Um die Planung, die Realisierung und den Betrieb von Anlagen zu gewährleisten, sind vielfältige und umfängliche Dokumente erforderlich. Die DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE) beschäftigt sich in ihrem Arbeitskreis AK941 „Engineering“ seit vielen Jahren mit den Dokumentationsarten und deren Einsatzgebieten. Aus diesem Arbeitskreis heraus ist 2012 die Idee entstanden, auch Ursache-Wirkungs-Tabellen (sog. C&E-Matrizen) zu standardisieren bzw. zu normieren. Dieser Normvorschlag hilft allen, die C&E-Matrizen erstellen und bearbeiten müssen.

Der Weg zur Norm

Die Umsetzung internationaler Normierungsvorhaben braucht einen langen Atem. Die ersten Treffen zum Aufbau der Norm, die heute als IEC 62881 bezogen werden kann, fanden im Sommer 2012 statt. Im ersten Schritt wurden unterschiedliche Darstellungsweisen von Ursache-Wirkungs-Diagrammen gesichtet. Unterschiedliche Nutzer dieser Darstellungsform im Bereich der Anlagendokumentation stellten der Arbeitsgruppe ihre Daten dankenswerterweise zur Verfügung. In intensiven Diskussionen wurde auf der Basis dieser Daten ein Konzept entwickelt, welches die Minimalanforderungen an ein Ursache-Wirkungs-Diagramme beschreibt. Als Arbeitsgruppe 3 des deutschen AK941 wurde dann ein „Call for Experts“ im Umfeld der IEC gestartet, um eine internationale Arbeitsgruppe zu bilden, welche die Erarbeitung der Norm führt. Neben Deutschland konnten Mitarbeitende aus Japan, China, Norwegen, Österreich, Großbritannien und Korea gewonnen werden. International wurde diese Task Force in der TC65 als „working group 18“ geführt. Im Herbst 2018 waren schließlich alle Kommentare und Änderungswünsche in die Norm eingearbeitet, so dass diese dann als Norm 62881 veröffentlicht werden konnte. Seit Frühjahr 2019 liegt sie auch in der deutschen Fassung vor und kann als Referenz verwendet werden, um die Erstellung und Bearbeitung von Dokumentationen im Kontext dieser Norm verbindlich vorzugeben.


Einsatz von Ursache-Wirksungs-Tabellen

Ursache-Wirkungs-Tabellen (sog. C&E-Matrizen) sind ein wichtiges Instrumentarium, um interdisziplinär das Verständnis der Anlagenfunktion in einer kompakten Form darzustellen. Sie haben sich in ihren unterschiedlichen Ausprägungen bewährt. Die Aufgabenstellung und deren Umsetzung läßt sich klar und eindeutig definieren. Im Zusammenspiel mit Funktionsplänen, den verbalen Beschreibungen der Anlage, dem RuI und weiterer Dokumente für das Engineering ergibt sich ein Dokumentationsportfolio, welches sich der systemunabhängigen Funktionsbeschreibung widmet und die wesentliche Grundlage für die nachfolgende leittechnische Realisierung bildet.

Den C&E-Matrizen wird neben der Vorgabedokumentationserstellung auch in anderen Bereichen des Engineerings ein Platz zugeordnet. Ein wichtiger Bereich ist im Umfeld von FAT (Factory Acceptance Test), SAT (Software Acceptance Test) und SIT (Site Integration Test)  zu finden. Die IEC 62381 empfiehlt die Anwendung von Ursache-Wirkungs-Diagrammen, um die Abnahme und den Test von Anlagen zu begleiten und ggfs. auch als Abnahmedokument zu dienen. Im Abschnitt 4 der Norm sind als typische Dokumente für den Owner/Contractor im Kontext der Abnahmen neben den Funktionsplänen, Ablaufdiagrammen und Beschreibungen (Control Narratives) auch Ursache-Wirkungs-Diagramme genannt. Ursache-Wirkungs-Diagramme bewähren sich demnach in allen Bereichen: im Bereich DCS (Direct Control System) wie auch im Bereich ESD (Emergency Shut Down).

Bei der Darstellung der C&E-Matrix werden Ursache und Wirkung, über eine sog. Intersection oder Action in Beziehung zueinander gebracht. Cause und Effect beziehen sich dabei immer auf ein Signal oder einen sog. TAG. Dieses Signal kann als Ursache (Cause) durch einen Sensor, einen Taster oder ein anderes Ereignis referenziert werden. Die Wirkung (Effect) wird über einen Aktor erzielt. Das kann ein Ventil sein, welches geöffnet oder geschlossen wird oder ein Motor, der ein- oder ausgeschaltet wird. Die Zusammenhänge können also bspw. Verriegelungs- oder Ein-/Ausschaltcharakter haben.

In der Norm ist als einfache Darstellung die sogenannte „Kreuztabelle“ definiert. Die Intersections (Kreuzungspunkte) sind als „X“ dargestellt, und es besteht damit eine direkte Beziehung zwischen dem Cause und dem Effect, ohne ein zeitbehaftetes oder speicherndes Verhalten anzuzeigen. Als weitere Alternative werden in der Beispielsammlung der Norm weitere Typen für die Intersectionbeschreibung dargestellt. Hier sind Abkürzungen vorgeschlagen, die ein komplexeres Verhalten beschreiben. Das sind zum Beispiel „CL“ = Close-Intersection, „OP“ = Open-Intersection oder auch „DCL“, welches ein „Delayed-Close“ beschreibt. Optional kann ein Ursache-Wirkungs-Diagramm über die Norm hinaus individuell erweitert werden, um auch prozessrelevante Größen darzustellen.

„Grenzen der Ursache-Wirkungstabelle“

In der Anfangsphase erhielt die Arbeitsgruppe auch C&E-Darstellungen, die neben den Intersection-orientierten Darstellungen auch Erweiterungen enthielten, die boolesche Logik im Bereich der Ursachen(Causes) darstellten. Es wurden beispielsweise drei Ursachen(Causes) zu einem UND verbunden und das Ergebnis dieser UND-Verknüpfung wiederum mit einer anderen logischen Zusammenfassung von Ursachen(Causes). Hier hat sich die Arbeitsgruppe sehr schnell dazu entschlossen, solche Erweiterungen NICHT in die Norm zu übernehmen. Hier ist die Darstellung in Funktions- und Ablaufplänen vorzuziehen. Diese Dokumente sind dafür in den Dokumentenarten des Engineerings vorgesehen.

Werkzeuglandschaft

MS-Excel ist vielerorts das „Werkzeug“, mit dem Ursache-Wirkungs-Diagramme erstellt werden. Allerdings zeigt sich bei umfangreichen Ursache-Wirkungs-Diagrammen, dass die Darstellungsform und der Überblick „verloren“ gehen. Darüber hinaus sind mit MS-Excel eine Vielzahl von „individuellen Speziallösungen“ denkbar. Zu viel Individualismus bei der Realisierung schränkt jedoch die breite Einsatzmöglichkeit ein. Auch hier sind Standards hilfreich und ein weiterer Grund für die Normierungsanstrengung des AK941 in der DKE (Deutsche Kommission für Elektrotechnik).

logi.CED von logi.cals

Im Zuge des Normierungsverfahrens ist bei logi.cals ein datenbank-basiertes Tool entstanden. Dieses Tool logi.CED ist eine Gemeinschaftsentwicklung von logi.cals und einem international arbeitenden Anlagenbauer. Diese Vorgehensweise sicherte einen sehr praxisnahen Entwicklungszyklus, der die speziellen Anforderungen der Anwender*innen aufnahm und diese in ein einfach zu bedienendes Werkzeug umsetzte. Die Ursache-Wirkungs-Diagramme, welche beim Referenzkunden erstellt werden, „sprengen“ die Grenzen welche für eine Erstellung mit MS-Excel noch sinnvoll sind. Wenn das Ursache-Wirkungs-Diagramm jeweils mehrere 1000 Ursachen (Causes) und Wirkungen (Effects) enthält, ist eine Datenbank-basierte Lösung unumgänglich. Um diese großen Mengen an Ursache (Causes) und Wirkungen (Effects) managen zu können, hat das Werkzeug eine Vielzahl von Funktionen und Schnittstellen, welche die Effizienz bei der Bearbeitung des Ursache-Wirkungs-Diagramms sicherstellen.

Schnittstellen und Datenaustausch

Als Import-Schnittstelle ist neben den „klassischen“ Importformaten besonders der Import der Signaldaten per AML auf der Basis von CAEx 2.15 zu erwähnen.

Bei aller Nutzung der Datenbank als Hilfsmittel für die Organisation der Daten an sich, verfügt logi.CED über einen leistungsstarken Export der Daten. Für die Organisation (Gesamtansicht und Teilansicht) der Ursache-Wirkungs-Diagramme werden in logi.CED sog. Views angelegt. Deren Inhalte werden dann nach MS-Excel und die Control Narratives, welche ebenfalls mit logi.CED erstellt werden, werden nach MS-Word und PDF exportiert. Damit können die Ergebnisse des Ursache-Wirkungs-Engineerings allen Projektbeteiligten in den bekannten Datenformaten auf einfache Weise zur Verfügung gestellt werden.

Weitere Werkzeuge, welche die Werkzeuglandschaft um logi.CED erweitern sind der universelle und systemunabhängige Funktionsplan-Editor logi.DOC und das SPS-Programmiermittel logi.CAD. Diese runden die Test- und Dokumentationsmöglichkeiten ab.

Unterstützung beim FAT/SAT/SIT 

Das Tool logi.CED bietet neben den bereits genannten Eigenschaften zur normgerechten Erstellung und Pflege der Ursache-Wirkungs-Diagramme auch vielfältige Möglichkeiten zur Unterstützung von FAT/SAT/SIT-Abläufen. In den C&E-Matrizen können Datum/Uhrzeit/Namen der Prüfer, Kommentare zur Prüfung des Tests der Intersection-Funktionen mit abgelegt werden. Die jeweils geprüfte Intersection wird als solche kenntlich gemacht. Auswertelisten und Reports zeigen den aktuellen Prüfstatus so dass auch wiederkehrende Prüfungen mit logi.CED erfasst und dokumentiert werden können.

Revisionsmanagemnet inklusive

Im Zuge eines transparenten Engineeringprozesses müssen alle Werkzeuge über ein entsprechendes Revisions- und Versionsmanagement verfügen. Mit logi.CED sind die Versionsstände speicherbar um zu einem späteren Zeitpunkt auch einen Versionsvergleich durchführen zu können. Alle Objekte in dem Ursache-Wirkungs-Diagramm werden beim Erzeugen einer Version mit einem entsprechenden Versionsstempel versehen, an dem der Bearbeitungsverlauf kenntlich gemacht wird. Zu einem beliebigen Zeitpunkt können dann Versionsstände des Ursache-Wirkungs-Diagramms in eine Revision überführt werden. Alle Vorgänge werden intern gespeichert und die Versions- und Revisionshistorie zeigt den Verlauf der Bearbeitung an.

Online-Anbindung

In manchen Fällen werden die Ursache-Wirkungs-Diagramme mit erheblichem Zeitaufwand in der Visualisierung im Prozessleitsystem „nachgebaut“. logi.CED bietet unterschiedliche Möglichkeiten, die erstellten Ursache-Wirkungs-Diagramme online zu „animieren“. Über eine sogenannten „Transfertabelle“ kann der Name der Ursache oder der Wirkung einer Variablen im Leitsystem oder der SPS zugeordnet werden, um hier die „Zeile“ bzw. die „Spalte“ in der Ursache-Wirkungs-Sicht farblich zu hinterlegen. Die Farbeinstellung ist projektspezifisch einstellbar. Um die Daten zu erhalten, wird OPC-DA oder OPC-UA als Kommunikationsprotokoll verwendet. Andere Schnittstellenprotokolle können bei Bedarf dazu entwickelt werden.

SPS-Code Generierung

In der Erstellungsphase ist es durchaus sinnvoll, ein Ursache-Wirkungs-Diagramm zu testen. Dazu wird in logi.CED ein ST-Code gemäß IEC 61131-3 erzeugt. Mit einem internen Makrohandling kann jeder Intersection eine parametrierbare ST-Code-Sequenz zugeordnet werden, die dann bei der Generierung verwendet wird. Dieser ST-Code kann in das SPS-Programmiermittel z. B. per Copy & Paste oder auch per AML-Import übernommen werden. Mit der Anbindung an logi.CAD 32 bzw. logi.CAD 3 von logi.cals wird das erzeugte SPS-Programm direkt als Funktionsbaustein in einem SPS-Projekt eingebunden. Anschließend kann der ST-Code in der lokalen oder auch zielsystemgebundenen SPS-Lösung verarbeitet, also eingesetzt und getestet werden. Dazu wird das SPS-Laufzeitsystem logi.RTS aus dem Haus logi.cals verwendet. Diese hauseigene Soft-SPS verfügt  über weitere Schnittstellen, um z. B. einen Prozesssimulator anbinden zu können oder auch die Laufzeitdaten per OPC-DA und OPC-UA bereit zu stellen.

Fazit

Mit dem Abschluß der Normungsarbeiten liegt jetzt eine stabile Beschreibung für die Erstellung von Ursache-Wirkungs-Diagrammen vor. Die Norm 62881 kann damit als Basis für die Ausschreibung von Ursache-Wirkungs-Dokumentationen im Bereich des Engineerings dienen.

Mit entsprechenden Werkzeugen stehen ebenfalls gute Möglichkeiten bereit, um effizient und zielgerichtet Ursache-Wirkungs-Diagramme zu erstellen, diese zu verwalten und ggfs. auch in portable Datenformate zu exportieren.

Über die logi.cals GmbH

Noch zu Zeiten, in denen das Betriebssystem von PCs üblicherweise MS DOS hieß und Windows noch nicht erfunden war, hatte logi.cals im Jahr 1986 ein grafisches Entwicklungswerkzeug auf den Markt gebracht und damit die Automatisierungswelt verblüfft. Von Anfang an stand logi.cals für die Idee, modernste Technologien aus der IT-Welt für die Automatisierungstechnik nutzbar zu machen. Mit logi.CAD 3 bietet logi.cals ein ‘state of the art’ Desktop-Engineering-Tool mit umfassenden Wiederverwendungs- und Team-Engineering-Funktionen, das auf den modernsten Entwicklungstechnologien beruht. Eine Safety-Toolchain ergänzt das System um den Aspekt der funktionalen Sicherheit. logi.CAD 3 ist ein offenes, skalierbares und leistungsfähiges System, das sich durch die offene Plattformstruktur leicht an die jeweiligen Anforderungen anpassen lässt. Es erlaubt die effiziente Erstellung herstellerunabhängiger Automatisierungslösungen und erhöht die Engineering Performance in jeder Projektphase.

Neben dem SPS-Engineering rund um logi.CAD pflegt logi.cals seit Jahren seine Werkzeuglandschaft für das Dokumentations- und Spezifikationsengineering. Mit logi.DOC, dem systemneutralen Funktionsplaneditor und logi.CED, dem Cause-Effect-Editor sind weitere Werkzeuge vorhanden welche ihre Daten dem Automatisierungsworkflow zur Verfügung stellen.

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