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STM32Modbus RTU架构。二、为什么CCUS碳捕集沙盘采用STM32Modbus 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 │└─────────────────────────┬───────────────────────────────────────┘│ RS4859600,8N1,120Ω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 Flash51个GPIO3个USART通讯接口 MAX485ESA RS485收发器工业级抗干扰灯带 WS2812B60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 WS2812BPB2 再生塔灯带 单总线输出 WS2812BPB3 压缩段灯带 单总线输出 WS2812BPB4 输送段灯带 单总线输出 WS2812BPB5 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 6ModbusRTU 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cppvoid 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cppuint16_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。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。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。
