In Laboratorien – und im Besonderen in Digestorien – mit variabler bedarfsgerechter Abluft muss ein schnell reagierendes Regelsystem sicherstellen, dass keine Schadstoffausbrüche entstehen, die die Mitarbeiter durch giftige Gase oder Aerosole gefährden. Daher nutzt das Unternehmen Trox für seine Luftmanagement-Systeme seit 2002 Superschnellläufer der Firma Gruner, mit denen eine besonders zügige und präzise Absaugung der belasteten Luft möglich ist. Um in Zukunft eine noch höhere Regelgenauigkeit zu erzielen, konzipierte der Wehinger Stellantriebsexperte zusammen mit Trox eigens Modelle mit digitaler Schnittstelle. Die neuen High Precision Drive HPD-Antriebe zeichnen sich nicht nur durch eine Laufzeit von weniger als drei Sekunden aus, sondern verfügen im Vergleich zur analogen Ausführung über eine 5-fach höhere Auflösung, was eine auf < 0,1 ° präzise Positionierung des Drosselelements erlaubt. Zudem wird auf Grund des Prinzipaufbaus eine Beeinflussung des Sollwerts durch elektroma­gnetische Störungen wirkungsvoll unterbunden. Gleichzeitig bietet der erhöhte Datenaustausch über die digitale Schnittstelle große Potenziale hinsichtlich der präventiven Wartung.

„Um Laborpersonal und Umwelt zu schützen, ist gemäß EN 14175 unter anderem sicherzustellen, dass Gase, Dämpfe oder Stäube aus dem Inneren eines Digestoriums nicht in gefährlicher Konzentration ins Labor gelangen können“, so Matthias Olders, Produktmanager Labcontrol bei Trox. Gewährleistet wird dies über eine speziell entwickelte raumlufttechnische Regelung: Neben der Versorgung mit ausreichend Frischluft unter Einhaltung der Behaglichkeitskriterien nach EN 15251 und der Sicherstellung des Ab- und Zuluftbedarfs von Laboreinrichtungen sowie Geräten nach DIN 1946 Teil 7 müssen auch freigesetzte Gefahrstoffe im Laborabzug und im Labor selbst verdünnt sowie abgeführt werden. Um diese Aufgabe zu erfüllen sowie Luftaufbereitung und -transport gleichzeitig möglichst energieeffizient zu gestalten, werden zunehmend intelligente, vernetzte Luftmanagement-Lösungen wie das Easylab-System eingesetzt. Das System erfasst alle relevanten Daten, wertet sie aus und sorgt für die Regelung nach vorgegebenen Parametern.
Die Kernkomponente der modularen Lösung ist der plug-and-play-fähige Regler Easylab, der sich über eine einzige steckbare Datenleitung zu einem Netzwerk verknüpfen und sich genauso einfach an das RLT-Zentralgerät X-CUBE anbinden lässt. „Das System wurde eigens für den Einsatz in hochsensiblen Bereichen entwickelt. Es eignet sich aufgrund seiner Schnelligkeit besonders gut, um in Laborabzügen mit variabler bedarfsgerechter Abluft Schadstoffausbrüche zu verhindern“, erklärt Olders. „Während bei Standardreglern die Laufzeit üblicherweise 120 s beträgt, liegt die Ausregelzeit des Easylab-Reglers bei < 3 s, die Reaktionszeit sogar im Millisekundenbereich.“ Dazu tragen ganz wesentlich die in den Geräten verbauten Superschnellläufer des Unternehmens Gruner bei, die sich durch eine sehr kurze Laufzeit auszeichnen. Seit November 2018 wird eine Ausführung mit digitalem Sollwerteingang eingesetzt, die eine höhere Präzision bei der Positionierung der Drosselklappe erlaubt.

5-mal höhere Auflösung im Vergleich zu analogen Sollwerteingängen
„Wir entwickeln seit 25 Jahren Systeme für die variable Volumenstromregelung und haben bei allen Luftmanagement-Lösungen bis hin zum Easylab-Regler auf stetige Stellantriebe gesetzt, die über ein analoges Stellsignal angesteuert wurden. Über die Jahre gab es kontinuierlich Verbesserungen hinsichtlich Haltbarkeit und Stellgenauigkeit“, so Stefan Lange, Leiter Produktmanagement Regeltechnik bei Trox. Doch diese Technologie stößt langsam an ihre Grenzen: „Da besonders im Labor und Reinraumbereich die Ansprüche an die Regelgenauigkeit von Volumenstrom und Druck weiter steigen, muss der analoge Sollwerteingang mit einer besseren Auflösung versehen werden“, erläutert Michael Köhle, Key Account Manager Stellantriebe bei Gruner. Eine erhöhte Auflösung macht die Antriebe jedoch anfälliger für Störeinflüsse und kann ihre Lebensdauer drastisch reduzieren. Um diesem Problem zu entgehen, konzipierte Gruner entsprechend der Trox-Anforderungen einen Superschnellläufer mit digitaler Schnittstelle.
Die neue Schnittstelle ermöglicht eine 5-mal höhere Auflösung des Sollwertes als bei den analogen Modellen, was die Positionierung der Drosselklappe mit einer deutlich verbesserten Präzision von < 0,1 ° erlaubt. „Wir können die Volumenströme nun wesentlich feiner ausregeln, womit der Einsatz des Systems in sehr dichten, druckgeregelten Räumen möglich wird“, erklärt Olders. „Mit Analogtechnik wäre das nicht praktikabel gewesen.“ Da die digitale Verbindung wesentlich weniger anfällig für äußere Einflüsse ist, können sich Störungen, die bspw. durch Frequenzumrichter oder Laborequipment verursacht werden, nicht mehr auf den Sollwert auswirken. „Durch die Ansteuerung über die digitale Schnittstelle kann die Regelkomponente anhand der ermittelten Daten feststellen, ob der Inhalt auf dem Weg vom Regler zum Antrieb durch Störungen modifiziert wurde“, so Köhle. „Auf dieser Basis kann eine Korrektur vorgenommen werden.“

Bidirektionale Kommunikation zu Diagnosezwecken
Neben der höheren Positioniergenauigkeit und der stabileren Datenverbindung legte Trox großen Wert auf eine bidirektionale Kommunikation, die deutlich über die Sollwertvorgabe zwischen ­Easylab-Regler und Stellantrieb hinausgeht: „Nicht nur die sehr genaue Ausregelung der Volumenströme ist wichtig, vielmehr geht es in der Branche mittlerweile darum, die Gesamt-Energieeffizienz zu optimieren bzw. die Lüftung ganzheitlich zu betrachten. Hierbei ist bspw. hilfreich, dass Daten über die Stellklappenpositionen weitergemeldet werden, was etwa den Betrieb von Ventilatoren gemäß der Anlagenkennlinie erleichtert“, erläutert Olders. Um einen ersten Schritt in diese Richtung zu machen, war es ein weiteres Ziel von Trox, dass sich relevante Informationen aus dem Antrieb auslesen lassen. Zunächst sollte dies vor allem zu Diagnosezwecken erfolgen.
Der digitale Superschnellläufer von Gruner ermöglicht auch diesen Austausch; er stellt bspw. Daten wie abgegebenes Drehmoment, Blockadeerkennung oder Zyklenzahlen zur vorbeugenden Wartung zur Verfügung. Die übertragenen Informationen können anschließend vom übergeordneten System verarbeitet werden. „Durch diese Option lassen sich speziell in Laboren Wartungsarbeiten besser einplanen. Damit werden Produktionsstopps oder eine Kontamination von medizinischen Erzeugnissen verhindert“, erklärt Köhle.

Drehantriebe mit Laufzeit < 3 s
Die Projektverantwortlichen bei Trox sind mit dem neuen, digitalen Superschnellläufer sehr zufrieden: „Die Entwickler bei Gruner haben es verstanden, durch große Innovationsbereitschaft und schnelle Anpassungen zu überzeugen, z. B. durch den Übergang hin zu Brushless-Motoren“, so Olders. Die digitalen Superschnellläufer Trox High Precision Drive HPD für das Easylab-System zeichnen sich nun durch spezielle Motoren mit neu kon­struiertem Getriebe, einen bürstenlosen Innenläufer sowie ausgeklügelte Ansteuerungsalgorithmen aus, die zusammen für eine besonders hohe Lebensdauer sorgen. Durch die Verwendung des bürstenlosen Innenläufers wird eine sehr hohe Drehmomentdichte bei großer Drehfreudigkeit erzielt. „Höhere Drehmomente werden für große Drosselelementflächen benötigt und um auch bei großen Luftgeschwindigkeiten das Drosselelement sicher zu bewegen“, so Köhle. „Die vorbeiströmende Luft erzeugt einen Auftrieb, der über die Lagerung der Klappe in eine Drehbewegung umgewandelt wird und damit ein Drehmoment entgegen der Öffnungsrichtung bewirkt.“ So erreichen die neu entwickelten Antriebe etwa 20 % mehr Drehmoment als vergleichbare Lösungen.
Gleichzeitig ergibt sich auch eine um 20 % schnellere Laufzeit: Bei einem Drehmoment von 10 bzw. 15 Nm beläuft sich diese auf 3 s/ 90°. Dies hat den Vorteil, dass veränderte Anforderungen an das Lüftungssystem besonders zügig ausgeregelt werden können und die notwendige Betriebssicherheit kontinuierlich gewährleistet ist. Die kurzen Reaktionszeiten werden durch eine genaue Abstimmung zwischen mechanischer Getriebeuntersetzung, dem Innenläufer und den Steuerungsalgorithmen erzielt. Die digitalen Gruner-Antriebe sind seit November 2018 in Trox-Systemen im Einsatz.