Las redes de automatización industrial, los sistemas de distribución de energía y los complejos lazos de control dependen en gran medida de una correcta conexión a tierra para mantener la integridad operativa. Por lo tanto, los ingenieros de control y los especialistas eléctricos deben comprender a fondo las diferencias entre puesta a tierra, conexión a tierra y unión equipotencial. En mis 15 años de puesta en servicio de sistemas de control distribuido (DCS) y arquitecturas de automatización de fábricas, he encontrado numerosos fallos misteriosos de equipos causados por prácticas inadecuadas de conexión a tierra. A continuación, aclaro estos conceptos esenciales y describo las normas del sector que rigen la seguridad eléctrica industrial.

Aclaración de los conceptos básicos de tierra y conexión a tierra

Los términos puesta a tierra y conexión a tierra suelen causar confusión en proyectos industriales internacionales. En esencia, la Tierra es nuestro planeta y actúa como conductor eléctrico con una referencia de tensión teórica de cero. La conexión a tierra consiste en conectar circuitos eléctricos o carcasas de equipos directamente a la Tierra o a un cuerpo conductor que prolongue esa conexión. Sin embargo, las normas de ingeniería regionales usan estos términos de manera diferente. Las normas europeas y de la IEC prefieren el término puesta a tierra, mientras que las normas norteamericanas NEC, IEEE y ANSI prefieren conexión a tierra. Pese a las diferencias lingüísticas, ambos términos describen el establecimiento de un punto de referencia fiable y de baja impedancia para la distribución de energía y señales.

Diferencias entre las actividades de puesta a tierra, conexión a tierra y unión equipotencial

Aunque los técnicos suelen usar los términos puesta a tierra y conexión a tierra indistintamente, la unión equipotencial cumple una función mecánica distinta y esencial. La puesta a tierra establece una conexión eléctrica directa con electrodos de tierra o varillas clavadas en el suelo. En cambio, la unión equipotencial conecta entre sí todas las superficies metálicas, las carcasas de los equipos y los elementos estructurales mediante conductores de baja impedancia. Esta interconexión metálica crea una unión equipotencial y garantiza que no se produzcan diferencias de tensión peligrosas entre puntos separados. Por ejemplo, los aviones comerciales y las plataformas de producción marinas no mantienen ninguna conexión directa con el planeta Tierra mientras vuelan o flotan. No obstante, una unión equipotencial interna rigurosa protege al personal y a los sensibles equipos de control de las cargas estáticas y los rayos.

Cómo abordar el ruido electrónico y los problemas de calidad de la energía

La automatización industrial moderna depende en gran medida de microprocesadores sensibles, controladores lógicos programables (PLC) y redes de comunicación de alta velocidad. Por consiguiente, los problemas de calidad de la energía surgen con frecuencia durante la puesta en servicio de las plantas. Los ingenieros eléctricos orientados a la energía y los ingenieros de instrumentación orientados a las señales suelen tener criterios contrapuestos respecto a la mitigación del ruido. Mientras que los ingenieros eléctricos se centran principalmente en despejar las corrientes de falla, los ingenieros de señales priorizan las redes de referencia de señal y la reducción de la interferencia electromagnética (EMI). Resolver estos problemas requiere cumplir estrictamente las normas de consenso establecidas, en lugar de recurrir a soluciones improvisadas de cableado.

Aplicación de las normas IEEE en sistemas eléctricos industriales

Los diseñadores de plantas de procesos industriales se basan en guías de referencia autorizadas publicadas por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). El Libro Verde del IEEE ofrece prácticas exhaustivas para la puesta a tierra de sistemas en redes eléctricas industriales e incluye la puesta a tierra del neutro, las configuraciones de transformadores y la conexión equipotencial de las envolventes de los equipos. Además, el Libro Esmeralda del IEEE trata específicamente la alimentación y la puesta a tierra de equipos electrónicos sensibles, controladores industriales e infraestructura de tecnologías de la información. El uso de estos libros de colores ayuda a los ingenieros a conciliar los requisitos de seguridad con el control del ruido en los sistemas modernos de automatización industrial.

Cumplimiento de la normativa del Código Eléctrico Nacional (NEC)

El Código Eléctrico Nacional (NFPA 70) establece requisitos rigurosos de seguridad eléctrica para instalaciones industriales. El artículo 250 del NEC especifica los requisitos exactos para la puesta a tierra de sistemas eléctricos, la conexión equipotencial de canalizaciones metálicas y la instalación de electrodos de puesta a tierra enterrados. El objetivo principal del NEC sigue siendo proteger la vida humana y los bienes materiales frente a los riesgos eléctricos. Por tanto, los ingenieros de automatización deben considerar el cumplimiento del código un requisito innegociable desde la fase de diseño de ingeniería inicial de cualquier planta de procesos industriales.

Caso práctico de solución: eliminación de bucles de tierra en las entradas/salidas de un DCS distribuido

Pensemos en una gran planta de procesamiento petroquímico que sufre una corrupción intermitente de señales analógicas en las entradas de termopar conectadas a un sistema de control distribuido (DCS). La investigación revela que las pantallas de las señales de control están conectadas a tierra incorrectamente en ambos extremos, lo que crea un bucle de tierra no deseado que introduce ruido electromagnético. El equipo de instrumentación resuelve el problema aislando las pantallas de los cables, conectándolas exclusivamente a la barra principal de puesta a tierra del armario de control y garantizando una conexión equipotencial adecuada entre las cajas de conexiones locales. Esta corrección de ingeniería elimina las fluctuaciones de la señal, estabiliza los bucles de control y evita paradas de producción innecesarias.

Acerca del autor

Wang Lei es un experto sénior en automatización industrial con más de 15 años de experiencia global sobre el terreno, especializado en protección de sistemas eléctricos, puesta en servicio de DCS, diseño de instrumentación y optimización de sistemas de puesta a tierra. A lo largo de su trayectoria profesional, Wang ha dirigido equipos de ingeniería eléctrica y de control en numerosas refinerías de petróleo y gas, plantas de procesamiento químico e instalaciones de fabricación pesada de gran escala en Asia y Oriente Medio. Es un profesional certificado en seguridad eléctrica y suele contribuir con documentación técnica y perspectivas del sector a publicaciones internacionales sobre automatización.