NModbus конечно хороша, но слишком уж велика. Оставил ее пока в сторонке. Продолжил разбираться с ModbusTCP.

capzap прав, в библиотеке допущена ошибка при проектировании, выражающаяся в попытке установить два соединения на один порт. Пример, поставляющийся с библиотекой, использует асинхронное соединение. Убрав код синхронного соединения я таки установил связь с ПЛК и успешно осуществил чтение с регистра и запись в оный.

Основной проблемой осталась периодическая потеря связи, что совсем не есть гуд. Конечно нет никакой сложности перехватывать исключение и восстанавливать связь, но для начала надо бы разобраться с причиной.