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摘要
寶特瓶的製造技術已廣泛普及，然而對於製造過程中的智慧溫控及節能減耗兼具之控制方法研究仍然相對有限，目前國內吹瓶機製造業者也無相關功能之設備推出。由於吹瓶機加熱系統的溫度控制是影響寶特瓶品質好壞的關鍵因素之一，尤其當面對部分季節早晚環境溫度差異大的情況，吹瓶設備的現場操作人員常需針對加熱系統中特定的紅外線加熱燈管進行數次的調整，且調整過程高度依賴專家經驗，使瓶胚表面的溫度精準控制具挑戰性，加上回收料所製瓶胚對溫度控制的要求更加精確和嚴格，如何兼具智慧溫控及節能減耗已成為吹瓶設備開發業者的挑戰。因此，本文基於深度強化學習架構，建立一加熱系統參數智慧調控技術，在環境溫度變化干擾情況下，能將加熱箱內溫度及瓶胚表面溫度分別控制在目標溫度的±1.5℃及±2℃內。此技術在實際應用上不需改變加熱系統原先的設計，屬於低成本易實現的方案。
Abstract
Stretch blow molding is the main technology used in the production of PET bottles. Taking general stretch blow molding equipment as an example, it includes the preform infeed system, transfer system, heating system, molding system, bottle discharge system, etc. The temperature control of the heating system is one of the key factors affecting the quality of PET bottles. When faced with the large difference in ambient temperature between morning and evening in some seasons, the on-site operators of the blowing equipment often need to adjust the infrared heating lamps in the heating system several times, and the adjustment process is highly dependent on manual experience. Therefore, this article establishes an intelligent temperature control technology for heating system parameters based on the deep reinforcement learning. This technology is capable of maintaining the temperature inside the heating box and the surface temperature of the preform within ±1.5°C and ±2°C of the target temperature, respectively, despite disturbances from environmental temperature changes and variability due to aging of the heating lamps.
前言
食品包裝在食品安全和衛生方面發揮著重要作用，其依食品性質、保存要求、運輸方式、市場需求等，主要分為紙包裝、玻璃包裝、塑膠包裝、金屬包裝等四大類。近年世界主要先進國家的塑膠包裝成長最快，所佔比例亦逐年升高，其中尤以寶特瓶(PET，polyethylene terephthalate, 全名為聚對苯二甲酸乙二醇酯)為甚。顯見隨著現代生活方式的改變及包裝產業技術的進步，消費者為求便利(輕量與便捷)，對瓶裝飲品的需求逐年快速攀升，這也使得寶特瓶生產業者對於吹瓶設備的速度、品質、節能等各方面之要求越趨嚴格。
寶特瓶生產所採用的主要技術為拉吹成型，製程的初始步驟(射出成型階段)是將PET樹脂注入管狀模具中，形成預成型件(瓶胚)。隨後於拉吹成型階段，將預成型件(瓶胚)經由吹瓶設備加熱系統加熱至玻璃化轉變溫度，同時用拉伸桿對其進行拉伸，以及使用高壓空氣吹氣，從而獲得所需的瓶子形狀，其在模具內冷卻後脫模，整個成型過程在幾秒鐘內完成。在拉吹成型階段，寶特瓶品質特性受到三個主要變數影響：預成型件(瓶胚)的初始形狀、預成型件(瓶胚)的加熱溫度，以及拉伸和吹塑速率之間的平衡[1]。從系統架構的角度來看，吹瓶設備的組成通常包括入胚系統、公轉系統、加熱系統、成型系統、出瓶系統等，其中加熱系統需依照該設備能吹製的最大瓶型規格來規劃加熱箱數量，以提供生產瓶型容積規格所需的加熱能量。由於加熱系統的溫度控制是影響寶特瓶品質好壞的關鍵因素之一，假若寶特瓶瓶胚的加熱溫度沒有控制在允許的誤差範圍內，就容易導致成品有缺陷，而影響瓶胚加熱溫度的因素包括加熱燈管功率、瓶胚與加熱燈管距離、燈管間的距離、瓶胚移動速度、瓶胚自轉速度、加熱箱上鼓風機轉速等。國內吹瓶設備開發業者通常根據客戶提供的瓶型規格要求，協助設計對應的成型模具，並於廠內進行寶特瓶拉吹成型試驗，從中取得適當的加熱系統參數(如加熱箱內各紅外線加熱燈管之功率參數)設定值後，將其連同模具一併提供給客戶。
如上所述，吹瓶設備的加熱系統是由多個加熱箱組成，每個加熱箱的一側裝有數個紅外線加熱燈管，另一側裝有鋁合金製成的反射板，其可有效地將熱能反射到PET瓶胚上，不僅確保PET瓶胚的加熱效果，同時還可降低能耗。當PET瓶胚被紅外線燈管加熱時，熱能會從瓶胚外部傳遞到內部，為避免瓶胚內外溫差過大，通常在加熱箱內安裝鼓風機作為冷卻元件，使加熱箱內溫度均勻，並帶走多餘的熱能。然而，加熱箱為半開放式結構，容易受到周圍環境溫度變化的干擾影響，尤其面對部份季節早晚環境溫度差異大的情況，吹瓶設備的現場操作人員常需針對加熱系統中特定的紅外線加熱燈管功率進行數次的調整，且調整過程高度依賴專家經驗，使瓶胚表面溫度精準控制具挑戰性。此外，隨著環保和綠色製造的發展趨勢，回收材料製成的瓶胚漸被採用，其對溫度控制的要求更加精確和嚴格，如何兼具智慧溫控及節能減耗已成為吹瓶設備開發業者的難題，同時這也是各類智慧溫控應用場域所要面臨的挑戰，如Google公司也積極投入自家資料中心伺服器冷卻系統的溫控效率與能源消耗最佳化之研發。
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2025年05月號
(單篇費用：參考材化所定價)