Caws600系列新型六要素区域自动气象站常见故障分析与处理

唐辉亮 吴昱珊 郑文君

(1.福建省三明市气象局，福建 三明 353000;2.福建省大田县气象局，福建 三明 366100;3.福建省三明市气象局，福建 三明 353000)

区域自动气象站是国家区域气象观测网的重要组成部分，其提供的区域数据支撑，在加强中小尺度气象系统研究，提高区域性灾害监测能力和防灾减灾服务水平上具有十分重要的意义。目前福建省内正逐步将运行10年以上的旧版Caws600-RT型四要素区域自动气象站升级改造为使用HY-364采集器的Caws600系列新型六要素区域自动气象站(下文简称新型站)。新型站相较旧型号区域自动气象站有较大升级变动，对该设备运行过程中遇到的各类故障进行分析总结，能够帮助基层气象保障人员在维修维护新型站时，及时发现故障并采取有效的处理措施，提高维修效率，保障设备能持续提供准确稳定的气象数据。

1 维修方法与准备

维修的基本思路，以故障作为起点，逐级寻找故障出现的源头。区域自动气象站维修方法有目测法、检测法、替换法与综合分析法。目测法是通过对软硬件的目测或手动检查找到故障部位。检测法主要是对设备的电阻、电压等电数据进行检测，通过数据异常点定位故障位置。替换法是通过目测法与检测法找到怀疑的问题部件，对问题硬件进行替换。综合分析法是结合目测法、检测法、替换法结果，根据设备机构、观测原理、电路知识综合分析，逐步缩小范围，确定故障源头。

区域自动气象站站点分布广，数量多，设备维修的时间成本与人力成本都较高，所以出发现场维修前，一定要将维修工具及备件准备充足，避免因维修工具与备件的准备不足而导致多次返修。携带的维修工具应包含电量充足的移动电脑、万用表、各类型拆装工具、电工胶布、备用线缆、备件等。出发前还应结合天气状况、设备异常数据、故障出现时间进行提前分析，初步判断故障点，针对性地携带维修备件与工具。例如，当出现长时间连阴雨天气时，部分站点因蓄电池性能下降而导致数据规律性夜间缺失，应携带状态良好的蓄电池前往。

2 供电系统故障分析与解决

供电系统由太阳能板、蓄电池、太阳能充电控制器(下文简称充电控制器)、刀片开关、防雷板等部件组成，任何部件故障都可能导致设备出现断电，直接影响全站数据采集传输，所以供电系统故障尤其需要重视。

2.1 太阳能板

2.1.1 太阳能板特性

新型站太阳能板峰值功率55W，峰值电压17.8V，峰值电流3.08A，开路电压22.1V。根据12V/65AH电池电功率P=780W，供电时间H≈14.18h，理论上使用55W太阳能板充满配置12V/65AH的电池需要14.18h。

2.1.2 太阳能板输出较低

检查是否有以下典型故障：①表面透光性下降，太阳能受光面板有较多污渍或变色；②组件裂纹，太阳能电池出现裂纹而导致光伏组件输出功率下降，如银栅线变色的蜗牛纹；③热斑现象，组件中的部分电池单元因输出电流明显小于其他电池单元，会成为负载被其他单元反向充电而发热损坏；④脱层，电池单元外围出现剥落，导致保护玻璃、封装材料、电池单元之间发生剥离，甚至开裂。以上故障都将导致太阳能板输出功率降低[1]，发现以上故障，需及时整体更换太阳能板。

2.1.3 太阳能板无输出

检查太阳能板输出线缆是否断路，明显的线缆断开可以直接目测，无备件时可对线缆进行紧急处理，首先将线缆问题部位断开，把同路线缆剥去绝缘皮预留出5cm长线头，然后将两个线头交叉绞合3圈，接着再把剩余线头紧密缠绕在两侧裸露导线上，最后使用绝缘胶带紧密包裹以恢复临时供电。线缆正常时检查线缆与电源控制器接口连接是否虚接，可将接口拆卸后使用万用表测量太阳能板输出线缆电压是否正常，电压正常则为接口虚接故障，应将接口重新安装。接口的安装应避免线缆绝缘皮在接口内预留过多而导致虚接，完成后可尝试轻轻拉扯接口上所接各路线缆，以判断连接是否紧固，并使用万用表确认接口输出电压是否恢复。如线缆与接口都正常而太阳能板仍无输出电压，则为太阳能板稳压电路故障，需整体更换太阳能板。以上处理方法适用于所有因线缆意外中断或接口松动虚接而导致无输出故障设备的处理。

2.2 蓄电池

2.2.1 蓄电池特性

新型站使用12V/65AH铅酸免维护电池，相较过去并联3个6V电源供电，既避免了不同容量电池或新旧电池混用导致的单电池短路、短板效应等风险，也降低了电池维护难度。该型蓄电池状态良好时空载电压为13～14V，当下降至11.1V充电控制器将启动过放电保护，电池不再放电，其终止电压10.8V。新型站系统平均功耗小于1W，功耗电流I≈0.083A，蓄电池电量65A电流放电1小时，则设备纯蓄电池供电时间H≈783h，理论上可持续供电30日以上。

2.2.2 蓄电池变形、漏液与腐蚀

电池出现鼓涨变形意味着其内部已出现热失控、板棚变形、活性物质膨胀、排气口堵塞等严重故障，此时应立即更换电池。蓄电池破损、漏液多出现在边角、密封接口处，此故障对设备安全威胁最为严重，因为蓄电池内液具有强腐蚀性，内液漏出将腐蚀破坏流经的设备，如发现应立即清除设备内残余漏液并更换电池。蓄电池腐蚀主要发生在蓄电池端子处，多为电化学腐蚀，主要原因为端子与水或蓄电池内挥发出的酸接触构成原电池而发生腐蚀[2]，表现为端子处有蓝绿色硫酸铜或白色硫酸锌等附着物，会造成电流通过困难，严重时端子将彻底腐蚀掉落导致蓄电池报废，因此发现腐蚀时需立刻使用铜丝刷等清理附着物，将端子金属部分裸露后涂抹润滑脂。对出现腐蚀蓄电池要加强观察，做好电池更换准备。

2.2.3 蓄电池电量简单判别

充电控制器的蓄电池指示灯的状态指示当前蓄电池电量等信息，可根据此判断电池状态，具体见表1。

表1 蓄电池指示灯状态含义与相关处置措施

2.2.4 蓄电池输出异常

检查蓄电池空载电压，当电池电压下降2的倍数且充电时电压仍然保持零或低值时，表明电池内部发生短路故障，应直接更换蓄电池。

接入负载后观察蓄电池电压在一段时间内的变化情况，如放电时电压下降速度很快，最终停止供电，表明电池已盐化较重，可以直接更换电池，此故障原因多为电池过放电引起的极板硫酸盐化，故障较轻时，可对电池进行全充电及全放电的活化充电，使其活性恢复[3]。

2.3 太阳能充电控制器

新型站使用了Steca Solsum 8.8B 太阳能充电控制器，相较过去的电源控制插板，可维护性更好。设备最大电流8A，浮充电压13.9V，快充电压14.7V，均冲14.7V，自我恢复电压12.5V，深放电保护电压11.1V。

2.3.2 充电控制器不工作或无指示灯显示

充电控制器需要连接蓄电池作为稳定电源才可正常工作，不接入蓄电池时充电控制器无输出且无指示灯亮起，所以当出现充电控制器不工作或无指示灯显示，表明充电控制器蓄电池接口无输入或控制器损坏，需要检查蓄电池是否存在极性反接、电压过低等故障，排除后仍然异常，则需要更换充电控制器。故障时如现场无备件可换，可将蓄电池输出并接至刀片开关处进行临时供电，此为临时操作，需及时更换充电控制器，否则电池会因过放电而受损。

2.3.3 充电控制器系统指示灯告警

充电控制器系统指示灯红灯闪烁时，为充电电流过高、过载、短路、过温导致系统故障，应及时断开所有连接进行逐一检测,如排除太阳能板与蓄电池故障，则为充电控制器损坏，需更换。

2.3.4 充电控制器充电与输出异常

如太阳能板开路电压正常，蓄电池开路电压大于12.5V，而接入充电控制器后充电控制器充电电压低于电池电压，则为充电控制器输出组件发生故障。当充电控制器输出端无电压时，检查蓄电池负载电压，电压高于11.1V，为充电控制器损坏，电压低于11.1V，为充电控制器启动深放电保护功能，此时只需更换状态良好的蓄电池即可。

2.3.5 充电控制器保护功能

不同版本的教材在编排方程内容时，都用到了“天平”这一情境，因此，教师在教学过程中也用到了“天平”或者天平的变体“跷跷板”。这可能与天平平衡状态下两边质量相等这一特征密不可分。当数值从天平中抽象出来以后，自然就变成了左右两边相等的式子。因此，教师能很自然地突出式子两边等价这一属性。延拓开来，就是在列方程过程中，需要找到这样一种特殊的数量关系（等量关系）。那么，这是方程的本质吗？

充电控制器具有较好的电源保护功能，当出现以下故障时不会损坏控制器，排除后系统可以继续正常工作：太阳电池组件短路、太阳电池组件极性错误、负载输出短路、负载电流过大、蓄电池极性错误、太阳电池组件电流过大、过温、负载输出端电压过高。

2.4 刀片开关与防雷板

2.4.1 刀片开关

刀片开关配有刀片保险管与保险指示灯，具有大电流保护功能，大电流时保险管熔断，保险指示灯点亮，开关为断路状态，可转动刀片开关上的可拆卸突出的旋钮，卸下后将内部的保险管取出更换。

刀片开关故障检查时，可先取出内部的保险管，用万用表蜂鸣档位进行测试，蜂鸣导通为保险管正常，无蜂鸣中断状态为保险管损坏，根据保险管与保险指示灯对应关系进而可判断管保险指示灯是否故障。在确定保险管与保险指示灯正常情况下，开关闭合时测量采集器供电端与太阳能充电控制器输出端之间是否正常导通可确认刀片开关整体状态，导通则设备与导线连接正常，如断路表明开关内部故障或导线虚接，排除导线虚接确认为刀片开关内部故障时，可将线路移至一旁备用刀片开关。

2.4.2 防雷板

防雷板使用的是陶瓷气体放电管，并联在电源端、传感器端至采集器之间，雷电引起瞬间大电能使放电管脉冲击穿放电，将浪涌电流泄放至大地，从而保护设备。

防雷板电路开路。检查时使用万用表测量防雷板同电路两端通断情况，正常为导通，如防雷板线路开路，则为防雷板线路损坏，在无备件时可临时将线路跳至防雷输出端，直接连接采集器工作。

防雷板陶瓷气体放电管损坏。测量各路陶瓷气体放电管导通状态，断路状态为正常，短路状态为陶瓷气体放电管硬件损坏，此时电路处于接地漏电状态，该路上的设备不能正常供电与传输数据，该故障需要更换陶瓷气体放电管，紧急时可直接将陶瓷气体放电管引脚剪断以防止漏电，后期再及时更换防雷板。

3 采集系统与通讯系统故障分析与解决

3.1 HY364采集器特点

因采集系统与通讯系统共同集成在采集器中，所以不再分开叙述。HY-364 数据采集器为升级产品，在具备原有功能的基础上，对通讯单元进行升级，实现了全网通功能。

3.2 采集器主板损坏

主板电路损坏导致采集器无法开机，表现为输入电压正常时系统指示灯与网络指示灯均不点亮，调试串口连接区域自动气象站调试软件后无法识别设备，所有要素缺测，常见原因有雷击、误接16V以上的电源、受潮氧化等，主板硬件损坏时需更换采集器。

3.3 采集器单接口故障

采集器日常主要应用接口有RS232串口、模拟串口与调试串口。其中，调试串口故障判别较为简单，设备正常收集数据并传输，但使用串口线与区域自动气象站调试软件连接时不能正常识别设备。RS232与模拟串口为采集数据的主要接口，接口故障时，接口对应的传感器数据不能被正常采集，其他接口数据正常收发。单接口故障处置时应检查接口针脚是否折断，串口的供电端口电压是否正常，采集器对传感器供电除气压传感器与湿度传感器需单独接12V供电外，都为5V供电，采集器出现接口针脚断裂、供电异常时，应更换采集器。

3.4 采集器通讯系统故障

单纯通讯故障时采集器系统指示灯绿灯且正常秒闪，而网络指示灯无指示，设备能够正常读取各传感器数据但无法发送数据。故障处理首先检查采集器天线是否安装正确，天线端需伸出设备箱体外，不被金属箱体屏蔽，再检查设备现场的网络信号是否良好，可向设备手机号发送“GETDEBUG1!”短信指令或是使用调试软件实时监控功能查询手机卡信号数据，最后可向当地运营商确认手机号码网络业务是否正常，信号较差与号码服务异常时需要与运营商沟通解决。实际工作中发现HY-364对部分旧版CDMA号码不支持，需特别注意。如无以上问题，则说明采集器通讯系统故障，需更换采集器。

3.5 采集器传输设置故障

使用华云尚通本地维护管理软件现场检查采集器软件设置，中心站设置、站点号、分钟雨量上报间隔设置错误直接影响数据的传输，需要重点检查，其中雨量上报间隔设置影响报文上报间隔，因容易被忽略需特别注意。在该站手机卡号开通短信功能的前提下，可使用短信远程查看或修改相关设置，中心站传输设置，可使用“GETCOMM00!”查看原中心站通讯设置，再使用设置参数命令“SETCOMM00+IP地址+端口号+接入点+协议+!”进行设置，返回“SETCOMM00OK!”表明设置成功。站点信息可使用“SETSTATIC01+站点号+口令+本机号码+是否采集温度+偏移量+间隔+分钟雨量上报门限+分钟雨量上报间隔+！”设置，返回“SETSTATIC01OK!”表明设置成功。使用短信功能完成设置后要对区域自动气象站采集器主板发送重启命令，以使设置过的参数生效，使用“TECOM RESET!”命令可实现采集器主板远程重启[4]。

4 传感器系统故障分析与解决

4.1 传感器系统特点与维修基本方法

新型站传感器系统与旧站最大不同在于新站所有传感器都连接防雷板后再与采集器串口相连，增强了传感器的可靠性与稳定性。当个别传感器数据异常，维修时应首先排除线缆与接线端子故障，如仍处于异常状态，再通过传感器、防雷板、采集器分段采取检测法与替换法确认故障源头，全要素缺测时多为采集器故障，可替换采集器确认。

4.2 温度

温度传感器故障判别需在传感器断电后分别测量串口上PIN1、PIN3口的电阻R1(80-120Ω)，PIN1、PIN2口的电阻R2(2Ω以下)，使用温度计算公式计算温度传感器温度值，温度计算值与环境温度接近为正常，明显偏离环境温度时，说明传感器故障，需要更换温度传感器。

4.3 雨量

雨量传感器雨量异常,应拆卸承水器单独清洗，并使用量具接取定量的清水直接倒入漏斗，观察各翻斗运行是否流畅，各漏斗水流是否通畅，同时可根据传感器计数值判断传感器降雨识别量是否与倒入的清水量符合。当发现各翻斗、承水器、漏斗与底盘排水不畅，甚至堵塞时要逐一拆卸清洁，并用清水冲洗。翻斗卡滞甚至卡死时，需注意检查是否有蛛丝等物体阻碍翻斗运行，以及翻斗金属转芯是否固定过紧导致翻斗翻动不灵活，可手动调节金属转芯两侧的螺帽，控制灵活度。如清水量与传感器识别量出入较大，可通过差值C=(清水量-识别量)/清水量×100%计算两者差值，并根据差值对计量翻斗的两个定位螺钉进行调整，将一个定位螺钉向内或向外旋动一圈，其差值改变量为3%左右，为使调节位置准确，在旋动定位螺钉前应做好记号，以便参照[5]。

线缆故障检查，雨量采集端口有DC5V左右的驱动电压，测量接线柱两端电压，当电压小于5V时，为雨量传输线故障，注意检查线缆头尾连接是否虚接、断路。

干簧管故障检查，万用表调整至蜂鸣档位，红黑表笔分别连接信号线接线柱，使用工具拨动计数翻斗，当计数翻斗翻动一次万用表短暂蜂鸣说明传感器干簧管正常，否则检查干簧管与接线柱连接是否良好，确定连接良好后，依旧未蜂鸣导通，则表明干簧管损坏，应更换。

4.4 风向风速

传感器数据异常检查，测量风速信号接口(PIN2)和接地(PIN3)之间的电压，如风杯转动时测量值接近2.5V，风杯停止时测量值为0或者接近5V，则风向风速传感器正常，反之传感器故障，应更换。新型站使用的是电压风向传感器，测量风向信号接口(PIN2)和接地(PIN3)之间的电压，电压正常范围为0～2.5V，线性对应0～360°，可目测风向传感器当前所指方向，比例换算后做对比，相对应则传感器正常，反之则风向传感器故障，应更换。

风向风速同时缺测故障，可放下风杆，在转接盒内直接测量风向风速信号电压是否正常，如电压仍然异常，可使用传感器替换法确认是传感器故障还是线缆故障。

4.5 气压

因采集器气压串口只提供5V供电，所以气压传感器连接采集器时，需要单独跳接12V电源为传感器供电。故障判断需先检查12V供电是否正常，并使用调试软件读取传感器数据与状态，供电正常而数据明显异常，需注意检查气压软管是否有虫蚁入侵，出口是否被堵塞，并及时清理，如故障依旧，则为传感器故障，需更换。

4.6 湿度

当环境湿度发生改变时湿度传感器电容同步变化，其0～1V直流电压输出线性对应0～100%RH。湿度传感器与气压传感器一样，需要单独跳接12V电源供电，供电正常时，可直接测量湿度串口上信号接口PIN2与接地PIN4之间的电压，换算为湿度数值后与环境湿度作大致对比，符合环境湿度为正常，如差异较大，则传感器故障，需更换。

5 结束语

区域自动气象站属于基层气象观察网络，是现代气象业务中重要的数据采集设备，其数据在各类气象预报预警、监测评估等业务中广泛应用，其分布广、数量多，发生故障将严重影响气象数据的稳定采集，直接影响气象预报预警业务运行，因此维护人员要密切监测设备日常工作的运行状况，加强设备备件储备，重视异常数据分析，合理安排维护行程，力求高效排除区域自动气象站的各种故障。故障维护维修工作还需要注重经验总结，对故障率高的部件应开展有针对性的维护保养措施，确保区域自动气象站能长期处于良好的工作状态。本文所整理的故障判断与处理方法，有助于维护人员更好地开展区域自动气象站的维护维修工作，减少故障对区域气象数据带来不良影响。