HART-Kommunikator und 250-Ohm-Widerstand: Warum die Stromschleife ihn braucht

HART-Kommunikator und 250-Ohm-Widerstand: Warum die Stromschleife ihn braucht

Fast jede HART-Frage aus der Instandhaltung führt irgendwann zu demselben Widerstand: Warum brauche ich einen 250-Ohm-Widerstand, wo wird er angeschlossen, und was passiert ohne ihn? Dahinter steckt keine bloße Gewohnheit, sondern die physikalische Übertragung des digitalen HART-Signals zusätzlich zum analogen 4–20 mA-Signal.

Wie HART Daten auf einer 4–20 mA-Stromschleife überträgt

HART verwendet ein frequenzumgetastetes Signal (FSK). Dem DC-Schleifenstrom wird ein sinusförmiges Signal von ±0.5 mA mit zwei Frequenzen überlagert: 1200 Hz für eine logische „1“ und 2200 Hz für eine logische „0“. Da dieses Signal ein AC-Strom auf der DC-Schleife ist, bleibt der Mittelwert des Schleifenstroms beim 4–20 mA-Prozesswert. Die PLC erfasst weiterhin dieselbe Prozessgröße, während der Kommunikator gleichzeitig die digitalen Daten empfängt.

Damit aus diesem kleinen AC-Strom eine lesbare AC-Spannung entsteht, muss die Schleife einen gewissen Widerstand aufweisen. Ein Strom erzeugt an einem Widerstand eine Spannung, die der Kommunikator auswertet. Ohne Widerstand in der Schleife fällt die AC-Spannung mit den HART-Daten nahezu auf null; der Kommunikator erkennt dann Rauschen statt Daten.

Die 250-Ohm-Regel richtig erklärt

Eine in Reihe geschaltete Last von 250 Ohm ist eine übliche Maßnahme bei der HART-Verdrahtung. Die erforderliche AC-Impedanz und die maximale Last ergeben sich aus den Handbüchern von Messumformer, Kommunikator und zugehörigen Geräten. Einige Geräte verlangen mindestens 230 Ohm, andere 250 Ohm. Ein ideales Signal von ±0.5 mA erzeugt an 250 Ohm etwa ±125 mV. Der Widerstand verbraucht jedoch auch DC-Spannungsreserve; ein zusätzlicher Widerstand hat somit seinen Preis.

Wo der Widerstand tatsächlich angeschlossen wird

Eine übliche externe Last wird in Reihe in die Stromschleife geschaltet. Der Kommunikator wird an den freigegebenen Kommunikationspunkten parallel angeschlossen, meist an den Messumformerklemmen oder an einer geeigneten Last. Er wird nicht wie ein Strommessgerät in Reihe eingeschleift. Beachten Sie den Schleifenschaltplan und das Gerätehandbuch einschließlich etwaiger Einschränkungen für explosionsgefährdete Bereiche.

Am Messumformer: Liegt zwischen Anschlusspunkt und Versorgung bereits eine ausreichende Last, kann der Kommunikator normalerweise parallel an die freigegebenen Messumformerklemmen angeschlossen werden. Unterbrechen Sie keine laufende Schleife, nur um einen zweiten Widerstand einzubauen. Erforderliche Verdrahtungsänderungen müssen nach dem geregelten Arbeitsverfahren des Standorts erfolgen.

An der Rangierseite von DCS/PLC: Prüfen Sie die tatsächliche Eingangsimpedanz der Karte und ob Barrieren, Trenner oder Filter HART durchlassen. Eine vorhandene geeignete Eingangslast kann die Anforderung bereits erfüllen. Verwenden Sie die vorgesehenen Kommunikationspunkte, statt jeden Analogeingang als HART-durchlässig anzusehen.

Im Kommunikator integriert: Manche Werkzeuge bieten in bestimmten Verdrahtungsarten eine zuschaltbare Last oder eine Schleifenspeisung. Andere sind reine Parallelmodems ohne Reihenwiderstand. Verwenden Sie das Anschlussbild des Werkzeugs. Durch das Anklemmen eines gewöhnlichen Modems parallel zum Messumformer wird nicht automatisch ein Widerstand in die Schleife eingefügt.

Warum die Kommunikation im Schaltschrank funktioniert, im Feld aber nicht

Funktioniert HART im Schaltschrank, aber nicht im Feld, ist die gemeinsame Reihenlast nicht allein durch das Umsetzen des Kommunikators verschwunden. Prüfen Sie die freigegebenen Klemmen, Barrieren oder Trenner, AC-Nebenpfade, Kabelkapazität, Störungen, gegebenenfalls die Polarität und die Werkzeugeinstellungen. Gehen Sie nicht davon aus, dass jedes physische Schleifenende einen eigenen 250-Ohm-Widerstand benötigt.

Messen Sie vor dem Hinzufügen eines Widerstands die tatsächlichen Schleifenbedingungen und prüfen Sie den gesamten Stromkreis. Beheben Sie eine fehlende Last oder einen ungeeigneten Signalweg erst nach eindeutiger Feststellung der Ursache. Für eine erforderliche Unterbrechung muss sich der Prozess im dafür freigegebenen Zustand befinden.

Die Lastgrenze, die Sie beachten müssen

Der Widerstand bleibt nicht ohne Folgen. Jeder 250-Ohm-Widerstand verursacht einen Spannungsabfall aus Schleifenstrom mal Widerstand: etwa 1 V bei 4 mA und bis zu 5 V bei 20 mA. Berechnen Sie den ungünstigsten Fall beim konfigurierten maximalen Ausgangs- oder Fehlerstrom, nicht nur bei 20 mA. Der Messumformer benötigt seine Mindestklemmenspannung, bei einem 4–20 mA-HART-Messumformer typischerweise 10.5–12 V. Die Versorgung muss den Bedarf von Messumformer, Widerstand und Kabelwiderstand decken. Bei einer langen Schleife und einer knapp bemessenen 24 V-Versorgung kann ein ungünstig eingefügter 250-Ohm-Widerstand die Klemmenspannung unter das Minimum drücken und die gesamte Schleife ausfallen lassen.

Rechnen Sie vor dem Hinzufügen eines Widerstands nach: Versorgungsspannung minus (Mindestspannung des Messumformers plus Kabelspannungsabfall plus Widerstandsspannungsabfall) muss mit ausreichender Reserve positiv bleiben.

Fragen aus der Instandhaltung

F1. Brauche ich den Widerstand auch bei einem Bluetooth- oder USB-Modem?

Die Anschlussart ändert die Impedanzanforderung der Schleife nicht. Prüfen Sie, ob genau dieses Werkzeug im gewählten Modus eine Last bereitstellt. Gehen Sie nicht davon aus, dass die meisten USB- oder Bluetooth-Modems eine solche Last enthalten.

F2. Kann ich einen anderen Wert als 250 Ohm verwenden?

Mitunter ja. Der nutzbare Bereich wird durch die HART-Impedanzanforderung des Geräts, die Kabelkapazität, die zugehörigen Geräte und die verbleibende Versorgungsspannung begrenzt. Halten Sie sich an die dokumentierten Grenzen, statt jeden Wert von 230–600 Ohm für jede Schleife als geeignet anzusehen.

F3. Warum funktioniert mein Kommunikator auf einem Kanal, auf dem nächsten aber nicht?

Vergleichen Sie Eingangslast, HART-Signalweg durch Trenner und Filter, Verdrahtung, Spannungsreserve, Geräteadresse und Werkzeugkonfiguration. Ein Eingang ohne HART kann in einer geeigneten Schleife dennoch einen lokalen Kommunikator zulassen. Eine HART-fähige Karte ist erforderlich, wenn die Steuerung selbst HART-Daten austauschen soll.

F4. Was ist zu tun, wenn die Schleife keinen Widerstand hat und ich die Leitung nicht unterbrechen darf?

Prüfen Sie zunächst, ob eine geeignete Last und ein freigegebener Anschlusspunkt bereits vorhanden sind. Ein einfacher parallel angeschlossener Kommunikator kann eine fehlende Reihenlast ohne eine dafür vorgesehene Anschaltung nicht erzeugen. Planen Sie eine geregelte Änderung oder nutzen Sie, sofern verfügbar, den vom Hersteller freigegebenen unterbrechungsfreien Werkzeugmodus.

Weiterführende technische Leitfäden

• Ausgangssignale von Radar-Füllstandmessumformern: Das passende Signal auswählen
• Radar-Füllstandmessumformer spezifizieren: Die 14 Angaben, die das Angebot bestimmen

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Technische Quellen

• Referenz zu HART-Klemmen und Schleifenverdrahtung