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Cómo seleccionar la antena correcta para aplicaciones inalámbricas industriales

Hans-Joachim Richter Ingeniero de servicio y soporte Belden Competence Center

Con frecuencia, los diseñadores e ingenieros de redes evitan las soluciones inalámbricas porque temen que las interferencias en la transmisión hagan que las comunicaciones de red no sean fiables. A pesar de las recientes mejoras técnicas, la tecnología de transmisión inalámbrica sigue causando preocupación cuando es necesario controlar o monitorizar procesos críticos para las misiones a través de conexiones WLAN. Sin embargo, la solidez, fiabilidad y disponibilidad de las conexiones inalámbricas puede mejorarse significativamente utilizando la tecnología de antenas correcta. Este artículo describe los principios técnicos básicos y los requisitos para encontrar una solución de antenas adecuada, basada en factores ambientales. También se habla de los posibles escenarios de aplicación, cubriendo la transmisión de datos en clientes móviles, máquinas móviles, voz sobre IP (VoIP), unidades de control de automatización y otros usos comunes. Introducción En áreas industriales, como fábricas o refinerías de petróleo y gas, los requisitos son muy diferentes de los entornos de oficinas. Según las necesidades de cobertura inalámbrica y rendimiento, el cliente industrial debe considerar la estabilidad mecánica, rangos de temperatura, niveles de humedad, materiales corrosivos y muchos más a la hora de elegir una antena. Las antenas se agrupan generalmente por su banda de frecuencia1. Las bandas típicas de las antenas incluyen: Banda de frecuencia: 2.4 GHz • Banda corta: hasta 200 m con antenas omnidireccionales • Banda media: hasta 1 km con antenas sectoriales • Banda larga: hasta 5 km con antenas direccionales Banda de frecuencia: 5 GHz • Banda corta: hasta 300 m con antenas omnidireccionales • Banda media: hasta 3 km con antenas sectoriales • Banda larga: hasta 15 km con antenas direccionales Las bandas típicas proporcionan una orientación para la selección de la antena por primera vez. Evaluación de las tecnologías de antenas Existen dos tipos principales de antenas2 utilizadas en redes inalámbricas: direccionales y omnidireccionales (comúnmente denominadas omni). Las antenas direccionales orientan la radiofrecuencia (RF) en una dirección específica para la concentración de la RF en un área objetivo. Las antenas omni proporcionan una cobertura igual en todas las direcciones, con un patrón de cobertura que tiene el aspecto de una esfera. Para conectar edificios sobre enlaces punto a punto en áreas exteriores, las antenas direccionales serán las más adecuadas. Las antenas direccionales tienen diferentes ángulos de apertura, en las que unen (combinan) la señal de envío/recepción. Para distancia cortas, son comunes los ángulos anchos; para distancias más largas, por ejemplo, 1000 m o más, se prefiere un ángulo más cerrado (30º o menos)3. Además, las antenas direccionales limitan y restringen estas áreas combinando la señal de envío/ recepción de forma unidireccional, generando un rango mucho más grande. Para habitaciones y áreas abiertas en el interior y exterior, en muchos casos la antena omni es la mejor tecnología por su capacidad para cubrir un área circular. El rango particular depende de la sensibilidad de la antena La onda más reciente de la tecnología WLAN también es compatible con las antenas MiMo (Multiple In Multiple Out). Las antenas MiMo tienen una estructura simple que contiene hasta tres elementos de antenas individuales en su interior. Estas antenas utilizan activamente reflexiones y demoras en la propagación de la señal para combinar más de un flujo. Esto permite lograr una velocidad de datos más alta y un mejor calidad de la conectividad en entornos con ruido. Esta construcción está disponible para antenas omni y direccionales. Hirschmann ofrece una guía de antenas para ayudar a los clientes a elegir las antenas correctas para una aplicación. Normalmente, estas guías contienen una calculadora de distancias que permite introducir los requisitos específicos. Entonces, la herramienta recomienda las antenas adecuadas . Aplicaciones industriales en la vida real En esta sección, exploramos ejemplos de aplicaciones de tecnología inalámbrica. Las áreas principales de enfoque son los requisitos que deben cumplirse para los diferentes tipos de aplicaciones. ¿Es fija la comunicación entre las diferentes áreas, como un enlace punto a punto? ¿Necesita la señal cubrir un área amplia, como la planta de una fábrica? ¿Hay clientes (dispositivos como teléfonos, ordenadores portátiles, tablets) que se mueven y deben tener cobertura ininterrumpida del área completa? O, ¿pueden aceptarse pequeñas interrupciones en la comunicación según el cliente se mueve alrededor? ¿Qué tipos de tráfico de datos se usarán en estas aplicaciones: comunicación PLC de datos simple de baja velocidad o vídeo HD de alto ancho de banda? ¿Podría incluso ser un poco de ambas? Estas son algunas de las preguntas básicas que deben formularse para seleccionar el tipo correcto de antena para su aplicación particular. Aplicación 1: Área de producción industrial de gran tamaño – Supervisión de unidades de carga de arena ¿Por qué WLAN?: Anteriormente, los dispositivos de carga móviles se conectaban con un cable de salida. Este cable necesitaba mucho mantenimiento y reparaciones con regularidad. Se buscaba una solución sin mantenimiento, junto con la capacidad para proporcionar una conexión de transmisión de datos de control y medida. Por lo tanto, se decidió evaluar WLAN como opción. Con el requisito de llegar a clientes WLAN en un rango medio de distancia (100 m a 1 km), las antenas direccionales orientadas a los dispositivos o clientes de carga de arena móviles ofrecían un buen punto de inicio. Para lograr la cobertura de radio para el área activa, se necesitaron dos antenas direccionales para cumplir con los ángulos de cobertura. Estas antenas se montaron en un emplazamiento central fijo. Además, con las demandas de rendimiento del cliente, también se utilizaron antenas direccionales. Las antenas direccionales seleccionadas eran de 9dBi y con un ángulo de apertura de 60º. Estas antenas soportan, en toda el área móvil, una relación señal a ruido (SNR) superior a 20dB. Con estas medidas reales, no solo se alcanzó el rendimiento mínimo necesario de 12M/bits, también se superó ampliamente. Las antenas seleccionadas garantizaron la igual visibilidad entre las unidades de carga y la estación central en toda la ruta Aplicación 2: Área de producción industrial pequeña – Extensión de sistema SCADA para el control sobre estaciones de carga final En esta aplicación, debía controlarse y monitorizarse la carga de los depósitos de procesos. Para evaluar el estado actual de cada una de estas estaciones, se necesitaban visitas físicas de inspección. El requisito para esta aplicación era cubrir el área completa alrededor de una posición de puente de tuberías con conectividad inalámbrica. En el lado izquierdo del puente de tuberías hay una unidad de control utilizada para el control del depósito. Se recomendó la colocación de una antena omnidireccional bajo el puente de tuberías para lograr la cobertura deseada. Las medidas de prueba posteriores a la instalación (estudio in situ) mostraron que se lograba la cobertura necesaria, incluso aumentando su alcance. Ahora, el personal y los operarios pueden usar una tablet y monitorizar el estado del trabajo en tiempo real. Ya no es necesario caminar hasta la unidad de control montada cerca de los depósitos, en un área peligrosa (EX Zona2). La antena utilizada en esta aplicación es una Hirschmann BAT-ANT-N-MiMoDB-5N-IP65. Esta antena utiliza las características de la tecnología MiMo, con forma hemisférica dentro del nivel de iluminación. Combina alta sensibilidad (recepción de señales pequeñas de dispositivos manuales) con una sólida distribución de la señal en el área deseada. Esto proporciona una cobertura hemisférica de la superficie deseada, incluido un alto rendimiento para ayudar en la aplicación del control en tiempo real Aplicación 3: Cobertura de automatización de fábrica – Conexiones perfectas en toda la planta Para esta aplicación, el requisito era una cobertura completa y redundante de toda la fábrica. El cliente necesitaba una cobertura del 100 por cien del edificio y triggers para un sistema de respaldo, en caso de que fallara una parte de la red. Las instalaciones de producción ya tenían instalada una red WLAN que debía renovarse para dejarla lista para dispositivos móviles automáticos. La red WLAN existente no cumplía todos los requisitos y tenía problemas de cobertura y rendimiento. La superficie tiene un área aproximada de 400 m de ancho por 150 m de largo, con una altura aproximada de 8 m. La mayor parte del área es un espacio abierto con algunas estanterías bajas. Para cumplir con todos los requisitos, fue necesario diseñar una estructura celular superpuesta. Los clientes WLAN móviles necesitaban identificar tres puntos de acceso en todo el espacio de la fábrica para el seguimiento de localización y triangulación. Este requisito garantizaba el control seguro de los vehículos con guía automatizada. Para lograr esta cobertura celular, se eligieron antenas omnidireccionales que se instalaron por encima de la superficie de asiento en puntos altos. Este diseño permite restringir la extensión de la célula de radio a través de la potencia de transmisión para lograr una distribución óptima de cada área de radio. Para lograrlo, se colocaron las antenas omnidireccionales bajo las vigas de la cubierta. Se instalaron siete puntos de acceso para cumplir con el requisito de cobertura 100 por cien redundante en el edificio de la fábrica. Ventajas en la práctica Ahorro de costes El uso de WLAN para aplicaciones internas (tecnología de control y medida, automatización, videovigilancia, puesta en marcha, intentos de depuración, etc.) puede ayudarle a mejorar su rentabilidad. Las WLAN ayudan a reducir la necesidad de más personal, soporte local adicional y tiempos de puesta en marcha. El ahorro de un buen sistema inalámbrico varía, dependiendo del uso, en un porcentaje del 10-304 y, en ocasiones, incluso más. Un factor que puede afectar a este ahorro de costes es la sustitución de conexiones proclives a las interferencias (cables de salida y de otros tipos), cambiando su aplicación a comunicación de radio sin mantenimiento y, de este modo, reduciendo los costes. Fiabilidad Las conexiones WLAN consiguen la fiabilidad de las conexiones con cable en el 90 por ciento de las aplicaciones5. Para aumentar la fiabilidad de la transmisión de señales, se puede implementar el protocolo PRP (protocolo de redundancia paralela). Sin embargo, hay también aplicaciones cuyos requisitos (precisión del tiempo, retardos, errores/redundancias de paquetes de datos) excluyen la transmisión por radio. Ventajas competitivas Esencialmente, los clientes esperan una mejora en sus procesos, incluida la reducción de averías menores, tiempos de puesta en marcha más cortos y el estado en tiempo real de los dispositivos móviles. El uso de redes WLAN ofrece a los clientes una conexión de red móvil para sus aplicaciones, independientemente de su localización en el lugar de producción. La necesidad de buscar un punto de transferencia de datos para ver información ha quedado obsoleta. Particularmente en entornos industriales, se puede eliminar la costosa instalación de cables de datos con requisitos especiales de protección (conductores con pantalla, aislamiento eléctrico, protección contra incendios). Conclusión Según nos ha mostrado este artículo, la selección de la antena correcta y de la tecnología de antena adecuada es muy importante. Las características de cada antena sirven a un fin específico. La selección de la antena depende de la iluminación necesaria en el área y también de las posibles posiciones de montaje. Por ejemplo, no debe montarse una antena omnidireccional en una esquina. De forma similar, debe considerarse el rendimiento de datos necesario a la hora de seleccionar una antena. Esto debe basarse en la sensibilidad de la antena, para poder recibir sin problemas incluso señales pequeñas. Esta sensibilidad se refleja en el rango de la célula de radio (conexión Wi-Fi). La tecnología WLAN y la transmisión de información crítica para las misiones en este medio están cambiando. Con la tecnología actual, aplicaciones que no eran posibles con el uso de conductores y cables se pueden implementar ahora para obtener múltiples ventajas. La selección de la antena correcta es un punto crítico para alcanzar estos objetivos. Preguntas frecuentes ¿Quién puede ayudarme a lograr una red WLAN segura? Cuando necesite ayuda con una red WLAN segura, busque un proveedor que ofrezca ingeniería, productos y servicios WLAN diversos. El equipo de Belden puede proporcionarle asistencia directa o ponerle en contacto con socios que pueden cubrir sus necesidades. ¿Cómo puedo encontrar el socio correcto? Hirschmann ofrece cursos de certificación, no solo en sus productos, sino también sobre la base de tecnología pura para proporcionarle la máxima tranquilidad y confianza en la capacidad de su asociado. ¿Y si la aplicación requiere condiciones técnicas especiales? Para los requisitos técnicos, cada proveedor suministra los productos en diferentes versiones para cumplir con rangos adicionales de temperatura, protección contra el agua, especificaciones eléctricas, etc. Las hojas de datos contienen la especificación y usted puede elegir el equipo correcto. Asimismo, puede solicitar ayuda a la organización de ventas. Belden puede ayudarle durante toda la vida útil de su proyecto. Belden-Ayuda- Poco-o-Mucho. ¿Existen reglamentos nacionales a considerar? Tenga en cuenta los reglamentos nacionales aplicables a la utilización de antenas antes de considerar cualquier otro criterio. Puede encontrar información adicional sobre aprobaciones, certificaciones y autodeclaraciones en los manuales de usuario de los dispositivos WLAN. Antes de utilizar las antenas, consulte siempre el capítulo “Instrucciones de seguridad” del manual de usuario de cada dispositivo WLAN. Relevante para el uso en EE.UU. y Canadá: Antenas conformes a FCC Para la utilización de dispositivos WLAN en EE.UU. y Canadá - valor característico de EE.UU. para aprobaciones de país - se requiere un permiso para la utilización de antenas. Las tablas de la Guía de antenas Hirschmann le ofrecen un Resúmen de las antenas6 aprobadas. Referencias 1, 3, 4 Wireless LANs by Jörg Rech, ISBN 3-936931-04-6 2 http://www.excitingip.com/409/usingdirectional- and-omni-directional-antennasin- wireless-networks 5 O´Reilly 802.11 Wireless Networks, ISBN 0-596-00183-5 6 Hirschmann Antenna Guide – Wireless LAN – Antennas of the BAT family, Release 09 05/2015 Belden Competence Center Al aumentar la complejidad de las soluciones de comunicación y conectividad, también han aumentado los requisitos de diseño, implementación y mantenimiento de estas soluciones. Para los usuarios, adquirir y comprobar el conocimiento experto más reciente juega un papel decisivo en este aspecto. Como socio fiable para soluciones integrales, Belden ofrece un soporte experto en asesoramiento, diseño y asuntos técnicos, así como cursos de capacitación en productos y tecnología, y todo desde un mismo lugar: el Belden Competence Center. Además, le ofrecemos la calificación indicada para cada especialidad mediante el primer programa de certificación de redes industriales del mundo. El conocimiento actualizado del fabricante, una red de servicios internacional y el acceso a especialistas externos le garantizan el mejor soporte posible para sus productos. Sin importar la tecnología que utilice, puede contar con nuestro soporte completo, desde la implementación hasta la optimización de todos los aspectos de sus operaciones diarias. Acerca de Belden Belden Inc., líder global en soluciones de transmisión de señales de “punta a punta” de alta calidad, ofrece una amplia gama de productos diseñados para cumplir con las necesidades de infraestructuras de red decisivas en los proyectos de los mercados industrial, empresarial y de transmisión. Con unas soluciones innovadoras orientadas a una transmisión segura y fiable de la rápidamente creciente cantidad de información, audio y vídeo necesarios para las aplicaciones actuales, Belden se encuentra en el centro de la transformación mundial hacia un mundo conectado. Fundada en 1902, la empresa tiene su sede en San Luis, EE.UU., y dispone de instalaciones de producción en Norteamérica, Sudamérica, Europa y Asia. Para más información, visítenos en www.beldensolutions.com y síganos en Twitter @BeldenInc.