；第三节点为闸刀开关的输入端，能迅速判断是否保险丝故障；第四节点电源控制器模块的直流输出端，能将电源模块与线路快速区别开来；第五节点为电源模块交流输入端，通过测量可以较快判别是否有输入，防雷保护模块是否正常工作。DZZ 5自动气象站以蓄电池供电时，前面4个节点一致，最后一个节点是在蓄电池端，测量空载和负载时电池电压是否12VDC左右。同时，要注意测量时电压值是否偏大超过15V，万用表指示的数值是否一直在波动，此时需要注意等电位连接和UPS是否正常。

图1 电源故障诊断流程

2.1 电源控制器模块

电源控制器作为自动站动力的源头，由两路构成，其一是220VAC通过朝阳电源转换模块转成12VDC供给自动站，同时给蓄电池进行浮充式充电；其二是由蓄电池直接给整个系统供电。

图2 电源控制器

电源控制器既是输入端也是输出端，如图2所示，从右起依次为火线L、零线N、接地、+12VDC(蓄电池和负载)、蓄电池负极、直流电源负极，大多数电源控制器在接线的下方还有个指示灯。电源控制器模块主要故障有防雷模块损坏、交流输入异常、直流输出故障和保险管损坏等。

电源故障诊断要通过现象来定位，通过测量来确认。通电时分别测量输入和输出端，断电时可通过电阻档或通断档进一步确认。由于电源控制器有两路供电，AD/DC供电和蓄电池DC直接供电，交流转换成直流给蓄电池充电和蓄电池供电输出都是通过图2中负载进行直流输出，一旦电源控制器出现故障，根据数据状态很难发现。这需要在日常地面巡查维护中通过终端命令PSS查看返回值是AC还是DC。一旦返回值是DC，则要查看电源控制器下方的指示灯是否常亮来进一步判断，最后通过测量图2中电源控制器上的负载和电源负极是否有12VDC输出,同时检查负载和蓄电池负极，查看蓄电池充放电是否正常进行最后的确诊。

2.2 综合硬件控制器

随着观测自动化的推进，越来越多的自动观测设备取消人工观测，日照自动观测、降水现象仪等的加入，主采集器已无法满足。在地面观测能力显著提升的同时也暴露出许多问题，主要体现在“四多”(通信线路多、终端设备多、软件系统多、数据标准多)和“四低”(系统可靠性低、利用率低、可维护性低、可扩展性低)等方面。综合硬件控制器通过光纤将采用不同通信方式的多个设备数据进行远距离传输，高度集成多串口通信、信号转换、光电隔离、数据转换和光电转换(光猫)等功能模块。

由于综合硬件控制器集成化程度高，电源则成为影响其正常运行的主要故障。电源故障诊断流程如图3所示，首先通过查看PWR1、PWR2指示灯来初步判别综合硬件控制器和内置光电转换模块的供电是否正常。其次，进一步测量供电端子是否有12VDC电压，判断整个硬件控制器的电源是否正常。综合硬件控制器上还有L1和内置的光电转换模块的Tx和Rx指示灯，可通过指示灯状态进行快速诊断。L1是否闪烁，闪烁异常时，可通过断电，静置一段时间后重启设备。指示灯状态正常时，可通过Ping命令对综合硬件控制器进行诊断。

图3 综合硬件控制器电源故障诊断流程

2.3 主采集器

主采集器作为整个自动站的核心，一旦主采集器出现问题，将造成所有数据都将缺失。一旦发现所有数据缺测时，如图4所示，首先查看RUN指示灯，快速判断是否供电；紧接着快速测量主采集器BAT端口是否有12VDC输出；然后检测各测量通道上空载时的电压和负载时的信号电压是否正常。

图4 主采集器故障判识

在实际业务中，故障表现形式各不相同，关于主采集器故障判断，要特别注意：主采集器电源以及传感器都正常时，ISOS地面业务软件无法读取自动站数据，但通过终端命令可以返回1条数据，随后终端命令也无法与主采集器进行通讯，断电重启后主采集器仍是同样现象，此时需查看CF卡指示灯是否闪烁，对CF卡状态进行诊断。在此情况下，如果CF卡指示灯常亮，表明CF已损坏，否则需更换CF卡。

2.4 传感器

传感器作为自动站重要组成部分，但它们各自又相互独立，可逐一排查。依次按照电源→信号→线路→端子→通道的顺序进行排查：①确定供电是否12VDC(除风和雨量5VDC外)；②通过测量相应的信号电压(除温度传感器要断电测量电阻)是否在规定的范围内；③通过蜂鸣档或电阻档，在断电时测量各线路是否短路或断路(RS232线路要交叉测量)；④通过测量端子的短路或更换端子以及空载时各通道是否有规定的电压进行排查。

综上所述，DZZ 5自动气象站电源故障无处不在，在故障排除后，需对自动气象站的状态和数据进行分析，判断自动气象站的工作电压是否在10.8～13.8VDC，判断传感器信号电压是否在正常范围内，以确认气象观测数据的准确性和自动气象站的稳定性，确保自动气象站正常运行，保障数据的完整性和及时性。

3 结论

电源作用于DZZ 5型自动气象站的每一处，电源发生故障的概率也遍布整个自动气象站的每一处。新型自动站采用总线式，结构简单明了，且电子元件相对简单集成化程度高。在故障判识和排查时，①根据故障现象对故障进行定性判断，数据全部缺失时，要先检查自动气象站供电情况；部分要素缺失时，也要测量相应要素传感器供电是否正常。②选取适宜的节点，对故障位置进行分段。以最少的节点、最快的速度定位故障部位，减少断电重启的次数。③通过测量、指示灯状态、PSS等终端命令对常规和特殊故障进行确诊；通过测量、替换等方式，排除故障。④对排除后的状态数据进行分析，确认数据的准确性。

致谢：

感谢福建省气象局观测预报协同应用创新团队对本文的资助。