沙盘模型的控制系统，决定了动态演示的稳定性和后期扩展能力。目前主流方案分为两类：STM32嵌入式方案和PLC工业级方案。两者在响应精度、扩展性、开发成本、适用场景上各有差异，选型需根据项目需求判断。
一、STM32方案：适合中小型动态沙盘
STM32方案的核心是嵌入式主控芯片。以STM32F103C8T6/RCT6为例，它支持Modbus RTU（RS485）通信，响应精度可达1ms级。在沙盘模型中，STM32主要承担以下任务：
灯光时序控制：多路LED灯带逐级触发，模拟介质流向或能量转换路径。
设备动作控制：微型电机驱动，模拟阀门开闭、闸门升降、传送带运转等单一动作。
触控中控操作：通过串口屏或触摸屏实现人机交互，支持多工况一键切换。
外接大屏同步：通过RS485或以太网接口，将运行参数同步显示到大屏。
1.1 STM32 PWM调光代码示例
以下代码基于HAL库，实现三路LED灯带的PWM调光，可用于模拟介质流向的渐变效果。
c
#include "stm32f1xx_hal.h"
TIM_HandleTypeDef htim2;
// PWM初始化，假设使用TIM2_CH1/CH2/CH3
void PWM_Init(void)
{
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71; // 72MHz/72 = 1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 999; // 1MHz/1000 = 1kHz
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 0;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_3);}
// 设置三路PWM占空比，范围0-1000
void Set_PWM(uint16_t ch1, uint16_t ch2, uint16_t ch3)
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, ch1);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_2, ch2);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_3, ch3);
}
// 流水灯效果
void LED_Flow(void)
{
for (int i = 0; i <= 1000; i += 10)
{
Set_PWM(i, 0, 0);
HAL_Delay(10);
}
for (int i = 0; i <= 1000; i += 10)
{
Set_PWM(0, i, 0);
HAL_Delay(10);
}
for (int i = 0; i <= 1000; i += 10)
{
Set_PWM(0, 0, i);
HAL_Delay(10);
}
}
1.2 Modbus RTU从机响应代码示例
以下代码基于STM32的UART中断，实现Modbus RTU从机的基本响应逻辑。
c
#include "stm32f1xx_hal.h"
UART_HandleTypeDef huart1;
uint8_t rxBuffer256;
uint8_t txBuffer256;
uint16_t rxIndex = 0;
// Modbus RTU帧解析
void Modbus_Parse(uint8_t *buf, uint16_t len)
{
if (len < 4) return;
uint8_t addr = buf[0];
uint8_t func = buf[1];
uint16_t crc = (buf[len-1] << 8) | buf[len-2];
// 校验地址和功能码
if (addr != 0x01) return;
if (func == 0x03) // 读保持寄存器
{
uint16_t startAddr = (buf[2] << 8) | buf[3];
uint16_t regCount = (buf[4] << 8) | buf[5];
// 构造响应
txBuffer[0] = addr;
txBuffer[1] = func;
txBuffer[2] = regCount * 2;
for (int i = 0; i < regCount; i++)
{
txBuffer[3 + i*2] = 0x00;
txBuffer[4 + i*2] = 0x01; // 示例数据
}
// 添加CRC
uint16_t crcCalc = CRC16(txBuffer, 3 + regCount * 2);
txBuffer[3 + regCount * 2] = crcCalc & 0xFF;
txBuffer[4 + regCount * 2] = crcCalc >> 8;
HAL_UART_Transmit(&huart1, txBuffer, 5 + regCount * 2, 100);
}}
// UART接收中断回调
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if (huart == &huart1)
{
rxBufferrxIndex++ = rxBuffer0;
if (rxIndex >= 256) rxIndex = 0;
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rxBufferrxIndex, 1);
}
}
二、PLC方案：适合大型联动沙盘
PLC方案的核心是可编程逻辑控制器。在沙盘模型中，PLC主要承担以下任务：
多工艺段联动：原料输送、反应、分离、精制、产品输出等多工段统一调度。
工业级逻辑控制：支持多条件触发、时序嵌套、异常状态处理。
后期扩展：预留标准通讯接口，可新增设备或修改工况逻辑。
与工厂系统对接：支持Modbus TCP、Profibus、Profinet等工业协议，可与DCS、SCADA系统对接。
2.1 PLC多工况切换SCL代码示例
以下代码以西门子S7-1200为例，用SCL实现多工况切换逻辑。
scl
FUNCTION_BLOCK FB_MultiMode
VAR_INPUT
ModeSelect : INT; // 0=停止, 1=正常生产, 2=分步讲解, 3=故障模拟
Start : BOOL;
Stop : BOOL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
LED1 : BOOL;
LED2 : BOOL;
LED3 : BOOL;
Motor : BOOL;
END_VAR
VAR
Step : INT := 0;
Timer : TON;
END_VAR
BEGIN
// 停止优先
IF Stop THEN
ModeSelect := 0;
END_IF;
CASE ModeSelect OF
0: // 停止
LED1 := FALSE;
LED2 := FALSE;
LED3 := FALSE;
Motor := FALSE;
Step := 0;
1: // 正常生产
IF Start THEN
LED1 := TRUE;
LED2 := TRUE;
LED3 := TRUE;
Motor := TRUE;
END_IF;
2: // 分步讲解
IF Start THEN
Step := Step + 1;
IF Step > 3 THEN Step := 1; END_IF;
CASE Step OF
1: LED1 := TRUE; LED2 := FALSE; LED3 := FALSE; Motor := FALSE;
2: LED1 := TRUE; LED2 := TRUE; LED3 := FALSE; Motor := FALSE;
3: LED1 := TRUE; LED2 := TRUE; LED3 := TRUE; Motor := TRUE;
END_CASE;
END_IF;
3: // 故障模拟
LED1 := TRUE;
LED2 := FALSE;
LED3 := TRUE;
Motor := FALSE;
END_CASE;END_FUNCTION_BLOCK
三、两种方案选型对比
维度 STM32方案 PLC方案
响应精度 1ms级 1ms级（取决于扫描周期）
适用规模 中小型沙盘 大型联动沙盘
多设备联动 有限，需增加主控板 支持，可扩展
后期修改 需重新烧录程序 可在线修改逻辑
成本 较低 较高
开发周期 较短 较长
工业协议支持 Modbus RTU Modbus TCP、Profibus、Profinet
适用场景 灯光演示为主、设备动作少 多工艺段联动、后期需扩展
四、选型建议
如果沙盘功能以灯光演示为主、设备动作较少，选STM32方案。
如果沙盘涉及多工艺段联动、需要后期扩展，选PLC方案。
如果不确定后期是否需要扩展，建议预留PLC接口，先按STM32方案实施。
如果项目需要与工厂DCS系统对接，必须选PLC方案。
五、常见技术问题
Q：STM32方案后期能改成PLC方案吗？
可以，但需要更换主控板并重新编程。建议在方案阶段明确后期扩展需求，避免重复投入。
Q：两种方案的响应精度有差异吗？
均可达到1ms级，实际精度取决于程序优化和硬件配置。STM32的中断响应更快，PLC的扫描周期更稳定。
Q：多工况切换怎么实现？
通过预设工况逻辑，在中控平板上一键切换。STM32方案通过状态机实现，PLC方案通过程序块调用实现。两种方案都支持触控中控操作和外接大屏同步显示。
Q：LED灯光时序编程用什么工具？
STM32方案通常用Keil或STM32CubeIDE开发，PLC方案用TIA Portal或GX Works。灯光时序通过定时器中断或顺序功能图实现。
六、总结
STM32方案适合中小型沙盘，成本低、开发快；PLC方案适合大型联动沙盘，稳定性高、扩展强。选型时重点看设备数量、联动复杂度、后期扩展需求和预算范围。如果不确定，建议先做小规模验证，确认方案可行后再放大实施。