Automatización y Digitalización en Zonas ATEX para Proyectos de Hidrógeno
Héctor de Diego
Responsable sector Oil&Gas y Área de Negocio ATEX
Grupo Elektra.
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de infraestructuras de hidrógeno requiere soluciones de automatización que garanticen altos niveles de seguridad, fiabilidad y disponibilidad operativa en entornos clasificados ATEX.
El Grupo Elektra, como especialista en automatización industrial y distribución técnica multimarca, actúa como enlace de los diferentes sistemas que intervienen en la automatización de procesos de fabricación, combinando tecnologías de fabricantes líderes como R. STAHL y otros proveedores estratégicos.
2. MARCO NORMATIVO Y REQUISITOS EN INSTALACIONES DE HIDRÓGENO
Las instalaciones de producción, almacenamiento y distribución de hidrógeno se caracterizan por su elevada criticidad desde el punto de vista de seguridad.
* ATEX 100 (2014/34/UE) — Equipos
Regula los equipos y sistemas de protección destinados a utilizarse en atmósferas potencialmente explosivas.
Aplica a:
- Instrumentación.
- Equipos eléctricos.
- Sistemas de control.
- Sistemas mecánicos. Clasificación del Hidrógeno:
- Grupo II, Categoría 1, 2 y 3.
- Gas: Grupo IIC (H₂).
* ATEX 137 (1999/92/EC) — Uso
Regula la protección de los trabajadores frente a riesgos por atmósferas explosivas. Obliga a:
- Clasificación de zonas.
- Documento de Protección contra Explosiones (DPCE).
- Procedimientos operativos.
* Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT)
RD 842/2002.
Incluye:
- ITC-BT-29 (Locales con riesgo de explosión).
- ITC-BT-18 (Puestas a tierra).
3. ENFOQUE DE INTEGRACIÓN DEL GRUPO ELEKTRA
El valor añadido del Grupo Elektra reside en su capacidad para diseñar, integrar y validar arquitecturas completas.
Servicios técnicos de soporte a:
- la Ingeniería de detalle.
- la Clasificación de zonas.
- la Puesta en marcha.
- Servicio postventa
4. ARQUITECTURAS DE AUTOMATIZACIÓN EN ZONAS ATEX
Las arquitecturas tradicionales de automatización en entornos ATEX están evolucionando progresivamente hacia modelos descentralizados, con el objetivo de mejorar la eficiencia operativa, reducir costes de instalación y facilitar el mantenimiento.
Actualmente, en instalaciones industriales asociadas a la producción de hidrógeno, se emplean principalmente tres configuraciones
(1) arquitectura punto por punto
(2) arquitectura con sistemas de remotas I/O
(3) Fieldbus.
4.1. Arquitectura punto a punto
Se basa en el conexionado individual de cada instrumento de campo con el sistema de control mediante cableado dedicado y el uso de barreras o aisladores intrínsecamente seguros. Este modelo ofrece una elevada simplicidad conceptual, pero implica un mayor volumen de cableado, mayor espacio en armarios y una limitada capacidad de diagnóstico.
4.2. Arquitectura con sistemas Remote I/O
Consiste en la descentralización de las entradas y salidas mediante estaciones remotas instaladas en campo, próximas a los equipos de proceso.
Permite reducir significativamente el cableado, mejorar el acceso al diagnóstico, facilitar ampliaciones y optimizar los costes de ingeniería y puesta en marcha.
Es actualmente una de las soluciones más utilizadas en plantas H₂ de media y gran escala.
4.3. Arquitectura basada en Fieldbus
En este enfoque, múltiples dispositivos se conectan a través de un bus de comunicaciones digital intrínsecamente seguro. Se caracteriza por una elevada integración de información, capacidad avanzada de diagnóstico y reducción extrema del cableado.
Resulta especialmente adecuada en proyectos greenfield y en instalaciones altamente digitalizadas.
4.4. Criterios de Selección de Arquitectura
La elección de la arquitectura más adecuada debe basarse en un análisis técnico específico del proyecto, considerando los siguientes factores:
- Densidad de señales: número de instrumentos por área o unidad de proceso.
- Distancias: longitud entre campo y sala de control.
- Requisitos de redundancia: nivel de disponibilidad requerido.
- Estrategia de mantenimiento: mantenimiento local, remoto o predictivo.
- Escalabilidad futura: previsión de ampliaciones.
- Coste global del ciclo de vida (TCO).
Una correcta selección permite optimizar la seguridad, disponibilidad y sostenibilidad económica de la instalación a largo plazo.
5. SISTEMAS REMOTE I/O
Las plataformas Remote I/O permiten instalar electrónica en zonas con riesgo de explosión con alto nivel de diagnóstico.
Ventajas:
- Reducción de cableado.
- Escalabilidad.
- Diagnóstico distribuido.
- Reducción de CAPEX y OPEX.
5.1. Comunicaciones Industriales y Protocolos
Las soluciones de automatización integradas en instalaciones de proceso requieren sistemas de comunicación robustos, estandarizados y compatibles con los principales entornos de control industrial. En plantas químicas, energéticas y de producción de hidrógeno, la interoperabilidad entre dispositivos, sistemas de control y plataformas de supervisión constituye un factor crítico para garantizar la fiabilidad operativa y la escalabilidad futura.
En este contexto, las arquitecturas implementadas soportan los principales protocolos de comunicación industrial, permitiendo su integración con sistemas existentes y facilitando la evolución tecnológica de la instalación.
Modbus TCP/RTU
El protocolo Modbus, en sus variantes TCP/IP y RTU sobre comunicación serie, continúa siendo ampliamente utilizado en aplicaciones industriales por su simplicidad, estabilidad y amplio soporte por parte de fabricantes.
Su implantación permite:
- Integración sencilla con PLCs, SCADA y sistemas DCS.
- Comunicación fiable con instrumentación y equipos auxiliares.
- Intercambio eficiente de datos de proceso y estados operativos.
- Compatibilidad con sistemas legacy.
Resulta especialmente adecuado en aplicaciones de monitorización, control básico y adquisición de datos.
PROFIBUS / PROFINET
Los protocolos PROFIBUS y PROFINET constituyen estándares ampliamente implantados en entornos de automatización avanzada.
PROFIBUS ofrece comunicación determinista en entornos industriales tradicionales, mientras que PROFINET proporciona conectividad Ethernet industrial de alto rendimiento.
Sus principales ventajas incluyen:
- Alta velocidad de transmisión.
- Comunicación en tiempo real.
- Diagnóstico avanzado de red.
- Integración nativa con plataformas Siemens y sistemas compatibles.
Estos protocolos son especialmente adecuados en instalaciones con altos requisitos de sincronización y control distribuido.
FOUNDATION Fieldbus
FOUNDATION Fieldbus es un protocolo digital orientado a la comunicación directa con instrumentación inteligente de campo.
Permite:
- Transmisión simultánea de datos de proceso, diagnóstico y configuración.
- Ejecución de funciones de control en dispositivos de campo.
- Reducción del cableado analógico.
- Mejora del mantenimiento predictivo.
Es una solución habitual en plantas de proceso continuo con alto grado de instrumentación.
Ethernet-APL (Advanced Physical Layer)
Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) es una tecnología diseñada para la industria de procesos que permite extender las comunicaciones Ethernet hasta el nivel de campo, incluyendo entornos con atmósferas explosivas.
Esta tecnología facilita la conexión directa de sensores, actuadores y dispositivos inteligentes con sistemas de control centralizados mediante entornos Ethernet estandarizados, sin necesidad de pasarelas de protocolo intermedias.
Ethernet-APL utiliza un par trenzado Single Pair Ethernet, permitiendo la transmisión simultánea de datos y alimentación directamente al nivel de campo, sin conversiones de protocolo. Implementa diseño intrínsecamente seguro (2-WIRE Intrinsically Safe Ethernet) permitiendo su uso sin comprometer la clasificación de zonas.
Gracias a esta arquitectura, Ethernet-APL soporta comunicaciones Ethernet industrial en tiempo real, mejorando el diagnóstico, la supervisión y la disponibilidad operativa.
La reducción de interfaces y pasarelas intermedias contribuye a una mayor fiabilidad, menor complejidad de ingeniería y una mejor escalabilidad de las instalaciones.
Desde el punto de vista normativo, Ethernet-APL se apoya en los siguientes estándares internacionales:
- IEEE 802.3cg (10BASE-T1L) – Capa física Ethernet de largo alcance.
- IEC 60079 – Atmósferas explosivas y protección Ex.
- IEC 61508 / IEC 61511 – Seguridad funcional.
- Compatibilidad con protocolos superiores: PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP y OPC UA.
Ethernet-APL implementa diseño intrínsecamente seguro (2-WIRE Intrinsically Safe Ethernet) permitiendo su uso sin comprometer la clasificación de zonas.
Ethernet-APL representa un avance significativo en la digitalización de plantas industriales, al permitir una comunicación segura, interoperable y estandarizada hasta el último nivel de instrumentación.
Ethernet-APL representa la evolución del Ethernet industrial para su uso directo en zonas clasificadas.
Beneficios de la Integración Multiprotocolo
El soporte simultáneo de múltiples protocolos permite diseñar arquitecturas flexibles y adaptadas a cada proyecto, ofreciendo:
- Compatibilidad con infraestructuras existentes.
- Reducción de costes de migración tecnológica.
- Mayor libertad en la selección de equipos.
- Preparación para futuras ampliaciones.
- Integración con sistemas corporativos y plataformas IIoT.
Este enfoque multiprotocolo garantiza la continuidad operativa y la evolución progresiva de las instalaciones hacia entornos plenamente digitalizados.
Estas tecnologías mejoran la trazabilidad y la mantenibilidad.
5.2. Diagnóstico y Monitorización
Los sistemas avanzados de automatización implementados en instalaciones industriales modernas incorporan funcionalidades integradas de diagnóstico y monitorización orientadas a maximizar la disponibilidad operativa, reducir paradas no planificadas y optimizar los recursos de mantenimiento.
Estas plataformas permiten la supervisión continua del estado de los dispositivos de campo, módulos de comunicación, fuentes de alimentación y redes industriales, proporcionando información en tiempo real sobre variables de proceso, estados operativos y condiciones de funcionamiento.
Mediante la integración de algoritmos de análisis y herramientas de gestión de activos, los sistemas generan alarmas predictivas basadas en la evolución de parámetros críticos, como deriva de señal, incrementos de temperatura, pérdida de comunicación, degradación de alimentación o desviaciones respecto a valores nominales. Este enfoque permite anticipar fallos antes de que afecten a la operación.
Asimismo, la monitorización permanente facilita la identificación temprana de procesos de degradación, tales como envejecimiento de componentes electrónicos, deterioro de conexiones, contaminación ambiental o vibraciones anómalas, permitiendo planificar intervenciones correctivas de forma proactiva.
El acceso remoto seguro a los sistemas de diagnóstico, mediante redes industriales protegidas, VPN y plataformas web certificadas, posibilita que personal autorizado pueda analizar incidencias, ajustar parámetros y realizar verificaciones técnicas sin necesidad de desplazarse físicamente a zonas clasificadas, mejorando la seguridad del personal y reduciendo tiempos de respuesta.
En conjunto, estas capacidades facilitan la implantación de estrategias de mantenimiento basado en condición (Condition-Based Maintenance, CBM), sustituyendo modelos reactivos o puramente preventivos por enfoques predictivos. Como resultado, se optimiza la vida útil de los activos, se reducen los costes de mantenimiento y se incrementa la fiabilidad global de la instalación.
5.3. Alta Disponibilidad y Continuidad Operativa
Las arquitecturas incorporan:
- Redundancia de CPU.
- Redundancia de alimentación.
- Redundancia de comunicaciones.
- Hot swap.
Se minimiza el impacto de fallos.
5.4. Gestión de Activos y Acceso Remoto
La integración con PAM y FDT/DTM permite centralizar información de dispositivos y facilitar soporte remoto.
Beneficios:
- Reducción de tiempos de intervención.
- Optimización de recursos.
- Mejora de disponibilidad.
6. CONCLUSIONES
La automatización de instalaciones destinadas a la producción, almacenamiento y distribución de hidrógeno en entornos clasificados ATEX exige la implantación de soluciones tecnológicas robustas, fiables y perfectamente integradas, capaces de garantizar simultáneamente la seguridad operativa, la continuidad del servicio y la eficiencia energética.
En este contexto, el Grupo Elektra actúa como socio tecnológico especializado, aportando un enfoque global basado en la integración de sistemas, el conocimiento normativo y la experiencia en aplicaciones críticas.
El Grupo Elektra proporciona arquitecturas seguras, diseñadas conforme a las normativas ATEX, IECEX y de seguridad funcional, incorporando equipos certificados, sistemas redundantes y estrategias de protección adecuadas para minimizar los riesgos asociados a atmósferas explosivas y operaciones con hidrógeno.
Asimismo, desarrolla soluciones escalables, basadas en plataformas modulares y estándares abiertos, que permiten adaptar las instalaciones a futuras ampliaciones, incrementos de capacidad o evoluciones tecnológicas sin comprometer la estabilidad del sistema existente.
El valor diferencial se refuerza mediante un soporte experto, respaldado por equipos técnicos especializados en automatización, instrumentación y protección contra explosiones, capaces de asistir a ingenierías y operadores en todas las fases del proyecto, desde la ingeniería conceptual hasta la operación en régimen permanente.
Este enfoque se completa con un acompañamiento integral a lo largo de todo el ciclo de vida de la instalación, incluyendo consultoría técnica, validación de diseño, puesta en marcha, formación, mantenimiento y mejora continua, garantizando la máxima fiabilidad y disponibilidad de los sistemas.
Como resultado, la implantación de estas soluciones contribuye de manera directa a incrementar los niveles de seguridad industrial, optimizar la eficiencia operativa y promover la sostenibilidad de las instalaciones, alineando los proyectos de hidrógeno con los objetivos de transición energética y excelencia técnica.
7. REFERENCIAS
- Ethernet-APL: Ethernet to the Field — White paper sobre especificaciones técnicas de Ethernet-APL, sus atributos de seguridad y aplicación en automatización de procesos.
- The Ethernet-APL Engineering Process — Guía técnica que describe principios de diseño de Ethernet-APL y su ingeniería, incluyendo soporte para protocolos de nivel superior como PROFINET y EtherNet/IP, y la base física según IEEE 802.3cg.
- APL: Technology — Explica las características básicas de Ethernet-APL: comunicación a 10 Mbit/s, operación intrínsecamente segura mediante 2-WISE, alcance de hasta 1 000 m, y alimentación + datos sobre un único par de cables.
- Ethernet-APL in process automation — Documento de Fieldbus International que detalla la transmisión de datos y energía, distancias, modos de operación para atmósferas explosivas y compatibilidad con múltiples protocolos industriales.
- Ethernet-APL Engineering Guideline — Guía de planificación, instalación y pruebas para redes con capa física Ethernet-APL, basada en estándares abiertos y cooperación entre organizaciones como FieldComm Group, OPC Foundation y PROFIBUS & PROFINET International.
- Ethernet-APL with System 800xA and Field Information Manager — Aplicación de Ethernet-APL en sistemas de control integrados, destacando compatibilidad con protocolos industriales existentes como PROFINET.
- IEEE 802.3cg-2019 — IEEE Standard for Ethernet Estándar que define la especificación de la capa física 10BASE-T1L (Single-Pair Ethernet) para operación a 10 Mbit/s y entrega de energía sobre un único par.
- IEC TS 60079-47 — Explosive atmospheres — Part 47 Especifica los principios de Ethernet intrínsecamente segura (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet – 2-WISE) para uso en atmósferas explosivas (zonas ATEX).
- IEC 60079 (serie) Normativa general para equipos eléctricos y sistemas en atmósferas explosivas, incluyendo requisitos de diseño, instalación y mantenimiento para zonas clasificadas.
- IEC 61508 /IEC 61511 — Seguridad funcional Estándares de seguridad funcional para sistemas instrumentados de protección (SIL) aplicables en automatización de procesos y gestión de riesgos. (Normas de referencia aplicables en diseño de sistemas de automatización crítica.)
- Foundation Fieldbus H1 — Descripción técnica del protocolo de comunicación digital de campo de 31,25 kbit/s ampliamente usado en la industria de procesos, con soporte para topologías de bus y análisis de sincronización de control.
- Unified Ethernet Standard Unlocks New Opportunities for Industrial Digitalization — Comunicado de organizaciones como FieldComm Group y OPC Foundation sobre avances en estandarización de Ethernet-APL y su papel en la digitalización industrial.
- Ethernet-APL: The Future of Field Connectivity — Artículo que destaca pruebas de laboratorio que muestran mejoras sustanciales de Ethernet-APL frente a tecnologías tradicionales como Foundation Fieldbus PA, incluyendo hasta 300× mayor rapidez en ciertas transferencias de datos.
