双碳沙盘模型多系统协同控制系统设计：基于STM32与Modbus RTU的碳捕集-零碳园区-综合能源全场景联动方案

双碳沙盘模型控制系统，涉及碳捕集（吸收塔、再生塔、压缩机、注入井）、零碳园区（光伏阵列、风机、储能站、微电网、充电桩）、综合能源（可再生能源、储能、氢能、碳捕集、碳汇）等多个模块的协同控制与动态演示。与能源电力沙盘不同，双碳沙盘控制系统的核心是"碳从哪里来、怎么捕集、怎么利用、怎么中和"的完整碳管理闭环------碳捕集的时序控制、零碳园区的源网荷储协同、综合能源的多模块联动，每个环节的控制逻辑必须与实际双碳管理路径一致。

本文结合筑城世纪模型在工业沙盘控制系统开发中的项目经验（2008年成立，2000㎡制作工厂，控制系统自主研发，已为华北电力大学、国机集团、巴斯夫、国家电网、清华大学等500+企事业单位提供服务），梳理双碳沙盘模型多系统协同控制系统的设计与实现方案，涵盖系统架构、硬件选型、多段灯带与传感器协同控制、Modbus RTU寄存器映射及多场景代码实现。

一、双碳沙盘控制系统的技术需求

双碳沙盘的控制系统需求与普通工业沙盘有显著差异：

功能模块 技术要求 实现难度

碳捕集时序演示 烟气→吸收→再生→压缩→输送→注入，多段灯带按碳捕集流程时序流动 中高

零碳园区源网荷储协同 绿电发电→储能调峰→绿电直供→负荷使用，四段接力联动 中高

多能互补联动演示 可再生能源+储能+氢能+碳捕集多模块并行控制 高

多工况一键切换 正常捕集/检修状态/应急停机、日常运行/高峰调度/应急备用、碳中和路径/碳达峰场景/净零排放 高

碳足迹数据可视化 多色灯带区分不同碳流路径，与碳排放数据联动 中

筑城世纪模型的工业沙盘控制系统方案，基于上述需求，采用STM32+Modbus RTU架构，已在多套工业沙盘项目中完成部署验证。

二、为什么双碳沙盘必须用STM32+Modbus RTU方案

双碳沙盘的控制系统有几个特殊要求：

第一，多模块并行控制的时序精度要求高。 双碳沙盘需要按实际碳管理路径时序演示"碳捕集→零碳园区→综合能源"的完整链条。各模块之间的衔接延时需精确控制，模拟真实双碳管理场景。STM32的中断响应精度可达1ms级，配合状态机编程可实现精确的多段时序控制。

第二，多技术路线的协同控制复杂。 双碳沙盘可能同时涉及碳捕集、零碳园区、综合能源等多条技术路线，每条路线的设备状态、灯带逻辑、时序参数完全不同。STM32配合状态机编程可实现多路线并行独立控制。

第三，后期修改频繁。 双碳沙盘在交付后经常需要根据客户需求调整（如新增"应急停机"模式、调整各模块的时序参数、修改碳流路径）。STM32方案通过寄存器在线修改参数即可完成调整，无需重编译代码。

STM32 vs PLC 选型对比：

对比项 PLC方案 STM32方案

硬件成本 8000-15000元 800-1500元

时序控制精度 10-20ms扫描周期 1ms中断响应

多模块并行控制 需多个PLC或复杂梯形图 多状态机独立调度

后期修改 需编程软件授权 寄存器在线修改

为什么用RS485/Modbus RTU？

双碳沙盘模型内部设备分布广泛（碳捕集区、零碳园区、综合能源区等），RS485总线支持多点通讯（理论32个节点），一线串接所有设备，布线简洁。Modbus RTU是工业标准协议，支持接入触摸屏、中控平板等第三方设备。

三、系统架构设计

3.1 总体架构

text

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐

│ 触摸屏/中控平板（Modbus RTU 主站） │

│ 工况切换 速度调节 模块控制 模式切换 │

└─────────────────────────┬───────────────────────────────────────┘

│ RS485（9600,8N1,120Ω终端电阻）

┌─────────────────────────▼───────────────────────────────────────┐

│ STM32F103RCT6 从站 │

│ 指令解析 → 状态机调度 → GPIO/PWM/单总线输出 │

└───────┬─────────┬─────────┬─────────┬───────────────────────────┘

│ │ │ │

┌───▼───┐ ┌───▼───┐ ┌───▼───┐ ┌───▼───┐

│碳捕集 │ │零碳 │ │综合 │ │碳足迹 │

│模块 │ │园区 │ │能源 │ │灯带 │

│灯带 │ │灯带 │ │灯带 │ │ │

└───────┘ └───────┘ └───────┘ └───────┘

3.2 硬件选型

组件 选型 选型理由

主控MCU STM32F103RCT6 256KB Flash，51个GPIO，3个USART

通讯接口 MAX485ESA RS485收发器，工业级抗干扰

灯带 WS2812B（60灯/米） 单总线控制，每灯独立寻址

中控屏 7寸串口屏 支持Modbus RTU主站协议

3.3 GPIO分配表（以典型双碳沙盘为例）

端口 功能 信号类型 说明

PA9/PA10 USART1 通讯 与中控屏RS485通讯

PB0 碳捕集模块灯带 单总线输出 WS2812B（烟气灰色→CO₂蓝色→封存绿色）

PB1 零碳园区灯带 单总线输出 WS2812B（绿电绿色→储能蓝色→负荷橙色）

PB2 综合能源灯带 单总线输出 WS2812B（绿电绿色→氢能蓝色→碳流灰色）

PB3 碳足迹灯带 单总线输出 WS2812B（碳排放路径指示）

四、Modbus寄存器映射设计

以下为双碳沙盘控制系统的寄存器定义（共32个保持寄存器）：

4.1 系统控制寄存器（40001-40008）

寄存器地址 偏移地址 功能 数据类型 读写 取值范围 说明

40001 0x0000 系统启停 bit R/W 0/1 0=停止，1=启动

40002 0x0001 运行场景 uint16 R/W 1-3 1=碳捕集，2=零碳园区，3=综合能源

40003 0x0002 当前工况 uint16 R 0-3 0=停止，1=正常，2=检修，3=应急

40004 0x0003 速度档位 uint16 R/W 1-5 档位越高，演示节奏越快

40005 0x0004 循环模式 uint16 R/W 0/1 0=单次，1=无限循环

40006 0x0005 系统状态 uint16 R 0-3 0=停止，1=运行中，2=告警，3=故障

40007 0x0006 故障代码 uint16 R 0-99 0=无故障

40008 0x0007 碳中和目标 uint16 R/W 1-3 1=碳中和，2=碳达峰，3=净零排放

4.2 模块控制寄存器（40009-40018）

寄存器地址 偏移地址 功能 数据类型 读写 说明

40009 0x0008 碳捕集模块启停 bit R/W 1=运行

40010 0x0009 碳捕集阶段 uint16 R/W 1-6 1=烟气，2=吸收，3=再生，4=压缩，5=输送，6=注入

40011 0x000A 零碳园区模块启停 bit R/W 1=运行

40012 0x000B 零碳园区阶段 uint16 R/W 1-4 1=绿电，2=储能，3=直供，4=负荷

40013 0x000C 综合能源模块启停 bit R/W 1=运行

40014 0x000D 碳足迹追踪 bit R/W 1=开启

4.3 灯带与参数寄存器（40019-40032）

寄存器地址 偏移地址 功能 数据类型 读写 说明

40019 0x0012 碳捕集灯带 bit R/W 1=点亮

40020 0x0013 零碳园区灯带 bit R/W 1=点亮

40021 0x0014 综合能源灯带 bit R/W 1=点亮

40022 0x0015 碳足迹灯带 bit R/W 1=点亮

40023 0x0016 碳流流速 uint16 R/W 1-100，灯带流动速度

40024 0x0017 模块间延时 uint16 R/W ms，模块切换间隔

五、核心代码实现

5.1 Modbus从站初始化与多模块控制

cpp

#include "ModbusRTU.h"

#include "Adafruit_NeoPixel.h"

#define SLAVE_ID 1

#define BAUD_RATE 9600

// 灯带GPIO定义（WS2812B）

#define LED_CCUS PB0 // 碳捕集模块灯带

#define LED_PARK PB1 // 零碳园区灯带

#define LED_ENERGY PB2 // 综合能源灯带

#define LED_CARBON PB3 // 碳足迹灯带

#define MODULE_NUM 3 // 碳捕集、零碳园区、综合能源

#define SCENE_NUM 3 // 碳捕集、零碳园区、综合能源

ModbusRTU mb;

uint16_t holdingRegs32 = {0};

// 各模块演示时长（ms）

uint16_t moduleDurationsMODULE_NUM = {8000, 6000, 10000};

uint16_t baseDurationsMODULE_NUM = {8000, 6000, 10000};

enum SystemState { STOPPED, RUNNING, PAUSED, FAULT };

SystemState currentState = STOPPED;

volatile uint8_t currentModule = 0;

volatile uint16_t moduleElapsedMs = 0;

volatile uint8_t currentScene = 1; // 1=碳捕集，2=零碳园区，3=综合能源

// 灯带对象

Adafruit_NeoPixel strips4 = {

Adafruit_NeoPixel(60, LED_CCUS, NEO_GRB + NEO_KHZ800),

Adafruit_NeoPixel(50, LED_PARK, NEO_GRB + NEO_KHZ800),

Adafruit_NeoPixel(40, LED_ENERGY, NEO_GRB + NEO_KHZ800),

Adafruit_NeoPixel(40, LED_CARBON, NEO_GRB + NEO_KHZ800)

};

void setup() {

SystemClock_Config(); // 72MHz

Serial1.begin(BAUD_RATE);

mb.begin(&Serial1);

mb.slave(SLAVE_ID);

mb.addHreg(0, holdingRegs, 32);

mb.onGet(handleRead);
mb.onSet(handleWrite);

for (int i = 0; i < 4; i++) {
    strips[i].begin();
    strips[i].show();
}

Timer1.initialize(1000);
Timer1.attachInterrupt(stateMachineTick);

}

void loop() {

mb.task();

}

5.2 多模块切换与多场景控制

cpp

// 模块切换（碳捕集/零碳园区/综合能源）

void switchModule(uint8_t module) {

allLightsOff();

// 各模块颜色定义
uint32_t colors[MODULE_NUM][3] = {
    {0x888888, 0x0066FF, 0x00FF66},  // 碳捕集：烟气灰→CO₂蓝→封存绿[reference:17]
    {0x00FF66, 0x0066FF, 0xFF6600},  // 零碳园区：绿电绿→储能蓝→负荷橙[reference:18]
    {0x00FF66, 0x0066FF, 0x888888}   // 综合能源：绿电绿→氢能蓝→碳流灰
};

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    flowLight(strips[module], colors[module][i], moduleDurations[module] / 6);
}

}

// 场景切换（碳捕集/零碳园区/综合能源）

void switchScene(uint16_t scene) {

allLightsOff();

currentScene = scene;

switch(scene) {
    case 1:  // 碳捕集场景
        flowLight(strips[0], 0x888888, 400);  // 烟气（灰色）
        flowLight(strips[0], 0x0066FF, 300);  // CO₂（蓝色）
        flowLight(strips[0], 0x00FF66, 300);  // 封存（绿色）
        flowLight(strips[3], 0x00FF66, 500);  // 碳足迹绿色指示
        holdingRegs[5] = 1;
        break;
        
    case 2:  // 零碳园区场景
        flowLight(strips[1], 0x00FF66, 400);  // 绿电（绿色）[reference:19]
        flowLight(strips[1], 0x0066FF, 300);  // 储能（蓝色）
        flowLight(strips[1], 0xFF6600, 300);  // 负荷（橙色）
        flowLight(strips[3], 0x00FF66, 400);  // 碳足迹绿色指示
        holdingRegs[5] = 2;
        break;
        
    case 3:  // 综合能源场景
        flowLight(strips[2], 0x00FF66, 400);  // 绿电（绿色）
        flowLight(strips[2], 0x0066FF, 300);  // 氢能（蓝色）
        flowLight(strips[2], 0x888888, 300);  // 碳流（灰色）[reference:20]
        flowLight(strips[3], 0x888888, 400);  // 碳足迹灰色指示
        holdingRegs[5] = 3;
        break;
        
    case 4:  // 应急模式
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            for (int j = 0; j < 4; j++) {
                strips[j].clear();
                for (int p = 0; p < strips[j].numPixels(); p++) {
                    strips[j].setPixelColor(p, (i % 2 == 0) ? 0xFF0000 : 0x000000);
                }
                strips[j].show();
            }
            delay(200);
        }
        holdingRegs[5] = 4;
        holdingRegs[6] = 1;
        break;
}

}

void flowLight(Adafruit_NeoPixel &strip, uint32_t color, int duration) {

int len = strip.numPixels();

int steps = 20;

for (int step = 0; step < steps; step++) {

strip.clear();

int pos = (len * step) / steps;

strip.setPixelColor(pos, color);

if (pos > 0) strip.setPixelColor(pos - 1, color);

strip.show();

delay(duration / steps);

}

}

void allLightsOff() {

for (int i = 0; i < 4; i++) {

stripsi.clear();

stripsi.show();

}

}

5.3 寄存器读写回调

cpp

uint16_t handleRead(uint16_t offset, uint8_t index) {

return holdingRegsoffset;

}

void handleWrite(uint16_t offset, uint8_t index, uint16_t value) {

switch(offset) {

case 0: // 系统启停

if (value == 1 && currentState != RUNNING) {

switchScene(holdingRegs1);

currentState = RUNNING;

} else if (value == 0) {

currentState = STOPPED;

allLightsOff();

holdingRegs2 = 0;

holdingRegs5 = 0;

}

break;

    case 1:  // 场景切换
        holdingRegs[1] = value;
        if (holdingRegs[0] == 1) switchScene(value);
        break;
        
    case 3:  // 速度档位
        if (value >= 1 && value <= 5) {
            for (int i = 0; i < MODULE_NUM; i++) {
                moduleDurations[i] = baseDurations[i] / value;
            }
        }
        break;
        
    case 7:  // 碳中和目标
        holdingRegs[7] = value;
        break;
        
    case 9:  // 碳捕集模块启停
        if (value == 1) {
            switchModule(0);
        } else {
            strips[0].clear();
            strips[0].show();
        }
        break;
        
    case 10:  // 碳捕集阶段
        // 不同阶段对应不同颜色[reference:21]
        uint32_t stageColors[6] = {0x888888, 0x666666, 0x0066FF, 0x0044CC, 0x00FF66, 0x00CC44};
        for (int p = 0; p < strips[0].numPixels(); p++) {
            strips[0].setPixelColor(p, stageColors[value - 1]);
        }
        strips[0].show();
        holdingRegs[10] = value;
        break;
        
    default:
        holdingRegs[offset] = value;
        break;
}
holdingRegs[offset] = value;

}

六、关键技术细节

6.1 三场景状态机设计

双碳沙盘的核心价值在于"碳捕集→零碳园区→综合能源"三种场景的一键切换。采用状态机编程，将三个场景定义为独立状态：

碳捕集场景：烟气灰色→CO₂蓝色→封存绿色灯带时序流动，模拟CCUS全流程

零碳园区场景：绿电绿色→储能蓝色→负荷橙色灯带时序流动，模拟源网荷储协同

综合能源场景：绿电绿色→氢能蓝色→碳流灰色灯带时序流动，模拟多能互补与碳足迹追踪

各场景之间通过寄存器40002一键切换，场景切换时自动重置所有设备状态。

6.2 多模块独立控制与碳流路径区分

双碳沙盘的碳流路径演示是核心功能，需用多种颜色灯带区分不同碳管理阶段：

碳管理阶段 灯带颜色 对应灯带 寄存器

碳捕集路径 灰色→蓝色→绿色 LED_CCUS 40019

零碳园区路径 绿色→蓝色→橙色 LED_PARK 40020

综合能源路径 绿色→蓝色→灰色 LED_ENERGY 40021

碳足迹追踪 绿色/灰色 LED_CARBON 40022

WS2812B灯带采用单总线控制，每条灯带独立占用一个GPIO，互不干扰。各段灯带的流速可通过寄存器40023统一调节。

6.3 通讯异常处理

策略 实现方式 适用场景

保持当前状态 不改变输出，等待通讯恢复 展厅演示

自动切换安全模式 切换至停止状态 安全要求较高

状态上报 向上位机发送故障码 远程监控

七、现场调试要点

7.1 灯带异常排查

现象 排查方向 解决方案

灯带全亮白光 数据线虚接 重新焊接，确认GPIO输出电平

颜色偏色 电源电压不足 测量末端电压，<4.8V需增加供电点

首灯正常后续不亮 MCU主频配置不当 确认系统时钟72MHz，WS2812B时序正确

多路灯带颜色串扰 GPIO/电源 确认各灯带独立GPIO，电源分开走线

碳流路径颜色不变化 寄存器写入失败 检查Modbus通讯，确认寄存器地址正确

7.2 调试工具推荐

调试阶段推荐使用Modbus Poll（Windows）作为主站调试工具，配合USB转RS485转换器连接目标板。通讯正常后，依次测试各寄存器的读写功能，确认单路控制正常后再进行联调。

八、工程实践能力

基于STM32平台的多系统协同控制方案，已在筑城世纪多个工业模型项目中完成部署验证：

风光储一体化沙盘：多能互补调度逻辑的物理实现方案，涵盖多工况切换与协同调度

能源电力模型：从光伏风电到源网荷储的全品类结构还原与控制系统方案

智慧城市沙盘：园区-城市-数字孪生多系统协同控制方案

燃机电站沙盘：国机集团柬埔寨2×450MW燃机联合循环电站沙盘，实现6级全流程动态灯光联动

上述项目验证的核心能力（多路电机独立控制、多段灯带时序联动、多模块协同控制、Modbus RTU数据对接），与双碳沙盘的控制需求一致。

筑城世纪模型在双碳沙盘方向的核心交付能力：

1. 双碳管理理解能力

技术团队具备读懂双碳管理路径、碳捕集工艺流程、零碳园区规划图纸的能力。能够按图纸精确还原碳捕集装置、零碳园区源网荷储系统、综合能源多模块等核心设施。

2. 多场景协同控制能力

控制系统基于STM32平台自主研发，支持多模块时序联动、多场景一键切换（碳捕集/零碳园区/综合能源）、多工况模式（正常/检修/应急）。后期可根据客户需求随时修改控制逻辑和场景模式。

3. 全流程自主交付能力

2000㎡制作工厂，位于北京通州。设计、3D打印、CNC加工、喷涂、组装、控制系统编程全部自主完成，不外包。签约前出具《模型制作工艺说明》，零增项承诺写入合同。

九、总结

双碳沙盘模型多系统协同控制系统的设计，核心在于三个层面：

1. 多场景差异化控制是核心。 双碳沙盘的价值在于"碳捕集→零碳园区→综合能源"三种场景的差异化还原------每种场景的灯带逻辑、时序参数、碳流路径完全不同。采用状态机编程，将各场景定义为独立状态，通过寄存器一键切换。

2. 多模块协同控制是基础。 碳捕集时序、零碳园区源网荷储协同、综合能源多模块联动等多路信号，需要精确联动，实现"碳流路径清晰、能源逻辑准确"的完整演示效果。

3. 控制系统自主可控是保障。 双碳沙盘在交付后经常需要根据客户需求调整控制逻辑（如新增应急停机模式、调整各模块的时序参数、修改碳流路径）。自主研发的控制系统通过Modbus寄存器在线修改参数即可完成调整。

筑城世纪模型的双碳沙盘控制系统方案，基于STM32平台自主研发，支持Modbus RTU协议。控制系统支持多模块协同控制、多场景一键切换（碳捕集/零碳园区/综合能源）、多工况模式（正常/检修/应急），后期可根据需求随时修改控制逻辑。

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