R&I-Schemata - Spezialisierung
Datum der letzten Aktualisierung: 25.August 2023
Die nachfolgende Abhandlung gibt einen einführenden Überblick über die Grundarten der Technischen As-built-Dokumentation
durch Schemata und dazu einige Erfahrungen und Anwendungsbeispiele aus der Praxis des Unternehmens "Friederich Logistik UG (hb).
Schematische Darstellungen von verfahrenstechnischen Anlagen, wie es vor allem Chemieanlagen und Energieanlagen sind, sind neben
textlichen Beschreibungen und Aufstellungsplänen die wesentlichen Dokumente, mit welchem die Funktionsweise und der Aufbau
einer Anlage beschrieben und Dritten erläutert werden.
Experten, Anlagenbauer und -Instandhalter und Behörden wie Sicherheitsingenieure entnehmen den Anlagen-Schemata die
wesentlichen Informationen für die Beurteilung einer Anlage.
Bei Planung und Bau einer Anlage dienen diese Schemata als "roter Faden" für Engineering und Umsetzung.
Bei der Beurteilung einer bereits bestehenden Anlage wird als As-Built-Dokumentation zumeist ein so genanntes R&I-Schema benötigt.
Dieses ist bei vielen Bestandsanlagen überraschend häufig nur in veralteter Form, manches mal auch gar nicht vorhanden und muss
anhand von Besprechungen mit dem Betreiber und anhand von Ortsbegehungen in der Anlage restauriert oder neu hergestellt werden.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass für den schnellen Einstieg eines externen Dienstleisters, der mit dieser Aufgabe betraut wird,
das Vorhandensein eines Grundfließschemas, auch Blockschaubild genannt, von sehr großem Wert ist.
Bei manchen Anlagen, bei welchen vielfache Anlagenumbauten, -ergänzungen und -erweiterungen über Jahrzehnte hinweg
stattgefunden haben, birgt die Diskussion des aktuellen Verfahrens anhand eines Blockschaubildes oft Überraschungen,
weicht der aktuell betriebene Verfahrensprozess in einigen Fällen vom ursprünglich von demjenigen in der Anlagedokumentation
bei Errichtung der Anlage beschriebenen nennenswert ab.
Anlagenteile wurden umgebaut, Parameter wurden geändert, einzelne Stoffe ausgetauscht oder sogar die gesamte Produktion auf einen anderen Stand gebracht.
Deshalb empfiehlt es sich, vor der Detailarbeit im R&I-Schaubild das Grundfließschema zu überprüfen und zu aktualisieren oder in einigen Fällen auch neu zu erstellen.
Die nachfolgenden Beschreibungen der wesentlichen Schemata-Arten, welche allesamt durch das Ingenieurbüro "Friederich-Logistik UG (hb)"
erstellt und bearbeitet werden, erläutert die wesentlichen Eigenschaften der Schemata.
Das Grundfließschema zeigt das prozesstechnische Verfahren bzw die Anlage, in welcher der Prozess abläuft in vereinfachter Form.
Die verwendeten Symbole stehen für Verfahrensstufen, Grundoperationen und wesentliche Anlagenkomponenten.
Die Darstellung erfolgt blockweise, weshalb diese Art von Schema auch Blockfließbild oder Blockschaubild genannt, wird.
Die Linien und Pfeile zwischen den Blöcken stehen für die verfahrenstechnischen Flüsse von Stoffen, Energie und Energieträgern.
Neben der Benennung der Ein- und Ausgangsstoffe können als Zusatzinformationen Stoffströme, Energieträger, Durchflussmengen und
charakteristische Betriebsbedingungen wie Druck, Temperatur, Stoff-Konzentration, angegeben werden.
Auch bereits ein stark vereinfachtes Grundfließschema ohne Parameter- und Stoffangaben für die Zwischenschritte leistet wertvolle
Dienste und sollte IMMER vorhanden sein. Darauf bauen die nächsten Detaillierungsstufen und Schema-Arten auf:
Das Verfahrensfließschema (engl. PFD: Process Flow Diagram) beinhaltet mehr Informationen als das Grundfließschema,
vor allem nun die in ersterem nicht zwingend vorgeschriebenen Detailparameter, einzelne Anlagenteile (Ausrüstungen und Maschinen),
und die Beschriftung der Verbindungslinien (meist Rohrleitungen, aber auch mechanische oder manuelle Förderprozesse) für Stoffe und Energien bzw. Energieträger.
Diese Schema-Art dient den Entwicklungsingenieuren, welche die Anlage planen, als zentrales Dokument und dient später beim Betreiben der
Anlage auch als Ausgangsdokument für verfahrenstechnische Entscheidung.
Hier sind nähere Angaben zum Produktionsverfahren enthalten. Die Einzelschritte werden ersichtlich, die Anzahl der verwendeten
Apparate ist erkennbar und es werden quantitative Angaben gemacht. Die physikalische und chemische Funktionsweise der Anlage ist hier offen gelegt,
was im nachfolgend beschriebenen R&I-Schema hingegen nicht mehr der Fall ist.
Jenes ist dafür aber das maßgebliche Grunddokument für die Rohrleitungs- und Instrumentenplanung.
Das Rohrleitungs- und Instrumentierungs-Schema (engl. PID = piping and instrumentation diagram genannt) ist das am meisten bei einer
As-built-Dokumentation beauftragte Schema. Es dient typischerweise bei den Anlässen, welche zur Beauftragung der Durchführung einer
As-built-Dokumentation führen, als geforderte Hauptunterlage, weil der in diesem Diagrammtyp aufgezeigte Bestand einer Anlage durch
Anlagenbegehungen unmittelbar verifiziert werden kann.
Dabei sollte aber nicht vergessen werden, dass zu einer kompletten Anlagenbeurteilung auch die vorgenannten verfahrenstechnischen
Schemata erforderlich sind, ohne welche das R&I-Schema auch gar nicht entstehen könnte.
Hier ist der Detaillierungsgrad hoch, es werden i.d.R. sämtliche Armaturen, die sich in den Rohrleitungen befinden, dargestellt - mitunter,
wenn dies wichtig ist - sogar die Flanschverbindungen. Nennweiten der Rohre, Material, Rohrklassen oder Wandstärke bzw. Druckstufen
sind meist in den Beschriftungen berücksichtigt. Die Flussrichtungen der Medien und sämtliche Einbauten einer Rohrleitung gehören mit dazu.
Schweissausführungen, Kälte- oder Wärmeisolierung gehören oft auch zu den Angaben.
Was erforderlich ist und was nicht, ergibt sich aus der speziellen Aufgabenstellung und dem entsprechend erteilten Auftrag an den Ersteller.
Wobei sich in manchen Fällen der Ursprungsauftrag von der während der gemeinsam während der Bearbeitungszeit entwickelten Sichtweise unterscheidet
und der Auftrag an den Dienstleister sich "schleichend" verändert.
Unabdingbar sind die für die Prozessfühung und den Betrieb der Anlage erforderlichen Meßstellen und die ermittelten und ggfs.
auch zur Steuerung oder Leitstelle weiter gegebenen Parameter.
Die Ersichtlichkeit des geometrischen Verlaufes einer Rohrleitung ist nicht zwingend vorgegeben, ebensowenig die Länge einer Rohrleitung.
Dies ist bei einer solchen schematischen Darstellung auch häufig gar nicht möglich. Wesentliche Informationen aber sind, soweit irgend möglich,
die Aufstellhöhe, also die Angabe der Höhe eines Apparates über dem Anlagentiefpunkt (meist Erdgeschoss oder Pumpensumpf) sowie etwa vorhandenes
Gefälle in Prozent bei den Leitungen. Bauliche Gegebenheiten wie Gebäudestockwerke, Stahlbühnen und dergleichen werden angedeutet und sind erkennbar.
Für die Erstellung von R&I-Schemata gibt es eine kaum überschaubare Menge von speziellen Symbolen, welche in entsprechenden Deutschen und
Europäischen wie auch Internationalen Normen dokumentiert sind. Gruppen definieren sich zum Beispiel für die allgemeine Verfahrenstechnik,
für die Kraftwerktechnik, für die Petrochemie, für die Schüttguttechnik, die Lüftungs- und Heizungstechnik, der Sanitärbereich und viele weitere.
Die Automatisierungsbranche hat darüberhinaus ihre "eigene Welt an Symbolen", was gelegentlich mit den R&I-Schemata, welche physikalisch-thermisch-fluidtechnisch
also prozesstechnisch orientiert ist und sich an "Anlagenbau-Hardware" festmacht, kollidiert.
Dabei entscheiden kleinste Merkmale bei einem Symbol über die genaue Funktion einer Armatur, einer Pumpe, eines Ventilators oder eines Stellgliedes.
Für die Experten, welche die Symbole kennen, sind solche Schemata klar zu lesen wie der Text in einem Fachbuch - man versteht die Anlage aufgrund der dargestellten Symbolik.
Anhand von einem Grundfließschema oder auch von einem R&I-Schema wird auch wiederum ein Betriebshandbuch geschrieben.
Die Größe der Symbole für Apparate, also beispielsweise Behälter, Pumpen, Silos, Wärmetauscher usw ist entweder millimetergenau genormt.
Oder aber sollte bei unterschiedlichen Größendarstellungen im gleichen Schaubild in etwa die tatsächlichen Größenunterschiede in der Anlage berücksichtigen.
Letzteres ist NICHT zwingend vorgeschrieben, wie auch die Anlagenabmessungen und vor allem die Rohrleitungslängen aus dem R&I-Schema gerade NICHT hervorgehen.
Es handelt sich um eine rein schematische Darstellung.
Auch die Darstellung der Armaturen und Messeinrichtungen bzw Regelungsorgane ist genormt.
Das gesamte Regelwerk für diese Art von Technischer Dokumentation ist nur für Insider überschaubar, zumal mit den Jahren nicht nur inhaltliche Erneuerungen stattfinden,
sondern auch länderübergreifende Vereinheitlichungen und auch ein Fortschritt in den Symbolen und Darstellungsvorschriften mit den Jahren stattfindet.
Dies vor allem auch im Zusammenhang mit den schnellen Entwicklungen bei Automatisierung, Anlagenüberwachung, Steuerung und Vernetzung zu anderen Aufgabenbereichen.
Es ist keine Seltenheit, dass in einer über die Jahre gewachsenen technischen Dokumentation sich die Inhalte von älteren und zugleich
neueren Normen nebeneinander widerspiegeln. Es kann auch geschehen, dass sich im Extremfall bei Unternehmen aus weltweiten Konzernen
widersprüchliche Symbole für ein und dasselbe Aggregat finden, was auf unterschiedlichen Normen in verschiedenen Ländern zurück zu führen ist.
In nicht seltenen Fällen haben früherer Zeichner und Ersteller von Schemata auch ganz kreativ eigene Symbole entwickelt, welche firmenintern
verstanden wurden, nach außen hin aber nur zufällig erraten und gedeutet werden können.
Wenn nämlich der Betrachter nur erahnen kann, was gemeint sein soll. Solcher Wildwuchs muss bei einer As-Built-Dokumentation ausgemerzt werden.
Je nach Aufgabenstellung werden in einem R&I-Schema auch die Wirklinien von regelungstechnischen Armaturen mit aufgenommen,
was teils zu einer Klarstellung der Funktionalität führen kann, aber auch in das Gegenteil umschlagen kann, wenn nämlich die Darstellung
allzu unübersichtlich wird. Hier kann es hilfreich sein, CAD-technisch diese Informationen auf andere CAD-Layer auszulagern und
je nach Bedarf in einer Zeichnung einzublenden oder auszublenden.
Eine häufig unerwartete Herausforderung für den Anlagenbetreiber ist es, die Fragen des beauftragten Dienstleisters nach den
Betriebsdaten und Kennzeichnungen sowie Normalbetriebsparametern zu beantworten. Diese Informationen gehören in die sogenannte
Apparateleiste eines solchen Schemas und müssen oft mühsam aus den Betriebshandbüchern und Liefer-Unterlagen einzelner Geräte und Armaturen zusammen gesucht werden.
Machbar ist es natürlich, die Informationen der "Apparateleiste" aus dem Zeichenschema auszulagern und separat zu dokumentieren.
Eine einheitliche und schema- bzw. sogar anlagenübergreifende Systematik bei der Komponentenbezeichnung ist unabdingbar.
Spätestens an dieser Stelle kommt oft die Frage auf, welche Daten denn überhaupt für den jeweiligen Aufgabenzweck relevant sind.
Noch wichtiger aber die Frage, welche der dargestellten Anlagenteile und welche Parameter sicherheitsrelevant beim Betrieb einer Anlage sind.
Eine weitere Herausforderung ist es, ein Gesamtkonzept der technischen Dokumentation wenigstens rudimentär aufzustellen,
falls es im Unternehmen noch nicht vorhanden ist. Das heißt, die Weiterverwendung der erhobenen Informationen zu gewährleisten,
die dokumentierte Anlage in den Gesamtbetrieb einzuordnen, die Schemata aus unterschiedlichen Gewerken abzugleichen.
Eine einheitliche Vorgehensweise in unterschiedlichen Abteilungen ist herbei zu führen und die zeichnerischen Verbindungen und
Anschlüsse zwischen den einzelnen Schemata sind herzustellen und abzugleichen.
Jedes Schema sollte entsprechend der Flussrichtung der Medien, die im Prozess beteiligt sind, von links oben nach rechts unten dokumentiert werden,
was durchaus auch einmal ganz im Gegensatz zu der räumlichen Anordnung in der realen Anlage stehen kann.
Analog verlassen Abwasserströme den Anlagenbereich nach unten und die Abluft verläßt analog zur Realität das Schema nach oben.
So kann sich auch ein "technisch grundsätzlich verständiger " Dritter und Außenstehender sehr schnell in die Anlage hineindenken und sie verstehen.
Das Denken in Fliessrichtung und nicht in Aufstellungslayout hat dieser Art von Darstellung nicht zuletzt zu ihrem Namen verholfen.
Wie es aussehen kann, wenn ein komplettes Unternehmen frisch re-dokumentiert wird und sämtlich erstellten R&I-Schemata aneinandergefügt
und mit einander abgeglichen werden, sieht man beispielhaft auf einem Bild in der vorliegenden Internetpräsenz unter der Unterseite "Projekte"
im Jahrgang Juni 2012. Dort wurde eine komplette Lackfabrik in R&I-Schematas aufgenommen. Die Anzahl der erhobenen Anlagenteile, also Rohrleitungen,
Apparate und Armaturen, belief sich auf ca. zehntausend Zeichenelemente.
Das gezeigte Bild stellt die Gesamtübersicht dar, bei welcher sämtliche Armaturen, Wirklinien, Nebenleitungen und Textinformationen ausgeblendet sind.
Bei dieser Dokumentation wurden sämtliche Prozessmedien, Hilfsmedien und die Abluftreinigung erfasst, aber noch nicht einmal die Abwasserthematik.
Dies ergäbe wahrscheinlich noch einmal das Hinzufügen weiterer 6 DIN-A0-Zeichenfelder am unteren Bildrand.
Die ausgeführte As-built-Dokumentation einer Abwasserreinigungsanlage zeigt aber beispielsweise ein Projekt im Jahr 2020.
Hier trat auch eine grundlegende Aufgabenstellung zutage, nämlich die Vorab-Aufgabe, das mit der Anlagenlieferung vor vielen Jahren vom
Anlagenlieferanten (Generalunternehmer) übergebene R&I-Schema auf Papier überhaupt erst einmal zu digitalisieren und zu "zerlegen".
Auf einem einzigen Schaubild waren - rein dokumentarisch durchaus korrekt - alle wesentlichen Anlagenteile zwar aufgeführt.
Der Gesamtzusammenhang ging jedoch dabei verloren und die eigentliche Funktionsweise der Anlage war nicht nachvollziehbar.
Noch vor der Anlagenbegehung war es also erforderlich, aus einem Gesamtschaubild mit nur wesentlichen Hauptinformationen,
welches auch nicht mehr aktuell war, für jeden physikalischen und chemischen Verfahrensschritt, was bei einer komplexen
Abwasser-Aufbereitungsanlage ja notwendig ist, ein eigenes Schema zu erstellen. Und erst dann diese mit der Realität abzugleichen
und sodann um die nachträglich hinzugekommenen Informationen zu aktualisieren und zu detaillieren. Einige der Unter-Anlagen-Schemata
füllten danach wieder dieselbe DIN-A0-Zeichenfläche, wie zuvor das Ausgangs-Schaubild.
Eine ähnliche "Zerlegungs- und Digitalisierungsaufgabe gab es schon einmal einige Jahre zuvor in einem Chemieunternehmen,
wo das scheinbar hervorragend erstellte Gesamtschaubild - komplett monochrom mit einheitlicher Strichstärke gezeichnet -
4 verschiedene Einzelprozesse enthielt. Nämlich Dampf und Speisewasser einer Turbine, Schwefelverbrennungsanlage, Säureherstellung,
Lagerung Abfüllung und Transport. Für einen Außenstehende war die Darstellung nicht mehr übersichtlich nachzuvollziehen.
Und für den geplanten Anlagenumbau bzw die Erweiterung gab es auf dem Dokument keinen Platz mehr.
Ein fast immer gültiges Fazit für den Arbeits-und Kostenaufwand bei einer solchen As-Built-Dokumentation lautet:
Die nachträgliche Erstellung einer Anlagendokumentation ist um ein Vielfaches aufwändiger und teurer, als wenn man dies
gleich beim Neubau einer Anlage durchführen läßt. Leider besteht häufig bei Anlagen-Neuerrichtungen ein Zeit- und Kostendruck,
sodass diese wichtige Aufgabe leicht unter den Tisch fällt und man sich mit dem Dokumentations-Standard des Anlagenlieferanten zufrieden gibt.
Dieser ist in der Regel nicht derselbe, den dann der Betreiber nach 2 Jahrzehnten benötigt.
Von daher ist auch größtmögliche Offenheit der Daten und Flexibilität - sprich Kompatibilität der übergebenen Dokumente zu empfehlen.
Gearbeitet wird in simpler CAD-2D-Software, die datenabgehend-kompatibel mit den meisten anderen CAD-Systemen ist. Der Vorteil dieser scheinbar altertümlich anmutenden Vorgehensweise ist jedoch, dass es so gut wie keine Kompatibilitäsprobleme gibt, dass die Softwarekosten sehr niedrig sind und auch die Zeichenarbeit an sich sehr einfach vonstatten geht. Das Know-How liegt, abgesehen von der jahrzehntelangen Routine natürlich, nicht so sehr in der Bedienung der Software, sondern im verfahrenstechnischen und ingenieurmäßigen Anlagenverständnis in nahezu allen industriellen Branchen.
Ein weiterer Vorteil ist die sehr kostengünstige Austauschmöglichkeit der CAD-Daten mit dem Kunden. Dieser benötigt mindestens einen i.d. R. kostenlosen Viewer für die CAD-Daten, schafft sich aber oft eine einfache "Light-version" des CAD-Systems an, welche ohne Expertenkenntnisse zu installieren ist und auch bei den Bedienern keine kostenintensiven Langzeit-Schulungen erfordert, sondern zügig in mit den erforderlichen Grundbefehlen erlernt und beherrscht wird.
Somit ist der Kunde in der Lage, sehr frühzeitig "Herr seiner Daten" zu werden, Einblick in die gelieferten Dokumente zu nehmen und fachlich mitzureden. Also nicht vom sogenannten "externen Experten abhängig" zu werden.
Fortlaufend mit dem Arbeitsfortschritt werden Zwischenstände als pdf-Dateien geliefert, welche zu Prüfzwecken und für Besprechungen oder Korrektur-Rekursionen dienen. Jederzeit auf Wunsch werden Original-CAD-Dateien zur Verfügung gestellt, in welchen Layerstrukturen und andere vereinbarte oder vom Lieferanten empfohlene Meta-Daten enthalten sind. Mit dem Arbeitsfortschritt wird, möglichst frühzeitig beginnend, ein Zeichnungsnummersystem und eine Zeichnungsrevisions-Struktur aufgebaut, sofern nicht alle diese Informationen bereits beim Kunden sowieso vorhanden sind. Falls nicht, wird dieses als Beratung in Absprache mit dem Kunden mit geliefert.
Bei Auftragsende werden die CAD-Daten, standardmäßig bereinigt um alle überflüssigen internene Informationen befreit und "blockfrei" und "referenzenfrei", dem Kunden überstellt. Auf Absprache natürlich auch nach den jeweiligen Wünschen des Kunden anders konfiguriert.
In der Standard-Form sind die Daten völlig komplikationsfrei im allgemeinen dwg- bzw. dxf-Format in andere CAD-Systeme übernehmbar und stehen zur völlig freien Weiterverwendung durch den Kunden zur Verfügung. Es gibt keine Systemabhängigkeiten zu irgendwelchen Softwareanbietern.
Ausblick:
Es gibt heute hochautomatisierte CAD-Systeme, welche das Digitalisieren von Papierzeichnungen in Windeseile ausführen.
Es gibt Systeme, welche das Erstellen und Verknüpfen von R&I-Schemata immens beschleunigen und erleichtern.
Und es gibt Systeme, welche in der Lage sind, die Schemata mit Beschreibungen und Anlagenlayouts abzugleichen und die
gewonnenen Daten für andere Unternehmensbereiche bereit zu stellen.
Dennoch ist - nach vielfacher Expertenmeinung - immer noch ein immenser Markt vorhanden, Altanlagen durch Fachpersonal zu begehen und aufzunehmen,
vorliegende Verfahrens-Prozesse mit den Betreibern durchzusprechen, Parameter zu eruieren, zusammenzusuchen und zu dokumentieren,
Verfahrensschritte aufzudröseln und Anlagendokumentationen grundlegend auf den Stand zu bringen und zu systematisieren.
Alleine am Standort Deutschland sind noch tausende von Anlagen alleine im Bereich Chemie in Betrieb, die teilweise sogar noch aus der Zeit
von Mitte des vorigen Jahrhunderts stammen. In Einzelfällen begegneten mir noch Anlagenteile von vor dem Weltkrieg.
Während im Bereich Energietechnik die Erneuerung schneller voran schreitet, alte Kraftwerke nach einigen Jahrzehnten des Betriebes
wieder vom Netz genommen werden, findet der Umbruch bei Chemieanlagen gesamt gesehen langsamer statt. Neue Werke entstehen zunehmend
nicht mehr in Europa und viele Bestandsanlagen in Deutschland werden im Gegenzug stillgelegt. Dennoch gibt es noch auf viele Jahre hinaus
einen Bedarf von kleinen und mittleren Kapazitäten, wo hoch spezialisierte Produkte hergestellt werden oder auch in kleineren Chargen gearbeitet wird.
Diese Anlagen werden selbstverständlich weiter betrieben, werden überwacht, ertüchtigt, dokumentiert und müssen ständig auf die sich verändernden
umwelttechnischen und sicherheitstechnischen Vorgaben angepasst werden. In vielen Fällen ist "Handarbeit" erforderlich -
dies leistet ein flexibles Unternehmen wie "Friederich Processdesign UG (hb)".