一個實際的plc控制系統(tǒng)是以plc為核心組成的電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)設備和工業(yè)過程的自動控制。plc控制系統(tǒng)設計的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)效率，關系到企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，在設計plc控制系統(tǒng)時要全面了解被控對象的機構和運行過程，明確動作的邏輯關系，最大限度地滿足生產(chǎn)設備和生產(chǎn)過程的控制要求，同時力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用及維護方便，并保證控制系統(tǒng)安全可靠。
用戶在使用plc進行實際系統(tǒng)設計的過程中，會自覺或不自覺地遵循一定的方法和步驟。plc是一種特殊的計算機，在體系結(jié)構、運行方式和編程語言等方面有別于普通計算機，因此在設計方法和步驟上有其特殊性。雖然不能要求必須先做什么，后做什么，具體應該怎樣做，但必須遵循一些共同的原則，使plc應用系統(tǒng)的設計方法和步驟符合科學化，形成工程化，趨于標準化。
一、 設計原則及方法
1.系統(tǒng)設計的基本原則
在進行plc控制系統(tǒng)的設計時，一般應遵循以下幾個原則：
（1）完全滿足被控對象的工藝要求。
（2）在滿足控制要求和技術指標的前提下，盡量使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟。
（3）控制系統(tǒng)要安全可靠。
（4）在設計時要給控制系統(tǒng)的容量和功能預留一定的裕度，便于以后的調(diào)整和擴充。
2.設計內(nèi)容
（1）根據(jù)被控對象的特性及用戶的要求，擬定plc控制系統(tǒng)的技術條件和設計指標，并寫出詳細的設計任務書，作為整個控制系統(tǒng)設計的依據(jù)。
（2）參考相關產(chǎn)品資料，選擇開關種類、傳感器類型、電氣傳動形式、繼電器/接觸器的容量以及電磁閥等執(zhí)行機構。
（3）選擇plc的型號及程序存儲器容量，確定各種模塊的數(shù)量。
（4）繪制plc的輸入/輸出端子接線圖。
（5）設計plc控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序。
（6）輸入程序并調(diào)試，根據(jù)設計任務書進行測試，提交測試報告。
（7）根據(jù)要求設計電氣柜、模擬顯示盤和非標準電器元部件。
（8）編寫設計說明書和使用說明書等設計文檔。
3.設計方法及步驟
（1）詳細了解和分析被控對象的工藝條件，根據(jù)生產(chǎn)設備和生產(chǎn)過程的控制要求，分析被控對象的機構和運行過程，明確動作的邏輯關系（動作順序、動作條件）和必須要加入的聯(lián)鎖保護及系統(tǒng)的操作方式（手動、自動）等。
（2）根據(jù)被控對象對plc控制系統(tǒng)的技術指標，確定所需輸入/輸出信號的點數(shù)，選配適當?shù)膒lc。
（3）根據(jù)控制要求有規(guī)則、有目的地分配輸入/輸出點（i/o分配），設計plc的i/o電氣接口圖（plc的i/o口與輸入/輸出設備的連接圖）。繪出接線圖并接線施工，完成硬件設計。
（4）根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求畫出系統(tǒng)的工藝流程圖。
（5）根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程圖設計出梯形圖，同時可進行電氣控制柜的設計和施工。
（6）如用編程器，需將梯形圖轉(zhuǎn)換成相應的指令并輸入到plc中。
（7）調(diào)試程序，先進行模擬調(diào)試，然后再進行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試時可模擬用戶輸入設備的信號給plc，輸出設備可暫時不接，輸出信號可通過plc主機的輸出指示燈監(jiān)控通斷變化，對于內(nèi)部數(shù)據(jù)的變化和各輸出點的變化順序，可在上位計算機上運行軟件的監(jiān)控功能，查看運行動作時序圖。
（8）程序模擬調(diào)試通過后，接入現(xiàn)場實際控制系統(tǒng)與輸入/輸出設備聯(lián)機調(diào)試，如不滿足要求，再修改程序或檢查更改接線，直至滿足要求。調(diào)試成功后做程序備份，同時提交測試報告。
（9）編寫有關技術文件（包括i/o電氣接口圖、流程圖、程序及注釋文件、故障分析及排除方法等），完成整個plc控制系統(tǒng)的設計。
以上是設計一個plc控制系統(tǒng)的大致步驟，具體系統(tǒng)設計要根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模的大小、控制要求的復雜程度、控制程序步數(shù)的多少靈活處理，有的步驟可以省略，也可作適當?shù)恼{(diào)整。
4.設計任務書的確定
生產(chǎn)工藝流程的特點和要求是設計plc控制系統(tǒng)的主要依據(jù)，所以必須詳細了解和分析對象的特性。設計任務書一般應包括以下幾個方面：
（1）控制系統(tǒng)的名稱。
（2）控制的任務和范圍。在設計任務書中指明控制對象的范圍，必須完成的動作，包括動作時序和方式（手動、自動，點動、間斷、連續(xù)等）等。
（3）檢測和控制的參數(shù)表（i/o分配表）。根據(jù)工藝指標、操作要求和安全措施等確定檢測點和控制點的含義、數(shù)量、量程、精度、特性、安裝位置等。一般在滿足控制要求和技術指標的前提下，檢測點和控制點應盡可能地少，并且精度要求也應以滿足實際需要為準，否則將使控制系統(tǒng)復雜化，增加系統(tǒng)成本。
（4）參數(shù)之間的關系。明確在控制過程中各輸入/輸出量之間的先后順序和邏輯關系。
二、 plc的選型
plc是一種通用的智能化工業(yè)控制設備，其檔次和功能面向各種各樣的應用，眾多的生產(chǎn)廠家提供了各種系列、各種功能的產(chǎn)品。目前常見的國內(nèi)外plc產(chǎn)品有幾百種型號。這為用戶提供了廣泛的選擇余地，但也給一般用戶的選型帶來一些不便。下面簡要介紹如何合理地選型，以組成經(jīng)濟實用的控制系統(tǒng)。
1.plc的形式與規(guī)模的選擇
plc的選型前提是在功能上應滿足生產(chǎn)過程的工藝要求。對于只含有開關量控制的系統(tǒng)，一般的小型plc即可滿足要求，不需要特別考慮plc的掃描速度。
如果被控對象以開關量控制為主，只有少量的模擬量控制，則可考慮選用小容量、高性能的機型，如fp3、fp5等系列。這類plc除了開關量處理外，還具有較強的算術運算和數(shù)據(jù)處理等功能。對于模擬量控制，就需要考慮plc的掃描速度。
復雜的控制系統(tǒng)一般含有較多的開關量輸入/輸出，如對模擬量的控制要求也較高，可考慮選用中檔和高檔機型，如fp10、fp10s、fp10sh等系列的plc。中、高檔plc都具有模擬量輸入/輸出、pid運算、閉環(huán)控制和快速響應等功能，但價格較高。對于更復雜的控制系統(tǒng)，其控制點既多又分散，一般要求較快的響應速度，并具有數(shù)據(jù)處理、文件管理、分析決策等功能，就要選用具有通信聯(lián)網(wǎng)等功能的plc系統(tǒng)，以組成分布式工業(yè)控制網(wǎng)絡。
2.plc的機型與容量的選擇
（1）plc機型的選擇
根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求和容量來選擇plc，首先是plc生產(chǎn)廠家的選擇，在完成相同功能的情況下，選擇廠家在考慮可靠性的同時兼顧經(jīng)濟性。接下來根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的技術資料選擇機型，注意考慮輸出類型（如晶體管型、繼電器型和晶閘管型）、i/o點數(shù)和工作電源等。若電氣控制柜還需與其他控制柜聯(lián)網(wǎng)運行，選型時還需考慮有無聯(lián)網(wǎng)功能。對于工藝過程相對穩(wěn)定、使用環(huán)境相對較差的場合，宜選用整體式plc。對于較復雜的系統(tǒng)，可選用模塊式plc，以便于調(diào)整、擴充以及快速方便地判斷與處理故障。
此外，對于一個單位而言，應盡量使機型統(tǒng)一，以便于系統(tǒng)的設計、管理、使用和維護。
（2）plc容量的選擇
plc容量包括輸入/輸出點數(shù)和用戶程序存儲器兩個方面。
①輸入/輸出點數(shù)（i/o點數(shù)）的估算
根據(jù)被控對象的輸入信號與輸出信號的總點數(shù)，再考慮15%～20%的備用量，以便以后的調(diào)整和擴充。
②用戶程序存儲器容量的估算
用戶程序存儲器容量與許多因素有關，如i/o點數(shù)、運算處理量以及程序的結(jié)構等，因此不可能預先準確地計算出程序容量，只能作粗略的估算。一些項目所占的存儲空間可參照以下原則進行估算：
l開關量輸入：5～10步/點。
l開關量輸出：3～5步/點。
l模擬量輸入/輸出：50～80步/通道。
l定時器/計數(shù)器：3～5步/個。
l通信接口：200步/個。
l數(shù)據(jù)處理：5～10步/量。
最后按所估算的總步數(shù)再加100%的備用量。需要注意的是，有些小型plc的用戶程序存儲器容量是固定的，在選擇時要充分考慮。
3.開關量輸入/輸出模塊的選擇
不同的開關量i/o模塊的電路組成不同，開關量i/o模塊的選擇主要是根據(jù)點數(shù)、電路結(jié)構、電壓形式、電壓范圍等方面。
（1）開關量輸入模塊的選擇
plc的開關量輸入模塊用來檢測來自現(xiàn)場（如按鍵、行程開關、接近開關等）的通斷信號，并經(jīng)過隔離、放大、整形和電平轉(zhuǎn)換等處理后輸入plc內(nèi)部。對開關量輸入模塊，主要是選擇點數(shù)和輸入電壓形式，輸入電壓一般有24v的直流和110v或220v的交流。
選擇輸入模塊應考慮以下幾點：
①輸入模塊的工作電壓應盡量與現(xiàn)場輸入設備（有源的）的一致，可以省掉轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。
②高密度的輸入模塊，如32點或64點，因受工作電壓、工作電流和環(huán)境溫度的限制，一般可同時接通的點數(shù)不得超過該模塊輸入點數(shù)的60%。
（2）開關量輸出模塊的選擇
plc的輸出模塊是將其內(nèi)部的低電平控制信號經(jīng)隔離后轉(zhuǎn)換成外部所需電平的輸出信號，以驅(qū)動外部負載。對開關量輸出模塊，主要是選擇其點數(shù)和輸出方式。輸出方式有晶體管、晶閘管和繼電器三種。選擇輸出模塊應考慮以下幾點：
①輸出方式
繼電器輸出可任意使用交流或直流工作電源，價格相對便宜，輸出電壓適應范圍廣，導通壓降小，承受瞬時過電壓和過電流的能力強，具有隔離作用。但繼電器觸點的響應速度慢，工作壽命較短，適用于動作不頻繁的交直流負載。在驅(qū)動感性負載時，最高通斷頻率一般不超過1hz。晶體管（使用直流工作電源）和晶閘管輸出（使用交流工作電源）都為無觸點開關輸出，適用于驅(qū)動動作頻繁的負載。
②輸出電壓（電流）
輸出模塊的輸出電壓（電流）必須大于負載電壓（電流）的額定值，并留有足夠的余量。
③允許同時接通的輸出點數(shù)
在選用輸出模塊時，不但要看一個輸出點的驅(qū)動能力，還要保證不超過公共端（com端）所允許的電流值。
4.模擬量輸入/輸出模塊的選擇
（1）模擬量輸入模塊的選擇
對于輸入連續(xù)變化的電壓、壓力、流量等物理量，需采用相應的傳感器或變送器轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǚ秶鷥?nèi)的電壓或電流信號，然后使用模擬量模塊輸入到plc中。模擬量輸入模塊按通道分為2、4、8通道等規(guī)格，按電路結(jié)構分為普通型和隔離型，按輸入信號形式和范圍有－10～10v、0～5v、1～5v、0～20ma、4～20ma等。有的模塊可設定電流還是電壓，甚至可設定范圍，選擇輸入模塊應考慮以下幾點：
①輸入方式及范圍
根據(jù)輸入設備來選擇電壓型或電流型輸入方式的模塊，電流型的抗干擾能力高于電壓型。模塊的輸入有效范圍越大，其適應性較強，但絕對誤差偏大。
②轉(zhuǎn)換分辨率
分辨率與系統(tǒng)的控制精度有關。一般的模塊有12位以上的分辨率，可以滿足一般的要求。如輸入信號范圍可變，可分辨的最小的信號單位也隨之變化。
③轉(zhuǎn)換速度
轉(zhuǎn)換速度與控制系統(tǒng)的實時性有關。模塊的轉(zhuǎn)換速度有快有慢，考慮到濾波效果，模擬量輸入模塊大多采用積分式a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度一般為毫秒級。通常各通道的轉(zhuǎn)換以串行方式進行，如因轉(zhuǎn)換速度而影響控制性能時，可選用專用的高速模塊。
（2）模擬量輸出模塊的選擇
模擬量輸出模塊能輸出被控設備所需的規(guī)定信號范圍的電壓或電流，如0～5v、－10～10v或4～20ma等。模擬量輸出模塊的選擇考慮與模擬量輸入模塊相同。為了滿足特殊的需求，可選用相應的專用智能模塊。
此外還要考慮與plc的i/o口相連的輸入/輸出設備的選型，包括輸入設備（如按鈕、行程開關、傳感器、變送器等）和輸出設備（繼電器、接觸器、調(diào)節(jié)閥、信號指示燈等）的選型，以及由輸出設備驅(qū)動的各種控制對象（如電動機、電磁閥等）的選型，選擇此類設備要考慮備件的通用性。
以上簡要地介紹了plc選型的一般依據(jù)和通常需考慮的幾個因素，設計者應根據(jù)實際的需要綜合考慮，選擇性能價格比合適的產(chǎn)品，完全滿足被控對象的控制要求，充分發(fā)揮plc的功能，并兼顧到系統(tǒng)的擴充性。
三、 系統(tǒng)設計
plc應用系統(tǒng)的設計一般包括硬件設計和軟件設計兩部分，硬件設計一般相對比較簡單，通常在輸入/輸出選型后將外部設備連接到plc即可。軟件設計通常是用梯形圖將控制任務描述出來，實現(xiàn)相應的控制功能。所以畫梯形圖（即軟件設計）是plc應用系統(tǒng)設計的核心任務。