Alles zum Thema P&ID

Piping and Instrumentation Diagrams (P&IDs), sind im Deutschen auch als Rohrleitungs- und Instrumenten- bzw. R&I-Fließschema bekannt und stellen die Rohrleitungen und weiteren Komponenten eines Prozessleitsystems dar. Solche Schema finden überwiegend im Ingenieurwesen Anwendung.

Funktion und Zweck von R&I-Fließschema

R&I-Fließschema erfüllen eine wichtige Funktion bei der Wartung und Modifizierung der Prozesse, die sie visuell darstellen. Während der Designphase stellen solche Diagramme die Grundlage für die Entwicklung sicherheitstechnischer Kontrollsysteme für technische Anlagen dar – wie etwa für das HAZOP-Verfahren (Hazard and Operability Study).

In Aufbereitungsanlagen dienen solche Schema zur grafischen Darstellung von:

• Rohrleitungs- und Instrumentendetails
• Kontroll- und Abschaltverfahren
• Sicherheits- und regulatorischen Anforderungen
• Grundlegenden Informationen zur Inbetriebnahme und Bedienung.

Wann und von wem werden P&ID Schemas eingesetzt?

R&I-Fließschema stellen die funktionalen Zusammenhänge zwischen Rohrleitungen, Instrumenten und weiteren Systemkomponenten dar, die in den Bereichen der Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik oder Automatisierung eingesetzt werden. Solche Schema werden in der Regel von Ingenieuren erstellt, die einen Herstellungsprozess für Betriebsanlagen entwickeln.

In solchen Anlagen finden in der Regel komplexe chemische oder mechanische Prozesse statt, die mithilfe von R&I-Fließschema visuell dargestellt werden, um auf dieser Basis Anlagen zu entwickeln und auf Dauer die Sicherheit dieser Anlagen zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang dienen R&I-Fließschema auch als Referenzpunkt für Prozesssicherheits-Informationen (Process Safety Information, PSI) im Rahmen des von der US Occupational Safety and Health Administration verordneten Prozesssicherheitsmanagements (Process Safety Management, PSM). Wenn ein Fehler auftritt, kann das R&I-Fließschema als erster Anhaltspunkt dienen. Das Schema spielt darüber hinaus eine entscheidende Rolle bei der Optimierung bestehender Prozesse, dem Auswechseln von Komponenten oder als Grundlage des Designs und der Umsetzung neuer Anlagen. Durch die Darstellung des Ablaufprozesses können anhand des R&I-Fließschemas darüber hinaus Änderungen sicher und effektiv auf Basis des Prinzips des Veränderungsmanagements vorgenommen werden.

Techniker, Ingenieure und Anlagenbetreiber nutzen R&I-Fließschema, um Anlagenprozesse und die Zusammenhänge zwischen einzelnen Instrumenten besser zu verstehen. Insofern können sie auch bei der Schulung von Mitarbeitern oder Auftragnehmern nützlich sein.

Welche Funktion erfüllen R&I-Fließschema (nicht)? 

R&I-Fließschematspielen im Bereich der Verfahrenstechnik insofern eine entscheidende Rolle, als sie die Zusammenhänge von Anlagenkomponenten zeigen. Allerdings enthalten sie nicht unbedingt technische Spezifikationen. Technische Spezifikationen werden in der Regel in separaten Dokumenten beschrieben. Dennoch sind R&I-Fließschema in vielerlei Hinsicht äußerst nützlich, etwa in Bezug auf folgende Punkte:

• Evaluierung von Bauprozessen
• Entwicklung von Steuerungsprogrammen
• Entwicklung von Richtlinien und Standards für den Anlagenbetrieb
• Verfassen von Dokumenten zur Erklärung von Prozessen
• Schaffen einer einheitlichen Sprache für die Diskussion des Anlagenbetriebs
• Entwicklung und Implementierung von Sicherheits- und Steuerungs- bzw. Kontrollphilosophien
• Gestalten eines Layoutkonzepts einer Chemie- oder Produktionsanlage
• Ausarbeiten von Empfehlungen bezüglich Kostenschätzungen, Anlagenprojektierung und Rohrleitungsplanung

Was ist der Unterschied zwischen einem Prozessfließbild (PFD) und einem Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema?

Wie detailliert Instrumente sind, hängt von der jeweiligen Designkomplexität ab. Vereinfachte bzw. konzeptuelle Designs werden als Prozessfließbilder (PFDs) bezeichnet. Ein PFD enthält weniger Details als ein R&I-Fließschema und stellt in der Regel den ersten Schritt des Designprozesses dar. Im Prinzip erfüllt diese Art von Diagramm eine Übersichtsfunktion. R&I-Fließschema sind eine detaillierte Darstellung der Rohrleitungen und Instrumente einer Anlage.

Welche Einschränkungen haben R&I-Fließschema?

Da R&I-Fließschema grafische Darstellungen von Prozessen sind, weisen sie eine Reihe inhärenter Einschränkungen auf. Zum Beispiel können sie nicht als tatsächliche Modelle verwendet werden, da sie nicht unbedingt maßstabsgetreu oder geometrisch korrekt gezeichnet sind. Darüber hinaus gibt es für R&I-Fließschema keinen universell gültigen Standard, sodass sie von Unternehmen zu Unternehmen (oder sogar innerhalb ein und desselben Unternehmens) unterschiedlich aussehen können. In diesem Zusammenhang spielen zum Beispiel interne Standards, die verwendete Software und die Präferenzen des Erstellers eine Rolle. Aus diesem Grund ist es überaus wichtig, beim Entwerfen und Überprüfen detaillierter Begleitdokumente zu R&I-Fließschema sorgfältig vorzugehen.

Begleitdokumente für R&I-Fließschema: Übersicht

Da R&I-Fließschema eine Übersichtsfunktion erfüllen, sind Begleitunterlagen erforderlich, um wichtige Details und technische Spezifikationen näher zu erklären. Zu diesen Begleitunterlagen gehören unter anderem:

1. Prozessfließbilder (PFDs). R&I-Fließschema basieren auf PFDs. Ein PFD stellt die einzelnen Schritte eines Prozesses der Reihe nach dar. Zu den dargestellten Aspekten zählen unter anderem Funktionsabfolgen, ein- bzw. ausgehende Materialien oder Services (Inputs und Outputs), Entscheidungen, die getroffen werden müssen, beteiligte Personen, der Zeitaufwand für die einzelnen Prozesse sowie Prozessmessungen.
2. Rohrleitungsspezifikation (Piping material specifications, PMS). Enthält Details zu Baumaterialien, Dichtungen, Schrauben und Armaturen.
3. Spezifikationen zu Komponenten und Instrumentierung (Equipment and instrumentation specifications, EIS). Hier werden Standards und Details angegeben, die zu ausführlich sind, um im R&I-Fließschema selbst aufgeführt zu werden. Dazu gehören etwa Angaben zu Umfang, Standards, Codes und Spezifikationen, Definitionen und Terminologie, Baumaterialien, Designgrundlage, Mechanik/Herstellung, Garantien, Tests und Inspektion, Dokumentation und Versand.
4. Spezifikationen zu funktionellen Anforderungen (Functional Requirement Specification, FRS). Dieses Dokument beschreibt die Funktionsweise der Anlage bzw. des Systems. Es enthält Details zu funktionalen Angaben sowie zur Kommunikation und Reichweite des Prozesses.

Was gehört zu einem R&I-Fließschema?

Obwohl es keine offiziellen Standards bezüglich der Gestaltung von R&I-Fließschema gibt, wurde seitens der Process Industry Practice (PIP), einem Konsortium von Unternehmen im Bereich der Verfahrens-, Energie- und Maschinenbau-Industrie, diesbezüglich eine Reihe von Standards vorgeschlagen. Das Dokument PIC001: Piping and Instrumentation Diagram Documentation Criteria (Kriterien für die Erstellung von Rohrleitungs- und Instrumentierungsschema) beschreibt, was solche Schema enthalten sollten:

• Maschinenanlagen mit Namen und Zahlen
• Benennung sämtlicher Ventile
• Prozessverrohrung, Größen und Kennzeichnungen
• Verschiedenes – Belüftungssysteme, Abflusssysteme, Spezialarmaturen, Entnahmeleitungen, Erweiterungs- und Reduzierungsstücke sowie Sicken
• Permanente Anfahr- und Spülleitungen
• Durchflussrichtung
• Zusammenhänge zwischen Komponenten
• Steuerein- und ausgänge, Verriegelung
• Seismische Kategorie
• Schnittstellen für Klassenwechsel
• Qualitätsstufe
• Melde-Inputs
• Computerkontrollsystem-Input
• Schnittstellen für Lieferanten und Auftragnehmer
• Benennung von Bestandteilen und Teilsystemen, die von Dritten bereitgestellt wurden
• Vorgesehene physische Anordnung der Komponenten
• Bewertung oder Leistung der Komponenten

Was gehört nicht zu einem R&I Fließschema?

Sehr spezifische Details sollten vermieden und stattdessen in Begleit-/Supportdokumenten thematisiert werden. R&I Fließschema sollen den betreffenden Sachverhalt verständlich darstellen und nicht unnötig komplizieren.  Insofern sollten folgende Aspekte nicht erwähnt werden:

• Instrumentierungs-Anschlussventile
• Steuerrelais
• Handschalter
• Hauptleitungen und -ventile der Instrumentierung
• Drucktemperatur und Durchflussdaten
• Winkelstücke, T-Stücke und sonstige Standardarmaturen
• Umfassende Erklärungen

Wollen Sie ein P&ID erstellen und ein dafür spezialisiertes Tool verwenden, sollten Sie eine Reihe grundlegender Schritte befolgen:

1. Erstellen Sie eine Liste der Anlagenkomponenten. Wenn Sie sich vergewissert haben, dass die Liste korrekt ist, können Sie die Symbole in der Bibliothek verwenden.
2. Verbinden Sie Rohrleitungen und Komponenten und überprüfen Sie die Details gemeinsam mit einem Ihrer Mitarbeiter.  Gehen Sie den Prozess mehrmals durch und achten Sie auf eventuelle Schwachstellen.
3. Teilen Sie die Liste mit Mitwirkenden.

Anordnungsprinzipien für R&I Fließschema

R&I Fließschema sind von zentraler Bedeutung und sollten dementsprechend logisch angeordnet werden. Obwohl viele (oder sogar die meisten) Unternehmen diesbezüglich eigene Richtlinien festlegen, sollte man sich die Anordnung von R&I Fließschema am besten die verschiedenen Kapitel eines Buches bzw. wie die verschiedenen Szenen eines Films vorstellen: Die Einzelteile ergeben ein Ganzes, das Ihren Konstruktionsprozess darstellt. Das Schema sollte eine präzise und leicht verständliche Darstellung sämtlicher Bestandteile sein, die einen Teil des Prozesses bilden. Außerdem sollte auf mögliche Gefahren, Schwachstellen und Risiken sowie relevante Sicherheitsmaßnahmen aufmerksam gemacht werden, damit Fehler auf ein Minimum verringert oder sogar ganz vermieden werden können. Das Schema sollte bei der Entwicklung von Betriebs- und Wartungsprozessen nützlich sein. In seiner Funktion als Ablaufprozess zeigt das R&I Fließschema darüber hinaus, dass Änderungen sicher und effektiv auf Basis des Prinzips des Veränderungsmanagements vorgenommen werden können.  

Verschiedene Arten von R&I-Richtlinien

Es gibt in etwa so viele verschiedene Arten von R&I Fließschema, wie es Unternehmen und Produkte gibt. Hier sehen Sie zwei Beispiele:

Dieses Beispiel zeigt ein Flüssigkeitsdurchfluss-System und bestimmt die relevanten mechanischen und gestaltungstechnischen Konfigurationen.

Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema von 3-Phasen-Abscheidebehältern. Dabei handelt es sich um Komponenten, die in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt werden, um verschiedene Flüssigkeiten, die aus Bohrquellen gepumpt werden, voneinander zu trennen.

Ungeachtet der fehlenden Standards bezüglich der Gestaltung von R&I Fließschemata gelten für R&I-Symbole offizielle Standards, die gewährleisten sollen, dass Schemata richtig interpretiert werden. Instrumentierungssymbole, die im Rahmen von Diagrammen verwendet werden, richten sich nach dem amerikanischen Standard ANSI/ISA S5.1-1894 (R 1992). Die Einhaltung des Standards S5.1 Instrumentation Symbols and Identification (Instrumentiensymbole und -kennbuchstaben) der Instrumentation, Systems and Automation Society (ISA) sorgt dafür, dass jegliche Kommunikation über die Instrumente, Bedienung und potenzielle Automatisierung von Anlagen einheitlich und ohne Missverständnisse abläuft.

ISA S5.1 definiert vier grafische Elemente – Einzelinstrumente, geteilte Steuerungs-/Anzeigensysteme, Computerfunktionen und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) – und teilt sie in drei Standortkategorien ein: Hauptstandort, Hilfsstandort und Feld.

• Einzelinstrumente werden durch kreisförmige Elemente dargestellt. Geteilte Steuerungs-/Anzeigesysteme werden durch Kreise innerhalb eines Rechtecks dargestellt. Computerfunktionen werden in Form eines Hexagons angezeigt, wohingegen ein Dreieck innerhalb eines Rechtecks für eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) steht.
• Eine einzelne horizontale Linie, die durch die Mitte eines der vier grafischen Elemente verläuft, bedeutet, dass die betreffende Funktion am Hauptstandort stattfindet. Eine Doppellinie weist auf einen Hilfsstandort hin. Ist keine Linie vorhanden, befindet sich das Gerät bzw. die Funktion im Feld. Geräte, die sich hinter Schalttafeln oder an einem anderen unzugänglichen Standort befinden, werden durch eine gestrichelte horizontale Linie dargestellt.
• Jedes grafische Element enthält Buchstabenkombinationen und eine Kennzeichnung in Form von Ziffernfolgen, wobei erstere durch die US-amerikanische International Soceity of Automation (ISA) definiert wird. Zahlen werden von Benutzern zugeordnet und das genaue System kann je nach Gebrauch von fortlaufender Nummerierung zwischen unterschiedlichen Unternehmen abweichen. Manche Unternehmen teilen die Instrumentennummern der entsprechenden Prozessleitungsnummer zu. Andere Unternehmen arbeiten wiederum unter Umständen mit eigenen und manchmal ungewöhnlichen Nummerierungssystemen.
• Der erste Buchstabe beschreibt die Variablen, die gemessen werden oder die den Prozess in Gange setzen. Einige Beispiele sind Analyse (Analysis; A), Durchfluss (Flow, F), Temperatur (Temperature, T). Die Folgebuchstaben stehen für Ausgabe-, Passiv- oder Output-Funktionen wie etwa Anzeige (Indicator, I), Aufzeichnung (Record, R), Übertragung (Transmit, T) usw.

Anbei finden Sie einige Beispiele von Symbolen, die R&I Fließschemata Verwendung finden.

Ausrüstung

Komponenten sind Bestandteile von R&I Fließschemata, die sich in keine der anderen Kategorien einordnen lassen. Zu dieser Gruppe gehört Hardware wie zum Beispiel Kompressoren, Förderbänder, Motoren, Turbinen, Vakuumanlagen und weitere mechanische Geräte.

Leitungen

Eine Leitung ist ein Rohr, das flüssige Substanzen transportiert. Leitungen können aus unterschiedlichen Materialien wie zum Beispiel Metall oder Plastik bestehen. Die Leitungsgruppe besteht aus gegabelten Rohrleitungen, Multirohrleitungen und anderen Arten von Rohrleitungen.

Behälter

Ein Behälter ist ein Gefäß zur Aufbewahrung von Flüssigkeit. Er kann unter Umständen die Eigenschaften der Flüssigkeit im Laufe der Aufbewahrung verändern. Diese Kategorie umfasst Tanks, Zylinder, Säulen, Taschen und andere Behälter.

Wärmeübertrager

Ein Wärmeübertrager ist ein Apparat, der Wärme zwischen verschiedenen Bereichen oder Elementen überträgt. Zu dieser Kategorie gehören Boiler, Kondensatoren und andere Wärmeübertrager.

Pumpen

Eine Pumpe ist ein Gerät, das per Saug- oder Druckkraft Flüssigkeit komprimiert bzw. nach oben oder durch andere Komponenten befördert. Dieser Bereich umfasst sowohl Pumpen als auch Gebläseanlagen.

Instrumente

Ein Instrument ist ein Gerät, das Kriterien wie Flüssigkeitsdurchfluss, Temperatur, Winkel oder Druck misst oder unter Umständen auch steuert. Zu dieser Gruppe gehören Indikatoren, Transmitter, Aufzeichnungen, Regler und Elemente.

Ventile

Ein Ventil reguliert, lenkt oder steuert den Flüssigkeitsdurchfluss, indem Durchgänge in einem Leitungssystem geöffnet, geschlossen oder teilweise blockiert werden. Zu dieser Kategorie gehören Rotameter, Blendenventile sowie andere Arten von Ventilen.

Weitere gängige Formen und Symbole finden Sie in der Lucidchart-Legende für R&I Fliessschema .

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