Tatsächlich betrifft dies nicht ausschließlich die Planung von Neubauten, sondern oft auch Modernisierungen des Netzes im Bestand, um den neuen Anforderungen standhalten zu können. Das erfahren wir verstärkt in unseren Projekten, wenn aufgrund von Baumaßnahmen oder im Rahmen weitreichender Umbauten neue Anwendungen im Netz abgebildet werden sollen.
Insbesondere für Bereiche mit Gebäudetechnik gehen Anforderungen manchmal über das hinaus, was der IT-Planer aus der Vergangenheit in diesen Bereichen gewohnt war. Eine Planung nach einfachen Best Practices bzw. nach dem Prinzip „so hat es bisher immer geklappt“ ist dort häufig nicht ausreichend. Daher betrachten wir in diesem Artikel verschiedene Anwendungen, Anforderungen und den Rahmen der nötigen Netzplanung sowie relevante Technologien.
Anwendungen und Anforderungen im Gebäude der Zukunft
In Hinblick auf die Gebäudetechnik sind die zunehmende Automatisierung des Gebäudes und technische Unterstützung der Nutzer wesentliche Entwicklungen. Eine ganze Reihe neuer und weiterentwickelter Anwendungen und Technologien finden sich immer häufiger in Gebäuden. Damit ergeben sich neue Anforderungen an das Netz der Gebäudetechnik. Steuersysteme, die früher eigene Technologien und Standards einsetzten, nutzen mittlerweile IP-basierte Netze und benötigen somit ein Netz mit entsprechender Planung.
Die zu betrachtenden Anwendungen beginnen bei Themen der klassischen Gebäudeleittechnik, beispielsweise bei Klimatisierung, Zugangskontrolle, Schließsystem, Alarmierungen, Einbruchsüberwachung etc. Neue Trends wie die Steuerung der Beleuchtung, der Verdunkelung von Räumen und smarte Parksysteme finden sich nun im IP-Netz. Andere Netze (z. B. Medientechnik) haben mittlerweile ebenfalls einen steigenden Bedarf an IP-Kommunikation.
Im Büro-Umfeld ließen sich in den letzten Jahren zusätzliche Anforderungen durch neue Anwendungen und die sich weiter veränderten Nutzungsbedingungen feststellen. Dies sind einerseits die WLAN-Nutzung und die damit verbundenen Änderungen hinsichtlich der Flächendeckung und der Anforderungen an die Versorgung. Andererseits fordert die Büro-IT selbst höhere Datenraten und eine Kommunikation mit Diensten, die nicht auf dem Gelände bzw. im Gebäude platziert sind. Cloud-Kommunikation ist mittlerweile für viele Anwendungen der Standardfall. Spätestens wenn es um Webkonferenzen mit Videoübertragung geht, ist klar, dass die Qualitätsanforderungen für die Netzkommunikation bei der Büro-IT deutlich gestiegen sind.
Diese Trends machen vor anderen Gewerken, wie der TGA (Technische Gebäudeausrüstung), genauso wenig Halt. Im modernen Gebäude werden daher Anforderungen des Büroumfelds durch Anforderungen der anderen Gewerke ergänzt. Diese können zwar durchaus streng sein, sind aber in ihrer grundsätzlichen Ausprägung ebenso in IT-Netzen zu finden. Vor allem, wer sich mit Industrienetzen in der Produktion auskennt, wird viele der Aspekte wiedererkennen. Ein Zusammenfügen von IT mit Industrietechnik hat eine ähnliche Tiefe wie die Integration der TGA und der weiteren Gewerke.
Für einen IT-Planer stellt hierbei das weite Feld der unterschiedlichen Technologien einen besonderen Fokus dar. Dies wird dadurch verstärkt, dass bei Gewerken abseits der IT häufig der Blickwinkel auf einer historisch gewachsenen Umgebung beruht, die ursprünglich durch proprietäre Insellösungen geprägt war.
Neben dem Stichwort „produktionskritisch“ als Beschreibung für die Relevanz eines Netzes kommt nun der Punkt „kritisch für Menschenleben“ hinzu. Ich will an dieser Stelle nicht nur von der Brandmeldeanlage sprechen, bei der jedem die Wichtigkeit klar ist. Für diese sieht man häufig genau wegen der besonderen Relevanz die Nutzung getrennter Netze vor. Andere Ereignisse, wie der Ausfall einer Aufzugsteuerung oder eines Schließsystems, können ähnlich kritisch sein und werden oft auf einem gemeinsamen Netzwerk mit anderen Anwendungen betrieben. Ähnliches gilt für weitere Anwendungen, wie beispielsweise Telefonie und damit VoIP, wenn hierrüber Notrufe abgesetzt werden. Dementsprechende Verfügbarkeitsanforderungen sind zu berücksichtigen.
Technische Anforderungen im modernen Gebäude können die gewohnte IT-Architektur im Vergleich zum klassischen Büronetz vor neue Herausforderungen stellen. So ist es beispielsweise möglich, dass bestimmte Anwendungen ein Layer-2-Netz erfordern wie BACnet/IP, das als typisches Steuerprotokoll ein entsprechendes Gateway in jedem Subnetz benötigt. Hier ist das Netzdesign dem Aufwand in der Anwendung gegenüberzustellen.
Aufgrund der verschiedenen Elemente einer Gebäudesteuerung ist meist eine Anbindung und Kopplung an Büro-Netze oder die Cloud notwendig, um eine Steuerung von dort aus zu ermöglichen.
Die Smartphone-App fürs Gebäude, mit der Geräte vom Lichtschalter bis zum Thermostat ersetzt oder ergänzt werden, ist längst keine Zukunftsmusik mehr. Häufig befindet sich hier der zentrale Kommunikationspunkt für die App in der Cloud, also im Internet (siehe Abbildung 1). Das bedeutet, dass Nutzer die Aktion (z. B. „Licht an“ oder „Rollo hoch“) in der App anstoßen und dass dies ins Internet kommuniziert wird. Von hier aus wird dann ein lokaler Steuerungsdienst im Gebäude angesprochen, der die konkrete Steuerung übernimmt. Ein lokaler Netzausfall oder ein Internetausfall führt folglich zu einem Ausfall der entsprechenden Steuerung. Damit steigt die Wichtigkeit aller beteiligten Systeme deutlich. Ausfallsicherheit, Verlässlichkeit und die Sicherheit vor Angriffen wird damit für die TGA eine entscheidende Anforderung.
Abbildung 1: Schema einer Gebäudesteuerung mittels Smartphone-App
Der IT-Betrieb im Netz mit redundantem Aufbau und klar definierten Netzebenen wird zunehmend das Muster für die Kommunikation der Gebäudetechnik. Damit muss der TGA-Planer ein neues Verständnis für die Konzipierung und die Interoperabilität seiner Anwendungen haben. Im Gegenzug hat ein IT-Planer häufig noch nicht den Blick für die speziellen Anwendungen der Gebäudeausstattung.
Das Planungsvorgehen
Man merkt, dass sich verschiedene Anwendungen langsam in den Alltag von Betreibern und Nutzern schleichen. Dies birgt die Gefahr, dass die zugrunde liegenden Anforderungen nur mit Glück erfüllt werden, ohne gezielt in der Planung berücksichtigt zu werden. Damit besteht das Risiko, dass bestimmte Aspekte nicht berücksichtigt werden, was später zu unerwünschten Folgen führen kann, wenn die Anforderungen nicht optimal erfüllt werden. Einen derartigen Umgang mit IT-Anforderungen sieht man in anderen Gewerken immer wieder. Vor einer Umsetzung ohne strukturiertes Planungsvorgehen kann daher nur gewarnt werden.
Neben den technischen Anforderungen fällt der Anforderungsermittlung als solches somit eine gewisse Bedeutung zu. Die Umstellung auf IP-basierte Kommunikation ist im TGA-Bereich für einige Hersteller und Betreiber ein Technologiesprung. Bestimmte im IT-Bereich etablierte Verfahren und Standardisierungen sind nicht genauso verbreitet, wie das bei der IT im Büro-Bereich der Fall ist.
Typische Abgrenzungen zwischen den Abteilungen sind zu diskutieren. So ist es eher der Normalfall als die Ausnahme, dass für den späteren Betrieb diverse Abteilungen zuständig sind. Werden TGA, Medientechnik und die IT auf ein und dasselbe Netz migriert, ergibt sich die Frage der Zuständigkeit. Hier herrschen unterschiedliche Annahmen und Erwartungen, die ggf. zu widersprüchlichen Wünschen führen können, die durch den Planer aufgelöst werden müssen. So ist es denkbar, dass aus dem bisherigen IT-Betrieb klar und streng definierte Service-Level gegenüber einem Betreiber bekannt sind, während die TGA vielleicht ihr Netz selbst betreibt oder aufgrund der gewachsenen Bedingungen keine Service-Level etabliert hat.
Im Endeffekt wird somit der Blickwinkel auf den zukünftigen Betrieb zu einem der ersten Klärungspunkte in einer Planung. Wird eine betriebliche oder räumliche Trennung gefordert, ist festzulegen, wie weit eine Kopplung gehen soll.
Eine Gefahr ist, dass die Planer oder die für die Anforderungen an das Netz Zuständigen die anderen Gewerke unterschätzen. Insbesondere in Neubauprojekten sehen wir immer wieder, dass ein klassischer TGA-Planer sich des Themas IT-Planung annimmt. So kann es vorkommen, dass die Planung ohne Berücksichtigung der Erfordernisse eines modernen Netzdesigns erfolgt. Genauso wird es zu Planungsfehlern kommen, wenn der IT-Planer einfach für die TGA-Planung zuständig ist. Spätestens bei einem gemeinsam von verschiedenen Gewerken genutzten Netz kann das fatal sein.
Aus der Erfahrung verschiedener Kundenprojekte heraus können wir recht sicher sagen, dass ein enger und nach Möglichkeit frühzeitiger Austausch zwischen den Gewerken hier nur von Vorteil sein kann. Herausforderungen, die sich dabei ergeben, gehen von einer weniger detaillierten Festlegung der Anforderungen an das Netzwerk bis zu entsprechenden Anforderungen an flache Netzstrukturen (z.B. zur Reduktion der BACnet-Gateways). Die Erfahrung zeigt jedoch, dass derartige Details für die Beteiligten häufig so selbstverständlich sind, dass sie kaum kommuniziert werden. Es droht die Gefahr, dass Planungsvorgaben unberücksichtigt bleiben.
Man sollte sich nicht darauf verlassen, dass die TGA und die weiteren Gewerke einfach als Nutzer in einem allgemeinen Netz funktionieren werden. Ein plakatives Beispiel bietet hier die Anbindung verschiedener Systeme ans WLAN. Kritisch wird es dann, wenn Produzenten, wie z. B. Schließsystemhersteller, Varianten im Programm haben, bei denen eine WLAN-Anbindung mittels 802.11b oder WEP (Wireless Equivalent Privacy) erfolgt. Aus Sicht der Technologie ist das mindestens problematisch, aber für die IT-Sicherheit ggf. ein Super-GAU. Dies muss dem jeweiligen Fachbereich nicht unbedingt bewusst sein.
Hinsichtlich der Planung im Bau gibt es verschiedene Ansätze. Wo in Bauprojekten häufig die HOAI (Honorarordnung für Architekten und Ingenieure) mit den Leistungsphasen LP1 (Grundlagenermittlung) bis LP9 (Objektbetreuung) als allgemeine Planungsvorgabe dient, ist es in reinen IT-Projekten eher eine Aufteilung der Art Grobkonzeption, Feinkonzeption und Umsetzung. Klar ist, dass die beiden Vorgehensweisen nur bedingt aufeinander abgebildet werden können, was am Beispiel einer WLAN-Planung deutlich wird. Die HOAI sieht hier Simulationen erst in LP5 (Ausführungsplanung) als besondere Leistungen vor. Um die geforderte Genauigkeit in der Kostenberechnung zu erreichen, muss dies oftmals schon für die LP3 (Entwurfsplanung) geschehen. Somit ergibt sich bereits eine gewisse Diskrepanz zwischen dem üblichen Vorgehen am Bau und der IT-Planung.
Folgt ein Planungsvorgehen für die IT bzw. Teile der IT-Planung in Neubauprojekten nicht immer der HOAI, ist es sicherlich für ein Bauprojekt als Ganzes sinnvoll, wenn sich der IT-Planer zumindest grob daran orientiert. Das macht es den Projektsteuerern und den anderen Gewerken leichter, notwendige Informationen und Anforderungen strukturiert zu liefern.
Für die Planung sind Anforderungen, wie in Abbildung 2 skizziert, über die Gewerke hinweg zu konsolidieren und festzulegen. Daraus ist ein entsprechendes Netzdesign zu entwickeln. Das technische Verständnis der einzelnen Anforderungen kann unterschiedlich sein und der Fachplaner muss deswegen hierbei kritisch hinterfragen und ggf. nachbessern.
Abbildung 2: Einfluss verschiedener Vorgaben auf das Netzdesign (rot: für mehrere Mandanten notwendig; grau: vor allem geänderte Anforderungen zu berücksichtigen)
Wir haben in Projekten in der Vergangenheit sowohl Glanzlichter als auch abschreckende Beispiele der Zusammenarbeit und Anforderungsabstimmung gesehen. Vieles hängt von den Vorgaben des Auftraggebers oder Projektsteuerers ab. Die Erfahrung zeigt, dass die Abstimmung bei besonders hoher Komplexität des Projekts an ihre Grenzen stoßen kann. Im Bereich der IT lassen sich nicht alle Anforderungen und Ergebnisse unmittelbar in CAD-Gebäudepläne umsetzen, wie sie andere Planer und die Projektsteuerer gewohnt sind. Es geht hier schließlich nicht nur um die reine Platzierung von Kabeln und Netzwerkdosen. Stattdessen sind konzeptionelle Festlegungen oft deutlich relevanter.
Gute Erfahrungen haben wir bereits mit der Übergabe von Anforderungskurzprofilen gemacht, wie in Abbildung 3 dargestellt. Abhängig vom jeweiligen Projekt sind Abweichungen notwendig. Wichtig ist, dass das eine Planungsgewerk dem anderen Fachplaner die zentralen Anforderungen strukturiert übergibt und somit Verantwortlichkeiten und Schnittstellen klar definiert sind.
Abbildung 3: Beispiel einer Anforderungsübergabe im Bauprozess
Das Netzdesign
Auf Basis der Anforderungen verschiedener Gewerke ist ein schlüssiges Netzdesign eines der zentralen Ergebnisse einer Planung. Für einige Kunden stellt sich die berechtigte Frage, ob es ein gemeinsames Netz für IT, Gebäudeautomation und weitere Anwendungsbereiche überhaupt geben soll.
Kurzgefasst gibt es im modernen Gebäude die Anforderung nach IP-Kommunikation bei fast allen Gewerken. Eine vollständige Trennung kann im Normalfall heutzutage ohnehin nicht angenommen werden. Somit kann ein (in Teilen) gemeinsames Netz sinnvoll erscheinen. Andererseits können, trotz des Erfordernisses eine Kopplung zu erreichen, weite Teile des Netzes getrennt behandelt werden.
Wie in Abbildung 4 ersichtlich, kann das Ausmaß der Integration bzw. der Trennung der Netze unterschiedlich ausfallen. Neben vollständig getrennten Netzen für verschiedene Gewerke ist eine Anbindung der jeweiligen Backbone-Netze aneinander denkbar. Ebenso können abgestuft gemeinsame Backbone/Core-Switche, Distribution-Switche oder sogar ein gemeinsames Access-Netz aufgebaut werden. Werden beispielsweise getrennte Etagenverteiler gefordert, sind folglich mindestens die Access Switches getrennt.
Abbildung 4: Mögliche physische Trennung
Die Entscheidung für ein Design orientiert sich neben den jeweiligen technischen Anforderungen insbesondere an betrieblichen Aspekten. Für die Zukunft ist es wichtig, dass die anderen Gewerke neben der IT ebenfalls ein strukturiertes Netz aufbauen. Um betrieblich zukunftssicher zu sein, ist es unabdingbar, dass die Planungsqualität und der spätere Betrieb der Gewerke zueinander vergleichbar gelöst sind. Service-Level und Festlegungen zum Betrieb sollten bedarfsabhängig für die Gewerke festgelegt werden und durch vergleichbare Technologien und den Netzaufbau umsetzbar sein. Ihre Festlegung muss einer einheitlichen Form folgen, damit diese für die verschiedenen Beteiligten nachvollziehbar ist. Dies ermöglicht es in Zukunft gewerkeübergreifend auf ein einheitliches Design zu setzen und Synergien zu nutzen.
Moderne Technologien erfordern gegebenenfalls eine Anpassung des Netzdesigns. Wird bspw. der PoE-Betrieb von Sensoren oder sogar Lampen als Anwendung relevant, so kann man bei genauem Hinschauen erahnen, dass alleine der Leistungsbedarf von PoE Auswirkungen auf die Netzplanung hat. Da wir dies bereits schon im Insider behandelt haben, will ich hierzu gar nicht ins Detail gehen. Eine sehr ausführliche Darstellung findet sich im PoE-Report der ComConsult vom vergangenen Jahr.
Abbildung 5: Netzebenen mit nachgelagertem dezentralen Access Switch
Schlussfolgernd ist die Bereitstellung der hohen Portdichte nicht alleine in den Verteilerräumen vorzusehen, sondern es sind abgesetzte Switches einzukalkulieren. Diese können an bzw. auf Kabeltrassen platziert sein und dort die benötigten Ports lokal anbieten. Dies reduziert den Verkabelungsaufwand. Somit ändert sich das Netzdesign. Der IT-Planer muss sich damit von der Vorstellung klassischer Verteilerräume lösen.
Für die Netzwerkkomponenten und die grundsätzliche Architektur des Netzwerks gilt, dass Systeme der Gebäudesteuerung eine so hohe Relevanz haben, dass die Ausfallsicherheit nicht geringer sein darf als in einem klassischen IT-Netz. Die konkrete Umsetzung ist für TGA-Planer manchmal neu und zumindest im Bestand nicht immer gegeben und eine Implementierung mit baulichen Eingriffen zuweilen nötig (z. B. aufgrund von fehlender Verkabelung). Vorarbeiten bei Bestandsgebäuden können demnach notwendig sein.
Nicht zuletzt muss das Netz einen Beitrag zur Sicherheit der Systeme im Gebäude leisten. Dies bedeutet, dass ein entsprechendes Sicherheitskonzept her muss. Innere und externe Firewalls, DMZs und die Netztrennung der verschiedenen Systeme sind erforderlich. Die Netztrennung geht dabei im Idealfall soweit, dass unterschiedliche Geräte der Gebäudesteuerung voneinander getrennt sind, da diese meistens ein unterschiedliches Sicherheitsniveau aufweisen. Dies ist eines der Beispiele, die für die TGA regelmäßig ein Novum darstellen und gilt ebenso für die logische Netzsegmentierung und das resultierende Netzdesign.
Neue Technologien im Netzwerk
Es gibt technologische Neuerungen, die heutzutage zu diskutieren sind und somit auch auf das Netzwerk in modernen Gebäuden einen Einfluss haben. Eine ganze Reihe neuer Technologien gewinnen an Relevanz. Wenn man, wie oben beschrieben, im Rahmen der Planung ein mandantenfähiges Vorgehen vorsieht, so ist ein entsprechend flexibles Netzdesign eine logische Folge. Spätestens an dieser Stelle diskutiert man über die mittlerweile von den Herstellern stark beworbenen Technologien aus dem Bereich Fabric/Overlay bzw. Software-Defined-Network (SDN).
Aus unserer Sicht sind diese Neuerungen in Bezug auf die TGA besonders kritisch zu bewerten, da die baunahen Gebäudetechnikplaner und -betreiber konservativer arbeiten. Das muss zwingend in der Planung berücksichtigt werden und kann dem Einsatz von SDN entgegenstehen. Eine Prüfung wird daher notwendig, um die TGA nicht unnötigerweise mit dieser neuen Technologie zu konfrontieren. In anderen Fällen kann dies hingegen benötigte Flexibilität bieten.
Ein anderes Thema, das uns bei der Planung neuer Netze und somit der Netze für moderne Gebäude begegnet, ist IPv6. Wo sich IPv6 bei vielen unserer Kunden schon im IT-Netz recht schleppend durchsetzt, ist auch bei anderen Gewerken nicht damit zu rechnen, dass IPv6 von allen Endgeräten unterstützt wird.
Es kann jedoch anders kommen als erwartet und plötzlich ist man aufgrund der modernen Gebäudetechnik auf IPv6-Kommunikation angewiesen. Es gibt mittlerweile Hersteller, die aufgrund der Menge an Sensoren und Steuerungsgeräten auf IPv6-Adressen setzen. So setzt die neueste Generation von PoE-Beleuchtung des Herstellers Philips IPv6 ein (siehe Philips „Smart Building“ White Paper: https://www.usa.lighting.philips.com/systems/connected-lighting-for-offices).
Die Vorreiterrolle, die die Bürokommunikation hier bislang hatte, dreht sich also um und setzt die IT im Rahmen der Netzplanung unter Zugzwang. Man sollte sich nicht vom IPv6-Bedarf überraschen lassen, sondern das entsprechende Konzept vorbereiten. Wichtig ist, dass dem TGA-Planer dies genauso bewusst ist wie dem ITler und so die passenden Forderungen kommuniziert werden. IPv6 ist noch nicht in allen Netzen und Unternehmen Standard und benötigt eine entsprechende Vorbereitung.
Zusammenfassung
Es ist wichtig, möglichst frühzeitig zu wissen, welche Gewerke und welche Geräte über Netzwerktechnologien kommunizieren sollen. Auf dieser Basis muss dann die entsprechende Planung stattfinden. Man kann nicht genug betonen, dass es bei einem modernen Gebäude nicht mehr ausreicht, wenn die TGA sich darauf verlässt, einfach einen IP-Port zu bekommen oder überall ein flaches Layer-2-Netz zu haben. Das Netz muss die Anforderungen der jeweiligen Anwendungen berücksichtigen. Für die Auswahl der Komponenten sind die Anforderungen und Funktionen des Netzes ausschlaggebend. Gerade bei Neubauprojekten ist es demnach wichtig, dass die Bauplanung frühzeitig die IT berücksichtigt und andersherum die IT frühzeitig die Anforderungen der weiteren Gewerke kennt. Dies trifft auf jeden Fall bei Nutzung eines gemeinsamen Netzes sowie bei Anbindung mehrerer Netze zu.
Zu Beginn steht mittlerweile vor allem die Diskussion über den Betrieb und auch die planerische Zuständigkeit. Es kann durchaus ein Ergebnis sein, bestimmte Teile des Netzes getrennt aufzubauen und zu planen. Eine gemeinsame Planung und ein gemeinsames Netz bieten hingegen die Möglichkeit, Synergien zu nutzen.
Im Ergebnis ist der Austausch zwischen den Gewerken und Planern von entscheidender Bedeutung. Selbst bei getrennten Netzen zeigt sich, dass Netze der klassischen Gebäudesteuerung sich im Design immer stärker dem IT-Netz angleichen. Die strukturierte Etablierung von Netzebenen und Redundanzen im Netz wird hier zum Standard.
