一、PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电器控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量，因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1、 大限度地满足工艺流程和控制要求。工艺流程的特点和要求是开发PLC控制系统的主要依据。设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，明确控制任务，并与机械设计人员与实际操作人员密切配合，共同拟定电器控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
2、监控参数、精度要求以满足实际需要为准，不宜过多、过高，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便，并降低系统的复杂性和开发成本。
3、保证控制系统的运行安全、稳定、可靠。正确进行程序调试、充分考虑环境条件、选用可靠性高的PLC、定期对PLC进行维护和检查等都是很重要和必不可少的。
4、考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。
二、选用PLC控制系统的依据
随着PLC技术的不断发展，PLC的应用范围日益广泛，使得当今的电气工程技术人员在设计电气控制系统时，会有更多的机会考虑选用PLC控制。在传统的继电器-接触器控制系统和PLC控制系统、微机控制系统这三种控制方式中，究竟选取哪一种更合适，这需要从技术上的适用性、经济上的合理性进行各方面的比较论证。这里提供以下几点依据，以供在考虑是否选用PLC控制时参考：
（1）输入、输出量以开关量为主，也可有少量模拟量。
（2）I/O点数较多。这是一个相对的概念。在70年代，人们普遍认为I/O点数应在70点以上选用PLC才合算；到了80年代，降为40点左右；现在，随着PLC性能价格比的不断提高，当总点数达10点以上就可以考虑选用PLC了。
（3）控制对象工艺流程比较复杂，逻辑设计部分用继电器控制难度较大。
（4）有较大的工艺变化或控制系统扩充的可能性。
（5）现场处于工业环境，而又要求控制系统具有较高的工作可靠性。
（6）系统的调试比较方便，能在现场进行。
（7）现场人员有条件掌握PLC技术。
三、PLC控制系统设计的一般步骤
PLC控制系统设计的一般步骤可用图8-6的流程图来表示。这种设计方法与传统的继电器——接触器控制系统的设计相比较，组件的选择代替了原来的器件选择，程序设计代替了原来的逻辑电路设计。
（1）根据工艺流程分析控制要求，明确控制任务，拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据。工艺流程的特点和要求是开发PLC控制系统的主要依据，所以必须详细分析、认真研究，从而明确控制任务和范围。如需要完成的动作（动作时顺、动作条件，相关的保护和联锁等）和应具备的操作方式（手动、自动、连续、单周期，单步等）。
（2）确定所需的用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），估算PLC的I/O点数；分析控制对象与PLC之间的信号关系，信号性质，根据控制要求的复杂程度，控制精度估算PLC的用户存储器容量。
（3）选择PLC。PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的各项技术、经济指标起着重要的作用，PLC的选择括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。选择PLC的依据是输入输出形式与点数，控制方式与速度、控制精度与分辨率，用户程序容量。
（4）分配、定义PLC的I/O点，绘制I/O连接图。根据选用的PLC所给定的元件地址范围（如输入、输出、辅助继电器、定时器、计数器。数据区等），对控制系统使用的每一个输入、输出信号及内部元件定义专用的信号名和地址，在程序设计中使用哪些内部元件，执行什么功能格都要做到清晰，无误。
（5）PLC控制程序设计。括设计梯形图、编写语句表、绘制控制系统流程图。控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常，安全。可靠的关键，因此，控制程序的设计必须经过反复测试。修改，直到满足要求为止。
（6）控制柜（台）设计和现场施工。在进行控制程序设计的同时，可进行硬件配备工作，主要括强电设备的安装、控制柜（台）的设计与制作、可编程序控制器的安装、输入输出的连接等。在设计继电器控制系统时，必须在控制线路设计完成后，才能进行控制柜（台）设计和现场施工。可见，采用PLC控制系统，可以使软件设计与硬件配备工作平行进行，缩短工程周期。如果需要的话，尚需设计操作台、电气柜、模拟显示盘和非标准电器元部件。
（7）试运行、验收、交付使用，并编制控制系统的技术文件。编制控制系统的技术文件括说明书、设计说明书和使用说明书、电器图及电器元件明细表等。
传统的电器图，一般括电器原理图、电器布置图及电器安装图。在PLC控制系统中，这一部分图可以统称为“硬件图”。它在传统电器图的基础上增加了PLC部分，因此在电器原理图中应增加PLC的I/O连接图。此外，在PLC控制系统的电器图中还应括程序图（梯形图），可以称它为“软件图”。向用户提供“软件图”，可便于用户发生发展或工艺进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。根据具体任务，上述内容可适当调整。
四、系统设计的主要任务
系统设计的主要任务括分析工艺流程，明确控制要求、确定控制方案、选择机型和输入输出设备选择及输入输出点分配，施工设计、总装调试等。
（一）分析工艺流程，明确控制要求，确定控制方案
首先要详细分析实际生产的工艺流程，工作特点及控制系统的控制任务、控制过程、控制特点，控制功能，明确输入，输出量的性质，充分了解被控对象的控制要求。
在分析被控对象的基础上，根据PLC的特点，与继电器控制系统和计算机控制系统进行控制方案的分析与比较，如果被控系统的应用环境较差，而安全性，可靠性要求较高，输入输出多为开关量，而用常规的继电器接触器实现，系统较复杂或难以实现，工艺流程经常改变，那么，用可编程序控制器进行控制将是合适的。
（二）选择机型
随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和型号越来越多，功能日趋完善。从美国，日本、德国等国家引进的PLC产品及国内厂商组装或自行开发的PLC产品已有几十个系列。上百种型号。其结构形式、性能、容量、指令系统，编程方法、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选择PLC产品，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。一般来说，各个厂家生产的产品在可靠性上都是过关的，机型的选择主要是指在功能上如何满足自己需要，而不浪费机器容量。PLC的选择主要括机型选择，容量选择，输入输出模块选择、电源模块选择等几个方面。
1、可编程控制器控制系统I/O点数估算
I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的重要指标。根据被控对象的输入信号与输出信号的总点数，选择相应规模的可编程控制器并留有10%～15%的I/O裕量。估算出被控对象上I/O点数后，就可选择点数相当的可编程控制器。如果是为了单机自动化或机电一体化产品，可选用小型机，如果控制系统较大，输入输出点数较多，被控制设备分散，就可选用大、中型可编程控制器。
2、内存估计
用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数；用户的编程水平。
（1）内存利用率 用户编的程序通过编程器键入主机内， 后是以机器语言的形式存放在内存中，同样的程序，不同厂家的产品，在把程序变成机器语言存放时所需要的内存数不同，我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的利用率给用户带来好处。同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。另外同样程序可缩短扫描周期时间，从而提高系统的响应。
（2）开关量输入输出的点数 可编程控制器开关量输入输出总点数是计算所需内存储器容量的重要根据。一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6：4。这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。
所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10
（3）模拟量输入输出总点数 具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算的功能指令，这些功能指令内存利用率较低，因此所占内存数要增加。
在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入、数字滤波、传送和比较运算。在模拟量输入输出同时存在的情况下，就要进行较复杂的运算，一般是闭环控制，内存要比只有模拟量输入的情况需要量大。在模拟量处理中。常常把模拟量读入、滤波及模拟量输出编成子程序使用，这使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时。每一路模拟量所需的内存数会明显减少。下面给出一般情况下的经验公式：
只有模拟量输入时：
内存字数=模拟量点数*l00
模拟量输入输出同时存在时：
内存字数＝模拟量点数*200
这些经验公式的算法是在10点模拟量左右，当点数小于10时，内存字数要适当加大，点数多时，可适当减小。
（4）程序编写质量 用户编写的程序优劣对程序长短和运行时间都有较大影响。对于同样系统不同用户编写程序可能会使程序长度和执行时间差距很大。一般来说对初编者应为内存多留一些余量，而有经验的编程者可少留一些余量。
综上所述，推荐下面的经验计算公式：
总存储器字数＝（开关量输人点数+开关量输出点数）*l0+模拟量点数*150。然后按计算存储器字数的25%考虑裕量。
3、响应时间
对过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。例如某产品有效检测宽度为5cm，产品传送速度每分钟50m，为了确保不会漏检经过的产品，要求可编程控制器的扫描周期不能大于产品通过检测点的时间间隔60ms（T＝5cm ／50m／60s）。
系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。系统响应时间＝输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期.
4、功能、结构要合理
单机控制往往是用一台可编程控制器控制一台设备，或者一台可编程控制器控制几台小设备，例如对原有系统的改造、完善其功能等。单机控制没有可编程控制器间的通信问题；但功能要求全面。选择箱体式结构的可编程控制器为好。若只有开关量控制，可选择F1、F2、FX、GE-1、C-20、S5-101、TI100、EX-40等品种。另外，国产化CKY-40H、D-40、CF-40、PCZ-40、ACMY-S256品种也可与进口货相媲美。
若被控对象是开关量和模拟量共有，就要选择有相应功能可编程序控制器。模块式结构的产品构成系统灵活，易于扩充，但造价高，适于大型复杂的工业现场。
5、输入输出模块的选择
可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关；接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模块类型分直流5、12、24、48、60V几种；交流115V和220V两种。由现场设备与模块之间的远近程度选择电压的大小。一般5、12、24V属低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块 远不能超过10m，也就是说，距离较远的设备选用较高电压的模块比较可靠。另外高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般讲，同时接通点数不得超过60%。为了提高系统的稳定性，必须考虑门槛（接通电平与关断电平之差）电平的大小。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。
输出模块的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。对于开关频繁、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，缺点是模块价格高；过载能力稍差。继电器输出模块优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格便宜，缺点是寿命短，响应速度慢。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。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。
6、结构型式的考虑
PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块大印刷电路板上，节省了插接环节，结构紧凑，体积小，每一I/O点的平均价格也比模块式的便宜，所以小型PLC控制系统多采用整体式结构。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式方便灵活。维修时更换模块，判断与处理故障快速方便。因此，对于较复杂的要求较高的系统，一般选用模块式结构。
7、对用户存贮器的要求
一般PLC都用CMOS RAM作用户存贮器，它具有静态消耗电流小（1／A）的特点。为了在停电时保护用户程序和现场数据，通常用锂电池作后备电源。
如果被控系统的工艺要求固定不变，所编程序经调试后己比较完善，不需要经常修改，为了防止他人随意改动控制程序，可以采用EPROM（选购件）将用户程序固化。
8、是否需要通讯联网的功能
大部分小型PLC都是以单机自动化为目的，一般没有和上位计算机通讯的接口。如果用户要求将PLC纳入工厂自动化控制网络，就应选用带有通讯接口的PLC。一般大、中型PLC都具有通讯功能。近年来，一些高性能的小型机（如FX、C40H、S5-100U等）也带有通讯接口，通过RS-232串行接口，与上位计算机或另一台PLC相连，也可以连接打印机、CRT等外部设备。
以上简要地介绍了PLC选型的依据和应考虑的几个问题，用户应根据生产实际的需要，综合考虑各种因素，选择性能价格比合适的产品，使被控对象的控制要求得到完全满足，也使PLC的功能得到充分发挥。
（三）输入输出设备选择及输入输出点分配
在PLC控制系统中，通常用作输入器件的强电元件是控制按钮，行程开关、继电器等的触点。PLC的执行元件通常有接触器、电动机、电磁阀，信号灯等。要根据控制系统的需要进行选择。
（四）施工设计
与一般电气施工设计相同， PLC控制系统的施工设计需完成下列工作：画出完整的电路图；注明电气元件清单；画出电气柜内电器位置图和电器安装接线互连图。另外，还需完成下列几项工作：
1、画出电动机主回路及不进入PLC的控制回路。为了保证系统的可靠性，手动电路、急停电路一般不进入PLC控制电路。例如，保护开关，热继电器，熔断器和限位保护开关等均不进入PLC控制电路，电源也应相互分开，以备PLC异常时能够使用。
2、画出PLC输入，输出接线图。注意要按现场信号和PLC软继电器编号对照表的规定，将现场信号线接在对应的端子上。
3、对重要的互锁，如电动机正反转、热继电器等需在外电路用硬接线再连锁。凡是有致命危险的场合，设计成与PLC无关的硬线逻辑。
4、画出PLC的电源进线接线图和执行动作电器的供电系统图。
（五）总装调试
1、程序调试
将设计好的程序用编程器输入到PLC中，进行编辑和检查，发现问题，立即修改和调整程序。
2、现场调试
现场安装完毕后，可对硬件和软件进行联调，实现对某些参数的现场确定和调整。
3、安全检查
后对系统的所有安全措施作彻底检查，准确无误后即可投入试运行，待一切正常后，将程序固化在有长久记忆功能的只读存储器EPROM中长期保存。
