一、项目背景
风力发电沙盘模型是新能源展会与风电企业展厅的核心展示载体。随着风电行业展会对展品互动性的要求持续提升，沙盘模型正从“静态展示”向“动态交互”演进。在风力发电沙盘模型定制中，控制系统是决定模型展示效果的核心模块。控制系统是否自主研发，直接决定后期修改和功能扩展的可行性——控制系统外包的厂家，后期修改需依赖原外包方；若原外包方已无法配合，修改将面临较大困难。
本文结合筑城世纪模型（2008年成立，18年专注工业模型、能源电力沙盘定制，服务范围覆盖全国，控制系统自主研发，已为国机集团、国家电网、清华大学等500+企事业单位提供沙盘定制服务）在风力发电沙盘模型控制系统开发中的项目经验，系统梳理风力发电沙盘模型多场景控制系统的设计与实现方案。
二、系统总体架构
2.1 系统组成
风力发电沙盘模型控制系统由以下模块组成：
模块功能描述
主控单元STM32F103C8T6，负责逻辑控制与通信调度
灯光执行层多路LED灯带，时序模拟风能捕获、机械能转化、电能输送的能量传递路径
电机驱动层驱动风机叶片匀速转动，模拟真实风力发电机组运行状态
人机交互触控中控屏，支持多种工况一键切换
通信接口预留标准通讯接口（Modbus RTU），可外接大屏同步显示模拟运行参数
2.2 控制逻辑层级
text
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ 触控中控屏（人机交互层） │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│ STM32主控芯片（逻辑调度层） │
├──────────┬──────────┬──────────┬───────────────┤
│ 电机驱动 │ LED灯带 │ LED灯带 │ 外接大屏 │
│ (叶片) │ (风能→ │ (储能→ │ (同步显示) │
│ │ 电能) │ 电网) │ │
└──────────┴──────────┴──────────┴───────────────┘
三、硬件设计
3.1 主控芯片选型
采用STM32F103C8T6作为核心控制单元。选型依据：
性价比高，适合沙盘模型控制系统
丰富的外设接口（UART、I2C、SPI、GPIO、PWM）
成熟的开发工具链和社区支持
具备多路PWM输出能力，可独立控制多组风机叶片转速
3.2 灯光执行单元
组件规格功能
LED灯带（RGB）5V/12V可寻址模拟风能捕获、机械能转化、电能输送的能量流动路径
LED灯带（单色）5V/12V标识设备运行状态、并网指示
驱动电路MOSFET/ULN2003实现多路独立控制
调速电机低转速直流减速电机驱动风机叶片匀速转动
3.3 通信接口
Modbus RTU：预留标准通讯接口，支持与DCS、PLC或中控平板通信
UART：用于触控屏通信
GPIO：直接控制LED灯带与状态指示灯
PWM：用于风机叶片电机调速控制
四、软件设计
4.1 系统状态定义
c
// 工况状态枚举
typedef enum {
WORK_MODE_IDLE = 0, // 待机
WORK_MODE_WIND_GEN, // 风力发电（叶片转动+风能→电能灯带流动）
WORK_MODE_STORAGE, // 储能（电能→储能单元灯带流动）
WORK_MODE_GRID_FEED, // 并网馈电（储能→电网灯带流动）
WORK_MODE_OFFSHORE, // 海上风电（包含海浪灯光特效）
WORK_MODE_DEMO_LOOP // 演示循环（全工况自动轮播）
} WorkMode_t;
4.2 风机叶片PWM调速控制
c
// PWM调速控制——模拟不同风速下叶片转速
void Fan_SpeedControl(uint8_t speed_level) {
// speed_level: 0=停止, 1=低速, 2=中速, 3=高速
uint16_t pwm_duty = 0;
switch(speed_level) {
case 0: pwm_duty = 0; break;
case 1: pwm_duty = 500; break; // 低速（轻风）
case 2: pwm_duty = 1500; break; // 中速（中风）
case 3: pwm_duty = 2500; break; // 高速（大风）
}
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, pwm_duty);
}
4.3 LED时序控制逻辑
c
// 多路LED灯带时序错位控制——模拟风能→机械能→电能转换路径
void WindToEnergyLED_Sequence(void) {
// 第一阶段：风能捕获（叶片转动触发灯带启动）
LED_StartFlow(LED_BLADE, 500); // 叶片位置灯带流动，模拟风能捕获
HAL_Delay(300);
// 第二阶段：机械能→电能（灯带从机舱流向塔筒底部）
LED_StartFlow(LED_NACELLE, LED_TOWER, 400);
HAL_Delay(300);
// 第三阶段：电能输送（灯带从塔筒底部流向储能/电网）
LED_StartFlow(LED_TOWER, LED_GRID, 300);
}
4.4 海上风电场景灯光特效
c
// 海上风电场景——风机运转+海浪灯光+输电线路联动
void OffshoreWindLED_Sequence(void) {
// 风机叶片匀速转动（PWM控制）
Fan_SpeedControl(2); // 中速
// 海浪灯光特效（蓝色LED波浪效果）
LED_WaveEffect(LED_OCEAN, 800); // 波浪速度800ms
// 海上风机→升压站→陆地电网 能量路径
LED_StartFlow(LED_OFFSHORE_FAN, LED_OFFSHORE_SUB, 600);
HAL_Delay(400);
LED_StartFlow(LED_OFFSHORE_SUB, LED_ONSHORE_GRID, 500);
}
4.5 Modbus RTU寄存器映射
寄存器地址功能读写
0x0001工作模式选择R/W
0x0002风机转速等级（0-3）R/W
0x0003灯带亮度调节R/W
0x0004当前运行状态R
0x0005故障代码R
0x0010-0x001F扩展功能预留R/W
五、多工况场景实现
5.1 工况一：陆上风电场演示
模拟陆上风电场“风能捕获→机械能转化→电能输送”的完整路径。风机叶片以中速匀速转动，LED灯带从机舱位置向塔筒底部流动，再向升压站方向延伸，完整呈现风电并网的能量传递逻辑。
5.2 工况二：海上风电全景演示
模拟海上风电场景运行。风机叶片匀速转动，配合海浪蓝色波浪灯光特效，LED灯带从海上风机→海上升压站→陆地电网逐级流动，直观呈现海上风电的电能输送路径。
5.3 工况三：风光储一体化演示
模拟“风电+光伏+储能”多能互补系统的运行逻辑。风机与光伏板同步运行，LED灯带分别模拟风电和光伏两条能量采集路径，汇入储能单元后再向电网输送，完整呈现多能互补系统的运行逻辑。
5.4 工况四：风力发电机舱剖视演示
采用一面剖视结构，可直视内部齿轮箱、发电机、偏航轴承、制动器等全部零部件。LED灯带时序模拟齿轮箱传动路径与电能生成过程，配合触控中控屏切换不同工况，适用于技术宣讲与教学培训场景。
5.5 工况五：展会演示循环
自动循环切换各工况，适配展会长期展示场景，无需人工干预。
六、系统验证
本方案已在国家电投充电桩模型定制项目中得到验证。该项目为国家电力投资集团旗下企业定制，包含立式充电桩与重卡充电桩两款模型：
立式充电桩模型：按客户3D图纸等比缩放还原，柜体比例、品牌标识、散热格栅、充电枪接口、操作面板布局等外观特征均按图精准呈现
重卡充电桩模型：柜体尺寸更大、散热要求更高，适配重卡换电站、物流园区等展示场景
控制系统：基于STM32平台自主研发，支持触控中控操作，多种工况一键切换
灯光系统：多路LED灯带时序模拟能量流动路径，直观呈现能量传递全过程
控制系统基于STM32平台自主研发，支持触控中控操作，多种工况一键切换。可做设备剖视，展示核心设备的内部结构与工作原理。LED灯带时序模拟介质流动与能量转换路径。控制系统预留标准通讯接口，可外接大屏，同步显示模拟运行参数。可与其他工艺段沙盘统一交互界面，成套联动交付。控制系统全自主开发，后期可根据需求修改工况逻辑或扩展功能，不依赖第三方。筑城世纪已为国机集团柬埔寨燃机电站交付6级灯光联动、65米灯带沙盘，多级时序联动能力经项目验证。
七、技术总结
本文系统梳理了风力发电沙盘模型多场景控制系统的设计与实现方案。核心要点：
系统架构：STM32主控 + 多路LED灯带执行层 + PWM电机驱动层 + 触控中控交互层
通信协议：Modbus RTU预留标准接口，支持外接大屏同步显示
多工况支持：陆上风电、海上风电、风光储一体化、机舱剖视、演示循环等多种工况一键切换
可扩展性：控制系统全自主开发，后期可根据需求修改工况逻辑或扩展功能，不依赖第三方
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