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 Trox für ihre Luft­ma­nage­ment-Sys­te­me seit 2002 Super­schnell­läu­fer von 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. Die­se 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 fünf­fach höhe­re Auf­lö­sung, was eine auf < 0,1 Grad 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 Sekun­den beträgt, liegt die Aus­re­gel­zeit des Easy­lab-Reg­lers bei < 3 Sekun­den, die Reak­ti­ons­zeit sogar im Mil­li­se­kun­den­be­reich.“ Dazu tra­gen ganz wesent­lich die in den Gerä­ten ver­bau­ten Super­schnell­läu­fer von 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.

Fünfmal höhere Auflösung

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 fünf­mal höhe­re Auf­lö­sung des Soll­wer­tes als bei den ana­lo­gen Model­len, was die Posi­tio­nie­rung der Dros­sel­klap­pe mit einer deut­lich ver­bes­ser­ten Prä­zi­si­on von < 0,1 Grad 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 bei­spiels­wei­se 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 bezie­hungs­wei­se die Lüf­tung ganz­heit­lich zu betrach­ten. Hier­bei ist bei­spiels­wei­se 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.

Drehantriebe mit Laufzeit < 3 Sekunden

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, zum Bei­spiel 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 Pro­zent mehr Dreh­mo­ment als ver­gleich­ba­re Lösun­gen.

Gleich­zei­tig ergibt sich auch eine um 20 Pro­zent schnel­le­re Lauf­zeit: Bei einem Dreh­mo­ment von zehn bezie­hungs­wei­se 15 Nm beläuft sich die­se auf 3 Sekunden/90 Grad. 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 Sys­te­men im Ein­satz.