補足

皆さんの回答で日帰り問題なしとお分かり頂けたと思いますが、今後御自身でプランが立てられるよう
ドイツ鉄道のサイトのリンクを付けておきます。

http://reiseauskunft.bahn.de/bin/query.exe/en

日本語はありませんが英語でなんとかなりますよね？

ケルン-フランクフルト間のICEはライン川沿いではなく東よりの高速新線経由なので所要時間が1時間10分強と相当短くなります。