工业自动化模拟信号的“黄金标准”：4~20 mA配置要点

剑指工控星期一, 01/05/2026 - 12:54 发表

剑指工控仪表客厅

工业自动化的活化石系列

04 4~20mA的配置要点

4~20mA组成基本要求

变送器输出的 4~20mA 信号通常是与过程变量成比例变化的；

指示器或控制器的 I/O 输入分流电阻是 250Ω， 4~20mA电流在电阻两端产生 1~5V 信号。

供电电压

4~20 mA 电流环路中使用的负载最大电阻值取决于供电电源电压：在 18 伏输入时，环路负载最大电阻值可能达到550 欧姆；在 24 伏输入时，环路负载最大电阻值可能达到 850 欧姆（见图3红线标示）；在系统最大输入 32 伏时，环路负载最大电阻值可能达到1200 欧姆。由于众多变送器都是由控制室内的电源箱集中供电的，它的额定输出电压是24V，通常不会因为某台变送器负载电阻值高为其提供专用的高输出电压。如果用户遇到高负载电阻的情况，通常会增加一台电流转换器（输入4~20 mA/输出4~20 mA），让负载电阻分担在变送器及电流转换器两个电流环路内。

图3 典型的变送器电流环路中负载最大电阻值与供电电源电压的关系

故障安全模式参数

NAMUR曾经为工业自动化提出过多项标准规范，而NAMUR NE43标准是针对4-20mA信号的故障检测和报警的一种标准规范。

缩写 NAMUR 起源于德语“normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der Chemischen Industrie”，翻译过来就是“化学工业测量和控制标准化协会”，缩写 NAMUR 的英文说明是“User Association of Automation Technology in Process Industries”，翻译过来就是“过程工业自动化用户协会”，但通常还在这个名称的前面冠以“国际”，即成为“国际过程工业自动化用户协会”。之所以强调用户，是因为他是由拜耳、巴斯夫等7家公司于1949年在德国发起成立，其成员来自于运营过程工业工厂的公司、为过程工业提供工程服务的公司、大学或类似机构及协会。目前有近150个成员遍布欧洲、亚洲、大洋洲及美洲。他的工作主要是以下四项：推动经验交流；介入到标准制定，体现用户的利益；起草并出版NAMUR Recommendations and NAMUR Worksheets（NAMUR NE建议和 NAMUR 工作表）；关注并引导新技术的引进，在新技术引进中考虑到用户在功能、效率、适用性等方面的需求。

在中国还有个“NAMUR中国”，从2009年起，NAMUR中国就大力推动本地成员、制造商公司的技术交流，以及先进技术的最终落地。NAMUR中国核心组负责人曾表示，作为终端用户协会，NAMUR推动对开放的不断探索，让NAMUR能够帮助流程工业的数字化转型，持续开拓新的可能性。

由于NAMUR所做的工作代表了用户的呼声和需求，所以NAMUR NE建议已成为全球广泛接受和使用的标准之一。一些工业测量和控制标准在制定时也充分考虑了NAMUR 建议和 NAMUR 工作表，比如Ethernet-APL标准的制定和产品的开发的前后，就充分考虑了针对Ethernet-APL技术的NAMUR NE建议，如“NAMUR NE168现场级以太网通信系统的要求”。

再回到NAMUR NE43 建议，它针对4~20mA信号的故障检测和报警定义了两个超出正常工作范围的电流水平：信号饱和（超出测量范围）和硬件故障（见图4）。

图4 NAMUR NE43对4~20mA信号故障检测和报警的定义

信号饱和是指工艺条件偏离正常操作工况，例如被测值超出了变送器的量程上限或低于量程下限时，输出信号饱和，如变送器在超出量程上限时最多可输出20.5mA，低于量程下限时最少可输出3.8mA。硬件故障是指变送器的硬件检测功能检测到硬件内部出现的故障，这时可将变送器的输出信号置为21.0mA或3.6mA(此值也可由生产商自己定义)。

符合NAMUR标准的这套详细的规范，确保了信号的可靠性和故障诊断的准确性。NAMUR NE43标准在工业自动化中被广泛应用，特别是在需要高可靠性和安全性的场合。国内的变送器生产厂家大都也按照NAMUR NE43的建议设置了故障安全模式参数。

05 4~20mA信号制的未来

虽然4~20mA信号制目前仍在广泛使用，但其客观局限性也很突出，如因其输出电流环路仅支持单参数传输（1个过程变量PV）而被称为“数据荒漠”，传输精度也有限。1986年，罗斯蒙特公司制定了HART开放式通信协议，将HART数字信号叠加在4~20mA模拟信号上并且不影响模拟信号传输。HART协议作为从模拟系统向数字系统的过渡性现场总线协议，可以将更多的被测过程参数、设备组态、校准、诊断信息等通过HART协议中的数字通道传送，传输精度也稍有提高。

尽管面临Ethernet-APL的数字化替代，但在防爆要求高、点位分散的已投运多年的老企业和部分改扩建企业，新投运或还在运行的4~20mA+HART现有设备仍不可替代或难以替代。

未来，只要模拟式现场设备还存在一天，您就会看到4~20mA 信号制绝不会突然消失，还依然“活”着。在未来很长一段时间内，4~20mA与Ethernet-APL等新技术也将和平共处、友好共存，或许它的角色定位会发生变化，从主力军逐渐转变为有效补充，但它将以 “IIoT神经末梢” 的角色融入工业互联网——如同老将披新甲，在智能时代的庞大生态中继续发挥余热，默默做出贡献！