EP3914385A1 - Modulares prozessleitsystem für einen chemischen prozess - Google Patents

Modulares prozessleitsystem für einen chemischen prozess

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Publication number
EP3914385A1
EP3914385A1 EP20701065.3A EP20701065A EP3914385A1 EP 3914385 A1 EP3914385 A1 EP 3914385A1 EP 20701065 A EP20701065 A EP 20701065A EP 3914385 A1 EP3914385 A1 EP 3914385A1
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EP
European Patent Office
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module
control system
unit
logistics
modular
Prior art date
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Pending
Application number
EP20701065.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Mueller
Michael Dejmek
Peter Welter
Florian Huber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Original Assignee
HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
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Filing date
Publication date
Application filed by HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co filed Critical HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
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Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0046—Sequential or parallel reactions, e.g. for the synthesis of polypeptides or polynucleotides; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making molecular arrays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
    • B01J19/004—Multifunctional apparatus for automatic manufacturing of various chemical products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/0068—Means for controlling the apparatus of the process
    • B01J2219/00686—Automatic
    • B01J2219/00691—Automatic using robots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/0068—Means for controlling the apparatus of the process
    • B01J2219/00695—Synthesis control routines, e.g. using computer programs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/0068—Means for controlling the apparatus of the process
    • B01J2219/00702—Processes involving means for analysing and characterising the products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00718—Type of compounds synthesised
    • B01J2219/00745—Inorganic compounds
    • B01J2219/00747—Catalysts

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for carrying out chemical processes, in particular chemical research processes, by means of flexibly arranged system components.
  • the invention relates to a modular process control system, a method for controlling this process control system and a computer-readable medium.
  • the invention relates to a process control system and a method for improving chemical processes and in particular chemical research processes, the process control system having a plurality of system components and a central control unit.
  • the system components include at least one process unit, at least one external module, preferably several external modules, and at least one logistics module.
  • a first aspect of the invention relates to a modular process control system for chemical
  • the modular process control system has a central control unit, at least one process unit, at least one external one Module and at least one logistics module.
  • the logistics module is set up to receive an educt, a product, an intermediate product and / or a reactor and to transport it to or from the process unit and / or the external module.
  • the process unit is set up to receive the starting material, the intermediate product and / or the reactor from the logistics module, to take up the reactor and to carry out a chemical process so that the product or the intermediate product is produced.
  • the logistics module is also set up to receive and transport the product or intermediate product generated by the process unit and / or the reactor.
  • the external module is set up to take up or deliver the starting material, the product, the intermediate product and / or the reactor from the logistics module.
  • the central control unit is set up to receive data from the logistics module, the process unit or the external module, one
  • the process control system is characterized in that the logistics module is autonomous and physically separate from the central control unit, the process unit and the external module.
  • the logistics module can do this for goods or substances such as Transport starting materials, products or intermediate products, or reactors between the various system components of the modular process control system.
  • the logistics module can advantageously be controlled by a central control unit, in which data or information from the other system components (e.g. the process unit and the external module) also converge. So that can
  • control unit can calculate an optimized process flow based on the received data from the logistics module, the process unit or the external module and can accordingly control the system components.
  • the control unit can optimize the process flow according to various criteria, for example an optimization can take place with regard to the production time, the production costs, the use of materials or the energy consumption.
  • the control unit can reschedule or adapt the process if this is based on the received data appears necessary.
  • the modular process control system allows a chemical process to be rescheduled flexibly.
  • the external module can be arranged decoupled from the process unit. This means that the external module can be located at a certain spatial distance from the process unit, but can also be arranged in an adjacent environment.
  • the external module can in particular take on tasks that are not in the foreground of the chemical process, such as the analysis of samples or the storage of starting materials, products, intermediate products or reactors.
  • the external module can be in an adjacent environment to the process unit, but the external module is not physically connected to the process unit or has no structural connection to the process unit.
  • the external module can be a storage module or an analysis module, for example, which allows a time connection to the process. This time connection can be within a normal test period, for example within a few hours, days or even several weeks.
  • the logistics module can cause a flow of material between the individual system components that is independent of structural connecting elements, which allows the direct chronological sequence of individual process steps that is normally used in process engineering units to be decoupled.
  • the logistics module can act like a valve for the material flow with the additional advantage that the time sequence in the process can be changed without piping the process lines. It should be noted that several logistics modules can be used, in particular if several external modules or process units can be used in the modular process control system, between the external modules and the process unit (s) several logistics modules can be used.
  • the logistics module can be a movable unit that has at least one transverse mobility (i.e. mobility in the horizontal plane). Furthermore, the logistics module can have a gripping arm with a gripping means. The logistics module can also clean the reactor of the process unit using the gripper arm. This can
  • the logistics module can be an autonomous unit which has maneuverability, is movable and can be handled by
  • the logistics module can also be connected to the central program unit, preferably by means of a wireless connection, so that the logistics module can transmit data to the central control unit and can receive commands from the central control unit.
  • the term autonomous units means that the logistics module has a physical decoupling from other units.
  • the gripper arm can be designed both as a horizontal and as a vertical articulated arm robot, the latter form being the preferred.
  • sensors can be integrated in the gripper or its fingers which allow detection, analogous to the human fingers, of distance, heat, cold, pressure, force etc. and in a further form even as a human hand with five Fingers can be designed.
  • the data exchanged between the logistics module, the process unit and / or the external module and the central control unit can include movement data or navigation data, loading data or status data of the logistics module, process parameters, such as e.g. Temperature, pressure, throughput, production quantity, reaction speed or quantity of substance, data of the process unit or inventory data or analysis results of the external module.
  • process parameters such as e.g. Temperature, pressure, throughput, production quantity, reaction speed or quantity of substance
  • data of the process unit or inventory data or analysis results of the external module can control the logistics module and its path within the process.
  • the analysis data can relate, for example, to the quality, the amount, the temperature or the purity of the sample.
  • the logistics module and the resulting flexible design of the process can always be advantageous if a further analysis or an adaptation of the process is necessary, for example if a further or new sample is required for a further test.
  • the logistics module can fetch a new educt or intermediate product from the storage module if the central control unit determines that this is necessary for the chemical process.
  • the amount of substance can easily be increased by the logistics module by adding a container, e.g. a cartridge with which the corresponding substance in the system is simply exchanged as soon as it is used up.
  • the analysis following the process can be set in a new chronological (priority) order depending on test results from other tests, for example in order to reduce the test time or to reorganize the process itself.
  • the actual reaction in the process unit can also follow Processes for stock preparation, such as stock separation, stock dilution, stock cleaning or stock applications, are structurally separate from the reaction process. This is possible even if the various sub-processes are structurally separate from one another, since here too the logistics module can put them in a (also new) chronological and logical sequence.
  • the free material connection of the system components thus resembles the wireless data connection and facilitates free control of a process flow (and reorganization of the process if necessary), which identifies the module character of the process identically in the form of control modules (activities), each of which is a process unit or a control external module, which in turn can be connected to one another via the logistics module.
  • control modules activities
  • the time sequence in the process flow control can be freely defined regardless of structural restrictions, which allows maximum flexibility.
  • the logistics module can ground-based, in the form of AGV's (Autonomous Guided Vehicle) or trucks, or not ground-based, in the form of drones be.
  • AGV's Autonomous Guided Vehicle
  • drones for example, move along defined tracks along the ceiling of the production hall or the laboratory and thus resemble rail-bound transport systems, but do not have their limitations like the fixed transport sequence.
  • This modular process control system can have continuous system components and non-continuous system components.
  • the continuous system components and non-continuous system components can be integrated in associated modules or units.
  • a non-continuous system component can be arranged in an external module.
  • the individual system components are connected to each other by the logistics module.
  • the feedback between the external module and the process unit can take place via the central control unit.
  • the central control unit can have a hierarchically arranged control structure so that the modular process control system can be mapped well and easily.
  • a chemical process within the scope of this disclosure can in particular be a catalytic process in the presence of a solid catalyst.
  • the process unit comprises a device for carrying out High throughput research experiments.
  • several reactors or series-coupled reactors can in particular be arranged in parallel.
  • the analysis of the sample of the process unit by the external module can deliver a result data set.
  • This result data record can be transmitted to the central control unit.
  • this result data record can also be used by an external user, such as a customer, by means of a cloud, e.g. be made available on the Internet.
  • the external user can have the option of evaluating the result data record and using the evaluation to guide the central control unit to change or adapt the process or the course of the process. In other words, you can intervene in the process and in particular in the control of the logistics module from the outside in order to adapt it "live" to the current conditions.
  • the analysis module can in turn consist of a nitrogen / sulfur analysis module or a gas chromatography module (GC analysis), a sensor module, e.g. a balance, an infrared sensor (IR), a rheometer or a tensile strength device, a dilution or distillation device to prepare the nitrogen / sulfur analysis or GC analysis and / or an additive manufacturing device (3D printer) to prepare the train - Tear resistance measurement passed.
  • a nitrogen / sulfur analysis module or a gas chromatography module (GC analysis) e.g. a balance, an infrared sensor (IR), a rheometer or a tensile strength device, a dilution or distillation device to prepare the nitrogen / sulfur analysis or GC analysis and / or an additive manufacturing device (3D printer) to prepare the train - Tear resistance measurement passed.
  • a sensor module e.g. a balance, an infrared sensor (IR), a rheometer or a tensile strength device
  • the logistics module can thus create a fast, flexible, decoupled, dynamic system.
  • process control system can also be referred to as a process control system or as a modular production system.
  • the process unit has a reaction space which receives the reactor.
  • gaseous and / or liquid material flows are brought into contact, preferably in the presence of a solid catalyst or a catalyst dissolved in the material flows, for the purpose of material conversion or separation.
  • the reactor is a boiler reactor, a pressure vessel reactor, a stirred tank reactor, a
  • the reactor can also be a sequence of several reactors or further process engineering process units.
  • the reactor can also be designed as a membrane reactor or as an ebullated bed or can be in combination with these reactors.
  • the process unit has a plurality of reaction spaces, which are preferably arranged parallel to one another. Thus, several different reactions can be carried out in parallel or the same reaction can also be carried out in parallel in order to increase the production quantity. More preferably, the reaction spaces arranged in parallel partially consist of several reaction spaces connected in series.
  • the reaction space of the process unit has a volume between 0.1-5000 ml, preferably a volume between 1-2500 ml.
  • the reactor has a catalyst.
  • This catalyst can be arranged, for example, within a tubular reactor and a gas stream can flow through it in the reaction chamber of the process unit. Furthermore, the catalyst and / or the reactor including the catalyst can be added
  • additive manufacturing enables a free three-dimensional structure to be achieved within the catalytic converter.
  • material samples can be produced in 3D printing for material testing, for example corrosion tests or physical separation tests with different membranes or electrochemically active substances. In the latter case, an electrical potential is still applied to each reactor to support the reaction.
  • the catalyst has a volume between 0.5-500 ml, preferably a volume between 0.75-250 ml and more
  • the external module has a device for mass determination, dilution and / or analysis.
  • the logistics module is set up to take a sample from the process unit and to the device for
  • the device for mass determination, dilution and / or analysis is set up to measure, dilute and / or analyze the sample and to send or transmit the result of this measurement, dilution and / or analysis to the central control unit.
  • the central control unit is set up to control the process unit, device for dilution and / or analysis based on the result of the measurement, the dilution and / or the analysis. Furthermore, the central control unit can control based on this result further optimize the chemical process so that the highest possible quality, a short time or a small amount of material is used.
  • the process unit can generate process data on relevant process parameters such as pressure, temperature, flow rates, electrical measurement values to qualify the chemical reaction and online analysis data.
  • the process data can then be transmitted to the central control unit.
  • the process unit can generate samples or test samples.
  • the samples can be stored in a receptacle, such as a container.
  • the receptacles filled with samples can first be stored in the area of the process unit, e.g. in a sample holder.
  • the receiving containers filled with samples or a part of the receiving containers filled with samples can then be picked up by the logistics module and transported to the external analysis module.
  • the external analysis module can analyze the supplied samples.
  • the data generated during the analysis or the results can be communicated to the central control unit or can be transmitted to it.
  • the central control unit in turn carries out an evaluation of the data obtained during the analysis, in particular with regard to the process parameters of the process unit.
  • the evaluation by the central control unit can be a comparison of actual and target values.
  • the central control unit can adjust process parameters or, based on this, the central control unit can further optimize the process.
  • the equipment of the process unit can be simplified in terms of measurement technology compared to conventional process plants, since sensors that are otherwise directly connected to the material flow can also be connected to the material flow via the logistics module.
  • One application is the weighing of the samples after sampling. With the weighing, a material balance of the chemical process is possible, which makes statements, for example, about the turnover of the insert components with a specific catalyst. This scale is therefore an external module and does not have to be installed in every process unit, but can be used by several process units.
  • Another application is the dilution of the test samples before the actual characterization in the analysis module. The test samples are brought into the condition necessary for the characterization by the dilution. This dilution step can be carried out in a separate sample preparation module.
  • the sample preparation can include several work steps.
  • the sample preparation module can be used by several process modules as well as analysis modules.
  • the Sample preparation module is connected to the other modules via a logistics module.
  • the external module from the group consisting of a mass determination device, an analysis device, a measuring device, a sensor, a distillation device, a dilution device, a further process unit, a reactor store, a storage for sample containers, one
  • Barcode labeling device a liquid storage, a solid storage, a
  • Eduktlager a product warehouse and / or a device for additive manufacturing selected.
  • the modular process control system has a storage module as a system component.
  • a storage module can include different types of stored starting materials, products, intermediate products, reactors or catalysts.
  • the storage module can have a storage module for liquids, a storage module for solids and / or a storage module for reactors.
  • the storage module can also have a synthesis module, preferably the synthesis module is a device for additive manufacturing, i. a 3D printer.
  • the device for additive manufacturing can be used to produce a tensile test specimen, in particular if a polymer is produced in a batch reactor and is subsequently printed in a specimen.
  • the reactor and / or the catalyst is produced by the additive manufacturing device.
  • reactors made of different materials can be printed and then stored in the storage module.
  • catalysts which are made up of different base materials, which vary in layers or which also consist of different materials within a layer. These printed components can then be stored in the storage module for solids.
  • the test task of the process can consist of evaluating different catalysts.
  • the corrosion resistance of the reactors can be adjusted so that the reactors are suitable for the respective process.
  • all reactors consist of the same mixture of materials.
  • the material mixture can also be composed such that all reactors have different materials.
  • the test task can be to test the reactors themselves, for example their chemical compatibility with the product in the reactor.
  • the logistics module is an industrial truck, a drone, a truck or a rail vehicle.
  • the logistics module itself can already have a mass determination device in order to carry out a weighing.
  • the logistics module can be localized, for example, by means of conductor loops which are introduced into the ground, but the logistics module can also be localized via satellite navigation, such as GPS. Localization methods using pseudo satellites are also possible, so that precise localization and navigation within a building is possible.
  • a laser surface scanner integrated in the logistics module can also be used for localization using a mapping process.
  • the logistics module is accordingly set up to pick up and transport the container. So you can too
  • Liquids, hazardous substances and / or explosive substances can be transported easily and safely. Furthermore, the containers can also be stacked and / or handled more easily in the storage module. In other words, the storage unit can provide receptacles for the container.
  • the data exchange between the logistics module, the process unit, the external module and the central control unit, and the control of the logistics module, the process unit and the external module takes place wirelessly.
  • the data exchange between the individual system components (process unit, external module and logistics module) and the central control unit can take place wirelessly, over the air.
  • the wireless transmission or reception of the data can be done via Bluetooth, WLAN (e.g. WLAN 802.11 a / b / g / n / ac or WLAN 802.1 1 p), ZigBee or WiMax or also by means of cellular radio systems such as GPRS, UMTS, 3G, LTE, 4G or 5G.
  • Other transmission protocols can also be used.
  • the protocols mentioned offer the advantage of the standardization that has already taken place.
  • the modular process control system comprises several logistics modules, several process units and several external modules.
  • the control unit is set up to control the transport by means of the multiple logistics modules between the multiple process units and / or the multiple external modules
  • the central control unit is set up to do the modular based on the received data of the logistics modules, the process units or the external modules Optimize process control system.
  • the described modular process control system can be flexibly expanded and it can have a large number of system components, all of which are controlled by the central control unit.
  • the central control unit also has a database and an interface.
  • the interface is in turn set up to process the data received by the central control unit of the logistics module, the process unit and / or the external module. Furthermore, the interface enables one
  • Remote access for example by a customer.
  • the underlying control architecture of the modular process control system can be hierarchical. Starting with the level of the process control technology (PLT) to the recipe sequence control (RAS) to the database, the number of individual pieces of information can decrease, while the information density can increase. In other words: At the PLT level, there is a query of material states (pressure p, temperature T, quantity, etc.). This information can be filtered in the transition to the level of the recipe sequence control, in information that is used for process control and information that is used to describe the substance. These substance states can be translated into descriptions of the process at the database level. In particular with the help of balance calculations and reaction kinetics, in order to subsequently trigger decisions based on the material states that influence the further course of the process. These material states can be reflected back to the level of the PCT, where they are taken into account in a control loop (p, T, amount, etc.).
  • Another control level - asset management - can be included if there are multiple process units or linked process units.
  • the asset management can then coordinate the chronological sequence in which the process units are operated with one or more logistics modules and can also query the availability of upstream or downstream system components, for example the individual external modules.
  • a process unit with a recipe sequence control and a process control system RAS + PLT (1)
  • RAS + PLT (1) reports a sample analysis to the asset management.
  • the logistics module to the process unit, takes the samples there and transports them to the analysis unit and equips them with the sample.
  • Fleet management for example, coordinates the logistics module. This fleet management can be in direct contact with the asset management.
  • Asset management can also be used to plan the utilization of the process units and / or the external modules through order planning in production or in the laboratory. For this purpose, it can check the data traffic between the process units and the central control unit and reports an availability for new orders if, for example, the data traffic fails. The latter can be used as an indication that the process unit is underutilized.
  • calculation algorithms machine learning
  • a cloud access can be realized with a user (customer) who has proprietary information that should only be used for billing and data compression in this procedure, but should not leave the user's proprietary environment. Access to the process control of the chemical process via the cloud can then also allow the user remote control of the process (remote control) within defined security limits for the process unit on the basis of this proprietary information. This gives the user more direct process control and improves their data protection from competitors.
  • Cloud access can also be used to offer additional services (cloud services) that cannot be provided by the user in the form of the following work packages: "Machine learning” based on existing historical user data and from this developing specifications for new test variants that Calculation of reaction kinetics on the basis of sales measurements, computer simulations of the temperature distribution in the reactors on the basis of the calculated reaction kinetics and material flows (hot-spot simulation), statistically cleverly chosen parameter ranges as a specification for new test plans (Design of Experiments).
  • the cloud access can be a control unit or an interface to the central control unit. This cloud access can be available for a variety of chemical processes, but each user can only use the chemical processes that have been approved for them view and adjust. Furthermore, the cloud access can have several control units, which are distributed over different locations (worldwide). Cloud access can be, for example, a server that can be reached via the Internet or another network.
  • the interface is designed to report the utilization of the modular process control system to an order manager and to release it
  • the interface is designed to enable the exchange of test results and further calculations.
  • Another aspect of the invention relates to a method for controlling a modular
  • Process control system for chemical processes, especially chemical research processes has the following steps:
  • the method for improving chemical processes can include the configuration of system components, a selection and compilation of system components taking place which then carry out the implementation of integrated work processes.
  • the system components can be configured via the central control unit.
  • steps of the method can also be carried out in a different order or simultaneously. Furthermore, there can also be a longer period of time between individual steps.
  • Another aspect of the invention relates to a computer-readable medium on which a
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the modular process control system according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a further schematic illustration of the modular process control system with two logistics modules according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the individual system components of the
  • Modular process control system which is shown in Fig. 2, according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of the different control levels of the
  • FIG 6 shows an abstract flow and control diagram of the modular process control system according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a cloud server, which is connected to a plurality of process control systems, according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows a flowchart for a method for controlling a modular
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the modular process control system 1a.
  • the modular process control system 1 a has a process unit 01, a logistics module 02, a first external module 03, which is configured here as an analysis module 03, a second external module 04, which is configured here as a storage module 04, and a central control unit 05.
  • the wireless connection between the logistics module 02 and the central control unit 05 is shown in FIG. 1 by means of a dashed line.
  • Logistics module 02 and the central control unit 05 data can be exchanged. It should be noted that the central control unit 05 can also be connected wirelessly to the external modules 03, 04 and the process unit 01.
  • the exchanged data can in particular the loading state, the position or the current route of the
  • the process unit 01 can also exchange data relating to its process parameters, such as temperature, pressure or quantity of substance, with the central control unit 05, but also data relating to the state of a reactor or the replacement of a reactor, the parallel operation of several reaction rooms or the manufactured product or intermediate.
  • the external modules 03, 04 can also exchange data with the central control unit 05; these can, for example, relate to inventory data for a storage module, the free capacities in a storage or the manufacture of a catalytic converter.
  • the data of the external module 03, 04 can include analysis data, sensor data or control data for a dilution device or a
  • the process unit 01 can produce a product or a further intermediate product from at least one starting material and / or an intermediate product by means of a chemical reaction. Furthermore, in order to check the quality of this manufactured product or intermediate product and / or to control the process unit 01, the process unit 01 can derive samples 12.
  • these samples 12 can be placed in a container, e.g. a container or a cartridge.
  • the first external module 03 in Fig. 1 is an analysis module 03, which in turn consists of a nitrogen / sulfur analysis module or a gas chromatography module 31 (GC analysis), a sensor module 32, e.g. a balance, an infrared sensor (IR), a rheometer or a tensile strength device, a dilution or distillation device 33 and / or an additive manufacturing device 34 (3D printer) can exist.
  • a sensor module 32 e.g. a balance, an infrared sensor (IR), a rheometer or a tensile strength device, a dilution or distillation device 33 and / or an additive manufacturing device 34 (3D printer) can exist.
  • the second external module 04 is a storage module 04 in FIG. 1, in which substances such as starting materials, products or intermediate products or reactors can be stored.
  • the storage module 04 can have a storage for liquids 41, a storage for solids 42 and a storage for reactors 43 exhibit.
  • the storage module 04 can also be a synthesis module 44, such as one
  • the logistics module 02 can take up substances such as starting materials, products or intermediate products, reactors or a sample of the process unit and transport them between the storage module 04, the analysis module 03 and the process unit 01 or exchange them between them. Since the data of the individual system components of the modular
  • Process control system 1 a are each sent to the central control unit 05, this central control unit 1 a can in turn control the respective system components.
  • the logistics module 02 can transport an educt and a reactor from the storage unit 04 to the process unit 01.
  • the logistics module 02 can transport a sample 12 from the process unit 01 to the analysis module 03, which analyzes the sample 12 and in turn transmits or sends the data of this analysis to the central control unit 05.
  • the latter can adapt the control of the process unit 01 or instruct the logistics module 02 to transport a new reactor or further starting materials to the process unit 01.
  • the process flow can be made more flexible and the logistics modules 02 can simultaneously serve as storage and decoupling between the individual system components of the modular process control system 1a. Furthermore, the use of analysis modules 03 can thus be reduced, since an analysis module 03 does not have to be provided directly on each process unit 01, but this analysis module 03 can be arranged centrally for a plurality of process units 01. Furthermore, the central control unit 05 can ensure maximum utilization of the analysis module 03.
  • the central control unit 05 can optimize the process flow between the individual system components, so that the resulting chemical process is characterized, for example, by a minimal use of time, a minimal use of costs, a minimum use of materials, a minimum use of energy, maximum production or maximum quality of the resulting products or.
  • the logistics module 02 is shown as an industrial truck, but it can
  • Logistics module 02 can also be a drone or a truck that transports goods between different locations.
  • FIG. 2 shows a further schematic illustration of the modular process control system 1 a with two logistics modules 02 ′′, 02 “, which substances or reactors between the individual ones
  • Storage module 04, analysis module 03, process unit 01 and logistics modules 02 ′′, 02 “are connected to central control unit 05 in order to send data to it and to be controlled by it.
  • central control unit 05 in order to send data to it and to be controlled by it.
  • Logistics modules 02 ', 02 "and the central control unit 05 can be recognized via antennas 25.
  • the process unit 01 has a reaction space which can accommodate one or more reactors 16 ′′, 16 ′′, 16 ′′ ”.
  • Process unit 01 perform several processes in parallel. It should be noted that a sample 12 can be taken from each reactor 16 ', 16 ", 16", which can then be analyzed by the analysis module 03. Furthermore, the process unit 01 can
  • Process controller 15 in turn receives or receives its instructions from central control unit 05.
  • This process control typically consists of one
  • the process unit 01 can have a liquid container 13 in order to store liquids directly on the process unit 01 and to be able to introduce them into the chemical process.
  • the logistics modules 02 ′′, 02 “ have a body 21, a gripper arm 22 with a gripper 23 and an antenna 25 for wireless communication.
  • the gripper arm 22 with the gripper 23 can reactors or substances, e.g. in a container or cartridge, pick up and transport.
  • the logistics module 02, 02 ', 02 “ it should also be noted that a collaborative robot is preferably used as the logistics module.
  • grippers 23 are equipped.
  • the grippers 23 can preferably be replaced.
  • the gripper arm 22 has one or more sensors.
  • a camera is integrated in the gripping arm 22. The camera enables visual inspections, sound, image and film recordings as well as
  • the body 21 of the logistics module with an energy supply unit - in the form of a battery or
  • the energy supply unit can also be used as
  • the energy supply unit serves to supply energy to the logistics module 02, 02 ', 02 ”and the gripping arm 22.
  • both the gripping arm 22 and the body 21 of the logistics module have their own energy supply unit. This has the advantage that the gripper arm 22 can be operated in stationary arrangements completely independently of the logistics module or the body 21.
  • Torque sensors in the joints equipped that can perceive touches and stop movements if there is contact with a body that is not part of the process.
  • the sensitivity of the individual sensors is adjustable and can be varied.
  • the logistics module 02, 02 ', 02 has a distance sensor such as a laser scanner that the body can perceive even before touching it. With the help of the laser scanner, the possible
  • Traversing areas as well as fixed obstacles in a floor are recorded and processed into a map of the floor.
  • patterns can also be recorded and evaluated using algorithms for image recognition
  • the gripping arm 22 preferably has a plurality of axes of rotation.
  • the gripping arm is designed for handling payloads in the range from 1 g - 12000 g, preferably 10 - 10000 g.
  • the range of the logistics module 02, 02 ', 02 “is preferably in the range from 0.5 to 100 meters, the weight of the logistics module is in the range from 5 to 150 kg, preferably in the range from 10 to 100 kg, more preferably in the range from 15-85 kg.
  • the base area of the logistics module 02, 02, 02 has a diameter in the range of 300-1000 mm, further preferably in the range of 400-900 mm.
  • independent mobility of the logistics module 02, 02 ', 02 " is of particular advantage, as this enables the logistics module 02, 02', 02" to integrate external modules that are located in another room and / or on another floor as the process unit.
  • an elevator or a stairlift can also be used as aids, which are operated independently by the logistics module 02, 02 ', 02 ".
  • the logistics module 02, 02 ', 02 ” is moved in that it is equipped with wheels under a drive device.
  • the logistics module (02, 02 ', 02 “) can be moved in connection with a running rail.
  • the logistics module 02, 02 ', 02 " has movable legs, with the aid of which it can move step by step.
  • the logistics module 02, 02 ', 02 " is able to manage the steps independently by step-by-step movement.
  • the first logistics module 02 ' transfers the sample containers 12' to the analysis module 03 and the second logistics module 02 "transports reactors 16", 16 "” from the storage module 04 or from storage for solids 42 to the process unit 01. Furthermore, FIG. 2 shows that the storage module 04, the process unit 01, the analysis module 03 and the logistics modules 02 ',
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the individual system components of the modular process control system which is shown in FIG. 2. 3 shows the connections to the central control unit 05 in the form of wireless connections. This can be seen in particular from the antenna 25 of the logistics module 02 '.
  • control levels t1 of the modular process control system are hierarchical. This is illustrated by the triangle.
  • the process unit 01, the external modules 03, 04 and the logistics modules 02 ′′, 02 “each have their own control, the central one
  • Control unit 05 is the parent of the individual units.
  • the logistics modules 02 ', 02 "connect the material flow, the storage and the analysis between the process unit 01 and the external modules 03, 04, thus the logistics modules 02', 02" are shown as the lowest hierarchical level, since these are the easiest and easiest to influence are.
  • a flexible, automated and dynamic process control by the central control unit 05 can be ensured by means of these different control levels t1.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the modular process control system, which is connected to different production processes P1, P2, P3 via a cloud server s1.
  • a cloud server s1 can be superordinated to the central control unit, to which the central control unit transmits its data or part of its data.
  • Production processes P1, P2, P3 and their respective control levels t1 can be accessed.
  • the respective central control unit can also transmit only a defined part of its data to the cloud server s1, for example via an interface, so that the actual chemical process cannot be disrupted by the cloud server s1.
  • FIG. 6 shows an abstract flow and control diagram of the modular process control system according to an embodiment of the invention.
  • the individual tasks of the modular process control system are divided according to their task.
  • a "Fleet Management” can control the logistics units, conveyor belts and other transport facilities.
  • “Asset management” can control the individual processes of the process unit, the analysis unit and additive manufacturing. This enables a task-related separation of individual processes or sub-processes.
  • the asset management can control the process control technology (PLT) and the recipe sequence control (RAS) as well as the analysis of samples from this process.
  • the data of the process control technology and the recipe sequence control as well as the analysis can be transferred to a database. Based on this data, the asset management can control the process control technology and the recipe sequence control.
  • asset management can guide fleet management the appropriate
  • Managements in turn form the basis for order planning.
  • Fig. 7 shows a cloud server s1, which is connected to several process control systems. This means that several different modular modules can be used via the cloud server s1
  • Process control systems are monitored or influenced. Furthermore, the individual modular process control systems can be accessed via a cloud server s1, so that a user does not have to be on site. Furthermore, cloud services can be offered via the cloud server s1, for example process data and analysis data can be exchanged directly with the customer via the cloud server and the customer receives the data about his chemical process in real time.
  • FIG. 8 shows a flowchart for a method for controlling a modular
  • step S1 data from a logistics module, a process unit and / or an external module are received by a central control unit. This data can
  • step S2 movement data of the logistics module, process parameters of the process unit or analysis and inventory data of the external module.
  • the central control unit can then evaluate the received data in step S2. Based on the evaluation of the data, the central control unit can in step S3 an optimized process flow of the calculate chemical process performed by the modular process control system. Furthermore, in step S4, the central control unit can control the logistics module, the process unit and / or the external module based on the calculated optimized process flow in order to obtain an optimized chemical process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein modulares Prozessleitsystem (1a) und ein Verfahren zur Steuerung dieses Prozessleitsystems für chemische Prozesse. Das Prozessleitsystem weist eine Steuereinheit (05), eine Prozesseinheit (01), ein externes Modul (03, 04) und ein Logistikmodul (02, 02', 02") auf. Das Logistikmodul ist dazu eingerichtet, ein Edukt E, ein Produkt P, ein Zwischenprodukt Z und/oder einen Reaktor R (16, 16', 16", 16"') aufzunehmen und zu oder von der Prozesseinheit und/oder dem Modul zu transportieren. Die Prozesseinheit ist dazu eingerichtet, E, Z und/oder R von dem Logistikmodul zu empfangen, R aufzunehmen und einen chemischen Prozess durchzuführen, sodass P oder Z entsteht. Das Logistikmodul ist ferner dazu eingerichtet, das von der Prozesseinheit erzeugte P oder Z und/oder R aufzunehmen und zu transportieren. Das Modul ist dazu eingerichtet, E, P, Z und/oder R von dem Logistikmodul aufzunehmen oder an dieses abzugeben. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, Daten von dem Logistikmodul, der Prozesseinheit oder dem Modul zu empfangen, einen optimierten Prozessablauf zu berechnen und basierend auf diesem optimierten Prozessablauf das Logistikmodul, die Prozesseinheit und das Modul zu steuern.

Description

Modulares Prozessleitsystem für einen chemischen Prozess
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

Claims

1. Modulares Prozessleitsystem (1 a) für chemische Prozesse, insbesondere chemische Forschungsprozesse, aufweisend:
- eine zentrale Steuereinheit (05);
- eine Prozesseinheit (01);
- ein externes Modul (03, 04); und
- ein Logistikmodul (02, 02‘, 02“),
wobei das Logistikmodul (02) dazu eingerichtet ist, ein Edukt, ein Produkt, ein
Zwischenprodukt und/oder einen Reaktor (16, 16‘, 16“, 16‘“) aufzunehmen und zu oder von der Prozesseinheit (01 ) und/oder dem externen Modul (03, 04) zu transportieren,
wobei die Prozesseinheit (01) dazu eingerichtet ist, das Edukt, das Zwischenprodukt und/oder den Reaktor (16, 16‘, 16“, 16‘“) von dem Logistikmodul (02, 02‘, 02“) zu empfangen, den Reaktor (16, 16‘, 16“, 16‘“) aufzunehmen und einen chemischen Prozess durchzuführen, sodass das Produkt oder das Zwischenprodukt entsteht,
wobei das Logistikmodul (02, 02‘, 02“) dazu eingerichtet ist, das von der Prozesseinheit (01 ) erzeugte Produkt oder Zwischenprodukt und/oder den Reaktor (16, 16‘, 16“, 16‘“) aufzunehmen und zu transportieren,
wobei das externe Modul (03, 04) dazu eingerichtet ist, das Edukt, das Produkt, das Zwischenprodukt und/oder den Reaktor (16, 16‘, 16“, 16‘“) von dem Logistikmodul (02, 02‘, 02“) aufzunehmen oder an dieses abzugeben,
wobei die zentrale Steuereinheit (05) dazu eingerichtet ist, Daten von dem Logistikmodul (02, 02‘, 02“), der Prozesseinheit (01) oder dem externen Modul (03, 04) zu empfangen, einen Prozessablauf zu berechnen und basierend auf diesem Prozessablauf das Logistikmodul (02, 02‘, 02“), die Prozesseinheit (01 ) und das externe Modul (03, 03) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass
das Logistikmodul (02) autonom und körperlich getrennt von der zentralen Steuereinheit (05), der Prozesseinheit (01 ) und dem externen Modul (03, 04) ist.
2. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach Anspruch 1 ,
wobei die Prozesseinheit (01) einen Reaktionsraum aufweist, welcher den Reaktor (16, 16‘, 16“, 16‘“) aufnimmt, wobei der Reaktor (16, 16‘, 16“, 16‘“) ein Kesselreaktor, ein
Druckkesselreaktor, ein Rührkesselreaktor, einen Wirbelbettreaktor, ein Rohrreaktor oder eine Abfolge mehrerer Reaktoren oder weiterer verfahrenstechnischer Prozesseinheiten ist.
3. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Prozesseinheit (01) eine Vielzahl von Reaktionsräumen aufweist, welche vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind, welche noch bevorzugter in einer
Kombination parallel und seriell zueinander angeordnet sind.
4. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach Anspruch 2 oder 3,
wobei der Reaktionsraum der Prozesseinheit (01) ein Volumen zwischen 0,1 - 5000 ml, vorzugsweise ein Volumen zwischen 1 - 2500 ml aufweist.
5. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Reaktor (16, 16‘, 16“, 16‘“) einen Katalysator aufweist,
6. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach Anspruch 5,
wobei 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 aufweist.
7. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das externe Modul (03, 04) eine Vorrichtung zur Massebestimmung, Verdünnung und/oder Analyse aufweist und wobei das Logistikmodul (02, 02‘, 02“) dazu eingerichtet ist, eine Probe (12, 12‘) aus der Prozesseinheit (01 ) zu entnehmen und zu der Vorrichtung zur Massenbestimmung, Verdünnung und/oder Analyse zu transportieren,
wobei die Vorrichtungen zur Massenbestimmung, Verdünnung und/oder Analyse dazu eingerichtet sind, die Probe (12, 12‘) zu messen, zu verdünnen und/oder zu analysieren und das Ergebnis dieser Messung, Verdünnung und/oder Analyse an die zentrale Steuereinheit (05) zu senden,
wobei die zentrale Steuereinheit (05) dazu eingerichtet ist, die Prozesseinheit (01), die Vorrichtung zur Verdünnung und/oder Analyse basierend auf dem Ergebnis der Messung, der Verdünnung und/oder der Analyse zu steuern.
8. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das mehreren externe Module (03, 04) 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 ist.
9. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach Anspruch 8,
wobei der Reaktor (16, 16‘, 16“, 16‘“) und/oder der Katalysator durch die Vorrichtung zur additiven Fertigung hergestellt ist.
10. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Logistikmodul (02, 02‘, 02“) ein Flurförderfahrzeug, eine Drohne, ein
Lastkraftwagen oder ein Schienenfahrzeug ist.
1 1. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Edukt, das Produkt und/oder das Zwischenprodukt in einem Behälter ist, und wobei das Logistikmodul (02, 02‘, 02“) dazu eingerichtet ist, den Behälter aufzunehmen und zu transportieren.
12. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Datenaustausch zwischen dem Logistikmodul (02, 02‘, 02“), der Prozesseinheit (01 ), dem externen Modul (03, 04) und der zentralen Steuereinheit (05), und die Steuerung des Logistikmoduls (02, 02‘, 02“), der Prozesseinheit (01) und des externen Moduls (03, 04) drahtlos erfolgt.
13. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mehrere Logistikmodule (02, 02‘, 02“), mehrere Prozesseinheiten (01) und mehrere externe Module (03, 04),
wobei die zentrale Steuereinheit (05) dazu eingerichtet ist, den Transport mittels der mehreren Logistikmodule (02, 02‘, 02“) zwischen den mehreren Prozesseinheiten (01) und/oder den mehreren externen Modulen (03, 04) zu steuern, und wobei die zentrale Steuereinheit (05) dazu eingerichtet ist, basierend auf den empfangenen Daten der Logistikmodule (02, 02‘, 02“), der Prozesseinheiten (01 ) oder der externen Module (03, 04) das modulare Prozessleitsystem (1a) zu optimieren.
14. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die zentrale Steuereinheit (05) ferner eine Datenbank und eine Schnittstelle aufweist, wobei die Schnittstelle dazu eingerichtet ist, die durch die zentrale Steuereinheit (05) empfangenen Daten des Logistikmoduls (02, 02‘, 02“), der Prozesseinheit (01 ) und/oder des externen Moduls (03, 04) aufzubereiten,
wobei die Schnittstelle einen Fernzugriff ermöglicht.
15. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach Anspruch 14, wobei die Schnittstelle dazu ausgebildet ist, die Auslastung des modularen Prozessleitsystems an eine Auftragsverwaltung zu melden und freie Forschungskapazität anzuzeigen.
16. Modulares Prozessleitsystem (1 a) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Schnittstelle dazu ausgebildet ist, den Austausch von Versuchsergebnissen und weitergehenden
Berechnungen zu ermöglichen.
17. Verfahren zur Steuerung eines modularen Prozessleitsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für chemische Prozesse, insbesondere chemische Forschungsprozesse, mit den
Schritten:
- Empfangen (S1 ) von Daten eines Logistikmoduls, einer Prozesseinheit und/oder eines externen Moduls;
- Auswerten (S2) der empfangenen Daten durch eine zentrale Steuereinheit;
- Berechnen (S3), durch die zentrale Steuereinheit, eines Prozessablaufs basierend auf den empfangenen Daten;
- Steuern (S4) des Logistikmoduls, der Prozesseinheit und/oder des externen Moduls, basierend auf dem berechneten Prozessablauf, um einen chemischen Prozess zu erhalten.
18. Computerlesbares Medium, auf welchem ein Programmelement, das, wenn es auf einer zentralen Steuereinheit eines modularen Prozessleitsystems ausgeführt wird, das modulare Prozessleitsystem anleitet, die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 17 durchzuführen, gespeichert ist.
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