Promieniowanie optyczne - jak się przed nim chronić?

Jednym z rodzajów efektywnych źródeł zapłonu, które zostało wymienione w normie „Atmosfery wybuchowe – zapobieganie wybuchowi i ochrona przed wybuchem” jest promieniowanie optyczne. Z punktu widzenia fizyki jest to oddziaływanie podlegające prawom optyki geometrycznej i falowej, a od strony bezpieczeństwa procesowego jeden z czynników, które w odpowiednich warunkach mogą doprowadzić do poważnej awarii przemysłowej. To, że światło i energia świetlna mogą spowodować zapłon atmosfer wybuchowych ustalił w latach 90-tych Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB – Narodowy Instytut Metrologii Niemiec), czego efektem było powstanie w 2006 roku standardu IEC 60078-28, który normalizuje optyczną ochronę przeciwwybuchową (Ex op). Druga wersja tej normy obowiązuje od 2015 r. Główną przyczyną rozpoczęcia prac nad tym tematem był fakt, że raz po raz użytkownicy i operatorzy systemów przemysłowych stawali w obliczu podobnej sytuacji: powszechności obszarów z niebezpiecznymi gazami i pyłami przy jednoczesnym licznym występowaniu na nich urządzeń optycznych, opraw oświetleniowych LED czy światłowodów, które muszą być odpowiednio wykonane i zabezpieczone, aby nie stanowiły zagrożenia wybuchowego.

Podzespoły optyczne w systemach przemysłowych

Rzadko zdarza się, aby w instalacjach przemysłowych nie można było stosować rozwiązań optycznych. Są one nie tylko używane, ale też ich przybywa. Postępująca automatyzacja i cyfryzacja powoduje wprowadzanie coraz większej liczby maszyn i systemów, które do celów funkcjonowania, komunikacji, monitorowania czy pomiarów wykorzystują podzespoły optyczne. Przykładem są oprawy oświetleniowe, lasery, diody LED tudzież wszelkiego rodzaju sensory, rozwiązania czujnikowe oraz światłowody, które w zależności od rodzaju mogą mierzyć od 2 do 30 km. Biorąc pod uwagę warunki, w jakich muszą ww. urządzenia pracować – obecna atmosfera wybuchowa – istotne jest, aby spełniały wymagania dyrektywy ATEX 114, która określa całą procedurę wdrożenia wyrobu na rynek.

Światło: niebezpieczeństwo zapłonu

Łatwo zrozumieć dlaczego promieniowanie optyczne stwarza zagrożenie zapłonem – wystarczy użyć szkła powiększającego, aby skoncentrować trochę światła słonecznego na słomie i zobaczyć, jak szybko zaczyna się palić. Kiedy energia jest skupiona na małym obszarze, jest jednocześnie wzmacniana, co oznacza, że jest wielokrotnie silniejsza w ognisku niż w jego otoczeniu. Z kolei przewodnik optyczny skupia światło do bardzo małego punktu. Raport PTB W-67 pt. "Zapalanie wybuchowych mieszanin para/powietrze i gaz/powietrze w wyniku ciągłego promieniowania optycznego" omawiający to zjawisko został opublikowany już w 1996 roku. W 2006 r. opublikowano normę IEC 60079-28 „Atmosfery wybuchowe – Część 28: Ochrona urządzeń i systemów przesyłowych za pomocą promieniowania optycznego”. Po stosownych uzupełnieniach i doprecyzowaniu definicji norma ta została wdrożona na rynek europejski.

Zasadniczo norma ta omawia cztery potencjalne mechanizmy zapłonu:

• Promieniowanie optyczne powoduje, że cząsteczki nagrzewają się – w pewnych warunkach mogą osiągnąć temperaturę powierzchni, która może spowodować zapłon atmosfery wybuchowej,
• Zapłon termiczny objętości gazu, ponieważ długość fali optycznej odpowiada pasmu absorpcji gazu (rodzaj efektu rezonansowego),
• Zapłon fotochemiczny spowodowany fotochemiczną dysocjacją cząsteczek tlenu przez promieniowanie w zakresie ultrafioletowym,
• Bezpośredni, indukowany laserem rozkład gazu w ognisku silnej wiązki, wytwarzający plazmę lub falę uderzeniową, które potencjalnie działają jako źródło zapłonu.

Pierwszy potencjalny mechanizm – zapłon spowodowany nadmierną temperaturą powierzchni – ma w praktyce największe znaczenie.

Zgodnie z normą instalacje można zabezpieczyć na trzy sposoby:

• Chronione promieniowanie optyczne „op pr”,
• Układy optyczne z urządzeniami blokującymi „op sh” (wyłączone),
• Z natury bezpieczne promieniowanie optyczne „op is”.

W przeciwieństwie do sygnałów elektrycznych światło nie jest ograniczone pod względem lokalizacji. W rezultacie nawet źródło światła znajdujące się na zewnątrz lub w sąsiedztwie obszaru niebezpiecznego może paść na ten obszar i spowodować wybuch. Należy to wziąć pod uwagę na etapie projektowania systemu bezpieczeństwa i oceny ryzyka.

Zwłaszcza drugie wydanie normy wyraźnie mówi o tym, że nie każdy promień światła czy dioda LED stanie się od razu niebezpiecznym źródłem zapłonu. Zakres źródeł promieniowania dopuszczonych przepisami jest wyraźnie określony:

1. Diody LED o promieniowaniu rozbieżnym, które nie są zaprojektowane w układzie matrycowym ani w technologii laserowej i są używane do wyświetlania stanu urządzenia lub jako podświetlenie wyświetlaczy LCD,
2. Oprawy oświetleniowe z ciągłymi, rozbieżnymi źródłami światła (do wszystkich EPL) i oprawy oświetleniowe ze źródłami światła LED (wyłączone tylko dla EPL „Gc” lub „Dc”). Wszystkie oprawy oświetleniowe muszą jednak spełniać ogólne wymagania dotyczące sprzętu oświetleniowego np. minimalne odległości między częścią generującą światło, a elementami, które mogą je pochłaniać.
3. Źródła promieniowania optycznego do zastosowań Gb lub Gc i Db lub Dc, które odpowiadają wartościom granicznym klasy 1 w normie IEC 60825-1 „Bezpieczeństwo produktów laserowych — Część 1: Klasyfikacja i wymagania dotyczące sprzętu”. Jednak w przypadku tych laserów klasy 1 odległość „oko do lasera”, która jest określona w stosownych przypadkach, jest również istotna dla celów ochrony przeciwwybuchowej.

Dodatek C normy wymienia procedurę oceny zagrożenia wystąpienia zapłonu w odniesieniu do promieniowania optycznego.

Chronione lub zablokowane

Bezpieczeństwo promieniowania optycznego „op pr” opiera się na pomyśle zapobiegania „ucieczce” promieniowania z jego obudowy. Kable światłowodowe muszą być zaprojektowane tak, aby były wystarczająco wytrzymałe dla tego typu ochrony lub ułożone w taki sposób, aby były chronione przed czynnikami, które mogłyby je zniszczyć. Obudowy muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby eksplozja wewnątrz obudowy nie mogła spowodować zapłonu atmosfery zewnętrznej oraz aby żadna niebezpieczna ilość energii świetlnej nie przedostała się na zewnątrz – w związku z tym nie mogą zawierać okien inspekcyjnych ani podobnych elementów. Oznacza to, że ten sposób ochrony w dużej mierze odpowiada znanym z elektrycznych zabezpieczeń przeciwwybuchowych metodom „podwyższonego bezpieczeństwa” i „obudowy ognioszczelnej”. Inną opcją jest ochrona typu Ex p , czyli obudowy ciśnieniowej. Wymagane są również specjalne przepusty kablowe i złącza wtykowe. W związku z tym każde połączenie zewnętrzne w strefie 1 musi spełniać wszystkie odpowiednie wymagania normy IEC 60079-0. Skrzynki łączeniowe, które są również dostępne w certyfikowanej wersji dla strefy 1 są odpowiednią, niezawodną opcją do układania i dystrybucji kabli optycznych.

Drugi rodzaj ochrony wspomniany powyżej czyli zasada blokowania i wyłączania „op sh”, opiera się na natychmiastowym wykryciu uszkodzonych włókien i bezpiecznym wyłączeniu promieniowania optycznego, gdy tylko to nastąpi. Zasada ochrony leżąca u podstaw tej metody ochrony opiera się na ocenie ryzyka. W tym temacie użytkownikom urządzeń polecany jest zestaw norm dotyczących „bezpieczeństwa funkcjonalnego” (IEC 61508 i IEC 61511). IEC 60079-28 również zawiera wyraźne odniesienie do tych norm. Ze względu na niezwykle rygorystyczne wymagania dotyczące oprogramowania i sprzętu, na rynku dostępnych jest tylko kilka produktów spełniających wymagania stawiane tego rodzaju rozwiązaniom.

Optycznie iskrobezpieczny

Zasada „op is” z natury bezpiecznego promieniowania optycznego jest bardzo podobna do koncepcji iskrobezpieczeństwa elektrycznego „Ex i”. Opiera się na idei ograniczenia energii optycznej w systemie – na przykład w kablu światłowodowym – w normalnych warunkach pracy i w określonych warunkach awarii. Ogranicza to dopuszczalną moc promieniowania optycznego do użytku w obszarach niebezpiecznych w strefie 1 i grupie wybuchowej IIB w klasie temperaturowej T4 do maksymalnie 35 mW. Ponadto dodatkowe wymagania dotyczą promieniowania pulsacyjnego i są związane z czasem trwania impulsu. Dodatek E drugiego wydania normy IEC 60079-28 zawiera schemat blokowy do oceny impulsów optycznych.

Promieniowanie można również wyznaczyć jako iloraz emitowanej mocy optycznej w mW i napromieniowanej powierzchni w mm². Ochrona typu „op is” jest szczególnie zalecana dla instalacji Industrial Ethernet, ponieważ światłowody oferują te same zalety, co te znane już z iskrobezpieczeństwa elektrycznego. W szczególności optycznie nieodłączne bezpieczeństwo zapewnia wyjątkową elastyczność; dzięki temu rodzajowi ochrony, światłowody mogą być podłączane i odłączane w obszarach niebezpiecznych podczas pracy. Oznacza to, że prace instalacyjne i konserwacyjne można wykonywać w Strefie 1 równie łatwo, jak w systemach innych niż niebezpieczne. Podczas instalowania światłowodów „op is” należy szczególnie zwrócić uwagę na to, aby nie można było zmniejszać przekrojów kabli optycznych używanych w systemie. Może to spowodować kurczenie się ogniska wiązki światła, w wyniku czego dostępna energia zapłonu wzrośnie do niedopuszczalnego poziomu. Obowiązuje zasada podobna do tej stosowanej w obwodach iskrobezpiecznych: przy dużej liczbie kabli optycznych połączenie musi być zrealizowane w taki sposób, aby żadna dodatkowa energia nie mogła dostać się do światłowodu.

Jedną z łatwiejszych od strony eksploatacyjnej opcji w tych warunkach jest zastosowanie systemów operacyjnych i monitorujących, które można bez trudu podłączać i odłączać w aplikacjach mobilnych oraz w stale zmieniających się lokalizacjach. Nadają się również do instalacji zdalnych wejść/wyjść, w których dokonywane są częste modyfikacje i rozszerzenia. Ochrona typu „op is” jest również najprostszym rozwiązaniem dla tych, którzy chcą nadal używać technologii światłowodowej w strefie 0. Chociaż „op sh” i „op pr” można łączyć jako alternatywną metodę osiągnięcia tego celu, ta opcja wymaga znacznego więcej wydatków i jest mniej elastyczna w użyciu. Zdalne systemy wejść/wyjść już obsługują transmisję Ethernet w wersji przeciwwybuchowej za pośrednictwem połączenia Ex op i światłowodu.

Dostępna technologia

Do tworzenia sieci optycznie iskrobezpiecznych wymagane są specjalne izolatory optyczne. Od bardzo wczesnego etapu, produkty tego typu były opracowywane w oparciu o zasadę wewnętrznie bezpiecznego promieniowania optycznego, a pierwsze rozwiązania Remote I/O pojawiły się na rynku pod koniec lat 90-tych. Późniejsze wersje tego produktu zostały nawet zaprojektowane tak, aby umożliwić instalowanie pierścieni optycznych w obszarach niebezpiecznych przez co prowadzenie diagnostyki i wysyłanie alertów dotyczących tych produktów, na przykład w przypadku pęknięcia włókna szklanego lub poziomów sygnału, jest proste.

Dostępne są również rozwiązania dla Ethernetu przemysłowego, które można wdrożyć praktycznie za pomocą konwerterów mediów lub przełączników. Do tej pory Profibus DP był jednym z najlepszych sieci fieldbus, które są w stanie przesyłać duże ilości danych związanych ze zdalnym systemem we/wy w akceptowalnym czasie i które można wykorzystać do projektowania nawet dużych struktur systemowych w opłacalny sposób. Co więcej, jest dostępny zarówno dla kabli miedzianych, jak i światłowodowych w wersji przeciwwybuchowej. Ethernet przemysłowy otwiera nowe możliwości jeszcze szybszej i wydajniejszej transmisji sygnału. System komunikuje się za pomocą szeregu protokołów Ethernet czasu rzeczywistego, takich jak PROFINET, EtherNet/P i Modbus TCP. Ponadto technologia OPC UA lub klasyczna technologia FDT/DTM gwarantuje prostą integrację z systemami diagnostyki i zarządzania majątkiem.

Cyfryzacja systemów w przemyśle przetwórczym jest możliwa dzięki obecności Ethernetu w terenie. Od lat jednak coraz częściej instaluje się światłowody, ponieważ umożliwiają one mostkowanie dużych odległości i zapewniają lepszą odporność niż kable miedziane. Niezależnie od tego czy użytkownicy wybiorą światłowody „op is” czy kable miedziane dla Ethernet-APL z 2-WISE (2-Wire iskrobezpieczny Ethernet), zawsze będą mogli wybrać spośród szerokiego wyboru potencjalnych opcji i urządzeń, które mogą być użyte w sposób idealnie dopasowany do ich instalacji.