HART 통신 원리｜4-20mA 신호에 FSK가 중첩되는 이유

HART 통신은 기존 4-20mA 아날로그 신호를 유지하면서 같은 배선으로 디지털 정보를 함께 전달하는 방식입니다.

핵심은 4-20mA DC 전류 위에 FSK(Frequency Shift Keying) 신호를 중첩하는 것입니다.

따라서 하나의 2선식 루프에서

• 4-20mA → 공정의 기본 측정값
• HART → 장비 상태·진단·설정값 등 디지털 정보

를 동시에 전달할 수 있습니다. FieldComm Group도 HART를 4-20mA 신호 위에 저레벨 디지털 통신 신호를 중첩하는 방식으로 설명합니다.

HART 통신은 4-20mA에 어떻게 중첩될까?

HART의 유선 FSK 방식은 Bell 202 계열의 Frequency Shift Keying을 사용합니다.

디지털 데이터는 서로 다른 두 주파수로 표현됩니다.

• 1200Hz → Logic 1
• 2200Hz → Logic 0

Emerson의 HART 장비 자료에서도 1200Hz를 Mark, 2200Hz를 Space로 사용하며 통신속도는 1200bps라고 명시합니다.

즉 트랜스미터가 12mA를 출력하고 있다고 가정하면 기본 측정값은 여전히 12mA입니다.

그 위에 HART 통신을 위한 1200Hz 또는 2200Hz의 교류 성분이 겹쳐집니다.

왜 HART 신호가 4-20mA 측정값을 바꾸지 않을까?

여기가 HART 원리에서 가장 중요한 부분입니다.

HART의 FSK 신호는 평균값이 0이 되도록 구성됩니다.

따라서 교류 형태의 디지털 신호가 4-20mA 위에 중첩되더라도 DC 평균 전류에는 값을 추가하지 않습니다.

Emerson의 HART 원리 설명에서도 1200Hz와 2200Hz 신호가 4-20mA에 중첩되지만 FSK 신호의 평균값이 0이기 때문에 DC 값이 추가되지 않는다고 설명합니다.

쉽게 표현하면 다음과 같습니다.

4-20mA DC 신호 = 공정값

+ HART FSK 교류 신호 = 디지털 데이터

두 신호는 같은 배선을 사용하지만 서로 다른 방식으로 정보를 전달합니다.

HART 통신속도는 얼마나 될까?

기존 유선 HART FSK 통신속도는 1200bps입니다.

FieldComm Group은 HART FSK가 1200bps로 통신하며 일반적인 Smart Field Device에서 디지털 정보를 추가로 전달한다고 설명합니다.

따라서 HART는 Ethernet처럼 대량 데이터를 빠르게 전송하기 위한 기술은 아닙니다.

주로 다음과 같은 정보를 전달하는 데 사용됩니다.

• 장비 상태
• 진단정보
• 추가 측정값
• 설정값
• Device Identification

FieldComm Group은 HART의 디지털 채널을 통해 Device Status, Diagnostics, 추가 측정값 또는 계산값 등을 전달할 수 있다고 설명합니다.

4-20mA와 HART는 동시에 어떻게 읽을까?

일반적인 Point-to-Point HART 구성에서는 PLC나 DCS가 4-20mA 전류를 읽어 기본 공정값을 처리할 수 있습니다.

동시에 HART Communicator, HART 지원 Analog Input 또는 HART Modem은 같은 배선에 중첩된 FSK 신호를 읽습니다.

따라서 제어 시스템은 4-20mA를 이용하고 유지보수 장비는 HART 디지털 정보를 이용하는 구성이 가능합니다.

이것이 기존 4-20mA 설비를 모두 교체하지 않고도 Smart Transmitter의 진단·설정 기능을 사용할 수 있는 이유입니다.

HART에서 Loop Resistance가 필요한 이유

HART 신호를 검출하려면 루프에 적절한 임피던스가 필요합니다.

하지만 HART를 쓴다고 외부 250Ω 저항을 무조건 추가하는 것은 아닙니다.

PLC나 DCS Analog Input 내부에 이미 필요한 저항이 존재할 수 있기 때문입니다.

특정 모델 예시: Rosemount 2051

Emerson의 Rosemount 2051 4-20mA HART 모델은 HART Communicator와 통신하기 위해 최소 250Ω의 Loop Resistance가 필요하다고 명시합니다. 또한 전체 부하는 Signal Lead, Controller, Indicator 등 관련 장비의 저항을 합산해 판단하도록 안내합니다.

이 250Ω은 해당 모델의 제조사 조건을 보여주는 예입니다.

다른 트랜스미터나 HART 장비도 반드시 동일하다고 단정하면 안 됩니다.

실제 구성에서는 사용하는 장비의 Wiring Diagram과 HART 통신 조건을 우선 확인해야 합니다.

HART에서 250Ω이 사용되는 이유와 1-5V 변환 관계는 아래 글에서 따로 다룹니다.

4-20mA 250Ω 저항을 사용하는 이유｜1-5V 변환과 HART 관계

저항을 추가하면 Loop Power도 확인해야 한다

HART 통신을 위해 외부 저항을 추가하면 4-20mA 루프의 전압강하도 증가합니다.

예를 들어 250Ω 저항에 20mA가 흐르면 옴의 법칙에 따라

V = I × R

0.020A × 250Ω = 5V

의 전압강하가 발생합니다.

이 계산 자체는 일반적인 옴의 법칙입니다.

하지만 트랜스미터가 실제로 확보해야 하는 최소 단자전압과 허용 부하는 모델마다 다릅니다.

따라서 외부 저항을 추가했다면 사용하는 트랜스미터의 Load Curve나 Minimum Supply Voltage를 함께 확인해야 합니다.

Loop Resistance와 공급전압의 관계는 아래 글에서 별도로 다룹니다.

4-20mA 부하저항 계산｜2선식 트랜스미터 Loop Power 공식

HART 통신이 안 될 때 원리를 이용해 확인할 것

HART 통신 문제는 단순히 250Ω 저항 하나의 문제라고 보기 어렵습니다.

먼저 다음 항목을 확인합니다.

1. 트랜스미터가 HART를 지원하는지 확인
2. HART Communicator 또는 Modem 결선 확인
3. PLC/DCS Analog Input의 입력 임피던스 확인
4. 현재 Loop Resistance가 장비 요구조건을 만족하는지 확인
5. 트랜스미터 단자전압이 제조사 요구조건을 만족하는지 확인
6. 케이블·접지·노이즈 환경 확인

이때 외부 저항을 추가하기 전에 현재 루프에 이미 존재하는 저항부터 확인하는 것이 중요합니다.

특정 HART 장비는 저임피던스 전원이나 입력구성에서 별도의 통신 저항을 요구하기도 합니다. 예를 들어 Endress+Hauser의 특정 Liquiphant FTL62 HART 매뉴얼은 저임피던스 전원 구성에서 250Ω HART 통신 저항을 요구하고, 저항에 따른 전압강하도 고려하도록 안내합니다. 이는 해당 모델의 설치조건 예시입니다.

HART FSK를 파형으로 보면 어떻게 이해할까?

HART 신호를 개념적으로 보면 일정한 4-20mA DC 레벨 위에 작은 사인파 형태의 신호가 올라가 있는 모습입니다.

디지털 값에 따라

1200Hz ↔ 2200Hz

로 주파수가 바뀝니다.

Texas Instruments의 HART 호환 Modem 제품도 1200Hz와 2200Hz HART FSK Sinusoid를 처리하도록 설계되어 있습니다.

따라서 HART의 핵심은 전류의 평균 크기를 이용해 공정값을 전달하면서, 주파수 변화로 디지털 데이터를 추가 전달하는 것입니다.

HART 통신 원리 핵심 정리

HART가 4-20mA와 함께 동작할 수 있는 이유는 두 신호가 서로 다른 방식으로 정보를 전달하기 때문입니다.

4-20mA
: DC 전류의 크기로 공정 측정값 전달

HART
: 1200Hz와 2200Hz FSK 신호로 디지털 데이터 전달

HART FSK 신호는 평균값이 0이 되도록 구성되므로 정상적인 HART 시스템에서는 기존 4-20mA DC 측정값과 디지털 통신을 같은 배선에서 함께 사용할 수 있습니다.

실제 설계에서는 HART 원리보다도 사용하는 장비의 Loop Resistance, 공급전압, 입력회로 조건을 함께 확인해야 합니다.

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참고자료

• FieldComm Group, HART Technology Explained — HART FSK 방식, 4-20mA와 디지털 신호의 동시 전송, 1200bps 통신 특성.
• FieldComm Group, HART FSK Physical Layer Specification — HART FSK 물리계층과 장치 간 상호운용 조건.
• Emerson, Rosemount 2051 Pressure Transmitter Reference Manual — 특정 4-20mA HART 모델의 공급전압, Loop Resistance 및 HART Communicator 연결조건.
• Emerson, HART Communication Principle of Operation — 1200Hz·2200Hz FSK 신호와 평균값 0에 따른 4-20mA 동시 전송 원리.
• Texas Instruments, DAC8742H — HART 호환 Physical Layer Modem의 1200/2200Hz FSK 지원 예시.