HART通信不上？4-20mA回路排查与250Ω电阻

一台日系橇装设备上的压力变送器，在 DCS 里读数正常：4–20 mA 信号稳定，数值也和就地压力表一致。可是把 HART 手操器接上去想看一下量程，却提示“未找到设备”。

问题在于：模拟回路正常，并不等于 HART 信号能通过。有线 HART 是在 4–20 mA 电流上叠加一个很小的数字信号。直流电流仍然传送测量值，数字信号则让主机在同一对线上读取设备的位号、量程和诊断信息，也可以修改设备的设置。

本文先说明这个数字信号是怎样叠加在回路上的，以及 HART 为什么需要 250 Ω（或相近）的负载，并用数字核算电压余量。然后按顺序讲排查步骤，最后给出确认清单和向日方供应商提问的清单。

目录

1. HART 给 4–20 mA 回路增加了什么
2. FSK 如何叠加在回路上：1200 Hz、2200 Hz 与 1200 bit/s
3. HART 能带来什么，又有哪些做不到
4. 有线 HART 的局限
5. 250 Ω 电阻与电压余量
6. 点对点与多点连接（multidrop）
7. HART 通信不上？按这个顺序排查
8. 国内现场的几点补充
9. 可以直接使用的内容
10. 本文的适用范围
11. 常见问题
12. 参考资料

HART 给 4–20 mA 回路增加了什么

HART 是 Highway Addressable Remote Transducer 的缩写，最早由 Rosemount 开发，后来成为多家厂商共同使用的开放标准。现在由 FieldComm Group 负责维护规范和登记设备。

如果把“现场总线”广义地理解为仪表与控制系统之间的现场通信，HART 也算其中一种。但 FOUNDATION Fieldbus 全部信息都用数字方式传送，而 HART 保留模拟信号，在上面再叠加数字通信。两者的信号处理方式和系统构成都不一样。

控制系统不支持 HART，也能从普通 4–20 mA 输入读到测量值。要使用 HART，还需要能和设备通信的装置：

• 带 HART 功能的 I/O 卡件、HART 调制解调器或 HART 手操器（手持通信器）
• 用于维护的主机，例如设备资产管理软件
• 与设备型号相匹配的设备描述文件（后文排查部分会讲）

有的工厂在 DCS 里直接管理设备的设置和状态，也有的另设一套维护系统。需要哪些设备，取决于你打算怎么用这些信息。

HART 与 DI、DO 这类开关量 I/O 也不属于同一类。触点信号只有通和断两种状态，而 HART 是一套通信约定，在主机和设备之间传送带名称的项目和数值。

图1是典型的有线接法：一台两线制变送器、一个 24 V 电源和一个 250 Ω 负载。手操器是并联接入的，不像电流表那样串联。

图1：HART 手操器并联接在指定位置

这是两线制变送器加 250 Ω 接收负载的一个示例。手操器不像电流表那样串入回路。

极性标记与图中电流方向一致。保护器件、屏蔽和接地均已省略。实际的接入点和所需负载，以设备使用说明书和回路图为准。

手操器向设备发出请求，再从回路上的信号中读出应答。除了专用手操器，也可以用带 HART 调制解调器的电脑，或支持 HART 的 I/O 模块。

基本模式是“请求—应答”：主机（主站）发出命令，现场设备回送测量值、设置或状态。一条回路上允许有两个主站：通常由控制系统作主要主站，现场的手操器或笔记本电脑作次要主站。

FSK 如何叠加在回路上：1200 Hz、2200 Hz 与 1200 bit/s

有线 HART 采用基于 Bell 202 的频移键控（FSK）。1200 Hz 的音频表示二进制的 1，2200 Hz 表示 0。信号幅度很小，在回路电流上下约 ±0.5 mA。

要注意区分频率和通信速率。Hz 是波每秒重复的次数，bit/s 是每秒传送的位数。有线 HART 的速率就是 1200 bit/s，并不存在“1200–2200 bit/s”这样的速率范围，尽管数字看起来很像。

图2把两件事分开来看：一是携带测量值的直流平均电流，二是携带数据的音频频率。

图2：平均电流与数据信号的频率是两回事

上图：在示例的 12 mA 直流电平上叠加小幅交流信号（未按比例）。下图：两个频率在同一个 2.5 ms 时间窗内各完成多少个周期，这个时间窗不是位周期。

1200 Hz × 0.0025 s ＝ 3 个周期；2200 Hz × 0.0025 s ＝ 5.5 个周期。这两个数都不是 1200 bit/s 的通信速率。

两种音频在一个周期内的平均值为零，所以不会改变直流值，模拟信号照常工作。接收侧用不同的电路分别取出：直流电平用于测量，交流音频用于通信。

HART 读数和电流换算出的测量值，要分开核对。如果 DCS 里模拟量输入的量程和变送器的量程不一致，即使电流正确，画面上的数值也会是错的。

HART 能带来什么，又有哪些做不到

主要好处是不用新增布线，就能得到仅靠电流传不了的设备信息。用维护工具可以一次性查看量程、单位、位号和设备状态。

能读到什么，取决于设备本身。例如双元件温度传感器有两个感温元件，但不一定有两路电流输出。

通过 HART 能读到的变量和诊断信息，取决于变送器的输入配置和它所支持的功能。

图3对比了普通 4–20 mA 输入能得到的信息，和 HART 可以追加的信息。

图3：电流传测量值，HART 传设备信息

要用上 HART 设备提供的信息，主机一侧也必须能够处理。

对比项	普通 4–20 mA 输入	HART 可追加的信息示例
测量值	按设定量程把电流换算成测量值	数字值、单位、状态
设备识别	与图纸、端子号、现场标识逐一核对	位号、设备类型、序列号等
量程	接收侧设置与现场设置分别检查	直接读出设备的量程下限值、上限值
维护线索	电流异常，加上现场检查	设备状态、附加变量、诊断信息
接收侧需要什么	模拟量输入	支持 HART 的主机、通信路径、设备描述文件

并非每台设备都提供表中所有信息，内容也不一定相同。具体取决于型号、版本和主机的支持范围。

调试阶段，要把现场位号与设计中的测点逐一对应，并确认单位和量程。用 HART 工具读出设置并导出成清单，比手工逐台抄录省事。

示例：电流没错，显示却不对

假设变送器量程设为 0–1 MPa，输出 4–20 mA。压力为 0.5 MPa 时输出 12 mA。如果只有接收侧被设成了 0–2 MPa，画面就会显示 1 MPa。

这时电流本身完全符合变送器量程的设定。用 HART 读出设备的量程和数字值，再与接收侧的量程换算对比，就能找出差异的原因。

拿就地压力表和变送器、画面比对时，除了数值，还要把单位和压力基准（表压还是绝对压力）统一起来。复合表（连成计，日语 renseikei）的刻度也有助于确认量程。

运行中，设备状态的变化可以帮助你决定先检查哪些仪表。诊断信息要结合工艺状况和其他测量值一起判断，才最有用。

HART 是开放标准，设计上就是让不同厂商的设备能互通。这也便于把设备、主机和描述文件的检查方法统一起来，用在日本以外的现场（包括国内工厂中的日系设备）。

还要注意：通过 HART 重设变送器量程（re-ranging）不等于校准。改了量程并不能验证传感器的准确度，仍然需要用标准器去检查整个测量链。

有线 HART 的局限

有线 FSK 只有 1200 bit/s，不适合传送图像或大量波形数据。从多台设备依次读很多项目时，等待时间也会累积起来。

影响因素不只是速率。每次请求和应答里除了测量值还有别的内容，命令类型、主机的扫描周期、设备的应答时间都会影响整体刷新周期。所以设计时通常保留 4–20 mA 通道用于控制，把 HART 数据作为较慢的维护用数据另行处理。

如果打算把 HART 数字值用于控制，要把所需的刷新周期与系统实际能达到的周期做对照，再决定主机怎样接入这些数据。

信号路径也很关键。回路中模拟量能完好送到，HART 也可能不通，这取决于中间设备如何处理交流信号：

• 信号转换器、隔离器
• 本安安全栅
• 滤波器

选用隔离器时，除了 4–20 mA 的准确度，还要确认它是否双向中继 HART。能正确复现直流值的设备，不一定也能通过交流信号。国内现场常把这类设备叫“配电器”“隔离器”，订货时要看清是否标明支持 HART 通信。

最后，主机必须对每种设备有相应的支持。只读基本测量值，所需的功能比详细诊断和组态要少。要按想用的项目，配齐软件和设备描述文件。

250 Ω 电阻与电压余量

HART 要求回路中有一定的电阻，这样设备发出的电流模式信号才能在其两端形成主机可检测的电压。HART 规范要求包含电缆电阻在内的回路总负载不低于 230 Ω、不高于 1100 Ω。许多设备说明书写的是 250 Ω，略高于下限。

设备通信所需的负载，以设备使用说明书为准。这个电阻也可能已经内置在接收输入或电源里，不一定要另加。

如果没查清是否已有电阻就再加一个，就会多出一份电压降。应先查清现有负载在哪里，再对照设备的通信条件和电源的供电能力。

图4用假设的数值演算了一次电压余量。

图4：250 Ω 两端的电压，以及变送器上剩余的电压

数值为说明用的假设：24 V 电源、250 Ω 接收电阻、往返线路电阻 50 Ω、中间设备压降 2 V。

电阻两端的电压

V_R ＝ I × R

0.004 × 250 ＝ 1 V

0.020 × 250 ＝ 5 V

20 mA 时线路上的压降

V_线 ＝ I × R_线

0.020 × 50 ＝ 1 V

变送器上剩余的电压

V_TX ＝ V_S − V_R − V_线 − V_中继

24 − 5 − 1 − 2 ＝ 16 V

若变送器要求最低工作电压 12 V

16 − 12 ＝ 余量 4 V

I：回路电流［A］，R：接收电阻［Ω］，R_线：往返线路电阻［Ω］，V_S：供电电压，V_中继：中间设备的压降，V_TX：变送器端子电压［V］。中继压降 2 V 和最低工作电压 12 V 都是假设，并非所有设备通用的规格。

实际设备要使用电源电压下限、最大工作电流和报警电流，以及回路中各设备的规格。负载条件和电压条件必须分别满足。

4–20 mA 流过 250 Ω 得到 1–5 V，所以同一个电阻也可以供模拟电压输入使用。在日方的图纸上，这个电阻可能写作“接收电阻”（受信抵抗，jushin teiko）；国内现场常叫它取样电阻或 250 Ω 电阻。

示例中，20 mA 时变送器上还剩 16 V，比假设的最低 12 V 多出 4 V 余量。同样的设备，若电源电压降低或电缆变长，这个余量就会变小。

如果设备会输出报警电流，就要按这个电流计算压降。仍用相同的假设，22 mA 时电阻上压降 5.5 V，线路 1.1 V，变送器上剩下 15.4 V。

22 mA 只是本例中的数字，报警电流因设备而异。按设备的最大电流来算，就能发现正常量程内看不出来的电压不足。

电阻值本身并不决定通信质量。它既影响模拟输入看到的电压，也影响通信路径的阻抗，所以电缆和所接设备都要与整个回路相适应。

日方资料怎样表示负载和供电

日方的数据手册常把允许负载写成公式，而不是单一数值，称为“允许负载电阻”（許容負荷抵抗，kyoyo fuka teiko）。

例如 MG 公司的一款支持 HART 的隔离器，其允许负载为（供电电压 − 12 V）÷ 0.02 A，包含导线电阻；同一份资料还要求 HART 通信时的回路电阻为 250 Ω ±10%。

日本的 DCS 输入卡件也可能内置负载。横河的一款 I/O 模块数据手册给出的两线制输入电阻为 400 Ω（20 mA 时）到 750 Ω（4 mA 时），并支持 HART。加电阻之前，先读卡件的规格。

点对点与多点连接（multidrop）

典型的点对点回路中，一条电流回路接一台变送器，用 4–20 mA 传送其主要测量值。使用 HART，就能从同一对线上读出这台设备的数字值和设置信息。

多点连接则是几台设备共用一对线，主机靠地址来识别各台设备。设备设为固定电流时，主机用数字方式读取各台的测量值，总电流不能反映各台的数值。

图5对比了这两种接法。

图5：把各设备的电流加起来，并不是各自的测量值

下图中，设备 A、B、C 各固定为 4 mA，回路总电流为 12 mA。可连接的台数和地址范围取决于 HART 版本和设备规格。

电源、通信接口和负载统一画在主机一侧。上图为一条回路，下图为多台设备并联在同一对线上。

对于较老的设备（HART 版本 3 至 5），轮询地址为 1 到 15，所以很多资料说最多接 15 台。HART 6 和 7 允许地址到 63，但实际上限取决于各设备。新旧版本混在同一回路里时，使用 15 以上的轮询地址可能出现通信错误。

已有的模拟量输入与多点网络，接线和设置各不相同。除了地址，还要检查电流输出模式，并决定每个测量值走哪条路径来读。

固定电流的多点网络同样要核算电源。所有设备的电流都流过共用负载，因此要按全部所接设备来评估所需的供电电压和电流容量。

HART 还有使用其他介质的版本，例如 WirelessHART 和 HART-IP。Bell 202 的频率和 1200 bit/s 速率只适用于有线 HART，不适用于无线或以太网的物理层。

HART 通信不上？按这个顺序排查

从电源和接线向软件方向查，每一步排除一层，再进入下一步。打开接线盒或接触端子之前，须按现场的作业许可、隔离和防爆区域规定执行；本文不能替代这些规定。

1. 电源与模拟电流。确认设备端电压足够，4–20 mA 输出符合预期。在回路图上顺着电源、接收负载、中间设备和接线逐段查，再按图4的方法核算电压余量。
2. 接入点与负载。对照设备使用说明书，检查手操器接在哪里，以及回路呈现的负载是多少。要并联在指定位置；像电流表那样串入回路，会改变回路。
3. 通信协议。确认设备确实使用 HART。部分日系设备用的可能是另一种协议（见下一节）。
4. 路径中的设备。检查隔离器、安全栅、转换器是否标有支持 HART，以及信号能通过的方向。如果在隔离器一侧能读到设备，另一侧读不到，就要看它的中继功能，以及自己接在哪一侧。
5. 接线与干扰。检查接触不良、接错线，以及附近的电气干扰。屏蔽和接地按本厂和设备的接线规定处理。
6. 主机支持。如果能通信，但某些设置项出不来，就查设备描述文件。DD、DTM 和 FDI 包与设备类型和版本绑定，要在主机上装入匹配的文件。
7. 数值对比。把 HART 读出的主变量（PV），与实际用于控制的信号对比。把控制值和监视、维护用的值分开，更容易分清是通信问题，还是显示或控制问题。

在运行中的装置上，更改设置可能影响运行。读取和写入要分开管理，更改前先记录原值，并按本厂的变更管理程序执行。

日系设备：先查是不是 BRAIN，再怀疑回路

日本的主要仪表厂商横河电机，除了 HART 之外，还有自己的数字通信协议 BRAIN。它的部分变送器有 BRAIN 版和 HART 版，感压部件相同，协议由形名代码决定。不要以为两种协议可以互换。

一般认为，标准 HART 手操器连不上 BRAIN 设备；横河资料中，BRAIN 设备对应的手操器是 BT200，也可以用 FieldMate 软件。你的型号该用哪种工具，要向厂家确认。换电阻或改接线之前，先读铭牌上完整的形名代码，对照厂家的形名代码表核实。

日文的使用说明书也可能把 HART 版和 BRAIN 版分成不同的文件。要确保手上的说明书与铭牌上的协议相符。

日文资料中常见的词

下面这些词常出现在日方的回路图、数据手册和说明书里，涉及 HART 回路。

日文原词	日语读音	中文说法与含义
HART通信対応	HART tsushin taio	支持 HART 通信（隔离器、安全栅上也要找同样的标注）
受信抵抗	jushin teiko	接收电阻，常为 250 Ω（可得到 1–5 V），国内常叫取样电阻
負荷抵抗	fuka teiko	负载电阻
許容負荷抵抗	kyoyo fuka teiko	允许负载电阻，常以公式给出
（回路图，片假名写法）	rupu-zu	回路图，即 loop diagram
取扱説明書	toriatsukai setsumeisho	使用说明书
双方向	sohoko	双向（隔离器是否把 HART 双向中继）

国内现场的几点补充

国家标准方面，GB/T 29910 系列的标题是《工业通信网络 现场总线规范 类型20：HART规范》，其中第2部分涉及 HART 有线网络数据链路层，第5部分涉及 WirelessHART。具体的采用关系、条款和现行版本，使用前请自行到国家标准平台核对。

现场叫法上，HART 手持通信器一般叫“手操器”。带 HART 功能的 AI 卡件，并不一定每个通道都支持，要看卡件型号和手册。回路里的 250 Ω 有的是 DCS 卡件内置，有的是端子上的精密电阻，更换或加装前先查清楚。

本安回路（Ex i）里的安全栅是否通过 HART 信号，选型时要向厂家确认。防爆区内能否接手操器，由设备的防爆合格证和现场作业许可决定，防爆标准可参考 GB/T 3836 系列，不能以本文代替。

可以直接使用的内容

检查清单：接手操器之前

到现场之前，先逐项核对下面这些内容，可以少走弯路。

• 根据完整形名代码，确认设备协议是 HART（而不是 BRAIN 或其他协议）
• 设备的 HART 版本，以及主机和手操器是否支持该版本
• 现有负载电阻的位置和阻值，包括内置于输入卡件或电源中的
• 回路总负载在设备的通信要求范围内（HART 规范的范围是 230–1100 Ω）
• 在最大电流（含报警电流）下，变送器端电压高于其最低工作电压
• 回路中每一台隔离器、安全栅、转换器都标有支持 HART，并按需要的方向通过 HART
• 手操器的接入点符合说明书规定，并采用并联接法
• 一条回路上同时只有一个次要主站（手操器或笔记本电脑）
• 轮询地址和电流输出模式（正常 4–20 mA 还是固定电流）
• 主机上有与设备类型和版本匹配的 DD、DTM 或 FDI 包
• 接收侧的量程换算与变送器的量程和单位一致
• 在带电回路上写入任何设置之前，先记录现有数值，并遵守本厂的变更程序

对日方供应商的提问清单

如果资料缺失或不清楚，可以直接向供应商提问。下面这些问题对应前文的各个要点。

1. 每台变送器采用哪种协议（HART、BRAIN 还是其他）？请提供完整形名代码。
2. 每台设备支持哪个 HART 版本？
3. 每条回路里的 HART 负载电阻在哪里，阻值是多少？是内置于输入卡件或电源吗？
4. 每台变送器的最低工作电压是多少？报警电流设为多少？
5. 盘柜里的隔离器和安全栅是否支持 HART，是否双向中继？
6. 手操器应该接在哪里？请在回路图上标出接入点。
7. 需要哪些 DD、DTM 或 FDI 文件？可以从哪里下载？
8. 有没有设备采用多点连接或设为固定电流？
9. 能否提供这些设备的英文（或中文）版说明书和回路图？

询问邮件范例

像下面这样写一封简短的询问，通常比笼统地说“HART 不通”更容易得到明确的答复。可以请对方用英文或日文回复。

主题：HART 通信确认——【项目名称】，位号【PT-101】

我们用 HART 手操器无法与变送器【PT-101】通信，但 DCS 中 4–20 mA 信号读数正常。请就这条回路确认以下内容：(1) 变送器的完整形名代码和通信协议；(2) HART 负载电阻的位置和阻值；(3) 隔离器【型号】是否双向中继 HART；(4) 手操器的推荐接入点。如能提供标注后的回路图，将非常有帮助。

本文的适用范围

• 本文讲的是 4–20 mA 回路上的有线 HART。WirelessHART 和 HART-IP 使用不同的物理层。
• 图4的电压核算使用的是假设的数值。请使用电源、电缆和回路中每台设备的实际规格。
• 负载要求、报警电流、地址范围和支持的功能，因设备、版本和主机而异。以设备使用说明书为准，优先于本文的一般数值。
• 本安回路对安全栅和所接设备有专门规定。防爆区内能否连接手操器，由现场的批准文件和程序决定，不由本文决定。
• 在运行中的装置上更改设置，要遵守本厂自己的程序。

常见问题

HART 需要专用电缆吗？

不需要。HART 本来就是设计在现有的两线制仪表回路上运行的。但接线、负载和中间设备仍然要满足通信要求，所以要检查整条电流回路，而不能只看电缆类型。

4–20 mA 信号正常，HART 就一定能用吗？

不一定。直流值可以正确到达，而隔离器或其他设备却挡住了交流通信信号。要确认设备和主机支持 HART，负载和电压在要求范围内，并且中间每台设备都双向中继 HART。

250 Ω 电阻一定要另外加吗？

不一定。有些接收输入和电源已经包含所需的负载。先在回路图上找出现有负载，再判断是否需要再加，目的是既满足设备的通信要求，又不损失电压余量。

为什么 HART 读到的值与 DCS 显示不一样？

HART 数字值与 4–20 mA 换算后的显示值，走的是不同的路径。对比所读的变量、单位、量程和接收侧的换算设置，逐级查看数值是在哪一步变化的。

1200 Hz 和 1200 bit/s 是一回事吗？

不是。Hz 是波的频率，bit/s 是传送信息的速率。有线 HART 用 1200 Hz 和 2200 Hz 分别表示 1 和 0，它的数据速率是 1200 bit/s。

参考资料

• HART 基础与 IIoT：Endress+Hauser，“The essentials of HART communication and the IIoT”
• FSK 频率、数据速率、±0.5 mA 信号、230–1100 Ω 回路负载、两个主站、多点地址 1–15：SAMSON，“HART Communications”（Technical Information L452 EN）
• HART 版本与轮询地址范围：Wikipedia，“Highway Addressable Remote Transducer Protocol”；Endress+Hauser，BA00486C 操作说明书
• HART 概述：横河电机，“HART通信とは何ですか？”（日文）
• 支持 HART 的 I/O 模块输入电阻：横河电机，GS 33K50F80-50E，I/O Modules with Built-in Barrier (for FIO)
• HART 原理：Emerson，FIELDVUE DVC6200 使用说明书
• HART 组态工具的连接：横河电机，digitalYEWFLO 使用说明书（日文）
• 支持 HART 的隔离器（双向中继、250 Ω ±10%、允许负载公式）：MG Co., Ltd.，M2DYHR 产品规格（日文）
• BRAIN 与 HART 手操器：横河电机，Device Smart Communicators；横河电机，DPharp EJA 系列 HART 协议手册（IM 01C22T01-01EN）
• 设备描述文件：FieldComm Group，“HART EDD/FDI Registration”；横河电机，FieldMate 与 DD/DTM 常见问题（日文）
• HART 的由来与开放标准：Emerson，Rosemount 压力产品创新史
• 多传感器输入与主变量：Emerson，Rosemount 3144P 参考手册
• 国家标准 GB/T 29910 系列（工业通信网络 现场总线规范 类型20：HART规范）：全国标准信息公共服务平台