Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von chemischen Prozessen, insbesondere von chemischen Forschungsprozessen, mittels flexibel angeordneten Systemkomponenten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein modulares Prozessleitsystem, ein Verfahren zur Steuerung dieses Prozessleitsystems und ein computerlesbares Medium.

Um chemische Prozesse effizient zu gestalten und chemische Produkte effizient herzustellen, werden meist komplexe Anlagen verwendet. Die einzelnen Bestandteile dieses gesamten Prozesses, wie die Lagerung der Edukte, Zwischenprodukte oder Produkte, die Analyse der Zwischenprodukte oder Produkte oder die Durchführung des Prozesses an sich werden oft durch fest verrohrte Anlagen durchgeführt. Ferner sind in der Analyse der Produkte und des Prozesses häufig manuelle Arbeiten, wie die Bestückung, zu verrichten. Des Weiteren sind an jeder Prozesseinheit, welche einen chemischen Prozess durchführt, eine Vielzahl von Sensoren und/oder komplexe analytische Messvorrichtungen verbaut, welche zur Steuerung bzw. Regelung des Prozesses benötigt werden. Diese Nachteile sollen durch die nachfolgende Erfindung, zumindest teilweise, behoben werden.

Beschreibung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Prozessablauf eines chemischen Prozesses flexibel zu gestalten und weiter zu optimieren, sowie weiter zu automatisieren.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.

Die Erfindung betrifft ein Prozessleitsystem und ein Verfahren zur Verbesserung von chemischen Prozessen und insbesondere von chemischen Forschungsprozessen, wobei das Prozessleitsystem mehrere Systemkomponenten und eine zentrale Steuereinheit aufweist. Die Systemkomponenten umfassen zumindest eine Prozesseinheit, zumindest ein externes Modul, vorzugsweise mehrere externe Module, sowie zumindest ein Logistikmodul.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein modulares Prozessleitsystem für chemische

Prozesse, insbesondere für chemische Forschungsprozesse. Das modulare Prozessleitsystem weist eine zentrale Steuereinheit, wenigstens eine Prozesseinheit, wenigstens ein externes Modul und wenigstens ein Logistikmodul auf. Das Logistikmodul ist dazu eingerichtet, ein Edukt, ein Produkt, ein Zwischenprodukt und/oder einen Reaktor aufzunehmen und zu oder von der Prozesseinheit und/oder dem externen Modul zu transportieren. Die Prozesseinheit ist dazu eingerichtet, das Edukt, das Zwischenprodukt und/oder den Reaktor von dem Logistikmodul zu empfangen, den Reaktor aufzunehmen und einen chemischen Prozess durchzuführen, sodass das Produkt oder das Zwischenprodukt entsteht. Das Logistikmodul ist ferner dazu eingerichtet, das von der Prozesseinheit erzeugte Produkt oder Zwischenprodukt und/oder den Reaktor aufzunehmen und zu transportieren. Das externe Modul ist dazu eingerichtet, das Edukt, das Produkt, das Zwischenprodukt und/oder den Reaktor von dem Logistikmodul aufzunehmen oder an dieses abzugeben. Die zentrale Steuereinheit ist dazu eingerichtet, Daten von dem Logistikmodul, der Prozesseinheit oder dem externen Modul zu empfangen, einen

Prozessablauf zu berechnen und basierend auf diesem Prozessablauf das Logistikmodul, die Prozesseinheit und das externe Modul zu steuern. Das Prozessleitsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Logistikmodul autonom und körperlich getrennt von der zentralen Steuereinheit, der Prozesseinheit und dem externen Modul ist.

Mit anderen Worten kann ein chemischer Prozess, insbesondere ein chemischer

Forschungsprozess, durch den Einsatz von Logistikmodulen flexibler, dynamischer, effizienter, raumsparender und kosteneffizienter gestaltet werden. Ferner kann durch den Einsatz des Logistikmoduls der chemische Prozess weiter automatisiert werden. Das Logistikmodul kann hierfür, Waren bzw. Stoffe, wie z.B. Edukte, Produkte oder Zwischenprodukte, oder Reaktoren zwischen den verschiedenen Systemkomponenten des modularen Prozessleitsystems transportieren. Das Logistikmodul kann vorteilhafterweise durch eine zentrale Steuereinheit gesteuert werden, in welcher auch Daten bzw. Informationen der anderen Systemkomponenten (z.B. der Prozesseinheit und dem externen Modul) zusammenlaufen. Somit kann das

Logistikmodul dazu dienen den chemischen Prozess zu entkoppeln, Produkte und

Zwischenprodukte zwischenzulagern, eine kritische Stoffmenge (z.B. wegen Explosionsgefahr) an der Prozesseinheit nicht zu überschreiten, den Produktionsprozess flexibel an die aktuellen Umstände anzupassen oder Proben zu entnehmen und an eine Analysevorrichtung zu transportieren. Es sei angemerkt, dass die Steuereinheit basierend auf den empfangenen Daten das Logistikmoduls, der Prozesseinheit oder des externen Moduls einen optimierten Prozessablauf berechnen kann und dementsprechend die Systemkomponenten steuern kann. Hierbei kann die Steuereinheit den Prozessablauf nach verschiedenen Kriterien optimieren, beispielsweise kann eine Optimierung hinsichtlich der Produktionszeit, der Produktionskosten, dem Stoffeinsatz oder dem Energieverbrauch stattfinden. Ferner kann die Steuereinheit auch den Prozess umplanen bzw. anpassen, wenn dies aufgrund der empfangenen Daten erforderlich erscheint. Mit anderen Worten kann durch das modulare Prozessleitsystem ein chemischer Prozess flexibel umgeplant werden.

Das externe Modul kann von der Prozesseinheit entkoppelt angeordnet sein. Das bedeutet, dass sich das externe Modul in gewisser räumlicher Entfernung zur Prozesseinheit befinden kann, aber auch in einer benachbarten Umgebung angeordnet sind kann. Das externe Modul kann insbesondere Aufgaben übernehmen, welche nicht im Vordergrund des chemischen Prozesses stehen, wie beispielsweise die Analyse von Proben oder die Lagerung von Edukten, Produkte, Zwischenprodukten oder Reaktoren.

Weiterhin kann das externe Modul in einer benachbarten Umgebung zu der Prozesseinheit stehen, das externe Modul ist jedoch nicht mit der Prozesseinheit körperlich verbunden bzw. weist keine bauliche Verbindung zu der Prozesseinheit auf. Es sei angemerkt, dass das externe Modul beispielsweise ein Lagermodul oder ein Analysemodul sein kann, welches eine zeitliche Anbindung an den Prozess erlaubt. Diese zeitliche Anbindung kann innerhalb einer üblichen Versuchsperiode liegen, beispielsweise innerhalb von wenigen Stunden, Tagen oder auch mehrerer Wochen.

Das Logistikmodul kann einen von baulichen Verbindungselementen unabhängigen Stofffluss zwischen den einzelnen Systemkomponenten bewirken, welcher es erlaubt, dass die in verfahrenstechnischen Einheiten normalerweise übliche direkte zeitliche Abfolge einzelner Prozessschritte entkoppelt werden kann. Das Logistikmodul kann dabei wie ein Ventil für den Stofffluss agieren mit dem Zusatzvorteil, dass die zeitliche Abfolge im Prozess verändert werden kann, ohne eine Umverrohrung der Prozessleitungen vorzunehmen. Es sei angemerkt, dass mehrere Logistikmodule verwendet werden können, insbesondere wenn mehrere externe Module oder Prozesseinheiten in dem modularen Prozessleitsystem verwendet werden können zwischen den externen Modulen und den Prozesseinheit(en) mehrere Logistikmodule eingesetzt werden.

Bei dem Logistikmodul kann es sich um eine bewegliche Einheit handeln, die zumindest eine transversale Beweglichkeit (d.h. eine Beweglichkeit in der horizontalen Ebene) aufweist. Ferner kann das Logistikmodul einen Greifarm mit einem Greifmittel aufweisen. Das Logistikmodul kann zudem den Reaktor der Prozesseinheit über den Greifarm reinigen. Dies kann

insbesondere bei einem Batchreaktor vorgesehen sein. Das Logistikmodul kann eine autonome Einheit sein, welche eine Wendigkeit aufweist, beweglich ist und eine Handhabung von

Gegenständen, Testproben oder Halterungen mit Testproben vornehmen kann. Das

Logistikmodul kann eine Wirkverbindungen zwischen den unterschiedlichen

Systemkomponenten und der Prozesseinheit hersteilen. Das Logistikmodul kann ferner mit der zentralen Programmeinheit in Verbindung stehen, und zwar vorzugsweise mittels einer kabellosen Verbindung, sodass das Logistikmodul Daten an die zentrale Steuereinheit übertragen kann und von der zentralen Steuereinheit Befehle erhalten kann. Der Begriff autonome Einheiten bedeutet, dass das Logistikmodul eine körperliche Entkopplung von anderen Einheiten aufweist.

Des Weiteren sei angemerkt, dass der Greifarm sowohl als horizontaler als auch als vertikaler Knickarmroboter ausgeführt sein kann, wobei die letztere Form die bevorzugte ist. Weiterhin sei vermerkt, dass in den Greifer bzw. dessen Fingern Sensoren integriert sein können, welche eine Detektion, analog der menschlichen Finger, von Abstand, Wärme, Kälte, Druck, Kraft etc. erlauben und in einer weiteren Form sogar als menschliche Hand mit fünf Fingern ausgestaltet sein kann.

Die zwischen dem Logistikmodul, der Prozesseinheit und/oder dem externen Modul und der zentralen Steuereinheit ausgetauschten Daten können Bewegungsdaten bzw. Navigationsdaten, Beladungsdaten oder Zustandsdaten des Logistikmoduls, Prozessparameter, wie z.B. Temperatur, Druck, Durchsatz, Produktionsmenge, Reaktionsgeschwindigkeit oder Stoffmenge, Daten der Prozesseinheit oder Bestandsdaten oder Analyseergebnisse des externen Moduls sein. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit das Logistikmodul und dessen Weg innerhalb des Prozesses steuern. Die Analysedaten können sich beispielsweise auf die Qualität, die Menge, die Temperatur oder die Reinheit der Probe beziehen.

Das Logistikmodul und die dadurch ermöglichte flexible Gestaltung des Prozesses kann immer dann von Vorteil sein, wenn eine weitere Analyse oder eine Anpassung des Prozesses nötig ist, beispielsweise wenn eine weitere bzw. neue Probe für einen weiteren Test erforderlich ist. Herkömmlicherweise ist aufgrund der festen Verrohrung nur eine begrenzte Flexibilität innerhalb eines chemischen Prozesses möglich. Durch das Logistikmodul kann ein neues Edukt oder Zwischenprodukt aus dem Lagermodul geholt werden, wenn die zentrale Steuereinheit feststellt, dass dies für den chemischen Prozess erforderlich ist. Somit kann die Stoffmenge explosiver, brennbarer oder toxischer Edukte oder Zwischenprodukte, welche innerhalb der Produktionshalle oder dem Labor aufbewahrt werden, erweitert werden, ohne dass dies zu arbeitsschutzrechtlichen Problemen führt. Mit anderen Worten lässt sich die Stoffmenge durch das Logistikmodul einfach vergrößern, indem ein Behälter, z.B. eine Kartusche, mit dem entsprechenden Stoff in der Anlage einfach getauscht wird, sobald diese aufgebraucht ist.

Ferner kann die sich an den Prozess anschließende Analyse in Abhängigkeit von Testergebnissen anderer Versuche in eine neue zeitliche (Prioritäts-) Reihenfolge gesetzt werden, um beispielsweise Versuchszeit zu reduzieren oder auch um den Prozess selbst neu zu gliedern. Auch können sich an die eigentliche Reaktion in der Prozesseinheit anschließende Prozesse zur Stoffaufbereitung, wie z.B. die Stofftrennung, die Stoffverdünnung, die Stoffaufreinigung oder Stoffanwendungen, baulich getrennt vom Reaktionsprozess angeordnet werden. Dies ist selbst dann möglich, wenn die verschiedenen Teilprozesse selbst untereinander baulich getrennt betrieben werden, da auch hier diese durch das Logistikmodul in eine (auch neue) zeitliche und logische Abfolge gesetzt werden können.

Die freie stoffliche Verbindung der Systemkomponenten gleicht damit der drahtlosen datentechnischen Verbindung und erleichtert eine freie Steuerung eines Prozessablaufs (und Neuordnung des Prozesse, wenn nötig), welche den Modulcharakter des Prozesses in Form von Steuermodulen (Activities) identisch abbildet, welche jeweils eine Prozesseinheit oder ein externes Modul steuern, welches wiederum über das Logistikmodul stofflich miteinander verbunden sein können. Die zeitliche Abfolge in der Prozessablaufsteuerung kann unabhängig von baulichen Einschränkungen frei definiert werden, dadurch kann wird eine maximale Flexibilität ermöglicht werden.

Das Logistikmodul kann bodengebunden, in Form von AGV ^' s (Autonomous Guided Vehicle) oder LKWs, oder nicht bodengebunden, in Form von Drohnen, sein. Solche Drohnen bewegen sich beispielsweise auf definierten Bahnen entlang der Decke der Produktionshalle bzw. des Labors und ähneln damit schienengebundenen Transportsystemen, besitzen aber nicht deren Einschränkungen wie die feste Transportreihenfolge.

Mit anderen Worten wird hier ein modulares Prozessleitsystem zur Durchführung von chemischen Prozessen oder chemischen Forschungsexperimenten beschrieben. Hierbei kann dieses modulare Prozessleitsystem kontinuierliche Systemkomponenten und nicht kontinuierliche Systemkomponenten aufweisen. Die kontinuierlichen Systemkomponenten und nicht kontinuierlichen Systemkomponenten können in zugehörigen Modulen oder Einheiten integriert sein. Eine nicht kontinuierliche Systemkomponente kann in einem externen Modul angeordnet sein. Die einzelnen Systemkomponenten werden hierbei durch das Logistikmodul miteinander verbunden. Die Rückkopplung zwischen dem externen Modul und der Prozesseinheit kann über die zentrale Steuereinheit erfolgen. Die zentrale Steuereinheit kann über eine hierarchisch angeordnete Steuerstruktur verfügen, sodass das modulare Prozessleitsystem gut und einfach abgebildet werden kann.

Ein chemischer Prozess im Rahmen dieser Offenbarung kann insbesondere ein katalytischer Prozess in Gegenwart von einem Feststoffkatalystator sein. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Prozesseinheit eine Vorrichtung zur Durchführung von Hochdurchsatzforschungsexperimenten. Hierzu können insbesondere mehrere Reaktoren bzw. seriell gekoppelte Reaktoren parallel angeordneten sein.

Die Analyse der Probe der Prozesseinheit durch das externe Modul, hier ein Analysemodul, kann einen Ergebnisdatensatz liefern. Dieser Ergebnisdatensatz kann an die zentrale Steuereinheit übertragen werden. In einer weiteren Ausführungsform kann dieser Ergebnisdatensatz jedoch auch einem externen Nutzer, wie beispielweise einem Kunden, mittels einer Cloud, z.B. über das Internet, zur Verfügung gestellt werden. Ferner kann der externe Nutzer die Möglichkeit haben, den Ergebnisdatensatz zu bewerten und anhand der Bewertung die zentrale Steuereinheit anzuleiten den Prozess oder den Ablauf des Prozesses zu verändern oder anzupassen. Mit anderen Worten kann in den Prozess und insbesondere in die Steuerung des Logistikmoduls von außen eingegriffen werden, um diesen„live“ an die aktuellen Gegebenheiten anzupassen.

Das Analysemodul kann seinerseits aus einem Stickstoff/Schwefel-Analysemodul bzw. einem Gaschromatographiemodul (GC-Analyse), einem Sensormodul, z.B. eine Waage, ein Infrarotsensor (IR), ein Rheometer oder eine Zug-Reißfestigkeitsvorrichtung, einer Verdünnungs oder Destillationsvorrichtung zur Vorbereitung der Stickstoff/Schwefel-Analyse oder GC-Analyse und/oder einer Vorrichtung zur additiven Fertigung (3D-Drucker) zur Vorbereitung der Zug- Reißfestigkeitsmessung bestehen.

Somit kann durch das Logistikmodul ein schnelles, flexibles, entkoppeltes, dynamisches System gebildet werden.

Es sei angemerkt, dass das Prozessleitsystem auch als Prozessführungssystem oder als modulares Produktionssystem bezeichnet werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Prozesseinheit einen Reaktionsraum auf, welcher den Reaktor aufnimmt. Im Reaktionsraum werden gasförmige und/oder flüssige Stoffströme vorzugsweise in Anwesenheit eines festen oder in den Stoffströmen gelösten Katalysators in Kontakt gebracht mit dem Zweck einer stofflichen Umsetzung oder Trennung. Der Reaktor ist ein Kesselreaktor, ein Druckkesselreaktor, ein Rührkesselreaktor, ein

Wirbelbettreaktor oder ein Rohrreaktor. Ferner kann der Reaktor auch eine Abfolge mehrerer Reaktoren oder weiterer verfahrenstechnischer Prozesseinheiten sein. Des Weiteren sei angemerkt, dass der Reaktor auch als ein Membranreaktor oder als ein ebullated bed ausgelegt sein kann oder mit diesen Reaktoren in Kombination vorliegen kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Prozesseinheit eine Vielzahl von Reaktionsräumen auf, welche vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind. Somit können mehrere verschiedene Reaktionen parallel durchgeführt werden oder es kann auch dieselbe Reaktion parallel durchgeführt werden, um die Produktionsmenge zu vergrößern. Weiter vorzugsweise bestehen die parallel angeordneten Reaktionsräume zum Teil aus mehreren in Serie geschalteten Reaktionsräumen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Reaktionsraum der Prozesseinheit ein Volumen zwischen 0,1 - 5000 ml, vorzugsweise ein Volumen zwischen 1 - 2500 ml auf.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Reaktor einen Katalysator auf. Dieser Katalysator kann beispielsweise innerhalb eines Rohrreaktors angeordnet sein und in dem Reaktionsraum der Prozesseinheit von einem Gasstrom durchströmt werden. Ferner kann der Katalysator und/oder der Reaktor inklusive des Katalysators durch ein additives

Fertigungsverfahren (3D-Druck), wie beispielsweise Lasersintern, hergestellt werden. Somit können Katalysatoren mit verschiedenen Partikelgrößen oder auch aus verschiedenen

Materialen in dem Reaktor verwendet werden. Durch die additive Fertigung kann eine freie dreidimensionale Struktur innerhalb des Katalysators erreicht werden. Weiterhin können Materialproben im 3D-Druck hergestellt werden für Materialtest beispielsweise Korrosionstests oder physikalische Trenntests mit unterschiedlichen Membranen oder elektrochemisch aktiven Substanzen. In letzterem Fall wird jedem Reaktor noch ein elektrisches Potential angelegt zur Unterstützung der Reaktion.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Katalysator ein Volumen zwischen 0,5 - 500 ml, vorzugsweise ein Volumen zwischen 0,75 - 250 ml und noch

bevorzugter ein Volumen zwischen 1 - 100 ml auf.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das externe Modul eine Vorrichtung zur Massebestimmung, Verdünnung und/oder Analyse auf. Das Logistikmodul ist dazu eingerichtet, eine Probe aus der Prozesseinheit zu entnehmen und zu der Vorrichtung zur

Massebestimmung, Verdünnung und/oder Analyse zu transportieren. Die Vorrichtung zur Massebestimmung, Verdünnung und/oder Analyse ist dazu eingerichtet, die Probe zu messen, zu verdünnen und/oder zu analysieren und das Ergebnis dieser Messung, Verdünnung und/oder Analyse an die zentrale Steuereinheit zu senden bzw. zu übertragen. Die zentrale Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Prozesseinheit, Vorrichtung zur Verdünnung und/oder Analyse basierend auf dem Ergebnis der Messung, der Verdünnung und/oder der Analyse zu steuern. Ferner kann die zentrale Steuereinheit basierend auf diesem Ergebnis die Steuerung des chemischen Prozesses weiter optimieren, sodass eine möglichst hohe Qualität, eine geringe Zeit oder ein geringer Material- bzw. Stoffeinsatz im Vordergrund steht.

Die Prozesseinheit kann Prozessdaten zu relevanten Prozess Parametern wie Druck, Temperatur, Flussraten, elektrische Messwerte zur Qualifizierung der chemischen Reaktion und online- Analysedaten generieren. Die Prozessdaten können anschließend an die zentrale Steuereinheit übermittelt werden. Die Prozesseinheit kann Proben bzw. Testproben generieren. Die Proben können in einem Aufnahmebehältnis, wie einem Behälter, aufgenommen werden. Die mit Proben befüllten Aufnahmebehältnisse können zunächst im Bereich der Prozesseinheit gelagert werden, z.B. in einer Probenhalterung. Die mit Proben befüllten Aufnahmebehältnisse oder ein Teil der mit Proben befüllten Aufnahmebehältnisse können anschließend vom Logistikmodul aufgenommen werden und zu dem externen Analysenmodul transportiert werden. Das externe Analysenmodul kann die zugeführten Proben einer Analyse unterziehen. Die bei der Analyse erzeugten Daten bzw. die Ergebnisse können der zentralen Steuereinheit mitgeteilt werden bzw. an diese übertragen oder übermittelt werden.

Die zentrale Steuereinheit führt ihrerseits eine Bewertung der bei der Analyse erzielten Daten durch, insbesondere in Bezug auf die Prozessparameter der Prozesseinheit. Bei der Bewertung durch die zentrale Steuereinheit kann es sich um einen Abgleich von Ist- und Sollwerten handeln. Anhand der bei der Bewertung erzielten Ergebnisse kann die zentrale Steuereinheit eine Anpassung von Prozessparametern vornehmen bzw. basierend darauf kann die zentrale Steuereinheit den Prozess weiter optimieren.

Durch das beschriebene modulare Prozessleitsystem kann die Ausstattung der Prozesseinheit im Vergleich zu herkömmlichen verfahrenstechnischen Anlagen messtechnisch vereinfacht werden, da Sensoren, die sonst in direkter Verbindung mit dem Stoffstrom stehen, auch über das Logistikmodul mit dem Stoffstrom in Verbindung gebracht werden können. Eine Anwendung ist die Wägung der Proben nach der Probenahme. Mit der Wägung ist eine stoffliche Bilanzierung des chemischen Prozesses möglich, die Aussagen beispielsweise zum Umsatz der Einsatzkomponenten mit einem spezifischen Katalysator trifft. Diese Waage stellt somit ein externes Modul dar und muss nicht in jeder Prozesseinheit verbaut sein, sondern kann von mehreren Prozesseinheiten genutzt werden. Eine weitere Anwendung ist die Verdünnung der Testproben vor der eigentlichen Charakterisierung im Analysenmodul. Durch die Verdünnung werden die Testproben in den für die Charakterisierung notwendigen Zustand gebracht. Dieser Verdünnungsschritt kann in einem eigenständigen Probenvorbereitungsmodul erfolgen. Die Probenvorbereitung kann mehrere Arbeitsschritte umfassen. Das Probenvorbereitungsmodul kann von mehreren Prozessmodulen als auch Analysemodulen genutzt werden. Das Probenvorbereitungsmodul wird über ein Logistikmodul mit den anderen Modulen in Verbindung gebracht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das externe Modul aus der Gruppe bestehend aus einer Massebestimmungsvorrichtung, einer Analysevorrichtung, einer Messvorrichtung, einem Sensor, einer Destillationsvorrichtung, einer Verdünnungsvorrichtung, einer weiteren Prozesseinheit, einem Reaktorlager, einem Lager für Probenbehälter, einer

Barcodeetikettierungsvorrichtung, einem Flüssigkeitslager, einem Feststofflager, einem

Eduktlager, einem Produktlager und/oder einer Vorrichtung zur additiven Fertigung ausgewählt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das modulare Prozessleitsystem ein Lagermodul als Systemkomponente auf. Ein Lagermodul kann unterschiedliche Arten von gelagerten Edukten, Produkten, Zwischenprodukten, Reaktoren oder Katalysatoren umfassen. Das Lagermodul kann ein Lagermodul für Flüssigkeiten, ein Lagermodul für Feststoff und/oder ein Lagermodul für Reaktoren aufweisen. Darüber hinaus kann das Lagermodul auch ein Synthesemodul aufweisen, vorzugsweise handelt es sich bei dem Synthesemodul um eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, d.h. einen 3D-Drucker. Beispielsweise kann durch die Vorrichtung zur additiven Fertigung eine Zugreißprobe hergestellt werden, insbesondere wenn in einem Batchreaktor ein Polymer hergestellt wird, welches anschließend in eine Probe gedruckt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktor und/oder der Katalysator durch die Vorrichtung zur additiven Fertigung hergestellt.

Mit dem Synthesemodul des Lagermoduls können Reaktoren aus unterschiedlichen Materialien gedruckt und anschließend im Lagermodul gelagert werden. Außerdem lassen sich auch Katalysatoren drucken, welche aus unterschiedlichen Basismaterialien aufgebaut sein, welche schichtweise variieren oder auch innerhalb einer Schicht aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Diese gedruckten Komponenten können anschließend im Lagermodul für Feststoffe gelagert werden. Beispielsweise kann die Versuchsaufgabe des Prozesses in der Bewertung unterschiedlicher Katalysatoren bestehen.

Durch die Wahl geeigneter Materialien kann die Korrosionsfestigkeit der Reaktoren derart eingestellt werden, dass die Reaktoren für den jeweiligen Prozess geeignet sind. In diesem Fall bestehen alle Reaktoren aus dem gleichen Materialgemisch. Jedoch kann die Materialmischung auch derart zusammengesetzt sein, dass alle Reaktoren unterschiedliche Materialien aufweisen. In diesem Fall kann die Versuchsaufgabe in der Erprobung der Reaktoren selbst liegen, beispielsweise deren chemische Verträglichkeit mit dem Produkt im Reaktor. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Logistikmodul ein Flurförderfahrzeug, eine Drohne, ein Lastkraftwagen oder ein Schienenfahrzeug. Des Weiteren sei angemerkt, dass das Logistikmodul selbst bereits eine Massenbestimmungsvorrichtung aufweisen kann um eine Wägung durchzuführen. Das Logistikmodul kann sich beispielsweise über Leiterschleifen, welche im Boden eingebracht sind, lokalisieren, jedoch kann sich das Logistikmodul auch über Satellitennavigation, wie GPS, lokalisieren. Ferner sind auch Lokalisierungsverfahren mittels Pseudosatelliten möglich, sodass eine präzise Lokalisierung und Navigation innerhalb eines Gebäudes möglich ist. Ein im Logistikmodul integrierter Laserflächenscanner kann ebenfalls zur Lokalisierung mithilfe eines Mappingverfahrens genutzt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Edukt, das Produkt und/oder das

Zwischenprodukt in einem Behälter Kartusche. Das Logistikmodul ist dementsprechend dazu eingerichtet, den Behälter aufzunehmen und zu transportieren. Somit können auch

Flüssigkeiten, Gefahrenstoffe und/oder explosive Stoffe einfach und sicher transportiert werden. Ferner können die Behälter auch in dem Lagermodul einfacher gestapelt und/oder gehandhabt werden. Mit anderen Worten kann die Lagereinheit eine Aufnahmen für den Behälter vorsehen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Datenaustausch zwischen dem Logistikmodul, der Prozesseinheit, dem externen Modul und der zentralen Steuereinheit, und die Steuerung des Logistikmoduls, der Prozesseinheit und des externen Moduls drahtlos.

Der Datenaustausch zwischen den einzelnen Systemkomponenten (Prozesseinheit, externes Modul und Logistikmodul) und der zentralen Steuereinheit kann kabellos, über die Luft (over the air), erfolgen. Die kabellose Übertragung bzw. der kabellose Empfang der Daten kann per Bluetooth, WLAN (z. B. WLAN 802.11 a/b/g/n/ac oder WLAN 802.1 1 p), ZigBee oder WiMax oder aber auch mittels zellulärer Funksysteme wie GPRS, UMTS, 3G, LTE, 4G oder 5G erfolgen. Es ist auch die Verwendung anderer Übertragungsprotokolle möglich. Die genannten Protokolle bieten den Vorteil der bereits erfolgten Standardisierung.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das modulare Prozessleitsystem mehrere Logistikmodule, mehrere Prozesseinheiten und mehrere externe Module. Die zentrale

Steuereinheit ist dazu eingerichtet, den Transport mittels der mehreren Logistikmodule zwischen den mehreren Prozesseinheiten und/oder den mehreren externen Modulen zu steuern, und wobei die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet ist, basierend auf den empfangenen Daten der Logistikmodule, der Prozesseinheiten oder der externen Module das modulare Prozessleitsystem zu optimieren. Mit anderen Worten ist das beschriebene modulare Prozessleitsystem flexibel erweiterbar und es kann eine Vielzahl von Systemkomponenten aufweisen, welche allesamt über die zentrale Steuereinheit gesteuert werden. Hierbei zeigt sich ein weiterer Vorteil der Logistikmodule, da diese flexibel und dynamisch zwischen der Vielzahl an Systemkomponenten eingesetzt werden können und die einzelnen Systemkomponenten auch flexibel miteinander verbunden werden können.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die zentrale Steuereinheit ferner eine Datenbank und eine Schnittstelle auf. Die Schnittstelle ist wiederum dazu eingerichtet, die durch die zentrale Steuereinheit empfangenen Daten des Logistikmoduls, der Prozesseinheit und/oder des externen Moduls aufzubereiten. Ferner ermöglicht die Schnittstelle einen

Fernzugriff, beispielsweise durch einen Kunden.

Die zugrundeliegende Steuerungsarchitektur des modularen Prozessleitsystems kann hierarchisch aufgebaut sein. Beginnend mit der Ebene der Prozessleittechnik (PLT) über die Rezeptablaufsteuerung (RAS) bis hin zur Datenbank kann die Anzahl der Einzelinformationen sinken, gleichzeitig kann sich die Informationsdichte erhöhen. Mit anderen Worten: auf der Ebene der PLT kommt es zu einer Abfrage von Stoffzuständen (Druck p, Temperatur T, Menge, etc.). Diese Informationen können im Übergang zur Ebene der Rezeptablaufsteuerung gefiltert werden, in Informationen, welche der Prozesskontrolle dienen und Informationen, welche der Stoffbeschreibung diesen. Diese Stoffzustände können auf der Ebene der Datenbank in Beschreibungen des Verfahrens übersetzt werden. Insbesondere mit Hilfe von Bilanzberechnungen und Reaktionskinetiken, um anschließend wieder in der Ablaufsteuerung Entscheidungen auf Basis der Stoffzustände auszulösen, welche den weiteren Ablauf des Prozesses beeinflussen. Diese Stoffzustände können zurück in die Ebene der PLT gespiegelt werden, wo diese in einem Regelkreis (p, T, Menge, etc.) Berücksichtigung finden.

Eine weitere Steuerungsebene - das Asset Management - kann einbezogen werden, wenn mehrere Prozesseinheiten oder auch verknüpfte Prozesseinheiten existieren. Das Asset Management kann anschließend die zeitliche Abfolge, in welche die Prozesseinheiten mit einem oder mehreren Logistikmodulen bedient werden, koordinieren und kann auch für die Abfrage der zeitlichen Verfügbarkeit vor- oder nachgeschalteter Systemkomponenten sorgen, z.B. die einzelnen externen Module. Beispielsweise meldet eine Prozesseinheit mit einer Rezeptablaufsteuerung und einer Prozessleittechnik (RAS+PLT(1 )) eine Probenanalyse an das Asset Management. Dieses prüft daraufhin die Bereitschaft der nachgeschalteten Analyseeinheit (z.B. eine Gaschromatographie) zur Aufnahme von zu messenden Proben. Daraufhin verfährt das Logistikmodul zur Prozesseinheit, entnimmt dort die Proben und transportiert diese zur Analyseeinheit und bestückt diese mit der Probe. Die Koordination des Logistikmoduls übernimmt beispielsweise ein Fleet Management. Dieses Fleet Management kann in direktem Austausch mit dem Asset Management stehen. Das Asset Management kann auch der Auslastungsplanung der Prozesseinheiten und/oder der externen Module durch die Auftragsplanung in der Produktion oder dem Labor dienen. Dazu kann es den Datenverkehr zwischen den Prozesseinheiten und der zentralen Steuereinheit überprüfen und meldet eine Verfügbarkeit für neue Aufträge, wenn beispielsweise der Datenverkehr ausbleibt. Letzteres kann als Indiz verwendet werden, dass die Prozesseinheit unausgelastet ist. Abhängig vom Ausbaugrad der Steuerebene lassen sich sehr komplexe Wirk- und Ursachenabfolgen auslösen, wenn Berechnungsalgorithmen (machine learning) in dieser Ebene einbezogen werden, beispielsweise für die Erkennung in naher Zukunft anstehender Anlagenprobleme durch Auswertung von langfristig gemessenen Prozessdaten.

Dazu kann eine Verbindung zu der zentralen Steuereinheit oder einer Schnittstelle notwendig sein, welche nicht in direkter Nachbarschaft zur Prozesseinheit stehen müssen, sondern auch über einen Fernzugriff bzw. einen Cloudzugang mit der Prozesseinheit in Verbindung steht. Ein solcher Cloudzugang kann mit einem Anwender (Kunde) realisiert werden, der über proprietäre Informationen verfügt, die nur für die Verrechnung und Datenverdichtung in diesem Verfahren benutzt werden sollen aber nicht die proprietäre Umgebung des Anwenders verlassen sollen. Der Zugang über die Cloud auf die Ablaufsteuerung des chemischen Prozesses kann dem Anwender dann auch eine Fernsteuerung des Prozesses (remote control) innerhalb definierter Sicherheitsgrenzen für die Prozesseinheit auf Basis dieser proprietären Informationen erlauben. Der Anwender erlangt dadurch eine direktere Prozesskontrolle und verbessert seinen Datenschutz vor Mittbewerbern.

Ein Cloudzugang kann auch genutzt werden, um Zusatzdienstleistung (Cloud Services) anzubieten, welche vom Anwender nicht selbst geleistet werden können und zwar in Form der folgenden Arbeitspakete:„Machine learning“ auf Basis vorhandener historischer Anwenderdaten und daraus entwickeln von Vorgaben für neue Versuchsvarianten, die Berechnung von Reaktionskinetiken auf Basis von Umsatzmessungen, Computersimulationen der Temperaturverteilung in den Reaktoren auf Basis der errechneten Reaktionskinetiken und Stoffströme (Hot-spot Simulation), statistisch geschickt gewählte Parameterbereiche als Vorgabe für neue Versuchspläne (Design of Experiments).

Der Cloudzugang kann eine Steuereinheit oder eine Schnittstelle zu der zentralen Steuereinheit sein. Dieser Cloudzugang kann für eine Vielzahl von chemischen Prozessen zur Verfügung stehen, jedoch kann jeder Anwender nur die für ihn freigegebenen chemischen Prozesse einsehen und anpassen. Ferner kann der Cloudzugang mehrere Steuereinheiten aufweisen, welche über verschiedene Orte (weltweit) verteilt sind. Der Cloudzugang kann beispielsweise ein Server sein, welcher über das Internet oder ein anderes Netzwerk erreichbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schnittstelle dazu ausgebildet, die Auslastung des modularen Prozessleitsystems an eine Auftragsverwaltung zu melden und freie

Forschungskapazität anzuzeigen.

In einer weiteren noch bevorzugteren Ausführungsform ist die Schnittstelle dazu ausgebildet, den Austausch von Versuchsergebnissen und weitergehenden Berechnungen zu ermöglichen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines modularen

Prozessleitsystems für chemische Prozesse, insbesondere chemische Forschungsprozesse. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Empfangen von Daten eines Logistikmoduls, einer Prozesseinheit und/oder eines externen Moduls;

- Auswerten der empfangenen Daten durch eine zentrale Steuereinheit;

- Berechnen, durch die zentrale Steuereinheit, eines Prozessablaufs basierend auf den empfangenen Daten;

- Steuern des Logistikmoduls, der Prozesseinheit und/oder des externen Moduls, basierend auf dem berechneten Prozessablauf, um einen chemischen Prozess zu erhalten.

Das Verfahren zur Verbesserung von chemischen Prozessen kann die Konfiguration von Systemkomponenten umfassen, wobei eine Auswahl und Zusammenstellung von Systemkomponenten erfolgt, welche anschließend die Durchführung von integrierten Arbeitsabläufen vornehmen. Die Konfiguration der Systemkomponenten kann über die zentrale Steuereinheit erfolgen.

Es sei angemerkt, dass die Schritte des Verfahrens auch in einer anderen Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden können. Ferner kann zwischen einzelnen Schritten auch eine längere Zeitspanne liegen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein

Programmelement, das, wenn es auf einer zentralen Steuereinheit eines modularen

Prozessleitsystems ausgeführt wird, das modulare Prozessleitsystem anleitet, die Schritte des vorhergehenden und nachfolgend beschriebenen Verfahrens durchzuführen, gespeichert ist. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Figuren.

Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden

Beschreibung der Figuren gleiche Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des modularen Prozessleitsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung des modularen Prozessleitsystems mit zwei Logistikmodulen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Systemkomponenten des

modularen Prozessleitsystems, welches in Fig. 2 gezeigt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der verschiedenen Steuerebenen des

modularen Prozessleitsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5 zeigt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine schematische

Darstellung des modularen Prozessleitsystems, welches über einen Cloud-Server mit unterschiedlichen Produktionsprozessen in Verbindung steht.

Fig. 6 zeigt einen abstrakten Ablauf- und Steuerplan des modularen Prozessleitsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 7 zeigt einen Cloud-Server, welcher mit mehreren Prozessleitsystemen in Verbindung steht, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Steuerung eines modularen

Prozessleitsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des modularen Prozessleitsystems 1a. Das modulare Prozessleitsystem 1 a weist eine Prozesseinheit 01 , ein Logistikmodul 02, ein erstes externes Modul 03, welches hier als Analysemodul 03 ausgestaltet ist, ein zweites externes Modul 04, welches hier als Lagermodul 04 ausgestaltet ist, und eine zentrale Steuereinheit 05 auf. Die drahtlose Verbindung zwischen dem Logistikmodul 02 und der zentralen Steuereinheit 05 ist in Fig. 1 mittels einer gestrichelten Linie dargestellt. Somit können zwischen dem

Logistikmodul 02 und der zentralen Steuereinheit 05 Daten ausgetauscht werden. Es sei angemerkt, dass die zentrale Steuereinheit 05 auch mit den externen Modulen 03, 04 und der Prozesseinheit 01 drahtlos in Verbindung stehen kann. Die ausgetauschten Daten können insbesondere den Beladungszustand, die Position oder den aktuellen Fahrweg des

Logistikmoduls 02 betreffen. Es sei angemerkt, dass die Prozesseinheit 01 auch Daten bezüglich ihrer Prozessparameter, wie Temperatur, Druck oder Stoffmenge, mit der zentralen Steuereinheit 05 austauschen kann, aber auch Daten betreffend den Zustand eines Reaktors oder dem Austausch eines Reaktors, dem parallelen Betrieb mehrere Reaktionsräume oder dem hergestellten Produkt bzw. Zwischenprodukt. Auch die externen Module 03, 04 können mit der zentralen Steuereinheit 05 Daten austauschen, diese können beispielweise Bestandsdaten für ein Lagermodul, die noch freien Kapazitäten in einem Lager oder die Herstellung eines Katalysators betreffen. Ferner können die Daten des externen Moduls 03, 04 Analysedaten, Sensordaten oder Steuerdaten für eine Verdünnungsvorrichtung oder eine

Destillationsvorrichtung sein.

Die Prozesseinheit 01 kann aus wenigstens einem Edukt und/oder einem Zwischenprodukt mittels einer chemischen Reaktion ein Produkt oder ein weiteres Zwischenprodukt hersteilen. Ferner, um die Qualität dieses hergestellten Produkts oder Zwischenprodukts zu überprüfen und/oder die Prozesseinheit 01 zu steuern, kann die Prozesseinheit 01 Proben 12 ausleiten. Vorteilhafterweise können diese Proben 12 in ein Behältnis, z.B. einen Behälter oder eine Kartusche, gefüllt sein.

Das erste externe Modul 03 ist in Fig. 1 ein Analysemodul 03, welches seinerseits aus einem Stickstoff/Schwefel-Analysemodul bzw. einem Gaschromatographiemodul 31 (GC-Analyse), einem Sensormodul 32, z.B. eine Waage, ein Infrarotsensor (IR), ein Rheometer oder eine Zug- Reißfestigkeitsvorrichtung, einer Verdünnungs- oder Destillationsvorrichtung 33 und/oder einer Vorrichtung zur additiven Fertigung 34 (3D-Drucker) bestehen kann.

Das zweite externe Modul 04 ist in Fig. 1 ein Lagermodul 04, in welchem Stoffe, wie Edukte, Produkte oder Zwischenprodukte oder Reaktoren lagern können. Hierzu kann das Lagermodul 04 ein Lager für Flüssigkeiten 41 , ein Lager für Feststoffe 42 und ein Lager für Reaktoren 43 aufweisen. Ferner kann das Lagermodul 04 auch ein Synthesemodul 44, wie z.B. eine

Vorrichtung zur additiven Fertigung, aufweisen. Somit kann das Lagermodul 04 selbst

Reaktoren bzw. Katalysatoren für die Reaktoren in einem additiven Fertigungsverfahren hersteilen, um diese anschließend in der Prozesseinheit in einem chemischen Prozess zu verwenden.

Das Logistikmodul 02 kann hierbei Stoffe, wie Edukte, Produkte oder Zwischenprodukte, Reaktoren oder eine Probe der Prozesseinheit aufnehmen und zwischen dem Lagermodul 04, dem Analysemodul 03 und der Prozesseinheit 01 transportieren bzw. zwischen diesen austauschen. Da die Daten der einzelnen Systemkomponenten des modularen

Prozessleitsystems 1 a jeweils an die zentrale Steuereinheit 05 gesendet werden, kann diese zentrale Steuereinheit 1a die jeweiligen Systemkomponenten wiederum steuern. Beispielsweise kann das Logistikmodul 02 ein Edukt und einen Reaktor aus der Lagereinheit 04 zu der Prozesseinheit 01 transportieren. Ferner kann das Logistikmodul 02 eine Probe 12 von der Prozesseinheit 01 zu dem Analysemodul 03 transportieren, welches die Probe 12 analysiert und die Daten dieser Analyse wiederum an die zentrale Steuereinheit 05 übertragt bzw. sendet. Diese kann basierend auf den Daten der Analyse die Steuerung der Prozesseinheit 01 anpassen oder das Logistikmodul 02 anleiten einen neuen Reaktor oder weitere Edukte zu der Prozesseinheit 01 zu transportieren.

Durch die zentrale Steuerung durch die zentrale Steuereinheit 05 und durch die Verwendung von Logistikmodulen 02 anstatt von festen Verrohrungen kann der Prozessablauf flexibler gestaltet werden und die Logistikmodule 02 können gleichzeitig als Lagerung und Entkopplung zwischen den einzelnen Systemkomponenten des modularen Prozessleitsystems 1a dienen. Ferner kann somit der Einsatz von Analysemodulen 03 reduziert werden, da nicht an jeder Prozesseinheit 01 direkt ein Analysemodul 03 vorgesehen werden muss, sondern dieses Analysemodul 03 kann zentral für mehrere Prozesseinheiten 01 angeordnet sein. Ferner kann durch die zentrale Steuereinheit 05 eine maximale Auslastung des Analysemoduls 03 gewährleistet werden. Des Weiteren kann die zentrale Steuereinheit 05 den Prozessablauf zwischen den einzelnen Systemkomponenten optimieren, sodass sich der resultierende chemische Prozess beispielsweise durch einen minimalen Zeiteinsatz, einen minimalen Kosteneinsatz, durch einen minimalen Stoffeinsatz, einen minimalen Energieeinsatz, eine maximale Produktion oder eine maximale Qualität der resultierenden Produkte bzw.

Zwischenprodukte auszeichnet. In Fig. 1 ist das Logistikmodul 02 als Flurförderfahrzeug dargestellt, jedoch kann das

Logistikmodul 02 auch eine Drohne oder ein LKW sein, welcher zwischen verschiedenen Standorten Waren transportiert.

Fig. 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung des modularen Prozessleitsystems 1 a mit zwei Logistikmodulen 02‘, 02“, welche Stoffe oder Reaktoren zwischen den einzelnen

Systemkomponenten des modularen Prozessleitsystems 1 a transportieren. Ferner ist in Fig. 2 zu erkennen, mittels der gestrichelten Linie, dass jede Systemkomponente, also das

Lagermodul 04, das Analysemodul 03, die Prozesseinheit 01 und die Logistikmodule 02‘, 02“ mit der zentralen Steuereinheit 05 verbunden sind, um Daten an diese zu senden und von dieser gesteuert zu werden. Insbesondere ist eine drahtlose Verbindung zwischen den

Logistikmodulen 02‘, 02“ und der zentralen Steuereinheit 05 über Antennen 25 zu erkennen.

In Fig. 2 ist ferner zu erkennen, dass die Prozesseinheit 01 einen Reaktionsraum aufweist, welcher einen oder mehrere Reaktoren 16‘, 16“, 16‘“ aufnehmen kann. Somit kann die

Prozesseinheit 01 parallel mehrere Prozesse durchführen. Es sei angemerkt, dass aus jedem Reaktor 16‘, 16“, 16“ eine Probe 12 entnommen werden kann, welche anschließend durch das Analysemodul 03 analysiert werden kann. Ferner kann die Prozesseinheit 01 eine

Prozesssteuerung 15 aufweisen, um die Prozesseinheit 01 zu steuern, wobei die

Prozesssteuerung 15 ihre Anweisungen wiederum von der zentralen Steuereinheit 05 erhält bzw. empfängt. Diese Prozesssteuerung besteht typischerweise aus einer

Rezeptablaufsteuerung (RAS) und einer nachgelagerten Prozessleittechnik (PLT). Des

Weiteren kann die Prozesseinheit 01 einen Flüssigkeitsbehälter 13 aufweisen, um Flüssigkeiten direkt an der Prozesseinheit 01 zu lagern und diese in den chemischen Prozess einbringen zu können.

In Fig. 2 ist auch eine detaillierte Darstellung der Logistikmodule 02‘, 02“ gezeigt, diese weisen einen Korpus 21 , einen Greifarm 22 mit einem Greifer 23 und eine Antenne 25 zur drahtlosen Kommunikation auf. Der Greifarm 22 mit dem Greifer 23 kann hierbei Reaktoren oder Stoffe, z.B. in einem Behälter oder einer Kartusche, aufnehmen und transportieren. Ferner können die Logistikmodule 02‘, 02“ eine Halterung aufnehmen, in welcher mehrere Reaktoren gehalten werden oder mehrere verschiedene Behältern mit verschiedenen Stoffen sind.

Bezüglich des Logistikmoduls 02, 02‘, 02“ ist ferner festzustellen, dass vorzugsweise ein kollaborierender Roboter als Logistikmodul eingesetzt wird. Das Logistikmodul 02, 02‘, 02“ umfasst einen Korpus 21 sowie einen oder mehrere Greifarme 22, die je nach Ausführungsform mit einem oder mit mehreren Greifwerkzeugen

beziehungsweise Greifern 23 ausgestattet sind. Vorzugsweise können die Greifer 23 ausgewechselt werden. Der Greifarm 22 weist einen oder mehrere Sensoren auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kamera in den Greifarm 22 integriert. Die Kamera ermöglicht Durchführung von Sichtprüfungen, Ton-, Bild- und Filmaufnahmen sowie

Bildverarbeitung und Bilderkennung. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das der Korpus 21 des Logistikmoduls mit einer Energieversorgungseinheit - in der Form von Batterie oder

Akkumulator, ausgestattet ist. Ferner kann die Energieversorgungseinheit auch als

Brennstoffzelle und als Kondensator (Super-Cap) als elektrischer Energiespeicher ausgestaltet sein. Die Energieversorgungseinheit dient der Energieversorgung des Logistikmoduls 02, 02‘, 02“ und des Greifarms 22. In einer weiteren Ausführungsform verfügt sowohl der Greifarm 22 als auch der Korpus 21 des Logistikmoduls über eine eigene Energieversorgungseinheit. Dies hat den Vorteil, dass der Greifarm 22 in stationären Anordnungen völlig unabhängig vom Logistikmodul beziehungsweise dem Korpus 21 betrieben werden kann.

In einer Ausführungsform ist das Logistikmodul 02, 02‘, 02“ mit Kraft- oder

Drehmomentsensoren in den Gelenken ausgestattet, die Berührungen wahrnehmen können und Bewegungen stoppen sofern eine Berührung mit einem Körper auftritt, der nicht zu dem Prozessablauf gehörig ist. Die Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren ist einstellbar und kann variiert werden. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform verfügt das Logistikmodul 02, 02‘, 02“ über einen Abstandssensor wie z.B. einen Laserscanner, der Körper bereits vor der Berührung wahrnehmen kann. Mit Hilfe des Laserscanners können auch die möglichen

Verfahrbereiche sowie feste Hindernisse in einem Stockwerk erfasst werden und zu einer Karte des Stockwerks verarbeitet werden. Mit Hilfe einer optischen Kamera können auch Muster aufgenommen und über Algorithmen zur Bilderkennung ausgewertet werden, die zur

Ausführung bestimmter Aktionen wie z.B. der Positionierung vor einem Messgerät genutzt werden. Vorzugsweise weist der Greifarm 22 mehrere Drehachsen auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Greifarm zur Handhabung von Nutzlasten im Bereich von 1 g - 12000 g, vorzugsweise 10 - 10000 g, ausgelegt. Vorzugsweise liegt die Reichweite des Logistikmoduls 02, 02‘, 02“ im Bereich von 0,5 - 100 Meter, das Gewicht des Logistikmoduls liegt im Bereich von 5 - 150 kg, vorzugsweise im Bereich von 10 - 100 kg, weiter bevorzugt im Bereich von 15 - 85 kg. Die Grundfläche des Logistikmoduls 02, 02‘, 02“ weist einen Durchmesser im Bereich von 300 - 1000 mm auf, weiter vorzugsweise im Bereich von 400 - 900 mm auf. Die

unabhängige Beweglichkeit des Logistikmoduls 02, 02‘, 02“ ist von besonderem Vorteil, da das Logistikmodul 02, 02‘, 02“ hierdurch in der Lage ist, externe Module einzubinden, die in einem anderen Raum und/oder in einem anderen Stockwerk angeordnet sind als die Prozesseinheit. Dabei kann beispielsweise auch ein Aufzug oder ein Treppenlift als Hilfsmittel eingesetzt werden, die vom Logistikmodul 02, 02‘, 02“ eigenständig bedient werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bewegung des Logistikmoduls 02, 02‘, 02“ dadurch, dass es mit Rädern unter einer Antriebsvorrichtung ausgestattet ist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Logistikmodul (02, 02‘, 02“) in Verbindung mit einer Laufschiene verfahrbar. In wiederum einer weiteren Ausführungsform weist das Logistikmodul 02, 02‘, 02“ bewegliche Beine auf, mit deren Hilfe es sich schrittweise fortbewegen kann. In einer weiteren Ausführungsform, die auch bevorzugt ist, ist das Logistikmodul 02, 02‘, 02“ in der Lage, die Treppenstufen selbständig durch schrittweise Fortbewegung zu bewältigen.

Das erste Logistikmodul 02‘ transferiert die Probenbehälter 12‘ zum Analysenmodul 03 und das zweite Logistikmodul 02“ befördert Reaktoren 16“, 16‘“ vom Lagermodul 04 beziehungsweise von Lager für Feststoffe 42 zu der Prozesseinheit 01. Ferner ist in Fig. 2 zu erkennen, dass das Lagermodul 04, die Prozesseinheit 01 , das Analysenmodul 03 sowie die Logistikmodule 02‘,

02“ mit der zentralen Steuereinheit 05 verbunden sind.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Systemkomponenten des modularen Prozessleitsystems, welches in Fig. 2 gezeigt ist. Ferner sind in Fig. 3 die Verbindungen zur zentralen Steuereinheit 05 in Form von drahtlosen Verbindungen dargestellt. Dies ist insbesondere anhand der Antenne 25 des Logistikmoduls 02‘ zu erkennen.

Fig. 4 zeigt die verschiedenen Steuerebenen t1 des modularen Prozessleitsystems. Die Steuerebenen t1 des modularen Prozessleitsystems sind hierarchisch aufgebaut. Dies wird durch das Dreieck illustriert. Die Prozesseinheit 01 , die externen Module 03, 04 und die Logistikmodule 02‘,02“ weisen jeweils eine eigene Steuerung auf, wobei die zentrale

Steuereinheit 05 den einzelnen Einheiten übergeordnet ist. Die Logistikmodule 02‘, 02“ verbinden den Stofffluss, die Lagerung und die Analyse zwischen der Prozesseinheit 01 und den externen Modulen 03, 04, somit werden die Logistikmodule 02‘, 02“ als niedrigste hierarchische Ebene dargestellt, da diese am leichtesten und ehesten beeinflussbar sind. Durch diese verschiedenen Steuerebenen t1 kann eine flexible, automatisierte und dynamische Prozesssteuerung durch die zentrale Steuereinheit 05 sichergestellt werden.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des modularen Prozessleitsystems, welches über einen Cloud-Server s1 mit unterschiedlichen Produktionsprozessen P1 , P2, P3 in Verbindung steht. Mit anderen Worten kann der zentralen Steuereinheit ein Cloud-Server s1 übergeordnet werden, an welchen die zentrale Steuereinheit ihre Daten bzw. einen Teil ihrer Daten überträgt. Somit kann über den Cloud-Server s1 auf mehrere zentrale Steuereinheiten von verschiedenen Produktionsprozessen P1 , P2, P3 und deren jeweiligen Steuerebenen t1 zugegriffen werden. Auch kann die jeweilige zentrale Steuereinheit nur einen definierten Teil ihrer Daten an den Cloud-Server s1 übermitteln, beispielsweise über eine Schnittstelle, sodass der eigentliche chemische Prozess nicht durch den Cloud-Server s1 gestört werden kann.

Fig. 6 zeigt einen abstrakten Ablauf- und Steuerplan des modularen Prozessleitsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Hierbei werden die einzelnen Aufgaben des modularen Prozesssteuersystems nach ihrer Aufgabe aufgeteilt. Hierbei kann ein„Fleet Management“ die Logistikeinheiten, Förderbänder und andere Transporteinrichtungen steuern. Ein„Asset Management“ kann die einzelnen Prozesse der Prozesseinheit, der Analyseeinheit und der additiven Fertigung steuern. Somit kann eine aufgabenbezogene Trennung einzelner Prozesse bzw. Teilprozesse erfolgen. Das Asset Management kann hierbei die Prozessleittechnik (PLT) und die Rezeptablaufsteuerung (RAS) sowie die Analyse von Proben aus diesem Prozess steuern. Die Daten der Prozessleittechnik und der Rezeptablaufsteuerung sowie der Analyse kann an eine Datenbank übertragen werden. Ausgehend von diesen Daten kann das Asset Management wiederum die Prozessleitechnik und die Rezeptablaufsteuerung steuern. Ferner kann das Asset Management das Fleet Management anleiten die entsprechenden

Transporteinrichtungen richtig zu koordinieren und zu steuern. Die Daten des Asset

Managements wiederum bilden die Grundlage für die Auftragsplanung.

Fig. 7 zeigt einen Cloud-Server s1 , welcher mit mehreren Prozessleitsystemen in Verbindung steht. Somit können über den Cloud-Server s1 mehrere verschiedene modulare

Prozessleitsysteme überwacht oder beeinflusst werden. Des Weiteren kann so auf die einzelnen modularen Prozessleitsysteme über einen Cloud-Server s1 zugegriffen werden, sodass ein Nutzer nicht vor Ort sein muss. Des Weiteren können über den Cloud-Server s1 Cloud-Services angeboten werden, beispielsweise können Prozessdaten und Analysedaten über den Cloud-Server direkt mit dem Kunden ausgetauscht werden und dieser erhält in Echtzeit die Daten über seinen chemischen Prozess.

Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Steuerung eines modularen

Prozessleitsystems für chemische Prozesse, insbesondere chemische Forschungsprozesse. In Schritt S1 werden Daten von einem Logistikmodul, einer Prozesseinheit und/oder einem externen Modul durch eine zentrale Steuereinheit empfangen. Diese Daten können

insbesondere Bewegungsdaten des Logistikmoduls, Prozess parameter der Prozesseinheit oder Analyse- und Bestandsdaten des externen Moduls sein. Anschließend kann die zentrale Steuereinheit in Schritt S2 die empfangenen Daten auswerten. Basierend auf der Auswertung der Daten kann die zentrale Steuereinheit in Schritt S3 einen optimierten Prozessablauf des durch das modulare Prozessleitsystem durchgeführten chemischen Prozess berechnen. Ferner kann die zentrale Steuereinheit in Schritt S4 das Logistikmoduls, die Prozesseinheit und/oder das externe Modul basierend auf dem berechneten optimierten Prozessablauf steuern, um einen optimierten chemischen Prozess zu erhalten.

Bezugszeichenliste

1a Modulares Prozessleitsystem

01 Prozesseinheit, die einen chemischen Prozess durchführt

12, 12‘, . . . Probe aus der Prozesseinheit in einem Behälter

13 Flüssigkeitsbehälter

15 Prozesssteuerung

16, 16‘, ... Reaktor, Rohrreaktor, Kesselreaktor, Rührkesselreaktor,

Druckkesselreaktor

02, 02‘, . . . Logistikmodul (hier als Flurförderfahrzeug dargestellt)

21 Korpus des Logistikmoduls

22 Greifarm

23 Greifer

25 Drahtlose Verbindung des Logistikmoduls zur zentralen Steuereinheit 03 Externes Modul (hier externen Analysenmodule)

31 Stickstoff/Schwefel-Analyse, GC-Analyse

32 Sensor, zumindest einen aus der Gruppe Waage, IR-Sensor, Zug- Reißfestigkeits-Analyse, Rheometer

33 Verdünnungs- oder Destillationsvorrichtung

34 Vorrichtung zur additiven Fertigung (3D-Drucker)

04 Externes Modul (hier Lagermodul)

41 Lager für Flüssigkeiten

42 Lager für Feststoffe

43 Lager für Reaktoren

44 Synthesemodul, vorzugsweise mit einer Vorrichtung zur additiven

Fertigung

05 zentrale Steuereinheit

t1 Hierarchieebenen der Steuerung des modularen Leitsystems s1 Zentrale Steuereinheit als Cloud Computing System

P1 Produktionsprozess 1

P2 Produktionsprozess 2

P3 Produktionsprozess 3

S1 bis S4 Verfahrensschritte 1 bis 4