工业4.0智能工厂｜伊顿UPS电源应用案例（离散制造·灯塔工厂）

适用场景：汽车电子/高端装备/3C/医疗器械等离散制造的“灯塔工厂”。本案例以“OT（生产控制）+ IT（数字化平台）+ 边缘AI/5G”深度融合为特征，展示伊顿UPS在工厂级关键电源体系中的设计与落地实践。

1. 项目背景与目标

• 企业概况：华南某汽车电子集团新建工业4.0示范工厂（建筑面积 58,000 m²），产线 18 条（SMT+组装+测试+老化），AGV/AMR 120 台，视觉检测 400 套，边缘AI节点 60 组。

• 业务诉求：OEE≥85%、按单排产（Lot Size=1）、交付周期缩短 30%、质量追溯100%。

• 供电挑战：

1. 设备启停冲击大、谐波与地电位复杂；

2. OT/IT 融合，边缘与核心双域并存；

3. 产线密集、空间紧张；

4. 要求“不停线维护”，年可用性≥99.99%。

• 目标：构建“分区冗余 + 旁路可维护 + 高效率 + 全域可观测”的UPS体系，覆盖OT/IT/边缘AI/工业网络/安全控制等关键负载。

2. 关键负载画像（OT/IT/边缘三域）

2.1 OT 控制域（线边）

• PLC/DCS、机器人控制器、运动控制、数采网关、视觉光源电源、测量与工艺PC、治具工位器、AGV调度控制柜。

• 特性：对瞬断极敏感、对谐波与共模干扰敏感、启动冲击 2–4In。

• 典型后备：10–30 min（涵盖有序停机+数据落盘+AGV停车）。

2.2 IT 数据域（中心）

• MES/APS/QMS、WMS/TMS、数据湖与时序库、虚拟化/容器平台、Git/PLM/知识库。

• 特性：双路供电、A/B 机柜列；

• 后备：15–30 min（配发电机）。

2.3 边缘AI/工业网络域

• 5G工业基站、边缘AI服务器、TSN交换机、时间同步PTP主时钟、机器视觉边缘盒。

• 特性：分布广、点多面广、对抖动/时间同步敏感；

• 后备：10–15 min。

3. 工厂级供电架构

市电双路/市电+发电机 → 低压A/B母线 → UPS集群 → 列头柜（A/B） → 机柜级A/B PDU/ATS → 线边控制柜/IT机柜/边缘箱体

• OT分区：每 2–3 条产线为一电源分区，设置**模块化UPS（N+1）**与线边PDU；

• IT数据中心：2N（A、B两套独立UPS+电池），机柜ATS/双电源服务器；

• 边缘域：微型机房/箱体UPS（3–10 kVA）就近供电，统一接入监控平台；

• 旁路体系：静态旁路（毫秒级）+ 维护旁路（MBB），支持不停电检修；

• 母线与列头：母线槽+即插即用分支盒，便于弹性扩容。

4. UPS选型与关键指标

• 拓扑：VFI 在线双变换，0 ms 切换；

• 输入：PF≥0.99、THDi≤3–5%，宽电压/频率；

• 输出：PF=1、稳压±1%、动态响应优、过载 110%/10min、125%/1min；

• 并机：去中心化控制，N+1/N+X 并机可在线热插拔；

• 结构与环境：前维护、抽拉式滤网、IP21–31（机房），线边可选IP54箱体与三防涂覆；

• 能效：在线效率≥95–96%，良网可启高效模式≥98–99%。

5. 电池系统策略

• OT分区：优先 LFP（磷酸铁锂） 柜式，512/576 V，10–20 min；高频启停与空间受限时优势明显；

• IT数据域：初期 VRLA 384/480 V 15 min，三年内分批替换为 LFP；

• 边缘箱体：壁挂/机架式 LFP 48–192 V，10–15 min；

• BMS/监控：簇/单体电压、温度、SOH、均衡、绝缘检测，异常分级告警与联动限流；

• 安全：电池室独立通风、温控、气体探测与消防联动；箱体加温/散热策略覆盖 ‑10~45℃。

6. 监控与数据集成（OT/IT一体化）

• 协议：SNMPv3/HTTPS、Modbus‑TCP/RTU、干接点；

• 平台：对接 DCIM/EMS+MES告警中心，实现容量、健康、事件、工单闭环；

• 边缘汇聚：线边485“手拉手”→工业网关→以太网汇聚；

• 数据项：输入/输出、负载率、THD、温度、风扇寿命、事件日志、电池 SOC/SOH/均衡、节组温差；

• AIOps：风扇/电容寿命模型、异常检测、容量趋势、负载预测，形成“停线风险指数”。

7. 容量与后备计算

7.1 OT分区（两条SMT+一条组装线）

• 有功 26 kW，PF 0.92 → 视在 28.3 kVA；

• 运行×同时系数 0.9×0.9 → 22.9 kVA；

• 裕量 30% → 29.8 kVA；

• 配置：50 kVA 模块化UPS ×2 并机（N+1）；

• 电池：后备 15 min，512 V（LFP），η=0.94、DOD=0.85、K_temp=1.05、K_age=1.2 →$C_{Ah}≈rac{26×0.25}{0.94×512×0.85}×1.05×1.2≈0.017$ → 17–20 Ah（按倍率表校核）。

7.2 IT数据中心

• 机柜 180 柜 × 2.0 kW/柜 = 360 kW，A/B 分摊；

• 配置：A、B 各 3×200 kVA 并机（N+1），VRLA 480 V 65 Ah（15 min）。

8. EMC/接地与工业网络

• EMC：OT区靠近变频/焊接设备，UPS前端增强滤波与隔离；视觉/测量单独PDU分路；

• 接地：TN‑S 等电位，弱电屏蔽单端接地，桥架金属连续性；

• 时间同步：PTP（IEEE1588）时钟设备挂A/B UPS，保证事件追溯；

• 5G/TSN：基站与TSN交换机双路上电，网络抖动与丢包降低对生产节拍影响。

9. 实施与割接

• 节拍不变：夜间窗口逐区割接，“先ATS后UPS”；

• SAT：空载→带载→旁路/逆变→退一→掉一路→黑启动；

• 文档：SLD、端子图、点表、IP规划、EPO/门禁/空调联动；

• 培训：一线/维修/值班三类SOP，旁路操作双人复核。

10. 运行成效

• 可用性：年SLA 99.995%；不停线维护完成 7 次；

• 能效：良网高效模式+LFP节能，年节电（含制冷）约 14.8%；

• 产能/OEE：电源相关停线工时下降 82%，OEE 提升 3.1 pp；

• 空间：电池占地降低 26%，释放 8 个标准机柜位；

• 质量追溯：PTP+UPS供电稳定，批次事件关联完整，退货率下降 0.25 pp。

11. 风险与FMEA

12. 招标与合规清单

1. 拓扑VFI，在线效率≥96%，输入PF≥0.99、THDi≤3–5%；

2. 并机N+1或2N（IT区），去中心化控制与在线热插拔；

3. 电池VRLA/LFP可选，带BMS、绝缘监测与温补；

4. 监控SNMPv3/HTTPS/Modbus‑TCP/RTU、干接点，支持上接DCIM/EMS/MES；

5. 防护：三防涂覆、抽拉滤网、IP21–31/线边IP54（可选）；

6. 文档与测试：FAT/SAT、割接脚本、演练回放、维保SLA与备件清单。

13. BOM模板

• UPS主机×N（模块化/柜式，含并机件与网管卡）

• LFP/VRLA电池柜×M（电压/容量/节数）

• 维护旁路柜、输入并机柜、列头柜/PDU

• 有源滤波/隔离变压器（按需）

• 工业网关（485→以太网）、监控服务器与授权

• 线缆与桥架、接地铜排、SPD、温湿度/门磁/水浸

• 备件包（功率模块/风扇/控制板/传感器）

14. 结语

本案例以“产线分区+数据中心2N+边缘就近”的电源体系为骨架，配合高效率UPS与LFP电池、规范的EMC与接地、AIOps与可视化运维，实现工业4.0工厂的高可用、可扩展、可观测、低能耗。在不影响节拍的前提下完成不停线改造，显著提升OEE与交付韧性。若提供你的产线清单、后备目标与现场条件，可快速输出容量核算、单线图、BOM与预算，用于招标/审图/实施。