回路电阻不足与 HART 通信失败
4~20 mA 一切正常，手操器就是连不上 · 仪表典型失效模式 · 信号链
全文约 1800 字 | 阅读约 5 分钟 | 图表 2 张 | 难度 ★★★☆☆ |
「No device found.」
仪表工在机柜间把手操器夹到 PT-3107 的端子上，屏幕上跳出这一行。去现场，夹在变送器接线端子上，还是这一行。
DCS 上 PT-3107 的读数很正常，跟就地压力表对得上。要改的只是一个量程，本来五分钟的事。
换了一台新变送器，还是连不上。
后来翻资产管理系统的记录，这个位号显示「通信失败」已经快两年了，时间点正好、那次改造，机柜里一排隔离栅换了型号。回路能用，所以一直没人管。
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01
HART 信号是靠电阻撑起来的
HART 是在 4~20 mA 直流上叠一个交流信号，用 1200 Hz 和 2200 Hz 两个频率代表 1 和 0。变送器发出来的，是大约 1 mA 峰峰值的电流波动。
接收端不认电流，认电压。电流要变成电压，得有电阻。
回路里的直流电源对交流信号来说近似短路，它不帮忙，反而会把信号吃掉。能把这 1 mA 撑成电压的，只有串在回路里的那些电阻。
图 1 回路交流电阻与 HART 信号电压的关系（信号电流按 1 mA 峰峰值计）
HART 规范对接收端有明确要求：高于 120 mV 峰峰值必须接收，低于 80 mV 必须忽略，中间是灰区。按 1 mA 算，120 Ω 恰好卡在门限上，一点富余都没有。
规范要求的回路电阻是 230 Ω 到 1100 Ω，最常见的是 250 Ω。
※ 230 Ω 给出约 230 mV，差不多是接收门限的两倍。这一倍的富余，是留给电缆衰减和现场噪声的。
在工作台上调变送器的人都遇到过：24 V 电源直接接到变送器上，电流正常，手操器死活连不上。串一个 250 Ω 进去，马上就通了。
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02
直流和交流，走的不是同一条路
你可能以为卡件上有那个 250 Ω，回路就合格了，其实不是。
PT-3107 的问题出在隔离栅上。
隔离式安全栅不是一根导线。它在现场侧给变送器供电、测回路电流，再在控制室侧重新生成一个 4~20 mA 送给卡件。两边在电气上是隔开的，直流信息是被测量之后「复制」过去的。
交流信号能不能过去，要看这台隔离栅有没有专门做 HART 通道。支持 HART 的型号会在两侧之间双向传递 1200/2200 Hz 的信号，并且让现场侧对交流呈现足够的阻抗。不支持的型号，只管直流。
※ 非 HART 型隔离栅的现场侧输入，对交流往往是低阻的，HART 信号在现场侧就被短掉了。控制室侧卡件上那个 250 Ω 电阻再标准，也够不着隔离栅另一边的变送器。
这就解释了为什么两头都连不上。在机柜侧夹手操器，隔离栅不转发；在现场侧夹，隔离栅的输入把信号吃了。
齐纳式安全栅的情况不同。它是无源的，直流和交流一起穿过，HART 基本不受影响，它带来的问题是串联电阻和压降，这一点第 04 节会再说到。所以选隔离栅时，数据表上要找明确写着支持 HART 或者 HART 透明的型号，光看本安参数和精度不够。
同样的情况也会出在卡件上。有些模拟量输入卡的采样电阻只有几十欧，比如 50 Ω，算出来 50 mV，落在必须忽略的那一段。
回路里真正能撑起 HART 信号的电阻，是从电源到变送器之间、串在同一条交流通路上的那部分。隔离栅之后的电阻不算，并联在旁边的也不算。
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03
能用，所以没人修
这类故障有一个很麻烦的特点：它不影响控制。
4~20 mA 照常送进 DCS，趋势正常，报警正常，联锁也正常。仪表台账上这台表是好的，巡检也挑不出毛病。资产管理系统里那一行「通信失败」，看的人不多，看到的也不会当成急事。
代价要等到需要 HART 的那天才付。改个量程要去现场，读一次诊断也要去现场，还得断开回路或者拿信号源顶着做。
阀门定位器更吃亏。部分行程测试记下的起步压力和行程时间，很多就是走 HART 送回来的。HART 断了，定位器照样能调节，那条余量趋势却再也画不出来。
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04
补电阻之前，先算电压账
发现电阻不够，最直接的办法是在回路里串一个 250 Ω。这一步要小心。
图 2 24 V 供电在 20 mA 时的电压分配（安全栅压降与变送器最低电压为示意）
250 Ω 在 20 mA 时要吃掉 5 V。原来留给变送器的 22.5 V 变成 17.5 V，一般没事。
回路里如果已经有齐纳式安全栅，再扣掉它的几伏压降，变送器端可能只剩 11 V 多，低于很多两线制变送器的最低工作电压。
这种回路在 4 mA、12 mA 时都正常，只在接近满量程时出问题：电流上不去，读数被卡在某个值。它比 HART 连不上更危险，因为它发生在工艺最需要这个读数的时候。
所以加电阻之前，按 20 mA 把整条回路的压降加一遍，再跟变送器数据表上的最低工作电压比。余量不够，就换 HART 型隔离栅，而不是硬串电阻。
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05
能做什么
改造换隔离栅、换卡件，验收时不光测 4~20 mA，每个回路都拿手操器连一次。连得上才算完。
把资产管理系统里的通信状态当成一项巡检内容。「通信失败」持续超过一周的位号，拉一张清单出来，按回路查电阻和隔离栅型号。
设计阶段在回路图上把 HART 交流通路标出来，写明哪个电阻在起作用。
串电阻之前，先算 20 mA 的电压账。
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一个回路可以两年通信失败而没有任何人着急。它不耽误今天的生产，只耽误以后每一次需要它的时候。
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▽ 参考资料（5 项）
· FieldComm Group HCF_SPEC-054 HART FSK Physical Layer Specification
· IEC 61158 / IEC 61784-1 工业通信网络 现场总线规范（HART 为其中一种类型）
· IEC 60079-11 爆炸性环境 本质安全型「i」保护的设备
· IEC 60079-14 爆炸性环境 电气装置的设计、选型和安装
· 各厂商隔离式安全栅与模拟量输入卡数据表 · HART 透明性与输入阻抗