Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 28: Schutz von Geräten und Übertragungssystemen mit optischer Strahlung

vor 14 Stunden

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DIN EN 60079-28: Warum Lichtwellenleiter im Ex-Bereich besondere Aufmerksamkeit benötigen

Eine Norm, deren letzte Fassung bereits mehr als zehn Jahre zurückliegt, rückt wieder stärker in den Fokus: DIN EN 60079-28 – Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 28: Schutz von Geräten und Übertragungssystemen, die mit optischer Strahlung arbeiten.

Der Grund dafür liegt auf der Hand: Die Digitalisierung macht auch vor explosionsgefährdeten Bereichen nicht halt. Moderne Kommunikations- und Automatisierungssysteme benötigen immer größere Bandbreiten und müssen zunehmend größere Entfernungen überbrücken. Während hierfür im klassischen Büro- oder IT-Umfeld längst Lichtwellenleiter eingesetzt werden, findet die Glasfasertechnik inzwischen auch in industriellen Anwendungen und damit auch in explosionsgefährdeten Bereichen immer häufiger Verwendung.

Doch ist ein Lichtwellenleiter nicht grundsätzlich sicher?

Schließlich fließt hier kein elektrischer Strom durch einen Kupferleiter. Und wo kein elektrischer Funke entstehen kann, sollte doch auch keine Zündgefahr bestehen – oder?

Ganz so einfach ist es nicht.

Lichtwellenleiter in Conduit System (KI generiert)

Glasfaser ist nicht automatisch „Ex-sicher“

Lichtwellenleiter haben gegenüber Kupferleitungen zahlreiche Vorteile. Entfernungen von mehreren Kilometern lassen sich problemlos überbrücken, hohe Übertragungsraten bis in den hohen Gigabit-Bereich sind möglich und elektromagnetische Störungen spielen praktisch keine Rolle.

Gerade in industriellen Anlagen sind das entscheidende Vorteile.

In explosionsgefährdeten Bereichen gelten jedoch andere Maßstäbe. Hier muss grundsätzlich verhindert werden, dass eine vorhandene explosionsfähige Atmosphäre durch eine technische Einrichtung gezündet werden kann.

Bei elektrischen Leitungen ist das Prinzip intuitiv nachvollziehbar. Ein Kurzschluss, ein beschädigter Leiter, ein unachtsam gezogener Stecker oder eine andere Fehlerbedingung kann eine Zündquelle darstellen. Deshalb kommen entsprechende Zündschutzarten zum Einsatz – beispielsweise die Eigensicherheit.

Bei optischer Strahlung ist die Situation weniger offensichtlich.

Ein Lichtstrahl erzeugt zwar keinen klassischen elektrischen Funken. Die von modernen Laserdioden oder anderen optischen Quellen abgegebene Energie kann jedoch von Oberflächen oder Partikeln absorbiert werden. Dadurch kann es lokal zu einer Erwärmung kommen. Ist gleichzeitig eine explosionsfähige Gas-, Dampf-, Nebel- oder Staubatmosphäre vorhanden, kann diese Energie unter bestimmten Bedingungen ausreichen, um eine Zündung herbeizuführen.

Damit wird klar:

Nicht der Funke ist bei optischer Strahlung das Problem, sondern die übertragene optische Energie.

Und genau hier setzt die DIN EN 60079-28 an.

Welche Schutzkonzepte sieht die DIN EN 60079-28 vor?

Die Norm beschreibt unterschiedliche Zündschutzkonzepte für Einrichtungen und Übertragungssysteme, die mit sichtbarer oder infraroter optischer Strahlung arbeiten.

Im Wesentlichen sind drei Konzepte von Bedeutung:

op is – inhärent sichere optische Strahlung
op pr – geschützte optische Strahlung
op sh – optische Systeme mit Verriegelung

Welches Konzept zur Anwendung kommt, hängt unter anderem von der Art der optischen Quelle, der verfügbaren Leistung, der Umgebung und dem erforderlichen Equipment Protection Level (EPL) ab.

1. „op is“ – inhärent sichere optische Strahlung

Bei „op is“ wird die optische Strahlung so begrenzt, dass sie unter normalen Betriebsbedingungen beziehungsweise unter festgelegten Fehlerbedingungen keine ausreichende Energie besitzt, um die betreffende explosionsfähige Atmosphäre zu zünden.

Das Grundprinzip ähnelt damit dem Gedanken der „Eigensicherheit“ bei elektrischen Stromkreisen:

Die verfügbare Energie wird so begrenzt, dass selbst unter definierten Fehlerbedingungen keine gefährliche Zündenergie zur Verfügung steht.

Selbstbegrenzende optische Quellen

Eine Möglichkeit besteht darin, optische Quellen einzusetzen, deren Verhalten unter Fehlerbedingungen selbstbegrenzend ist.

Dazu können beispielsweise Laserdioden, LEDs oder andere optische Quellen gehören, die bei einer unzulässigen Leistungssteigerung überhitzen und dadurch ausfallen. Das entsprechende Verhalten muss durch geeignete Prüfungen nachgewiesen werden.

Je nach Ausführung können damit entsprechende EPL-Anforderungen erfüllt werden.

Optische Quellen mit Leistungsbegrenzung

Eine andere Variante besteht darin, die Strahlungsleistung über eine geeignete Treiberschaltung zu begrenzen.

In diesem Fall wird die Fehlerbetrachtung auf die Schaltung zur Leistungsbegrenzung ausgeweitet. Entscheidend ist also nicht allein die optische Quelle, sondern das Zusammenspiel aus Quelle und Begrenzungseinrichtung.

Ein typisches Beispiel ist eine LED, deren Betriebsstrom durch die Treiberschaltung auf einen Wert innerhalb der zulässigen Spezifikation begrenzt wird.

Hier wird deutlich, warum bei der Beurteilung optischer Systeme nicht allein die maximale Leistung der Lichtquelle betrachtet werden darf. Entscheidend ist vielmehr, welche optische Leistung im Fehlerfall tatsächlich verfügbar sein kann.

Begrenzung der optischen Leistung

Für entsprechende op-is-Anwendungen spielen insbesondere die zulässige optische Leistung und die Bestrahlungsstärke eine zentrale Rolle.

Bei geeigneter Auslegung können Systeme für unterschiedliche Gerätegruppen und EPLs realisiert werden. Die konkrete Einstufung ist jedoch immer anhand der normativen Anforderungen und der technischen Ausführung des jeweiligen Systems zu bewerten.

2. „op pr“ – geschützte optische Strahlung

Das Schutzkonzept „op pr“ verfolgt einen anderen Ansatz.

Hier wird nicht primär die optische Leistung begrenzt. Stattdessen wird davon ausgegangen, dass die optische Strahlung innerhalb einer optischen Faser oder eines anderen Übertragungsmediums eingeschlossen bleibt.

Das Sicherheitsniveau hängt damit wesentlich von der Zuverlässigkeit des Einschlusses ab.

Im Normalbetrieb schützt der Lichtwellenleiter beziehungsweise das Lichtwellenleiterkabel davor, dass optische Strahlung in die explosionsfähige Atmosphäre gelangt.

Der mechanische Schutz wird entscheidend

Genau hier liegt eine der wesentlichen praktischen Herausforderungen.

Für bestimmte EPL-Anforderungen reicht ein gewöhnliches, ungeschütztes Lichtwellenleiterkabel nicht aus. Stattdessen können zusätzliche mechanische Schutzmaßnahmen erforderlich werden, beispielsweise:

durchgehende Armierungen,
Schutzrohre,
Kabelpritschen,
Kabelkanäle oder vergleichbare Schutzmaßnahmen.

Für Anwendungen in Bereichen mit höheren Anforderungen ist dabei insbesondere der Begriff „durchgehend“ von Bedeutung.

Und dieser scheinbar kleine Begriff kann in der Praxis erhebliche Auswirkungen haben.

Die klassische LWL-Reserve wird zum Problem

In industriellen Anlagen ist es üblich, vor Bedienterminals, Schaltschränken oder anderen Anschlussstellen eine Reserve beziehungsweise eine LWL-Leitungsschleife vorzusehen.

Diese Reserve ist technisch sinnvoll: Sie erleichtert spätere Änderungen, Reparaturen oder das Neuauflegen (spleißen) von Steckverbindungen.

Im Zusammenhang mit „op pr“ muss jedoch geprüft werden, ob diese Leitungsschleife weiterhin ausreichend geschützt ist.

Eine ungeschützte LWL-Reserve kann das geforderte Schutzkonzept unter Umständen unterbrechen.

Damit muss die bisherige Installationspraxis teilweise neu gedacht werden.

Nicht nur das Kabel selbst, sondern der gesamte Leitungsweg muss betrachtet werden.

Weitere Herausforderungen bei der Installation

Neben den Leitungsschleifen ergeben sich weitere praktische Fragestellungen.

Armierte Kabel

Bei armierten Kabeln muss die Installation so ausgeführt werden, dass keine unzulässigen Potenzialverschleppungen entstehen.

Besondere Aufmerksamkeit verdienen beispielsweise Übergänge zwischen unterschiedlichen Anlagenbereichen, Gebäuden und Brandabschnitte.

Schutzrohre und Conduit-Systeme

Bei Conduit-Systemen muss sichergestellt werden, dass diese zuverlässig und durchgehend verschlossen sind.

Andernfalls besteht nicht nur die Frage nach dem Schutz der optischen Strahlung. Auch die Ausbreitung einer vorhandenen explosionsfähigen Atmosphäre über das Rohrsystem kann zu einem relevanten Problem werden.

Kabelbahnen und Kabelkanäle

Kabelbahnen und Kabelkanäle müssen hinsichtlich ihrer Vollständigkeit überprüft werden.

Ein typisches Problem aus der Praxis: Nachinstallationen.

Ein Kabel wird nachträglich eingezogen, der Deckel des Kanals wird geöffnet – und anschließend nicht mehr korrekt befestigt.

Was im normalen industriellen Umfeld vielleicht lediglich als Installationsmangel betrachtet wird, kann im explosionsgefährdeten Bereich die vorgesehene Schutzwirkung beeinträchtigen.

Die Schutzmaßnahme endet nicht mit der Auswahl des richtigen Kabels. Sie muss über die gesamte Installation hinweg erhalten bleiben.

3. „op sh“ – optische Systeme mit Verriegelung

Hier wird ebenfalls davon ausgegangen, dass die optische Strahlung innerhalb einer Faser oder eines anderen Übertragungsmediums eingeschlossen ist. Zusätzlich wird jedoch eine Verriegelung mit Abschaltung eingesetzt.

Das System muss erkennen, wenn der Schutz durch die Umschließung versagt und optische Strahlung freigesetzt werden könnte.

In diesem Fall muss die ungeschützte Strahlungsleistung innerhalb einer festgelegten Zeit auf einen sicheren Wert reduziert werden.

Das bedeutet:

Die Anlage muss nicht nur erkennen, dass der optische Einschluss versagt – sie muss auch schnell genug reagieren.

Abschaltzeit als entscheidender Faktor

Die zulässige Reaktionszeit des Abschaltsystems ist abhängig von der jeweiligen Anwendung.

Für bestimmte Anwendungen müssen die Abschaltzeiten beispielsweise kürzer sein als die Zündverzugszeit der vorhandenen explosionsfähigen Atmosphäre.

Bei anderen Anwendungen können die für den Augenschutz relevanten Verzögerungszeiten eine Rolle spielen.

Damit wird „op sh“ zu einem Schutzkonzept, bei dem nicht nur die mechanische Ausführung des Lichtwellenleiters, sondern auch die Funktion des Überwachungs- und Abschaltsystems sicherheitsrelevant ist.

Je nach EPL ergeben sich dabei unterschiedliche Anforderungen an das Zusammenspiel aus optischem Einschluss, Überwachung und sicherer Abschaltung.

Warum „op sh“ in Produktionsanlagen nur eingeschränkt attraktiv ist

Technisch ist „op sh“ ein interessantes Schutzkonzept. In produktiven Anlagen kann es jedoch einen entscheidenden Nachteil haben:

Eine Schutzabschaltung kann gleichzeitig einen Produktionsstillstand verursachen.

Gerade in chemischen, pharmazeutischen oder petrochemischen Anlagen können ungeplante Abschaltungen erhebliche wirtschaftliche Konsequenzen haben.

Deshalb ist die Anwendung eines solchen Konzeptes im produktiven Umfeld sorgfältig abzuwägen.

Typische Einsatzbereiche können beispielsweise Lehr- und Ausbildungseinrichtungen oder Labor Umgebungen sein, in denen eine Abschaltung leichter akzeptiert werden kann und andere Randbedingungen gelten.

Was bedeutet die DIN EN 60079-28 für die Praxis?

Die zunehmende Verbreitung von Glasfasertechnik führt dazu, dass die optische Übertragungstechnik auch in explosionsgefährdeten Bereichen immer relevanter wird.

Dabei sollte eine wichtige Erkenntnis im Mittelpunkt stehen:

Lichtwellenleiter sind nicht automatisch explosionsgeschützt, nur weil sie keine elektrische Energie übertragen.

Entscheidend ist die optische Energie, die im Fehlerfall freigesetzt werden kann.

Die DIN EN 60079-28 stellt hierfür unterschiedliche Schutzkonzepte zur Verfügung:

Zündschutzart	Grundprinzip	Wesentlicher Schutzgedanke
„op is“	Inhärent sichere optische Strahlung	Begrenzung von Leistung und Energie
„op pr“	Geschützte optische Strahlung	Zuverlässiger Einschluss der Strahlung
„op sh“	Optische Strahlung mit Verriegelung	Einschluss plus sichere Abschaltung

Für Planer, Errichter und Betreiber bedeutet das: Die Auswahl eines geeigneten Lichtwellenleiters allein reicht nicht aus.

Vielmehr muss das gesamte Übertragungssystem betrachtet werden – von der optischen Quelle über das Kabel und dessen mechanischen Schutz bis hin zu Steckverbindungen, Leitungsreserven, Kabelwegen und gegebenenfalls Überwachungs- und Abschalteinrichtungen.

Digitalisierung trifft Explosionsschutz

Die Digitalisierung industrieller Prozesse wird weiter voranschreiten. Höhere Bandbreiten, größere Übertragungsentfernungen und moderne Kommunikationsstrukturen machen Lichtwellenleiter auch dort interessant, wo früher ausschließlich Kupfer eingesetzt wurde.

Gerade in explosionsgefährdeten Bereichen darf die technische Entwicklung jedoch nicht dazu führen, dass bekannte Prinzipien des Explosionsschutzes übersehen werden.

Die optische Übertragungstechnik bietet enorme Vorteile – sie ist aber kein Freifahrtschein für den Einsatz beliebiger Komponenten.

Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht:

„Ist das ein Glasfaserkabel?“

Sondern:

„Welches Schutzkonzept verhindert unter den vorgesehenen Betriebs- und Fehlerbedingungen zuverlässig eine Zündung?“

Genau an diesem Punkt wird die DIN EN 60079-28 relevant.

Wer optische Übertragungssysteme in explosionsgefährdeten Bereichen plant, installiert oder betreibt, sollte deshalb nicht nur das Datenblatt des LWL-Kabels betrachten. Entscheidend ist die Betrachtung des gesamten Systems und seiner konkreten Einbausituation.

Denn auch wenn die Daten mit Licht übertragen werden, gelten im Ex-Bereich weiterhin die gleichen Grundsätze: