Verbesserung der Kommunikation in explosionsgefährdeten Umgebungen

Verbesserung der Kommunikationskonnektivität in explosionsgefährdeten Bereichen

Der Bedarf an einer Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation nimmt zu, selbst in abgelegenen Gebieten, die schwer zu erreichen sind und in denen schwer zu arbeiten ist. Dazu gehören oft einige sehr gefährliche und oft explosive Umgebungen, einschließlich Öl-, Gas-, Kohle- und Tiefseeplattformen. Die Implementation von IT (Informationstechnologie) und OT (Betriebstechnologie) in der Schwerindustrie und in gefährdeten Bereichen kann sicher und zuverlässig mit ATEX-zugelassenen Glasfasern erfolgen.

Einführung

Als einziger Hersteller, der einen ATEX-zugelassenen optischen Steckverbinder mit erweitertem Strahl anbietet, versteht Cinch Connectivity Solutions die hiermit verbundenen Herausforderungen. Diese Informationsschrift bietet einen tieferen Einblick in diese Herausforderungen und erläutert, warum es sich lohnt, diese zu überwinden.

Der Bedarf an einer Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation nimmt zu, selbst in abgelegenen Gebieten, die schwer zu erreichen sind und in denen schwer zu arbeiten ist. Dabei handelt es sich oft um sehr gefährliche und oft explosive Umgebungen. Die „Giganten“ hier bleiben Öl, Gas und Kohle, durch Tage- und Untertagebergbau und Tiefsee-Plattformen. Die Kombination dieser Schwerindustrie und gefährlichen Umgebungen mit Technologien, die eher in einem Rechenzentrum zu Hause sind, ist nicht einfach, aber es wird immer wichtiger, IT (Informationstechnologie) und OT (Betriebstechnologie) näher zusammenzubringen.

Elektrische Geräte können in einer explosionsgefährdeten Umgebung eine offensichtliche Zündquelle sein, was weitere Konstruktionsanforderungen mit sich bringt. Die Entwicklung von Verbindungen, die in explosionsgefährdeten Atmosphären betrieben werden können, bedeutet auch, extremen Temperatur-, Feuchtigkeits-, Vibrations-, Stoß- und physikalischen Belastungen standzuhalten.

Aufgrund der Nachfrage nach höheren Bandbreiten und geringeren Latenzen nimmt auch in diesen Anwendungen der Einsatz von Glasfasern zu. Derzeit basieren die meisten optischen Verbindungen jedoch auf physikalischem Kontakt, hauptsächlich da dies die am weitesten verbreitete Art von optischer Verbindung ist. Das lässt diese aber nicht zu den besten werden. In Bezug auf Benutzerfreundlichkeit und robuste Flexibilität ist die Strahlerweiterungs-Technologie weit überlegen. Die Fibreco Geo-Beam™ EX-Produktlinie von Cinch Connectivity Solutions ist für den Einsatz in den ATEX-Zonen 1 und 2 und sogar in Zone 0 zugelassen, wenn diese mit der entsprechenden Hardware verwendet wird.

ATEX verstehen

Es ist wichtig zu verstehen, dass eine explosionsgefährdete Umgebung oder ATEX nicht auf das Vorhandensein offensichtlicher brennbarer Substanzen wie Gas oder Öl beschränkt ist. In nicht allzu ferner Vergangenheit waren Getreidemühlenexplosionen leider an der Tagesordnung. Die gleichen Bedingungen herrschen heute überall dort, wo feine Partikel brennbaren Staubs zirkulieren und sich mit Luft vermischen. Wo immer diese Bedingungen vorliegen, sind Sicherheitsvorschriften zum Schutz der Arbeitnehmer vorhanden, die das Verhindern der Freisetzung brennbarer Stoffe sowie die Kontrolle der Verwendung potenzieller Zündquellen umfassen.

Da keine freiliegenden elektrischen Verbindungen vorhanden sind, scheint die Glasfasertechnologie eine naheliegende Wahl für die Bereitstellung von Hochgeschwindigkeitsverbindungen in ATEX-Umgebungen zu sein. Die Verwendung von Licht zur Bereitstellung der Datenkommunikation erfordert keinen elektrischen Stromfluss, wodurch eine offensichtliche Zündquelle beseitigt wird.

Aus diesem Grund bestehen Normen, die den Einsatz von Technologien kontrollieren, die eine Form der Zündung darstellen könnten. Die wichtigsten zu beachtenden Zulassungen sind ATEX und IECEx. Diese werden normalerweise in Form einer ATEX-Zertifizierung, einer ATEX-Qualitätssicherungsmitteilung und eines IECEx-Qualitätsbewertungsberichts bereitgestellt.

Herausforderungen explosiver Umgebungen

Obwohl keine elektrischen Quellen vorhanden sind, gelten Glasfaseroptikverbindungen nicht als eigensicher. Dies bedeutet, dass der Einsatz in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre durch Normen abgedeckt werden muss, die das Risiko eines Zwischenfalls verhindern sollen.

Es bestehen vier Hauptrisiken, die wie folgt zusammengefasst werden können:

• Eine optische Strahlungsabsorption erhöht Oberflächentemperaturen: aus der Faseroptik austretendes Licht wird von Materialien absorbiert, wodurch die Oberflächentemperatur ansteigt. Erreicht die Oberflächentemperatur die Zündtemperatur der Umgebung, kann es zu einer Entzündung kommen
• Eine optische Strahlungsabsorption durch brennbare Materialien: stimmt die Wellenlänge des austretenden Lichts mit der Absorptionsspanne des brennbaren Materials überein, steigt dessen Temperatur und kann die Zündtemperatur erreichen
• Mit Sauerstoff reagierende Wellenlänge: reagiert die verwendete Wellenlänge mit Sauerstoffmolekülen in der örtlichen Umgebung, kann ein Oxidationsmittel entstehen, das eine der drei kritischen Bedingungen für die Verbrennung darstellt
• Direkte Wechselwirkung mit explosivem Gas: das Licht könnte auch direkt mit einem explosiven Gas interagieren und entweder ein Plasma oder eine Stoßwelle erzeugen, die beide eine Zündquelle darstellen

IEC 60079-28 Schutz von Geräten, die optische Strahlung verwenden

Die Norm IEC 60079-28 bezieht sich speziell auf optische Strahlung in explosionsgefährdeten Umgebungen. Diese wird weltweit angewendet und definiert eine Reihe von Zündquellen sowie den erforderlichen Schutz von Geräten, die in verschiedenen Umgebungen betrieben werden. Hierdurch kann der Sicherheitsprozess quantifiziert werden. Jedem Parameter wird eine Identifikationsnummer oder ein Buchstabe zugewiesen, die/der in der Teilenummer oder Spezifikation für eine Komponente, wie etwa einem Steckverbinder, verwendet werden kann. Für den Einsatz einer Quelle optischer Strahlung in explosionsgefährdeten Bereichen sind drei Schutzarten definiert, die gemeinhin als Ex (bezogen auf explosionsgefährdet) und als Op (bezogen auf den optischen Schutz) bezeichnet werden.

Die aus zwei Buchstaben bestehenden Referenzen werden üblicherweise wie folgt als Teil der Nomenklatur der Komponente verwendet:

• Ex op is - „is“ bezieht sich auf „inherently safe“ (eigensicher). Diese wird verwendet, wenn die Menge an optischer Energie begrenzt ist, wenn sie in mW/mm2 gemessen wird
• Ex op pr - „pr“ bezieht sich auf „protected“ (geschützt). Der Schutz ist in diesem Fall physikalisch
• Ex op sh - “sh“ bezieht sich auf „interlock“ (Verriegelung). Dies verhindert eine Zündung durch Unterbrechung der optischen Übertragung

Die Vorteile von Lichtwellenleitern in ATEX

Die Vorteile des Einsatzes der Glasfaseroptik-Kommunikation gegenüber der Kommunikation über Kupferleitungen sind zahlreich und gelten für viele Anwendungsbereiche. Dazu gehört das Gewicht: Glasfaser ist viel leichter als Kupfer, und mit steigender Nachfrage nach Bandbreite rückt der Punkt näher, an dem Glasfaser die bessere Wahl ist. Es wird immer üblicher, Verbindungen zu verwenden, die sowohl Kupfer- als auch Glasfaseranschlüsse in demselben Steckverbinder kombinieren, oft um sowohl Versorgungsspannung als auch Daten bereitzustellen. Dies ist ein weiteres wichtiges Merkmal von Geo-Beam EX, da dieser Hybrideinsätze aufnehmen kann, die optische, Leistungs- und Signalanschlüsse in demselben explosionsgeschützten Gehäuse vereinen. Da die Glasfaserkosten weiter sinken und der Bedarf an höherer Bandbreite weiter steigt, könnte die Konvergenz dazu führen, dass Kupfer nur noch zur Spannungsversorgung verwendet wird.

Ein weiteres wichtiges und verwandtes Merkmal von Glasfaser ist dessen Immunität gegenüber EMI. Glasfaser wird nicht wie Kupfer durch elektromagnetische Emissionen beeinträchtigt, selbst abgeschirmtes Kupfer. Außerdem gibt diese keine elektromagnetische Strahlung ab, was bedeutet, dass benachbarte Kupferverbindungen nicht beeinflusst werden. Dies kann besonders wichtig in Anwendungen sein, die den Einsatz von Schwermaschinen umfassen, bei denen durch EMI verursachte Unterbrechungen zu katastrophalen Ausfällen führen könnten.

Vereinfachung von Glasfaserverbindungen mittels Strahlerweiterung

Auch das Anschließen von Glasfaserkabeln im Feld wird einfacher, dank der Entwicklung von Strahlerweiterungs-Steckverbindern. Die am häufigsten verwendete Form der Verbindung zwischen zwei Glasfasern ist die physikalische Kontaktverbindung, die auch als physikalische Verbindung bezeichnet wird. Eine physikalische Verbindung beruht darauf, dass die beiden Enden der Faser perfekt ausgerichtet sind, sodass bei Berührung wenig oder kein Licht entweicht, was als Einfügungsverlust bezeichnet wird. Physikalische Verbindungen sind jedoch anfällig für Verschleiß sowie für eine Verschlechterung des S/R–Verhältnisses aufgrund von Staub oder anderen Partikeln, die zwischen die beiden Enden gelangen. Die Strahlerweiterungs-Technologie überwindet dies, da diese nicht auf eine direkte oder physikalische Verbindung angewiesen ist. Stattdessen werden Linsen verwendet, um den Strahl, der durch einen Luftspalt zwischen den beiden Enden verläuft, zu erweitern und zu kollimieren. Auf beiden Seiten der Verbindung wird eine ähnliche Linse verwendet, aber es besteht keine Notwendigkeit, dass diese sich physikalisch berühren. Das lässt Verbindungen einfacher und weniger verschleißanfällig werden.

Glasfaseroptik-Verbinder mit Strahlerweiterung verwenden eine Linse, um das von einer Glasfaser emittierte Licht zu erweitern und zu kollimieren. Dieser kollimierte Lichtstrahl wird durch einen Luftspalt auf einen Gegenstecker übertragen, wo das Licht gesammelt und von einer zweiten Linse zur Herstellung der Verbindung auf eine zweite Glasfaser fokussiert wird.

Sicherheitszertifizierung für Glasfaseroptikverbindungen

Die EU-Richtlinie 2014/34/EU (basierend auf den Richtlinien 99/92/EG und 94/9/EG), die gemeinhin als ATEX-Richtlinie bezeichnet wird, und die Norm IEC 60079-28:2015 werden in großem Umfang innerhalb der Industrie verwendet. Dies ist besonders relevant für Hersteller, die Produkte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen anbieten.

In der ATEX-Richtlinie werden Zonen verwendet, um das Explosionspotential in einer bestimmten Umgebung zu klassifizieren. Beispielsweise beziehen sich Zone 1 und Zone 2 beide auf eine explosionsgefährdete Umgebung, die durch das Vorhandensein der für eine Explosion erforderlichen Schlüsselelemente gebildet wird. Dabei handelt es sich um eine brennbare Substanz (z. B. Gas, Dampf oder Nebel), gekoppelt mit einem Oxidationsmittel und einer Zündquelle. Wenn es wahrscheinlich ist, dass diese Bedingungen tagtäglich auftreten, wird das Gebiet als Zone 1 eingestuft, während es als Zone 2 eingestuft wird, wenn die Bedingungen nicht wahrscheinlich sind, aber auftreten könnten. Ein Bereich, in dem ein explosionsfähiges Gemisch ständig oder für längere Zeit vorhanden ist, würde als Zone 0 eingestuft.

Wie bereits erläutert, wurde die Serie Geo-Beam™ EX explosionsgeschützter Strahlerweiterungs-Steckverbinder von Cinch Connectivity Solutions für den Einsatz in gefährlichen Umgebungen entwickelt und ermöglicht die Konsolidierung von Spannungsversorgung, Daten und optischer Konnektivität in einer einzigen Verbindung. Als solche wird sie durch optische Einsätze unterstützt, die 2, 4, 6 und 8 optische Kanäle mit Strahlerweiterung umfassen, sowie mit Hybrid-Einsätzen, die 4 optische Kanäle mit Strahlerweiterung und 2 nicht-optische Kanäle oder 2 Kanäle mit Strahlerweiterung und 4 nicht-optische Kanäle unterstützen können. Dazu gehört auch die Verwendung von Mixed-Optical-Mode-Verbindungen innerhalb desselben Einsatzes.

Betrieb in Gefahrenbereichen

Die Serie wurde für den Einsatz in Gefahrenbereichen der Zone 1 und Zone 2 konzipiert, kann aber in Verbindung mit der entsprechenden Hardware auch in Gefahrenbereichen der Zone 0 eingesetzt werden. Dadurch sind sie ideal für Anwendungen wie Öl-, Gas- und Offshore-Bohrungen, petrochemische Raffinerien, chemische Produktionsanlagen und die Arzneimittelherstellung.

Der Inline-Stecker und der für das Gehäusemontage-Schott sind aus Edelstahl gefertigt. Der Steckverbinder verwendet eine Tri-Start-Trapezkupplung mit reduzierter Drehung und zusätzlicher Verriegelung. Ein hörbares Klicken beim vollständigen Einrasten gibt die Sicherheit, dass die Verbindung ordnungsgemäß hergestellt wurde. Die Steckverbinder können in vorgeschalteten, mittigen und nachgeschalteten Anwendungen eingesetzt werden und entsprechen sowohl den ATEX- als auch den IECEx-Normen, die für Europa bzw. den Rest der Welt gelten.

Dies bedeutet, dass die Serie Geo-Beam™ EX in explosionsgefährdeten und gefährlichen Umgebungen auf der ganzen Welt eingesetzt wird, darunter bei Bohrungen (Öl, Gas, Offshore), in petrochemischen Raffinerien, in chemischen Produktionsanlagen und in der pharmazeutischen Industrie. Die Steckverbinder bieten eine typische Einfügungsdämpfung von -1,5 dB bei Singlemode- und -1,0 dB für Multimode-Steckverbindern. Die Rückflussdämpfung beträgt im Singlemode typischerweise 40 dB und diese entsprechen der Schutzart IP67. Weitere Informationen zur Strahlerweiterungs-Technologie von Cinch Connectivity Solution finden Sie hier.

Fazit

Die Verwendung von Glasfaseroptikverbindungen verlagert sich aus kontrollierten Umgebungen wie Rechenzentren in Bereiche der Schwerindustrie wie den Bergbau und die petrochemische Produktion. Dies sind Gefahrenbereiche, in denen die Bedingungen für explosive Vorfälle eintreten können.

Die Gemeinschaft von Technikern/Ingenieuren ist sich sowohl der Notwendigkeit als auch der Herausforderungen bewusst, die der Einsatz von Glasfaseroptiken in einer explosionsgefährdeten Umgebung mit sich bringt. Durch die gemeinsamen Bemühungen von auf ihrem Gebiet führenden Unternehmen hat die Branche Normen entwickelt, die den sicheren Betrieb von Glasfaseroptiken in explosionsgefährdeten Bereichen gewährleisten.

Cinch Connectivity Solutions ist eines dieser führenden Unternehmen. Es verfügt über langjährige Erfahrung und ein breites Portfolio an qualifizierten Komponenten, die in den anspruchsvollsten Anwendungen eingesetzt werden. Die Serie Geo-Beam™ EX ist sowohl nach der ATEX-Richtlinie 2014/34/EU als auch nach der IEC 60079-Spezifikation zertifiziert und bietet eine robuste und zuverlässige Möglichkeit, die Vorteile der Glasfaseroptiktechnik für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen zu nutzen.