P&ID (Piping & Instrumentation Diagram)

Über P&IDs

Ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (P&ID) ist der technische „Schaltplan" einer Prozessanlage — jedes Behältnis, jede Pumpe, jeder Wärmetauscher, jedes Ventil und jeder Messkreis, gezeichnet mit normierten Symbolen und verbunden durch Rohrleitungen und Signalleitungen. Verfahrenstechniker, Leittechniker und HSE-Auditoren lesen dasselbe P&ID, um die Anlage zu spezifizieren, in Betrieb zu nehmen, Gefahrenanalysen (HAZOP) durchzuführen und sie im Betrieb zu bedienen. P&IDs sind das gesetzlich vorgeschriebene Engineering-Dokument für Chemie-, Petrochemie-, Pharma-, Wasseraufbereitungs- und Energieerzeugungsprojekte gemäß OSHA PSM und EPA RMP.

Schematex implementiert den Symbolkatalog nach ANSI/ISA-5.1-2009 (Messstellen-Blasen, Tag-Buchstabencodes, Signalleitungstypen) sowie Ausrüstungssymbole aus ISO 10628-1:2014 (Behälter, Kolonnen, Pumpen, Wärmetauscher). Die DSL ist bewusst kompakt gehalten, damit ein LLM aus einer Prozessbeschreibung in einem einzigen Schritt ein P&ID mit Regelkreis erzeugen kann.

1. Ihr erstes P&ID

Ein minimales P&ID besteht aus mindestens einer Ausrüstungseinheit und einer Prozessleitung.

Drei Regeln decken 80 % der Anwendungsfälle ab:

1. Das Dokument beginnt mit pid (optionaler Titel und [direction: LR]-Attribute).
2. Jede Ausrüstungseinheit wird deklariert: equip <ID> : <type> [tag: "label"].
3. Verbindungen werden mit line <ID> from <equip>.<port> to <equip>.<port> [type: "process", size: "4\""] hergestellt.

Messgeräte werden separat mit inst <TAG> : <category> sowie eingerückten measures- und controls-Klauseln hinzugefügt.

Kommentare beginnen mit # am Zeilenanfang.

2. Ausrüstung

Die equip-Anweisung deklariert Prozessausrüstung. Der Katalog folgt den Konventionen von ISO 10628 / ISA-5.1.

equip T-101 : tank_atm [tag: "Feed Tank"]
equip P-101 : pump_centrifugal
equip E-201 : hx_shell_tube [tag: "Overhead Cond"]
equip T-201 : column_tray [tag: "Stripper"]

2.1 Ausrüstungskatalog

2.2 Ventilkatalog

Ventile sind Ausrüstungselemente, die in der Rohrleitung sitzen. Sie werden im bowtie-Stil mit typspezifischer Stellantriebsdekoration dargestellt.

equip V-101 : valve_control [tag: "V-101 (FC)"]
equip V-303 : valve_psv     [tag: "V-303 · 150 psig"]

3. Rohrleitungs- und Signalleitungen

Die line-Anweisung verbindet zwei Ankerpunkte (Ausrüstungsanschlüsse oder Messstellentags).

line L1 from T-101.bottom to P-101.in  [size: "4\"", service: "water", type: "process"]
line s1 from FT-101 to FIC-101         [type: "electric"]
line s2 from FIC-101 to V-101          [type: "pneumatic"]

3.1 Ankersyntax

Jedes Ende einer Leitung ist entweder:

• <equip-id>.<port> — Anschlussname aus Abschnitt 2.2 (in, out, top, bottom, feed, shell_in, tube_out, reflux usw.)
• <equip-id> — Anschluss weggelassen; Standardwert ist in (Ziel) / out (Quelle) je nach Ausrüstungsfamilie
• <inst-tag> — Mittelpunkt der Messstellenblase (Signalleitungen)

3.2 Leitungstypen (ISA-5.1 §5)

3.3 Leitungsetiketten

Das Standardformat nach PIP PIC001 lautet <size>"-<service>-<sequence>-<spec>. Es wird über das Attribut tag: übergeben; der Renderer platziert dann ein kleines weißes Etikett-Rechteck an der Leitungsmitte.

line L1 from T-101.bottom to P-101.in [size: "4\"", service: "PG", tag: "4\"-PG-101-A1B"]

4. Instrumentierung (ISA-5.1 §4)

Die inst-Anweisung deklariert eine Messstellenblase. Das Tag verwendet die ISA-Buchstabencode-Konvention: Der erste Buchstabe ist die gemessene Größe, die folgenden Buchstaben sind Modifikatoren und Funktion.

inst FT-101  : field_discrete         %% Flow Transmitter, loop 101
inst FIC-101 : cr_shared              %% Flow Indicating Controller (DCS)
inst PSHH-301: cr_plc                 %% Pressure Switch High-High (PLC)
inst LIC-201 : cr_shared
  measures D-201
  controls V-202

4.1 Buchstabencodes (erster Buchstabe)

Am häufigsten verwendet: F Durchfluss · L Füllstand · P Druck · T Temperatur · A Analyse · S Drehzahl · H Handeingriff · Y Ereignis/Zustand. Vollständige Liste in ISA-5.1 Tabelle 1.

4.2 Funktionsmodifikatoren

I Anzeige · R Registrierung · C Regler · T Transmitter · E Primärelement · V Ventil · S Schalter · A Alarm · H/L Hoch/Tief. Kombination zum mehrbuchstabigen Tag: FIC = Durchfluss-Anzeige-Regler; PSHH = Druckschalter Hoch-Hoch.

4.3 Blasenkategorien

ISA-5.1 unterscheidet zwischen Einbauort (wo das Messgerät sitzt) und Typ (analog vs. gemeinsam vs. Computer vs. PLC). Schematex implementiert die vier gebräuchlichsten Kombinationen:

Varianten field_* lassen die horizontale Mittellinie weg; local_*-Varianten verwenden eine gestrichelte Mittellinie; cr_*-Varianten eine durchgehende Mittellinie, die „Hauptschalttafel — Vorderseite" anzeigt.

4.4 measures / controls

Eingerückt unter einer inst-Deklaration:

inst FT-101 : field_discrete
  measures P-101
inst FIC-101 : cr_shared
  controls V-101

Diese automatisch erzeugten Signalleitungen sind unabhängig von den expliziten line-Anweisungen — sie werden mit dem jeweils passenden Signalleitungsstil gerendert, der sich aus dem Beziehungstyp ergibt.

5. Layoutrichtung

Die Standardrichtung ist LR (links nach rechts) — Zulauf kommt von links, Produkt verlässt die Anlage nach rechts. Überschreiben im Header:

pid "Distillation Tower" [direction: TB]

equip T-201 : column_tray
…

Das MVP-Layout ordnet die Ausrüstung in Deklarationsreihenfolge entlang der Hauptrichtung an und verwendet Manhattan-Routing für Signalleitungen. Mehrzeilige / parallele Flusslayouts und T-Verbindungen sind Roadmap-Punkte — siehe Abschnitt 9.

6. Ausführliches Beispiel: Destillationskolonne

Ein realer Kopfkondensator-Kreislauf mit Umlaufverdampfer, Rückflusstrommel und Instrumentierung:

7. Grammatik (EBNF)

document    = header statement*
header      = "pid" ( title )? ( "[" attrs "]" )? NEWLINE
attrs       = attr ("," attr)*
attr        = "direction:" ("LR" | "TB")
            | "units:" ("imperial" | "metric")

statement   = comment
            | equipment-decl
            | line-decl
            | instrument-decl

equipment-decl = "equip" ID ":" equip-type ( "[" attr-list "]" )? NEWLINE
equip-type     = "tank_atm" | "tank_cone_roof"
               | "vessel_v" | "vessel_h" | "sphere"
               | "column_tray" | "column_packed"
               | "hx_shell_tube" | "hx_air_cooled" | "reboiler" | "condenser"
               | "pump_centrifugal" | "pump_pd"
               | "compressor" | "blower"
               | "reactor_cstr" | "reactor_pfr"
               | "filter" | "cyclone" | "flare" | "cooling_tower"
               | "valve_gate" | "valve_ball" | "valve_globe" | "valve_butterfly"
               | "valve_check" | "valve_control" | "valve_psv"

line-decl   = "line" ID "from" anchor "to" anchor ( "[" attr-list "]" )? NEWLINE
anchor      = ID ( "." port )?
port        = "in" | "out" | "top" | "bottom" | "left" | "right"
            | "feed" | "reflux" | "shell_in" | "shell_out"
            | "tube_in" | "tube_out" | "vapor_out" | "liquid_out"
            | "bottom_return"

instrument-decl = "inst" tag ":" inst-category ( "[" attr-list "]" )? NEWLINE
                  ( indented "measures" anchor NEWLINE )*
                  ( indented "controls" ID NEWLINE )*
tag             = letter-code "-" loop-num     %% e.g., "FIC-101"
inst-category   = "field_discrete" | "field_shared" | "field_computer" | "field_plc"
                | "cr_discrete"    | "cr_shared"    | "cr_computer"    | "cr_plc"
                | "local_discrete" | "local_shared"

attr-list   = attr ("," attr)*
attr        = key ":" value
key         = "tag" | "size" | "service" | "type" | "set_pressure"
            | "actuator" | "fail" | "trays" | …
value       = quoted-string | bare-word

ID          = [A-Za-z] [A-Za-z0-9_-]*

Maßgebliche Quelle: src/diagrams/pid/parser.ts. Weicht diese Beschreibung vom Parser ab, hat der Parser Vorrang — bitte ein Issue eröffnen.

8. Normkonformität

Aktuell implementiert (P0 MVP):

• ✅ 22 Prozessausrüstungs-Symbole (Behälter, Kolonnen, Pumpen, Wärmetauscher, Reaktoren, Abscheider, Fackel, Kühlturm)
• ✅ 7 Ventilsymbole (Schieber, Kugel, Kegel, Klappe, Rückschlag, Regelventil mit Membrananschluss, Sicherheitsventil mit 45°-Auslass + Federpaket)
• ✅ 4 Messstellenblasenkategorien × 2 Einbauorte = 8 ISA-5.1-Blasenvarianten (Vor-Ort/Warte × diskret/gemeinsam/Computer/PLC)
• ✅ ISA-Buchstabencode-Tag-Parsing (FT-101, LIC-203, PSHH-301)
• ✅ 8 Leitungstyp-Stile (process / process_minor / pneumatic / electric / hydraulic / capillary / software / mechanical)
• ✅ Automatisch geroutete measures- und controls-Signalleitungen
• ✅ Leitungsetiketten als weiß hinterlegte Rechtecke an der Leitungsmitte
• ✅ Manhattan-Routing, einreihiges Ausrüstungslayout

Noch nicht implementiert (siehe Roadmap):

• ⏳ Mehrzeilige / parallele Flusslayouts (z. B. zwei Pumpen münden in einen Mischer)
• ⏳ T-Verbindungen und Abzweigleitungen
• ⏳ Kreuzungserkennung (Überbrückungsbogen bei Rohrleitungskreuzungen)
• ⏳ Funktionsblock-Overlays (Σ-Summierer, PID, Selektoren)
• ⏳ Verriegelungsraute und Freigabekreis (ISA-5.06)
• ⏳ Begleitheizungs-/Mantelrohr-Leitungsdekoration
• ⏳ Reduzierstücke (konzentrisch / exzentrisch) in der Leitung
• ⏳ Stutzenbeschriftungen an Behältern

Referenzen:

• ANSI/ISA-5.1-2009 — Instrumentation Symbols and Identification (US-Norm)
• ISO 10628-1:2014 — Diagrams for the chemical and petrochemical industry (international)
• ISA-5.06.01-2007 — Functional Requirements Documentation for Control Software
• PIP PIC001 — Piping & Instrumentation Diagram Documentation Criteria (Branchenergänzung)

9. Roadmap

Das MVP-P&ID deckt einen einzelnen linearen Regelkreis ab (Tank → Pumpe → Regelventil → Instrumentierung). Reale Anlagen benötigen 2D-Platzierung und T-Verbindungen. Für v0.4 geplant:

• DSL-Erweiterung: equip ... [row: 0, col: 2]-Gitter-Hinweise für Mehrflusslayouts
• tee-Primitiv: tee T1 on L1 für einen dreifachen Abzweig an einer Prozessleitung
• junction-Primitiv: ISA-Verbindungspunkt für Rohrleitungsanschlüsse
• Kreuzungserkennung: Überbrückungsbogen bei sich kreuzenden Rohrleitungen
• Funktionsblöcke: Σ-Summierer, PID-Regler, LS/HS-Tief-/Hochselektor
• Verriegelungssymbole: interlock I-301-Raute, permissive P-202-Kreis
• Reduzierstücke in der Leitung: konzentrische / exzentrische Reduzierstücke als Leitungsdekorationen
• Stutzenliste: seitliche Anschlussannotationen an Behältersymbolen (N1, N2, …)

Einfache Einkreis-Regelschemas werden bereits vollständig dargestellt; komplexe Mehrstromprozess-P&IDs benötigen manuelle Positionshinweise (zurückgestellt).

Verwandte Beispiele

Einsatzbereite Szenarien aus der Beispielgalerie: