一次新型自动站EL15-2C型风向传感器故障处理过程分析
（哈密市气象局，新疆哈密市，839000） 芮建梅 芮建文 阿瓦古丽·阿布列孜
气象观测是气象工作的基础，地面气象观测又是气象观测的重要组成部分[1]。2020年4月1日起，我国正式迈入地面气象观测全面自动化时代，气象工作也随之发生了深刻变革。观测员面临着向设备维护、装备保障方面转型，保障新型自动站持续稳定正常运行成为了业务员的首要任务，判断故障与处理故障自然成为了其工作的重点与难点。本文以EL15-2C型风向传感器故障为例，要求业务人员能够掌握故障判断和处理的基本思路和一些常规技巧。在工作过程中，不断积累经验，遇到故障时能够准确分析和查找故障原因，减少维修次数，提高维修成功率，确保自动站正常运稳定行。
1.1 故障现象
2021年4月22日，保障人员在接收到报警信息后，校对14：00（北京时间，下同）数据时发现：现用站（以下简称主站）和备份站（以下简称备站）在正点时次瞬时风向、2min风向、10min风向、最大风向、极大风向的数值差值较大，而瞬时风速、2min风速、10min风速、最大风速、极大风速数值对应变化基本一致，而且最大风速出现时间与极大风速出现时间主备站也基本一致。
1.2 故障详情
经主站与备站ISOS 软件后台查询风要素的相关数据，发现从07：38开始风向数据出现跳变，其它常规气象要素及独立挂接项（能见度、天气现象、日照、视频智能观测仪、冻土等）要素均正常。具体情况见表1。
由表1可以看出，主站和备站正点瞬时风向和极大风速风向，从8h 开始表现出极大的不一致性、产生了突变、情况一直持续，而2～7h主备站的二者表现出高度一致性，这说明了从8h开始风向数据异常（文中仅挑取了瞬时风向和极大风速的风向，2min风向、10min风向、最大风向情况类似），原因待查。
表1 某基准站2021年4月22主站与备站正点部分风向数据对比（单位：度/°）
2.1 自动站故障判断的总体思路
为保证台站的业务质量，需要尽快诊断出故障原因所在。依据新型自动气象站的系统结构和各组成部分的工作原理[2]，按照自动站故障判断的总体思路及步骤进行综合分析和确诊发生故障的原因。采取从室内到观测场、从软件到硬件、从业务计算机到传感器的所有传输路径，开始逐一进行逆向排查。具体如图1所示。
图1 自动站故障判断的总体思路及步骤
2.2 故障排查诊断过程
由于业务终端能正常接收风要素的相关数据，可以排除业务计算机、ISOS软件→综合集成硬件控制器（又称串口服务器）→采集器通讯线路问题。故障发生的位置，确定在采集器至传感器方向。为稳妥起见，再次校对业务软件参数，利用ISOS 维护终端查看风向传感器的开启和工作状态，重启ISOS及计算机，重启值班室内通讯转换单元，通过SMOPORT 远程成功重启串口服务器，将主站采集器连接至主站串口服务器常用通讯PORT1 端口切换至其它空闲PORT 口，更改主站ISOS软件上新型自动站通信端口，使其端口和切换后的PORT 口一一对应，情况依旧，进一步明确了故障发生的大致部位。
2.3 校验传感器是否超检
传感器的稳定性有一定的期限[3]，查看主站和备站风向风速传感器检定证，仪器设备均在一年的检定周期内，确保仪器未发生性能漂移且“持证上岗”，从而排除仪器超检的可能性。
2.4 逆向重点排查采集器至传感器最后一公里
风向风速是国务院气象主管机构规定各台站必须观测的项目之一。目前，各台站普遍使用EL15-2C 型风向传感器记录风向，由风向标部件、壳体（内装风向转换系统）和插座等主要部分所组成[4]。风向传感器输出信号由电缆经过风横臂转接盒传输到HY～3000数据采集器。风向通道中主要涉及5 个重要部分：业务软件、数据采集器风向通道、防雷板风向通道、信号电缆和风向传感器[5]。用万用表直流电压档（20V）测量主站采集器电源输入端，测得电压为13.5V，显示主采电源系统正常；
测得主采风向风速传感器的供电电压在5V 左右，显示主采对风向风速传感器供电正常；
检查主采风向风速信号线接线端子、防雷模块接线端子均牢固；
用万用表蜂鸣档依次测量防雷板风向风速至主采通道无短路、断路、虚接、屏蔽线连接正常。一切显示正常，故障仍未确诊。
当日台站出现持续极端大风天气，17h 极大风速已达40.5m/s。业务保障员把重点放在仅剩的风向传感器上，决定冒着危险上风塔做最后的排查。做好安全措施爬至风塔一半处，才发现风向传感器缺失尾翼（被强风刮断，因风速太大，地面观察时风向标处于高速摆动状态难以发现），造成风向指示错误，因而主站和备站风向相差甚远（格雷码是否故障并未确定），至此故障原因才得以最终发现。
鉴于风速太大、台站又地处百里风区且此次大风天气过程可能会持续多日，考虑到人员安全问题，经上级业务部门同意待大风天气结束后第一时间更换风向传感器。风向风速为配套设备，需同时更换。
将主站、备站采集器至各自串口服务器通讯端口进行对调，切换后备站常规气象要素数据入主站，其余独立挂接项目PORT口保持不变，异常数据问题迎刃而解。具体做法：将主站、备站串口服务器机箱内光电转换模块（MOXA摩萨卡)至各自串口服务器PORT1连接线及接线端子全部拔出，分别用两根长约1.2m 三芯信号数据线一头接入摩萨卡7口端子中123 口（其中123 口为RS～232 接口、4567口为RS-485接口），另一头接入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。三芯信号线两头连接方式为直连，线序颜色要一一对应），然后将接好并测通的信号数据线7口端子插入备站串口服务器机箱内主采摩萨卡相应位置，5口端子插入主站串口服务器PORT1口；
同理另一根线7口端子插入主站机箱内主采摩萨卡相应位置，5口端子插入备站串口服务器PORT1 口。该方案优点是实现了数据由备入主的无缝衔接，切换后手动下载并覆盖相应分钟的数据，可以确保转日界后从20：01 开始全部为备站数据，主站疑误分钟数据未能入ISOS数据库也未参与相关时次数据的挑取，上传的BUFR分钟和正点数据也保持了高度一致性。
由于备站风向风速数据正常，8 时瞬时风向风速、2min 风向风速、10min 风向风速、最大风向风速及出现时间用备站数据代替、8 时极大风向风速及出现时间从实有记录及备站数据中挑取；
9～20 时瞬时风向风速、2min 风向风速、10min 风向风速、最大风向风速、极大风向风速及出现时间用备站数据代替。8～20 时数据全部重新质控发CCA 上传。20：01 开始按方案一操作，手动下载新型自动站串口处理中的数据并覆盖20：01开始的数据并补传相关的BUFR 分钟数据（其它独立挂接设备的数据无需修改）。
在故障发现后规定的时效内电话上报至上级业务管理部门，然后排查故障，尽快恢复自动站正常运行，处理异常数据，上传更正数据文件，填报ASOM 故障单，填报MDOS 元数据备注及反馈疑误信息，天元系统补录相关数据，在值班日记中做好相关备注，将故障情况书面报告至上级业务管理部门（业务科、装备中心综合保障科、信息中心运行保障科等），并在故障维修结束后3h内关闭故障单，对故障情况做详细的总结，完善相应的应急预案。
EL15～2C 型风向传感器是格雷码盘式风向传感器，其利用一个低惯性的风向标部件作为感应部件，当风标转动时，有风时风向标部件随风旋转，带动同轴的格雷码盘，码盘每转动2.8125°，光电耦合器组就会产生新的7位并行格雷码输出[6]，通过数据采集器将其解算出对应不同的风向角度。后期更换传感器的过程中，在风塔平台上人为固定风向传感器至八方位，依次测量采集器风向端子并记录D0～D6 与GND 间的电压值（或者测量采集器箱内防雷板上12～D0、13～D1、14～D2、15～D3、16～D4、17～D5、18～D6 电压值，-表示对应端口），然后按D6到D0的顺序（D6为首位、D0为末位）得到相应的7 位格雷码值，按照格雷码→二进制→十进制→风向数值（十进制乘2.8125°）的转换规则，将风向解算值与人工固定方位对比，发现误差仅仅是来源于人工目测判断指示，明确排除了格雷码故障的疑问。
此次故障仅仅是因为风向传感器尾翼被强风刮断缺失所致，使得传感器在盖型螺母处失去平衡一端超重一端失重，传感器大致在ESE 至WSW 扇形区间来回高速摆动，造成部分方位指示缺失，这种情况也确实少见。由于风速太大，保障员未能第一时间将目光定位在传感器上，前期诊断耗费了大量的时间，显示出特殊情况下的经验不足。极端天气下遇到故障无法第一时间确诊或维修的，疑误数据可直接通过融合软件设置快速解决。在日常工作中，保障员要加强仪器的巡视维护力度，减少设备故障率；
平时多思考、多动手、多归纳、多总结、多学习，在遇到故障时就会得心应手、迅速响应、对症下药、优化处理过程并能快速解决故障，确保自动站数据的准确性、可靠性、及时性及全局的业务质量。