CCUS碳捕集沙盘模型控制系统设计：基于STM32与Modbus RTU的碳捕集六段工序时序联动方案

CCUS碳捕集沙盘模型控制系统，涉及吸收塔、再生塔、压缩机、换热器、注入井等多个核心设备的协同控制与动态演示。一套完整的CCUS碳捕集沙盘控制系统，需要同时驱动多段灯带时序演示“烟气进入→吸收→再生→压缩→输送→注入”的完整碳捕集路径，多路信号联动展示正常捕集、检修状态、应急停机等多种工况的一键切换，同时通过不同颜色灯带区分烟气（灰色）、CO₂（蓝色）、封存区（绿色）路径。与双碳沙盘（聚焦碳捕集+零碳园区+综合能源多场景并行）不同，CCUS碳捕集沙盘控制系统的核心是“烟气→吸收→再生→压缩→输送→注入”六段工序的精确时序控制——烟气怎么进、吸收塔怎么控、再生塔怎么切换、压缩怎么走、输送怎么通、注入怎么停，每个环节的控制逻辑必须与实际CCUS工程一致。

本文以已落地的百万吨级CCUS示范工程沙盘模型为案例，梳理CCUS碳捕集沙盘模型控制系统的设计与实现方案，涵盖系统架构、硬件选型、多段灯带时序控制、Modbus RTU寄存器映射及多工况代码实现。

一、CCUS碳捕集沙盘控制系统的技术需求
CCUS碳捕集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
碳捕集六段时序演示 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
烟气路径指示 灰色灯带演示烟气从排放源进入吸收塔的路径 中
CO₂路径指示 蓝色灯带演示CO₂从吸收塔→再生塔→压缩→输送的路径 中
封存区指示 绿色灯带演示CO₂注入封存区的路径 中
吸收塔/再生塔温区指示 不同颜色灯带区分吸收塔和再生塔的温度分区（高温/中温/低温） 中
多工况一键切换 正常捕集/检修状态/应急停机，三种工况模式切换 高
故障模拟 模拟吸收塔温度异常、压缩机停机等故障状态 中
基于上述需求，采用STM32+Modbus RTU架构。

二、为什么CCUS碳捕集沙盘采用STM32+Modbus RTU方案
CCUS碳捕集沙盘的控制系统有几个特殊要求：

第一，六段工序时序联动的精度要求高。 各工序之间的衔接延时需精确控制，模拟真实碳捕集过程的节奏。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，多路灯带独立控制的复杂度高。 需要同时控制灰色（烟气）、蓝色（CO₂）、绿色（封存区）三条灯带路径，每条灯带的颜色、流速、时序参数完全不同。STM32配合WS2812B可寻址LED灯带可实现多路独立并行控制。

第三，后期修改频繁。 交付后经常需要根据需求调整（如新增“故障模拟”模式、调整各工序的时序参数、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
多路灯带独立控制 需专用通讯模块 单总线直接驱动
多工况切换逻辑 梯形图实现困难 C语言状态机灵活可控
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：
沙盘模型内部设备分布广泛（烟气区、吸收区、再生区、压缩区、输送区、封存区等），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 工序控制 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 │
└───────┬─────────┬─────────┬─────────┬─────────┬─────────────────┘
│ │ │ │ │
┌───▼───┐ ┌───▼───┐ ┌───▼───┐ ┌───▼───┐ ┌───▼───┐
│烟气 │ │吸收 │ │再生 │ │压缩 │ │注入 │
│路径 │ │塔灯带 │ │塔灯带 │ │段灯带 │ │段灯带 │
│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

端口 功能 信号类型 说明
PA9/PA10 USART1 通讯 与中控屏RS485通讯
PB0 烟气路径灯带 单总线输出 WS2812B（灰色）
PB1 吸收塔灯带 单总线输出 WS2812B
PB2 再生塔灯带 单总线输出 WS2812B
PB3 压缩段灯带 单总线输出 WS2812B
PB4 输送段灯带 单总线输出 WS2812B
PB5 注入段灯带 单总线输出 WS2812B（绿色）
四、Modbus寄存器映射设计
以下为CCUS碳捕集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（40001-40007）

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 运行工况 uint16 R/W 1-3 1=正常捕集，2=检修状态，3=应急停机
40003 0x0002 当前工序 uint16 R 0-6 0=停止，1=烟气，2=吸收，3=再生，4=压缩，5=输送，6=注入
40004 0x0003 速度档位 uint16 R/W 1-5 档位越高，碳捕集节奏越快
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
4.2 灯带与参数寄存器（40008-40017）

寄存器地址 偏移地址 功能 数据类型 读写 说明
40008 0x0007 烟气路径灯带 bit R/W 1=点亮（灰色）
40009 0x0008 吸收塔灯带 bit R/W 1=点亮
40010 0x0009 再生塔灯带 bit R/W 1=点亮
40011 0x000A 吸收塔温度分区 uint16 R/W 1=红（高温），2=橙（中温），3=黄（低温）
40012 0x000B 再生塔温度分区 uint16 R/W 1=红（高温），2=橙（中温），3=黄（低温）
40013 0x000C 压缩段灯带 bit R/W 1=点亮
40014 0x000D 输送段灯带 bit R/W 1=点亮
40015 0x000E 注入段灯带 bit R/W 1=点亮（绿色）
40016 0x000F 碳流流速 uint16 R/W 1-100，灯带流动速度
40017 0x0010 工序间延时 uint16 R/W ms，工序切换间隔
五、核心代码实现
5.1 Modbus从站初始化

cpp
#include “ModbusRTU.h”
#include “Adafruit_NeoPixel.h”

#define SLAVE_ID 1
#define BAUD_RATE 9600

// 灯带GPIO定义
#define LED_FLUE_GAS PB0
#define LED_ABSORBER PB1
#define LED_REGENERATOR PB2
#define LED_COMPRESSOR PB3
#define LED_TRANSPORT PB4
#define LED_INJECTION PB5

#define STAGE_NUM 6

ModbusRTU mb;
uint16_t holdingRegs[32] = {0};

uint16_t stageDurations[STAGE_NUM] = {3000, 4000, 5000, 3000, 3000, 2000};
uint16_t baseDurations[STAGE_NUM] = {3000, 4000, 5000, 3000, 3000, 2000};

enum SystemState { STOPPED, RUNNING, PAUSED, FAULT };
SystemState currentState = STOPPED;
volatile uint8_t currentStage = 0;
volatile uint16_t stageElapsedMs = 0;

Adafruit_NeoPixel strips[6] = {
Adafruit_NeoPixel(40, LED_FLUE_GAS, NEO_GRB + NEO_KHZ800),
Adafruit_NeoPixel(50, LED_ABSORBER, NEO_GRB + NEO_KHZ800),
Adafruit_NeoPixel(50, LED_REGENERATOR, NEO_GRB + NEO_KHZ800),
Adafruit_NeoPixel(30, LED_COMPRESSOR, NEO_GRB + NEO_KHZ800),
Adafruit_NeoPixel(40, LED_TRANSPORT, NEO_GRB + NEO_KHZ800),
Adafruit_NeoPixel(30, LED_INJECTION, NEO_GRB + NEO_KHZ800)
};

void setup() {
SystemClock_Config();
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 < 6; i++) { strips[i].begin(); strips[i].show(); } Timer1.initialize(1000); Timer1.attachInterrupt(stateMachineTick);

}

void loop() {
mb.task();
}
5.2 工序切换与工况控制

cpp
void switchStage(uint8_t stage) {
allLightsOff();

uint32_t colors[STAGE_NUM] = { 0x888888, // 烟气（灰色） 0xCC6633, // 吸收塔（橙褐色） 0xFF6600, // 再生塔（橙色） 0x0066FF, // 压缩段（蓝色） 0x0044CC, // 输送段（深蓝） 0x00FF66 // 注入段（绿色） }; flowLight(strips[stage], colors[stage], stageDurations[stage] / 3);

}

void switchMode(uint16_t mode) {
allLightsOff();

switch(mode) { case 1: // 正常捕集 currentState = RUNNING; currentStage = 0; stageElapsedMs = 0; for (int i = 0; i < STAGE_NUM; i++) { switchStage(i); delay(stageDurations[i]); } holdingRegs[5] = 1; break; case 2: // 检修状态 flowLight(strips[1], 0x886633, 800); flowLight(strips[2], 0x886633, 800); for (int i = 0; i < 5; i++) { strips[1].clear(); strips[2].clear(); for (int p = 0; p < strips[1].numPixels(); p++) { strips[1].setPixelColor(p, (i % 2 == 0) ? 0xFFFF00 : 0x000000); strips[2].setPixelColor(p, (i % 2 == 0) ? 0xFFFF00 : 0x000000); } strips[1].show(); strips[2].show(); delay(300); } holdingRegs[5] = 2; break; case 3: // 应急停机 currentState = STOPPED; allLightsOff(); for (int i = 0; i < 5; i++) { for (int j = 0; j < 6; 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] = 3; 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 < 6; i++) {
strips[i].clear();
strips[i].show();
}
}
5.3 寄存器读写回调

cpp
uint16_t handleRead(uint16_t offset, uint8_t index) {
return holdingRegs[offset];
}

void handleWrite(uint16_t offset, uint8_t index, uint16_t value) {
switch(offset) {
case 0:
if (value == 1 && currentState != RUNNING) {
switchMode(holdingRegs[1]);
currentState = RUNNING;
} else if (value == 0) {
currentState = STOPPED;
allLightsOff();
holdingRegs[2] = 0;
holdingRegs[5] = 0;
}
break;

case 1: holdingRegs[1] = value; if (holdingRegs[0] == 1) switchMode(value); break; case 3: if (value >= 1 && value <= 5) { for (int i = 0; i < STAGE_NUM; i++) { stageDurations[i] = baseDurations[i] / value; } } break; case 10: { uint32_t tempColor = (value == 1) ? 0xFF0000 : (value == 2) ? 0xFF6600 : 0xFFFF00; for (int p = 0; p < strips[1].numPixels(); p++) { strips[1].setPixelColor(p, tempColor); } strips[1].show(); holdingRegs[10] = value; break; } case 11: { uint32_t tempColor2 = (value == 1) ? 0xFF0000 : (value == 2) ? 0xFF6600 : 0xFFFF00; for (int p = 0; p < strips[2].numPixels(); p++) { strips[2].setPixelColor(p, tempColor2); } strips[2].show(); holdingRegs[11] = value; break; } default: holdingRegs[offset] = value; break; } holdingRegs[offset] = value;

}
六、关键技术细节
6.1 六段工序状态机设计

CCUS碳捕集沙盘的核心价值在于“烟气→吸收→再生→压缩→输送→注入”六段工序的串联联动：

烟气段：灰色灯带，展示烟气进入吸收塔的路径

吸收段：橙褐色灯带，展示CO₂在吸收塔中被捕获的过程

再生段：橙色灯带，展示CO₂从吸收剂中再生的过程

压缩段：蓝色灯带，展示CO₂被压缩的过程

输送段：深蓝灯带，展示CO₂管道输送的过程

注入段：绿色灯带，展示CO₂注入封存区的过程

各工序之间通过时序计数器触发切换，工序间延时通过寄存器独立调节。

6.2 吸收塔/再生塔温度分区指示

通过寄存器可分别控制吸收塔和再生塔的温度分区指示：

红色：高温运行状态

橙色：中温运行状态

黄色：低温运行状态

七、现场调试要点
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
温度分区颜色不变化 寄存器写入失败 检查Modbus通讯
八、总结
CCUS碳捕集沙盘模型控制系统的设计，核心在于三个层面：

1. 六段工序时序联动是核心。 采用状态机编程，将各工序定义为独立状态，各工序之间通过时序计数器触发切换，工序间延时独立可调。

2. 多路灯带独立控制是基础。 六路信号需要精确联动，实现“烟气进、CO₂走、封存绿”的完整演示效果。

3. 控制系统自主可控是保障。 通过Modbus寄存器在线修改参数即可完成调整，无需依赖外部支持。