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一、确定控制对象和控制范围
控制系统设计的第一步就是确定控制对象和控制范围。因为这样，才能知道PLC控制系统所应具有的功能，从而选择一款适合的PLC机型。
首先，要详细分析被控对象、控制过程和要求，熟悉工艺流程并列出所有的功能和指标要求后，与继电器控制系统和工业控制系统进行比较，加以选择。如果对可靠性和安全性的要求比较高，同时控制对象所处的环境又比较差，特别是系统工艺复杂多变，输入/输出又以开关量居多，则比较适合用PLC进行控制，而用常规的继电器控制系统往往难以胜任。确定了控制对象之后，应进一步确定PLC的控制范围。对于那种机械重复式的操作，或者容易出错的操作，以及要求比较精确的操作，应该交给PLC控制。而那些紧急状况的处理，和对智能判断要求比较高的操作，可以留有人工手动操作方式的接口。
二、PLC机型的选择
PLC机型选择的基本原则：在功能满足的前提下，力争最好的性价比，并有一定的可升级性。首先，按实际控制要求进行功能选择：单机控制还是要联网通信；一般开关量控制，还是要增加特殊单元；是否需要远程控制；现场对控制器的响应速度有何要求；控制系统与现场是分开还是在一起，等等。然后，根据控制对象的多少选择适当的I/O点数和信道数；根据I/O信号选择I/O模块，选择适当的程序存储量。在具体选择PLC的型号时可考虑以下几个方面。
1、 功能的选择
对于以开关量为主，带少量模拟量控制的设备，一般的小型PLC就可以满足要求。对于模拟量控制的系统，具有很多闭环控制的系统，可视控制规模的大小和复杂程度，选用中档或高档机。对于需要联网通信的控制系统，要注意机型统一，以便其模块可相互换用，便于备件采购和管理。功能和编程方法的统一，有利于产品的开发和升级，有利于技术水平的提高和积累。对有特殊控制要求的系统，可选用有相同或相似功能的PLC。选用有特殊功能的PLC，可不必添加特殊功能模块。配了上位机后，可方便地控制各独立的PLC，连成一个多级分布的控制系统，相互通信，集中管理。
2、 基本单元的选择
基本单元的选择包括响应速度、结构形式和扩展能力。
对于以开关量控制为主的系统，一般PLC的响应速度足以满足控制的需要。但是对于模拟量控制的系统，则必须考虑PLC的响应速度。在小型PLC中，整体式比模块式的价格便宜，体积也较小，只是硬件配置不如模块式的灵活。在排除故障所需的时间上，模块式相对来说比较短。应该多加关注可扩展单元的数量、种类及扩展所占用的信道数和扩展口等。
3、 编程方式
PLC的编程包括在线编程和离线编程。
PLC的在线编程：有两个独立的CPU，分别在主机和编程器上。主机CPU主要完成控制现场的任务，编程器CPU主要处理键盘编程命令。在扫描周期末尾，两个CPU会互相通信，编程器中的CPU会把改好的程序传送给主机，主机将在下一扫描周期时，按照新的程序进行控制，完成在线编程的操作。可在线编程的PLC由于增加了软、硬件，价格较高，但应用范围比较广泛。
PLC的离线编程：主机和编程器共享一个CPU，在同一时刻，CPU要么处于编程状态，要么处于运行状态，可通过编程器上的“运行/编程”开关进行选择。此种方式减少了软、硬件开销，因此价格比较便宜，中、小型的PLC多采用离线编程的方式。
三、内存容量估计
内存的容量会受到内存利用率、开关量I/O点数、模拟量I/O点数及用户编程水平的影响。
1、 内存利用率
内存利用率是指一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器码所需内存字数的比值。对于同一个程序而言，高利用率可以降低内存的使用量，还可以缩短扫描时间，提高系统的响应速度。
2、 开关量输入和输出的点数
PLC输入和输出的总点数对所需内存容量的大小影响较大。一般的系统中，开关量输入和输出的比为6：4，根据经验公式，可以算出所需内存的字数：所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数× 10
3、 模拟量输入和输出的点数
模拟量的处理要用到数字传送和运算的功能指令，内存利用率较低，需要更多的内存。模拟量输入，一般要经过读入、数字滤波、传送和比较等，模拟量输出，可能还需要比较复杂的运算和闭环控制，将上述步骤编制成子程序进行调用，可大大减少所需内存的容量。以下是针对10点左右的模拟量的经验公式。
只有模拟量输入时：内存字数=模拟量点数× 100
模拟量输入/输出共存时：内存字数=模拟量点数× 200
当点数小于10时，要适当加大内存，反之可适当减小。
4、 程序质量
质量高的程序往往短小精干，占用内存少。对于初学者在考虑内存容量时，可多留一点余量。
四、I/O模块的选择
1、PLC控制系统I/O点数估算
下表是典型传送设备及电气组件所需I/O点数表。
1）控制电磁阀所需的I/O点数
PLC控制一个单线圈电磁阀需要2个输入点和1个输出点；控制一个双线圈电磁阀需要3个输入点和2个输出点；控制一个比例式电磁阀需要3个输入点和5个输出点。另外，控制一个开关需要1个输入点、一个信号灯需要1个输出点，而波段开关有几个波段就需要几个输入点。一般情况下，各种位置开关都需要2个输入点。
2）控制交流电动机所需的I/O点数
PLC控制交流电动机时，是以主令信号和反馈信号作为PLC的输入信号的。例如，用PLC控制一台可逆运行的笼形电动机，需要5个输入点和2个输出点。控制一台Y-△启动的交流电动机，需要4个输入点和3个输出点。
3）控制直流电动机所需的I/O点数
直流调速的主要形式是晶闸管直流电动机调速系统，主要采用晶闸管整流装置对直流电动机供电。一般来说，用PLC控制一个可逆直流传动系统大约需要12个输入点和8个输出点，一个不可逆的直流传动系统需要9个输入点和6个输出点。
估算出被控对象的I/O点数后，应留有20%～30%的I/O备用量，即可选择相应的PLC。对于单机自动化或机电一体化的产品，可以选用小型PLC；对于控制系统规模较大、输入/输出点数又多的，可选用大、中型PLC。
2、 输入和输出模块的选择
输入模块的功能主要是检测来自现场设备的输入信号，并将其转换成PLC内部可处理的电平信号。输入模块的类型有直流和交流两种，直流又分为5V、12V、24V、60V和68V；交流又分为115V和220V两种。对于传输距离比较近的，可以选用低电平，如5V、12V和24V；对于传输距离比较远的，从可靠性角度考虑，宜选用高电压的模块。从所接负载多少的方面而言，同时接通的点数不得超过60%。另外，为了提高系统的稳定性，还必须考虑阈值电平（接通电平与断开电平的差值）的大小。阈值电平越大，有利于远距离的传输，其抗干扰能力也就越强。
输出模块的功能是将内部的输出电平转换成可匹配外部负载设备的控制信号。
注意：输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的输出电流大小要大于负载电流的额定值。
五、 PLC的硬件设计
硬件设计要完成系统流程图的设计，详细说明各个输入信息流之间的关系，具体安排输入和输出的配置，以及对输入和输出进行地址分配。
在对输入进行地址分配时，可将所有的按钮和限位开关分别集中配置，相同类型的输入点尽量分在一个组。对每一种类型的设备号，按顺序定义输入点的地址。如果有多余的输入点，可将每一个输入模块的输入点分配给一台设备。将那些高噪声的输入模块尽量插到远离CPU模块的插槽内，以避免交叉干扰，因此这类输入点的地址较大。
在进行输出配置和地址分配时，也要尽量将同类型设备的输出点集中在一起。按照不同类型的设备，顺序地定义输出点地址。如果有多余的输出点，可将每一个输出模块的输出点分配给一台设备。另外，对彼此有关联的输出器件，如电动机的正转和反转等，其输出地址应连续分配。
在进行上述工作时，也要结合软件设计和系统调试等方面考虑。合理地安排配置与地址分配的工作，会给日后的软、硬件设计，以及系统调试等带来很多方便。
六、PLC的软件设计
软件设计主要完成参数表的定义、程序框图的绘制、程序的编制和程序说明书的编写。
参数表为编写程序做准备，对系统各个接口参数进行规范化的定义，不仅有利于程序的编写，也有利于程序的调试。参数表的定义包括输入信号表、输出信号表、中间标志表和存储表的定义。参数表的定义和格式因人而异，但总的原则是便于使用。
程序框图描述了系统控制流程走向和系统功能的说明，它应该是全部应用程序中各功能单元的结构形式，据此可以了解所有控制功能在整个程序中的位置。一个详细合理的程序框图有利于程序的编写和调试。
软件设计的主要过程是编写用户程序，它是控制功能的具体实现过程。程序说明书是对整个程序内容的注释性的综合说明，应包括程序设计依据、程序基本结构、各功能单元详细分析、所用公式原理、各参数来源及程序测试情况等。
在进行系统设计时，可同时进行硬件和软件的设计。这样有利于及时发现相互之间配合上的一些问题，及早地改进有关设计，更好地共享资源，提高效率。
七、总装统调
软、硬件设计在定型前，都要进行多次调试，以发现和改正错误与不足。对于PLC控制系统，可先模拟调试，用硬件设备，如输入器件等组成的电路产生模拟信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，来模拟现场输入信号的状态；用输出指示灯模拟被控对象；用FXGP或GPPW软件将设计好的控制程序传送到PLC中，进行程序的监控和模拟调试运行。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，逐步扩大，直到整个程序的调试。
模拟调试通过后，再进行实际的总装统调。首先仔细检查PLC外部设备的接线是否正确，设备引脚上的工作电压是否正常。在将用户程序传送到PLC之前，可先用一些短小的测试程序检测外部的接线状况，看有无接线故障。进行这类预调时，要将主电路先行断开，避免误操作或电路故障损坏主电路元器件。一切确认无误后，将程序送入存储器进行总调试，直到各部分的功能都正常，协调一致、成为一个正确的整体控制为止。如果发现问题，则要对硬件和软件的设计做出调整。全部调试结束后，可将程序长久保存在有记忆功能的EPROM或E2 PROM中。
八、应用实例----机械手传送工件的PLC控制系统
1、 控制要求
如下图所示为机械手传送工件的动作示意图。
系统运行前，机械手处于原位状态，即右限SQ3、下限SQ5受压。按下启动按钮，传送带B开始运行，同时机械手从右下限开始上升；机械手上升至上限位，SQ4动作，上升动作结束，同时机械手开始左旋动作；机械手旋转至左限位，SQ2动作，左旋动作结束，同时机械手开始下降动作；机械手下降至下限位， SQ5动作，下降动作结束，同时传送带A开始启动；传送带A将工件传送至光电开关检测区，SQ6动作，传送带A停止运行，同时机械手开始抓物动作。机械手抓住工件，SQ1动作，抓物动作完成，同时机械手再次开始上升；机械手上升至上限位，SQ4动作，上升动作结束，同时机械手开始右旋动作；机械手旋转至右限位，SQ3动作，右旋动作结束，同时机械手开始下降动作；机械手下降至下限位，SQ5动作，下降动作结束，同时机械手开始放物动作，经延时后，放物动作完成。
以上是机械手传送工件的一次完整的工作流程，系统中传送带B随机械手的运行状态而工作，即按下启动按钮开始运转，按下停止按钮结束运转。
2、 分析控制要求，进行PLC选型和I/O分配
PLC的输入端有单周期运行启动按钮、循环启动/停止按钮、机械手夹紧SQ1、左限位SQ2、右限位SQ3、上升限位SQ4、下降限位SQ5、光电开关SQ6等9个输入端，传送带A、B运转，手臂上升、下降、左摆、右摆，手爪抓工件等7个PLC输出端。
根据设计要求，系统共需要输入点9个，输出点7个，I/O接口共16个，为保证20%的余量，其I/O点应不小于32个。
根据控制要求及I/O点，对该系统进行分析，选用FX2N型的PLC控制系统，I/O分配表如下表所示。
3、 绘制顺序功能图
机械手传送工件控制系统的顺序功能图如下图所示。
4、 设计梯形图程序
根据“启-保-停”设计方法，机械手传送工件控制系统的梯形图如下图所示。
5、 语句表程序
根据梯形图转换语句表程序，如下图所示。
6、 安装与调试
1）程序录入
根据编写的梯形图录入程序。
2）PLC接线
根据PLC接线图进行PLC接线。
3）运行调试
将录入的程序传送到PLC，并进行调试，检查是否完成了控制要求，直至运行符合任务要求方为成功。
