改善爆炸性环境中的通信状况

改进爆炸性环境应用中的通信连接状况

即使在难以到达和工作的偏远地区，对高速数据通信的需求也在日益增加。这通常涉及一些非常危险且经常是爆炸性的环境，包括石油、天然气、煤炭和深海平台。通过 ATEX 认证的光纤可以安全可靠地将 IT（信息技术）和 OT（操作技术）带入重工业和易挥发环境。

简介

作为提供经 ATEX 认证的扩展线束光学连接器的唯一制造商，Cinch Connectivity Solutions 了解所涉及的挑战。本白皮书深入探讨了这些挑战，并解释了为什么克服这些挑战值得付出努力。

即使在难以到达和工作的偏远地区，对高速数据通信的需求也在日益增加。这通常涉及一些非常危险且往往是爆炸性的环境。这里的“巨头”仍然是石油、天然气和煤炭，通过地面和地下采矿以及深海平台获取。在数据中心内，将这些重工业和危险环境与更多家庭技术相结合并不简单，但将 IT（信息技术）和 OT（运营技术）更紧密地结合在一起正在变得越来越重要。

电气设备在爆炸性环境中可能是一个明显的点火源，这带来了进一步的设计要求。开发可在爆炸性环境中运行的互连器件还意味着能够承受极端温度、湿度、振动、冲击和物理压力。

由于对更高带宽和更低延迟的需求，光纤在这些应用中的使用也在增加。然而，目前大多数光学互连都是基于物理接触的，主要是因为它是最常见的光学互连类型。不过，这并不意味着是最好的。在易用性和坚固耐用的灵活性方面，扩展线束技术要优越得多。Cinch Connectivity Solutions 的 Fibreco Geo-Beam™ EX 产品线已获准在 ATEX 1 区和 2 区使用，与适当的硬件一起使用时甚至可用于 0 区。

了解 ATEX

重要的是要认识到，爆炸性环境或 ATEX 并不限于存在明显的易燃物质，例如气体或油。不幸的是，在并不遥远的过去，面粉厂爆炸是司空见惯的。今天也是如此，任何允许可燃粉尘的细小颗粒循环并与空气混合的场所都容易发生爆炸。在可能存在这些情况的地方，都制定了安全法规来保护工人，其中包括防止可燃物质的释放，以及控制潜在火源的使用。

由于没有可暴露的电气互连，光纤技术似乎是在 ATEX 环境中提供高速连接的明显选择。使用光提供数据通信不需要电流流动，从而消除了一个明显的点火源。

这就是存在标准的原因，以控制可能构成点火形式的技术的使用。需要寻找的主要认证是 ATEX 和 IECEx，它们通常以 ATEX 认证、ATEX 质量保证通知和 IECEx 质量评估报告的形式提供。

爆炸性环境的挑战

尽管没有电力来源，但光纤互连并不被认为是本质安全的。这意味着它在爆炸性环境中的使用需要符合旨在消除事故风险的标准。

存在的风险主要有四种，这些风险可以归纳为：

• 光辐射吸收提高表面温度 - 其中从光纤逸出的光被材料吸收，导致表面温度升高。如果表面温度达到周围区域的着火温度，则可能导致燃烧
• 可燃材料对光辐射的吸收 - 如果逸出光的波长与可燃材料的吸收带重合，则其温度会升高并可能达到着火温度
• 与氧气反应的波长 - 如果使用的波长与当地大气中的氧分子发生反应，可能会产生氧化剂，这是燃烧所需的三个关键条件之一
• 与爆炸性气体直接相互作用 - 光也可能直接与爆炸性气体相互作用，产生等离子体或冲击波，两者都是点火源

IEC 60079-28 保护使用光辐射的设备

IEC 标准 IEC 60079-28 特别涉及爆炸性环境中的光辐射。它在世界范围内使用，定义了许多点火源，以及在各种环境中运行的设备所需的保护。这样可以量化安全过程。每个参数都有一个标识号或字母，可用于部件（例如连接器）的零件编号或规格中。有三种类型的保护定义与在爆炸性环境中使用光辐射源有关，通常称为 Ex（指爆炸物）和 op（指光学保护）。

每种类型的两个字母引用通常用作组件命名法的一部分，如下所示：

• Ex op is -“is”指的是“本质安全”。以 mW/mm2 为单位进行测量时，在光的能量受到限制的情况下，使用此项
• Ex op pr -“pr”指的是“受保护”。在这种情况下，保护是物理保护
• Ex op sh -“sh”指的是“联锁”。这可以通过中断光的传输来防止着火

光纤在 ATEX 中的优势

使用光纤通信而不是铜缆有许多优势，这适用于许多应用领域。这些优势包括重量；光纤比铜线轻得多，并且随着对带宽需求的增加，光纤日益成为更好的选择。在同一连接器中使用将铜线和光纤结合在一起的互连系统变得越来越普遍，通常用于同时提供电力和数据。这是 Geo-Beam EX 的另一个关键特征，因为它可以容纳在同一个防爆外壳中结合光学、电源和信号连接的混合插件。随着光纤成本的持续下降和对更高带宽的需求不断攀升，这种融合可能会导致铜线被降级为仅提供电力。

光纤的另一个重要且相关的特性是它对 EMI 的抗扰度。光纤不像铜那样受电磁辐射的影响，即使是屏蔽铜也是如此。此外，它不会释放 EM 辐射，这意味着它不会干扰相邻的铜互连。这在包括使用重型机械在内的应用中尤其重要，在这些应用中，由电磁干扰 (EMI) 引起的中断可能导致灾难性故障。

使用扩展线束简化光纤连接

由于诸如扩展线束连接器之类的发展，现场连接光缆也变得越来越简单。两根光纤之间最常用的连接形式被称为物理接触连接，也称为物理连接。物理连接依赖于光纤的两端完美对齐，以便当它们接触时很少或没有光逸出，这被称为插入损耗。但是，物理连接很容易磨损，并且由于在它们的两端之间存在灰尘或其他颗粒而导致 SNR 下降。扩展线束技术克服了这一点，因为它不依赖于直接或物理连接。相反，它使用透镜来扩展和准直光束，光束通过两端之间的气隙。连接的两侧都使用了类似的透镜，但它们不需要进行物理接触。这使得连接更简单且不易磨损。

扩展线束光纤连接器利用透镜来扩展和准直从光纤发出的光。该准直光束通过气隙传输到配对的连接器，光在此处被第二透镜收集并聚焦到第二根光纤中以完成连接。

光纤连接的安全认证

欧盟指令 2014/34/EU（基于指令 99/92/EC 和 94/9/EC），通常称为 ATEX 指令，以及 IEC 标准 IEC 60079-28:2015 在行业内广泛使用。这对于提供在爆炸性环境中使用的产品的制造商而言尤其重要。

ATEX 指令使用区域对特定环境中的爆炸可能性进行分类。例如，1 区和 2 区都与由爆炸所需的关键元素的存在而形成的爆炸性环境有关。这些是易燃物质（如气体、蒸汽或雾），加上氧化剂和点火源。如果这些情况每天都可能发生，则该区域将被归类为 1 区，而如果这些情况不太可能发生但可能发生，则该区域将被归类为 2 区。始终存在或长期存在爆炸性混合物的区域将被归类为 0 区。

正如解释的那样，Cinch Connectivity Solutions 的 Geo-Beam™ EX 系列 防爆扩展线束连接器设计用于危险环境，并允许将电源、数据和光学连接整合到一个单一的连接中。因此，它支持可支持 2、4、6 和 8 个扩展线束光学通道的光学插件，以及可支持 4 个扩展线束光学通道和 2 个非光学通道或者 2 个扩展线束通道和 4 个非光学通道的混合插件。这包括在同一插件中使用混合光模式连接的情况。

在危险区域操作

该系列设计用于 1 区和 2 区危险区域，但与适当的硬件结合使用时，它们也可用于 0 区危险区域。这使它们成为石油、天然气和海上钻井、石化炼油厂、化学制造厂和制药厂等应用的理想选择。

直插式插头和盒式安装隔板由不锈钢制成。该连接器采用三头梯形接合方法，减少了转弯并增加了锁定效果。当完全接合时，这可以确保听到咔哒声，以表明正配合。这些连接器可用于上游、中游和下游应用，并符合 ATEX 和 IECEx 标准（分别涵盖欧洲和世界其他地区）。

这意味着 Geo-Beam™ EX 系列用于世界各地的爆炸性环境和危险环境，包括钻井（石油、天然气、海上）、石化炼油厂、化学制造厂和制药行业。该系列连接器的单模插入损耗通常为 -1.5dB，多模连接器为 -1.0dB。单模下的回波损耗通常为 40 dB，其防护等级为 IP67。有关 Cinch Connectivity Solution 的扩展线束技术的更多信息，可在这里查找。

结论

光纤连接的使用，正在从数据中心等受控环境转移到采矿和石化制造等重工业领域。这些都是可能发生爆炸事件的危险区域。

工程界认识到在爆炸性环境中使用光纤的需求和挑战。通过各自领域领导者的共同努力，该行业制定了确保光纤在爆炸性环境中安全运行的标准。

Cinch Connectivity Solutions 就是这样的领导者之一。它拥有多年的经验和广泛的合格零件组合，可用于最具挑战性的应用。Geo-Beam™ EX 系列已通过 ATEX 指令 2014/34/EU 和 IEC 60079 规范的认证，为在爆炸性环境中运行的应用提供了一种稳健、可靠的方式，可将光纤的优势得以发挥。