ライン下り+ケルン日帰りは定番ですよ

多くの方はフランクかリューデスハイム泊で午前ライン下り、午後ケルン大聖堂というのが定番ですので

＞ちょっとキツキツになりすぎるかなあ

はないと思います。船下りは1時間半で終わってしまうので、午後どうしよう？　どこの行ったらいい？となるかと。
リューデスハイム泊だと一番の船でも朝ゆっくり寝れますが、その日にフランクやハイデルベルク泊だと、荷物持参が大変（リューデスハイム連泊なら手ぶらでが可能ですが。マインツ連泊も同じです）。

そこでフランク泊で手ぶらでケルンへも。連泊か荷物ピックアップでハイデルベルク泊も可能です。

いずれにしてもケルンまでは楽勝ですよ。むしろ当掲示板を見てもライン下りだけの方のほうが珍しいです。
ライン下りだけの方はリューデスハイム散策やゴンドラ、ローレライかシュターレック城、コブレンツの城塞（ドイチェスエック）からのライン一望、ボッパルト観光などライン各地３～4カ所周遊する方が多いです。

ケルンまで行かないにしてもシュターレック城など上からのラインを見ないと、観光船だけではラインの魅力の半分しか見たことにならないかも。
湖水地方のハルシュタット+シャーフベルクと同じことが言えます。

リューデスハイム泊でその日にハイデルベルクかローテンブルクに移動し、観光・泊という時間のない方は船下りだけでしょうが。

マインツ連泊ならケルンは本当に余裕で行けますので、もし大聖堂が見たければ行かれるといいですよ。