对于电气技术人员来说，控制系统软件的设计就是用梯形图编写控制程序，用户程序的设计是PLC应用中最关键的问题。对于控制规模比较大的系统，可根据工艺流程图，将整个流程分解为若干步，确定每步的转换条件，配合分支、循环、跳转及某些特殊功能，以便很容易地转换为梯形图设计。对于传统的继电器控制电路的改造，可根据原系统的控制电路，将某些桥式电路按照梯形图的编程规则进行改造后，直接转换为梯形图。这种方法设计周期短，修改、调试程序简单方便。程序设计可以与现场施工同步进行，以缩短设计周期。
在掌握PLC的指令以及操作方法的同时，还要掌握正确的程序设计方法，才能有效地利用可编程序控制器，使它在工业控制中发挥巨大作用。PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。
一、经验设计法
这种方法沿用了继电器控制电路来设计梯形图。它是在基本控制单元和典型控制环节基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，进行选择组合，并经过多次反复调试和修改梯形图，有时还需要增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到所需的控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所需时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法。经验设计法适用于较简单的梯形图设计。应用经验设计法时必须熟记一些典型的控制电路，如起-保-停电路，脉冲发生电路等。
经验设计法的步骤如下:
1.在准确了解控制要求后，合理地为控制系统中的事件分配输人、输出口。选择必要的软元件，如定时器、计数器，辅助继电器等。
2.对于一些控制要求较简单的输出，可直接写出它们的工作条件，以起-保-停电路模式完成相关的梯形图支路。工作条件稍复杂的可借助辅助继电器。对于控制较复杂的系统，应正确分析控制要求，并确定组成控制要求的关键点。在以逻辑为主的控制中(如抢答器)关键点为影响控制状态的点。在以时序为主的控制中(如交通灯)关键点为控制状态转化的时间。
3.将关键点用梯形图表达出来。关键点总是要用软元件来代表的，在安排软元件时需考虑并安排好。绘制关键点的梯形图时，可使用常见的基本环节，如定时器计时环节、振荡环节、分频环节等。在完成关键点梯形图的基础上，针对系统最终的输出进行梯形图的绘制。使用关键点综合出最终输出的控制要求。
4.审查以上草绘图样，在此基础上补充遗漏的功能，更正错误，进行最后的完善。依靠经验直接设计控制系统，有时需要多次反复的调整和修改梯形图，最后才能达到一个较为满意的结果。因此，这种方法具有很大的随意性，最终结果也不唯一。由于过多依赖经验设计，因此要求设计者具有丰富的经验，要能熟悉掌握控制系的大量实例和典型环节。
二、继电器控制电路转换为梯形图法
继电器-接触器控制系统经过长期使用，已有一套能完成系统要求的控制功能并经过验证的控制电路，而PLC控制的梯形图和继电器-接触器控制电路很相似，因此可以直接将经过验证的继电器-接触器控制电路转换成梯形图。主要步骤如下:
1.熟悉现有的继电器-接触器控制电路。
2.对照PLC的I/O端子接线图，将继电器-接触器控制电路上的被控器件(如接触器线圈、指示灯、电磁阀等)换成接线图上对应的输出点的编号，将电路上的输人装置(如传感器、按钮行、程开关等)触点都换成对应的输人点的编号。
3.将继电器接触器控制电路中的中间维电器、定时器，用PLC的辅助继电器、定时器来代替。
4.画出全部梯形图，并子以简化和修改。
这种方法对简单的控制系统是可行的，比较方便，但较复杂的控制电路，就不适用了。
三、逻辑设计法
逻辑设计法是从控制系统中各种物理量的逻辑关系出发的一种设计方法。它以布尔代数为理论基础，根据生产过程中各工步之间各检测元件(如行程开关、传感器等)状态的变化，列出检测元件的状态表，确定所需的中间记忆元件，再列出各执行元件的工序表，然后写出检测元件、中间记忆元件和执行元件的逻辑表达式，并转换成梯形图。这种方法既有严密可循的规律性和可行的设计步骤，又有简便、直观和十分规范的特点。该方法在单一的条件控制系统中，非常好用，相当于组合逻辑电路，但和时间有关的控制系统中，就很复杂。主要步骤如下:
1.通过结合控制要求进行具体分析，给制控制系统循环图和检测元件分布图，取得电气执行元件功能表。
2.绘制控制系统状态转换表，通常它由输出信号状态表、输人信号状态表、状态转换主令表和中间记忆状态表四部分组成。根据状态转换表，进行控制系统的逻辑设计，包括写出中间记忆元件的逻辑表达式和执行元件的表达式。
3.将逻辑函数转化为梯形图或语句表形式。由于语句表的结构和形式与逻辑函数非常相似，很容易直接由逻辑函数转化。而梯形图可以通过语句表过渡一下，或直接由逻辑函数转化。
4.程序的完善和补充。主要包括手动工作方式的设计、手动与自动工作方式的选择、自动工作循环、保护措施等。
四、顺序控制设计法
根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。状态流程图又叫功能表图、状态转移图或状态图。它是完整地描述控制系统的控制过程、功能和状态的一种图形，是分析和设计电气控制系统顺序控制程序的一种重要工具。首先将被控制对象的工作过程按输出状态的变化分为若干步，并指出工步之间的转换条件和每个工步的控制对象。这种工艺流程图集中了工作的全部信息。在进行程序设计时，可以用中间继电器(M)来记忆工步，一步一步地顺序进行，也可以用顺序控制指令来实现。状态流程图是一种通用的技术语言，可以为不同专业的工程技术人员进行技术交流服务。
最后软件设计好后一般先进行模拟调试。模拟调试可以通过仿真软件来代替PIC硬件在计算机上调试程序。如果有PLC硬件，可以用小开关和按钮模拟PLC的实际输人信号（如起动、停止信号)或反馈信号(如限位开关的接通或断开），再通过输出模块上各输出位对应的指示灯，观察输出信号是否满足设计的要求。需要模拟量信号I/O时，可用电位器和万用表配合进行。在编程软件中可以用状态图或状态图表监视程序的运行或强制某些编程元件。
在模拟调试过程中，应充分考虑各种可能出现的情况对各种不同的工作方式以及运行条件都应逐一试验，不能遗漏，发现问题应及时修改。对于指令较多的程序，需采用设置断点的方法，加快程序故障的查找，直到在各种可能的情况下，控制系统完全符合系统控制受求。
完成PLC整个软硬件设计后，将PIC安装到控制现场或将调试好的程序传送到现场使用的PLC存储器中，连接好PLC与输人信号以及驱动负载的接线。待确认连接无误后，就可进行现场调试。调试时主电路一定要断电，先对控制电路进行联机调试。通过现场联机调试，还会发现新的问题或对某些控制功能的改进，应及时解决调试时发现的软件和硬件方面的问题，直到满足工艺流程和系统控制要求。
根据调试的最终结果，整理出完整的技术文件，如电气接线图、状态流程图、带注释的梯形图以及必要的文字说明等，随系统一起交付使用。在说明书中通常对程序的控制要求、程序的结构、流程图等给以必要的说明，并且给出程序的安装操作使用步骤等。