Automatisierung als Brücke zwischen Labor und Industrie

Wie kann Forschung auf industriellem Niveau automatisiert werden, ohne an Flexibilität zu verlieren? Diese Frage stand im Mittelpunkt einer außergewöhnlich engen Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität Dresden und der Delphin Technology AG. Gemeinsam entwickelten die Partner einen vollautomatisierten Festbettreaktor für die katalytische Alkoholverwertung – ein System, das zeigt, wie sich klassische Reaktortechnik mit moderner Mess-, Steuer- und Regelungstechnik verbinden lässt. Im Zentrum steht nicht nur die chemische Reaktion, sondern das intelligente Zusammenspiel von Sensorik, Automatisierungslogik und Software. Der Beitrag beschreibt Entstehung, Aufbau und Betrieb dieses Katalysetest­standes und leitet daraus praxisnahe Design­empfehlungen ab, die insbesondere für die industrielle Automatisierung und Prüfstandentwicklung richtungsweisend sind.

Kaum ein Bereich der Verfahrenstechnik verändert sich derzeit so rasant wie die Laborautomatisierung. Während chemische Reaktoren früher manuell gesteuert und überwacht wurden, erfordert die heutige Forschung Präzision im Millisekundenbereich und vollständige Datenrückverfolgbarkeit. Nur so lassen sich komplexe katalytische Prozesse wie die Umwandlung von Methanol oder Ethanol zu Kohlenwasserstoffen reproduzierbar untersuchen.

01 Endzustand des Katalysatorteststands nach Abschluss der Montage, Integration aller Komponenten und erfolgreicher Erstinbetriebnahme

Genau an dieser Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung entstand das gemeinsame Projekt der TU Dresden und Delphin Technology. Ziel war es, ein modulares Prüfsystem zu entwickeln, das die Anforderungen eines wissenschaftlichen Labors mit der Robustheit industrieller Automatisierungstechnik vereint. Die TU Dresden brachte ihre Expertise in Reaktordesign, Katalyse und Sicherheitskonzepten ein, während Delphin die komplette Automatisierungsarchitektur, Steuerung und Messtechnik realisierte – vom Sensor bis zur grafischen Benutzeroberfläche. Ein System, das Prozessdaten regelt und steuert.

Vom Forschungsaufbau zum ­skalierbaren System

Der Festbettreaktor basiert auf einem konsequent durchdachten Konzept: modular, digital und sicher. Sämtliche Baugruppen – Gasversorgung, Flüssigförderung, Ofensteuerung, Druckregelung und Analytik – sind einzeln steuerbar und über standardisierte Schnittstellen verbunden. Herzstück ist eine eigenständige Delphin MSR-Einheit, ergänzt durch die ProfiSignal-Software.

Diese Kombination erlaubt eine vollständige Automatisierung der Prozesse, vom Aufheizen über die Dosierung bis hin zur Reaktionsüberwachung. Alle Sensorwerte – Temperatur, Druck, Gasfluss, Heizleistung und Ventilstellung – werden in Echtzeit erfasst, in einer gemeinsamen Datenbank gespeichert und automatisch bewertet. Trendanalysen, Grenzwertüberwachung und Alarmmanagement laufen parallel und bieten den Forschenden eine unmittelbare Rückmeldung über den Prozesszustand.

Was im Labor begann, ist inzwischen zu einer Blaupause für industrielle Teststände geworden: Eine Architektur, die sich nahtlos erweitern oder an größere Anlagen anpassen lässt – ohne die Software- oder Signalstruktur neu aufzubauen.

Messtechnik als Rückgrat der ­Prozessintelligenz

Im Zentrum der Entwicklung steht die Messtechnik. Für einen stabilen, automatisierten Reaktorbetrieb reicht es nicht, nur Sensoren zu platzieren. Sie müssen miteinander kommunizieren und in der richtigen Zeitauflösung verarbeitet werden. Die Temperatur wird an mehreren Punkten des Reaktors mit Typ-K-Thermoelementen gemessen und über PID-Regler gesteuert. Drucksensoren überwachen kontinuierlich den Reaktionsraum und liefern Daten für die automatische Rückkopplung des PID-Controllers. Präzise Massendurchflussregler erfassen Gasströme bis auf den Kubikzentimeter pro Minute genau.

 Digitale Forschung braucht industrielle Werkzeuge

Über die Datenerfassungssoftware werden alle Messpunkte mit hoher zeitlicher Auflösung (teilweise im Sekundenbereich) synchronisiert. Diese Synchronität ist entscheidend: Nur wenn Messdaten in exakt abgestimmter Taktung vorliegen, lassen sich Temperaturgradienten, Reaktionszeiten und Materialdurchsätze korrekt berechnen.

Die Komplettlösung von Delphin übernimmt nicht nur die Datenspeicherung, sondern auch die Prüfung der Plausibilität und Rezeptfunktionen. So entsteht ein Datensatz, der nicht nur dokumentiert, sondern tatsächlich versteht. Dies ist ein entscheidender Vorteil für Langzeitstudien und für komplexe Mehrkomponentenreaktionen.

02 Schema der grafischen Benutzeroberfläche zur Visualisierung, Analyse und zum Export von Prozessdaten während eines katalytischen Tests

Sicherheit durch Technik – nicht durch Zufall

In einem automatisierten System ist Sicherheit keine Option, sondern Grundvoraussetzung. Deshalb wurde beim Aufbau des Reaktors eine mehrstufige Sicherheitsarchitektur realisiert. Jede kritische Messgröße ist doppelt abgesichert, jede Regelung besitzt einen Hardware-Failsafe. Im Fehlerfall – etwa bei Überdruck, Temperaturabweichung oder Sensorfehler – schaltet das System automatisch in einen sicheren Betriebszustand. Eine Ampellogik an der Anlage informiert das Laborpersonal in Echtzeit über den Status: Grün bedeutet Normalbetrieb, orange zeigt eine Abweichung an, rot signalisiert ein automatisches Herunterfahren in einen sicheren Betriebszustand.

Zusätzlich wurden alle sicherheitsrelevanten Ereignisse softwareseitig mit Zeitstempeln versehen. Diese Funktion erlaubt es, Ursachenketten bei Unregelmäßigkeiten präzise nachzuvollziehen – ein Feature, das in der industriellen Prozessleittechnik längst Standard ist, in Laborumgebungen jedoch erst Einzug hält.

Damit wird Sicherheit nicht länger als zusätzliche Komponente betrachtet, sondern als integraler Bestandteil der Automatisierungskette – eine Philosophie, die beide Partner im Projekt konsequent umgesetzt haben.

Planung, Kalibrierung, ­Inbetriebnahme

Die Entwicklung des Systems begann mit einer digitalen Planung auf Basis von P&ID-Diagrammen und maßstabsgetreuen Skizzen. Alle Schnittstellen zwischen Sensorik, Elektrik und Software wurden vorab geprüft, um spätere Anpassungen zu minimieren.

Die Inbetriebnahme erfolgte in mehreren Phasen: Zuerst die elektrische und fluidische Grundstruktur, dann die Software­integration, schließlich die Kalibrierung und Validierung. Alle Sensoren – von Drucktransmittern bis zu Massendurchflussreglern – wurden direkt nach Lieferung und erneut nach Montage einzeln überprüft und in der Steuerung parametrisiert.

Das Zusammenspiel von Messtechnik und Software erwies sich dabei als entscheidender Erfolgsfaktor. Während die TU Dresden die Prozessparameter definierte, entwickelte Delphin parallel die Mess- und Steuerungslogik. Diese parallele Vorgehensweise verkürzte die Entwicklungszeit erheblich und ermöglichte eine punktgenaue Abstimmung von Hardware und Software.

03: Übersicht der katalytischen Testergebnisse eines ZSM-5-Referenz-katalysators bei der Umsetzung von Methanol und Ethanol bei hoher Prozesstemperatur

Software, die versteht – nicht nur ­steuert

Ein wesentliches Merkmal der Anlage ist ihre grafische Benutzeroberfläche. Sie wurde bewusst so gestaltet, dass komplexe Prozesse intuitiv steuerbar bleiben. Bediener können Reaktionssequenzen per Rezeptfunktion starten, Parameter in Echtzeit verändern, Trends während des Versuchs analysieren und detaillierte Informationen zu Alarmfällen erhalten.

Im Hintergrund arbeitet eine leistungsfähige Datenbank, die jeden Wert, jede Änderung und jedes Ereignis dokumentiert. Durch die Nähe stärker automatisierter Laboranlagen zur industriellen Produktion werden anschließende Skalierungsprozesse besser vorbereitet. Die Daten bilden die Grundlage für spätere Prozessanalysen oder auch künftige KI-basierte Optimierungen. Damit wird aus einer klassischen Versuchsanlage potenziell ein lernendes System, das seine eigene Effizienz steigern kann.

Gerade für industrielle Anwender ist dieser Ansatz von Bedeutung: Die Kombination aus MSR-Hardware und intelligenter Software ermöglicht eine direkte Übertragbarkeit in Produktionsumgebungen – ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu autonomen Testständen und adaptiven Prozessanlagen.

Kooperation als Innovationsmotor

Das Projekt zeigt exemplarisch, welchen Mehrwert enge Partnerschaften zwischen Forschung und Industrie schaffen können. Die TU Dresden definierte die wissenschaftlichen Anforderungen und bereitete das Fundament für die chemische Prozessführung. Delphin Technology übersetzte diese Anforderungen in die technische Realität – mit robusten Messmodulen, skalierbarer Steuerungstechnik und praxisorientierter Software.

 Innovation wächst dort, wo Wissenschaft und industrie gemeinsam wirken

Das Ergebnis ist mehr als ein einzelner Reaktor: Es ist ein Baukasten für automatisierte Messtechniksysteme, der in unterschiedlichsten Forschungs- und Entwicklungsumgebungen eingesetzt werden kann – von der Katalyse über die Materialentwicklung bis hin zu energieeffizienten Verfahren.

Die Synergie aus wissenschaftlicher Tiefe und industrieller Erfahrung hat gezeigt, dass Automatisierung nicht nur Prozesse beschleunigt, sondern Forschung grundlegend verändert. Sie macht Daten verständlich, Experimente vergleichbar und Ergebnisse belastbar – und schafft so die Grundlage für die Industrie 4.0 im Labormaßstab.

04 Beispielhafte GUI-Struktur mit Sensorwertanzeige, Sollwert­vorgaben, vereinfachtem Prozessfluss, Fehler-LEDs sowie Funktionen für Trendvisualisierung und Rezeptmanagement

Ausblick: Von der Messung zur ­Autonomie

Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme des Festbettreaktors endet die Entwicklung nicht, sie beginnt. Die nächste Etappe ist die Einbindung neuartiger Regelsysteme, speziell adaptiert auf Bifurkationspunkte (z. B. Zünd- und Löschpunkte) des chemischen Prozesses. Auch KI-basierte Auswertungsroutinen könnten künftig implementiert werden, um Muster in den Messdaten zu erkennen und selbstständig Optimierungsvorschläge für Betriebsparameter zu liefern.

Parallel wird an der Integration cloudbasierter Datenarchitekturen gearbeitet, um Versuchsstände weltweit zu vernetzen und Forschungsdaten in Echtzeit auszutauschen. Die Bedienung des Prüfstandes erfolgte beispielsweise im Beisein einer Aufsicht vor Ort in Dresden auch bereits von der Delphin Technology AG (Bergisch Gladbach, Deutschland) oder der Stellenbosch University (Stellenbosch, Südafrika). Das Ziel ist die Nutzbarkeit in einem digitalen Forschungsverbund, in dem automatisierte Testsysteme miteinander lernen – unabhängig von Standort oder Bediener.

Was heute als universitäres Forschungsprojekt begann, zeigt deutlich: Die Grenzen zwischen Labor, Prüfstand und Produktionsanlage verschwimmen. Und dort, wo präzise Messtechnik auf intelligente Software trifft, entsteht die Zukunft der industriellen Automatisierung.

Autor: Jan Tippner, Senior Sales / Key Account Manager, Delphin Technology AG

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