Lichtwellenleiter-Vernetzung

Komfortable Netzwerke über weite Strecken auch im Ex-Bereich

11.05.12 | Redakteur: Wolfgang Leppert

Inhärent sichere LWL-Trennüberträger ermöglichen redundante Ringstrukturen in der Zone 1.
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Inhärent sichere LWL-Trennüberträger ermöglichen redundante Ringstrukturen in der Zone 1.

Anders als mit Kupferkabeln können mit Lichtwellenleitern auch weitläufige Kommunikationsnetze aufgebaut werden, selbst in Ex-Bereichen ausgedehnter Industrieanlagen. Was die Handhabung betrifft, so ist ein bequemes Hot Swapping bei optischen Netzen allerdings nur mit Technik in der Zündschutzart Ex op is erreichbar.

Speziell an weiträumigen Standorten ist eine Vernetzung der Anlagentechnik mit Glasfaserleitungen attraktiv. Verstreute Sensoren und Aktoren, Remote I/O-Systeme, Kontroll- und Überwachungskameras oder Bedienterminals können via Lichtwellenleiter (LWL) Daten mit hoher Geschwindigkeit auch über weite Strecken austauschen. Mit LWL sind Feldbus- und Industrial Ethernet-Netzwerke mit Leitungslängen von 2000 m oder mehr realisierbar – bei Kupferkabeln lag das Limit meist bei 100 m. Speziell bei komplexen Anlagen, in denen viele Umrichter und Motoren arbeiten, bieten optische Netze den Zusatzvorteil, dass sie gegenüber der TP-Verkabelung kein aufwändiges Erdungs- und Schirmungskonzept gegen elektromagnetische Störungen benötigen.

Allerdings muss auch für ein LWL-Netz, wenn es durch Ex-Bereiche führt und dort Automatisierungstechnik angeschlossen ist, sichergestellt sein, dass es nicht zur Zündung einer explosionsgefährdeten Umgebungsatmosphäre kommen kann. Für Lichtleiter ist leicht zu veranschaulichen, weshalb durch optische Strahlung die Gefahr einer Zündung besteht: Lässt man durch eine Lupe Sonnenlicht auf etwas leicht Brennbares fallen, wird es schnell Feuer fangen. Die auf einen kleinen Punkt fokussierte Energie ist im Brennpunkt um ein Vielfaches stärker als in der Fläche. Und ein optischer Leiter fokussiert Licht auf einen sehr kleinen Punkt. Bei einem Kabelschaden oder sich öffnenden Steckverbinder kann daher optische Strahlung eine Explosion auslösen.

Die Lichtenergie birgt Explosionsgefahren

Konkret ist vor allem jede Art durch Licht verursachte unzulässige Erwärmung problematisch, auch wenn es daneben noch weitere Zündmechanismen durch Lichtenergie gibt. Sowohl Partikel in der Atmosphäre als auch die Oberflächen von Geräten im Ex-Bereich können prinzipiell optische Strahlung absorbieren. Daher darf bei einem Kabelbruch weder eine bestimmte Bestrahlungsstärke (d.h. ein Energiewert pro Fläche) überschritten noch eine – unabhängig von der Streuung – bereits absolut zu hohe Lichtenergie freigesetzt werden. Dies erfordert speziell gebaute und zertifizierte Sender und Empfänger.

Kritisch ist bei vielen Anwendungen etwa, dass typische Switches mit optischen Ports bereits nahe oder sogar oberhalb der zulässigen maximalen Lichtleistung senden – ganz zu schweigen von der austretenden Lichtleistung im Fehlerfall. Für Installationen in Zone 1 ist eine Prüfbescheinigung für Switches und Endgeräte unabdingbar. Je nach Explosionsgruppe und Temperaturklasse der Atmosphäre gelten unterschiedliche Grenzwerte für die Lichtenergie bzw. Bestrahlungsstärke. Konkret liegen diese flächenbezogen bei 5 oder 20 mW/mm² sowie für den streuungsunabhängigen Absolutwert bei 15, 35 oder 150 mW bei Dauerbestrahlung. Für gepulste Strahlung gelten besondere Regeln, die sich in Kapitel 5.2.3 der IEC/EN 60079-28 finden.

Diese Norm beschreibt ebenfalls, wie ein Glasfasernetz beschaffen sein muss, um eine Zündung explosionsfähiger Atmosphären zu verhindern. Grundsätzlich ist ein Schutz durch Verriegelungsvorkehrungen möglich, die optische Strahlung zuverlässig unterbrechen (Schutzart Ex op sh). Alternativ zulässig sind die geschützte optische Strahlung (Ex op pr) sowie die inhärent sichere optische Strahlung (Ex op is).

Drei mögliche Zündschutzarten decken unterschiedliche Anforderungen ab

Komponenten und Systeme mit Schutzart Ex op sh gewährleisten prinzipiell eine sichere Störfallerkennung mit Unterbrechung und Sperrung des Signals: Ein Faserbruch wird sofort erkannt und die optische Strahlung unmittelbar abgeschaltet. Das Schutzprinzip basiert auf einer Risikoanalyse ähnlich dem Verfahren für die Funktionale Sicherheit nach IEC/EN 61508 und IEC/EN 61511, worauf die IEC/EN 60079-28 auch ausdrücklich verweist. Schon vor Jahren wurde diese Schutzart bei einem Messumformer umgesetzt, doch bleibt Ausrüstung dieser Art bis heute kaum verfügbar und ist daher vernachlässigbar.

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