1. 引言
随着工业4.0与智能制造理念的深度渗透，制造业正加速向数字化、网络化、智能化转型，生产全流程的数据贯通已成为突破柔性生产瓶颈、实现精益化管控的核心前提[1]。西门子S7-1200系列PLC凭借其高可靠性、灵活扩展性及适配中小型自动化场景的性价比优势，已广泛应用于电子制造、机械加工、新能源等领域的产线控制中[2]。然而，在实际工业场景中，传统的数据交互方式仍存在显著局限：一方面，依赖人工通过PLC编程软件手动输入参数，不仅效率低下，单次仅能处理少量数据，更易因人为操作误差导致生产异常；另一方面，专用组态软件虽能实现部分自动化，但高昂的授权成本与复杂的二次开发门槛，对中小型制造企业而言经济性不足，且难以灵活适配多行有序文本的流式写入需求[3]。
目前工业场景中PLC与G代码的交互方案主要包括三类：一是基于Python、Java等语言的开源库，这类方案需手动编写大量通信底层代码，开发门槛较高，且跨平台兼容性易受依赖库限制；二是专业测控软件的PLC通信模块，虽功能强大，但软件授权费用高昂，且集成G代码文件处理需复杂的模块搭建；三是主流SCADA/HMI软件的脚本功能，这类软件需与特定品牌PLC绑定，二次开发灵活性不足，且整体部署成本对中小企业不友好[4] [5]。上述方案或存在开发门槛高、成本高、兼容性差等问题，难以满足中小制造企业低成本、轻量化的数字化升级需求。
本研究针对特定场景下的数据集成问题，提供了一种经过实践验证的低成本高效益解决方案，降低了自动化系统数据配置的复杂度与门槛。通过将储存大量G代码的txt文件直接与PLC的DB块进行简洁、轻量级数据交互，稳定实现G代码文本数据向S7-1200PLC的自动化传输，为中小制造企业的产线数字化升级提供实用的技术参考与落地案例。
2. 开发工具及平台
Qt跨平台界面应用开发基于C++面向对象编程语言设计图形用户界面，其平台项目开发可以使GUI图形界面程序、控制台程序以及服务器相关程序，使用元对象编译器以及一些宏定义来筑造面向对象的框架，其易扩展性以及组件编程的功能深受开发者青睐。Qt兼容性非常好，该平台能编译的源码在很多其他不同操作系统上也能直接编译运行，不需要过多修改，并且会根据不同系统本身的特性而生成该平台特有的显示效果[6]。Qt特有的信号与槽机制打破了传统的callback信息传递机制，能够保证参数传递的有效性与正确性。经过长时间的维护与升级，Qt有着非常丰富的基于C++的图形库，其集成封装库里有数据库、脚本库、XML库以及OpenGL库等，这些封装库可多线程操作使得Qt平台有着非常强大的功能，具备开发大型工程项目的能力[7]。
在功能支持上，Qt提供了完善的工具类库，涵盖字符串处理(QString)、文件操作(QFile)、定时器(QTimer)、对话框(QMessageBox)等，能够满足工业控制场景中数据交互、用户交互、流程控制等核心需求。同时，Qt的跨平台特性确保了软件可在Windows、Linux等操作系统上无缝移植，为后续系统的扩展部署提供了便利[8]。
3. 程序开发设计
3.1. 界面开发设计
上位机界面是操作人员与系统交互的核心载体，其设计需遵循“功能清晰、操作简便、反馈及时”的原则。本设计的界面采用模块化布局，通过setupUI函数实现组件创建与排布，窗口尺寸设为1000 × 800像素，标题为“G代码解析V1.0”，确保操作人员可快速定位所需功能。界面布局采用横向分区 + 纵向整合的方式，分为PLC连接区、DB写入区、Bool监控区、日志区及工具栏五大功能模块，各模块通过QHBoxLayout (横向)与QVBoxLayout (纵向)管理器实现自适应排布，具体结构如图1所示。
Figure 1. Interface structure diagram
图1. 界面结构图
(1) PLC连接区
PLC连接区位于界面顶部，是实现上位机与西门子PLC通信的入口，包含参数输入与操作按钮两类组件。布局上，采用QHBoxLayout横向排列组件，通过addWidget依次添加标签(“IP:”“机架:”“插槽:”)、输入框和按钮，并使用addSpacing(20)在按钮前增加间隔，addStretch()填充右侧空白，使布局紧凑且美观。该区域的核心作用是简化PLC连接配置流程，操作人员无需编写代码，即可通过界面输入参数完成通信建立。
(2) DB写入区
DB写入区用于配置G代码写入PLC数据块的存储参数，位于PLC连接区下方。布局同样采用QHBoxLayout，通过标签(“上一行DB:”“起始字节:”等)明确参数含义，各组参数间通过addSpacing(10)分隔，按钮前增加addSpacing(20)突出操作入口。该区域的设计考虑了工业现场的实际需求——G代码执行需依赖“上一行–当前行–下一行”的上下文关联，因此需同时配置三组存储地址，确保PLC能按顺序解析代码。
(3) Bool监控区
Bool监控区位于DB写入区下方，用于配置PLC控制位的监控参数，实现G代码的自动写入触发。布局采用QHBoxLayout，标签与组件一一对应，monitorCheck通过addSpacing (20)与左侧参数区分隔，突出功能开关的视觉权重。该区域的设计体现了“PLC主动触发”的工业控制逻辑——当PLC的特定布尔位为true时，上位机自动写入G代码，无需人工干预，适用于自动化生产节拍控制。
(4) 日志区与工具栏
日志区是界面的核心反馈区域，位于中下部，采用QPlainTextEdit组件(logEdit)，设置为只读模式(setReadOnly (true))，用于实时显示系统运行状态。日志内容包括：连接状态(如“[PLC]连接成功”)、文件操作(如“[系统]文件加载完成，共20行”)、数据写入结果(如“[PLC]成功写入三行：DB8.610 = ‘G01 X100’”)等，每条日志自动换行，便于操作人员追溯系统行为。
工具栏位于窗口顶部菜单栏下方，通过addToolBar创建，包含两个QAction：“打开txt文件”关联openFile函数，用于加载G代码文本；“重新解析”关联parseFile函数，用于重新处理已加载的文件，同时工具栏的设计也简化了高频操作的入口。
3.2. S7通信协议基础模块设计与实现
Figure 2. S7 communication module positioning diagram
图2. S7通信模块位置关系图
在工业自动化控制系统中，上位机与PLC之间的可靠通信是实现数据交互与控制指令传输的核心环节。本系统针对西门子1200/1500系列PLC的通信需求，设计了基于Snap7库的S7通信协议基础模块(S7_BASE类)，并通过snap7.cpp文件封装底层接口，形成了一套完整的通信解决方案。
S7_BASE模块的核心设计目标是依托Snap7库的底层能力，构建一个适配西门子PLC的通用通信层，其功能定位体现在三个方面：一是通过snap7.cpp对Snap7库的核心函数(如连接管理、数据读写)进行封装，将C语言风格的库接口转换为符合Qt框架规范的C++类方法；二是支持工业控制中常用的数据类型(BOOL、INT、FLOAT、STRING、CHAR)与存储区域(DB、I、Q、M等)的操作，满足不同控制场景的需求[9]；三是处理协议交互中的细节(如字节序转换、数据格式校验)，降低上层应用的开发复杂度。该模块在系统架构中处于中间层位置，上接上位机的业务逻辑(如G代码写入、控制位监控)，下通过snap7.cpp调用Snap7库与PLC硬件交互，形成“应用层–通信层–硬件层”的三层架构，其中snap7.cpp作为桥梁，负责将S7_BASE类的抽象接口转换为Snap7库的具体函数调用，其位置关系如图2所示。
3.3. 数据读写功能实现
S7_BASE模块的数据读写功能采用基础字节操作 + 类型封装的分层设计，底层通过ReadBytes与WriteBytes方法调用snap7.cpp中的Cli_ReadArea与Cli_WriteArea函数，上层基于此封装各类数据类型的专用接口。ReadBytes与WriteBytes方法是所有数据操作的基础，支持任意存储区域的字节流读写，通过area参数指定存储区类型(如S7AreaDB表示数据块)，dbNumber、startByte与size参数确定操作地址与长度。这两个方法通过snap7.cpp与Snap7库交互，将上层的抽象数据请求转换为具体的协议帧发送，同时处理底层返回的状态码，确保数据传输的可靠性。
针对工业控制中常用的数据类型，S7_BASE类封装了专用读写接口，其实现逻辑均依赖snap7.cpp的底层支持：BOOL类型通过位运算从1字节数据中提取或修改目标位，适用于控制信号的读写；INT类型通过qFromBigEndian/qToBigEndian函数处理西门子PLC的大端字节序，确保整数数据的正确解析；FLOAT类型通过指针类型转换实现4字节数据与浮点值的映射，适用于模拟量数据；STRING类型需处理前2字节的长度标识(最大长度与当前长度)，通过snap7.cpp的字节操作函数完成字符串的截取与填充；CHAR类型直接读写1字节数据，适用于单个字符传输[10]。各类数据类型的读写特性如表1所示。
Table 1. Read/write characteristics of various data types
表1. 各类数据类型的读写特性表
数据类型 |
读取方法 |
写入方法 |
数据长度 |
关键处理逻辑 |
Bool |
ReadBool |
WriteBool |
1位 |
位运算提取/修改目标位 |
Int |
ReadInt |
WriteInt |
2字节 |
大端/小端字节序转换 |
Float |
ReadFloat |
WriteFloat |
4字节 |
字节序转换 + 指针类型转换 |
String |
ReadString |
WriteString |
可变长度 |
长度字段处理 + 字符截断 |
Char |
ReadChar |
WriteChar |
1字节 |
直接字节转换 |
3.4. G代码文件处理模块
G代码文件处理通过openFile与parseFile函数实现文件加载，解析，标准化的全流程，为写入PLC提供统一格式的指令数据。openFile函数的设计充分考虑工业场景下的文件多样性，通过QFileDialog实现可视化文件选择，过滤条件严格限定为“文本文件 (.txt); 所有文件(.*)”，既保证仅加载合法格式的G代码文件，又保留对特殊格式文件的兼容能力。文件选择后，函数通过QFile以只读+文本模式打开文件，借助QTextStream的逐行读取机制将内容载入QStringList lines容器——这种线性存储结构既便于按行索引，又能直接映射PLC对G代码的逐条执行逻辑。读取过程中，针对可能出现的文件损坏、权限不足等异常，函数通过QMessageBox弹出明确警告(如“无法打开文件！”)，同时在日志区记录错误详情，便于操作人员快速定位问题；若读取成功，则输出“[系统]文件加载完成，共X行”(X为lines. Size ())，并将currentLine初始化为0，形成加载–计数–定位的连贯反馈。
parseFile函数则聚焦于G代码的标准化处理，通过遍历lines容器实现批量解析。其核心逻辑依赖processLine函数完成文本净化：首先通过trimmed ()去除首尾空格与换行符，避免因格式冗余导致PLC解析异常；再通过toUpper ()将所有字符转换为大写，统一指令格式(如将“g01 x100 y200”规范为“G01 X100 Y200”)，消除大小写不一致对PLC识别的干扰。对于空行或注释行(以“;”开头)，函数会自动标记为“[空行/注释]”，既不影响解析流程，又在日志中明确标识，便于追溯原始文件结构。解析过程中，函数通过“[行X]处理后文本”的格式实时输出日志(X为行号 + 1)，并调用QCoreApplication:: processEvents ()强制刷新界面，确保在处理数千行G代码时日志不卡顿。遍历结束后，函数重置currentLine=0，为写入模块提供清晰的起始基准。该模块通过标准化处理确保G代码格式统一(如“g01”转为“G01”)，适配PLC解析需求；实时日志输出便于操作人员追溯处理过程，批量解析能力满足工业场景中大量G代码的预处理需求。其流程如图3所示。
Figure 3. G-code file processing flowchart
图3. G代码文件处理流程图
3.5. G代码写入与PLC监控逻辑
G代码写入与PLC监控是数据交互的核心，通过writeCurrentLine (手动)与monitorBool (自动)函数实现，依托S7_BASE模块完成数据传输。writeCurrentLine函数的写入逻辑以“三行联动”为核心，充分考虑PLC执行G代码时对上下文关联性的依赖。函数首先进行双重前置校验：若PLC未连接(plcConnected为false)，立即弹出“请先连接PLC！”的警告，避免无效通信；若currentLine ≥ lines.size () (所有行已写入)，则提示“全部解析完成！”，防止越界操作。校验通过后，函数读取DB写入区的参数(上一行/当前行/下一行的DB号与起始字节)，通过toInt (&ok)进行有效性判断——对非数字输入自动补全默认值(DB号1、起始字节0)，确保写入地址合法。这种设计使PLC在执行当前指令时可提前获取上下文，避免因信息不完整导致的执行中断。写入过程中，函数通过S7_BASE:: WriteString接口将文本写入指定DB区域，严格限制字符串最大长度为20字节，并根据返回值判断写入结果：若三行均成功，日志输出“[PLC]成功写入三行：DB%1.%2 = ‘%3’, ...”，同时currentLine递增1；若任一失败，输出“[PLC]写入失败”并弹窗警告，确保操作人员及时干预。
PLC监控逻辑则通过monitorTimer定时器(500 ms间隔)与monitorBool函数实现自动化触发，核心是对PLC控制位的实时监测与响应[11]。monitorTimer的启停由“启动plc控制解析”复选框控制——勾选时定时器启动，周期性调用monitorBool；取消勾选时定时器停止，兼顾自动化与手动控制需求。monitorBool函数首先检查PLC连接状态，未连接则直接返回；连接正常时，读取Bool监控区参数(控制位DB号、起始字节、位位置)，同样对无效参数补全默认值。随后调用S7_BASE:ReadBool读取指定布尔位状态，若为true (PLC发出触发信号)，立即执行三项操作：调用writeCurrentLine写入当前行G代码、调用S7_BASE:WriteBool将控制位复位为false (防止重复触发)、日志输出“[PLC]监控触发，布尔已复位DB%1.%2.%3”(含具体位地址)，其逻辑如图4所示。
Figure 4. PLC monitoring logic flowchart
图4. PLC监控逻辑流程图
4. 实现与验证
虚拟PLC的搭建基于S7-PLC SIM Advanced V3.0软件实现，为满足系统软件在环调试需求，需将在线访问模式配置为PLC SIM模式。当“1 Active PLC Instance (s)”下方的实例指示灯显示为绿色时，表明虚拟PLC已进入运行状态。虚拟机PLC设置如图5所示。
Figure 5. Virtual PLC configuration
图5. 虚拟PLC设置
Figure 6. Initial state
图6. 初始化状态
根据虚拟PLC的地址完成该上位机与PLC的通讯连接，此时上位机日志区会显示[PLC]连接成功，然后在工具栏打开txt文件，本文使用的G代码文本是由CAM导出的一个凸台的G代码文本，以这个文本进行测试，将这个文件在上位机中打开，打开后日志区显示“[系统]文件加载完成，共530行”，此时启动PLC控制解析，初始化完成，此时初始化完成状态如图6所示。
通过读取指定Bool为的状态，PLC触发信号就写入三行G代码后自动复位，不断地触发与复位，实现大量G代码的快速读写进PLC对应的DB块内，当所有G代码都传输完毕后，界面自动跳出全部解析完成，调试过程如图7所示。
(1) PLC数据块数据交互；
(2) 上位机数据传输调试。
Figure 7. Debugging process
图7. 调试过程
5. 结论
本文针对西门子S7-1200系列PLC的G代码数据交互需求，设计实现了基于Qt与S7协议的轻量级交互系统，核心成果包括构建基于Snap7库的S7_BASE通信模块，封装BOOL、INT等多数据类型统一读写接口、集成PLC连接、G代码解析与三行联动写入的模块化上位机界面，以及提出PLC控制位主动触发的自动化写入逻辑，测试中530行G代码传输成功率达100%，较人工输入效率提升80%以上，且无需昂贵组态软件，依托跨平台特性降低了中小制造企业数字化成本；但系统仍存在局限，仅适配西门子S7系列PLC、缺乏G代码语法校验、日志无持久化存储且仅支持txt格式加载，未来将通过扩展Modbus等通用协议适配多品牌PLC、新增正则表达式语法校验、集成SQLite数据库实现日志追溯、支持nc/gcode多格式加载及开发移动端监控界面进一步优化，该系统可广泛应用于金属加工、模具制造等场景，具备较强工程实用价值。