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现代工控系统往往包含机械、电子、自动控制、计算机软件和硬件等诸多技术，是一个典型的多学科交叉的技术领域。随着计算机软硬件技术的发展，在现代工控系统设计中以工业计算机――PLC为中心的特点愈发明显，在系统的设计阶段和实现过程中都离不开PLC技术的支持，特别是最终产品的性能很大程度上取决于PLC的性能。基于PLC的工控系统功能越来越强大，结构越来越复杂。如何采用适用的设计方法，缩短系统设计时间，保证系统的强大功能和可靠性，是工控系统设计师急需解决的问题。
一、现代工控系统的特点
1.实时性
控制系统需要与外部环境交互，具有较强的实时性。要求对系统的输入信号在限定的时间内给出输出结果，设计的复杂性比较高。
2.网络化
现代工控系统大量使用现场总线、工业以太网等网络控制技术，实现了安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信。
3.软件化
现代工控系统的一个典型特征是设计重点逐渐向工业组态软件方面转移。这主要有两个原因，一方面计算机的性能不断提高，过去必须由硬件完成的实时性能可以通过实时软件来实现，使设计的灵活性提高，成本下降；另一方面由于机械系统的产品生命周期一般是5～20年，而硬件和软件的生命周期一般是3～5年。当一个原型产品设计完成后，后续的主要工作变成系统维护和软件升级，要求在设计阶段就要考虑软件的可维护性、可移植性、可升级性。
二、工控系统设计方法
工控系统的总体设计从设计步骤看一般由需求分析、体系结构设计，软、硬件设计、系统集成和系统测试5个阶段构成。各个阶段之间往往要求不断地反复和修改，直至完成最终设计目标。
1.可行性调研
可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性。进行这方面的工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。如果有，则可分析他人是如何进行这方面工作的，有什么优点和缺点，有什么是值得借鉴的；如果没有，则需作进一步的调研，此时的重点应放在能否实现这个环节，首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性 ，所要求的客观条件是否具备(如环境、测试手段、仪器设计、资金等)，然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。
2.系统总体方案设计
在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是系统总体方案的设计。工作的重点应放在该项目的技术难度上，此时可参考这一方面更详细、更具体的资料，根据系统的不同部分和要实现的功能，参考国内外同类产品的性能，提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书，确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导和验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。从而完成系统总体方案设计。
3.体系结构设计
一旦总体方案决定下来，下一步的工作就是将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成 ，哪些部分用软件来完成。由于硬件结构与软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成；但也应考虑以软件代硬件的实质是以降低系统实时性、增加处理进行为代价的，而且软件设计费用、研制周期也将增加，因此系统的软、硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考虑。在确定软硬件功能的基础上，设计者的工作就开始涉及到一些具体问题，如设备的体积及与具体技术指标相对应的硬件实现方案，软件的总体规划等。上面这几部分工作是必不可少的，否则，可能导致设计方案的整体更改，甚至可能导致方案无法实现造成人力、物力的浪费。
4.硬件设计
对于PLC 工控系统的硬件设计包括两大部分内容：一是硬件的选型，包括控制网络的选择，PLC、变频器、各功能模块的选择，如信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通讯功能模块等，为使系统设计更加合理，系统的设计应注意以下几个方面：
（1）在选型的时候，因为各种PLC都有大型、中型、小型的分别，这些分别主要是由CPU模块的性能不同造成的。在实际上，并非一定大型的功能就是合适的。除了价格方面的考量之外，主要是，如果控制点数不多，小型的CPU模块完全可以胜任，则小型的CPU反而比大型的CPU模块工作还要可靠一些。因为，小型的CPU所涉及的资源少，而大型CPU的资源多，在程序执行中，为处理那些程序不需用到的资源时，也要分配时间去处理，这样不仅造成资源的浪费，可能在程序处理上不及小型CPU可以更单纯和稳定地工作。
（2）在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的专用模块和器件。因为采用这种模块，不仅元件数量、接插件和相互连线减少，使系统可靠性增加。提高设计的成功率和结构的灵活性。
（3）在对硬件系统总体结构考虑时，注意选择通用性强、市场货源充足的元器件，尤其对需大批量生产的场合，更应注意这方面的问题。其优点是：一旦某种元器件无法获得，也能用其他元器件直接替换或对电路稍作改动后用其它器件代替。
（4）硬件参数的设定。系统的硬件具体应用时，首要问题是进行详细的技术论证。就硬件系统来讲，电路的各部分都是紧密相关、互相协调的，任何一部分电路的考虑不充分，都会给其他部分带来难以预料的影响，轻则使系统整体结构受破坏，重则导致硬件总体大返工，由此造成的后果是可想而知的。从时间花费上看，硬件设计的绝大部分工作量往往在最初方案的设计阶段，一个好的设计方案往往会有事半功倍的效果。一旦总体方案确定下来，下一步的工作就会很顺利进行，即使需要作部分修改，也只是在此基础上进行一些完善工作，而不会造成整体返工。在进行硬件的总体方案设计时，所涉及到的具体电路可借鉴他人在这方面进行的工作。
（5）系统的扩展及各功能模块的设计。在满足应用系统功能要求的基础上，系统的扩展及各功能模块应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。实际上，工控系统的设计一次成功而不作任何修改的情况是很少的，如果在设计之初未留有任何余地，后期很可能因为一点小小的改动或扩展而被迫进行全面返工。
（6）新技术的应用。设计时应尽可能地作些调研，采用最新的技术。因为PLC发展迅速，更新换代很快，市场上不断推出性能更优、功能更强的设备，要时刻注意这方面的发展动态，采用这些新技术。
（7）工艺的设计。工控系统还要注意工艺的设计，包括配电箱、操作面板、配线、接插件等，这是一个初次进行系统设计人员容易疏忽但又十分重要的问题。在设计时要充分考虑到安装、调试、维修的方便。描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、软件系统的功能划分。一个好的体系结构是设计成功与否的关键。
三、工控系统的调试
系统设计好后，必须经过软件调试和硬件调试，才能应用到实际生产中。从实质上讲，软硬件的调试是一次综合调试，一方面要排除软件错误，同时进一步解决硬件的故障。调试时可以将系统分为模块一个一个分开进行，再将它们连在一起统调。
到了现场后，进行系统调试前，需要考虑安装环境是否满足PLC的使用环境要求，这一点可以参考各类产品的使用手册。系统中PLC常常需要与人机界面进行、变频器需要进行通讯，或者本地CPU模块与远程单元模块的通讯。系统设计中，最容易出问题的地方是通讯，现场调试最麻烦的地方也是通讯，所以对于通讯的部分，你必须清晰了解系统的框架结构，并且对需要进行通讯的东西在出发前就要全部进行一遍调试，而且要确认其中的所有需要通讯的模块是可以通讯的。比如，操作台电脑、触摸屏、PLC、变频器、其他的PLC、一些智能仪表和仪器，必须要确认它们相互之间是否可以通讯的，如果系统较大，远程单元、本地机架数量、每个机架的模块数量的限制，并非出于系统功能和技术上的限制，而是由于使用规范性的限制。在系统硬件组态时，要考虑这些模块的搭配作用。发现了原来编程时的错误，需要对已经编好的程序进行修改。
四、系统的运行
系统经过调试通过后，就可以进行系统的运行，初次运行，首先在监控状态下看设备的工作状态，这时可继续使用依次改变控制要求和带上相应负载的方法检查程序和控制设备及负载的运行情况是否正常。然后再进行相应的修改。直到完全能适应设计要求。
工控系统的开发、设计、调试、是一件复杂而细致的工作，经验必需在实践中不断积累。很多设计理念和控制方法是具有可重用性的。通过重用，并应用在系统开发中可以充分地利用已有的开发成果，减少了包括需求分析、设计、编码、测试等在内的许多重复劳动，提高了软件生产率，同时，通过复用已测试过的高质量的己有产品，避免了重新开发可能引入的错误和不当，从而提高设计的质量，有利于复杂系统的结构分析，模块划分和集成管理，也易于以后的重复使用和二次开发。
（作者单位：广东省机械高级技工学校）